Criando Sistemas Embarcados Com Linux

7/31/2019 Criando Sistemas Embarcados Com Linux

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Criando Sistemas Embarcados com Linux da teoria prtica

Copyright 2007, Marcelo Barros de AlmeidaLicena Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.0

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Criando sistemas

embarcados com Linux

- da teoria prtica -

Eng. Dr. Marcelo Barros de [email protected]

Smar Equipamentos Industriais LTDA
http://www.smar.com.br/mailto:[email protected]:[email protected]://www.smar.com.br/


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Direitos de cpia

Crditos - ShareAlike 2.0

Voc livre para

copiar, distribuir, apresentar e executar trabalhos

fazer trabalhos derivados

fazer uso comercial deste trabalho

Sob as seguintes condies

Crditos. Voc deve dar crdito ao autor original.Compartilhe do mesmo modo. Se voc alterar, mudar,ou realizar trabalhos usando este como base,voc deveredistribuir o trabalhos resultante sob uma licenaidntica a esta.

Para qualquer reuso ou distribuio voc deve deixar claroos termos de licena deste trabalho.Qualquer uma destas condies podem ser abandonadas sevoc obtiver uma permisso do detentor dos direitosautorais.

Faa uso justo e o direitos dos outros no sero afetados de

forma alguma pelas restries acima.

Texto da licena:http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/legalcode

Copyright 2007

Marcelo Barros

[email protected]

Documentos originais, atualizaes e

tradues:

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Correes, sugestes e tradues sobem vindas!
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Marcelo Barros ?

Formao: Engenheiro eletrnico (EFEI, 1996)

Mestre (UFMG, 1998)

Doutor (UFMG, 2002)

Atualmente:

Engenheiro (Smar Equip. Industriais LTDA)

Professor do Baro de mau

Detalhes:

http://linuxabordo.com.br/wiki/index.php?title=Marcelo_Barros

smar
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Criando sistemas embarcados

com Linux

Introduo Definio de sistema embarcado

Mercado

Linux tradicional x Linux embarcado

Vantagens e cuidados

Pr-requisitos


Crditos, agradecimentos e links


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Copyright 2007, Marcelo Barros de AlmeidaLicena Creative Commons Attribution-ShareAlike 2.0http://www.smar.com.br http://www.linuxabordo.com.br

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Definio de sistema embarcado

O que exatamente significa sistema embarcado ?Definio da Wikipedia : um computador de propsito especial, que

completamente encapsulado pelo dispositivo que controla.

Definio muito abrangente. Algumas dicas:

Propsito especfico

Microprocessado/Microcontrolado

Aplicao em ROM/Flash

Restries de consumo ou tamanhoso freqentes

?


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Exemplos de sistemas embarcados

com Linux

PDA Sharp Zauro SL-C3100

Multimdia Archos PMA400

Telefone VoIP WiFi Accton VM1188T

Telefones celulares

Roteador Linksys WTR54G

Thinclients

RelgioTablets DVDs

Robs


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Mercado de Linux embarcado

Quais SOs tm sido usados pela sua empresa nos ltimos doisanos em projetos embarcados ?

Slides de 11 a 17: pesquisa espontnea realizada por linuxdevices.com (http://linuxdevices.com/news/NS5319577519.html)


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Que fontes do Linux foram usados no seus projetos

embarcados ?


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Voc pagaria por suporte ?


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Que ferramentas de desenvolvimento voc espera usar ?


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E a parte legal do projeto ?


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Quais foram as CPU usada nos projetos ?


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Linux tradicional x Linux Embarcado

Kernel Linux

Biblioteca GNU C

libjpeg, libstdc++, libxml, libvorbis...

ls, vi, wget, ssh, httpd, gcc...

Navegador web, escritrio, multimdia...

Utilitrios de

linha de

comando

Kernel

Biblioteca C

Bibliotecas

compartilhadas

Interface

com o usurio

GNU Tradicional / Sistema Linux Sistema Linux embarcado

uClibcMuito mais leve

do que a

biblioteca C GNU!

libjpeg, libstdc++, libxml, libvorbis...

busybox

(ls, vi, wget, httpd...)

dropbear (ssh)...

Implementaes

muito mais leves!

Sem ferramentas dedesenvolvimento.

Kernel Linux / uClinux (sem MMU)

Interface personalizada

Kernel leve, somente

com as caractersticas

necessrias e drivers

Kernel completo com a

maioria das caractersticas e com

drivers para todo tipo de hardware

de PC do planeta!!

Grficos,

navegador web,

servidor de web.


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Vantagens de Linux embarcado

Qualidade do cdigo

Footprint relativamentepequeno:

Kernel: 0,5 2MB de flash

Sistema de arquivos: varivel

Mesmo assim, pode ser grande para algumas aplicaes

Portabilidade e escalabilidade

Grande nmero de aplicativos disponveis

Possibilidade de custos reduzidos

Suporte

Frum, listas, email, FAQs, exemplos, suporte comercialdisponvel.

Use the sources you

must, Luke


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Cuidados com Linux embarcado

Linux um sistema de propsito geral ! Existem muitas opes de aplicativos, requer

anlise refinada

Sistema em evoluo constante

Faa anlises imparciais, evite odeslumbramento

O formato das licenas deve ser verificado

sempre


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Licenas e Linux embarcado

GPL2:You may copy and distribute the

Program (or a work based on it ...) ...

provided that you ... accompany it with

the complete corresponding machine-

readable source code ...

Kernel Linux GPL2, mas ...

This copyright does *not* cover user

programs that use kernel services by

normal system calls - this is merelyconsidered normal use of the kernel, and

does *not* fall under the heading of

"derived work" ... (Linus Torvalds)

Lesser GPL (LGPL):

We use this license for certain libraries

in order to permit linking those libraries

into non-free programs ... As an

exception ... you may also combine or

link a "work that uses the Library" withthe Library to produce a work containing

portions of the Library, and distribute

that work under terms of your choice,

provided that the terms permit

modification of the work for the

customer's own use and reverseengineering for debugging such

modifications ...


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com Linux Introduo

Pr-requisitos

Conhecimentos necessrios

Equipamento necessrios


Preview: criando sistemas embarcados


Conhecimentos necessrios:


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Conhecimentos necessrios:Kernel Linux

Linux

Operao e funcionamento do sistema Linux

Inicializao na plataforma desejada

Conhecimento da estrutura do Kernel

Compilao e instalao do Kernel

Alguns detalhes do Linux*:

Verso 2.6.12.5:

~ 189MB

~ 4,686 milhes de linhas

~ 468 desenvolvedores

* A study of Linux kernel evolution, Oded Koren, ACM SIGOPS Operating Systems Review, Volume 40 , Issue 2, pag. 110-112



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Conhecimentos necessrios:ferramentas

Compiladores cruzados (toolchains)

Portes do GCC para a plataforma desejada (binutils/glibc/GCC/GDB,...)

Download de toolchains pr-compilados ou compilao (pode ser facilitadacom buildroot, CrossTool, OpenEmbedded, Scratchbox, T2 Project ...)

Emuladores

Qemu (x86/ARM/PPC/MIPS/Sparc)

Especficos: Skyeye/Softgun/SWARM (ARM), Coldfire emulator

Outros

Conhecimentos de redes (Configurao, TFTP, NFS, ...) Uso de aplicativos como minicom (console serial), hexdump, conversores

Controle de verso (CVS/Subversion/Git), patches, diffs, Makefiles, etc



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Conhecimentos necessrios:programao

Programar em C obrigatrio

Assembly para a plataforma desejada pode ser necessrio

Um pouco de shell script no faz mal a ningum

Desenvolvimento de mdulos e device drivers

Bnus track:

HTML, servidores HTTP

CGI e scripts (Python, PHP, Perl, etc)

Java



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Conhecimentos necessrios:eletrnica digital

Microcontroladores/Microprocessadores

Padres de memrias:

SDRAM

Flash

EEPROM

Padres de barramentos pode ajudar caso precisedesenvolver drivers

Outros: Timers, PWM, SPI, I2C, interrupes, RTCs, MMUs, etc


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Equipamentos necessrios

Estao de trabalho Linux

Plataforma embarcada

Equipamento para debug

Cabos (serial e ethernet)

Switches

Imagem: nbpfaus.net/~pfau/pictures/MyWorkstation.jpg

Equipamentos necessrios:


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Equipamentos necessrios:plataforma embarcada

Principais alternativas para a plataforma embarcada

Emulao: Qemu ou outro emulador especfico

PC (ATX, mini-ITX, nano-ITX)

PC/104

SBC (Single Board Computers)

Hardware hackeado (PDAs, celulares, MP3 players, roteadores, set

top boxes, vdeo games, relgios, etc)

Hardware proprietrio

Alguns form-factors para


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http://www.smar.com.br http://www.linuxabordo.com.br25

Alguns form factors para

plataforma embarcada

http://www.linuxdevices.com/articles/AT2614444132.html

http://www.via.com.tw/en/products/mainboards/

Exemplo de SBC:
http://www.smar.com.br/http://www.linuxdevices.com/articles/AT2614444132.htmlhttp://www.linuxdevices.com/articles/AT2614444132.htmlhttp://www.smar.com.br/


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Exemplo de SBC:

Atmel NGW100 Processador Atmel AVR32, 32AP7000, industrial,

150Mhz mximo e 210DMIPS.

Dois controladores ethernet (34Mbits/s de

performance)

32MB de SDRAM, 16MB de flash (8MB paralela e 8MB

serial)

Conector para cartes SD/MMC

USB, JTAG, conectores para expanso

Toolchain e kernel Linux com suporte a todos osperifricos

Esquemas, gerber files



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Equipamentos necessrios:plataforma embarcada

Hardware proprietrio pode ter custo elevado:

Projeto do circuito eletrnico

Layout da placa

Confeco do PCB (Printed Circuit Board) e montagem

Instrumentao (osciloscpios, analisadores lgicos, multmetros,estaes de soldagem)

Integrao hardware x software

Mecnica (caixas, fixao, conectores, etc)

Certificao, quando necessrio Avaliar sempre o custo do investimento



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qu pa e tos ecess osdebug

JTAG (Joint Test Action Group)

Permite debug da plataforma atravs de uma interface simples, geralmentevia porta paralela, USB ou ethernet (ICE-In Circuit Emulation), desde que o

chip tenha suporte ao JTAG

Custo baixo, alguns podem ser feitos em casa

Breakpoints, inspeo de memria, execuo passo a passo, acesso aregistros, etc

BDM (Background Debug Mode)

Funcionalidade ICE similar ao JTAG, empregado pela Motorola

Emuladores (via hardware)

Equipamentos que emulam o processador/microcontrolador. Bem mais caros.

GDB remoto



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com Linux Introduo

Pr-requisitos


Fazendo escolhas

Conceitos

Criando dispositivos


Fazendo escolhas:


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plataforma e suporte Vrias plataformas existentes:

ARM (vrios fabricantes, longa busca...)

Coldfire (Motorola)

PPC (Motorola/IBM/Apple)

x86 fanless (Geode/Alchemy da AMD, Celeron M da Intel, Eden daVIA)

MIPS (MIPS)

AVR/AVR32 (Atmel)

Suporte

Comercial x comunitrio

Fazendo escolhas:


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suporte a tempo real Suporte a tempo real:

Comercial:

RTLinuxPro (Antes FMSLabs, agora Wind River)

MontaVista

Open source: RTLinux Free (Wind River, licena dual)

RTAI(Usando Adeos, livre de patentes agora)

Fazendo escolhas:


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interfaces grficas Vrias sistemas grficos:

Qtopia

DirectFB

Matchbox

SDL

FLTK

MiniGUI

Nano-X (Microwindows)

Referncias: http://www.linuxdevices.com/articles/AT9202043619.htmlhttp://www.linuxjournal.com/article/9403

Fazendo escolhas:
http://www.smar.com.br/http://www.linuxdevices.com/articles/AT9202043619.htmlhttp://www.linuxdevices.com/articles/AT9202043619.htmlhttp://www.smar.com.br/


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interfaces grficas

Qtopia

Frame buffer

Linux

Qt/Embedded

Frame buffer x Xlib:



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Copyright 2007, Marcelo Barros de Almeida

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Com tudo definido, hora de aprender novas lies:

Conceito 1: execuo em RAM

Conceito 2: bootloader

Conceito 3: rootfs

Conceito 4: init



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O programa, armazenado em flash, em geral descompactado para a

RAM. Depois, a execuo transferida para a RAM. O custo da memria flash por megabyte maior

A velocidade da RAM bem superior

O programa pode ser armazenado compactado em flash

necessrio um bootloader (programa de carga) Ateno com processadores sem MMU:

A memria compartilhada por aplicativos e pelo prprio kernel. A falha em umaplicativo pode comprometer o kernel em processadores sem unidade de

gerenciamento de memria (MMU)

Executando direto da flash com XIP (eXecution In Place):

http://tree.celinuxforum.org/CelfPubWiki/KernelXIP



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Usado para inicializar o sistema operacional e tambm a

configurao inicial da plataforma em uso Geralmente agrega outras tarefas, como descompactao,

boot remoto via rede ou serial, operaes com a flash, etc

Alguns exemplos:

Das U-Boot: PPC, ARM, AVR32, MIPS, Coldfire, ...

MicroMonitor: ARM, ColdFire, SH2, 68K, MIPS,

PowerPC, XScale ...

redBoot: ARM,x86,MIPS,PPC, SHx ....

Grub/Lilo: x86, boot do Linux, Windows, etc.

Outros: blob, SmartLoader, colilo, etc.

Imagem: http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20060908/247572/zu1.jpg

Conceito 3: rootfs


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Conceito 3: rootfs

O kernel est pronto, mas e o restante das aplicaes ? De onde elas sero

lidas ? Rootfs !

O rootfs o sistema de arquivo inicial do Linux. Pode ser um arquivo cpio/etx2(comum em aplicaes embarcadas), uma partio (geralmente sistemas noembarcados) ou ainda via rede (NFS, por exemplo).

No momento do boot, o parmetro root= passado para o Linux, indicando eleir encontrar o sistema de arquivo inicial. Exemplos:

root=/dev/hda1

root=/dev/ram0 rootfstype=ramfs

root=/dev/mtdblock1 rootfstype=jffs2

O busybox pode ser uma boa alternativa para popular o rootfs, emulando vriosaplicativos tradicionais do Linux. Pode usar a biblioteca uClibc, bem menor que a

glibc.

Conceito 4: init


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Conceito 4: init

Aps montar o rootfs, o kernel executa o programainit (ou outro, caso seja usado o parmetro init=).Tambm procura por linuxrc.

Este o primeiro programa executado e ir fazer ainicializao do sistema. O arquivo /etc/inittab d as

diretrizes de como isto deve ser feito.

Mquinas com verso completa do Linux podem teresquemas diferentes quando so usados mdulosexternos que precisam ser carregados antes do

rootfs (esquema kernel initrd rootfs).

Arquivo

initrd

Diretriorootfs

mount

Criando um sistema mnimo


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com sash e Linux O que necessrio num sistema mnimo com Linux ?

O sistema operacional (kernel Linux)

Sistema raiz (rootfs), com aplicativo(s) e

bibliotecas

Sistema mnimo com sash sash = static linked shell (sem libc!)

/dev/console (necessrio para o kernel)

/dev/hda (necessrio para o qemu/kernel)

/bin/sash: processo a ser executado Qemu

Kernel

rootfs

(sash,dev)

init=/bin/sash



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com sash e Linux Compile um kernel monoltico

Crie um arquivo vazio e formate-o como ext2

dd if=/dev/zero of=rootfs.img bz=1024k count=1

/sbin/mkfs.ext2 -i 1024 -m 0 -F rootfs.img

Monte este arquivo num diretrio temporrio

mount -o loop rootfs.img rootfs

Popule este diretrio:

Dispositivo do terminal: /dev/console

Prompt de comandos (shell) e suas dependncias Script de partida: /bin/sash

Execute o qemu para iniciar a emulao

Arquivo

initrd

Diretrio

rootfs

mount



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com sash e Linux: melhorias uClibc:

Sem restries de licena (LGPL 2)

Footprint pequeno com quase a mesma funcionalidade da glibc

http://www.uclibc.org

Busybox Verses reduzidas de utilitrios Unix em um nico executvel, bastante

modular e configurvel

Aceita tambm uClibc

Suporta outras plataformas via GCC cross compiler http://busybox.net/

Deve-se ter um toolchain construdo com a uClibc

Em teoria, no existe diferenai i
http://www.smar.com.br/http://busybox.net/http://busybox.net/http://www.smar.com.br/


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entre teoria e prtica...

I'm too young to die

Target igual (x86), toolchain e kernel prontos para a CPU/placa

Hey, not too rough

Target diferente, toolchain e kernel prontos para a CPU/placa (kits)

Hurt me please

Target diferente, toolchain portado, porte do kernel para a

CPU mas com novos perifricos na placa (drivers)

Ultra-violence

Target diferente, toolchain e porte do Linux quase prontos (CPU parecida)

Nightmare

Target diferente, sem toolchain portado nem Linux para a CPU/placa (de prefernciaSoPC/FPGA)

Imagem: www.idsoftware.com/

Criando um sistema LinuxNGW100 (AVR32)


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para a NGW100 (AVR32) Algumas facilidades:

Toolchain fornecido pela Atmel, compilado com uClib

Kernel totalmente portado e funcional

Vrios aplicativos j portados

Scripts para reconstruo do sistema raiz Problemas:

Muitos patches para serem aplicados

Dificuldade de personalizao

Repetibilidade comprometida

Suporte ainda inicial em ferramentas tradicionais (buildroot, T2, etc)

Linux From Scratch e AVR32


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Linux From Scratch (LFS):

passo-a-passo da construo do sistema Linux. Mereceuma lida pelo menos uma vez.

Automated Linux From Scratch (ALFS)

Permite automatizar a construo do sistema

nALFS: executa instrues de construo baseada em umarquivo xml

avr32fs (AVR32 from scratch)

Projeto para gerao do sistema da placa NGW100

Facilita o processo e permite acompanhamento

http://code.google.com/p/avr32fs/wiki/MainPage



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O avr32fs dividido em trs estgios:

stage 1: cria estrutura bsica do sistema e arquivos de configurao

stage 2: compila e instala vrios pacotes de software (uClibc, kernel,iptables, etc)

stage 3: cria a imagem do sistema, em jffs2, pronta para ser gravada

na flash

O bootloader (u-boot) usado para a gravao da novaimagem

vrias opes: TFTP, serial, carto sd, NFS funes para apagamento e gravao na flash

JFFS2 e o particionamento da flash


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p

Journalling Flash File System verso 2

Estratgia melhor para escrita na flash (vida til maior)

Possibilidade de compresso, suporte a journaling

Consome mais memria e aumenta o tempo de boot

Exige modificaes no kernel para descrever a flash ecriar o particionamento

Mudanas no Kernel:

[path_do_kernel]/arch/avr32/boards/atngw100/flash.c

os dispositivos de block so criados na partida

/dev/mtdblock0 (128k)

u-boot


parmetros do u-boot


kernel+rootfs

Flash (NOR) paralela

da NGW100

Gravando a nova imagem via U-Boot


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g

Comandos:

protect off 0x20000 0x7effff

erase 0x20000 0x7effff

setenv ipaddr 10.0.0.1

setenv tftpip 10.0.0.100

tftp 0x90000000 avr32-linux-image-basic.jffs2.img

cp.b 0x90000000 0x20000 0x23e014


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com Linux Introduo

Pr-requisitos



Agradecimentos


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g

Ao Michael Opdnacker, por deixar pblico excelente material sobreLinux embarcado, algumas parte usadas aqui: http://free-electrons.com

Ao projeto Open Cliparts: http://openclipart.org

Ao projeto Open Office pelos excelente programas

Projetos de construo do sistema
http://www.smar.com.br/http://free-electrons.com/http://openclipart.org/http://openclipart.org/http://free-electrons.com/http://www.smar.com.br/


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buildroot: http://buildroot.uclibc.org/

Scratchbox: http://www.scratchbox.org/

Croostool: http://www.kegel.com/crosstool/

T2 Project: http://www.t2-project.org

Podem gerar do zero, usando a uClibc:

Cross compiler

Rootfs

Linux kernel

Vrias plataformas suportadas (x86, ARM, PPC, MIPS ...)

Links
http://www.smar.com.br/http://buildroot.uclibc.org/http://www.scratchbox.org/http://www.kegel.com/crosstool/http://www.t2-project.org/http://www.t2-project.org/http://www.kegel.com/crosstool/http://www.scratchbox.org/http://buildroot.uclibc.org/http://www.smar.com.br/


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Linux a Bordo: http://linuxabordo.com.br

Linux Devices: http://linuxdevices.com

Free Electrons: http://free-electrons.com

ucdot: http://ucdot.org

Qemu: http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/ Busybox: http://www.busybox.net/

Code sourcery: http://www.codesourcery.com/

avr32fs: http://code.google.com/p/avr32fs/wiki/MainPage

Das U-Boot: http://www.denx.de/wiki/UBoot
http://www.smar.com.br/http://linuxabordo.com.br/http://linuxdevices.com/http://free-electrons.com/http://ucdot.org/http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/http://www.busybox.net/http://www.codesourcery.com/http://code.google.com/p/avr32fs/wiki/MainPagehttp://www.denx.de/wiki/UBoothttp://www.denx.de/wiki/UBoothttp://code.google.com/p/avr32fs/wiki/MainPagehttp://www.codesourcery.com/http://www.busybox.net/http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/http://ucdot.org/http://free-electrons.com/http://linuxdevices.com/http://linuxabordo.com.br/http://www.smar.com.br/

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