'2015/10/16'에 해당되는 글 2건

* 크로스 개발환경 및 툴체인 


임베디드 시스템의 개발을 위해서는 호스트 컴퓨터에 타깃시스템 용의 프로그램 작성을 위한 각종 프로그램 개발 관련 도구가 설치되어야 한다. 이와 같은 타깃시스템 프로그램 개발을 위해 호스트에 설치되는 각종 패키지를 크로스개발환경이라고 한다.



크로스 개발환경에서 호스트와 임베디드 시스템의 기본 연결이다.


시리얼 연결은 호스트와 타깃 시스템 사이에서 가장 기본적인 저속 통신 기능을 제공한다. 개발 과정에서 호스트 측에서 임베디드 시스템에 대한 부팅 명령이나 리눅스 명령을 주거나 임베디드 시스템에서 발생한 출력 메시지를 호스트 측에서 보는데 주로 사용된다. 임베디드 시스템은 개발 단계에서 기본 통신을 위해 보통 시리얼 포트를 갖추고 있다. 이를 호스트의 시리얼 포트와 서로 연결한다.


호스트가 pc인 경우 뒷면에 시리얼 포트가 하나 또는 두개 있다.


이후 minicom과 같은 시리얼 통신프로그램을 이용해 타깃시스템과 서로 통신한다.


개발자가 임베디드 시스템에 주는 각종 명령 및 임베디드 시스템에서 출력하는 각종 실행 결과 및 커널 메시지들은 모두 시리얼 포트를 통해서 이루어짐.


이더넷 연결은 100/1000mbps의 고속 전송이 가능하므로 개발단계에서는 주로 호스트와 임베디드 시스템사이의 파일 전송에 사용


jtag(joint test action group)은 하드웨어 수준의 디버깅 및 호스트에서 작성된 부트로더를 임베디드 시스템의 플래시메모리에 쓰는 역할을 한다. 



* 툴체인


호스트의 프로세서와 개발 대상인 임베디드 시스템의 프로세서는 대부분 다른 경우가 많다. 호스트의 프로세서는 대부분 인텔 80 * 86 계열인데 이 프로세서가 임베디드 시스템에 사용되는 경우는 거의 없다. 


임베디드 시스템용 프로세서로는 스마트폰이나 고성능 제어 기기에 많이 사용되는 32/64비트 ARM 계열과 저전력 센서 네트워크 등에 많이 사용되는 마이크로컨트롤러인 AVR 시리즈 등이 있다. 이들을 위한 크로스 어셈블러 및 크로스 컴파일러는 모두 공개되어 있어 쉽게 구할 수 있다. 


rpm 패키지를 구해 설치하는 경우는 간단히 rpm -ivh 패키지 파일명 식으로 rpm 명령을 사용하면 된다. rpm 패키지 설치 시는 패키지 파일에 따라 실제로 설치되는 디렉터리가 달라진다. 예로 /opt/cdt/xscale/bin 디렉터리에 설치되었다면 이 디렉터리에 다음 파일들이 생성된다.


arm-linux-as : ARM 프로세서용 크로스어셈블러

arm-linux-gcc : 크로스컴파일러

arm-linux-ld : 링커

arm-linux-strip : 실행파일에서 심벌 등을 제거하여 실행파일 크기를 줄이는 프로그램


툴체인 설치를 모두 마치면 실행파일이 들어 있는 디렉터리의 위치를 리눅스 셸에 알려주어야 한다. 리눅스 기본 셸은 bash이므로 bash의 환경변수 PATH에 "/opt/cdt/xscale/bin"을 추가하면 된다. 이렇게 하기 위해서 자신의 홈디렉터리에서 .bash_profile 파일을 편집기로 열어 PATH 라인 뒤에 ";/opt/cdt/xscale/bin" 라고 추가하면 된다. 


* 부트로더 


부트로더는 파워 온 시 임베디드 시스템의 각종 하드웨어를 초기화하고 기본적인 통신 기능을 제공하며 플래시메모리나 ROM에 들어 있는 운영체제 커널 부분을 주 메모리(RAM)로 이동시켜 운영체제의 부팅을 시작하는 기능을 한다. 


부트로더 주요기능


타겟 하드웨어 초기화, 운영체제 부팅, 파일이동, 통신기능, 플래시메모리관리


* JTAG


임베디드 시스템 개발 초기에는 부트로더 자체가 없으므로 이를 임베디드 시스템 플래시메모리에 넣어주기 위한 방법이 필요한데, 보통 JTAG 인터페이스를 주로 사용한다. 


호스트 PC에서 개발한 부트로더를 임베디드 시스템으로 전송하기 위해서는 먼저 임베디드 시스템의 JTAG 커넥터와 호스트 PC의 프린터 포트를 JTAG 시리얼 케이블로 연결한다. 다음 호스트 PC에서 부트로더 전송 기능을 하는 명령어에 전송할 부트로더 파일명을 입력하면 된다. 



*부트로더에서의 TFTP 사용


부트로더는 네트워크 인터페이스를 통해 호스트에서 커널 이미지나 파일을 가져오는 기능을 제공한다. 이때 FTP기능을 축소한 간단한 파일 전송프로그램인 TFTP를 사용한다. TFTP는 FTP에 비해 사용자 인증과정이 없고 접속된 서버 내에서 디렉터리를 이동할 수 없고 서버에서 미리 설정한 디렉터리에만 연결된다. 또 서버 디렉터리 내의 파일명을 볼 수도 없다. TFTP는 실행 코드가 작아 부트로더에 넣기 쉽고 실행을 위한 명령어는 보통 'tftp'이다.



* NFS 


NFS 는 네트워크에 연결된 다른 컴퓨터의 하드디스크 일부(파일 및 디렉터리)를 자신의 로컬 하드디스크처럼 사용할 수 있게 한다. NFS는 유닉스/리눅스에서 기본적으로 지원하는 기능이다.  



* 부트로더에 의한 부팅 과정 


1. 임베디드 시스템의 부트로더는 리눅스 커널을 호스트에 요청한다. 이때 호스트는 압축된 리눅스 커널 이미지를 TFTP를 사용해 임베디드 시스템에 전송하고 수신된 리눅스 커널 이미지는 임베디드 시스템의 RAM 영역에 저장된다.

2. 부트로더는 RAM에 로드된 커널로 실행권을 넘겨 커널의 압축이 해제되고 리눅스 부팅과정이 시작된다.

3. 부팅 과정 중 NFS 기능을 사용하여 루트파일시스템을 마운트하여 부팅이 계속된다.

4. 부팅 완료후 호스트에서 시리얼 통신 프로그램(minicom)을 통해 임베디드 시스템에 로그인한다(로그인 이후 자기 것으로 보이는 루트 파일시스템은 실제는 호스트에서 NFS를 통하여 제공하는 것이다)



* 루트 파일시스템 


루트 파일시스템은 리눅스에서 최상위 파일시스템이며 리눅스 자체의 동작을 위해서는 반드시 필요하다. 임베디드 시스템 개발 과정에서 루트 파일시스템을 만드는 과정은 반드시 필요하다. 루트 파일시스템은 개발과정에서는 편의상 앞에서 설명한 호스트의 NFS 디렉터리에 두는 경우가 많지만 개발이 완료되면 반드시 임베디드 시스템 내부의 플래시 메모리로 옮겨야 한다.


우선 호스트 컴퓨터의 /test/nfs 디렉터리에 임베디드 시스템의 루트 파일시스템을 생성하고 이 디렉터리를 NFS를 사용하여 임베디드 시스템에 마운트시켜 동작하는 것으로 가정하였다. 머저 루트 파일시스템을 구축할 /test/nfs 디렉터리로 가서 리눅스에서 사용되는 필수 디렉터리를 생성한다.


이상의 과정에서 루트 파일시스템의 필수 디렉터리가 생성되었으면 다음 단계로 시스템 초기화를 수행하는 init 프로그램을 설치한다.


* busybox 


 루트 파일시스템 구축의 마지막 단계로 BusyBox를 사용하여 임베디드 시스템에 필요한 각종 리눅스 유틸리티 및 응용프로그램들을 설치하는 과정을 설명한다. 



* 램디스크 


 램 디스크(Ramdisk)란 메모리에 일반 하드디스크에서와 같은 파일시스템을 구축한 것이다. 

램 디스크를 이용하면 메모리에 파일들을 둘 수 있으므로 메모리를 하드디스크처럼 사용 할 수 있다. 물론 RAM상에 존재하므로 전원 OFF 시에는 내용이 소멸되나 속도가 매우 빠르며 임베디드 시스템에서는 플래시 메모리와 함께 사용되어 서로 보완하는 효과가 있다.


램디스크는 하드디스크가 없는 임베디드 시스템에서 루트파일시스템을 구축하는 데 필요하며 루트 파일시스템만이 아니라 일반 파일시스템도 여기에 둘 수 있다.


* JFFS


 JFFS는 전원이 갑자기 OFF될 경우에도 데이터를 안정적으로 보호할 수 있는 기능을 가진 플래시 메모리에 구축된 파일시스템이다. 임베디드 시스템에서의 파일시스템은 대부분 JFFS(JFFS2)를 사용한다. 저널링 파일시스템은 동작 시 파일시스템의 변화 내용을 별도의 로그 파일에 기록하며 따라서 갑작스런 전원 OFF등의 이상 발생 시 복구가 가능하도록 하는 기능을 제공한다.











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* 임베디드 시스템


임베디드 시스템은 내부에 CPU, 메모리, 입출력 포트를 가지고 있어 특정한 기능을 수행하는 시스템이다.


임베디드 시스템의 핵심인 프로세서는 단순한 기능을 가지는 경우 8비트 이하의 저기능 프로세서가 주로 사용되고 고급 기능의 임베디드 시스템 경우는 32비트 이상의 고기능 프로세서가 주로 사용된다. 


32비트급 임베디드 시스템용 프로세서는 ARM 계열 프로세서가 대표적이고 8비트급 프로세서로는 ATmel AVR 시리즈가 대표적이다.


AVR 시리즈는 칩 내부에 플래시 메모리가 있어 PC에서 작성한 프로그램 코드를 쉽게 칩 내부로 보내어 실행할 수 있다는 편리한 점이 있다.



* 임베디드 시스템용 운영체제 


실기간성이 필요한 임베디드 시스템의 경우 실시간 운영체제(Real time OS)가 사용되어야 하는데, 이는 정해진 시간 내에 주어진 작업을 처리하여 시스템이 결과를 출력 할 수 있도록 하는 운영체제 이다. 즉 주어진 작업을 단순히 빨리 처리하기 보다는 정해진 시간 안에 처리를 완료한다는 의미이다. 이를 위해 실시간 운영체제는 시스템 응답속도, 인터럽트 처리속도가 빠르고 선점형 멀티태스킹 및 스케줄링 등이 지원되어야 한다. 


* 리눅스 디렉터리 구조 





/ 최상위디렉터리


/bin 기본 명령어들이 위치하는 디렉터리.. 실행 명령어(예: cp, mv, vi)들이 이 디렉터리에 포함되어 있다.


/sbin 리눅스 시스템 관리에 필요한 명령어가 위치하는 디렉터리이다.


/dev 각 디바이스에 대한 디바이스 파일이 위치하는 디렉터리이다.


/etc 리눅스 환경 설정에 필요한 파일들이 위치하는 디렉터리이다.


/lib 리눅스 기본 라이브러리(커널 모듈)가 위치하는 디렉터리이다.


/opt 사용자가 나중에 추가로 설치하는 패키지가 위치하는 디렉터리이다.


/boot 부팅에 필요한 파일들이 위치하는 디렉터리이다.


/usr 리눅스 응용프로그램, 시스템 파일, 각종 패키지 및 이들을 위한 라이브러리 파일 등이 위치하는 디렉터리이다. 



* 리눅스 주요 명령어

 

cat : 텍스트 파일 내용을 화면에 출력한다. 


cat test.c -> test.c 파일 내용을 화면에 출력


cd : 디렉터리를 이동한다.


cd /usr/bin -> 현 디렉터리에서 /usr/bin 디렉터리로 이동


chmod :  파일이나 디렉터리의 퍼미션 설정(change mode) 이때 퍼미션은 소유자(owner), 그룹(group), 그 외 사용자(others) 


chmod 666 test.dat -> 파일 test.dat에 대해 퍼미션을 666으로 설정한다.(즉 모든 사용자가 해당 파일을 읽기/쓰기 할 수 있다)


chmod 700 exam2 -> 파일 exam2에 대해 퍼미션을 700으로 설정한다.


chgrp : 파일이나 디렉터리의 그룹을 변경한다.


chgrp project2 exam4 -> 파일 exam4의 그룹을 project2로 변경한다.


chown : 파일이나 디렉터리의 소유자를 변경한다,


chown gildong exam5 -> 파일 exam5의 소유자를 gildong으로 변경한다.


cp : 파일이나 디렉터리를 복사한다. 


ifconfig : 네트워크 인터페이스의 각 항목을 설정하거나 설정된 상태를 보여준다.


more : 텍스트 내용을 한 화면씩 출력한다.


mount : mount 명령은 하드디스크, CD-ROM, USB 메모리 등 블록 디바이스에 있는 파일시스템을 리눅스 디렉터리에 연결해 사용자가 이에 접근할 수 있도록 해준다. 마운트 시킨 디바이스와의 연결을 끊을 때는 언마운트 동작 명령인 umount한다.


ping : 목적지까지의 TCP/IP 네트워크 연결 상태를 테스트하는 데 사용한다 일정 개수의 패킷을 보내어 돌아오는 시간, 손실된 패킷 수 등을 표시한다.


ps : 현재 프로세스의 상태를 보여준다.


rpm : RPM(RedHat Package Manager)형태의 파일을 풀어 설치하고 관리 할 수 있게 해주는 패키지 관리 프로그램이다. 레드햇 계열 리눅스에서 주로 사용한다. 이를 사용하면 rpm 형태의 파일로 묶여 있는 프로그램을 쉽게 설치/업데이트/삭제할 수 있다.


그런데 일반적인 rpm 패키지라면 yum 명령을 사용하는 것이 더 편리하다. yum도 rpm과 마찬가지로 레드햇 계열 리눅스에서 사용하는 패키지 자동 설치 및 업데이트 명령이다.


yum install '패키지 이름'


yum으로 설치가 안되는 패키지도 있으며 이런 경우는 직접 rpm 파일을 구해서 rpm으로 설치해야 한다.


shutdown : 리눅스 시스템을 종료한다.


su : subsitute user 의미로서 다른 사용자로 바꾸어 쉘을 새롭게 시작한다.


uname : 시스템 관련 정보를 화면에 출력한다.


vi : 리눅스 기본 텍스트 편집기 


tar : 여러 파일과 디렉터리를 하나의 파일로 묶는 용도 


tar cf test_dir.tar test_dir  -> test_dir의 모든 내용을 test_dir.tar 라는 파일로 묶어준다.


gzip과 gunzip : 파일 압축(gzip)과 해제(gunzip) 기능을 가지며 압축 효율이 초기 유닉스 압축 프로그램인 compress보다 높다.


* 리눅스 시리얼 통신 기능


임베디드 시스템 개발 시 사용하는 리눅스의 대표적인 시리얼 통신 프로그램으로 미니컴이 있다. 대부분의 리눅스 버전에 포함되어 있으며 없는 경우 추가로 설치하면 된다. 이 시리얼 통신 프로그램이 정상적으로 동작하려면 호스트와 임베디드 시스템 사이에 시리얼 포트끼리 서로 연결되어 있어야 하고, 통신 속도(bps), 포트 번호, 제어 방법 등 시리얼 통신을 위한 파라미터도 서로 일치해야 한다.


minicom -s configuration 옵션 메뉴가 나온다.


여기서 상하 화살표 키를 사용해 "serial port setup" 항목을 선택하면 시리얼 포트, 전송속도, 흐름제어(flow control) 등을 설정하는 화면이 나온다.


이 화면에서 먼저 'A'를 사용해 사용할 호스트의 시리얼 포트를 정해준다. 보통 /dev/ttyS1, 또는 /dev/ttyS0 로 준다. 'E' 키를 누르면 시리얼 통신 파라미터를 설정하는 화면이 나온다. 이 화면에서 Current : 38400 8N1 부분은 현재 전송속도가 38400 bps이고 데이터 전송 단위가 8비트씩이며 패리티비트는 사용하지 않고 스톱비트로 1트를 사용한다는 의미이다. 


* 리눅스 make 기능


리눅스 make 기능은 프로그램 개발 과정에서 수시로 수정되는 여러 소스 파일들의 연관관계를 파악하여 자동으로 컴파일 및 실행파일을 만들어 준다. 


Makefile은 make가 이해할 수 있는 일종의 쉘 스크립트 언어이며 기본 구조는 다음과 같이 target, dependency, command의 세 항목으로 이루어진다.


target : dependency

[tab] command

[tab] command


여기서 target 항목은 command가 수행된 이후 최종적으로 생성되는 결과 파일을 지정하며, command 항목이 컴파일 명령이라면 오브젝트 파일이나 실행파일이 target의 이름이 된다. dependency 항목에는 서로 연관관계가 있는 파일 이름들이 나열된다.


command 항목에는 일반 리눅스 명령들이 들어가고 제일 앞에 tab 문자로 시작해야 한다. dependency 항목의 파일들이 수정되었거나, 현 디렉터리에 target 항목이 가리키는 파일이 없을 때 command 항목의 명령들이 차례대로 수행된다.


ex : ex1.o ex2.o ex3.o

  gcc -o ex ex1.o ex2.o ex3.o

ex1.o : ex.h ex1.c

  gcc -c ex1.c

ex2.o : ex.h ex2.c

  gcc -c ex2.c

ex3.o : ex.h ex3.c

  gcc -c ex3.c


 위는 3개의 파일(ex1.c, ex2.c, ex3.c)을 컴파일하여 실행파일을 얻는 예이다. 여기서 target 항목에 지정된 실행파일 "ex"가 생성되기 위해서는 ex1.o, ex2.o, ex3.o 파일이 필요함을 보여준다. 따라서 최초 make 명령을 주면, 컴파일 명령인 gcc -c ex1.c, gcc -c ex2.c, gcc -c ex3.c가 차례로 수행되어 오브젝트 파일 ex1.o, ex2.o, ex3.o 가 차례로 생성되고 마지막으로 링크 동작을 위해 gcc -o ex ex1.o ex2.o ex3.o 명령이 수행되어 실행파일 ex가 생성된다.


이후 ex2.c 와 ex3.c 파일이 수정되었다면 다시 make 라고 치면 자동으로 gcc -c ex2.c 와 gcc -c ex3.c 가 실행되고 이어 gcc -o ex ex1.o ex2.o ex3.o 가 실행되어 수정된 내용이 반영된 실행파일이 만들어진다. 


리눅스 make에서는 매크로를 사용할 수 있는데 이를 사용하면 정의된 문구를 대치하므로 긴 문구나 반복되는 문구를 대신하면 편리하다. 매크로 정의는 매크로이름 = 문구 식으로 하고 사용 시에는 $(매크로 이름) 식으로 한다. 


EXOBJ = ex1.o ex2.o ex3.o

EXHDR = ex1.h ex2.h ex3.h 

ex : $(EXOBJ)

 gcc -o ex $(EXOBJ)

ex1.o : $(EXHDR) ex1.c

 gcc -c ex1.c

ex2.o : $(EXHDR) ex2.c

 gcc -c ex2.c

ex3.o : $(EXHDR) ex3.c

 gcc -c ex3.c 


이외에 predefined 매크로도 있다.


리눅스 make에서는 레이블을 사용할 수 있다. Makefile 파일에서 target 부분 이후에 dependency 항목이 오지 않을 경우 해당 target은 레이블로 인식되며 이때 이 레이블은 make 명령의 파라미터로 사용될 수 있다.


delete : 

   rm $(EXOBJ)


위에서는 "delete" 다음에 dependency 항목이 없으므로 레이블이고 


make delete 와 같이 입력하면 rm $(EXOBJ) 명령이 실행되어 매크로에 의해 정의된 파일들이 삭제된다.



* 리눅스 커널 및 설치


리눅스의 핵심 기능을 제공하는 커널은 최초 버전 1.0부터 시작하여 현재 버전 3이 주로 사용된다.


리눅스 커널이란, 응용 프로그램을 대신하여 하드웨어를 제어하는 편리한 기능을 제공하며, 응용 프로그램의 처리를 요청받아 동작하는 이벤트 중심의 프로그램이다. 응용 프로그램으로 부터 시스템 콜이 요청되거나 하드웨어로 부터 인터럽트 요청이 들어오면, 그 요청에 대응하는 처리를 수행합니다. 다시 말해서 리눅스 커널은 자기 혼자서 동작하지 않는다.


커널 소스 주요 디렉터리별 기능들은 다음과 같다.


kernel 디렉터리 - 커널의 중심이 되는 소스(스케줄링, 프로세스 관리, 시그널 처리 등) 부분이 들어 있으나 일부 프로세서에 종속적인 커널 코드는 디렉터리 arch/'프로세서명'/kernel에 있다.


arm 프로세서 경우는 arch/arm/kernel에 있다. 이 디렉터리에는 커널의 기능별로 소스 파일이 분리되어 있고 예로 module.c, timer.c, signal.c, sched.c 등이 있다.


arch 디렉터리 - 프로세서 유형별로 서브디렉터리를 가지고 있으며 프로세서에 종속적인 커널 코드를 포함하고 있다. 


drivers 디렉터리 - 디바이스 드라이버 코드를 가지고 있으며 각 디바이스 드라이버에 대한 코드가 들어 있는 서비디렉터리를 가진다. 블록 디바이스 드라이버 코드가 들어 있는 block, 문자 디바이스 코드가 들어 있는 char, 네트워크 장치 디바이스 드라이버 코드가 들어 있는 net.. 







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