Embedded Linux lernen mit dem Raspberry Pi

2 Gut zu wissen

Eine integrierte, mikroelektronische Steuerung wird als eingebettetes System (embedded system) bezeichnet. Es erfüllt meist eine spezifische Aufgabe und hat sehr häufig — man denke beispielsweise an das Antiblockiersystem im Auto — kein ausgeprägtes Benutzerinterface.

Abb. 2-1 Klassifizierung eingebetteter Systeme

Beispiele für eingebettete Systeme gibt es zuhauf: WLAN-Router, Navi-Systeme, elektronische Steuergeräte im Auto, die Steuerung einer Waschmaschine, Handy und so weiter. Man kann eingebettete Systeme unterklassifizieren in offene (open) und in Deeply Embedded Systems. Deeply Embedded Systems sind typischerweise für genau eine einzelne Aufgabe konstruiert und benötigen dafür einfache Hardware, meist basierend auf einem 8- oder 16-Bit-Mikrocontroller. Sie kommen oftmals ohne spezifische Systemsoftware aus. Offene eingebettete Systeme sind für komplexe Aufgaben gedacht, setzen immer häufiger auf 32-Bit-Prozessoren und auf standardisierte Systemsoftware. Die Grenze zwischen den beiden Kategorien ist fließend.

Eingebettete Systeme lassen sich durch eine Reihe unterschiedlicher Anforderungen und Eigenschaften von Standardsystemen abgrenzen. Tabelle 2-1 zeigt, dass eingebettete Systeme neben den üblichen Anforderungen an Kosten und Funktionalität zusätzliche Kriterien erfüllen müssen. So wird in vielen Einsatzbereichen ein Instant on benötigt; das Gerät muss also unmittelbar nach dem Einschalten betriebsbereit sein. Dazu muss das eingesetzte Betriebssystem kurze Boot-Zeiten garantieren, sodass beispielsweise bei einem Pkw direkt nach dem Einsteigen das (elektronische) Cockpit zur Verfügung steht.

Umgekehrt muss das Betriebssystem aber auch damit zurechtkommen, dass es ohne Vorwarnung stromlos geschaltet wird. Das ist der Fall, wenn der Strom ausfällt, beispielsweise weil der Anwender den Stromstecker zieht.

Wer an Smartphones oder Uhren denkt, dem wird sehr schnell klar, dass auch die räumlichen Ausmaße (Größe) und das Gewicht ein Kriterium sind. Oftmals ist der Einbauplatz begrenzt. Denkt man an elektronische Steuergeräte im Automobil (ECU, Electronic Control Unit), wird klar, dass diese eingebetteten Systeme meist kein Benutzerinterface, keinen Bildschirm und erst recht keine Tastatur haben. Man spricht hier auch vom Headless-Betrieb. Dieser geht häufig einher mit dem Non-stop-Betrieb, bei dem Geräte 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr betrieben werden; nicht selten sogar über 20 oder gar 30 Jahre. Außerdem wird Robustheit gefordert, werden die Geräte doch oft im rauen Umfeld eingesetzt.

Aus diesen Anforderungen ergibt sich, dass für ein eingebettetes System typischerweise weniger Ressourcen zur Verfügung stehen. Daher wird oft eine auf die Gerätefunktion angepasste Hardwareplattform entwickelt und die Systemsoftware wiederum auf die Hardware und die gewünschte Funktionalität angepasst. Die Systeme werden diskless aufgebaut, bewegte Teile, wie beispielsweise Festplattenlaufwerke, versucht der Entwickler zu vermeiden.

Tabelle 2-1 Anforderungen an eingebettete Systeme

Anforderung

Funktionalität

Preis

Robustheit, funktionstüchtig im rauen Umfeld

Instant on, kurze Boot-Zeiten

Fast poweroff, ohne Vorwarnung stromlos

Räumliche Ausmaße

Kein oder eingeschränktes GUI

Headless-Betrieb: keine Tastatur, kein Bildschirm

Nonstop-Betrieb (Dauerbetrieb)

2.1 Die Architektur eingebetteter Systeme

Ein eingebettetes System besteht aus Hardware (CPU, Speicher, Sensorik, Aktorik) und Software (Firmware, Betriebssystem, Anwendung).

2.1.1 Hardware

Die Hardware eines eingebetteten Systems entscheidet über Leistung, Stromverbrauch, Größe und Robustheit. Ein Embedded System wird unter anderem dadurch robust, dass es ohne bewegte Teile, also ohne Lüfter oder Festplatte, auskommt, möglichst wenig Steckverbindungen aufweist, für eine optimale Temperatur ausgelegt (eventuell klimatisiert) und gekapselt ist, sodass mechanische Beanspruchungen abgewehrt werden.

Abb. 2-2 Der Raspberry Pi

Im Kern besteht die Embedded-Hardware aus einem Prozessor (CPU), dem Hauptspeicher (RAM), dem Hintergrundspeicher (Festplatte, Flash, SD-Karte) und diversen Schnittstellen (Abb. 2-2). Hierzu gehört klassischerweise die serielle Schnittstelle, zunehmend auch USB. Darüber hinaus findet sich häufig eine Netzwerkschnittstelle (Ethernet), WLAN, Grafikausgabe (VGA oder HDMI) und eventuell auch Audio. Zur Ankopplung weiterer Peripherie werden einige Leitungen, Pins beziehungsweise Steckverbinder eingesetzt, die digitale Signale übertragen (General Purpose Input Output, GPIO). Da diese Leitungen typischerweise eine nur begrenzte Leistung haben, werden sie über Treiber mit beispielsweise LEDs oder Relais (Ein-/Aus-/Umschalter) verbunden. Häufig ist noch eine galvanische Entkopplung (über Optokoppler) notwendig, damit die Embedded-Hardware vor Störungen aus Motoren oder Ähnlichem geschützt sind.

Die Prozessoren in eingebetteten Systemen sind häufig als System on Chip (SoC; monolithische Integration) ausgeprägt. Bei diesen befindet sich nicht nur die eigentliche CPU auf dem Chip, sondern zusätzlich noch die sogenannte Glue-Logic (Interrupt-Controller, Zeitgeber, Watchdog), Grafikcontroller, Audio, digitale Ein-/Ausgabeleitungen (GPIO), Krypto-Module und so weiter. Bei einer CPU plus Peripherie spricht man auch von einem Mikrocontroller.

Als CPU wird zunehmend ein ARM-Core eingesetzt. Alternativ sind noch PowerPC, Mips und x86-Architekturen im Einsatz. Für Deeply Embedded Systems werden gerne ATMEGA- und PIC-Prozessoren ausgewählt, wie sie beispielsweise auf einem Arduino-Board anzutreffen sind. Häufig bieten die eingesetzten Prozessoren keine Gleitkommaeinheit (Floating Point Unit). Zusätzlich werden sie durch digitale Signalprozessoren unterstützt, die beispielsweise Sprachverarbeitung oder Krypto-Funktionen übernehmen.

Hintergrund: ARM

Die zurzeit wohl wichtigste Prozessorarchitektur am Markt ist Advanced Risc Machine, ARM. Pro Jahr werden etwa 6 Milliarden Prozessoren dieses Typs hergestellt. Damit liegt ihr Marktanteil bei fast 50%. Rund 62% der Cores gehen in den Mobilfunkbereich, wobei ein modernes Smartphone mehrere ARM-Prozessoren beherbergt. ARM-Prozessoren finden sich in beinahe sämtlichen Smartphones oder in Navigationsgeräten.

ARM-Prozessoren haben sich in vielen Bereichen durchgesetzt, da sie hohe Leistung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch bieten. Da der Prozessor aus vergleichsweise wenig Transistoren aufgebaut ist, wird auch wenig Chipfläche (Silizium) benötigt. Das wirkt sich positiv auf den Herstellungsprozess und auf den Preis aus.

Die Entwicklung begann 1983, der erste Prozessor, ARM2, wurde 1987 fertiggestellt. Das Design, der Schaltplan also, man spricht auch vom Core, wird von der Firma ARM Ltd. (Advanced Risc Machine Ldt.) hergestellt. Lizenznehmer übernehmen dann den Core in eigene Designs. Dabei gibt es Objekt-Lizenzen und Source-Lizenzen. Die Lizenzkosten liegen derzeit bei etwa 10 Cent pro Core.

ARM-Prozessoren tauchen im Markt unter verschiedenen Namen auf. Die Prozessoren der Firma Qualcomm beispielsweise firmieren unter dem Namen Snapdragon, Nvidia vertreibt seine Prozessoren unter dem Namen Tegra. Mit der Zeit haben sich unterschiedliche Architekturen entwickelt, die von ARMv1 bis aktuell (Stand 2013) ARMv8 reichen. ARMv8 ist die 64-Bit-Variante. Jeweils mehrere Prozessorfamilien implementieren die jeweilige Architektur.

Die aktuelle 32-Bit-Architektur ARMv7 wird beispielsweise durch die Designs Cortex A9 oder auch Cortex A15 realisiert. Die Bezeichnung »A« (Cortex A15) steht für Application. Daneben gibt es auch spezielle Designs für Realtime (»R«) und Mikrocontroller (»M«). ARM bietet zwar direkt keine Floating-Point-Kommandos an, hat aber die Möglichkeit, den Befehlssatz über bis zu 16 Coprozessoren hard- oder auch softwaretechnisch zu erweitern.

ARM-Prozessoren sind ursprünglich 32-Bit-Prozessoren, es gibt aber bereits erste 64-Bit-Versionen, wie beispielsweise im iPhone 5s. Auch die 64-Bit-Version hat 32-Bit breite Befehle, die weitgehend mit dem Befehlssatz A32 identisch sind. Die Befehle bekommen 32 oder 64 Bit breite Argumente übergeben. Adressen sind grundsätzlich 64 Bit breit. Der Adressraum ist erweitert.

Die ARM-Architektur beruht auf einer 3-Register-Maschine. Bei dieser wird das Ergebnis einer Operation, beispielsweise der Addition zweier Register (Variablen), einem dritten Register zugewiesen: add r1, r2, r3; r1=r2+r3. In der typischen 32-Bit-Variante gibt es 16 Register. 15 davon sind sogenannte General Purpose Register, das 16. Register ist der Program Counter. Die neue 64-Bit-Variante verfügt über 32...