Embedded Software Engeneering mit dem Raspberry Pi

Transkript

1 Embedded Software Engeneering mit dem Raspberry Pi

2 Übersicht Rasperry Pi Betriebssystem Hardware ARM Μ-Controller vs. Μ-Prozessor vs. SoC Embedded Software Engineering vs. Software Engineering Fazit

3 Raspberry Pi

4 Software Raspbian: Debian Linux-Port Pidora: Fedora-Port Arch: Arch Linux-Port...

5 Raspbian Basiert auf Debian 7 (Wheezy) Graphische Oberfläche: LXDE Softwarepakete aus Debian verfügbar

6 Hardware SoC: Broadcom BCM2835 CPU: ARM1176JZF-S (700 MHz) GPU: Broadcom VideoCore IV RAM: 512 MB USB 2.0 (2x) Video: HDMI, FBAS Audio: HDMI, 3,5-mm-Klinkenstecker Netzwerk: LAN9512 (100MBit)

7 SoC Broadcom VideoCore IV FullHD-fähig Spezifikation nicht offen ;-( Closed-Source-Treiber für Linux verfügbar ARM1176JZF-S ARM7-Familie Taktung Standard: 700Mhz Übertaktung: bis zu 1Ghz und mehr (Kühler notwendig!)

8 ARM ARM: Advanced RISC Machines RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) Relativ wenige Befehle Pro Taktzyklus ein Befehl (typischerweise) Load-Store-Architektur Viele GP-Register 32-Bit (ARMv8: 64-Bit)

9 ARM - Einsatzbereich Smartphones Tablet-Computer DSL-Router Waschmaschinen, Kühlschränke, Hausautomatisierung Unterhaltungselektronik (TV, Receiver, DVD-Player,...) Autos, Flugzeuge Medizintechnik Industriesteuerungen

10 Softwareausführung in Eingebetteten Systemen Microcontroller Microprozessoren Meist 8- oder 32-Bit Eher selten SoCs (System-on-a-Chip) Bei komplexen Aufgaben dominierend

11 8-Bit-Microcontroller Chip umfasst: Prozessor Arbeitsspeicher Datenspeicher (häufig) Peripheriefunktionen (SPI, I²C, CAN,...) Geringe Resourcen 256 Byte bis 512 kb RAM 0 Byte bis 4 kb Datenspeicher 1 kb bis 32 kb Programmspeicher Taktung: 1 20 Mhz

12 8-Bit-Microcontroller Geignet für simple Aufgaben und einfache Berechnungen Software Meist in C geschrieben Relativ simple Programme Kein Betriebssystem Kostengünstig Werden zum Teil von 32-Bit-Microcontrollen verdrängt

13 Microprozessoren Chip umfasst: nur Recheneinheit Hohe Taktraten: bis zu 4 Ghz Externe Komponenten notwendig: Arbeitsspeicher Peripheriekomponenten (SPI, I²C, CAN, )... Sehr flexibel einsetzbar kostenintensiv

14 SoCs Chip umfasst: Prozessor Arbeitsspeicher Peripheriefunktionen (SPI, I²C, CAN, ) Viele weitere Komponenten möglich GPU Ethernet-Netzwerk... Taktraten: bis zu mehreren Ghz Arbeitsspeicher: bis zu meheren Gb Hohe Anzahl verschiedener SoCs erhältlich Kostengünstig

15 Programmiersprache Heute meist C, seltener C++ Wenn Performance kritisch ist: Assembler Bei unkritischen Anwendungen (Webschnittstelle) auch Skripte

16 Programmierung eingebetteter Anwendungen µ-controllern: kein Betriebssystem µ-prozessor und SoCs: Betriebssystem vorhanden Programmierung daher ähnlich wie bei PCs Aber Achtung: Andere Anforderungen an die Software

17 Embedded Software Engineering Unterschiede zum Software Engineering: Wechselwirken mit physikalischen Prozessen Erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit Fehlfunktion kann tötlich sein Echtzeitanforderungen

18 Echtzeitsystem Echtzeitfähig bedeutet: Eine korrektes Ergebnis innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls bereitzustellen. Echtzeitfähig!= schnell Weitere Differenzierung Hart echtzeitfähig: Zeitintervall wird garantiert eingehalten Weich echtzeitfähig: Zeitintervall wird in der Regel eingehalten

19 Echtzeitfähigkeit Ist ein normaler PC echtzeitfähig? Ist der Raspberry Pi echtzeitfähig?

20 Echtzeitfähigkeit Ist ein normaler PC echtzeitfähig? Ist der Raspberry Pi echtzeitfähig? Antwort (auf beide Fragen): kommt drauf an!

21 Echtzeitfähigkeit von Betriebssystemen Probleme: Multitasking Speicherverwaltung (Swapping) Locks auf Resourcen Lösungen: Echtzeitbetriebssystem (VxWorks, QNX, LynxOS, ) Erweiterung von normalen Betriebssystemen Zusätzliche Hardware

22 RTAI (Real Time Application Interface) Echtzeitfähiger Microkernel unter Linux

23 RTAI (Real Time Application Interface) Pro: Harte Echtzeitfähigkeit Einfaches Konzept Contra: Linux-Kernel kann nicht in Echtzeittasks genutzt werden Nicht vollständig auf ARM portiert

24 Echtzeitfähigkeit von Linux Linux ist (ab ) weich echtzeitfähig Notwendig: Kernelparameter CONFIG_PREEMPT_RT setzen High-Resolution-Timer aktivieren ACPI und APM deaktivieren (nur x86) Scheduler: SCHED_OTHER SCHED_RR SCHED_FIFO

25 Echtzeitfähigkeit von Linux Vorgehen: Setzen des Schedulers auf SCHED_FIFO (alternativ SCHED_RR) Setzten der Priorität Locken des Speichers Resevieren von Speicher auf dem Stack Prozess wird nur unterbrochen durch I/O-Anfragen Prozess mit höherer Priorität Aufruf von sched_yield

26 Echtzeitfähigkeit von Linux int main(int argc, char* argv[]) { struct timespec t; struct sched_param param; int interval = 50000; /* 50us */ param.sched_priority = MY_PRIORITY; if(sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) exit(-1); if(mlockall(mcl_current MCL_FUTURE) == -1) exit(-2); stack_prefault(); /* Stack reservieren */ clock_gettime(clock_monotonic, &t); while(1) { do_work(); /* Arbeit durchführen */ t.tv_nsec += interval; while (t.tv_nsec >= NSEC_PER_SEC) {t.tv_nsec -= NSEC_PER_SEC; t.tv_sec++;} clock_nanosleep(clock_monotonic, TIMER_ABSTIME, &t, NULL); } }

27 Echtzeitfähigkeit von Linux Pro: Läuft mit einem Standardkernel (sofern RT-PREEMPT aktiviert ist) Kernel und Treiber prinzipiel nutzbar Contra: Nur weiche Echtzeitfähigkeit High-Resolution-Timer u.u. nicht verfügbar Gefahr von verdecktem I/O-Anfragen (mmap)

28 Fazit Echtzeitanforderungen mit Linux umsetzbar mit Raspberry Pi umsetzbar Realisierung aber nicht trivial