Um sistema Linux embarcado não se difere, no quesito sistêmico, de um sistema Linux desktop. A mesma estrutura e conceitos são aplicados em ambos os domínios. A principal diferença está nos requisitos de processamento, armazenamento, consumo de energia e confiabilidade. Na maioria dos sistemas Linux embarcado, os recursos disponíveis são limitados e muitas vezes a interface com usuário é bastante limitada ou simplesmente não existe.

Seguem alguns exemplos de sistemas embarcados que utilizam o Linux como sistema operacional:

• Roteador;
• Setup-box;
• Smart TV;
• Controlador Lógico Programável (CLP);
• Câmera Digital.

Arquitetura Básica

Na arquitetura básica de um sistema Linux podemos identificar cinco componentes básicos:

1. Hardware: o seu produto;
2. Bootloader: iniciado pelo hardware, responsável pela inicialização básica, carregamento e execução do kernel Linux;
3. Kernel Linux: núcleo do sistema operacional. Gerencia CPU, memória e I/O, exportando serviços para as aplicações do usuário;
4. Rootfs: sistema de arquivos principal. Possui as bibliotecas do sistema para uso dos serviços exportados pelo kernel, além das bibliotecas e aplicações do usuário;
5. Toolchain: conjunto de ferramentas para gerar os artefatos de software do sistema.

Hardware

Vamos considerar um roteador Wi-Fi doméstico como exemplo de plataforma de hardware:

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O Linux kernel é capaz de rodar em mais de 20 arquiteturas de CPU diferentes. Como por exemplo: x86, ia64, ARM, PowerPC, MIPS, SuperH, Blackfin, Coldfire, Microbalze.

Tem suporte à arquiteturas de 32 e 64 bits e arquiteturas que não possuem MMU (Memory Management Unit).

Suporta armazenamento em memórias NAND, FLASH, MMC e hard disks.

No nosso exemplo, um sistema básico pode funcionar com até 8MB de RAM e 2MB de armazenamento, uma vez que, poucos drivers, funcionalidades do kernel e bibliotecas e aplicativos são necessárias para que o sistema desempenhe as funções desejadas.

Toolchain

Conjunto de ferramentas de programação usadas para gerar determinado produto, seja um software ou mesmo um sistema completo. Quando a plataforma de desenvolvimento (host) é diferente da plataforma alvo (target), chamamos o toolchain de cross-compiling toolchain.

Componentes principais:

• Compilador (gcc);
• Assembler e Linker (binutils);
• Biblioteca C padrão (glibc, uclibc, dietlibc, musl, etc).

Algumas opções de toolchains prontas;

• GNU Toolchain: Suporte para até 39 arquiteturas ;
  
• Code Sourcery: ARM ;
• Linaro: ARM ;
• MIPS .

Artefatos de software de um Sistema Linux embarcado

Os artefatos de software principais de um sistema Linux embarcado são: Bootloader, Kernel e Rootfs. Tomando-se como base o hardware proposto, estes artefatos estão organizados na memória flash da seguinte maneira:

Bootloader

Toda CPU possui um mecanismo de inicialização, que é responsável por carregar e executar o bootloader. Em algumas arquiteturas de CPU é necessário o uso de um bootloader de primeiro estágio, no qual é carregado pelo processador e executado a partir de sua memória interna. Em alguns casos esse bootloader de primeiro estágio está concatenado junto ao bootaloader.

As principais funcionalidades do bootloader são:

• Inicializar o hardware antes de executar o kernel como, por exemplo, configurar a controladora de SDRAM;
• Passar parâmetros para o kernel;
• Prover mecanismos para carregar e gravar o kernel e o sistema de arquivos na memória flash ou cartão SD;
• Inicializar via rede ou pelo cartão SD;
• Rotinas de diagnóstico de hardware.

Principais bootloaders utilizados em sistemas embarcados:

• x86:
  • LILO;
  • Grub;
  • Syslinux.
• ARM, MIPS, PPC e outras arquiteturas:
  • U-Boot;
  • Barebox;
  • Redboot.

Kernel

O Kernel é o coração do nosso sistema. No boot ele é responsável por:

• Inicializar CPU, memória e barramentos;

• Configurar a memória virtual (se tiver MMU);

• Inicializar os device drivers;

• Iniciar o escalonador de tarefas;

• Iniciar threads do kernel;

• Montar sistema de arquivos principal (rootfs) e chamar o processo init.

Como principais características podemos apontar:

• Gerencia execução de processos e controla acesso à memória e I/O;

• Gerenciamento do kernel space X user space;

• Interface de user space com kernel space via chamadas do sistema (system calls);

• Acesso ao hardware via arquivos de dispositivo;

• Gerenciamento dinâmico dos módulos do kernel.

Rootfs

Após ter sido montado pelo kernel e ter o processo init (PID = 1) iniciado, o rootfs utiliza seu mecanismo de inicialização (ex.: SysVinit, Systemd etc) para inicializar os processos e aplicações do sistema. É responsável por prover as bibliotecas de sistema e de usuário.

Alguns exemplos de aplicações para sistemas embarcados:

• Dropbear: cliente e servidor SSH;

• Thttpd: servidor web;

• DirectFB: biblioteca gráfica;

• SQLite: banco de dados;

• Busybox: o canivete suíço de sistemas embarcados com Linux.

Referência

Material do Treinamento Desenvolvendo Sistemas Linux Embarcado da Embedded Labworks.