Informatique Embarquée 3/12

Informatique embarqu´ee3/12

J.-M Friedt

Informatique embarqu´ee3/12

J.-M Friedt

FEMTO-ST/d´epartement temps-fr´equence

[email protected]

transparents `a jmfriedt.free.fr

24 janvier 2015

1 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Exploitation d’une biblioth`eque

1 dangers d’une bibliothèque 2 utilitéd’une bibliothèque

Les ressources additionnelles ne se justiﬁent que sur microcontrˆoleur haut de gamme (> 16 bits)

Diverses implémentations libres des bibliothèquesstandard du C : • glibc (http://www.gnu.org/software/libc/, utiliséepar le noyau Linux) ... • ... et eglibc (embedded glibc, http://www.eglibc.org/home) ont fusionné, • uClibc (http://www.uclibc.org/, utiliséepar uClinux), • ...

2 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Exploitation d’une biblioth`eque– newlib

Newlib : implémentationde libc répondant àtoutes les exigences d’un OS ⇒ complet, mais complexe et lourd L’utilisation de printf et du calcul flottant n’est pas àprendre àla légère:

avec stdio 80336 Taille du ﬁchier .hex intel 1 : sans stdio 4048

sans stdio, avec une division flottante 12950 sans stdio, avec atan sur flottant 17090 avec stdio, avec une division flottante 80397 avec stdio, avec atan sur flottant 80397

1. J.-M Friedt, E.´ Carry, Développement sur processeur àbase de cœur ARM7 sous GNU/Linux, GNU/Linux Magazine France 117 (Juin 2009), pp.40-59 3 / 15 Informatique embarquée3/12 J.-M Friedt Le problème... Dans un programme en C, l’appel à malloc() se traduit par une erreur àl’éditionde liens

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-sbrkr.o): In function ‘_sbrk_r’: newlib/libc/reent/sbrkr.c:58: undefined reference to ‘_sbrk’ Idem pour printf()

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-sbrkr.o): In function ‘_sbrk_r’: newlib/libc/reent/sbrkr.c:58: undefined reference to ‘_sbrk’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-writer.o): In function ‘_write_r’: newlib/libc/reent/writer.c:58: undefined reference to ‘_write’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-closer.o): In function ‘_close_r’: newlib/libc/reent/closer.c:53: undefined reference to ‘_close’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-fstatr.o): In function ‘_fstat_r’: newlib/libc/reent/fstatr.c:62: undefined reference to ‘_fstat’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-isattyr.o): In function ‘_isatty_r’: newlib/libc/reent/isattyr.c:58: undefined reference to ‘_isatty’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-lseekr.o): In function ‘_lseek_r’: newlib/libc/reent/lseekr.c:58: undefined reference to ‘_lseek’ arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-readr.o): In function ‘_read_r’: newlib/libc/reent/readr.c:58: undefined reference to ‘_read’

4 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Exploitation d’une biblioth`eque– newlib https://sourceware.org/newlib/libc.html#Stubs : 17 stubs, colle entre newlib et nos programmes 2.

• exit : quitter un programme • lseek : sans fermer les fichiers ouverts • open : • environ : • read : lire depuis un fichier • execve : • sbrk : utilisépar malloc • fork : • stat : • fstat : • times : • getpid : • unlink : • isatty : • wait : • kill : • write : écriredans un fichier, • link : incluant stdout

2. http://wiki.osdev.org/Porting_Newlib 5 / 15 Informatique embarquée3/12 J.-M Friedt Exploitation d’une bibliothèque– newlib Exemple d’implémentation (envoyer stdio sur port série) s s i z e t r e a d r (struct r e e n t ∗r , int file, void ∗ptr , s i z e t l e n ) {c h a r c; int i; unsigned char ∗p ; p = (unsigned char ∗) p t r ; f o r (i=0; i < l e n ; i ++) {w h i l e ( global i n d e x == 0) {} //!uart0 k b h i t()); c = g l o b a l tab [0]; global i n d e x =0; //(char) uart0 g e t c(); i f (c == 0x0D) {∗p=’\0’ ;break; } ∗p++ = c ; j m f putchar(c,NULL,0 ,0) ; } r e t u r n len − i ; }

s s i z e t w r i t e r ( struct r e e n t ∗r , int file, const void ∗ptr , s i z e t l e n ) { i n t i; const unsigned char ∗p ; p = (const unsigned char ∗) p t r ; f o r (i=0; i < l e n ; i ++) { i f( ∗p == ’\n’ ) j m f p u t c h a r ( ’\r’ ,NULL,0 ,0) ; j m f p u t c h a r (∗p++,NULL , 0 , 0 ) ; } r e t u r n len; }

v o i d jmf p u t c h a r (int a,char ∗chaine , int ∗ c h a i n e i n d e x ,int USARTx) { i f (chaine != NULL) {c h a i n e [∗ c h a i n e i n d e x ]=a ;∗ c h a i n e i n d e x=∗c h a i n e i n d e x +1;} e l s e { i f (usart p o r t ==1) {USART SendData (USART1, a); w h i l e(USART GetFlagStatus(USART1, USART FLAG TC) == RESET) { ; } } e l s e {USART SendData (USART2, a); w h i l e(USART GetFlagStatus(USART2, USART FLAG TC) == RESET) { ; } } } } 6 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt D´emonstration

#ifdef use s t d i o f o r (tempe=1;tempe <10;tempe++) {mf=mf∗ l f ; } p r i n t f ( "\n+mf=%d\n" ,(int)mf);

t =(char ∗)malloc(200); // malloc requiert s b r k p r i n t f ( "^%x\n^%x\n" ,(int)t[0],t[199]); memset(t ,0x55,200) ; p r i n t f ( "^%x\n^%x\n" ,(int)t[0],t[199]); #endif

w h i l e (1) { #ifndef use s t d i o p u t chars(welcome); #else p r i n t f ( "%s" , welcome ) ; #endif i f (i <10) p u t c h a r (USART1 , i+’0’ ); e l s e put c h a r (USART1 , i+’A’ −10) ; i ++;if (i==16) i=0; ...

7 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt D´emonstration

Compromis entre temps de d´eveloppement, fonctionnalit´eset occupation de ressources

3240 main.bin 31824 main_stdio.bin

Ici, affichage par printf(), allocation de mémoirepar malloc(), calculs flottants

Un émulateurpour tester ses programmes en l’absence du matériel: https://github.com/beckus/qemu_stm32 qemu-system-arm -M stm32-p103 -serial stdio -serial stdio -kernel main.bin suppose néanmoinsune implémentation“correcte” des périphériques.

8 / 15 Informatique embarquée3/12 J.-M Friedt Méthodes de déverminagede code embarqué

1 la partie algorithmique du code est portable et se compile sur PC ⇒ bien séparer les parties algorithmiques et accèsau matériel + donne accèsaux outils de profilage et anayse du PC 2 l’émulateur(plus souple que le matériel,et permet de sonder la machine àétatsqu’est le processeur) 3 sonde JTAG et gdb (si disponible) : exécutionsur le “vrai” matériel avec points d’arrêtet avance pas àpas.

9 / 15 Informatique embarquée3/12 J.-M Friedt Compilation séparéepour qualifier un logiciel

10 / 15 Informatique embarquée3/12 J.-M Friedt Compilation séparéepour qualifier un logiciel

• tester des conditions de fonctionnement imprévuesou rarement accessibles expérimentalement • exploiter des outils de déverminage (valgrind) ou de profilage • test unitaire Programme principale, bibliothèque i n t main() { initialisation(); w h i l e (1) { interroge();traitements();} } Programme pour PC u n s i g n e d short interroge (unsigned int freq) reponse =exp(−(((float)freq −f 0 1 ) / d f ) ∗(((float)freq −f 0 1 ) / d f ) ) ∗3100.; reponse+=exp(−(((float)freq −f 0 2 ) / d f ) ∗(((float)freq −f 0 2 ) / d f ) ) ∗3100.; r e p o n s e+=(float)((rand() −RAND MAX/2)/bruit ); // ajout du bruit; i f (reponse <0.) reponse=0.; i f (reponse >4095.) reponse=4095.; usleep(60); r e t u r n((unsigned short)reponse);

11 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Cas des interruptions Version PC v o i d handle a l a r m (int xxx) Version microcontroleur { // printf(”RTC:%d%d%d \n”,seconde, → v o i d tim3 i s r (void) // VERSION LIBOPENCM3 ,→minute,heure); { tim0 +=10; i f(TIM GetITStatus(TIM3, TIM IT Update ) !=→ seconde+=10; ,→RESET) i f (seconde >600){minute++;seconde=0;} {TIM ClearITPendingBit(TIM3,TIM IT Update ) ; i f (minute >60) {heure++;minute=0;} tim0++; alarm ( 1 ) ; seconde++; // seconde en 1/10 → } ,→seconde i f (seconde > 600) v o i d handle i o (int xxx) {seconde = 0;minute++;} { // io h a p p e n e d=1; i f (minute > 60) g l o b a l t a b [ g l o b a l index] = getchar (); {minute = 0;heure++;} i f (global i n d e x < (NB CHARS − 1) ) i f (heure > 24) g l o b a l i n d e x ++; {h e u r e = 0;} } } } i n t main() { signal(SIGALRM, handle a l a r m ) ; v o i d usart1 i s r (void) { i o happened=0; i f(USART GetITStatus(USART1, USART IT RXNE→ s t r u c t termios buf; ,→)) tcgetattr(0, &buf); {USART ClearITPendingBit(USART1, → buf . c l f l a g &= ˜(ECHO | ICANON) ; ,→USART IT RXNE); buf . c cc [VMIN]=1; USART ClearFlag (USART1,USART IT RXNE); buf . c c c [ VTIME]=0; { tcsetattr (0, TCSAFLUSH, &buf); g l o b a l t a b [ g l o b a l i n d e x ]=→ signal(SIGIO, handle i o ) ; ,→USART ReceiveData(USART1) ; i n t savedflags=fcntl(0, F GETFL , 0) ; i f (global i n d e x <(NB CHARS−1)) → f c n t l ( 0 , F SETFL, savedflags | O ASYNC | → ,→ g l o b a l i n d e x ++; ,→O NONBLOCK ) ; } f c n t l ( 0 , F SETOWN, getpid()); } alarm ( 1 ) ; // si on veut simuler le timeout } }

12 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Proﬁter des outils d’analyse de code

valgrind pour ´etudierles fuites de m´emoire

i n t main() { i n t i[3],k; f o r (k=0;k<10;k++) { i[k]=k;printf( "%d" , i [ k ] ) ;} } qui s’ex´ecutepour donner Segmentation fault ...

... est analys´epar valgrind -q ./mon programme et donne

==7410== Access not within mapped region at address 0x2 ==7410== at 0x8048448: main (demo_valgrind.c:5)

(noter la diﬀ´erencede comportement en ajoutant fflush(stdout) ou \n !)

13 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Proﬁter des outils d’analyse de code

gprof pour ´etudierle temps d’ex´ecutionde chaque fonction

v o i d fonction1s() { v o l a t i l e int k;for (k=0;k <0x1000000 ; k++) {};} v o i d fonction2s() { v o l a t i l e int k;for (k=0;k <0x2000000 ; k++) {};} v o i d fonction3s() { v o l a t i l e int k;for (k=0;k <0x3000000 ; k++) {};}

i n t main() {fonction1s(); fonction2s(); fonction3s(); } qui se compile avec l’option -pg pour généreràl’exécution gmon.out ...

... qui s’analyse par gprof -bp ./mon programme et donne

% cumulative self self total time seconds seconds calls ms/call ms/call name 55.56 0.10 0.10 1 100.00 100.00 fonction3s 33.33 0.16 0.06 1 60.00 60.00 fonction2s 11.11 0.18 0.02 1 20.00 20.00 fonction1s

14 / 15 Informatique embarqu´ee3/12 J.-M Friedt Mise en pratique

Outils pour travailler sur STM32 : • summon-arm-toolchain fournit un script pour générerun ensemble “cohérent”d’outils – explication de sa compilation à http://jmfriedt.free.fr/summon_arm.pdf • le processeur se déclineen une multitude de classes : linker script approprié. • Emulateur´ pour STM32 : qemu pour ARM complétéde l’émulation de périphériques– https://github.com/beckus/qemu_stm32.

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