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Was ist ein Embedded-Betriebssystem?

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Echtzeit-Betriebssysteme sind anders aufgebaut als normale Betriebssysteme
Echtzeit-Betriebssysteme sind anders aufgebaut als normale Betriebssysteme (Bild: © djama - stock.adob.com / Pixabay)

Embedded-Betriebssysteme (Embedded-BS oder Embedded OS für Operating System) arbeiten auf Embedded-Systemen. Diese kleinen Rechner sind wiederum in Maschinen und Anlagen implementiert, die sie steuern. Ein Embedded-Betriebssystem unterscheidet sich wesentlich von den üblichen Desktop-Betriebssystemen.

Normale Betriebssysteme arbeiten auf für viele Zwecke nutzbaren Computern. Embedded-Betriebssysteme dagegen sind meist genau auf die Maschinen oder Anlagen oder aber zumindest Anlagenklassen zugeschnitten, in die sie eingesetzt werden. Sie sollen nicht möglichst viele unterschiedliche Funktionen flexibel ausführen, sondern nur wenige, hoch spezialisierte. Diese aber möglichst fehlerfrei.

Überflüssige Funktionen und Treiber, die das Embedded-Betriebssystem nur angreifbar machen würden, fehlen, dafür besitzt das Embedded-BS häufig verstärkte Sicherheitsmechanismen. Grafische Benutzeroberflächen sind durchaus nicht die Regel. Viele Embedded-Betriebssysteme haben als Basis Linux.

Unter den Embedded-Betriebssystemen kann man verschiedene Varianten unterscheiden. Wohl am bekanntesten sind die mobilen Embedded-BS „Android“ (Google) und „IOS“ (Apple), in Asien wird oft auch „TRON“ eingesetzt. Sie sind im Gegensatz zu vielen anderen Embedded-OS Generalisten. Zumindest Tablets werden heute auch häufig im industriellen Umfeld verwendet, und viele industrielle Applikationen laufen auch auf dem Smartphone des jeweils Verantwortlichen für die entsprechende Anlage.

Typischer für die Kategorie sind Stand-Alone-Embedded-Systeme, die unabhängig von anderen Systemen in der Regel auf einem bestimmten Systemtyp arbeiten. Sie können meist nur weniger komplexe Applikationen bewältigen.

Viele Embedded-Betriebssysteme sind echtzeitfähig, das heißt, sie garantieren, dass sie Aufgaben unter allen Umständen in dafür vorgesehenen Zeitfenstern von in der Regel sehr kurzer Dauer (einigen Sekunden bis hin zu Mikrosekunden) ausführen. Man bezeichnet sie auch als Real-Time Operating Systeme (RTOS). Generell gibt es einen Trend zu universeller einsetzbaren RTOS, weil dies Entwicklungsaufwand spart.

RTOS bestehen aus einem von der Hardware konsequent abgetrennten Kernel und Applikationen, die darauf ausgeführt werden und auf die Hardware zugreifen. Ausgefeilte Scheduling-Mechanismen (prioritätsbasiertes präemptives Scheduling) sorgen dafür, dass alle Aufgaben zeitgerecht an die Reihe kommen. Das bedeutet, dass allen Tasks Prioritäten zugewiesen werden.

Laufende Tasks werden unterbrochen, wenn eine Task mit einer höheren Priorität aufläuft. Die Unterbrechung ist so gestaltet, dass die unterbrochene Task nach Abarbeitung der höher priorisierten reibungslos zu Ende geführt werden kann.

Zum Schluss seien noch einige Embedded-RTOS und ihre spezifischen Anwendungen erwähnt, wobei die Aufzählung sehr unvollständig ist – es gibt mindestens mehrere Dutzend:

  • „RTX“ steht für RealTime Extensions für Windows. Das System erweitert Windows-Betriebssysteme um Echtzeitkomponenten, stammt aber nicht von Microsoft, sondern wird derzeit von IntervalZero weiterentwickelt und gewartet. Einsatzfelder sind beispielsweise Videospiele, Militärtechnik, medizinische Geräte und das Smart Grid.
  • „RTLinux“ ist eine Open-Source-Echtzeiterweiterung für Linux. Derzeit entwickelt Intel das Betriebssystem weiter. Es wird teilweise in Steuerungsumgebungen genutzt, etwa im Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen.
  • „VxWorks“ ist ein proprietäres RTOS, das ursprünglich WindRiver entwickelt hat. Eingesetzt wird es unter anderem von Fujitsu Technologies in Eternus-Produkten und von Kuka in seinen Robotern eingesetzt. Auch die autonomen Fahrzeuge auf dem Mars nutzen VxWorks.
  • „MicroC/OS-II-MMU“ ist ein weit verbreitetes und für die Branchen Luftfahrt, Medizin und Industrie zertifiziertes Betriebssystem. Der Quelltext ist verfügbar und für nicht kommerzielle Produkte kostenlos nutzbar.
  • „RMOS3“ wird vom Siemens-Bereich Automation & Drives verwendet.
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