Linux in embedded systems – Realtime-Linux
Karim Andreas Siebenrok
Proseminar – Linux
Abteilung für Verteilte-Systeme
Universität Ulm
ABSTRACT
In den letzten Jahren haben embedded systems sowohl im industriellen Bereich, als auch bei privaten Anwendungen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Aufgrund der günstigen Lizenzbedingungen und insbesondere wegen der Open Source Idee wird Linux, das in Netzwerken überhaupt nicht mehr wegzudenken ist, mit zunehmender Verbreitung auch für den embedded Markt immer interessanter. Im industriellen Bereich spielt die Echtzeitfähigkeit der embedded systems eine große Rolle. Auch hier bietet Linux sehr komfortable und leistungsfähige Lösungen. Besonders hervorgetan hat sich hier Realtime-Linux, das im folgenden näher beschrieben werden soll. Aber auch konkrete Beispiele zur aktuellen Entwicklung werden nicht zu kurz kommen.
Diese Arbeit, ist eine Ausarbeitung eines Vortrages, den ich anlässlich des Proseminars – Linux - im Sommersemester 2000 gehalten habe.
Was ist eigentlich ein eingebettetes System? Je nach Anwendungsgebiet gibt es auf diese Frage verschiedene Antworten. Deshalb werde ich hier nur den Versuch einer Definition wagen. "Ein eingebettetes System interagiert mit seiner meist elektromechanischen Umwelt. Dabei ist kein menschlicher Benutzer vonnöten, oder jener muss keinerlei Kenntnisse über die technischen Innereien des eingebetteten Systems mit sich bringen um das Gesamtsystem bedienen zu können" [1]. In den letzten Jahren ist der Markt für eingebettete Systeme explosionsartig gewachsen. Man findet Sie in Autos, Waschmaschinen, Videorekordern, Mobilfunk-Telefonen und natürlich auch im industriellen Bereich. Nachdem Linux seine Tauglichkeit im Netzwerkbereich bewiesen hat, hält es nun auch Einzug auf dem expandierenden embedded Markt. Eine wichtige Rolle für die Verbreitung spielt die einfach zu realisierende Echtzeitfähigkeit unter Linux. Im industriellen Bereich hat sich hier Realtime-Linux bereits mehrfach bewährt.
In der folgenden Ausarbeitung werde ich mich zunächst mit Linux in embedded systems allgemein beschäftigen. Danach wird die Betriebssystemerweiterung Realtime-Linux genauer beschrieben. Und zum Schluss werde ich anhand konkreter Beispiele zeigen, in wie weit die eingebetteten Systeme schon in unser Leben vorgedrungen sind
Linux in embedded systems
Warum Linux?
Zunächst stellt sich die Frage, warum gerade Linux dazu prädestiniert sein soll in eingebetteten Systemen eingesetzt zu werden. Natürlich spielen die Kosten eine große Rolle. Da embedded systems in sehr großen Stückzahlen produziert werden, sind schon geringe Lizenzkosten ein großer Finanzfaktor für den Hersteller. Ein weiterer Punkt ist die Zuverlässigkeit des Systems, da auch hier Ausfallzeiten schnell sehr teuer werden können. Die Systeme sind viele Jahre im Einsatz und auftretende Bugs sollten ohne größere Schwierigkeiten beseitigt werden können. Da ist es natürlich besonders vorteilhaft, wenn der gesamte Source zu Verfügung steht. Linux ist wohl im Moment eines der stabilsten und zuverlässigsten Betriebssysteme auf dem Markt. Durch die open source Verbreitung ist es auch besonders flexibel, wenn es darum geht, ein bestehendes System auf ein anderes zu portieren. Es würde viel Zeit und Geld kosten, sich sämtliche Funktionen mühsam zu erschließen und selbst zu programmieren. Weil embedded systems meist klein und billig sein sollen, werden häufig nicht mehr ganz aktuelle PC-Komponenten zu ihrer Herstellung verwendet. Das Betriebssystem sollte dann alles aus dieser "low-power" Hardware herausholen. Auch hier sticht Linux, im Gegensatz zu anderen Betriebsystemen, durch seinen geringen Sourcenverbrauch hervor.
Die Grenzen
Selbst Linux ist nicht auf jeder Hardware lauffähig. Gewisse Mindestanforderungen sollten schon gegeben sein, damit das System einwandfrei funktioniert. Man spricht in der Regel von einem Bedarf von 2 MB RAM, 2 MB Flash und einem 32 Bit Mikroprozessor. Natürlich gibt es keine Regel ohne Ausnahme, es gibt bereits Linux Kernel die in 80 KB Speicher Platz finden und damit theoretisch nur 256 KB RAM benötigen würden.
Linux kann selbstverständlich selbst bei sehr kleinen Zielsystemen als Entwicklungsumgebung eingesetzt werden, hierfür stehen sehr viele, frei verfügbare, Softwarewerkzeuge zur Verfügung. Oft kann sogar das Testen der Software auf dem Zielsystem ausbleiben, da Linux die Hardware sehr gut emulieren kann. Das spart Entwicklungszeit und damit viel Geld. Eine weitere Schwäche des Standardlinux ist seine nicht vorhandene harte Echtzeitfähigkeit. Zwar übertrifft die implementierte weiche Echtzeitunterstützung die anderer Betriebssysteme bei Weitem, aber für den industriellen Einsatz müssen Interrupt Antwortzeiten von wenigen Mikrosekunden gewährleistet werden. Auch für dieses Problem gibt es unter Linux eine Lösung, die sog. Betriebssystemerweiterungen. Hier hat Realtime-Linux (RT-Linux) bereits seine Industrietauglichkeit bewiesen. Im Folgenden werde ich RT-Linux ausführlich behandeln.
Realtime-Linux
Allgemeines
Das Ziel eines normalen Betriebssystems ist es, die zur Verfügung stehende Rechenzeit möglichst gleichmäßig auf alle Prozesse zu verteilen. Dagegen müssen Echtzeitbetriebssysteme in der Lage sein, Anweisungen zu genau definierten Zeitpunkten auszuführen. Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die Steuerungstechnik, Automatisierung und der Multi Media Bereich.
Linux genügt, wie die meisten Unix-Systeme, dem POSIX-Realtime Standard. POSIX, das "Portable Operating System Interface", ist ein Dokument, das von der IEEE erarbeitet und von ANSI und ISO standardisiert wurde. Aufgabe des POSIX Standards ist die Portabilität von Applikationen auf Ebene des Source Codes. Es werden also eindeutige Schnittstellen in Form von Funktionen definiert, die ein Betriebssystem bereitstellen muss, um diesen Standards zu genügen, so dass ein POSIX konform geschriebener Code auf allen POSIX Betriebssystemen kompilierbar ist. Allerdings definiert dieser nur die weiche Echtzeit und garantiert den geforderten zeitliche Determinismus nicht.
Wenn das Einhalten der Echtzeit statisch definiert ist, spricht man von weicher Echtzeit. Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Videokonferenzsystem. Fehlt hier ein Bild, stört das zwar die Performance, aber weitere Konsequenzen sind nicht zu befürchten. Bei der harten Echtzeit muss das Einhalten von Zeitpunkten garantiert werden und einzelne Zeitpunkte dürfen keinesfalls verpasst werden.
Mit dem Kernel-Patch RT-Linux können diese harten Echtzeitbedingungen eingehalten werden. Es wurde ein eigenes, dediziertes Echtzeitbetriebssystem, das unter den normalen Linux Kernel gesetzt wird, geschaffen. Dieser Betriebssystemunterbau lässt Linux als einen sogenannten Realtime Task mit niedrigster Priorität laufen. An dieser Stelle wird schon deutlich, dass parallel weitere RT-Tasks laufen können, die von einem eigenen Scheduler verwaltet werden. Das Betriebssystem Linux läuft nur noch im Hintergrund und bearbeitet die Applikationen, denen die weichen Echtzeitbedingung genügen, wohingegen RT-Linux die Anteile übernimmt, die auf harte Echtzeit setzen. RT-Linux läuft auch auf Multiprozessormaschinen, steht aber nur für die x386er Architektur bereit.
Der Aufbau von RT-Linux ist Modular, es besteht aus folgenden Modulen:
Die Module werden in Form von Objektdateien, die zur Laufzeit an den Betriebssystemkern gebunden werden können, realisiert. Eine Ausnahme macht hier das Kern Modul, dieses Modul wird in Form eines Kernel-Patches geliefert. Dieser verlangt das erneute kompilieren des Kernels, deshalb wird er bereits beim Hochfahren aktiviert. Ansonsten kann RT-Linux zur Laufzeit in beliebiger Weise skaliert werden.
Abb. 1: Architektur des Echtzeitbetriebssystems RT-Linux
Die Architektur erläutert an Abbildung 1:
Der in der Mitte liegende RT-Linux Kern stellt die grundlegenden Funktionen zur Realisierung des RT-Betriebssystems zur Verfügung. Er kontrolliert den um ihn liegenden Kern des Gastbetriebssystems Linux. Die nächste Schale enthält die Module, durch die beide Systeme erweitert werden können. Hierbei kann man zwei Arten von dynamisch ladbaren Modulen unterscheiden. Zunächst die Kern Module, das sind normale Module des Gastbetriebssystems, diese interagieren nicht mit dem Echtzeitkern, wie zum Beispiel die Netzwerktreiber. Die zweite Art sind die RT-Linux Module, diese interagieren mit dem Echtzeitkern. Hier werden Erweiterungen des RT-Systems und dessen Anwendungen realisiert. In der äußersten Schale befinden sich die Nutzerprozesse, hier sind die nicht zeitkritischen Komponenten des Gesamtsystems realisiert.
Task-Typen
Bei der Implementierung von RT-Linux werden zwei verschiedene Task-Typen verwendet. Einerseits die sporadischen Tasks, sie werden durch externe Interrupts ausgelöst, entsprechen also den herkömmlichen Interruptroutinen. Sie haben alle dieselbe höchste Priorität im Gesamtsystem. Die Interruptvektor-Tabelle von Linux wird im RT-Kern emuliert, das hat den Vorteil, dass die Interruptroutinen des Betriebssystems unverändert bleiben und eine Anpassung der vorhandenen Treiber nicht nötig ist. Tritt nun ein Interrupt auf, wird geprüft, ob er durch einen sporadischen Task zu bearbeiten ist. Falls die der Fall ist, wird dieser ausgeführt, andernfalls wird der Interrupt in der Emulation als ausstehend gekennzeichnet und die Interruptverarbeitung des Gastbetriebssystems ausgelöst.
Andererseits die zyklischen Tasks, diese werden periodisch ausgeführt und sind mit einer Priorität versehen. Gleichwertige Interrupts werden nach dem Fifo Algorithmus zur Ausführung gebracht. Die Ausführung eines zyklischen Tasks wird durch einen Zeitgeber-Interrupt ausgelöst. Das Gastbetriebssystem wird als Task mit niedrigster Priorität verwaltet. Erst wenn alle Tasks höherer Priorität abgearbeitet wurden, wird Linux der Prozessor zugeteilt. Das Gastbetriebssystem bleibt unverändert, da es als Task des Echtzeitsystems betrachtet wird.
Kommunikation
Inter-Task Kommunikation
Zur Kommunikation und Synchronisation zwischen RT-Tasks stehen ein Botschafts-System, globale Variablen und Semaphoren zur Verfügung. Diese sind in einem Kernel Modul implementiert, welches man unter /EPP/ findet
Kommunikation mit Linux Prozessen
Zur Kommunikation mit Linux Prozessen stehen sogenannte RT-Fifo’s zur Verfügung, über die binäre Datenströme ausgetauscht werden. Für den normalen Linux Prozess repräsentiert sich ein RT-Fifo als Charakter Device. Das bedeutet er kann synchron und asynchron in den RT-Fifo schreiben und synchron, asynchron und zeitgesteuert daraus lesen. RT-Linux greift asynchron auf ein RT-Fifo zu, da Echtzeitaufgaben nicht durch unzeitkritische Aufgaben blockiert werden dürfen. Schreibt ein Prozess in einen RT-Fifo, wird eine Prozedur abgearbeitet. Durch diese Prozedur können die Daten auf Realtime Seite gelesen werden. Es handelt sich also auf Seiten des Echtzeitsystems um eine ereignisorientierte Benachrichtigung über das Vorhandensein von zu lesenden Daten.
Export von ausgewählten Parametern
Die Parameter und Zustände von RT-Linux sind nicht im Benutzeradressraum sichtbar, da es sich um ein eigenständiges System handelt. Das heißt, dass die Daten nicht so ohne weiteres verändert werden können. Unter Linux gibt es das sog. /proc – Dateisystem, das Informationen über den Betriebssystemkern und Prozesse bereitstellt. Auf dieser Basis wurde auch in RT-Linux eine Schnittstelle implementiert, mit deren Hilfe die Parameter des Realtime-Betriebssystem exportiert und verändert werden können. Eine weitere Aufgabe dieser Schnittstelle ist es die interne Zeitrechnung der zwei Kerne ineinander umzurechnen. RT-Linux benutzt Ticks, mit einer Auflösung von 1193180 RT-Ticks pro Sekunde. Dagegen verwendet Linux die seit dem 1.1.1970 vergangenen Sekunden und Mikrosekunden zur Zeitberechnung.
Das sollte es eigentlich zu RT-Linux gewesen sein, mir ist klar, das meine Ausarbeitung zu diesem Thema nur einen kleinen Einblick in das komplexe System liefert. Auch sollte man erwähnen das jegliche Software die RT-Linux genügen soll, dazu eigens programmiert werden muß.
Speicher in embedded systems
In den nun folgenden Teilen meiner Ausarbeitung will ich mich nicht mehr auf die Softwaregrundlagen beschränken, sondern konkrete aktuelle Projekte und Entwicklungen vorstellen.
Auch embedded systems benötigen einen gewissen Speicherplatz für das Betriebssystem und die darauf laufenden Programme. Diskettenlaufwerke und Festplatten sind nicht unbedingt für den harten Industrieeinsatz geeignet, da sie sehr anfällig für Erschütterungen, Staub und Temperaturschwankungen sind. Der Ausweg für die embedded systems sind sogenannte Flashdisks. Dabei handelt es sich um Permanentspeicher ohne verschleißende bewegliche Teile, mit logischen oder physikalischen Festplattenschnittstellen. Allerdings haben diese Bauteile auch einen entscheidenden Nachteil, sie vertragen selten mehr als 10000 bis 100000 Schreibzyklen. Es empfiehlt sich deshalb nicht Logdateien oder Swap-Partitionen darauf anzulegen. Zwei Systeme haben sich im Bereich embedded Linux durchgesetzt. Der erste Hersteller heißt SanDisk. Er produziert Compaktflashkarten, Flashchips und einen Festplattenersatz mit dazugehörigen Mikrokontrollern in verschieden Größen von 2 - 340 MB. Der Vorteil besteht darin, dass ein Zielsystem auf einer gewöhnlichen Festplatte erstellt werden kann, um dann bei der Serienproduktion durch eine SanDisk mit IDE-Schnittstelle ersetzt zu werden. Der Entwickler muss sich nicht um die Treiber kümmern, dafür setzt das System einen unter Linux nutzbaren IDE Kontroller voraus.
Der zweite Hersteller ist M-Systems, dessen Flashspeicher besitzen einen JEDEC-Kompatiblen Anschluss, diese lassen sich über ein Prozessor Interface, wie einen RAM Baustein, adressieren. Diese Chips enthalten ein Festplattenkontroller-BIOS für x86-kompatible Systeme. Da der Zugriff über die Biosfunktionen unter Linux nicht funktioniert, benötigt man einen speziellen Kernel-Treiber.
Da beide Hersteller auch für private Anwendungen wie Speicher für Digitalkameras und ähnliches produzieren, werden sich die Preise auch in Zukunft im Rahmen halten.
Aktuelle Beispiele
uClinux
Bei uClinux handelt es sich um ein Embedded Linux/Microcontroller Project. uClinux ist ein Abkömmling von Linux 2.0. Es wurde speziell für Mikrocontroller ohne Memory Management Unit entwickelt. Der Code wurde verändert oder neu geschrieben, um den Kernel möglichst klein zu halten. Auf der Strecke blieb deshalb die Multitasking Fähigkeit, aber für die meisten Anwendungen wird diese nicht benötigt. Erhalten blieben die wichtigsten Grundeigenschaften von Linux, wie Stabilität, Netzwerkfähigkeit und der Dateisystem-Support. Unterstütz werden TCP/IP und weitere Netzwerkprotokolle. Der Hersteller schreibt: "uClinux is an internet-ready OS, perfect for embedded system". An Dateisystemen können u.a. NFS, ext2, MS-DOS, und FAT 16/32 verwendet werden. Das alles findet in einem Kernel der Größe < 512 KB Platz, mit Tools wächst das System auf 900 KB an.
Abb. 2: Microcontroller Project: uCsimm [4]
Es gibt auch erste Hardware für dieses System. Der sog. uCsimm wurde speziell für uClinux entwickelt. Er hat die Größe und Form eines Standard SIMM mit 30 Pins und wurde bereits vom Webserver bis zum programmierbaren Logik Controller eingesetzt.
In Abbildung 2 kann man sehr schön die Größe des uCsimms sehen.
Hardwaremäßig basiert das System auf
Die eingebaute Hardware besteht aus:
Der DIMM-PC/486-I der Firma JUMPTEC [9] ist nur 40 mm x 68 mm groß und dennoch ein kompletter PC.
Literaturverzeichnis
Die Idee zu meinem Referat und dieser Ausarbeitung, sowie die allgemeinen Informationen zu Linux in embedded systems stammen aus diesem Bericht:
Embedded Linux von Bernhard Kuhn, Linux Magazin 01/2000 (S. 34 – 41)
Informationen zu Realtime Linux habe ich aus den folgenden Quellen erhalten:
Einführung in die Echtzeiterweiterung RT-Linux – Zeitkritisch – von Till Christian Siering, Linux Magazin 03/1998
