Embedded Linux lernen mit dem Raspberry Pi - Linux-Systeme selber bauen und programmieren

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)

Lange Lebensdauer (hohe Standzeit)

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.