Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Eingebettete Betriebssysteme Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Vorbetrachtung Vielzweckbetriebssysteme Speicherplatzverschwendung Fallstudie Ursachenforschung Zwischenfazit Eingebettete Betriebssysteme Beispiel OSEK Systemabstraktion und -schnittstelle Unterschiede zu PC-Betriebssystemen Zusammenfassung 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 2

4 Das Betriebssystemdilemma Clearly, the operating system design must be strongly influenced by the type of use for which the machine is intended. Unfortunately it is often the case with 'general purpose machines' that the type of use cannot be easily identified; a common criticism of many systems is that in attempting to be all things to all men they wind up being totally satisfactory to no-one. A.M. Lister and R.D. Eager Fundamentals of Operating Systems Fourth Edition 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 4

5 Die Eier legende Wollmilchsau Systeme wie Windows XP, Linux oder Solaris sind auf alle Eventualitäten vorbereitet, z.b.: fehlerhafte/böswillige Programme präemptives Scheduling, Adressraumtrennung Mehrbenutzerbetrieb Authentifizierung, Schutz von Dateien und Geräten vielfädige Programme, interagierende Prozesse Semaphore, Sockets große/viele Programme virtueller Speicher, Swapping, Working Set Konzept 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 5

6 Die Eier legende Wollmilchsau Ein Vielzweckbetriebssystem ist für den wahrscheinlichsten Fall (den Normalfall) optimiert In allen Fällen, die von der künstlich definierten Norm abweichen, fallen Kosten an Auch ungenutzte Funktionen haben einen Preis Laufzeitverbrauch durch unnötige Fallunterscheidungen Speicherplatzbedarf erhöhte Startzeiten Verschlechterung der cache-hit Raten Besonders problematisch sind Eigenschaften, die sich auf viele Systemfunktionen auswirken Linux 2.6 Kern: grep EPERM liefert 1243 Treffer! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 6

8 Vielzwecksystem - Vielzweckfunktion Eine Analogie: Das Vielzwecksystem stellt Systemdienste bereit versucht, allen Nutzern gerecht zu werden ist Resultat vieler Kompromisse verbirgt die interne Struktur (black box) Die Vielzweckfunktion stellt Teilfunktionen bereit... sonst wie oben 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 8

9 Vielzweckfunktion printf() > uname -snrm Linux ios hsc x86_64 > echo 'main(){printf("hello, world\n");}' > hello.c > gcc -O6 -c hello.c; gcc -static -o hello hello.o >./hello hello, world > ls -l hello* -rwxr-xr-x 1 os staff :26 hello -rw-r--r-- 1 os staff :26 hello.c -rw-r--r-- 1 os staff :26 hello.o > size hello hello.o text data bss dec hex filename a246 hello hello.o 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 9

10 Vielzweckfunktion printf() Ist die Größe ein Linux/x86 spezifisches Phänomen? Programm Größe (Bytes) Linux Solaris Windows i686 arm ppc alpha sparc i586 hello hello.o % Uni Erlangen, OSE 2003 Nein, hello ist auf allen Plattformen sehr groß Innerhalb der letzten Jahre hat sich das Problem auch noch verschlimmert: zu Eingebettete Betriebssysteme 10

11 Spezialzweckfunktion puts() Vermutlich kann printf() einfach zu viel Das spezialisierte puts() sollte weniger Speicher verbrauchen... > echo 'main(){puts("hello, world");}' > hello.c > gcc -O6 -c hello.c; gcc -static -o hello hello.o >./hello hello, world > size hello hello.o text data bss dec hex filename a246 hello hello.o zu ! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 11

12 Spezieller geht's nicht: write() der write() system call sollte wirklich wenig kosten... > echo 'main(){write(1,"hello, world\n",13);}' > hello.c > gcc -O6 -c hello.c; gcc -static -o hello hello.o >./hello hello, world > size hello hello.o text data bss dec hex filename ff2 hello hello.o zu :-( 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 12

13 Der Einfluss des Startup Code Wieso wird der Speicherplatzverbrauch nicht signifikant kleiner? objdump --reloc -D hello grep printf... liefert 2215 Treffer. Es ist der Startup Code! > echo '_start(){syscall(4, 1,"hello, world\n",13);_exit(0);}' > hello.c > gcc -O6 -c hello.c; gcc -static -nostartfiles -o hello hello.o >./hello hello, world > size hello hello.o text data bss dec hex filename hello hello.o zu 278! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 13

14 Hello, World - Fazit Ein typisches hello, world Programm braucht unter Linux/x86 mindestens 1800 mal mehr Speicher als notwendig! Ursachen? Softwarestruktur Modularisierung und Offenlegung der Struktur Programmiersprache Schnittstellen Werkzeugkette Compiler, Objektmodule, Binder 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 14

15 Ursachen - Softwarestruktur printf() unterstützt vieles: alle plain old data types - [signed unsigned] [short long] int, float, double, char, void*, char* verschiedene Darstellungsformen - binär, oktal, dezimal, hexadezimal unterschiedliche Ausrichtungen - rechts/links, benutzerdefinierte Feldbreiten nicht jede Applikation benötigt all diese Features Hello, World : char*, linksbündig trotzdem zahlt jede Applikation dafür! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 15

16 Ursachen - Softwarestruktur printf puts put_int?... putc aber basiert printf() auf puts()? oder vielleicht puts() auf printf()? oder gibt es gar keine Beziehung die Beziehungen zwischen den Funktionen sind nicht Teil der libc Schnittstellendefinition ein Nachteil des black box Prinzips 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 16

17 Ursachen - Programmiersprache printf() soll eine einheitliche Schnittstelle für die formatierte Ausgabe bereitstellen. Interpretation der Format-Zeichenkette zur Laufzeit Referenzierung von Ausgabefunktionen für alle unterstützten Datentypen und Formate keine Möglichkeit der Optimierung durch den Übersetzer, da printf() eine Bibliotheksfunktion ist C++ stellt mit den << Operator ebenfalls eine einheitliche Schnittstelle zur formatierten Ausgabe bereit der Übersetzer ermittelt die aufgerufene Ausgabefunktion statisch unbenötigte Funktionen werden nicht referenziert 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 17

18 Ursachen - Programmiersprache ist std::cout << hello, world\n ; schlanker? > cat > hello.cc #include <iostream> int main() { std::cout << "hello, world\n"; } > g++ -O6 -c hello.cc; g++ -static -o hello hello.o >./hello hello, world > size hello hello.o text data bss dec hex filename f9fff hello db hello.o zu ! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 18

19 Ursachen - Werkzeugkette die GNU Werkzeugkette (gcc/g++, ar, ld) unterstützt (standardmäßig) kein Binden auf Funktionsebene Objektmodul 1 void main() { f1(); } Objektmodul 2 void f1() {} void f2() { f3();... } Objektmodul 3 void f3() {... } obwohl f2() und f3() nicht referenziert werden, landen sie als unbenutzer Code im gebundenen Programm! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 19

21 Ist das Problem wirklich eines? printf() und cout sind keine Ausnahmen Programme werden immer größer, selbst wenn sie funktional nicht reicher werden grundlegende Prinzipien der Softwaretechnik werden vernachlässigt Some users may require only a subset of services or features other users need. These 'less demanding' users may demand that they are not be forced to pay for the resources consumed by the unneeded features. D.L. Parnas, 1979 Designing Software for Ease of Extension and Contraction 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 21

22 Ist das Problem wirklich eines? wie Vielzweckbetriebssysteme sind auch die GNU libc und die GNU libstdc++ für den Normalfall optimiert das Betriebssystem wird es schon richten - virtueller Speicher, shared libraries Speicherplatzverbrauch ist im Normalfall kein Problem - sollte man deshalb verschwenderisch damit umgehen? im Betriebssystem sieht es schon problematischer aus virtueller Speicher und shared libraries helfen hier nicht jede Anwendung hat zu leiden unbenutzbar wäre ein nach dem printf() Prinzip gebautes Vielzweckbetriebssystem in Domänen mit speziellen Anforderungen 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 22

23 Spezielle BS-Einsatzgebiete Harte und weiche Echtzeitsysteme Sicherheitskritische Systeme in Fahrzeugen, Multimedia Deterministische Laufzeiten Hochleistungsrechensysteme Parallelrechner, Cluster Minimale Laufzeiten Kleine Systeme Eingebettete Systeme in Massenproduktion Minimaler Speicherplatzverbrauch... werden meist mit speziellen Betriebssystemen betrieben 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 23

24 Eingebettete Betriebssysteme? Wie sieht ein Betriebssystem aus, das speziellen Anwendungen auf spezieller Hardware möglichst optimale Unterstützung bieten kann? Der Markt hat vielfältige Angebote..., C{51, 166, 251}, CiAO, CMX RTOS, C-Smart/Raven, ecos, ertos, Embos, Ercos, Euros Plus, Hi Ross, Hynet-OS, LynxOS, MicroX/OS-II, Nucleus, OS-9, OSE, OSEK {Flex, Turbo, Plus}, OSEKtime, Precise/MQX, Precise/RTCS, proosek, psos, PURE, PXROS, QNX, Realos, RTMOSxx, Real Time Architect, RTA, RTX{51, 166, 251}, RTXC, Softune, SSXS RTOS, ThreadX, TinyOS, VRTX, VxWorks,... Über 50% des Marktes werden von proprietären Systemen abgedeckt 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 24

26 OSEK/VDX-OS Offene Systeme und deren Schnittstelle für die Elektronik in Kraftfahrzeugen / Vehicle Distributed Executive Spezifikation für automotive Betriebssysteme [1] Initiale Partner: BMW, Daimler, Volkswagen, Opel, Bosch, Siemens, Renault, Peugeot, Citroën, Uni Karlsruhe,... und ca. 50 weitere Inzwischen ISO Standard umfasst OSEK-OS sowie OSEK-NM, -COM und -OIL Ziele Einsparung von Entwicklungszeit und damit Kosten durch Wiederverwendung Bessere Qualität der ECU-Software durch erprobtes Betriebssystem Schaffung eines Betriebssystem-Marktes und damit Konkurrenz - Niederige Preise - Wettlauf um beste Implementierung 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 26

27 OSEK-OS: Entwurfsgesichtspunkte Unterstützung für ereignisgesteuerte Echtzeitsysteme Basis für die Integration von Software-Modulen unterschiedlicher Hersteller Flexibel bzgl. unterstützter ECU-Architekturen Skalierbarkeit bzgl.... der Leistungsfähigkeit der Hardware und der Anwendungsanforderungen Minimaler Ressourcenverbrauch 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 27

28 OSEK-OS: Funktionsumfang Task-Management Interrupt Processing Synchronization Event Mechanism Resource Management Alarms Intra-Processor Message Handling Error Treatment 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 28

29 OSEK-OS: Task Management (1) Prozessorzuteilungsschema (scheduling) Statische Prioritäten Durch die Einfachheit des Verfahrens können Worst-Case Latenzen und Jitter vorhergesagt werden Eingebettete Betriebssysteme 29

30 OSEK-OS: Task Management (2) Es gibt zwei Arten von Tasks: Basic Tasks Extended Tasks Geben die CPU nur ab, wenn sie terminieren, unterbrochen werden oder von einem höher prioren Prozess verdrängt werden. Können sich schlafen legen und auf Ereignisse ( events ) warten. Alle Basic Tasks können sich einen Stapelspeicher teilen. Das spart Speicher! 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 30

31 OSEK-OS: Task Management (3) Die Task-Verdrängung erfolgt nach zwei Strategien: Full-Preemptive Ein Task kann jederzeit von höher priorem Task verdrängt werden. Non-Preemptive Task-Wechsel finden nur statt, wenn der laufende Task terminiert oder die CPU explizit abgibt Eingebettete Betriebssysteme 31

32 OSEK-OS: Task Management (3) Die Task-Verdrängung erfolgt nach zwei Strategien: Full-Preemptive Ein Task kann jederzeit von höher priorem Task verdrängt werden. Nicht-präemptive Systeme benötigen weniger Speicher und Rechenzeit, da an weniger Stellen im System der Scheduler aufgerufen werden muss. Non-Preemptive Task-Wechsel Voll-Präemptive finden Systeme nur statt, können wenn schneller der laufende externe Task terminiert oder Ereignisse die CPU explizit reagieren abgibt. (Latenz) Eingebettete Betriebssysteme 32

33 OSEK-OS: Interrupt Processing Unterbrechungen verdrängen OSEK-Tasks Behandlungsroutinen laufen auf der Prioritätsebene der Hardware 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 33

34 OSEK-OS: Interrupt Processing Unterbrechungen verdrängen OSEK-Tasks Behandlungsroutinen laufen auf der Prioritätsebene der Hardware ISR Kategorie 1 Wird durch die Hardware sofort aktiviert. Keine Unterbrechungssynchronisation erforderlich (weniger Code und Laufzeit!) ISR Kategorie 2 Kann (insbesondere) Tasks aktivieren oder wecken! Ausführung wird evtl. verzögert, falls gerade ein OSEK-Systemdienst ausgeführt wird. Systemdienste sind etwas aufwändiger ( Unterbrechungssynchronisation ) Scheduler-Aktivierung bei Rückkehr zur Task-Ebene nötig 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 34

35 OSEK-OS: Event Mechanismus Einfache Synchronisation von Extended Tasks Event Objekte werden jeweils Tasks zugeordnet Erlaubt flexibles Warten auf externe Ereignisse (ISR 2) oder Synchronisationsnachrichten von anderen Tasks SetEvent, ClearEvent, WaitEvent und GetEvent heißen die entsprechenden OSEK-Systemaufrufe Eingebettete Betriebssysteme 35

36 OSEK-OS: Ressource Management (1) Synchronisation beim Zugriff auf gemeinsam benutzte Ressourcen, z.b. globale Variablen, E/A-Geräte,... Vermeidet bekannte Probleme von Semaphoren: Prioritätsumkehr Da T4 den Semaphor hält, verzögern T2 und T3, die nichts mit dem Semaphor zu tun haben, indirekt den höher prioren T1, da T4 den Semaphor hält, aber noch nicht weiterlaufen kann. Semaphor Task R A B C S D T E F U V W G Verklemmung Es tritt ein Zyklus im Betriebsmittelbelegunsgraphen auf. Kein beteiligter Task läuft mehr Eingebettete Betriebssysteme 36

37 OSEK-OS: Ressource Management (2) Das OSEK Priority Ceiling Protocol [2] Jede Resource erhält statisch eine Ceiling Priority: Maximum der Prioritäten der Tasks, die auf die Resource zugreifen Wenn ein Task eine Resource anfordert, wird sein Priorität auf die Ceiling Priority gehoben. Zu einer Blockierung kann es dabei nicht kommen. Nach Freigabe der Resource wird die ursprüngliche Priorität wieder hergestellt. 'GetResource' ist nicht blockierend. Damit kann es nicht zur Verklemmung kommen. Solange T4 die Resource hält, kann er nicht von T2 oder T3 verdrängt werden. So wird Priority Inversion vermieden Eingebettete Betriebssysteme 37

38 OSEK-OS: Sonstige Funktionen Alarms Counter zählen externe Ereignisse (z.b. Clock Ticks) Alarme werden an Counter gebunden und können... - einen Task aktivieren - ein Event setzen - eine Behandlungsroutine ausführen Intra-Processor Message Handling Teil der OSEK-COM-Spezifikation Einfacher Nachrichtenaustausch Error Treatment Hook Routinen für diverse Situationen 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 38

39 OSEK-OS: Conformance Classes Klassen von OSEK-Betriebssystemen Gestatten extrem leichtgewichtige Systeme Definieren Mindestanforderungen 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 39

40 OSEK-OS: Generierungsprozess Quelle [2] Das System wird anwendungsabhängig generiert OSEK wird wie eine Bibliothek zur Anwendung gebunden 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 40

41 OSEK-OS: OIL Die OSEK Implementation Language [2] Beschreibt die Anwendung (Instanzen von OSEK-Systemobjekten wie Tasks, Events, Alarms,...) TASK TaskA { PRIORITY = 2; SCHEDULE = NON; ACTIVATION = 1; AUTOSTART = TRUE { APPMODE = AppMode1; APPMODE = AppMode2; }; RESOURCE = resource1; RESOURCE = resource2; RESOURCE = resource3; EVENT = event1; EVENT = event2; MESSAGE = anymesssage1; }; OSEK-OIL Beschreibung eines Tasks mit all seinen Attributen 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 41

42 OSEK-OS: Was nicht dazu gehört... Massenspeicherunterstützung / Dateisystem Gerätetreiber Speicherschutz Virtueller Speicher Boot-Vorgang Benutzerschnittstelle Mehrbenutzerfähigkeit Power Management 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 42

44 Zusammenfassung Vielzwecksoftware versus Spezialzwecksoftware Ressourcenverbrauch von Vielzwecksoftware ist deutlich höher - In Einfällen sogar ein Faktor von 1800 :-) Für kleine eingebettete Systeme sind Spezialzweckbetriebssysteme angebracht Maßschneiderung für genau eine Anwendung OSEK ist ein entsprechendes Beispiel aus dem Automobilbereich Anwendungsabhängiger Systemgenerierungsprozess Einfach und überschaubar Minimaler Speicherplatzverbrauch (typisch 3-10KB) Nicht vergleichbar mit Desktop-Betriebssystemen 03.1 Eingebettete Betriebssysteme 44

45 Literatur [1] OSEK/VDX Operating System Specification 2.2.3, Februar 2005, [2] OSEK/VDX OIL: OSEK Implementation Language Specification, Version 2.5, Juli 2004, [3] L. Sha, R. Rajkumar, and J. P. Lehoczky, Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization, IEEE Transactions on Computers, Vol. 39, No. 9, pp , Eingebettete Betriebssysteme 45