Betriebssysteme für eingebettete Systeme

Transkript

1 Betriebssysteme für eingebettete Systeme Wolfgang Schröder-Preikschat Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Informatik 4 Verteilte Systeme und Betriebssysteme

2 Überblick Eingebettete Systeme Definition(en) Marktrelevanz Problemfeld AutOS Betriebssysteme Theorie und Praxis zweckgewahre Umsetzung Fallstudie PURE Zusammenfassung c wosch 1

3 Eingebettete Systeme (1) One very unfortunate aspect of embedded systems is that the terminology surrounding them is not very consistent. For every concept, there are two or three different words. For every word, there are four or five subtly different meanings. You will just have to live with this problem. [7] c wosch 2

4 Eingebettete Systeme (2) c wosch 3

5 Eingebettetes System Definition 1. Ein Rechensystem, das eine Funktion oder einen Funktionsbereich überwacht: wissenchaftlische, technische und/oder industrielle Steuerung Definition 2. Jedes in einem Produkt versteckte Rechensystem, das selbst kein Rechner ist: Konsumgüter, Haushaltgeräte, Fahr- und Flugzeuge,..., Waffen Definition 3. Ein zur Durchführung einer spezifischen Aufgabe entwickeltes Rechensystem, wenn auch mit Auswahlen und Optionen c wosch 4

6 CPU-Produktion im Jahr 2000 [8] Lieferungen ( 10 3 ) Art Technologie 4-Bit 8-Bit 16-Bit 32-Bit Menge % Signalprozessor CPU-Brett µ-controller µ-prozessor Gesamt c wosch 5

7 98 % 2 % Eingebettete Systeme beanspruch(t)en einen Marktanteil bei der CPU- Produktion von 98.2 %. Die restlichen 1.8 % dien(t)en dem Aufbau von interaktiven Systemen wie z. B. Laptops, Desktops und Server. Die Schere wird noch weiter auseinander gehen! c wosch 6

8 µ-controller dominieren den Prozessormarkt 87.6 % der gesamten Jahresproduktion in Y2K nehmen Zwerge ein: Technologie 4-Bit 8-Bit 16-Bit 32-Bit Einheiten % % der acht Milliarden Y2K-Prozessoren decken die Achtbitter ab c wosch 7

9 Kleinstrechner zu Steuerungszwecken Motorola 68HC11 8-Bit CPU 256 Bytes SRAM 2048 Bytes EEPROM 5 I/O-Ports 8-Kanal 8-Bit A/D-Wandler serielle Schnittstelle (SCI-Port) 16-Bit Zeitgeber Echtzeituhr 8 MHz interner Takt, 2 MHz extern 4 Arbeitsmodi single, expanded, bootstrap, test c wosch 8

10 Programmierbarer (passiver) Sensor Smart Dust c wosch 9

11 Kostenfaktor Prozessortechnologie in der Massenproduktion zählt jeder Pfennig/Cent, z. B. KFZ -Industrie [3]: kostenrelevant ist, ob { die Tachonadel durchgängig beleuchtet ist ein Chip einen Pin mehr hat der Anteil für Elektronik und Elektrotechnik an den Gesamtherstellungskosten eines Automobils ist von 8% im Jahre 1965 auf über 35 % gestiegen [1] Automobile mit über 80 vernetzten Steuergeräten sind keine Seltenheit Heterogenität prägt auch die Netztopographie: CAN, SI-Bus, FlexRay, LIN der Produktionswertanteil für Software an den Gesamtkosten liegt bei 10 % c wosch 10

12 KFZ aus Sicht der Anwender c wosch 11

13 KFZ aus Sicht der Mechatronik [2] c wosch 12

14 Kombi Instrument Diagnose KFZ aus Sicht der Informatik Gateway Multimedia Video Audio Navigation Infotainment Antrieb Motor Getriebe Airbag Bremse Parkbremse Geschwindigkeitsregelanlage aktive Fahrwerkstabilisierung Komfort Fahrertür Fahrersitz Fondtür links Lichtkontrolle vorne links Anhängerkontrolle Energieverwaltung Reifendruckkontrolle Lenksäule Beifahrertür Beifahrersitz Fondtür rechts Lichtkontrolle vorne rechts Lichtkontrolle hinten Klimaheizung Standheizung Einparkhilfe c wosch 13

15 Betriebsmittel Speicher extreme Speicherplatzknappheit im einzelnen Steuergerät ROM(Betriebssystem + Anwendung) < 4 KB DC, VW, Bosch/ETAS RAM(Arbeitsspeicher) < 100 B hohe Flashzeiten bezogen auf das ganze Automobil z. T. Stunden im Audi A8 stecken 80 MB Software (größtenteils Telematik) für das Jahr 2010 prognostiziert BMW 1 GB Software pro KFZ c wosch 14

16 Betriebsmittel Energie Funktion Watt Motormanagement 150 Beleuchtung 150 heizbare Heckscheibe 120 Nebelscheinwerfer 100 Innenraumgebläse 100 Klimaanlage 100 Benzinpumpe 80 Fensterheber/Schiebedach 100 HiFi-Anlage (4-Kanal Endstufe) 312 Bordnetz, Berliner Zeitung, Nr. 11, 13./ hier z. B. mehr als 2 KW Spitzenlast Motorelektronik Sicherheitssysteme Komfortattribute Problem für Batterie/Lichtmaschine Leerlauf liefert hier nur 150 W 1.3 KW ab 5000 rpm heutige Automobile sind immer im Betrieb, auch wenn der Motor aus ist!!! Eine heizbare Heckscheibe der S-Klasse kann 700 Watt ziehen! c wosch 15

17 KFZ-Elektronik auf dem Vormarsch head-up displays wurden unlängst eingeführt 5er BMW Fahrwerk Sicherheit und Komfort verbessern Reibungskoeffizienten vorherschätzen, dadurch Räder individuell steuern Fahrbahnstruktur analysieren, um Dämpfer voreinstellen zu können Softwaretankstelle neues Geschäftsfeld der KFZ-Industrie bzw. -Zulieferer Kennlinienparameter für die Motorsteuerung auffrischen zusätzliche PS bzw. kw (für die nächste Zeit/Strecke) auftanken c wosch 16

18 Automotive Operating Systems AutOS unterliegen einer Gratwanderung zwischen zwei extremen Welten: 1. einerseits ist extrem(st)er Betriebsmittelknappheit Rechnung zu tragen Speicherplatzbedarf sehr sehr... sehr wenige KB pro ECU! Laufzeitbedarf CPUs sind 1 2 Generationen zurück! Energiebedarf Batteriebetrieb! 2. andererseits muss ein hochgradig vernetztes System betrieben werden müssen zunehmend kundenspezifische Lösungen unterstützen Komponententechnologie [welche?] allein reicht dafür nicht aus Entwicklung und Verwaltung von Softwarevarianten ist gefordert operieren unter harten und weichen Echtzeitbedingungen c wosch 17

19 Einbettbare Betriebssysteme Kleinvieh macht Mist BlueCat Linux, Embedix, HardHat Linux, Windows CE, Windows NT Embedded Mist vielleicht, aber sicher kein Kleinvieh ;-) C51, C166, C251, 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, OSEK Turbo, OSEK Plus, OSEKtime, Precise/MQX, Precise/RTCS, proosek, psos, PXROS, QNX, Realos, RTMOSxx, Real Time Architect, RTA, RTX51, RTX251, RTX166, RTXC, Softune, SSXS RTOS, ThreadX, VRTX, VxWorks,... über 50 % des Marktes sind proprietäre Lösungen für eingebettete Systeme c wosch 18

22 Betriebssysteme DIN Diejenigen Programme eines digitalen Rechnersystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. DUDEN Informatik Zusammenfassende Bezeichnung für alle Programme, die die Ausführung der Benutzerprogramme, die Verteilung der Betriebsmittel auf die einzelnen Benutzerprogramme und die Aufrechterhaltung der Betriebsart steuern und überwachen. c wosch 19

23 Betriebssystemtheorie Prozessdeskriptor (1) Dreh- und Angelpunkt, der alle prozessbezogenen Betriebsmittel bündelt Speicher- und, ggf., Adressraumbelegung Text-, Daten-, Stapelsegmente (code, data, stack) Dateideskriptoren und -knoten ( inode ) { Versteck (cache),puffer}deskriptoren, Datenblöcke Datei, die das vom Prozess ausgeführte Programm repräsentiert zentrales Objekt, das Prozess- und Prozessorzustände beschreibt Laufzeitkontext des zugeordneten Programmfadens gegenwärtiger Abfertigungszustand (Scheduling-Informationen) anstehende Ereignisse bzw. erwartete Ereignisse Benutzerzuordnung und -rechte c wosch 20

24 Betriebssystempraxis Prozessdeskriptor (2) Aufbau und Struktur ist höchst abhängig von Betriebsart und -zweck: (1) Adressraumdeskriptoren sind nur notwendig im Falle von Systemen, die eine Adressraumisolation erfordern. (2) Für ein Sensor-/Aktorsystem haben Dateideskriptoren/-knoten wenig Bedeutung. (3) In ROM-basierten Systemen durchlaufen die Prozesse oft immer nur ein und dasselbe Programm. (4) In Einbenutzersystemen ist es wenig sinnvoll, prozessbezogene Benutzerrechte verwalten zu wollen. (5) Bei statischer Ablaufplanung ist die Buchführung von Abfertigungszuständen verzichtbar. (6) Ebenso fällt Ereignisverwaltung nur an bei ereignisgesteuerten und/oder präemptiven Systemen. (7)... Festlegung auf genau eine Ausprägung grenzt Einsatzgebiete unnötig aus c wosch 21

31 What you demand is what you get WYDIWYG Some users may require only a subset of the services of features that 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. [5] c wosch 22

32 Eingebettete Systeme = Spezialzwecksysteme Maßgeschneiderte Betriebssysteme Erfassung der Unterschiede und Gemeinsamkeiten Merkmalmodell Entwurf für Erweiterung und Zusammenziehung Programmfamilie zweckgewahre Implementierung aspektorientierte Programmierung Betriebssystemproduktlinie c wosch 23

37 Programmfamilie [5] = Wiederverwendung We consider a set of programs to be a program family if they have so much in common that it pays to study their common aspects before looking at the aspects that differentiate them. We want to exploit the commonalities, share code, and reduce maintenance costs. c wosch 24

38 Entwicklungsansatz (1) minimale Basis von Systemfunktionen Basisklassen Parnas/Habermann funktionale Anreicherung Vererbung Wegner minimale Systemerweiterungen abgeleitete Klassen Programmfamilie Objektorientierung Objektorientierte Implementierung eines familienbasierten Systementwurfs [6] c wosch 25

39 Entwicklungsansatz (1) minimale Basis von Systemfunktionen Basisklassen Parnas/Habermann funktionale Anreicherung Vererbung Wegner minimale Systemerweiterungen abgeleitete Klassen Programmfamilie Objektorientierung Objektorientierte Implementierung eines familienbasierten Systementwurfs [6] c wosch 25

40 Entwicklungsansatz (2) funktionale Eigenschaften nicht-funktionale Eigenschaften Programmfamilie + Aspektprogramme } {{ } aspektorientierte Betriebssysteme c wosch 26

43 Aspektorientierung in Betriebssystemen (1) Systemarchitektur Monolith, {prozedur,prozess}orientiertes System {Mikro,Nano,Pico,Femto,Exo}kern-basiertes (Klienten/Anbieter) System Dienstgüte Performanz (Pufferung/ Geheimlagerung ) Sicherheit (Zugriffsschutz-/kontrolle) ebenso: Synchronisation (Unterbrechungen, Prozesse, Prozessoren) Monitoring, Profiling c wosch 27

44 Aspektorientierung in Betriebssystemen (2) Aspekte black box white box Fernaufrufe Prozesse Adressräume Fäden Anwendung Persistenz Protokolle Treiber Speicher Terminwesen Aktivitätsträger Unterbrechungen Erweiterungen Basis Dreifaltigkeit : 1. Basis Aktivitätsträger- Exekution 2. Erweiterungen konventionelle Dienste 3. Aspekte Systemarchitektur-Festlegung Architekturtransparenz Plattform c wosch 28

45 Familienpraxis PURE/Basis+ preemptive preemption non preemptive scheduling multi processing cooperative threading propagation reconcile exclusive objectification serialization interruption interruptedly c wosch 29

46 PURE Prozessbenutzthierarchie schwergewichtiger Prozess leichtgewichtiger Prozess federgewichtiger Prozess fliegengewichtiger Prozess c wosch 30

50 PURE/TAL Fliegengewichtiger Prozess (C/C++)... // fork and join flyweight thread: dad = label(); // 1. catch current thread of control split(son); // 2. spawn and start flyweight thread if (dad!= label()) { // 3. did spawnee came up?... // yes, execute user-defined code latch(dad); // 4. exit spawnee, join spawner } // spawnee never returns to here!... // no, spawner resumed execution Idee: Einen Kontrollfluss an beliebiger Stelle im Programmverlauf in zwei Kontrollflüsse aufspalten (split()), die sich später wieder zum ursprünglichen Kontrollfluss vereinigen (latch()). Dem neu erzeugten Kontrollfluss Vorrang bei der weiteren Programmausführung geben. Zur Entscheidung, welcher Kontrollfluss aktiv ist, den Stapelzeiger heranziehen (label()). c wosch 31

51 PURE/TAL Fliegengewichtiger Prozess (x86)... #... leal -4(%esp),%edx # dad (is %edx) = label() pushl $1f # split(son) movl son,%esp # " 1: # dad will return to here! leal -4(%esp),%eax # if (dad!= label()) cmpl %eax,%edx # " je 2f # "... # son (user-defined) code movl %edx,%esp # latch(dad) ret # " 2:... #... c wosch 32

52 PURE/TAL Merkmalmodell Tal Threading Scheduling CPU Compiler context saving stack space supply control flow invocation cooperatively processor type register access GNU gcc stack all registers stack non volatile registers control flow exchange ARM m68k ppc sparc x86 state buffering requires context switching general purpose registers special purpose registers floating point registers code implicit binding code composite binding code late binding all non volatile all non volatile c wosch 33

53 PURE/TAL Funktionale Hierarchie 6 beget 5* ufa 5 yield grant 4 new delete 3 store clear store clear top full non volatile 2 spawn shift 1 label split check latch ½ badge setup c wosch 34

54 PURE/TAL thythread Klassenhierarchie cpumodelgpr cpumodel... thyprimer cpumodel thethread thyentity theobject thysphere unsigned abistack cpustack thegenius tieenvoy T tiething tiejoint T tieactor tiebeing T T T T tieentry c wosch 35

55 PURE/TAL Komponente main expert layman ufa beget grant new shift TAL c wosch 36

56 PURE/Basis+ Speicherbedarf Größe (in Bytes) Familienmitglied i686 (32-bit), egcs c167 (16-bit), gcc Atmel AVR (8-bit), gcc gal text data bss total text data bss total text data bss total interruptedly reconcile exclusive cooperative non-preemptive preemptive C++ Considered Harmful? Nein, jedoch Entwurfsmuster und deren Implementierung in C++ schon: reconcile preemptive ff sind minimale Erweiterungen von j interruptedly non-preemptive In beiden Fällen wurde die Variantenbildung über Entwurfsmuster realisiert, die auf der Implementierungsebene ein hohes Maß an virtuellen Funktionen und Funktionstabellen (late binding) nach sich zogen. c wosch 37

57 PURE/Basis+ Laufzeitbedarf Scheduling-Latenz: 1. Betreten des Schedulers 2. Auswahl des nächsten Fadens 3. Verlassen des Schedulers Mehraufwand nur bei Bedarf Einfädigkeit vs. Mehrfädigkeit Familienmitglied CPU-Zyklen interruptedly 0 reconcile 0 exclusive 0 cooperative 49 non-preemptive 57 preemptive 300 Einfädigkeit benötigt keinen Scheduler und ist daher frei von Scheduling-Latenz c wosch 38

58 Modularisierung und Hierarchie [4] It is the system design which is hierarchical, not its implementation. c wosch 39

59 Eingebettete Systeme = Betriebssystemwerkbank Quellprogramm(e) Anwendung(en) Feature Model Framework HC12/AVR/C167/ARM MC68331/PPC sparc/alpha i80x86 PURE Bibliothek Aspekte nicht funktionale Eigenschaften funktionale Eigenschaften Elemente Einheiten Aggregate Objektmodule Komposition Modifikation Laufzeitsystem Binärprogramm(e) c wosch 40

60 Zusammenfassung eingebettete Systeme sind (mittlerweile) ohne Informatik nicht mehr realisierbar Over the past 40 years, computer science have addressed only about 2 % of the world s computing requirements. It s time to get physical, get real, and get out. [8] Software eingebetteter Systeme muss durchgängig zweckgewahr aufgebaut sein Spezialzweckbetrieb steht nicht im Widerspruch zu Wiederverwendbarkeit funktionale wie auch nicht-funktionale Eigenschaften sind zu modularisieren Variantenverwaltung und Systemgenerierung müssen werkzeuggestützt sein Betriebssysteme (eingebetteter Systeme) müssen eine Produktlinie bilden c wosch 41

61 Referenzen [1] M. Broy, M. von der Beeck, and I. Krüger. SOFTBED: Problemanalyse für ein Großverbundprojekt Systemtechnik Automobil Software für eingebettete Systeme [2] DaimlerChrysler AG. Der neue Maybach. ATZ/MTZ Sonderheft, page 125, Sept [3] DaimlerChrysler AG. Persönliche Gespräche, [4] A. N. Habermann, L. Flon, and L. Cooprider. Modularization and Hierarchy in a Family of Operating Systems. Communications of the ACM, 19(5): , [5] D. L. Parnas. Designing Software for Ease of Extension and Contraction. IEEE Transactions on Software Engineering, SE-5(2): , [6] W. Schröder-Preikschat. The Logical Design of Parallel Operating Systems. Prentice Hall International, ISBN [7] D. E. Simon. An Embedded Software Primer. Addison-Wesley, ISBN X. [8] D. Tennenhouse. Proactive Computing. Communications of the ACM, 43(5):43 50, May c wosch 42