Was ist ein echtes

Feb 05, 2024

Ihr Leitfaden zur Auswahl eines RTOS für Ihr nächstes Embedded-System-Projekt.

Ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) ist ein Betriebssystem mit zwei Hauptmerkmalen: Vorhersagbarkeit und Determinismus. In einem RTOS werden wiederholte Aufgaben innerhalb eines engen Zeitrahmens ausgeführt, während dies in einem Allzweckbetriebssystem nicht unbedingt der Fall ist. Vorhersehbarkeit und Determinismus gehen in diesem Fall Hand in Hand: Wir wissen, wie lange eine Aufgabe dauern wird und dass sie immer zum gleichen Ergebnis führt.

RTOS werden in „weiche“ Echtzeit- und „harte“ Echtzeitsysteme unterteilt. Weiche Echtzeitsysteme agieren innerhalb weniger hundert Millisekunden, also im Ausmaß einer menschlichen Reaktion. Harte Echtzeitsysteme liefern jedoch Antworten, die innerhalb von zehn Millisekunden oder weniger vorhersehbar sind.

Taxonomie von Betriebssystemen

Ein RTOS ist eine Art Betriebssystem, das sich jedoch erheblich von der Art unterscheidet, mit der die meisten Verbraucher vertraut sind. Betriebssysteme in Telefonen oder PCs sind vergleichsweise überfüllt mit Apps und Funktionen; Sie müssen in der Lage sein, alles zu unterstützen, was der Benutzer heute tun möchte. Ein RTOS hingegen ist rationalisiert und soll seine Aufgaben schnell und effektiv ausführen. Es ist nur ein Bruchteil der Größe, manchmal nur ein paar Megabyte (im Vergleich zu mehr als 20 Gigabyte), mit einer einfachen grafischen Oberfläche und es fehlen viele bekannte Funktionen, wie etwa ein Webbrowser.

Ein eingebettetes System ist ein Computer, der in eine größere Maschine eingebettet ist – zum Beispiel den Mikrocontroller auf einem Roboterarm. In unkritischen Systemen mit einer gewissen zeitlichen Flexibilität können Entwickler ein Open-Source-Allzweckbetriebssystem (GPOS) wie Linux verwenden. Linux ist voll funktionsfähig, flexibel und bekannt. In einem kritischen System (ob das nun sicherheitskritisch oder geschäftskritisch ist) entscheiden sich Entwickler für Echtzeitbetriebssysteme. Die Eigenschaften, die ein RTOS auszeichnen, sind oft entscheidend für den Erfolg. Beispielsweise muss ein Roboterarm in einer Fabrik vorhersehbar und zuverlässig sein und in der Lage sein, sofort anzuhalten, wenn Mitarbeiter seinen Arbeitsbereich betreten. Variabilität kann zu Ressourcenverschwendung, Problemen bei der Qualitätskontrolle oder Verletzungen führen.

Ein Roboterarm muss in der Lage sein, sofort anzuhalten, wenn Mitarbeiter seinen Arbeitsbereich betreten.

Aufgrund seiner Vorteile wird ein Echtzeitbetriebssystem am häufigsten in einem eingebetteten System verwendet – also einem System, das hinter den Kulissen eines größeren Betriebs arbeitet. Das RTOS verfügt normalerweise über keine grafische Oberfläche. Gelegentlich werden mehrere Betriebssysteme gleichzeitig integriert, um Betriebsfähigkeit gepaart mit der Benutzerfreundlichkeit eines Allzweck-Betriebssystems bereitzustellen.

RTOS befinden sich oft in intelligenten Edge-Geräten, auch bekannt als elektromechanische Edge- oder Cyber-Physical-Systeme. Das bedeutet, dass das Gerät Daten sowohl produziert als auch verarbeitet. So wäre beispielsweise ein Auto in der Lage, seine Umgebung zu überwachen und sofort selbstständig darauf zu reagieren. Solche Geräte kombinieren häufig künstliche Intelligenz oder maschinelles Lernen oder beides mit Echtzeitkomponenten, um die Fähigkeiten der zugrunde liegenden Struktur zu erhöhen.

Ein autonomes Auto muss in der Lage sein, seine Umgebung zu überwachen und sofort selbstständig darauf zu reagieren.

Ein RTOS ist klein, schnell, reaktionsschnell und deterministisch. Das bedeutet, dass Aufgaben schnell und effizient ausgeführt werden und jedes Mal wie erwartet reagiert. Aufgrund der Bedeutung des Host-Geräts ist die RTOS-Infrastruktur sicherer und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie abstürzt oder ausfällt. Schließlich ist ein RTOS entwicklerorientiert, was bedeutet, dass es weiterhin Updates bereitstellt, die Benutzern helfen, effektiver zu programmieren.

Einige Unternehmen versuchen, ihr eigenes, auf ihr Projekt zugeschnittenes RTOS im eigenen Haus zu produzieren, anstatt ein kommerzielles Betriebssystem von der Stange zu kaufen. Das hat einige Vorteile: Das Betriebssystem ist speziell für den Anwendungsfall konzipiert und das Unternehmen versteht seine Mechanik und sein Innenleben. Allerdings ist dieser Ansatz oft teurer und zeitaufwändiger, und Entwickler, die es nicht gewohnt sind, mit Betriebssystemen zu arbeiten, nehmen sich viel Zeit für die Erstellung eines Betriebssystems. Die Verwendung eines kommerziellen Systems ist schneller und einfacher und bietet den Vorteil eines erfahrenen technischen Teams, das Fragen beantworten und Support leisten kann. Ein Betriebssystem ist ein Werkzeug, ähnlich wie ein Hammer oder eine Bohrmaschine. Sie könnten zwar eine erstellen – eine, die Sie gründlich verstehen würden und die möglicherweise besser zu Ihrem Projekt passt –, aber das würde viel Zeit in Anspruch nehmen, ohne Garantien für Leistung oder Fähigkeit.

Bei Anwendungen, die zuverlässige und wiederholbare Aktionen erfordern, wird das RTOS gegenüber seinem allgemeinen Betriebssystem-Pendant bevorzugt. Insbesondere in eingebetteten oder kritischen Systemen, in denen Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung sind, wird ein Echtzeitbetriebssystem benötigt.

Die RTOS-Branche wird stark von Entwicklungen in der Computerhardwarebranche beeinflusst. Wenn neue Entwicklungen wie der Einsatz von Multicore-Technologie üblich werden, werden Betriebssysteme aktualisiert, um sie zu unterstützen. Auch neue Technologien wie künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und 5G stehen auf dem Prüfstand der Betriebssystementwickler, da eine sich verändernde Branche bedeutet, dass Systeme eine Reihe von Anwendungsfällen unterstützen müssen. Betriebssystemarchitekten müssen Trends in der Software- und Hardwareentwicklung berücksichtigen. Da sich das Feld ändert und sich die Entwicklerprofile ändern, müssen Updates neue Sprachen, neue Technologien und neue Bereitstellungen unterstützen.

Neue Technologien wie maschinelles Lernen und 5G stehen auf dem Prüfstand des Betriebssystementwicklers.

Abgesehen von den kleinsten Details beeinflussen zwei vorherrschende Designphilosophien das RTOS-Design: monolithischer Kernel versus Mikrokernel. Diese Systeme unterscheiden sich durch ihre Struktur; Während monolithische Kernelsysteme in einem einzigen Raum ausgeführt werden, unterteilen Mikrokernelsysteme verschiedene Komponenten der Architektur.

In der Mikrokernel-Architektur werden Komponenten in separaten „Räumen“ gespeichert, die voneinander unabhängig sind, sich aber einen ähnlichen Raum teilen. Ein Raum kann renoviert werden, ohne dass dies Auswirkungen auf die Umgebung hat. Um jedoch von einem zum anderen zu gelangen, muss man durch die Tür gehen und den Flur hinuntergehen, was Zeit verschwendet. Jede Aktion muss zum Kernel zurückkehren, bevor sie zu der Komponente verschoben werden kann, auf die sie verweist, was bedeutet, dass einige Vorgänge viel länger als nötig dauern.

In einem monolithischen System gibt es keine „Wände“ zwischen den Räumen, sodass Sie viel schneller von einem zum anderen gelangen können. Anstatt einen kleinen Kernel zu implementieren, stellen monolithische Kernel eigene Dienste bereit und regulieren auch die Dienste anderer Bereiche. Mit Ausnahmen werden Vorgänge im Kernelraum ausgeführt, wodurch die wiederkehrende Notwendigkeit entfällt, zum Kernel zurückzukehren, und Geschwindigkeit und Leistung verbessert werden. Allerdings könnte eine Änderung in einem Bereich Auswirkungen auf das gesamte System haben.

RTOS sind in unzähligen Produkten auf der ganzen Welt zu finden, wobei allein VxWorks mehr als zwei Milliarden Geräte mit Strom versorgt. Systeme von Automotoren über Weltraumteleskope bis hin zu Helikopter-Leitsystemen und Mars-Rovern nutzen eingebettete Systeme, die ein Echtzeit-Betriebssystem ausführen.

Die Erwartungen an eingebettete Systeme hängen von den Betriebssystemen ab, die sie antreiben. Echtzeitbetriebssysteme müssen mit der Innovation Schritt halten und moderne Entwicklungspraktiken berücksichtigen. Dies bedeutet, dass es mit den Frameworks, Sprachen und Methoden der neuen Generation von Entwicklern eingebetteter Systeme kompatibel ist und dabei keine Kompromisse in Bezug auf Sicherheit, Leistung oder Zuverlässigkeit eingeht.

Innovative Fortschritte, die Leistung, Konnektivität und Designzyklen steigern, beginnen, selbst neue Produkte obsolet zu machen. Dies wirft die Frage auf, wie mit Altsystemen umgegangen werden soll. Es ist finanziell nicht tragbar, eingebettete Anwendungen weiterhin neu zu kodieren. Systemhersteller hingegen würden es vorziehen, soweit wie möglich vorhandenen Code zu verwenden, insbesondere wenn bereits in die Zertifizierung von Software investiert wurde.

Fortschritte bei Multi-Core-basierten Hardwareplattformen haben die Konsolidierung eingebetteter Systeme und Anwendungen ermöglicht. Da ein einzelner Chip nun eine beliebige Anzahl von 2 bis 64 CPUs enthalten kann, ist es möglich, die Kosten, die Größe und das Gewicht des endgültigen Versandprodukts zu reduzieren.

Virtualisierung beschleunigt auch die Entwicklung eingebetteter Systeme. Mehrere eingebettete Systeme können jetzt in virtualisierter Form auf einem Hypervisor auf einer einzelnen Hardware ausgeführt werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Hersteller, die ihre Investitionen in bestehendes IP maximieren und gleichzeitig eine Brücke von Legacy-Anwendungen zu neuen Plattformen schlagen möchten.

Neben firmeneigenen RTOS-Optionen können Entwickler zwischen Open-Source- oder Community-basierten Betriebssystemen wählen. Während diese einige der Vorteile eines Echtzeitbetriebssystems bieten, sind sie in anderen Schlüsselbereichen unzureichend. Bei größeren Implementierungen kommen oft Platinen zum Einsatz, die Hunderte, Tausende oder sogar Millionen Dollar kosten, was bedeutet, dass Entwickler stark in Hardware investieren. Probleme, die bei der Implementierung eines Open-Source-Systems auftreten, können schnell zu Fristverlängerungen und Budgetüberschreitungen führen. Open-Source-Systemen mangelt es außerdem an organisierter Unterstützung, was zu fehlender Dokumentation oder ungelösten Störungen führen kann. Ein kommerzielles System hingegen bietet die Vorteile eines organisierten, professionellen Ingenieurteams, das bei der Lösung von Problemen hilft oder Erklärungen liefert.

Ein kommerzielles System bietet die Vorteile eines organisierten, professionellen Ingenieurteams.

Wenn eine Sicherheitszertifizierung erforderlich ist, kann der Einsatz eines kommerziellen RTOS die Umsetzung einfacher und kostengünstiger machen und gleichzeitig das Zeitplanrisiko verringern. Bei einer Bewertung für die Sicherheitszertifizierung muss das kommerzielle RTOS Zertifizierungsnachweisseiten oder Sicherheitsprofile für die spezifische Zertifizierung bereitstellen, die Ihr Unternehmen benötigt.

Kommerzielle RTOS verfügen über ein umfangreiches Sortiment an Board-Support-Paketen (BSPs), die beim Board-Aufbau und -Design helfen. Diese Software-Kits ermöglichen die schnelle und einfache Verwendung eines RTOS mit bestimmten Hardwaretypen. Bei Wind River® bieten wir das umfangreichste Sortiment an BSPs in der Embedded-Software-Branche. Jedes unserer Pakete wird auf nahtlose Interoperabilität getestet und validiert, um Ihnen dabei zu helfen, Ihren Entwicklungsprozess zu beschleunigen und Ihr Design zu erneuern.

Ihre Geschäftsanforderungen, Ihre Kostenstruktur und Ihr Budget können Ihre Entscheidung beeinflussen.

Während die Kosten eines kommerziellen RTOS ein großer Einwand sein können, muss man auch seine Gesamtvorteile berücksichtigen. Dies können Wettbewerbsvorteile, Markteinführungszeiten, Kosteneinsparungen, Risikominderung und Sicherheit sein. Es ist wichtig, den Geschäftswert zu entwickeln und zu testen, um festzustellen, ob diese Vorteile die Kosten überwiegen.

Wenn Sie ein kommerzielles RTOS in Betracht ziehen, prüfen Sie die Möglichkeit von Lizenzgebührenzahlungen über ein Produktionslizenzmodell (PL) im Vergleich zu einer Vorabgebühr. Beim PL-Modell handelt es sich um ein geteiltes Risiko, da es dazu beiträgt, einen finanziellen Anreiz für den Erfolg Ihres Unternehmens zu schaffen. Ihre Geschäftsanforderungen, Ihre Kostenstruktur und Ihr Budget können Ihre Entscheidung beeinflussen.

Langfristige Leistung, Sicherheit und Funktionsunterstützung sind ebenfalls Faktoren bei der Auswahl eines kommerziellen RTOS. Zu den Beispielbereichen, die überprüft werden sollten, gehören die Beibehaltung der API-Kompatibilität und der POSIX®-Konformität. Wenn Sie erfahren, wie stark sich der Kernel des Betriebssystems in naher Zukunft voraussichtlich ändern wird, können Sie vorhersagen, wie viel Aufwand für das Upgrade oder Rollback von Versionen erforderlich sein wird. Möglicherweise gibt es auch Überlegungen zur Migration im Zusammenhang mit Netzwerken und BSPs, und es ist von entscheidender Bedeutung, dass die gewählte Option über die für Ihren Erfolg erforderliche Dokumentation und Expertenunterstützung verfügt.

VxWorks ist das branchenweit vertrauenswürdigste und am weitesten verbreitete RTOS für kritische eingebettete Systeme, die sicher und geschützt sein müssen. Es bietet eine bewährte, echtzeitfähige und deterministische Laufzeit kombiniert mit einem modernen Entwicklungsansatz. Unabhängig von der Branche oder dem Gerätetyp verlassen sich Unternehmen auf die VxWorks-Familie in Bezug auf Sicherheit, Schutz, hohe Leistung und Zuverlässigkeit.

Bei Wind River geht unsere Produktfamilie für eingebettete Systeme über unsere kommerzielle VxWorks RTOS-Lösung hinaus. VxWorks eignet sich möglicherweise besser für Projekte, die eine Zertifizierung erfordern, IP-Bedenken haben, keinen GPL-Code verwenden können und/oder spezielle Anpassungsunterstützung durch unsere IP-Dienste erfordern. Wir bieten auch Wind River Linux an, wenn in Ihrer Entwicklung eine nicht unterstützte Architektur vorhanden ist. Alle unsere Produkte werden durch unseren preisgekrönten globalen Kundensupport und unsere IP-Dienste unterstützt, die Ihnen dabei helfen, Ihre Geschäfts- und Programmziele zu erreichen.

Die Produkte und Dienstleistungen von Wind River arbeiten zusammen, um differenzierte Systemdesigns zu unterstützen.

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