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Entwickeln, Messen und Fertigen Softwaretools Clock Wall of Bild 1: Beim fl achen Speichermodell (links) kann eine unerlaubte Adresse in Up einem Task den Code in einer anderen Aufgabe beschädigen. Das Paged- Close Process-Modell hingegen sieht für jeden Task und den Kernel einen fotolia: getrennten Speicherbereich vor, um sie vor fremden Fehlern zu schützen. Bild 56 elektronikJOURNAL 11 / 2010 www.elektronikjournal.com
Immer pünktlich Das passende Echtzeit-Betriebssystem auswählen Die meisten Echtzeit-Betriebssysteme verfügen heute über vergleichbare Kernel-Funktionalitäten: mindestens 255 Prioritätsebenen, Th read-Scheduling mit Prioritäten, deterministische Th read-Ausführungs- und ISR-Latenzzeiten sowie einen präemptiven Kernel. Daher macht ein bloßes Gegenüberstellen von Anwendungsanforderungen und Kernel-Eigenschaft en es schwer, die beste Wahl herauszufi ltern. Stattdessen bietet sich ein strukturierter und methodischer Selektionsansatz an, der alle Faktoren berücksichtigt. Die Vorteile werden sich über die gesamte Lebensdauer der Applikation zeigen – und zwar sowohl an den Kosten in der Entwicklungs- und Support-Phase als auch in Form eines gesunkenen Entwicklungsrisikos. API und Speichermodell Bei der Auswahl eines Echtzeit-Betriebssystems steht das API (Application Programming Interface) oft an erster Stelle. Die Schnittstelle ist entweder proprietär oder Standard-basiert. Ein herstellereigenes API kettet die Anwendung an einen einzigen Anbieter, was sich auf den langfristigen Support auswirken kann. Man stelle sich vor was passiert, wenn dieser Anbieter die gewünschte Prozessor- Architektur nicht mehr unterstützt oder gar den Betrieb einstellt. Bei einem auf off enen Standards basierenden API sind derlei Bedenken überfl üssig, weil die Anwendung nicht an ein einziges RTOS gebunden ist. Die Schnittstelle wird typischerweise nur neu kompiliert, eventuell mit ein paar Anpassungen. Der Industriestandard für ein Betriebssystems-API heißt Posix 1003.13-2003 PSE53 und wird vom IEEE gepfl egt. Posix ist die einzige wirklich portierbare API. Sie kommt in vielen Allzweck-, aber auch in Echtzeit-Betriebssystemen zum Einsatz. Linux und andere kommerzielle Unix-Plattformen stimmen mit ihr überein und ermöglichen so das Portieren existierender Anwendungen. Weitere Vorteile einer auf off enen Standards basierenden API sind die Fülle erfahrener Posix-Programmierer und die Vielfalt vorhandenen Codes. Einige Anbieter von Betriebssystemen mit proprietärer API behaupten zwar, dass diese Posix unterstützen, beschränken sich aber auf ein abstrahiertes Mindestmaß an Posix-Funktionsaufrufen. Oder sie raten von nicht-nativen Posix-Funktionen ab, da diese langsamer sind als die nativen, aber proprietären Funktionen. Die meisten Echtzeitbetriebssysteme arbeiten entweder mit einem linearen Speichermodell (Flat Memory Model) oder mit Speicherschutz per Paged-Process-Modell. Beim linearen Speichermodell teilen sich alle Th reads oder Tasks einen gemeinsamen Adressraum. Wenn ein Prozess auf eine unerlaubte Adresse zugreift , stört er eventuell eine andere Task. Weder die Hardware noch der Betriebssystem-Kernel bemerken, dass ein Problem aufgetreten ist. Dies kann einen sofortigen Anwendungsausfall zur Folge haben; manchmal entwickelt sich der Absturz aber auch erst mit der Zeit. Ausfälle dieser Art sind schwer zu debuggen. Entwickeln, Entwickeln, Messen und Messen Fertigen und Softwaretools Fertigen Das richtige Realtime-OS für ein Projekt zu fi nden ist eine herausfordernde und zeitaufwändige Aufgabe. Eine falsche Entscheidung kann schwerwiegende Folgen haben und das Projekt sogar scheitern lassen. Also gilt es, sich umfassend zu informieren. Autor: John Patchin Beim fl achen Speichermodell geraten wegen des globalen Namensraums auch globale Variablen eines Prozesses mit gleichnamigen Variablen in einem anderen Prozess in Konfl ikt. Dies führt zu vielen Problemen, wenn man mehrere Echtzeitanwendungen auf einer gemeinsamen Plattform kombiniert, oder wenn mehrere Entwicklungsteams an einem Projekt arbeiten. Das Paged-Process- Modell (Bild 1) bietet hingegen Speicherschutz für jeden Prozess. Es schützt nicht nur jede einzelne Anwendung, sondern auch den Kernel und heißt mitunter Raumpartitionierung. Bei diesem Prozessmodell führt jeder Versuch eines Th reads auf eine unerlaubte Adresse zuzugreifen, sofort zu einer Hardware-Exception. Der Betriebssystemkern wiederum reagiert mit einer so genannten nicht handhabbaren Exception: er bricht den Prozess ab und schreibt dessen kompletten Speicherbereich in eine so genannte Core-Datei. Der Entwickler kann später diesen Core-Dump in einen Debugger laden, um nach der Ursache des Problems zu forschen. Echtzeit-Scheduler Einige Universal-Echtzeitbetriebssysteme wie Lynx-OS-SE von Lynux works gehen in Sachen Partitionierung noch weiter und addieren zur Raumpartitionierung eine Zeitpartitionierung (Bild 3). Diese fügt dem prioritätsgesteuerten, präemptiven Scheduler ein zweites Steuerprogramm hinzu, das die Teilprogramme zyklisch nach einer fest vorgegebenen Reihenfolge ausführt (cyclic fi xedtime based scheduler). Ein einzelner Prozess oder eine Prozessgruppe kann zur Ausführung über eine festgelegte Zeitspanne konfi guriert werden, ehe der Cyclic-Scheduler zur nächsten Prozessgruppe wechselt. Während die jeweilige Prozessgruppe die Th reads innerhalb dieser Prozesse abarbeitet, wird sie dennoch vom Priority-Preemptive-Scheduler gesteuert. Dieses Schema lässt es nicht zu, dass ein einzelner Th read, der mit hoher Priorität im Hard Loop rechnet, alle anderen Th reads quasi aussperrt. Eine vollständige Embedded-RTOS-Anwendung braucht typischerweise noch Geräte-Support, Stacks und Middleware. Wird ➔ Auf einen Blick Am Zahn der Zeit Welches Echtzeit-Betriebssystem soll es sein? Diese Frage lässt sich weder rein technisch, noch rein kaufmännisch beantworten und sie hängt immer von den Anforderungen der Applikation ab. Also muss ein Entscheider die wichtigen Kriterien kennen, die über Erfolg oder Scheitern eines Projekts bestimmen. Dieser Artikel gibt einen Überblick und zeigt die große Bandbreite dieser Kriterien. infoDIREKT www.elektronikjournal.com Vorteil Grundlage für fundierte RTOS-Auswahl. 502ejl1110 www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 11 / 2010 57
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