Cum pot fi depășite provocările dezvoltării Linux în sistemele cu resurse limitate

BeagleV-Fire: platformă pentru dezvoltarea de aplicații Linux embedded bazate pe RISC-V, FPGA și securitate hardware în sisteme industriale edge.

Acest articol trece în revistă, pe scurt, provocările cu care se confruntă proiectanții atunci când implementează Linux în sisteme cu resurse limitate. Apoi, prezintă BeagleV-Fire de la BeagleBoard.org, un SBC utilizat împreună cu Linux și descrie modul în care acesta poate maximiza flexibilitatea proiectelor viitoare. Este inclusă și o demonstrație privind utilizarea pachetelor open-source de suport pentru placă (BSP) de la Microchip Technology, pentru crearea unei configurații Linux inițiale.

Tehnologia open-source oferă dezvoltatorilor de sisteme electronice o cale de a reduce costurile, de a scurta timpul de lansare pe piață și de a prelungi ciclul de viață al produselor, prin eliminarea barierelor impuse de soluțiile proprietare și prin încurajarea colaborării. În prezent, oportunitățile oferite de open-source acoperă întregul ansamblu software-hardware al sistemului, de la sisteme de operare până la hardware de tip computer pe o singură placă (SBC) și IP pentru semiconductori.

Cu toate acestea, cerințele ridicate de calcul, riscurile de securitate și provocările legate de latența deterministă continuă să reprezinte obstacole în rularea Linux pe dispozitive cu resurse limitate, precum sistemele industriale IoT (IIoT) și cele de robotică.

Provocările dezvoltării open-source în sistemele embedded

Adoptarea tehnologiilor open-source în dezvoltarea sistemelor embedded este deja o practică bine consacrată. Atât proiectarea hardware, cât și integrarea software sunt accelerate de resursele gata de utilizare, create de un ecosistem vast de producători și ingineri independenți. În special, flexibilitatea sistemului Linux l-a transformat într-o soluție software importantă pentru sistemele care necesită conectivitate la rețea, cadre de aplicații de nivel înalt și integrarea inteligenței artificiale (AI).

Cu toate acestea, implementarea Linux pe dispozitive cu resurse mai limitate introduce cerințe suplimentare:

• Cerințe de calcul: Microcontrolerele tradiționale (MCU) întâmpină dificultăți în îndeplinirea cerințelor de memorie și stocare chiar și ale distribuțiilor Linux minimale. Pe măsură ce dezvoltatorii adaugă servicii care rulează în fundal pentru a susține aplicații, subsisteme și cadre de lucru în spațiul utilizatorului (USF – User-Space Frameworks), aceste componente consumă tot mai multe resurse, făcând ca stivele software voluminoase să devină neviabile.
• Latență: Aplicațiile de înaltă precizie, precum robotica și automatizarea industrială, necesită sincronizare previzibilă pentru coordonarea sistemului și siguranța operațională. Deși funcția PREEMPT_RT a nucleului Linux îmbunătățește determinismul, sistemele de operare în timp real (RTOS) oferă o latență mai mică și o suprasarcină de procesare mai redusă pentru hardware-ul cu resurse limitate.

Cerințe de proiectare pentru aplicații edge sigure și durabile

• Securitate: Sistemele embedded implementate în medii publice sunt expuse riscului de acces neautorizat, ceea ce face ca măsurile standard de securitate, precum pornirea securizată, rezistența la manipulare și Root of Trust (RoT) la nivel hardware, să fie esențiale. În plus, reglementări precum Legea UE privind reziliența cibernetică (CRA – Cyber Resilience Act) impun ca produsele cu elemente digitale să fie securizate încă din faza de proiectare.
• Alimentare: Dispozitivele edge funcționează adesea în medii izolate, cu resurse energetice limitate. O eficiență energetică ridicată poate prelungi durata de viață a bateriei sau poate permite funcționarea folosind surse de energie din mediul înconjurător. De asemenea, eficiența energetică poate simplifica managementul termic și poate îmbunătăți performanța per watt, susținând procesarea avansată la marginea rețelei.
• Gestionarea ciclului de viață: CRA impune ca dispozitivele digitale să beneficieze de suport timp de cel puțin cinci ani, deși multe implementări industriale necesită o disponibilitate a produsului de 10 până la 15 ani. Astfel, pentru a asigura un suport consecvent pentru kernelul Linux, dezvoltatorii trebuie să planifice atât posibilitatea de actualizare, cât și disponibilitatea hardware-ului.

Pentru a depăși aceste provocări, dezvoltatorii pot apela la resurse suplimentare din ecosistemele open-source dedicate Linux și sistemelor embedded și pot valorifica combinațiile hardware-software optimizate pentru Linux în aplicații edge aflate într-o evoluție rapidă.

Implementarea Linux folosind SBC-uri open-source și RISC-V

Deși distribuțiile Linux de uz general oferă o cale rapidă către pregătirea aplicațiilor, acestea includ adesea pachete și servicii care nu sunt necesare pentru proiectul respectiv. În schimb, Yocto Project, bazat pe OpenEmbedded, permite dezvoltatorilor să creeze imagini Linux personalizate, adaptate unor cazuri de utilizare specifice. Acest lucru elimină funcționalitățile inutile, permițând distribuțiilor Linux ușoare să ruleze pe hardware cu resurse limitate, păstrând în același timp capabilități avansate, precum viziunea computerizată bazată pe AI sau întreținerea predictivă prin intermediul unor instrumente standard.

În plus, Yocto Project oferă dezvoltatorilor:

• Compilări reproductibile, pentru întreținere pe termen lung;
• Configurare personalizată a kernelului, pentru îmbunătățirea performanței, securității și capacității de răspuns;
• Integrarea straturilor specifice plăcii, pentru asigurarea compatibilității hardware-software și reducerea timpului de dezvoltare.

Integrarea simplă cu mecanismele de actualizare over-the-air (OTA), precum SWUpdate, RAUC și Mender, îi ajută, de asemenea, pe dezvoltatori să îmbunătățească periodic performanța și securitatea dispozitivelor pe parcursul ciclurilor de viață îndelungate ale produselor. Ca urmare, Yocto Project a devenit un standard de referință pentru sistemele Linux embedded.

SBC-uri open-source și RISC-V pentru prototipare flexibilă

Similar, SBC-urile open-source sunt utilizate de mult timp pentru a accelera dezvoltarea aplicațiilor Linux, oferind o platformă de referință gata de utilizare, care combină resurse de procesare, memorie, stocare și I/O într-un factor de formă autonom. Cu ajutorul SBC-urilor open-source, dezvoltatorii pot crea rapid prototipuri ale unui sistem, își pot valida stiva software și apoi pot trece la hardware personalizat cu eforturi minime de adaptare.

Arhitectura setului de instrucțiuni cu standard deschis RISC-V duce acest concept un pas mai departe, permițând proiectanților de sisteme să creeze platforme de procesare personalizate fără taxe de licențiere costisitoare. Cu RISC-V, proiectanții pot alege ce părți ale setului de instrucțiuni să includă și chiar le pot extinde pentru a se adapta cazurilor lor specifice de utilizare. Deoarece proiectele originale au fost create sub licență Berkeley Software Distribution (BSD), lucrările derivate pot fi publicate atât ca proiecte open-source, cât și ca soluții proprietare, cu sursă închisă.

Pentru dezvoltatori și arhitecți, Yocto Project, SBC-urile open-source și RISC-V reduc dependența de planurile de dezvoltare ale unui singur furnizor, sporind flexibilitatea proiectării pe termen lung. Mai mult, sprijinul tot mai mare pentru RISC-V în Linux și statutul de membru Platinum al RISC-V în cadrul Yocto Project subliniază interesul comunității Linux embedded.

Un SBC RISC-V de înaltă performanță pentru integrarea Linux în sisteme compacte

Figura 1: BeagleV-Fire de la BeagleBoard.org reprezintă o platformă SBC compactă pentru integrarea tehnologiilor open-source în dispozitive embedded. (Sursa imaginii: BeagleBoard.org)

SBC-ul open-source BeagleV-Fire de la BeagleBoard.org (Figura 1) oferă o platformă compactă, bogată în interfețe I/O, pentru a răspunde acestor provocări. Bazat pe un sistem pe cip (SoC) FPGA PolarFire de la Microchip, acesta asigură o funcționare eficientă energetic, caracteristici de securitate hardware și un cluster coerent de procesoare RISC-V, cu suport pentru aplicații Linux care rulează sarcini de lucru în timp real. Dezvoltatorii pot utiliza SBC-ul pentru a crea prototipuri de controlere robotice, gateway-uri industriale, acceleratoare AI pentru aplicații edge și platforme I/O personalizate bazate pe Linux embedded.

Arhitectură RISC-V coerentă și resurse FPGA pentru procesare deterministă

Platforma compactă are dimensiunile de 86,38 mm × 54,61 mm × 18,8 mm și este construită în jurul SoC-ului PolarFire MPFS025T-FCVG484E, eficient energetic. Acesta dispune de o arhitectură multi-core coerentă, cu patru nuclee de aplicație RV64GC pentru rularea sistemului Linux și un nucleu de monitorizare RV64IMAC pentru gestionarea funcțiilor de nivel inferior.

Pentru a maximiza performanța și a asigura acuratețea datelor între nuclee, SoC-ul PolarFire oferă un cache L2 partajat, un subsistem de memorie coerent și un controler de memorie DDR integrat, care suportă 2 gigaocteți (Gbytes) de memorie LPDDR4 integrată. Aplicațiile complexe sunt susținute suplimentar de spațiul de stocare eMMC de 16 Gbytes și de memoria flash SPI de 128 megabiți (Mbit) ale BeagleV-Fire.

Figura 2: Familia de SoC-uri PolarFire de la Microchip combină mai multe nuclee de procesare RISC-V cu o structură FPGA versatilă pentru sarcini de lucru deterministe. (Sursa imaginii: Microchip Technology)

Pe lângă subsistemul de procesoare RISC-V, SoC-ul PolarFire integrează o structură FPGA (Figura 2), care permite dezvoltatorilor să construiască trasee de procesare deterministe pentru aplicații în timp real cu latență redusă și să implementeze accelerare hardware personalizată pentru fluxurile de inferență AI. Ca parte a sistemului complet, această structură include 23.000 elemente logice și propriile resurse suplimentare, ceea ce îi permite să funcționeze independent de nucleele principale de procesare.

Securitate hardware și interfețe pentru dezvoltare rapidă

Cu multiple opțiuni de pornire securizată, caracteristicile de securitate hardware integrate ale SoC-ului PolarFire permit dezvoltatorilor să implementeze un model de securitate în profunzime, transformându-l într-o platformă utilă pentru îndeplinirea cerințelor moderne de securitate cibernetică. Aceste caracteristici includ:

• Rădăcină de încredere hardware imuabilă prin intermediul unei funcții fizic neclonabile (PUF – Physically Unclonable Function);
• Stocare securizată a cheilor cu memorie programabilă o singură dată (OTP) sau stocare nevolatilă securizată, folosind UDS (Unique Device Secrets) și controlul accesului la chei impus de hardware;
• Un modul anti-manipulare.

În plus, BeagleV-Fire oferă mai multe porturi fizice integrate pentru construirea unui sistem gata de utilizare, în care distribuțiile Linux personalizate pot fi verificate și testate (Figura 3). Acestea includ un port RJ45 Gigabit Ethernet, un port USB Type-C pentru alimentare și conectivitate, un soclu M.2 Key E, doi conectori Cape cu 46 de pini compatibili cu BeagleBone pentru extinderea ecosistemului, precum și o interfață serială pentru cameră (CSI), destinată integrării directe. Pentru depanare este prevăzut un conector de depanare JTAG TAG-CONNECT, iar BeagleV-Fire suportă, de asemenea, extensii compatibile SYZYGY pentru periferice orientate către FPGA.

Cum se poate construi o configurație Linux inițială pe SBC-ul BeagleV-Fire

Figura 3: În ciuda dimensiunilor reduse, BeagleV-Fire de la BeagleBoard.org oferă mai multe porturi fizice pentru interfațarea imediată cu aplicațiile. (Sursa imaginii: BeagleBoard.org)

Atunci când construiesc o distribuție Linux ușoară pentru BeagleV-Fire, dezvoltatorii trebuie mai întâi să obțină un strat BSP adecvat din cadrul Yocto Project. Acesta furnizează configurația U-Boot, configurația implicită a kernelului Linux, arborii de dispozitive pentru suportul plăcii și definițiile de suport pentru periferice. Pe GitHub este disponibil un depozit care oferă suport pentru toate BSP-urile kiturilor de evaluare SoC PolarFire, inclusiv pentru BeagleV-Fire.

După instalarea tuturor pachetelor și componentelor software necesare pentru Yocto Project, următoarele straturi constituie baza compilării și trebuie clonate:

• bitbake
• meta-openembedded-core
• meta-yocto (pentru distribuția de referință Poky)
• meta-mchp-common
• meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-bsp
• meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-community
• straturi suplimentare, după cum este necesar pentru proiect

Configurarea imaginii Linux minimale cu Yocto Project

Listarea 1: Exemplu de fișier de configurare care creează toate artefactele de compilare necesare pentru pornirea plăcii BeagleV-Fire într-un shell simplu. (Sursa listării: Microchip Technology)

Odată realizat acest pas, se poate construi o imagine minimă folosind ținta MACHINE = “beaglev-fire” și un fișier de configurare kas. Listarea 1 prezintă un exemplu de configurare:

Configurația definește depozitele, straturile și parametrii minimali necesari pentru generarea unei imagini Linux de bază.

Executarea comenzii “kas build core-image-minimal” va crea apoi toate artefactele de compilare necesare pentru pornirea plăcii BeagleV-Fire într-un shell simplu, inclusiv fișierele binare U-Boot și o imagine FIT care conține kernelul Linux și modulele, arborele de dispozitive și sistemul de fișiere rădăcină.

Personalizarea imaginii și suportul pentru aplicații edge

După construirea unei imagini Linux minimale pentru BeagleV-Fire folosind Yocto Project, pot fi urmate procedurile standard pentru crearea unei imagini personalizate și adaptarea compilării la cerințele exacte ale proiectului. În robotică și în sistemele industriale, de exemplu, Linux este adesea utilizat alături de un RTOS mai tradițional, precum FreeRTOS sau Zephyr, pentru a permite procesarea avansată în paralel cu operațiuni cu cerințe stricte de timp. Această funcționalitate este bine susținută de SoC-ul PolarFire al BeagleV-Fire, care poate fi configurat pentru a rula simultan mai multe sisteme de operare sau aplicații bare-metal, adică aplicații care rulează direct pe hardware, fără sistem de operare.

Având în vedere că multe dispozitive embedded necesită o durată de viață de 10 ani sau mai mult, combinația dintre arhitectura deschisă RISC-V ISA, Linux și reproductibilitatea oferită de Yocto Project permite platformelor bazate pe SoC-ul PolarFire să se adapteze la amenințările de securitate emergente și la noile cerințe ale aplicațiilor prin actualizări regulate locale sau OTA. În acest fel, SBC-ul BeagleV-Fire oferă un punct de plecare excelent pentru adoptarea soluțiilor open-source, sporind flexibilitatea și longevitatea sistemelor inteligente edge.

Concluzie

Limitele de calcul, cerințele de latență deterministă, expunerea la riscuri de securitate și cerințele privind ciclul de viață îndelungat pot reprezenta provocări reale la rularea Linux în sisteme embedded cu resurse limitate. SBC-ul BeagleV-Fire de la BeagleBoard.org oferă o arhitectură hibridă, care combină capabilități Linux pe RISC-V cu logică deterministă bazată pe FPGA și caracteristici de securitate hardware, pentru a depăși aceste provocări. Împreună cu Yocto Project și straturile BSP open-source ale Microchip, această platformă permite dezvoltatorilor să creeze distribuții Linux personalizate, trasabile și optimizate pentru aplicații de robotică, IIoT și edge computing cu durată de viață extinsă.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.

Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey

Glosar de termeni

Linux embedded, BSP și Yocto Project

Linux embedded – Versiune a sistemului Linux adaptată pentru dispozitive dedicate, precum gateway-uri industriale, controlere, sisteme IoT sau platforme de robotică. Spre deosebire de Linux pentru PC-uri, acesta este optimizat pentru resurse hardware limitate și funcții specifice aplicației.

Yocto Project – Cadru open-source utilizat pentru construirea de imagini Linux personalizate pentru sisteme embedded. Permite dezvoltatorilor să includă doar componentele necesare, reducând dimensiunea distribuției și îmbunătățind controlul asupra configurației software.

BSP – Board Support Package – Pachet software care oferă suportul necesar pentru rularea unui sistem de operare pe o anumită placă hardware. Include, de obicei, configurații pentru bootloader, kernel, drivere, arbori de dispozitive și periferice.

U-Boot – Bootloader open-source utilizat frecvent în sistemele embedded. Acesta inițializează hardware-ul și încarcă sistemul de operare, pregătind placa pentru rularea imaginii Linux.

Arbore de dispozitive – Structură de date care descrie componentele hardware ale unei plăci embedded, astfel încât kernelul Linux să poată identifica și configura corect procesoarele, memoria, magistralele și perifericele.

RISC-V, FPGA și securitate hardware

RISC-V – Arhitectură de set de instrucțiuni cu standard deschis, utilizată pentru proiectarea procesoarelor. Avantajul său este flexibilitatea: dezvoltatorii pot crea implementări personalizate fără dependența de licențe proprietare costisitoare.

FPGA – Field-Programmable Gate Array – Circuit integrat reconfigurabil care permite implementarea de funcții hardware personalizate. În aplicații embedded, un FPGA poate fi folosit pentru procesare deterministă, accelerare hardware sau interfețe specializate.

Latență deterministă – Capacitatea unui sistem de a răspunde într-un interval de timp previzibil. Este esențială în aplicații precum robotica, automatizarea industrială sau controlul în timp real.

Root of Trust – RoT – Element hardware sau software considerat punct de încredere inițial într-un sistem de securitate. Acesta poate valida pornirea securizată, cheile criptografice și integritatea componentelor critice.

Bare-metal – Mod de rulare în care aplicația rulează direct pe hardware, fără un sistem de operare intermediar. Este utilizat atunci când sunt necesare răspunsuri foarte rapide sau control strict asupra resurselor hardware.