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% Copyright (C) 2011 Tobias Klauser (klto@zhaw.ch)

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\title{Linux auf dem Nios II Softcore Prozessor}
\subtitle{}
\author{Tobias Klauser $<$klto@zhaw.ch$>$}
\institute[InES]{Institute of Embedded Systems\\Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften}
\date{30. August 2011}

\begin{document}

\begin{frame}
	\titlepage
\end{frame}

\section{Agenda}

\begin{frame}
  \tableofcontents
\end{frame}

\section{Institute of Embedded Systems ZHAW}

\begin{frame}{Institute of Embedded Systems}
  \begin{itemize}
    \item F\&E Institut der ZHAW
    \item Rund 45 Mitarbeiter
    \item Schwerpunkte
    \begin{itemize}
      \item Industrielle Kommunikation
      \item Zeitsynchronisation und Hochverfügbarkeit
      \item System on Chip Design
      \item Wireless Communication
      \item Entwicklungsmethoden
    \end{itemize}
  \end{itemize}
\end{frame}

\section{Übersicht FPGA und Softcore Prozessoren}

\begin{frame}{FPGA und Softcore}
  \begin{itemize}
    \item Field Programmable Gate Array
    \begin{itemize}
      \item Chip-Logik (Gateware) wird in einer Beschreibungssprache (VHDL, Verilog) codiert
      \item Änderungen am Design relativ einfach, Custom Systems
      \item Parallelität
    \end{itemize}
    \item Softcore
    \begin{itemize}
      \item Prozessor innerhalb des FPGA implementiert
      \item Fast immer Bestandteil eines System-on-a-Chip
      \item Konfigurierbar (z.B. MMU), erweiterbar (z.B. Custom Instructions)
      \item Proprietär, herstellerabhängig: Nios II (Altera), MicroBlaze (Xilinx),
      Cortex M1 (ARM)
      \item Open-Source Softcores: Gaisler LEON, OpenRISC, LatticeMico32
    \end{itemize}
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Nios II}
  \begin{itemize}
    \item 32-bit RISC Softcore-Prozessorarchitektur für Altera FPGAs
    \item 3 Basisvarianten:
    \begin{itemize}
      \item Economy (600-700 LEs)
      \item Standard (1200-1400 LEs)
      \item Fast (2600-3000 LEs)
    \end{itemize}
    \item Konfigurierbar mit oder ohne Memory Management Unit (MMU)
    \item Optionale Hardware MUL/DIV Instruktionen, Custom Instructions
    \item Peripherie (Timer, UART, Ethernet MAC, Flash Controller, \dots) als IP über SOPC
    System konfigurierbar
  \end{itemize}
\end{frame}

\section{Übersicht Linux}

\begin{frame}{Wieso ein Betriebssystem?}
  \begin{itemize}
    \item Multi-Tasking, Multi-User
    \item Memory Management, Memory Protection (MMU benötigt)
    \item TCP/IP Stack
    \item Filesysteme
    \item Bestehende Software und Treiber
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Wieso (Embedded) Linux?}
  \begin{itemize}
    \item Starke Verbreitung im Bereich Embedded Systems (z.B. Android auf
    Smartphones), Skalierbarkeit
    \item Umfangreiches Software-Ökosystem, grosse Community
    \item Einheitliche Entwicklungsumgebung (Unix-artig, POSIX-Standard)
    \item Portierungen auf zahlreiche ($\sim 30$) Prozessor-Architekturen
    \item Niedrige Kosten, freie Lizenzen
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Embedded Linux}
  \begin{columns}
  \column{8cm}
  \begin{itemize}
    \item Linux Kernel als Kernkomponente eines Linux Systems
    \item Libraries und Applikationen werden zusätzlich benötigt, um ein
    komplettes System zu erhalten
    \item Minimale Voraussetzungen:
    \begin{itemize}
      \item 32-bit Prozessor (mit oder ohne MMU)
      \item unterstützte Toolchain (GCC, binutils, \dots)
      \item libc (uClibc, eglibc)
    \end{itemize}
  \end{itemize}
  \column{4.5cm}
  \begin{center}
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/tux.pdf}
  \end{center}
  \end{columns}
\end{frame}

\section{Linux auf dem Nios II}

\begin{frame}{Linux/uClinux auf dem Nios II}
  \begin{itemize}
    \item Linux unterstützt Nios II mit \emph{und} ohne MMU
    \begin{itemize}
      \item Erster Port von Microtronix für Nios II NOMMU
      \item Separater Port von Wind River für Nios II MMU
    \end{itemize}
    \item Open Source Nios II Linux
    (\href{http://www.alterawiki.com/wiki/Linux}{alterawiki.com/wiki/Linux})
    \begin{itemize}
      \item MMU und NOMMU Ports zusammengeführt
      \item Anpassungen an aktuelle Linux Kernel Versionen
      \item Integration in Mainline (\href{http://www.kernel.org}{kernel.org}) geplant
    \end{itemize}
    \item Kommerzielle Anbieter
    \begin{itemize}
      \item Auf Basis von Open Source Nios II
      \item Wind River, Timesys, SLS
    \end{itemize}
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}[containsverbatim]{Nios II mit oder ohne MMU?}
  \begin{table}
  \begin{tabular}{|p{0.45\textwidth}|p{0.45\textwidth}|}
  \hline
  \textbf{MMU} & \textbf{NOMMU}\\
  \hline
  \emph{mehr} LEs im FPGA & \emph{weniger} LEs im FPGA\\
  \hline
  Virtual Memory, separater Adressraum für jeden Prozess & ein globaler Adressraum für
  alle Prozesse und Kernel \\
  \hline
  Shared Libraries & Libraries werden statisch zu jedem Binary gelinkt\\
  \hline
  Keine Änderungen an Userspace-Software notwendig & u.U. Anpassungen an Software
  notwendig (z.B. kein \verb|fork()|) \\
  \hline
  Langsamer & Schneller\\
  \hline
  \end{tabular}
  \end{table}
\end{frame}

\begin{frame}{Development Workflow}
  \begin{center}
    \includegraphics[height=0.8\textheight]{images/design-flow.pdf}
  \end{center}
\end{frame}

\begin{frame}[containsverbatim]{Linux Image \& Root Filesystem}
  \begin{itemize}
    \item Kernel Image als komprimiertes ELF-Binary
    \begin{itemize}
      \item Kann direkt in RAM geladen und gestartet werden
      \item Wird u-boot verwendet, muss das Image konvertiert werden
    \end{itemize}
    \item Root Filesystem in einem \verb|initramfs| an Kernel angehängt
    \item Keine Persistenz über Reboot hinweg
    \begin{itemize}
      \item Alternative: Root FS separat in Flash speichern
      \item NFS (Network Filesystem) verwenden
    \end{itemize}
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}[fragile,containsverbatim]{Device Tree (\href{http://devicetree.org}{devicetree.org})}
  \begin{columns}[t]
  \column{0.56\textwidth}
  \begin{itemize}
    \item Strukturierte Beschreibung der Hardware
    \item Integration mit Linux:
    \begin{itemize}
      \item Als Bestandteil des Kernel Images
      \item Im Flash (nur mit u-boot)
      \item Laden über TFTP (nur mit u-boot)
    \end{itemize}
    \item Linux extrahiert Device Tree, lädt Treiber entsprechend
    \item Von zahlreichen Linux-Ports eingesetzt (ARM, PowerPC, MicroBlaze, OpenRISC)
  \end{itemize}
  \column{0.44\textwidth}
  \begin{lstlisting}
    cpu_0: cpu@0x0 {
      compatible = "ALTR,nios2-9.1";
      clock-frequency = <50000000>;
      dcache-size = <2048>;
      icache-size = <4096>;
      ALTR,implementation = "fast";
      ALTR,has-div;
      ALTR,has-mul;
      ALTR,reset-addr = <0xc4000000>;
      ...
    };

    uart_0: serial@0x6000000 {
      compatible = "ALTR,uart-9.1";
      reg = <0x6000000 0x20>;
      interrupt-parent = <&cpu_0>;
      interrupts = <2>;
      current-speed = <115200>;
      clock-frequency = <50000000>;
    };
  \end{lstlisting}
  \end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}[containsverbatim]{Bootprozess}
  \begin{enumerate}
    \item Laden des FPGA-Bitstreams
    \item Laden des Linux Images inkl. Reset des Nios
    \item Nios beginnt mit Ausführung des Linux Kernels
    \item Linux Kernel erkennt Hardware anhand des Device Tree und lädt entsprechende Treiber
    \item \verb|initramfs| wird durch den Kernel ins RAM entpackt und gemountet
    \item Init-Prozess (\verb|/sbin/init|) wird ausgeführt
    \item Optional: Mounten von von Flash- bzw. Netzwerk-Filesystemen
    \item Weitere Userspace-Prozesse (Daemons etc.) werden durch Init gestartet
  \end{enumerate}
\end{frame}

\section{Anwendungsbeispiele}

\begin{frame}{Anwendungsbeispiel - Redundantes Kommunikationsnetzwerk}
  \begin{itemize}
    \item Nios II mit MMU
    \item Ethernet-basiert, optional SHDSL
    \item Parallel Redundancy Protocol
    \item Software-Komponenten (COTS und Eigenentwicklung) für SHDSL, Webserver, Remote Update, SNMP, NTP
    \item Treiber für eigene IP-Komponenten
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Anwendungsbeispiel - Übertragung von HD-Videodaten}
  \begin{itemize}
    \item Nios II ohne MMU
    \item Gigabit-Ethernet
    \item USB Host- und Device-Controller
    \item Software-Komponenten (COTS und Eigenentwicklung) für Session-Setup, Konfiguration, Webserver
    \item Treiber für eigene IP-Komponenten und Hardware
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Zusammenfassung}
  \begin{itemize}
    \item Nios II als flexibel konfigurierbarer Softcore-Prozessor
    \item Linux bietet umfangreiche Hardware- und Software-Unterstützung
    \item Softcore-System und Linux sind nachträglich einfach anpass- und erweiterbar
    \item Integration von bestehender Linux/Unix-Software mit kleinen oder geringen Anpassungen möglich
  \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}{Danke für Ihre Aufmerksamkeit}
\begin{center}
Tobias Klauser\\
Institute of Embedded Systems\\
Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften\\
\href{mailto:klto@zhaw.ch}{klto@zhaw.ch}\\
\vspace{2cm}
Weitere Informationen zu Nios II Linux: \url{http://www.alterawiki.com/wiki/Linux}
\end{center}
\end{frame}

\end{document}
