Unison: Das RTOS als Entwicklungsplattform

Bei jedem Projekt, je schneller man in der Lage ist, einzigartige Nutzen einzubauen, desto schneller kann man ein Produkt in den Markt einführen und damit eine größere Gewinnspanne erzielen. Und je weniger Fehler man finden und korrigieren muss, desto niedriger die Kosten. Bei embedded Systems bedeutet das, mit einer soliden Plattform anfangen—eine zusammenpassende Kombination von Prozessor und RTOS (RTOS—Real Time Operating System; Echtzeit-Betriebsystem). Eine solche Kombination sollte alle Funktionen anbieten, die man brauchen könnte, aber auch die Möglichkeit geben, nur diejenigen, die man für ein gezieltes Design nützen will, auszuwählen. Dazu muss man die Sicherheit haben, dass alle Hardware und Software Komponente von Anfang an miteinander kompatibel sind und dass sie sich ohne jede Schwierigkeit in das System integrieren lassen. Dadurch steht eine innovative Lösung auf einem soliden Fundament.

Das Unison RTOS von RoweBots ist selber auf der Basis eines weit bekannten Standards basiert, nämlich POSIX. Das RTOS ist weiter für Größe, Modularität und Anpassbarkeit an eine Vielfalt von Mikroprozessoren und Mikrokontrollern optimiert. Es ist schon in einer Auswahl von zusammenpassenden MCU/RTOS-Paketen erhältlich. Diese erscheinen als Entwicklungsplattforme zusammen mit einer umfangreichen Reihe von I/O-Modulen sowie Dienstprotokollen für Internet-Konnektivität, drahtlose Verbindung, USB, Sicherheit und mehr. Dem RTOS unterliegen sieben Prinzipien, die dem Entwickler helfen, Nutzen schnell hinzufügen und die Gelegenheit geben, spätere Erweiterungen und Ausdehnung einer Produktlinie durchzuführen. Diese sind „mager, anpassbar, Sicherheit, nochmal Sicherheit, komplett und Cloud.“

Verschiedene Firmen werden oft einem hauseigenen Entwicklungsprozess folgen, mit dem sie sich bequem fühlen. Das ist ein noch günstigeres Vorteil, wenn man das Projekt mit schon integrierten Hardware und Software-Elementen anfängt. Dadurch vermeidet man die frühsten Integrationsstufen und gewinnt einen sofortigen Vorsprung für die Markteinführung. Die Plattform anschalten und anfangen, Wert einzubauen.

Heute ist die große Mehrzahl von auch den kleinsten Geräten mit dem Internet-of-Things verbunden. Es ist daher wichtig, diese Devices in Zusammenhang mit Gateway-Devices und mit der Cloud zu betrachten. Es ist wünschenswert, wenn nicht unbedingt nötig, eine ähnliche Anwenderprogrammschnittstelle (Applikation Programmierung interface—API) zu benutzen. Dies wird dadurch erleichtert, dass das Unison RTOS auf offenen Standarten gebaut ist. In Verbindung mit Modularität und Anpassbarkeit ergibt das verschiedene Vorteile.

Mager

Das „lean“ Entwicklungsmodell gewinnt an Popularität und das Unison RTOS passt mit vielen Zielen dieses Modells gut zusammen. Die Unison Standard-Plattform ermöglicht die Austauschbarkeit von Treibern, Protokollen und Dienstmodulen und dadurch die Portabilität von Anwendungen. Multidisziplinäre Arbeitsgruppen können diagrammatische verfahren benutzen, um Ideen und Wissen über Systemfunktionen auszutauschen—alles unter einem Programmanager. Eine Arbeitsweise dieser Art kann an beinahe jedes interne Projektmodell oder Entwicklungsdisziplin angewendet werden. In fact, the Hurricane Product Development Kit (PDK) combined by Renesas and RoweBots, optimizes both hardware and software design in a single starter system. This kit can be adapted to almost any given set of corporate practices, product development approaches and software processes to reduce total time to market and total cost of ownership.

Anpassbar

Jede Lösung, die für den Kundengebrauch entwickelt wird, ist natürlich nicht endgültig. Man muss immer damit rechnen, dass der Gebrauch neue Ideen für weitere Funktionen erwecken wird. Der Hersteller muss deshalb bereit sein, schnell zu reagieren, um weitere Funktionalität einzubauen oder sogar eine kleinere, billigere und enger gezielte Version zu produzieren. Um schnell und richtig diese Kundenwünsche zu erfüllen, muss man eine Plattform benutzen, auf dem man schnell skalierbare und auf Komponente basierende Anwendungen entwickeln und anpassen kann. Das wird mit Hilfe einer Plattform, die ein gemeinsames RTOS AIP wie POSIX unterstützt, erheblich erleichtert. Dies ermöglicht die einfachere Einführung von neuen Anwendungen und die Übertragung von Anwendungen zu einer neuen Version sowie der Gebrauch derselben Anwendung über eine kompatible Produktlinie.

Solche Kompatibilität kann bis an die Hardware-Ebene reichen, wenn das gewählte Prozessor Mitglied einer pin-kompatiblen Familie ist. Der Gebrauch von solchen Prozessor-Familien, die Unison unterstützt, erlaubt dem Entwickler den geeigneten MCU auszuwählen und am Ende des Designverfahrens einfach einzustecken. Das kann er machen, nachdem alle Fragen über Leistung, Speicher, usw., beantwortet sind. Diese Möglichkeit ist auch bei zukünftiger Produktverbesserung ein Vorteil, da man einfach ein MCU mit verstärkter Leistung einstecken kann.

Sicherheit

Die Systeme von Heute, die überall verbunden sind, arbeiten in Bereichen, die gegen unbefugten Zugang gesichert werden müssen, und auch in Situationen, die Risiko für Leib und Leben darstellen. Ein System, das nicht gesichert ist, ist auch nicht zuverlässig und ist nicht in gefährlichen Anwendungen zu benutzen. Moderne Systeme müssen daher von Grund auf für Sicherheit konstruiert werden. Und Sicherheit muss ein ständiges Ziel bleiben—von Konzeption bis zur Stilllegung. Dies fängt mit der Auswahl eins sicheren Anfangsdesigns an und geht weiter durch Kommunikationsprotokolle, Passwort, elektronischen Schlüssel, Gesichtserkennung, Datenverschlüsselung und mehr. Aber die sorgfältige Auswahl einer grundlegenden Systemarchitektur, Hardware und Software, ist auch eine wichtige Voraussetzung. Das Unison RTOS bring mit sich eine reiche Auswahl von Sicherheitselementen, die ganz am Anfang beim Bau eines gesicherten Systems eingesetzt werden können. Unter anderen:

• TLS/SSL für sichere Verbindungen zwischen Anwendungen
• IPSec für verschlüsselte VPNs
• Filtrierung für Firewall-Implementation
• Sichere E-Mail oder sichere SMPT in Verbindung mit sicheren Web-Seiten oder HTTPS für geschichtete Sicherheitsstrategien.
• Zwei ganz neue Protokolle: Secure Shell (SSH) und Secure File Transfer (SFTP). SSH wird für die Konfiguration von sicheren Zielsystemen und SFTP ist ein sicheres Dateitransferprotokoll.
• Gesichertes Management—SNMP v3—wird gebraucht, um Authentifizierung und Übertragung von Daten zwischen Management-Station und SNMP-Agent zu sichern.
• Ein sicheres Bootloader—stellt die Forderung, dass alle Dateien, die in den Flash geschrieben werden, schon verschlüsselt und getestet werden, ehe sie in den Flash-Speicher geladen werden. Und schließlich:
• Ein verschlüsseltes Dateisystem

Nochmal Sicherheit

Ist die Rede noch von Sicherheit? Na, das ist auch wichtig. Embedded Systeme Funktionen in den Bereichen von Medizin, Industriesteuerung, Transport, Landwirtschaft und mehr. In jedem Bereich gibt es Situationen, wo ein Ausfall lebensgefährlich werden kann. Verschiedene Industriebereiche haben Standards angenommen, die bestimmte Risiko-Kategorien definieren und Erfordernisse bestimmen, die zu achten sind, damit das System als sicher gelten kann. Das ist auch oft nötig, um die Zertifizierung von den zuständigen Behörden zu bekommen.

Das Unison RTOS ist mit dem Ziel von Sicherheit vor Augen entwickelt worden und bietet zwei Funktionen, die dazu dienen, Sicherheit in Systemen zu versichern. Determinismus garantiert die schnellste Reaktion auf bedrohliche Ereignisse. Dies macht sein Funktionieren vorhersagbar und ermöglicht zuverlässiges Testen, um strenge Zeitvoraussetzungen zu treffen. Nonstop mit null Bootzeit: Das bedeutet, dass das System sofort getoppt und dann—wenn nötig—ohne Bootzeit wieder gestartet werden kann. Damit kann man einen gefährlichen Vorgang sofort anhalten und zu einem sicheren Zustand zurückbringen oder das System auf eine Notaktion dirigieren.

Konnektivität

Die Zeit vom Internet of Things bringt eine Menge neuer Anforderungen und Kriterien für kleine Geräte mit sich, die alle miteinander angeschlossen sind. Früher konnte ein Embedded System sich auf Wi-Fi, Internet und USB verlassen, um die Verbundenheit zu sichern. Heute müssen diese Systeme auch eine breite Auswahl von Sensoren unterstützen, die verkabelt und auch drahtlos verbunden sind. Zu den verkabelten Anschlüssen gehören USB 2.0 und 3.0, SATA für Speicher, UART (mit COM 1 und 2), I²C und GPIO (mit und ohne Unterbrechung) und mehr.

Dazu gibt es eine größere Wahl von drahtlosen Protokollen, die auch nahtlos unterstützt werden müssen. Zu diesen gehören die verschiedenen Variationen von Wi-Fi (802.11 a/b/g/n) und auch Bluetooth Smart/Smart Ready, 802.15.4 mit 6LoWPAN zusammen mit 3G, 4G und UHF. Die wachsende Menge von Radios, die als Gateways dienen, bedeutet eine immer größere Nachfrage für Protokolle mit Sicherheit (Abbildung 1). Gibt einen Überblick der Protokolle, die mit Unison geliefert werden.

1: Die mit Unison gelieferten Anwendungs- und TCP/IP-Protokolle werden alle geprüft, um zu erweisen, dass sie ohne Weiteres ausgewählt und mit der Sicherheit, dass sie reibungslos funktionieren mit dem RTOS-Bau integriert werden können.

Unison liefert praktisch jede Konnektivitätslösung, die man auswählen und in das RTOS-Design ohne Weiteres integrieren kann. Für den Entwickler heißt das, dass Unison RTOS für das breitere Gebiet von Konnektivitätsbedürfnisse völlig gebrauchsfähig ist.

Komplett

Embedded Systeme werden mit einer großen Vielfalt von verschiedenen „Dingen“ verbunden. Um die Markteinführungszeit zu minimieren, müssen sie auch zu einer gossen Auswahl von anderen Protokollen Zugang haben. Diese verbinden Speicher, mechanische Geräte, Kameras und andere Sensorsysteme. Schrittmotore, zum Beispiel, werden durch eine Auswahl von Technologien verbunden. Unter diesen findet man Pulsebreitenmodulation (PWM), A/D und D/A, sowie Kodierer für Geräte wie Schrittmotore u.a. Neben SATA gebrauchen Speichergeräte verschiedene Technologien wie SPI Flash, NOR und NAND Flash, RAM und MMC Schnittstellen. Dazu gibt es USB, der für eine große Vielfalt von neuen Dingen immer mehr an Popularität wächst. Unison kommt auch mit alledem bereit und man kann es ohne Weiteres in den RTOS-Bau integrieren.

Energieverwaltung ist auch für Geräte, die oft in schwerzugänglichen Lagen sind, ein kritisches Element. Die neueren Prozessoren haben besondere Energiesparmoden, die auf Speicher und integrierte Peripheriegeräte gerichtet sind. Unison RTOS unterstützt diese Funktionen mit Versionen, die dem Entwickler erlauben, für jede Prozessorfamilie, die spezifischen Energiesparfunktionen auszunutzen.

Cloud

Unter dem Begriff „Internet of Things“ muss man auch die Cloud verstehen. Dort werden die Daten alle gesammelt und bewertet. Von der Cloud kommen auch alle Programmänderungen und Aktualisierungen der Embedded-Geräte. Die Cloud ist wo alles zusammengebracht wird. Um das Ganze zu integrieren, muss man ein Cloud-Plattform aussuchen, das neben Betriebssystemen und Anwendungen auch mit denen, die in den angeschlossenen Geräten kompatibel sind. Kompatibel bedeutet nicht gerade identisch, sondern, dass eine kompatible Verbindung nötig ist, um ohne mühselige Konversionen Daten zu speichern und Analysen durchzuführen. Unison RTOS bietet eine breite Sammlung von Protokollen, die auf der Cloudseite leicht und sicher Daten verbinden und Befehle ausführen können.

Das Internet of Things wächst rasch voran und wird allmählich ein wichtiges Teil des Alltagslebens. Um mit diesem Wachstum Schritt zu halten, braucht man auch die neuesten Komponenten und Werkzeuge. In der Welt von Unison RTOS bedeutet das die Möglichkeit, mit anderen Spitzentechnologien wie z. B. Microsoft Azure zu arbeiten. Das bedeutet auch die Möglichkeit, die besten Werkzeuge neben denen, die von Unison geboten werden. Diese ermöglichen Speicheranalyse und den Gebrauch von grafischen Objekten wie Anzeiger, Messer und Karten, die Daten zeigen sowie Zeitmesser. Unison bietet auch Werkzeuge für Planung, Interrupt Prozessieren und mehr.

Entwicklungswerkzeuge

Unison RTOS bietet ein Arbeitsmilieu, die obwohl preisgünstig doch vielseitig und erweiterbar ist. Dies erlaubt dem Entwickler die Möglichkeit genau jene Werkzeuge auszusuchen, die für sein Projekt angemessen sind. Deswegen betont eine Unison Eclipse-kompatible Entwicklungsumgebung (IDE). Solche kompatiblen Werkzeuge sind von verschiedenen Verkäufer für die von Unison unterstützten Prozessoren erhältlich.  Da sie Eclipse-kompatibel sind, passen sie leicht in die Remedy IDE für Unison, die schon Eclipse-basiert ist. Damit hat der Entwickler einen Editor, eine Compilerwerkzeugskette und einen Debugger. Dazu kommen die gewünschten Werkzeuge, die man von den anderen Verkäufern integrieren kann.

RoweBots bietet auch die GNU C/C++ Compiler für alle unterstützten Prozessoren. Embedded-Entwickler tendieren schon seit einiger Zeit in Richtung dieser Compiler, die für Zuverlässigkeit und niedrige Kosten über eine große Nummer von unterstützten Prozessoren bekannt ist. Mit der offenen Eclipse IDE können Entwickler neue Werkzeuge immer nach Bedarf austauschen und hereinbringen.

Es gibt zusätzlich noch zwei wichtige Werkzeuge, die mit Unison RTOS kostenlos geliefert werden. Diese sind der Remedy RTOS Viewer und der Remedy RED Analyzer, die für die Arbeit mit Unison speziell bestimmt sind. Der Remedy RTOS Viewer ist im IED integriert, um verschiedene Tool Suites zu unterstützen. Zu diesen gehören, u.a., die von Keil, Mentor Graphics, Texas Instruments und Microsemi. Da er im IDE integriert ist, kann Der Viewer daher alle registrierten Objekte und interne Kernelstrukturen sehen.  Zu diesen gehören Semaphoren, Message Queues, Mutexe, alle Threads und deren Status, Stackgebrauch und Speicherstatus. Bei jedem Breakpoint wird die Information aktualisiert.

Der Remedy RED Analyzer gibt drei Arten von Analyse: Remote Control (Fernsteuerung), setzt Variablen im Zielsystem und steuert die dynamische Ereignisablaufverfolgung. Event (Ereignis) zeitbasierte Auslösung und Anzeige und Datensammlung, Transport und Anzeige.  Diese Funktionen mit ihren graphischen Darstellungen ermöglichen die Visualisierung von Timing und Ressourceverbrauch innerhalb des Unison RTOSes. Der Entwickler kann sie dann genau einstellen, um sie mit den Eigenschaften der Anwendung anzupassen. Remedy RED besteht aus einem Host-basierten Viewer und einem Fernsteuerungsserver und Datensammler auf der Targetseite (Abbildung 2). Die gesammelten Daten werden zum Viewer gesandt, wo der Entwickler sie aus verschiedenen Aspekten für genaue Analyse anschauen kann.

2: Der Remedy RED Analyser gibt volle Einsicht in das Timing und Ressource verbrauch sowie in das Verhalten des Unison RTOSes.

Der Remedy RED Analyzer kann für die Analyse von komplizierten Timingproblemen verwendet werden. Zum Beispiel könnte ein System mit einer großen Anzahl von I/O-Verbindungen unregelmäßige Situationen begegnen, die einen Systemabsturz verursachen. Der Absturz scheint zufällig und Datensammlung ist schwierig. Aber mit Dramedy RED Analzyer kann man das Problem verfolgen. Man kann für die verdächtigen I/Os eine Rückverfolgung aufstellen und ein Trigger Ereignis definieren, um die Verhältnisse, die zum Sturz führten aufzufassen. Eine Analyse der Sturtzdaten kann dann durchgeführt werden, um die Ursache des Sturzes zu entdecken. Der Entwickler kann auch den Umfang der Daten ausdehnen, um eine volle Analyse und eine Lösung für das Problem zu finden.

Noch ein wichtiges Werkzeug, das mit Unison geliefert wird, ist der Remedy Bootloader. Mit dem Bootloader kann man ein neues Programm ins System installieren. Das ist während der Entwicklung nützlich und auch wann das System im Betrieb ist. Man kann das System dann auch unter Fernsteuerung aktualisieren. Der Bootloader hat eine Verschlüsselung/Entschlüsselungsfunktion, die gebraucht werden kann, um sichere ferngesteuerte Feldaktualisierungen durchzuführen. Beim Reboot wird das neue Programm in den Programmspeicher—der Flashspeicher ist—kopiert. Sollte das neue Programm irgendwie nicht funktionieren, übernimmt das frühere Programm die Steuerung damit das Gerät nicht einfach ausfällt.

Eine Plattform auf offenen Standards gebaut

Eine Plattform zu haben, das auf offenen Standards wie POSIX und Linux basiert ist, bietet wirklich bedeutende Vorteile für Integration, Test, Wartung und Markteinführungszeit. Ein solches Plattform erleichtert auch die Anpassung and wechselnde Kundenbedürfnisse und Marktverhältnisse. Darüber hinaus bietet es den Zugang zu einer Vielfalt von Entwicklungswerkzeugen und zu der Welt von Open-Source-Software. Dann stellt sich gleich die Frage, „Na, kann ich nicht auch einen (kostenlosen) Open-Source-Kernel finden und noch mehr Geld sparen?“ Und die Antwort ist, „Ja, Open-Source-Kernel gibt es aber sie kosten am Ende noch mehr an Geld und Zeit als Sie investieren wollen.“ Schon am Anfang haben Sie etwas Unbekanntes vor sich und müssen erst feststellen, ob es die gewünschten Funktionen bietet und die nötige Leistung hat. Es gibt noch weitere Fragen.

Kommt das Kernel mit allen Komponenten, die Sie für Ihr Projekt brauchen? Wenn nicht, wo finden Sie diejenigen, die mit diesem Kernel reibungslos funktionieren? Sie müssen Prüfen aber was kostet das an Zeit und Geld? Dasselbe gilt, wenn Sie Ihre eigenen Komponenten programmieren. Was ist der wirkliche Speicherverbrauch? Was ist die Boot-Zeit? Kann der Kernel von Flash laufen? Wenn Sie Schwierigkeiten haben, an wen wenden Sie sich für Hilfe? Es stellt sich heraus, dass „kostenlos“ wirklich Etwas kostet—besonders auf der Grundebene eines Entwicklungsprojekts. Eine Unison-Lizenz kommt mit allen dieser Fragen und mehr beantwortet.  Dazu kommt auch ein Wartungsprogramm, das Ihnen Zuversicht gibt, zusammen mit einer soliden Plattform als sicherer Ausgangspunkt für Ihre eigene Innovation.

Open-Source-Software hat auf der Verwendungsebene sicherlich Wert. Dort muss es auch geprüft, verifiziert und im Kontext der größeren Verwendung debuggt werden. Aber wenn Sie das auf dem Fundament einer schon bewiesenen Plattform machen, dann erleben sie die wahren Vorteile von Open-Source-Software. Diese solide anpassbare Plattform ist auch in verschiedenen schon konfigurierten Versionen erhältlich: ConsumerOS, MedicalOS WearableOS und VehicleOS. Von diesen aus, kann die Entwicklungsmannschaft das Design weiter anpassen, indem sie verschiedene Kombinationen von Komponenten wie Kommunikationsprotokolle, Sicherheitselemente, drahtlose Protokolle, Dateisysteme und weitere Elemente einsetzen.

Technical Support-Programme werden auf verschiedenen Ebenen angeboten, die der Kunde nach Bedarf wählen kann. Diese werden in Blöcken von zehn Stunden statt als Jahresverträge verkauft, damit Sie nur für die nötige Hilfe zahlen. Auf allen drei Ebenen gibt es Email-Hilfe und Binäraktualisierung. Der Hilfegrad wächst mit der Ebene des Programms—von Silber bis Platinum, wo es auch Echtzeit-Telefon Support gibt. Dies kann die Entwicklungskosten erheblich reduzieren, besonders wenn man and die nachträglichen Wartungskosten denkt (Abbildung 3).

3: Je mehr man mit erwiesener Code Funktionalität auf der Grundebene implementieren kann, und je früher man Fehler beseitigen kann, desto niedriger werden die Entwicklungskosten.

Mit der richtigen Hardware/Software-Fundament kann man leicht die gewünschten Protokolle und Konnektivität Komponente anbauen. Mit dem richtigen RTOS-Paket kommen alle vorgeprüfte Komponente, die man braucht. Systeme sind sicher und die richtigen Werkzeuge stehen zu Verfügung. Normalerweise haben moderne Qualitätsplattformen auch Schnittstellen, die auf offene Standards basiert sind und zwar auf der Ebene von Hardware, Software und API zusammen mit einer Auswahl von integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs).

Unison hat den Vorteil, dass es eine große Zahl von Möglichkeiten in einer Auswahl geprüfter Module und Protokolle bietet. Von diesen kann man diejenigen aussuchen und integrieren und dabei genau die gewünschte Grundlage für das Prozessor/RTOS-Paar produzieren, das man braucht. Diese werden also leicht ausgesucht und integriert, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. Man kann dann gleich anfangen genau das innovative Produkt, das den Wünschen des Kunden entspricht, auf dieser Grundlage zu bauen. Gleichzeitig hat man einen klaren Weg vorwärts, um künftige und kompatible Funktionen anzufügen.