Embedded Linux: Dit OS infiltreert al je apparaten

Niet alle computers zijn dozen onder je bureau of laptops op je schoot. Heel wat computers maken onderdeel uit van een groter systeem, zien er niet als een computer uit en zitten vaak verborgen. We spreken dan van een ‘embedded system’, of in het Nederlands ingebed systeem / geïntegreerd systeem.

Enkele voorbeelden maken duidelijk waar het om gaat. Een barcodescanner in de supermarkt, allerlei controlesystemen in fabrieken, de motorbesturing in je auto, je magnetron thuis, je internetmodem, je draadloos toegangspunt, je nas, maar ook alle ‘slimme’ apparaten zoals smartphones, smartwatches, smart-tv’s en de tegenwoordig zo populaire IoT-apparaten (Internet of Things) zijn embedded systems.

De essentie van een embedded system is dat het om een combinatie van hardware en software gaat die samen een product met een specifieke taak vormen. Net zoals een ‘personal computer’ heeft een embedded system invoer en uitvoer, maar in tegenstelling tot een toetsenbord en scherm is dat vaak iets toepassingsspecifieks, zoals sensoren en actuatoren (bijvoorbeeld een motor).

Wat is embedded Linux?

Als we over Linux spreken, bedoelen we meestal het hele besturingssysteem, terwijl Linux strikt gezien alleen de kernel is. Zo ook met embedded Linux: meestal wordt met die term het hele besturingssysteem bedoeld dat op het apparaat draait. Vaak is het een op maat gemaakt Linux-besturingssysteem of een embedded Linux-distributie die specifiek ontworpen is voor embedded systems.

Linus Torvalds begon aan de ontwikkeling van zijn Linux-kernel omdat hij een GNU-besturingssysteem op zijn pc wilde draaien, maar ondertussen ondersteunt de kernel ook vele andere platforms. Er bestaat niet zoiets als een embedded Linux-kernel. Er is één broncode van de Linux-kernel, en die draait op alle mogelijke systemen, van smartphones tot supercomputers. Het enige verschil is dat je specifieke opties of modules tijdens het compileren van de kernel in- of uitschakelt, afhankelijk van wat je nodig hebt, en drivers toevoegt voor specifieke hardware.

Ook tussen embedded systems bestaan er grote verschillen. Een Raspberry Pi, die je ook als een embedded system kunt beschouwen als je er een product mee maakt, is heel wat krachtiger dan je internetmodem. De Linux-kernel heeft in beide systemen waarschijnlijk een heel andere configuratie.

Waarom zou een ontwikkelaar van een embedded system Linux gebruiken? Een van de voordelen noemden we al: de Linux-kernel is uiterst modulair en configureerbaar, waardoor je een kernel kunt compileren die geoptimaliseerd is voor je toepassing. Zeker op embedded systems met een zwakke processor en/of een beperkte hoeveelheid RAM en opslagruimte is dat heel handig: je verwijdert eenvoudig alle ballast.

Die modulariteit en configureerbaarheid zie je ook in het hele besturingssysteem. Een Linux-distributie is een samenraapsel van de kernel, een C-bibliotheek, bestandssysteem en allerlei software. Voor elk van die componenten kun je keuzes maken om je Linux-systeem op maat van je toepassing te ontwikkelen. Zo wordt de C-bibliotheek glibc in veel embedded systems vervangen door het lichtere uClibc en allerlei Unix-opdrachten door BusyBox.

Veel vrijheid

De meeste software die je nodig hebt om een embedded Linux-systeem op te bouwen, is opensource. Dat betekent dat de broncode beschikbaar is onder een vrije licentie zoals de (L)GPL of BSD-licentie. Je hoeft dus helemaal niets te betalen, een licentie te kopen of je te registreren voor een demo om het systeem te evalueren: je kunt er als ontwikkelaar van een embedded system onmiddellijk mee aan de slag. Dat wil overigens niet zeggen dat alles mag. Je dient je nog altijd aan de licentievoorwaarden te houden.

Doordat je toegang tot de broncode hebt en de licentievoorwaarden redelijk vrij zijn, hang je voor embedded Linux niet van één leverancier af. Als je dus een embedded system met behulp van Linux wilt ontwikkelen, heb je de keuze uit talloze leveranciers. Die verkopen je geen software (want die is vrij beschikbaar), maar leveren wel ondersteuning en maatwerk zoals het ontwikkelen van drivers of toevoegen van ondersteuning voor specifieke processoren.

Als je niet meer tevreden bent over één leverancier, kun je bovendien eenvoudig naar een andere overschakelen. Heb je voldoende expertise in huis, dan kun je zelfs besluiten om de integratie van de software die je nodig hebt volledig zelf te doen en je Linux-systeem dus zelf op te bouwen. Dat is een enorm verschil met bedrijfseigen embedded besturingssystemen, waarbij je volledig afhankelijk bent van de leverancier.

Hardware- en softwareondersteuning

De hardwareondersteuning van Linux is immens. De kernel ondersteunt niet alleen de x86-architectuur van onze pc’s, maar ook ARM (gebruikt in veel smartphones, IoT-apparaten en de Raspberry Pi), MIPS, PowerPC en het nieuwe RISC-V. Ondersteuning voor een nieuwe processorarchitectuur of specifieke processor toevoegen, heet ‘porten’ (porting in het Engels). Het voordeel van Linux is: zodra iemand de kernel en wat andere software onder de motorkap, zoals de C-library en de compiler, naar een nieuwe architectuur of processor geport heeft, hoef je zelf dat werk niet meer te doen.

Er draait ook heel veel (opensource-)software op Linux. Voor zowat alle mogelijke netwerkfunctionaliteit bijvoorbeeld bestaat er wel software die op embedded Linux draait. Bovendien werkt software die op één processorarchitectuur draait normaal ook probleemloos op een andere: de meeste Linux-software is immers heel ‘portable’. Schakel je als ontwikkelaar over van één processor naar een andere, dan hoef je je aan de softwarekant doorgaans niet veel zorgen te maken over die overstap.

Hoewel de Raspberry Pi strikt gezien geen embedded system is, geeft de gpio-header van het processorbordje je wel talloze mogelijkheden om sensoren, leds, motorcontrollers en allerlei andere hardware aan te sluiten. Het resultaat kan een (heel krachtig) embedded system zijn. Tegenwoordig is de eerste kennismaking van velen met embedded Linux dan ook de Raspberry Pi. Je installeert dan Raspbian Lite, een minimale Linux-distributie gebaseerd op Debian. Daarop installeer je vervolgens een van de vele beschikbare programma’s of je programmeert je eigen software, bijvoorbeeld in Python.

Draai je Raspbian op je Raspberry Pi en sluit je een toetsenbord, muis en beeldscherm aan, dan is het mogelijk om er een desktopsysteem van te maken, zeker met de Raspberry Pi 4. Maar de flexibiliteit van het computerbordje komt pas tot zijn recht als je het als embedded system inzet. En er bestaan ook gespecialiseerde besturingssystemen zoals LibreELEC, waarmee je van je Raspberry Pi een mediaspeler maakt.

Embedded Linux updaten

Een echt embedded system dient eigenlijk onzichtbaar te zijn. De eindgebruiker hoort er geen omkijken naar te hebben. Belangrijk daarvoor zijn ota-updates (‘over-the-air’): het systeem krijgt dan automatisch updates die beveiligingslekken en andere fouten dichten.

Bij een klassieke Linux-distributie zoals Raspbian werkt dat anders. Daar dien je zelf expliciet op updates te controleren en de beschikbare updates te installeren, met de commando’s sudo apt update en sudo apt upgrade. Er bestaan wel oplossingen om dat te automatiseren (onder Raspbian installeer je er een met sudo apt install unattended-upgrades), maar Debians pakketbeheerder apt mist een belangrijke eigenschap: atomiciteit.

Een update zou ofwel uitgevoerd moeten worden ofwel niet, maar niet half. Als je apt in Raspbian uitvoert (al dan niet automatisch), loop je altijd het risico dat een update om welke reden dan ook (bijvoorbeeld een tijdelijke netwerkstoring) maar half uitgevoerd is. Het besturingssysteem bevindt zich dan in een ongedefinieerde toestand en je embedded system werkt mogelijk niet meer.

Eén oplossing voor ota-updates van embedded Linux-systemen is Mender. Hiermee draai je een managementserver (of maak je gebruik van de managementserver van het bedrijf Mender), die via het netwerk updates naar je embedded systems verstuurt.

Een update wordt niet onmiddellijk in het draaiende systeem geïnstalleerd. Je embedded system heeft bij deze aanpak namelijk twee systeempartities: een actieve en een passieve.

De actieve systeempartitie bevat het besturingssysteem dat momenteel draait. Updates worden in de passieve systeempartitie geïnstalleerd, en daarna herstart je systeem. Als de update mislukt blijkt te zijn, draait het systeem die volledig terug en blijf je de huidige actieve systeempartitie gebruiken. Als de update lukt, wordt de passieve systeempartitie actief gemaakt en gebruik je dus de partitie met updates. Mender is een opensource-oplossing en ondersteunt meer dan 30 processorbordjes, onder andere de Raspberry Pi met Raspbian.

Ubuntu Core en Yocto Project

Canonical biedt met Ubuntu Core een andere oplossing: een minimale Linux-distributie met atomaire updates. Ubuntu Core draait op de Raspberry Pi 2 of 3, Intel Joule, Qualcomm Dragonboard, Nvidia Jetson en nog enkele andere processorbordjes. Alle software wordt in de vorm van ‘snaps’ verdeeld. Een snap is een programma met alle bijbehorende softwarebibliotheken, afgescheiden van andere snaps om compatibiliteitsproblemen te vermijden. Als je een snap updatet, gebeurt dat atomair: bij een mislukte update wordt er niets geïnstalleerd en blijf je gewoon de vorige versie gebruiken. Elke snap draait bovendien in een eigen ‘sandbox’, wat de beveiliging ten goede komt.

Die atomaire updates gelden niet alleen voor de software, maar ook voor de kernel en het besturingssysteem. Als er bij een update iets misloopt, draait het systeem die automatisch terug naar de laatste werkende toestand. Op de achtergrond werkt dat net zoals bij Menders oplossing ook met een actieve en passieve systeempartitie. Ubuntu Core installeert updates overigens automatisch. Dankzij de atomaire updates is dat niet zo’n groot risico als bij een klassieke pakketbeheerder.

Maar het belangrijkste project in de wereld van embedded Linux is geen embedded Linux-distributie, maar software waarmee je zo’n distributie kunt maken: Yocto Project. Dit project van de Linux Foundation biedt een framework aan om zelf je eigen embedded Linux-distributie te bouwen.

Yocto Project wordt relatief veel gebruikt in de embedded wereld en de IoT-industrie. Het ondersteunt Intel/AMD, ARM, MIPS en PowerPC en biedt een referentiedistributie, Poky, die als voorbeeld dient voor een minimaal embedded Linux-systeem dat je naar wens kunt aanpassen. De ontwikkeling doe je rechtstreeks op een Linux-desktop, of op Windows en macOS via de ontwikkelomgeving CROPS die gebruikmaakt van Docker. Er is ook een webgebaseerde interface, Toaster, voor basisfunctionaliteit. Maar als je echt aan de slag wilt met Yocto, zul je moeten gaan programmeren.

Linux op je router

De beste manier om kennis te maken met een embedded system dat niet zo krachtig is als een Raspberry Pi, is waarschijnlijk het installeren van Linux op een router. OpenWrt en DD-WRT zijn de populairste Linux-gebaseerde besturingssystemen voor draadloze routers en toegangspunten. Je moet dan wel een ondersteund model hebben: zowel OpenWrt als DD-WRT bieden een lijst van apparaten aan. Hou er ook rekening mee dat OpenWrt 19.07 de laatste versie is die nog apparaten met slechts 4 MB flash en 32 MB RAM ondersteunt.

Krijgt je draadloze toegangspunt geen updates meer van de leverancier, dan kun je de levensduur in veel gevallen nog verlengen door een van deze opensourcebesturingssystemen te installeren. Met wat geluk kun je gewoon een firmware-image downloaden en via de webinterface van het standaard besturingssysteem van je toegangspunt installeren, maar in andere gevallen verloopt de installatie omslachtiger. Bij sommige modellen dien je zelfs de behuizing open te doen en pinnetjes op het moederbord te solderen om een seriële kabel aan te sluiten. De wiki’s van OpenWrt en DD-WRT bieden gelukkig voor elk ondersteund model installatie-instructies.

Apparaatspecifieke aanpassingen

Dat je voor elk model specifieke installatie-instructies dient te volgen, komt doordat er voor embedded systems – in tegenstelling tot bijvoorbeeld pc’s – geen algemeen aanvaarde standaarden bestaan. Embedded systems zijn veel heterogener, met allerlei verschillende processorarchitecturen, chipsets, randapparatuur enzovoort. Bovendien passen veel ontwikkelaars van draadloze toegangspunten de Linux-kernel en andere opensourcesoftware aan om hun hardware te ondersteunen, zonder die aanpassingen aan deze projecten bij te dragen.

Een project zoals OpenWrt is dan ook verplicht om al die aanpassingen (‘patches’) te verzamelen (de leverancier van het apparaat is verplicht om die te publiceren als het om software gaat die de GPL als licentie gebruikt, zoals de Linux-kernel) en toe te passen om een firmware-image voor dat specifieke model te bouwen. Gelukkig zijn er ook routers die standaard al met een op OpenWrt gebaseerd besturingssysteem verkocht worden, zoals de Omnia en de MOX van het Tsjechische bedrijf Turris.

En nu zelf!

Embedded Linux-systemen zijn heel interessante systemen om mee te experimenteren. Je kennis van Linux op de desktop komt daarbij van pas, maar je dient ook heel wat andere kennis op te doen omdat alles toch net iets anders werkt. Je krijgt met een andere processorarchitectuur te maken (doorgaans ARM in plaats van Intel), een andere bootloader (U-Boot in plaats van GRUB), andere opslagmedia (flashgeheugen of een sd-kaart in plaats van een ssd of harde schijf) enzovoort.

Op de Embedded Linux Wiki vind je een schat aan informatie. Handig voor als je hier dieper op in wilt gaan, maar hou er rekening mee dat veel pagina’s op deze wiki verouderd zijn. Wat kennis van shellscripting en van programmeren, bijvoorbeeld in Python, komt ook van pas. Maar wie echt aan de ontwikkeling van embedded software wil beginnen, ontkomt er niet aan om de programmeertaal C te leren. Die laat je toe om nog ‘dichter tegen de hardware’ te programmeren.