Unterschiede in den Konzepten von TinyOS und Embedded Linux

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1 Fakultät Informatik Institut für Angewandte Informatik, Professur Technische Informationssysteme Unterschiede in den Konzepten von TinyOS und Embedded Linux Dresden,

2 Inhalt 1. Einführung 1.1 Eingebettetes System 1.2 Kurze Wiederholung zu Betriebssystemen 2. Embedded Linux 2.1 Überblick 2.2 Anwendungsbeispiele 2.3 Konzepte 3. TinyOS 3.1 Überblick 3.2 Anwendungsbeispiele Aufbau, Konzepte, Besonderheiten 4. Abschließender Vergleich Ausblick TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 2 von 20

3 1.1 Was ist ein Eingebettetes System (ES)? Ein dediziertes Hardware/Software-System, das innerhalb eines festen vorgegebenen (meist technischen) Kontexts spezialisierte Funktionen übernimmt. Einsatzbeispiele: Unterhaltungselektronik (Telefone, Fotoapparat, SetTopBoxen, ) Automotive (Klimaanlage, Steuergeräte, Armaturenbrett) Industrie (Roboter, Gebäudetechnik, Prozesssteuerung) Carakteristik: Beschränkte Ressourcen (Speicher, Leistung, Abwärme, Energie etc.) Oft Verzicht auf Erweiterbarkeit Meist unsichtbar für den Benutzer TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 3 von 20

4 1.2 Kurze Wiederholung zu Betriebssystemen Um verschiedene Betriebssysteme (BS) vergleichen zu können benötigt man ein Klassifikationsschema. funktionale Aspekte Programmierprinzip: Thread-basiert / Event-basiert parallele Ausführung: (nicht) präemptives Multitasking Ablaufplanung: Task unterbrechbar oder nicht Speicherverwaltung: statisch / dynamisch, Speicherschutz nicht funktionale Aspekte Trennung von BS und Anwendungen System Overhead Portabilität TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 4 von 20

5 2.1 Überblick Embedded Linux Eingebettetes Betriebssystem mit sehr großem Anwendungsgebiet. Es gibt nicht das Embedded Linux spezielle (GNU)/Linux Distribution, optimiert für Einsatz in ES basiert auf Linux-Kernel (mit angepassten Modulen) sowie angepasster C-Bibliothek (GNU libc uclibc, Eglibc) Zur Geschichte von GNU/Linux: seit 1983 GNU-Projekt (GNU Toolchain, GNU libc, ) mit Ziel ein freies Betriebssystem zu entwickeln 1991 kam Linux als Betriebssystem Kernel hinzu heute: viele auf spezielle Anwendungsfelder zugeschnittene (Embedded) Linux Distributionen TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 5 von 20

6 2.2 Anwendungsbeispiele MeeGo Betriebssystem für Smartphones, Car Entertainment, Netbooks, TV- Geräte, Plattform Features: Kernel 2.6 Universal Plug and Play (gupnp) Bluetooth-Stack Unterstützt ARM, Intel Atom CPUs Moderner 2D / 3D Grafik Stack Picotux the smallest Linux Computer in the World 32-bit ARM 7 Prozessor mit 55MHz 2 MB Flash Speicher 8 MB SDRAM ca. 129 TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 6 von 20

7 2.3 Konzepte von Embedded Linux (1) Programmierprinzip typischer Weise C/C++ Thread basiert es sind aufwendige Kontextwechseln nötig Trennung von BS und Anwendungen Kernelspace Speicherbereich für den Kernel und alle Kernel- Module z.b. Hardwaretreiber. Userspace Speicherbereich für Programme/Daten die nicht zum Kernel gehören. Kommunikation zwischen Kernelspace und Userspace ist teuer (mehr RAM Zugriffe) TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 7 von 20

8 2.3 Konzepte von Embedded Linux (2) Parallele Ausführung präemptives Multitasking mehrere Threads laufen parallel. Thread kann von andern mit höherer Priorität unterbrochen werden. jeder Thread hat seinen eigenen privaten Stack viele Threads viele Stacks erhöhter RAM-Verbrauch Ablaufplanung durch Scheduler breites Spektrum an möglichen Verfahren Time-Sharing, First Come First Served, Round-Robin, Round-Robin mit Prioritäten, bei Echtzeiterweiterung (RTAI, RTLinux) deterministische Verfahren wie Earliest Deadline First vorhersagbare Zeiten für Taskwechsel Task A Aufwendiges Prozessmanagement ist teuer TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 8 von 20

9 2.3 Konzepte von Embedded Linux (3) Speicherverwaltung Für manche Distributionen gelten ersten zwei Punkte nicht (bei Mikrocontroller ohne MMU) dynamische Speicherverwaltung BS weißt Tasks nach Bedarf Speicher zu virtuelle Speicherverwaltung logische Adressen werden in physikalische umgesetzt jede Anwendung hat eigenen Speicherbereich Berechtigungslevel: Kernelspace und Userspace Speicherzugriffe verbrauchen Zeit und Energie Aufwendiges Speichermanagement ist teuer TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 9 von 20

10 3.1 Überblick TinyOS Eingebettetes Betriebssystem für Wireless Sensor Networks (WSN) Hauptanwendung: Sensordaten erfassen und weiterleiten, dabei möglichst geringer Energieverbrauch. Minimale HW: 4-8 MHz Takt, 4-10 KB RAM, 60 KB ROM Zur Geschichte von TinyOS: an der Universität Berkley entwickelt aus Militär-Forschungsprojekt The Networked Embedded Systems Technology hervorgegangen jetzt open source Projekt mit großer Community (TinyOS Alliance) im Bereich WSN das am weitesten verbreitete Betriebssystem Motes genannte Sensorknoten TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 10 von 20

11 3.2 Anwendungsbeispiel Überwachung des aktiven Vulkans 16 Knoten nehmen an Flanken des Vulkans seismische Aktivitäten und Geräusche auf. Senden diese an Basisstation zur Auswertung. Tmote Sky platform (Moteiv, Inc.) 8 MHz (TI MSP430) CPU, 10 KB RAM, 60 KB ROM 2.4 GHz IEEE ( Zigbee ) radio 1 MByte flash for data logging 1.8 ma CPU active, 20 ma radio active 5 ua current draw in sleep state Kosten: 75 $ ohne Sensoren und Gehäuse TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 11 von 20

12 3.3 Aufbau von TinyOS Komponentenbasierte Architektur (Components) Komponenten beinhalten Programmteile oder Hardwareabstraktionen Werden durch Verdrahtungen verbunden Ereignisgesteuerte Ausführung (Events) der Komponenten TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 12 von 20

13 3.4 Konzepte von TinyOS (1) Programmierprinzip mit eigener Programmiersprache nesc. Event / Komponenten basiert zwei Arten von Komponenten: Module (Imp.) und Configuration (Module verbinden) In Modulen wird die gewünschte Funktionalität implementiert Verdrahtung von Komponenten über Konfigurationen und Interfaces Trennung von BS und Anwendungen Zur Laufzeit wird im Speicher kein Unterschied zwischen dem BS und der Anwendung gemacht. es gibt eine "Hardware Abstraction Architekture (HAA), um bei Entwicklung BS-Komponenten austauschen zu können. TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 13 von 20

14 3.4 Konzepte von TinyOS (2) Parallele Ausführung nicht preemptives Multitasking kein Task ist bevorrechtigt Abarbeitung bis Fertigstellung oder Unterbrechung durch Event non-blocking I/O: ein Task muss nicht immer auf I/O warten split-phase-operationen: Operation wird angestoßen, später Event über Fertigstellung von ausführender Komponente. non-blocking I/O und Split-Phase-Operationen ermöglichen parallele Ausführung mit nur einem Stack. Ablaufplanung durch Scheduler nach FIFO Prinzip wenig Verwaltungsaufwand (für Stacks), wenige Zugriffe auf RAM energiesparend TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 14 von 20

15 3.4 Konzepte von TinyOS (3) Speicherverwaltung statische Speicherverwaltung keine virtuelle Speicheradressen, keine MMU nötig keine Berechtigungslevel zwischen BS und Anwendungen eigene Programmiersprache nesc ermöglich komplette Programmanalyse um Speicherbedarf zu minimieren. einfaches Speichermanagement weniger Verwaltungs-Overhead gesamter RAM TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 15 von 20

16 3.5 Was genau sind Komponenten? repräsentierten Programmteile oder Hardwareabstraktionen sind hierarchisch strukturiert und bilden Abstraktionsschichten kommunizieren miteinander über Kommandos und Events Höher stehende Komponenten senden Kommandos an tiefer stehende. Tiefer stehende Komponenten signalisieren Events an höher stehende. TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 16 von 20

17 3.6 Eigene Programmiersprache nesc nesc ist Erweiterung zu C unterstützt das spezielle Ausführungsmodell von TinyOS Pre-Pozessor erzeugt aus nesc normales C Binaries (Anwendung und BS sind fest miteinander verbunden) Ändern der Sensoranwendung erfordert neues Aufspielen von BS+Anw. TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 17 von 20

18 4. Abschließender Vergleich Ausblick (1) parallele Ausführung, Ablaufplanung Embedded Linux Thread basiert es sind Kontextwechseln nötig vielfältige Programmiersprachen einsetzbar typisch C/C++ präemptives Multitasking (Tasks sind unterbrechbar) Scheduling über Prioritäten, Zeitschlitze Anpassung des Scheduling-Alg. für Echtzeitfähigkeit TinyOS Komponentenbasierte Architektur Event-basiertes Ausführungsmodell eigene Programmiersprache nesc nicht-präemptives Multitasking (Tasks nur durch Events unterbrechbar) Scheduling nach FIFO asynchrone Kommunikation zwischen Komponenten durch Events Programmierprinzip Speicherverwaltung virtuell und dynamisch Berechtigungslevel: Kernelspace und Userspace ein Speicherbereich für BS+Anwendg. statische Speicherzuordnung nur ein Stack für Taskwechsel TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 18 von 20

19 4. Abschließender Vergleich Ausblick (2) Trennung BS Anwendung System Overhead typische Hardwareplattform typischer Energieverbrauch empfohlene Anwendung Embedded Linux zur Laufzeit durch Kernelspace und Userspace relativ groß durch aufwendige aber leistungsfähige BS-Mechanismen 32-Bit Mikrocontroller mit 4 MB ROM und 8 MB RAM, auch ohne MMU/FPU leistungsfähige Prozessoren ( 32 Bit) 1 GB ROM, 256 MB RAM SPS, IPC, Steuergeräte, hängt von der eingesetzten Hardware bzw. dem Anwendungsfall ab aufgrund des Overheads liegt untere Grenze deutlich über der von TinyOS sehr breites Anwendungsgebiet relativ kleine energiesparende ES bis größere leistungsfähigere Systeme (kleine Steuerbox Multimedia PC) TinyOS zur Laufzeit kein Unterschied zwischen BS und Anwendungen minimales System, durch spezielle Architektur geringer Overhead Mikrocontroller mit geringer Taktfrequenz ca. 4-8 MHz 4-10 KB RAM, 60 KB ROM kein Massenspeicher keine feste Energieversorgung ca. 5 μa in Schlafzustand ca. 25 ma bei aktiver Kommunikation sehr Energiesparend / lange Laufzeit sogar mit Knopfzellen WSN mit vielen kleinen Knoten zum Teil mit "Energy Harvesting Messung von Umgebungsparametern Smart Dust TU Dresden, Konzepte von TinyOS und Embedded Linux Folie 19 von 20

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