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Propuesta De Software Base Para El Desarrollo De Sistemas Embebidos

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Universidad Central «Marta Abreu» de las Villas Facultad de Matemática - Física - Computación Departamento de Ciencia de la Computación Propuesta de software base para el desarrollo de sistemas embebidos Tesis presentada en opción al Título Académico Máster en Ciencia de la Computación Lic. Reinier Millo Sánchez Año 58 de la Revolución Santa Clara 2016 Universidad Central «Marta Abreu» de las Villas Facultad de Matemática - Física - Computación Departamento de Ciencia de la Computación Propuesta de software base para el desarrollo de sistemas embebidos Tesis presentada en opción al Título Académico Máster en Ciencia de la Computación Lic. Reinier Millo Sánchez Tutor: DrC. Carlos Morell Pérez Año 58 de la Revolución Santa Clara 2016 DICTAMEN El que suscribe, Lic. Reinier Millo Sánchez, hago constar que el trabajo titulado «Propuesta de software base para el desarrollo de sistemas embebidos» fue realizado en la Universidad Central «Marta Abreu» de las Villas como parte de la culminación de los estudios de la especialidad de Ciencia de la Computación, autorizando a que el mismo sea utilizado por la institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total, y que además no podrá ser presentado en eventos ni publicado sin la autorización de la Universidad. Firma del autor Lic. Reinier Millo Sánchez Los firmantes que aparecen a continuación certifican que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdos de la dirección del centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener una investigación de esta envergadura referida a la temática señalada. Firma del tutor Firma del jefe del seminario DrC. Carlos Morell Pérez DrC. Carlos Pérez Risquet 24 de junio del 2016 Fecha Pensamiento «Hay dos formas de escribir programas sin errores; sólo la tercera funciona» Alan J. Perlis Dedicatoria A la memoria de mi abuela Nena ... A la memoria de mi abuelo Marcelo ... A la memoria de mi abuela Olga ... A mis padres ... A Patri, mi linda sobrina ... A mi familia... A todos mis amigos... En fin, a todos aquellos que siempre creyeron en la realización de este trabajo. Agradecimientos A mi tutor DrC. Carlos Morell Pérez por todo su apoyo, dedicación y momentos en los que fumamos para la realización de este trabajo y el desarrollo de la ciencia. A mi familia en especial mis padres y mi hermana, por quererme y tener siempre todo su apoyo... ... a mis abuelos y tíos, por su cariño ... ... a todos ellos por hacer de mi la persona que soy. A mi Betty Boop, esa persona especial que llegó a mi vida, y hoy es motivo de mi alegría e inspiración, gracias por todo su cariño, paciencia y apoyo en la realización de este trabajo. A Yadira Benavides Zaila por todo su apoyo y dedicación para la realización de este trabajo, por todas sus sugerencias oportunas para la redacción del documento y el desarrollo de la investigación en general. A Lenniet Coello Blanco y Mabel Frías, camagüeyanas especiales que conocí durante la maestría, por brindarme su amistad y apoyo incondicional, aunque no les gustara mi trabajo, por ser motivo de inspiración y mostrarme que siempre se puede. A Isabel Cristina Pérez Verona, simplemente Is, una amiga muy especial que conocí durante la maestría, por brindarme su amistad y confianza, por soportarme como soy y siempre tener una sonrisa. A Fernando Rosales, Jarvin Antón, Osmany Morffa, Guillermo Sosa, Claudia Companioni, Karelia Díaz, Marilyn Bello, Adis Perla, Addel Goya, Frank Reyes, Alejandro Boix, Mario Amores, Waldo Paz, Tahimy Morffa, amigos de la carrera, de la universidad y compañeros de trabajo, por soportarme y confiar en mi. Al equipo de desarrollo de Sistema Operativo UCLV-XETID, Waldo Paz, Alexy Gallardo, Humberto López, Alexy Fajardo, Jorge A. Polo, algunos ya no pertenecen al equipo de trabajo pero de ellos dependió mucho la realización de este trabajo. Agradecimientos Al grupo de trabajo de la XETID en la UCLV, Eva, Randy, Yosmel, Leonardo, Alexy, Humberto, Carlos, Ernesto, Liliana, Michel, Daniel, Claudia, Alejandro, Luis Javier, Yanelys, Yadira, Loreni, Julio, por todos los días trabajados en colectivo y los momentos compartidos. A los compañeros de la XETID, en especial Vasconcelo, Arce y Frank, por todo el apoyo brindado para el desarrollo de este trabajo. A las comunidades de desarrollo de Fiasco.OC y GenodeOS por toda su ayuda y el apoyo brindado durante el desarrollo de este trabajo. A Tania Rendón, periodista de profesión que sin conocimientos de la temática me brindó oportunas sugerencias para la redacción del documento. A todo el claustro de profesores de la maestría por todo el conocimiento brindado. A todos los que nos tildaron de locos al comenzar este trabajo y nos hicieron esforzarnos más para obtener un buen resultado. En fin, para que no quede nadie por mencionar, a todas las personas que de una forma u otra han colaborado con la realización de este trabajo. A todos muchas gracias RESUMEN El empleo de sistemas embebidos se ha convertido en un fenómeno común de nuestros días, ya que se pueden encontrar dispositivos embebidos desde las fábricas automatizadas hasta en el hogar. Aunque el funcionamiento de los sistemas embebidos es predeterminado por la funcionalidad para la cual se van a emplear, resulta necesario tener un sistema operativo que controle el dispositivo. El desarrollo de sistemas operativos para controlar estos sistemas embebidos tiene nuevos retos con el auge de nuevas plataformas de hardware y nuevos requisitos de sistema. Dos de los enfoques más empleados para el desarrollo de kernels de sistema son el monolítico y el microkernel. El enfoque basado en microkernel tiene un enfoque minimalista y es una mejor alternativa para el desarrollo de sistemas embebidos. En el presente trabajo se propone XEOS, una combinación del microkernel Fiasco.OC con el framework de desarrollo GenodeOS, para el desarrollo de un software base cuyo fin es ser empleado en sistemas embebidos desarrollados por la XETID. Asimismo, en la investigación se aplican pruebas de rendimiento al sistema propuesto, demostrando que existen diferencias significativas respecto a sistemas con un enfoque monolítico, tomado como referencia, pero se logra un mejor aprovechamiento del hardware subyacente. La factibilidad de emplear XEOS para el desarrollo de sistemas embebidos en la XETID es probada con el caso de estudio ErosXD, un controlador de domótica desarrollado en la XETID. i ABSTRACT The use of embedded systems has become a common phenomenon today, these embedded devices can be found from automated factories to home. Although the operation of embedded systems it is predetermined by functionality for which are to be used, it must have an operating system that control the device. The development of operating systems to control these embedded systems has new challenges with the rise of new hardware platforms and new system requirements. Two of most commonly used approaches for the development of system kernels are monolithic and microkernel. Microkernel-based approach has a minimalist approach and is a better alternative for the development of embedded systems. In this thesis it is proposed XEOS, a combination of Fiasco.OC microkernel with the GenodeOS development framework, for the development of a basis software used in embedded systems developed by XETID. Also, in this research are applied performance tests to the system, demonstrating that there are significant differences compared to systems with a monolithic approach that were taken as reference, but achieves a better use of the underlying hardware. The feasibility of using XEOS for development of embedded systems in the XETID is tested with the case ErosXD, home automation controller developed in the XETID. ii TABLA DE CONTENIDOS Listado de figuras VI Listado de tablas VIII Listado de acrónimos IX Introducción 1 Capítulo 1: Acerca del desarrollo de sistemas operativos 8 1.1 El kernel del sistema operativo . .8 1.1.1 Planificación de la CPU . .9 1.1.2 Administración de la memoria . .9 1.1.3 Administración de dispositivos de I/O . 10 1.1.4 Mecanismo de comunicación . 11 1.1.5 Llamadas al sistema . 11 1.2 Enfoques para el desarrollo de kernel del sistema . 12 1.2.1 Kernel monolítico . 13 1.2.2 Microkernel .......................... 14 1.2.3 Kernel híbrido . 16 1.2.4 Exokernel ........................... 17 1.2.5 Kernel monolítico vs. microkernel .............. 19 Consideraciones finales del capítulo . 21 Capítulo 2: Selección del microkernel y el framework de la propuesta 22 2.1 Microkernels para el desarrollo de sistemas embebidos . 22 2.1.1 Minix3 . 22 2.1.2 Microkernel de la familia L4 . 23 2.1.2.1 Fiasco.OC . 24 2.1.2.2 OKL4 . 25 2.1.2.3 seL4 . 26 2.1.3 FreeRTOS . 26 2.1.4 Selección del microkernel . 27 2.2 Frameworks de desarrollo de sistemas operativos . 30 2.2.1 LibOS . 30 iii Tabla de contenidos 2.2.2 Graphene . 31 2.2.3 LynxOS . 31 2.2.4 Quantum Leaps . 32 2.2.5 Mentor Embedded Multicore Framework . 32 2.2.6 GenodeOS . 33 2.2.7 L4Re . 35 2.2.8 Selección del framework . 36 Consideraciones finales del capítulo . 38 Capítulo 3: XEOS, software base de sistemas embebidos 39 3.1 XEOS . 39 3.2 Plataformas de hardware RaspberryPI y Odroid-X2 . 40 3.2.1 El TCB del sistema . 44 3.3 Soporte de XEOS para las plataformas de hardware ........ 45 3.3.1 Portando la plataforma RaspberryPI a XEOS . 46 3.3.2 Portando la plataforma Odroid-X2 a XEOS . 48 3.4 Seguridad del software base . 49 Consideraciones finales del capítulo . 51 Capítulo 4: Pruebas de software 53 4.1 Pruebas de software .......................... 53 4.1.1 Pruebas de software estáticas . 54 4.1.2 Pruebas de software dinámicas . 55 4.1.3 Pruebas automáticas . 58 4.2 Pruebas de software sobre XEOS .
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