RT-OS RODOS. Aerospace Information Technology. Aerospace Information Technology

Transkript

1 RT-OS RODOS Informationstechnik für Luft- und Raumfahrt Informationstechnik für Luftund Raumfahrt

2 Warum RODOS? Es gibt Hunderte (Tausenden) real time OS... ADwin ChorusOS von Chorus Systèmes S.A. / Sun Microsystems, diverse Lizenzen CMX-RTX von CMX Systems, Inc. für diverse Mikrocontroller[3] DRYOS oder DryOS ist ein Echtzeitbetriebssystem von Canon für Digitalkameras und Camcorder ecos Ein freies Echtzeitbetriebssystem für eingebettete Systeme ERIKA Enterprise ERIKA[4] ist ein RTOS OSEK OS open-source(bcc1, BCC2, ECC1, ECC2), OIL, ORTI spezifikationen, für dspic, PIC32, AVR, Nios II, ARM7, S12XS, T FreeRTOS Ein freies Echtzeitbetriebssystem für diverse Mikrocontroller LibeRTOS Ein freier Echtzeit-Linux Kernel LynxOS Ein unixoides Echtzeitbetriebssystem für vorwiegend kritische Anwendungen MicroC/OS-II Ein Echtzeitbetriebssystem, welches sich für sicherheitskritische Systeme eignet. MicroC/OS-MMU Ein Echtzeitbetriebssystem mit hardwaretechnisch unterstützten Speicherschutz und einer garantierten Laufzeit. Nut/OS Das Echtzeitbetriebssystem des Open Source Projekts Ethernut. On Time RTOS-32 Ein Echtzeitbetriebssystem mit Win32-kompatibler Programmierschnittstelle OS-9 Ein Echtzeitbetriebssystem für Steuerungssysteme Palm OS Ein Echtzeitbetriebssystem speziell für PalmOne Pocket PCs PikeOS Ein Micro-Kernel-basiertes Echtzeitbetriebssystem für sicherheitskritische Systeme. PowerPac von IAR Systems für diverse Mikrocontroller QNX Ein unixoides Echtzeitbetriebssystem primär für eingebettete Systeme Real-Time Executive Ein Echtzeitbetriebssystem für die Hewlett-Packard 1000 Serie Real VMX Ein VxWorks Clone unter LGPL Rodos Ein Echtzeitbetriebssystem, vorwiegend für Satellitenanwendungen RT-11 Ein Echtzeitbetriebssystem für die PDP-11-Familie RTAI Echtzeit-Erweiterung für Linux RTEMS Quelloffenes Echtzeitbetriebssystem für Multiprozessor-Systeme RTLinux verwendet modifizierte Kernel-Module, um Linux Echtzeiteigenschaften zu geben.[5] Carrier Grade Linux beispielsweise von WindRiver Deutschland RTOS-UH Ein Echtzeitbetriebssystem für die Automatisierungstechnik RTOSVisor Parallelbetrieb eines allgemeinnützlichen Betriebssystemen und RTOS SCIOPTA RTOS für kleine bis große und sicherheitskritische Systeme smx RTOS für ARM, Cortex, PowerPC basierte Mikrocontroller von Micro Digital Inc. [6] TTP-OS VxWorks zertifizierbares Betriebssystem Windows CE Echtzeitbetriebssystem von Microsoft für verschiedene Architekturen Xenomai Lizenzfreier Ableger von RTLinux für eingebettete Systeme

3 Warum RODOS? Es gibt Hunderte (Tausenden) real time OS... ADwin ChorusOS von Chorus Systèmes S.A. / Sun Microsystems, diverse Lizenzen CMX-RTX von CMX Systems, Inc. für diverse Mikrocontroller[3] DRYOS oder DryOS ist ein Echtzeitbetriebssystem von Canon für Digitalkameras und Camcorder ecos Ein freies Echtzeitbetriebssystem für eingebettete Systeme ERIKA Enterprise ERIKA[4] ist ein RTOS OSEK OS open-source(bcc1, BCC2, ECC1, ECC2), OIL, ORTI spezifikationen, für dspic, PIC32, AVR, Nios II, ARM7, S12XS, T FreeRTOS Ein freies Echtzeitbetriebssystem für diverse Mikrocontroller LibeRTOS Ein freier Echtzeit-Linux Kernel LynxOS Ein unixoides Echtzeitbetriebssystem für vorwiegend kritische Anwendungen MicroC/OS-II Ein Echtzeitbetriebssystem, welches sich für sicherheitskritische Systeme eignet. MicroC/OS-MMU Ein Echtzeitbetriebssystem mit hardwaretechnisch unterstützten Speicherschutz und einer garantierten Laufzeit. Nut/OS Das Echtzeitbetriebssystem des Open Source Projekts Ethernut. On Time RTOS-32 Ein Echtzeitbetriebssystem mit Win32-kompatibler Programmierschnittstelle OS-9 Ein Echtzeitbetriebssystem für Steuerungssysteme Palm OS Ein Echtzeitbetriebssystem speziell für PalmOne Pocket PCs PikeOS Ein Micro-Kernel-basiertes Echtzeitbetriebssystem für sicherheitskritische Systeme. PowerPac von IAR Systems für diverse Mikrocontroller QNX Ein unixoides Echtzeitbetriebssystem primär für eingebettete Systeme Real-Time Executive Ein Echtzeitbetriebssystem für die Hewlett-Packard 1000 Serie Real VMX Ein VxWorks Clone unter LGPL Rodos Ein Echtzeitbetriebssystem, vorwiegend für Satellitenanwendungen RT-11 Ein Echtzeitbetriebssystem für die PDP-11-Familie RTAI Echtzeit-Erweiterung für Linux RTEMS Quelloffenes Echtzeitbetriebssystem für Multiprozessor-Systeme RTLinux verwendet modifizierte Kernel-Module, um Linux Echtzeiteigenschaften zu geben.[5] Carrier Grade Linux beispielsweise von WindRiver Deutschland RTOS-UH Ein Echtzeitbetriebssystem für die Automatisierungstechnik RTOSVisor Parallelbetrieb eines allgemeinnützlichen Betriebssystemen und RTOS SCIOPTA RTOS für kleine bis große und sicherheitskritische Systeme smx RTOS für ARM, Cortex, PowerPC basierte Mikrocontroller von Micro Digital Inc. [6] TTP-OS VxWorks zertifizierbares Betriebssystem Windows CE Echtzeitbetriebssystem von Microsoft für verschiedene Architekturen Xenomai Lizenzfreier Ableger von RTLinux für eingebettete Systeme

4 Warum RODOS? Es gibt Hunderte (Tausenden) real time OS... RODOS ist: Object Oriented (moderner) Framework (mehr als nur OO) Building Blocks Execution Platform (BBEP) (mehr als nur OS) Hat eine Middleware Integriert (mehr als nur OS) 1. Versuch HW & SW grenzen transparent zu machen Ist so einfach wie nur möglich verständlich Minimalistisch und Trotzdem hat alles was wir brauchen! Läuft auf Bare Metal und auf anderen OS (mehr als nur HW Abstraktion) Mehrere Satelliten werden damit gesteuert (erprobt) (Auch eine experimentelle Herzpumpe, Lotto Hessen, viele Fehelrtoleranz Demonstratoren...) Angelehnt an den Erwartungen der ESA Wir haben die komplette Kontrolle! Noch viel zu tun... Bachelorarbeiten? Fehlertoleranz Demonstratoren Funk-Middleware IO Devices mit Middleware Protokoll

5 Dependable Computing aufeinander eingestimmte Komponenten, die zusammenarbeiten, um Dependable Computing auf eine einfache Art und Wiese zu implementieren

6 Englisch? Dokumentation ist auf englisch Luft & Weltraumprojekte: meistens International Jeder versucht zu exportieren Spezifikation & Dokumentation auf Englisch (oder Französisch)

7 BBEP Komponenten Computing units (CPU) are managed by the local real-time kernel operating system (OS). On top of the kernel runs the software middleware (MW). Around this middleware the user can implement its applications (AP). To communicate with external units, including devices and other computing units, each node provides a gateway to the network. Around the network, several devices (IO Devs and computing nodes) may be attached to the System.

8 RODOS Components Core: support for resource management, thread synchronisation and communication, input/output and interrupts management. Middleware: carries out transparent communications between applications and computing nodes. The message exchange is asynchronous, using the publisher/subscriber protocol. No fixed communication paths are established The system can be reconfigured easily at run-time. Gateways: The middleware distributes messages only locally, but using the integrated gateways to the NetworkCentric network, messages can reach any node and application in the network. The communication in the whole system includes software applications, computing nodes and IO devices.

9 Application: Core Example // < Das kennt Ihr von Java // < Kein main() muss es instanziieren!

10 Application: Middleware example

11 RODOS: Dependable Computing RODOS: embedded operating system (OS) designed for dependability. for simplicity to be distributed to be extendable & adaptable as an OO Framework Building Blocks Execution Platform developed in C++, as object-oriented framework simple enough to be understood and applied in several application domains no fundamental functionality is missing

12 RODOS Framework Framework: Def: In object-oriented systems, a set of classes that embodies an abstract design for solutions to a number of related problems. Next step following the object-oriented technology. The functionality is provided by OO methods encapsulated in classes and other functionality by means of inheritance. A framework is composed of several classes in a structure with different relationships: inheritance, references, and contention. The whole structure has a specific functionality. The user can adapt its functionality to his needs as follows: adaptation interface (inheritance) function/method interface (ready to use functions)

13 RODOS Framework Framework: To adapt the functionality of the framework to your needs: inherit from adaptation interface classes (subclasses). overload virtual methods The new (user) subclasses and its objects are integrated automatically (by inheritance) into the structure and the user does not need to register them manually. This makes the integration much simpler and reduces mistake sources.

14 Framework: Empty Functionality User: Purpose

15 RODOS Framework & Anwendung A software system consists of a collection of passive and active objects. The passive objects just offer data and methods to be accessed by active objects. time request, synchronisation, IO requests, etc. (Werden von den aktiven Objekten aufgerufen) Active objects will be activated (executed) by the underlying system. They may get the CPU (time) as a reaction to timepoints, events, requests and/or communication subscribers threads, event-handlers, time-events, topic-subscribers. (Werden von OS aufgerufen)

16 RODOS Framework Aktive Obj.

17 RODOS Framework::Core Time is a very central point for the RODOS framework. Execution of threads is mainly controlled by time. Each thread can define periodic execution or just time points when it shall be executed. (Keine handle() Funktion, sondern breakpoints in run() ) RODOS framework will try to satisfy all these time requirements. In case of conflicts RODOS resolves them according to priorities. The thread/event-handler with the higher priority will be executed next. In case of same priority (and same time (do not do that!)) RODOS uses round-robin For exclusive regions IO devices shared data RODOS provides synchronisations, using Mutex (semaphores), and synchronous data FIFOS.

18 Try? : Timing Conficts

19 RODOS Core RODOS was designed as a framework offering the following features: object oriented C++ interfaces, Ultra fast booting real time priority controlled Preemtive multithreading time management (as a central point) thread safe communication and synchronisation Event propagation Central Point: Time: Time begins at 0 (boot time) and increments continuously in nanosecond steps until END_OF_TIME which is about 150 years into the future. Time controls almost all activities in core. Time points are always absolute time. No relative (delta) times are used (ex. No sleep(timeperiod), but suspendcalelruntil(absolute-time)) Z.B. Wir treffen uns in 15:23 Minuten, oder Wir treffen uns um 10:30:00. Weitersagen!

20

21 RODOS Core RODOS can be executed on embedded target hardware and on top of Linux. Applications can be moved from one host to another without modifications. The on-top-of-linux implementation helps developers to work locally on their workstation without having to use the target system. To move to the target, they have only to recompile the code. The behaviour is the same, except for timing requirements and time resolution, which on LINUX cannot be as exact as in the target systems. Bare Metal (direkt auf Hardware On top of linux windows RTEMS Vitex-Kernel (FreeRtos)

22 RODOS Framework Aktive Obj.

23 RODOS Core::Thread void yiled() Many threads may run (apparently) simultaneously. Each thread may run until it is suspended for a time period by itself or by preemtion. To suspend a thread one may call explicitly the suspendcalleruntil(...) method, or access a synchronised object which may suspend its caller. Semaphore SyncFIFO WaitForMessage they call (if requires) suspendcalleruntil(...) To reactivate: When waiting time is reached Thread::resume() sets waiting time to 0

24 suspend / resume Event-A Event-B Time Event Eventually Periodically Event-C Resume Thread-A Resume Thread-B Thread-C Resume at Time x Thread-D Periodically resumes 0 Time ->Growing Continuously, resolution: Nanoseconds == suspendcalleruntil(...) End-Of-Time (150 Years) == External Event (Interrupt)

25 Preemptives Scheduling Events Thread Priority 115 Resume Thread Priority 114 idle-thread Priority 0 Never suspends voluntary

26 Synchronisation Time: Thread::suspendCallerUntil(uint64_t time); Thread::resume(Thread* targetthread); Exclusive Sections Semaphore::enter(); Semaphore::leave(); Priority_Ceiling Atomar Data Flow: SyncFifo::put(); SyncFifo::get(); example: semaphore-io.cpp Problems: Priority-invertion Priority-Transfer Deadlocks Beispiel: Film-Direktor & Fahrad Papier & Stifte

27 Semaphore PRIORITY_CEILING Atomar

28 suspend / resume A thread may be suspended (blocked) until a time point, then it will be resumed automatically when the corresponding time point is reached. If a thread shall be suspended without limit, we use the time point END_OF_TIME. A thread may be reactivated at any time by calling its resume() method. (sets the waiting time until 0). SuspendCallerUntil(...) and resume() may be called directly or by synchronisation objects, like semaphores and SyncFIFOs. The core may activate event handlers to react to a time points or to an interrupt (TimeEvents). Event handlers have to be very short, because they are executed in interrupt mode and while an event handler is being executed all other interrupts will be blocked. (time event handlers are not critical)

29 Examples

30

31

32

33

34 Asyncrhonous Communication To share data between event handlers and threads use async-comm objects (AsyncComBuff & AsyncComFIFO) or only elementar datatypes (int, char,..) Events have the highest priority in the system. When an event handler is executed the hardware interrupts are blocked. The next event handler may be executed only after the current one returns (terminates); event handlers cannot be interrupted.

35 Intratask-Kommunikation

36 Synchornous Communication

37 RODOS Middleware Software per Komposition Bitte Umdenken! Subscriber Publisher Subscriber Publisher Data Network Subscriber Publisher Publisher Subscriber

38 Publisher / Subscriber Protocol All communications in the system are based on the publisher/subscriber protocol (tasks, devices, SW-SW, SW-HW, HW-SH, HW-HW). Publishers make messages public under a given topic. Subscribers (zero, one or more) to a given topic get all messages which are published under this topic. For this communication it does not make any difference in which node (computing unit or device) the publisher and subscribers are running. They may be in the same unit, or distributed around the network. To establish a transfer path, both the publisher and the subscriber must share the same topic. A topic is a pair consisting of a data type and an integer representing a topic identifier.

39 Hardware Device Device Application Application Hardware Device Application Application Device Topics ~= Communication Channels

40

41 Middleware

42 Middleware

43 Middleware

44 RODOS Middleware The RODOS middleware distributes (and replicates) messages locally in each computing node and using gateways it may cross node boundaries to reach all units in the network. The communication protocol is based on the most simple possible implementation (we were able to design) of the publisher/subscriber protocol. + High flexibility + no difference between local/remote communication + no difference between SW-SW, SH-HW, HW-SH, HW-HW communication + communication relationships can be very dynamic. Units may disappear or appear, tasks may be migrated, activated or deactivated at any time. The position of applications can even change (migration) at runtime, without requiring any explicit reaction of the other involved applications. + There are no fixed communication paths. Each data transfer is resolved just in time using the registered communication topics.

45 Device Device Application Application Application Application Publisher Subscriber Protokoll Device Topics ~= Communicatio Channels Middleware

46 Application

47 Middlware & Topics

48 Middlware & Topics

49 Middlware & Topics Subscriber: Putter oder ein Thread

50 Software-Komposition Bob Message Valentine Greetings Alice

51 Software-Komposition Bob Alice Charly

52 Software-Komposition Bob Alice Charly

53 Software-Komposition

54 Software Komposition

55

56 Device Device Application Application Application Application Kommunikation per Topics Device Topics ~= Communicatio Channels Middleware

57 Nachrichtendistribution Nachrichtendistribution Zusammenarbeit Core & Middleware Subscriber / Putter s Thread s 0

58 Middleware Topics ~= Communication Channels Publish Subscriber-A Publish Subscriber-B Subscriber-C Event-A Publish Event-B Resume Thread-A Resume Thread-B Thread-C 0 End-Of-Time (150 Years)

59 RODOS Gateways Communication to the rest of the world (IO devices, other node, user) is performed via gateways. Gateways implement on one side the RODOS communication protocols, on the other side the protocol of the attached communication channel. for example, a wireless protocol, S3P, ethernet, SpaceWire, RS 322, MIL, radio communications, Gateways listen to all topics and may publish messages in any topic. Gateways marshal internal middleware messages in an external format in order to send them to other hardware units. When the gateway gets messages from external units, it unmarshals the data and transforms it to the internal middleware format. Then using the corresponding topic it publishes the message locally.

60

61

62 Application Not Used RODOS Middleware Externes Netzwerk

63 Kommunikation: Middleware

64 Middleware BOSS: Vorläufer von RODOS

65 Fault Tolerance & Middleware

66 Fault Tolerance & Middleware

67 Fault Tolerance & Middleware

68 Fault Tolerance & Middleware BOSS: Vorläufer von RODOS

69

70 Fault Tolerance & Middleware

71 Externes Netzwerk

72 Externes Netzwerk

73 Application Not Used RODOS Middleware Externes Netzwerk

74

75 A Network-Centric Network-Switch

76 A Network-Centric Network-Switch

77

78 Application Application Application Application Publisher / Subscriber Interface Topic Distribution Auto-Discovery Transport

79 Application Application Topic / middleware Putter / middleware Gateway Protocol Converter Protocol Converter Gateway Pyisical Link Pyisical Link Pyisical Link Pyisical Link Node Computer Middleware Switches Node Computer Data Transfers (several messages) Topics List

80 Application Application Topic / middleware Putter / middleware Gateway Gateway Share Memory Node Computer A Partition X Select And Copy IO Drivers Share Memory Node Computer B Partition Y Time Space Partitioning System Data Transfers (several messages) Topics List

81

82

83 Reale Beispiele

84

85

86

87

88 RY-Demonstrator

89

90 Was ist hier Falsch oder nicht so gut? Aktuator (z.b. PWM) bekommt 3 Stellwerte? Was denn?

91

92

93 Portierungen Hardware Abstraction Layer HAL

94 Hardware Variabilität

95 Schichten (aus den Bilderbuch)

96 Schichten und IO Driver nicht aus dem Bilderbuch, sondern aus der Realität

97

98 Driver für was? Für UART oder für GPS? Für USB oder für Mause? Abstraktion: IO Port Device (z.b. Human Interface: Tastatur, Mause, Display; Speicherelement; ) oder nur wo das Device angeschlossen ist?