Die Neue Rolle des RTOS in Embedded Systems

Die Welt der eingebetteten Systeme durchläuft eine bedeutende Entwicklung, die sich auf die Rolle des Echtzeitbetriebssystems und den Entwurf von Anwendungen auswirkt, die auf Determinismus, höchste Zuverlässigkeit und Leistung angewiesen sind. Gleichzeitig haben sich die grundlegenden Anforderungen an ein RTOS nicht geändert.

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Eingebettete Systeme und die auf ihnen laufenden Echtzeitbetriebssysteme sind in der Regel für Prozesse und Maschinen von entscheidender Bedeutung. Das kann etwas so Alltägliches wie ein Aufzug oder so exotisch wie ein Mars Rover sein. In vielen Fällen stellt die einwandfreie Funktion des RTOS den Schutz von Menschenleben und der Umwelt sicher. Es gibt vier nicht verhandelbare Säulen, die ein RTOS leisten muss:
SICHERHEIT: Ein RTOS muss sicher sein und Gegenmaßnahmen zur Cybersicherheit unterstützen.
SAFETY: Ein RTOS und sein Determinismus bieten die Vorhersehbarkeit und Zuverlässigkeit der Leistung, um negative Auswirkungen auf seine Umgebung zu verhindern.
ZUVERLÄSSIGKEIT: Ein RTOS muss immer die erwartete Leistung erbringen und auf deterministische Weise dasselbe Ergebnis erzielen.
ZERTIFIZIERBARKEIT: Eingebettete Systeme müssen häufig vor ihrem Einsatz von Fachgruppen oder Regierungsbehörden zertifiziert werden, z.B. die DO-178C der FAA für die Avionik, die IEC61508 SIL 3 für industrielle Systeme, ISO26262 ASLID für Automobilanwendungen und IEC62304 für die medizinische Sicherheit.

Neue Methoden
Die Welt der eingebetteten Systeme verändert sich schnell. Das Innovationstempo gewinnt durch den technologischen Fortschritt und den verstärkten Wettbewerb an Dynamik. Niedrigere Technologiekosten und Veränderungen in den Geschäftsmodellen beschleunigen diese Entwicklung noch weiter, da die Systeme der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnik (OT) zusammenwachsen. Infolgedessen gehen die Entwickler von Software für eingebettete Systeme auf der Suche nach mehr Effizienz, Produktivität und Portabilität zu modernen Methoden über. Sowohl die Hardware- als auch die Software-Entwicklung schreitet schneller als je zuvor voran. Neue Software-Ingenieure kommen in den Embedded Bereich mit einem hohen Komfortniveau mit Abstraktion und konzentrieren sich lieber auf die Anwendung als auf die zugrunde liegende Infrastruktur. Daher wollen sie eingebettete Systeme mit IT-ähnlichen Methoden, Programmiersprachen und Frameworks erstellen. Gleichzeitig nutzen die Ingenieure kostengünstige Hardware wie Raspberry Pi, um kostengünstige Prototypen zu bauen und schnell vom Konzept zum funktionierenden Gerät zu gelangen.

Neue Hardware und Virtualisierung
Die rasante Entwicklung von Multi-Core-basierten Hardware-Plattformen ermöglicht die Konsolidierung von Systemen und Anwendungen. Mit 2 bis 64 CPUs auf einem einzigen Chip lassen sich beispielsweise Kosten, Größe und Gewicht des Endprodukts reduzieren.
Virtualisierung wird bei eingebetteten Systemen immer häufiger eingesetzt. Mehrere eingebettete Systeme können jetzt in virtualisierter Form auf einem Hypervisor auf einer einzigen Hardware ausgeführt werden.

Legacy-Systeme
Diese Kombination aus erhöhter Leistung, mehr Konnektivität, schnelleren Designzyklen und schnellerer Innovation bei den Komponenten macht selbst relativ neue Produkte überflüssig. Dies wirft die Frage auf, was man mit Altsystemen machen kann. Es ist finanziell nicht tragbar, Embedded-System-Anwendungen immer wieder neu zu codieren, da sich die Plattformen schnell weiterentwickeln und die Systemanforderungen ändern. Die Systemhersteller wollen natürlich den vorhandenen Code so weit wie möglich wiederverwenden. Diese Legacy-Systeme funktionieren zwar noch, müssen aber mit neuen Funktionen modernisiert werden. Und die erheblichen Investitionen, die für Zertifizierung von Software getätigt wurden, sollen erhalten bleiben, wenn Code auf neue Hardwaresysteme migriert wird.

Altsysteme immer neu zu codieren, um sie auf den aktuellen Stand zu bringen, ist heutzutage nicht mehr praktikabel. vxWorks will mit seinen Komponenten neue Produkte überflüssig machen. (Bild: Wind River GmbH)

Druck auf das RTOS
Veränderte Erwartungshaltungen gegenüber eingebetteten Systemen gehen kaskadenförmig bis hinunter zu den Betriebssystemen, die sie antreiben. Heutige RTOS müssen mit der Innovation Schritt halten und moderne Entwicklungspraktiken übernehmen. Sie müssen in der Lage sein, mit neuen, komplexeren Prozessoren zu arbeiten. Ihr Design sollte die neuen, schnelleren Entwicklungszyklen in der Industrie ermöglichen. Dies bedeutet, dass sie mit den Frameworks, Sprachen und Methoden kompatibel sein müssen, die von der neuen Generation von Entwicklern eingebetteter Systeme eingesetzt werden. Heutige RTOS müssen mit Virtualisierung arbeiten und trotzdem alle diese neuen Kriterien erfüllen, ohne dass dabei Kompromisse bei Safety, Security, Leistung und Zuverlässigkeit eingegangen werden müssen.

VxWorks führend
Der aktuelle Generationswechsel im Bereich der Embedded-Systeme und des RTOS ist nur der letzte in der erfolgreichen Karriere von VxWorks. VxWorks gehört seit mehr als 30 Jahren zu den führenden RTOS in den Bereichen Luft- und Raumfahrt & Verteidigung, Automotive, Industrie, Medizin und anderen kritischen Infrastrukturbereichen. Es ist das Betriebssystem hinter neun verschiedenen Marsmissionen, darunter der Mars Reconnaissance Orbiter sowie die Mars Exploration Rover Spirit und Opportunity. Es wird auch in Milliarden anderer kritischer Geräte eingesetzt, die sich auf der Erde befinden, von der Automobilindustrie bis hin zur Fertigung, ob es sich um ein deterministisches, ultra-zuverlässiges oder Multi-Core Embedded-System handelt.