Come superare gli ostacoli allo sviluppo su Linux in sistemi a risorse limitate

La tecnologia open-source offre agli sviluppatori di sistemi elettronici un percorso per ridurre i costi, accelerare il time-to-market e prolungare il ciclo di vita dei prodotti, eliminando gli ostacoli proprietari e promuovendo la collaborazione. Oggi le opportunità open-source riguardano l'intero stack di sistema, dai sistemi operativi all'hardware dei computer monoscheda (SBC) e alla proprietà intellettuale dei semiconduttori.

Tuttavia, per l'esecuzione di Linux su dispositivi con risorse limitate, come i sistemi Industrial IoT (IIoT) e robotici, permangono elevati requisiti di calcolo, rischi per la sicurezza e problemi di latenza deterministica.

Questo articolo passa brevemente in rassegna le sfide che i progettisti devono affrontare per la distribuzione di Linux in sistemi con risorse limitate. Viene quindi presentato un computer monoscheda (SBC) di BeagleBoard.org, il modello BeagleV-Fire, in combinazione con Linux e viene illustrato come questo dispositivo possa massimizzare la flessibilità dei progetti futuri. È inclusa una dimostrazione di come utilizzare i BSP (board support package) open-source di Microchip Technology per creare una configurazione iniziale di Linux.

Le sfide dello sviluppo open-source nei sistemi embedded

L'adozione di tecnologie open-source nello sviluppo embedded è ormai consolidata. Sia la progettazione dell'hardware che l'integrazione del software sono accelerate da risorse pronte all'uso prodotte da un ampio ecosistema di produttori e singoli ingegneri. In particolare, grazie alla sua flessibilità, Linux è diventata una soluzione software leader per i sistemi che richiedono connettività di rete, framework applicativi di alto livello e integrazione dell'intelligenza artificiale (IA).

Tuttavia, l'implementazione di Linux su dispositivi con risorse più limitate introduce ulteriori considerazioni:

• Requisiti di calcolo: le tradizionali unità microcontroller (MCU) faticano a soddisfare i requisiti di memoria e storage anche delle distribuzioni Linux minimali. Man mano che gli sviluppatori aggiungono servizi in background per supportare le applicazioni, i sottosistemi e i framework dello spazio utente (USF), questi sottosistemi consumano più risorse, rendendo impraticabili gli stack di software ingombranti.
• Latenza: le applicazioni di alta precisione, come la robotica e l'automazione industriale, richiedono tempi prevedibili per il coordinamento del sistema e la sicurezza operativa. Mentre la funzione PREEMPT_RT del kernel Linux migliora il determinismo, i sistemi operativi in tempo reale (RTOS) dedicati offrono latenza e sovraccarico inferiori per l'hardware con risorse limitate.
• Sicurezza: i sistemi embedded distribuiti in ambienti pubblici sono a rischio di accessi non autorizzati, rendendo fondamentali le misure di sicurezza standard come l'avvio sicuro, la resistenza alla manomissione e l'hardware con radice di attendibilità (RoT). Inoltre, normative come il Cyber Resilience Act (CRA) dell'UE impongono che i prodotti con elementi digitali siano sicuri by design.
• Alimentazione: i dispositivi edge sono spesso utilizzati in ambienti remoti con risorse energetiche limitate. Una maggiore efficienza energetica può prolungare la durata della batteria o consentire il funzionamento da fonti di energia ambientale. Allo stesso modo, una maggiore efficienza energetica può semplificare la gestione termica e aumentare le prestazioni per watt, supportando l'elaborazione edge avanzata.
• Gestione del ciclo di vita: il CRA richiede che i dispositivi digitali siano supportati per almeno cinque anni, anche se molte implementazioni industriali richiedono una disponibilità del prodotto da 10 a 15 anni. Pertanto, per garantire un supporto coerente del kernel Linux, gli sviluppatori devono pianificare l'aggiornabilità e la disponibilità dell'hardware.

Per superare queste sfide, gli sviluppatori possono attingere a risorse aggiuntive dagli ecosistemi Linux open-source ed embedded e sfruttare le combinazioni hardware-software semplificate di Linux per applicazioni edge in rapida evoluzione.

Implementazione di Linux con SBC open-source e RISC-V

Sebbene le distribuzioni Linux generiche offrano un percorso rapido per la predisposizione delle applicazioni, spesso includono pacchetti e servizi non necessari per il progetto in questione. Al contrario, Yocto Project, supportato da OpenEmbedded, consente agli sviluppatori di creare immagini Linux personalizzate per casi d'uso specifici. In questo modo si eliminano le funzionalità non necessarie, consentendo l'impiego di distribuzioni leggere su hardware con risorse limitate, pur mantenendo funzionalità avanzate, come la visione artificiale guidata dall'intelligenza artificiale o la manutenzione predittiva tramite strumenti standard.

Inoltre, Yocto Project fornisce agli sviluppatori:

• Build riproducibili per una manutenzione a lungo termine
• Configurazione personalizzata del kernel per migliorare prestazioni, sicurezza e reattività
• Integrazione del layer specifico della scheda per garantire la compatibilità hardware/software e ridurre i tempi di sviluppo

La semplice integrazione con i meccanismi di aggiornamento OTA (via etere), come SWUpdate, RAUC e Mender, aiuta gli sviluppatori a migliorare regolarmente le prestazioni e la sicurezza dei dispositivi durante i lunghi cicli di vita dei prodotti. Come risultato, Yocto Project è ora uno standard per i sistemi Linux embedded.

Allo stesso modo, gli SBC open-source sono stati a lungo utilizzati per accelerare lo sviluppo di applicazioni Linux, fornendo una piattaforma di riferimento pronta all'uso che combina elaborazione, memoria, storage e risorse di I/O in un fattore di forma autonomo. Con gli SBC aperti, gli sviluppatori possono prototipare rapidamente un sistema, convalidare il proprio stack software e quindi passare all'hardware personalizzato con una rilavorazione minima.

L'architettura ISA (Instruction Set Architecture) RISC-V a standard aperto fa un ulteriore passo avanti, consentendo ai progettisti di sistemi di creare piattaforme di elaborazione personalizzate senza costosi oneri di licenza. Con RISC-V, i progettisti possono scegliere quali parti del set di istruzioni includere e persino estenderli per soddisfare i loro casi d'uso specifici. Poiché i progetti originali sono stati creati con una licenza Berkeley Software Distribution (BSD), le opere derivate possono essere aperte e libere oppure chiuse e proprietarie.

Per gli sviluppatori e gli architetti, Yocto Project, gli SBC aperti e RISC-V riducono la dipendenza dalle roadmap di un singolo fornitore, aumentando la flessibilità di progettazione a lungo termine. Inoltre, il crescente supporto upstream per RISC-V in Linux e la partecipazione di RISC-V a Yocto Project sottolineano l'interesse della comunità Linux embedded.

Un SBC RISC-V ad alte prestazioni per l'integrazione compatta di Linux

L'SBC open-source BeagleV-Fire di BeagleBoard.org (Figura 1) offre una piattaforma compatta e ricca di I/O per affrontare queste sfide. Con un System-on-Chip (SoC) FPGA PolarFire di Microchip, l'SBC offre un funzionamento efficiente dal punto di vista energetico, caratteristiche di sicurezza hardware e un cluster CPU RISC-V coerente che supporta applicazioni Linux con carichi di lavoro in esecuzione in tempo reale. Gli sviluppatori possono utilizzare l'SBC per prototipare controller robotici, gateway industriali, acceleratori Edge IA e piattaforme I/O personalizzate basate su Linux embedded.

Figura 1: BeagleV-Fire di BeagleBoard.org è una piattaforma SBC compatta per l'integrazione di tecnologie open-source in dispositivi embedded. (Immagine per gentile concessione di BeagleBoard.org)

La piattaforma compatta misura 86,38 × 54,61 × 18,8 mm ed è costruita attorno al SoC PolarFire MPFS025T-FCVG484E ad alta efficienza energetica. È dotato di un'architettura multi-core coerente, con quattro core dell'applicazione RV64GC per l'esecuzione di Linux e un core di monitoraggio RV64IMAC per la gestione delle funzioni di basso livello.

Per massimizzare le prestazioni e garantire l'accuratezza dei dati tra i vari core, il SoC PolarFire fornisce una cache L2 condivisa, un sottosistema di memoria coerente e un controller di memoria DDR integrato per supportare 2 GB di memoria LPDDR4 su scheda. Ulteriore supporto è assicurato alle applicazioni complesse dai 16 GB di storage eMMC e dai 128 Mbit di Flash SPI di BeagleV-Fire.

Oltre al sottosistema processore RISC-V, il SoC PolarFire integra un tessuto FPGA (Figura 2) che consente agli sviluppatori di creare percorsi di elaborazione deterministici per applicazioni in tempo reale a bassa latenza e di implementare l'accelerazione hardware personalizzata per le pipeline di inferenza IA. Come parte del sistema completo, questo tessuto ospita 23.000 elementi logici e le proprie risorse supplementari, pertanto può operare indipendentemente dai core di elaborazione principali.

Figura 2: La famiglia di SoC PolarFire di Microchip combina più core di elaborazione RISC-V con un tessuto FPGA versatile per carichi di lavoro deterministici. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Grazie alle molteplici opzioni di avvio sicuro, le caratteristiche di sicurezza hardware integrate del SoC PolarFire consentono agli sviluppatori di implementare un modello di sicurezza approfondito, rendendolo una piattaforma utile per soddisfare i moderni requisiti di sicurezza informatica. Tali caratteristiche comprendono:

• Radice di attendibilità hardware immutabile tramite funzione fisicamente non clonabile (PUF)
• Memorizzazione sicura delle chiavi con un dispositivo programmabile una sola volta (OTP) o con una memorizzazione sicura non volatile mediante UDS (Unique Device Secret) e controllo dell'accesso alle chiavi basato sull'hardware
• Un modulo anti-manomissione

Oltre a questo, BeagleV-Fire offre diverse porte fisiche integrate per la creazione di un sistema pronto per le applicazioni in cui verificare e testare le distribuzioni Linux personalizzate (Figura 3). Queste includono una porta RJ45 Gigabit Ethernet, una porta USB Type-C per l'alimentazione e la connettività, una presa M.2 Key E, due basette Cape a 46 pin compatibili con BeagleBone per una maggiore espansione dell'ecosistema e una porta CSI per l'integrazione diretta. Per il debug è previsto un footprint JTAG TAG-CONNECT e BeagleV-Fire supporta anche l'espansione compatibile con SYZYGY per le periferiche orientate all'FPGA.

Figura 3: Nonostante l'ingombro compatto, BeagleV-Fire di BeagleBoard.org offre diverse porte fisiche per l'interfacciamento immediato delle applicazioni. (Immagine per gentile concessione di BeagleBoard.org)

Come creare una configurazione iniziale di Linux sull'SBC BeagleV-Fire

Quando si costruisce una distribuzione Linux leggera per BeagleV-Fire, gli sviluppatori devono innanzitutto ottenere un layer BSP Yocto Project adatto. Questo fornirà la configurazione di U-Boot, la configurazione predefinita del kernel Linux, gli alberi dei dispositivi per il supporto della scheda e le definizioni del supporto delle periferiche. Un repository GitHub supporta tutti i BSP del kit di valutazione del SoC PolarFire, compreso BeagleV-Fire.

Dopo aver installato tutte le dipendenze necessarie di Yocto Project, i layer seguenti costituiscono la base della build e devono essere clonati:

• bitbake
• meta-openembedded-core
• meta-yocto (per la distribuzione di riferimento Poky)
• meta-mchp-common
• meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-bsp
• meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-community
• Layer aggiuntivi richiesti dal progetto

Una volta fatto questo, si può compilare un'immagine minima usando il target di MACHINE = "beaglev-fire" e un file di configurazione kas. Il listato 1 mostra una configurazione di esempio:

Copia
header:
  version: 19
 
repos:
  openembedded-core:
    url: git://git.openembedded.org/openembedded-core.git
    # yocto-5.0.15
    commit: 6988157ad983978ffd6b12bcefedd4deaffdbbd1
    layers:
      meta:
 
  bitbake:
    url: git://git.openembedded.org/bitbake.git
    # yocto-5.0.15
    commit: 8dcf084522b9c66a6639b5f117f554fde9b6b45a
    layers:
      bitbake: disabled
 
  meta-yocto:
    url: git://git.yoctoproject.org/git/meta-yocto.git
    # yocto-5.0.15
    commit: 9bb6e6e8b016a0c9dfe290369a6ed91ef4020535
    layers:
      meta-poky:
      meta-yocto-bsp:
 
  meta-mchp:
    url: https://github.com/linux4microchip/meta-mchp.git
    branch: scarthgap
    path: layers/third-party/meta-mchp
    layers:
      meta-mchp-common:
      meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-bsp:
      meta-mchp-polarfire-soc/meta-mchp-polarfire-soc-community:
 
machine: beaglev-fire
 
 
local_conf_header:
  Users: |
    EXTRA_IMAGE_FEATURES = "allow-empty-password empty-root-password \
allow-root-login"

Listato 1: File di configurazione di esempio che crea tutti gli elementi di compilazione necessari per l'avvio di BeagleV-Fire in una shell semplice. (Listato per gentile concessione di Microchip Technology)

L'esecuzione di "kas build core-image-minimal" crea quindi tutti gli elementi di compilazione necessari per l'avvio di BeagleV-Fire in una shell semplice, compresi i binari U-Boot e un'immagine FIT contenente il kernel Linux e i moduli, l'albero dei dispositivi e il filesystem root.

Dopo aver creato un'immagine Linux minima per BeagleV-Fire utilizzando Yocto Project, è possibile seguire le procedure standard per creare un'immagine personalizzata e adattare la build ai requisiti esatti del progetto. Nella robotica e nei sistemi industriali, ad esempio, Linux viene spesso utilizzato insieme a un RTOS più tradizionale, come FreeRTOS o Zephyr, per consentire l'elaborazione avanzata accanto a operazioni time-critical. Questa funzionalità è ben supportata dal SoC PolarFire di BeagleV-Fire, che può essere configurato per l'esecuzione simultanea di più sistemi operativi o applicazioni bare metal.

Dato che molti dispositivi embedded richiedono una vita operativa di 10 anni o più, la combinazione dell'ISA RISC-V aperta, di Linux e della riproducibilità basata su Yocto consente alle piattaforme basate sul SoC PolarFire di adattarsi alle minacce alla sicurezza emergenti e ai nuovi requisiti applicativi attraverso aggiornamenti OTA o locali regolari. In questo modo, l'SBC BeagleV-Fire rappresenta un ottimo punto di partenza per l'adozione dell'open-source, aumentando la flessibilità e la longevità dei sistemi edge intelligenti.

Conclusione

I limiti di calcolo, i requisiti di latenza deterministica, l'esposizione alla sicurezza e le richieste di un lungo ciclo di vita possono rappresentare sfide legittime quando si esegue Linux in sistemi embedded con risorse limitate. L'SBC BeagleV-Fire di BeagleBoard.org offre un'architettura ibrida che combina le capacità Linux RISC-V con la logica deterministica basata su FPGA e le caratteristiche di sicurezza hardware per superare queste sfide. Gli sviluppatori possono utilizzare questa piattaforma abbinata a Yocto Project e ai layer BSP open-source di Microchip per creare distribuzioni Linux personalizzate e tracciabili, ottimizzate per applicazioni di edge computing, IIoT e robotica di lunga durata.