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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, Low Power
      \item Entwicklungsmethoden
    \end{itemize}
    \item Projekte in Zusammenarbeit mit Industriepartnern
    \item Für mehr Informationen: \url{http://ines.zhaw.ch}
  \end{itemize}
  \note[item]{RT Ethernet: Profinet, Powerlink}
  \note[item]{Präzise Zeitsynchronisierung: IEEE1588 (PTP), Redundanzprotokolle: PRP, HSR}
\end{frame}

\section{Übersicht FPGA und Softcore Prozessoren}

\begin{frame}{FPGA und Softcore}
  \begin{itemize}
    \item Field Programmable Gate Array
    \begin{itemize}
      \item Schaltung wird in einer Beschreibungssprache (VHDL, Verilog) codiert
      \item Code wird synthetisiert und FPGA damit programmiert
      \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}
  \note[item]{FPGA - ASIC, Rapid Prototyping}
  \note[item]{schnelle Signalverarbeitung in FPGA möglich}
  \note[item]{Viele Schaltungen benötigen heutzutage uC, Softcore einfache Lösung für
  Projekte mit FPGA}
  \note[item]{Softcore für Prototypen aber auch für Endprodukt möglich}
\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
    \note[item]{Flexible Anpassung an Bedürfnisse im Laufe des Projekts}
    \note[item]{SOPC = System on Programmable Chip: System von Altera zur
    Konfiguration von vorgefertigten IP-Komponenten}
  \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}
  \note[item]{mehrere (quasi) nebenläufige Prozesse bzw. Benutzer}
  \note[item]{Jeder Prozess (und Kernel) in eigenem virtuellem Adressraum, Schutz vor
  fehlerhaften Speicherzugriffen in schlecht programmierter Software}
  \note[item]{Mit MMU ist zwingend ein OS nötig bzw. macht einen MMU ohne OS keinen
  Sinn}
  \note[item]{Viele Hersteller bieten heutzutage ihre Software bzw. Treiber für Linux
  an, bestehende Software im Haus}
\end{frame}

\begin{frame}{Wieso (Embedded) Linux?}
  \begin{itemize}
    \item Skalierbarkeit: Von ``Big Iron'' bis zum Embedded System
    \begin{itemize}
      \item Starke Verbreitung im Bereich Embedded Systems (z.B. Android auf
      Smartphones)
    \end{itemize}
    \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}
  \note[item]{Supercomputer (Anteil von über 90\% bei Top500), Cluster, Mainframe
  (IBM zSeries), Server, PC, Netzwerk-Komponenten, Unterhaltungselektronik,
  Smartphones, \dots}
  \note[item]{Community bietet Support, Austausch unter Nutzern, grosse Auswahl bzw.
  Alternativen an Software}
  \note[item]{Entwicklungssystem ~= Zielsystem}
  \note[item]{teilweise exotische Architekturen, Linux als einziges unterstütztes OS}
  \note[item]{Source Code verfügbar}
\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, \dots)
    \end{itemize}
  \end{itemize}
  \column{4.5cm}
  \begin{center}
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{images/tux.pdf}
  \end{center}
  \end{columns}
  \note[item]{Embedded Linux: Sammelbegriff für Embedded Systems mit Linux Kernel}
  \note[item]{Applikationen und Libraries werden üblicherweise durch Distribution
  gesammelt}
  \note[item]{libc = C Library}
\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 (Kernel 2.6.11)
      \item Separater Port von Wind River für Nios II MMU (Kernel 2.6.21)
    \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 Zahlreiche Verbesserungen, Anpassungen an aktuelle Linux Kernel Versionen
      \item Integration in Mainline (\href{http://www.kernel.org}{kernel.org}) geplant
      \item Verwendet uClinux-dist als Distribution
    \end{itemize}
    \item Kommerzielle Anbieter
    \begin{itemize}
      \item Auf Basis von Open Source Nios II, eigene Distribution
      \item Wind River, Timesys, SLS
    \end{itemize}
  \end{itemize}
  \note[item]{NOMMU 2004, MMU 2009, im Auftrag von Altera}
  \note[item]{Port momentan noch ausserhalb von offiziellem Linux Kernel}
  \note[item]{Zusätzliche Treiber}
  \note[item]{Version momentan bei 3.0 bzw. 3.1-rc4}
\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
  ELF Fileformat & Flat Fileformat \\
  \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}
  \note[item]{LE = Logic Elements, Logikzellen}
  \note[item]{Prozesse können bei unsauberer Programmierung in Speicher von Kernel
  oder anderen Prozessen schreiben bzw. lesen}
  \note[item]{durch statisches Linken werden Binaries grösser}
  \note[item]{Context Switches werde mit MMU aufwändiger}
\end{frame}

\begin{frame}{Development Workflow}
  \begin{center}
    \includegraphics[height=0.8\textheight]{images/design-flow.pdf}
  \end{center}
  \note[item]{}
\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}
  \note[item]{Eigener Mini-Bootloader innerhalb des Kernel-Images}
  \note[item]{u-boot kann aus Flash oder via Netzwerk (TFTP) laden}
  \note[item]{oder nur Teile von RootFS (z.B. Conffiles) in Flash}
  \note[item]{NFS während Entwicklung}
\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}
  \note[item]{Urspünge im Opefirmware-Projekt (Bootumgebung für OS, analog BIOS)}
  \note[item]{Hardware-Details wie Adressen, Interrupt-Nummern etc. müssen nicht im
  OS hart codiert werden, OS wird unabhängiger von Hardware}
  \note[item]{Flattened Device Tree -> Kompilierung in Binärformat}
  \note[item]{Im Idealfall muss Linux bei geringfügiger Anpassung der HW (z.B. neue
  IRQ einer Komponente) nicht neu kompilert werden}
\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}
  \note[item]{ohne u-boot}
  \note[item]{Laden von FPGA-Bitstream und Linux Image via JTAG oder aus dem Flash}
  \note[item]{Prozessor-spefisische Initialisierung, MM, Scheduler}
  \note[item]{Device Tree einkompiliert}
  \note[item]{Was nach init passiert, wird durch initskripts festgelegt}
  \note[item]{z.B. könnte auch RootFS aus Flash oder anderem Festspeicher gemountet
  werden}
\end{frame}

\section{Anwendungsbeispiele}

\begin{frame}{Anwendungsbeispiel - Redundantes Kommunikationsnetzwerk}
  \begin{itemize}
    \item Nios II mit MMU (anfangs ohne MMU)
    \item Ethernet-basiert, optional SHDSL
    \item Parallel Redundancy Protocol
    \item Software-Komponenten (COTS und Eigenentwicklung) u.a. für SHDSL, Webserver, Remote Update, SNMP, NTP
    \item Treiber für eigene IP-Komponenten
  \end{itemize}
  \note[item]{Distribution von SLS}
  \note[item]{Portierung NOMMU - MMU relativ einfach, nur geringfügige Anpassungen an
  Treibern (aber nur, weil diese die Linux-Schnittstellen nicht korrekt benutzten)}
  \note[item]{SD Card IP}
\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) u.a. für Session-Setup, Konfiguration, Webserver
    \item Treiber für eigene IP-Komponenten und Hardware
  \end{itemize}
  \note[item]{TSE MAC von Altera}
  \note[item]{USB/IP}
  \note[item]{Bestehende Treiber für USB konnten verwendet werden}
\end{frame}

\begin{frame}{Zusammenfassung}
  \begin{itemize}
    \item Nios II als flexibel konfigurierbarer Softcore-Prozessor innerhalb eines
    System-on-a-Chip
    \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}