Хабрахабр

Многообразный мир embedded systems и место Embox в нем

Проекту Embox уже исполнилось 9 лет, но многие не понимают, что это такое и с чем его едят зачем он нужен. Некоторые из тех, кто слышал о проекте и знают, что это операционная система, считают, что Embox — это “отечественная ОС”. Действительно, задумывался Embox как попытка сделать “свою” ОС с “блекджеком и шлюпками”, но главное — это “блэкджек и шлюпки”. То есть, во главу угла ставились некие характеристики или их сочетание, которых не хватало в других проектах.

Слоган Embox — “Essential toolbox for embedded development” — подразумевает, что проект нацелен на embedded systems. Конечно, писать универсальную ОС даже с какими-то фишками никто не собирался. Список, как вы понимаете, можно продолжать очень долго, в нем есть места, где прекрасно живет Linux, а есть места, где Linux избыточен и используются различные маленькие RTOS. Однако данное понятие очень широко, к нему относят: интернет вещей (IoT) и роботов, различные малинки (RaPi) и бортовые системы, ардуинки и АСУ-ТП, …. В данной статье я хотел бы поговорить об embedded-мире во всем его многообразии, ну и о месте Embox в нем.

Одноплатные компьютеры

Промышленные компьютеры

Начнем с одноплатных компьютеров. Многие из них выполнены в промышленном исполнении. Большинство построены на процессорах с архитектурами ARM и x86. Многие думают, что x86-процессоры не используются в данном сегменте, а все ограничивается малинками, биглбордами, бананами и так далее. Но задолго до RaPi были другие одноплатные машины, нацеленные на сегмент промышленных PC, так называемый форм фактор PC/104. Они уступали по производительности обычным десктопам, ведь предназначались для задач, в которых надежность превалирует над функциональностью. По той же причине Linux не часто использовался в качестве ОС для этих аппаратных платформ, там были различные проприетарные ОС со свойствами реального времени (VxWorks, QNX, LynxOS и так далее ). Я не написал «ОСРВ» из тех соображений, что довольно часто на этих аппаратных платформах располагался Windows CE и его развитие Windows Embedded. И отнести весь этот зоопарк к ОСРВ у меня язык не поворачиваются.

Потребительские одноплатники

Малинки же задали совсем другой тренд. Они, по сути, нацелены не на промышленные системы реального времени, а на потребительский сегмент, в котором ценится соотношение цена/функциональность, а по этому параметру малинки (и аналоги) существенно опережают своих конкурентов. Ведь при покупке за условные 30-50 долларов, вы получаете полноценный системник, с помощью которого вы легко средствами Linux сделаете устройство с довольно сложным функционалом. Это очень полезно для прототипирования или DIY. Плюс, конечно, малинку можно использовать как PC или маленький сервер. Поэтому часто в качестве ОС используются готовые дистрибутивы Linux, в первую очередь, конечно, Raspbian — Debian для Raspberry Pi, ну или дистрибутив со смешным для русскоязычных названием Pidora — Fedora для RaspberryPi. Для других аналогичных платформ также есть готовые дистрибутивы, предоставляемые как производителями оборудования, так и сообществами (производителями) ОС. Согласитесь, когда нужно сделать прототип, проще всего взять готовое, наставить пакетов, написать функционал на python. В результате быстро получить работающий прототип. Пример — робот, который распознает линию с помощью OpenCV.

Linux в embedded-устройствах

Но мир embedded гораздо шире, чем стандартные ARM-овые одноплатники. Более того, они составляют относительно маленькую часть устройств, и их основной вклад — это популяризация и упрощение входа в разработку устройств подобного класса. Серийные устройства создаются на базе тех же процессоров (систем на кристалле) или аналогичных, но платы проектируются под задачу (проект, устройство). Следовательно, стандартные дистрибутивы, как минимум, избыточны, ведь в них зачастую используется какой-нибудь менеджер пакетов, и можно легко доставить очень много всего интересного (но ненужного для решения конкретной задачи). Embedded-устройства же обычно поставляются с законченной функциональностью, и даже называется это firmware (прошивка). Для создания прошивок существует другой класс Linux-дистрибутивов. Подобные дистрибутивы позволяют “установить” нужные пакеты статически — собрав их в корневую файловую систему, а не динамически — с помощью менеджера пакетов из репозитория. Обычно эти дистрибутивы могут собираться не только прикладные приложения, и библиотеки, но и ядро в заданной конфигурации. А часто еще и кросс-компилятор, ведь компилировать на самом устройстве, как минимум не эффективно.

Yocto project

На сегодняшний день самым известным подобным дистрибутивом (проектом по созданию дистрибутивов) является Yocto project . Он в свою очередь основан на еще одном известном проекте OpenEmbedded, который является своеобразной системой сборки для дистрибутивов Linux. Если хочется использовать Raspberry Pi не как готовый маленький системник, а как кастомизируемое устройство с Linux, то прекрасным вариантом будет использовать Yocto или его аналоги. Лично я сильных преимуществ в использовании нестандартных дистрибутивов Linux со стандартными железками не вижу, но если планируется разработка похожих устройств или есть желание осваивать сами технологии, то подобный подход выглядит наиболее перспективным. Ведь пока разрабатывается специализированная железка, программисты могут разрабатывать и отлаживать свои части системы (алгоритмы, драйвера, библиотеки, …). Что сильно снижает время разработки, а следовательно и пресловутый TTM (time to market).

OpenWRT

Еще одним известным проектом по созданию прошивок на основе Linux является OpenWRT. Уверен, что те, кто развлекается с кастомизацией роутеров, про него слышали. На основе этого проекта для различных роутеров делаются прошивки, которые представляют из себя один бинарник, включающий и ядро, и корневую файловую систему. Использование firmware (а не универсальных дистрибутивов) в embedded-системах связано с идеей о том, что функциональность конечной системы известна на момент ее разработки, то есть даже если обновляется версия роутера, прошивка меняется целиком со всей функциональностью (или заменяется часть этой прошивки специальным образом). Устанавливать, например, офисные пакеты, обычно не нужно, а часто вообще запрещено, поскольку это может внести свою неопределенность. Такой подход позволяет кроме всего прочего существенно сэкономить на аппаратной части. Те же роутеры, например, имеют куда менее мощный процессор и куда меньший объем памяти, чем универсальные железки.

Системы реального времени

Возвращаясь к теме промышленных вычислителей необходимо обсудить термин — “система реального времени”. Многие считают, что системы реального времени более быстрые. Это заблуждение. Вероятно, связано оно с историческими предпосылками. Ведь сам термин возник, когда машины были медленные. И пользователь замечал, что реакция системы может отставать от его действий. Термин “реальное время” означал, что система должна была быть отзывчивой на любые воздействия, в том числе действия оператора. Но на современных вычислительных машинах пользователь (оператор) вряд ли заметит торможение. В подавляющем большинстве случаев, при нажатии на менюшку, иконку, кнопку, мы сразу увидим перерисовку экрана, если конечно все в порядке (интернет есть, процесс не завис и т.д.). А вот если случилось что-то непредвиденное, например, связь пропала, мы увидим, чем отличаются (должны отличаться) системы реального времени. Обычный смартфон мы просто перезагрузим. Но если эта система управляет электростанцией, то сами понимаете, такое не всегда возможно. Отсюда делаем вывод, что система реального времени должна предсказуемо, а не быстро, реагировать на любое событие или совокупность событий, вне зависимости от своего состояния и окружения.

Linux в системах реального времени

Естественно, были (есть и будут) попытки сделать из Linux систему реального времени. Самая известная — это RTLinux, изначально это был патч к Linux, заменяющий оригинальный “полностью честный планировщик”, точнее вставляющий собственный, который одной из задач ставил планировщик Linux. Данный планировщик работал по статическим приоритетам задач, соответственно работал гораздо предсказуемее. Но это был уже не Linux, точнее функциональность Linux была не в режиме реального времени.

ARINC-653

Еще одним подходом для обеспечения реального времени, в какой-то степени схожим с RT-патчем для Linux, является подход требуемый в стандарте ARINC653 или так называемом подходе MILS. Данный подход подразумевает, что система проектируется слоями, нижний слой подразумевает очень легкий гипервизор, на основе которого в статически заданных разделах, выполняются задачи разной степени критичности. Очень легким я назвал гипервизор поскольку подразумевается, что он обладает самой высокой критичностью и следовательно его код (алгоритмы) должен быть проверен максимально полно (в идеале, должно быть математически доказуемо отсутствие необработанных ситуаций ). Следовательно кода должно быть как можно меньше. Ну, а Linux, как вы наверное поняли, располагается в собственном разделе.

uCLinux

Попытки применить Linux во встроенных системах начались давно. Одной из первых была попытка использовать Linux в системах, где нет аппаратной поддержки виртуальной памяти (MMU). Данный проект назывался uCLinux и его вкладом в ядро Linux стал режим NOMMU или MMU-less.

Linux в системах реального времени

Подводя небольшой итог под попытками использования Linux в системах реального времени, нужно ответить на вопрос, почему же так происходит. То есть с одной стороны Linux не особо (на данный момент и в чистом виде) приспособлен для систем реального времени, а с другой — постоянно происходят попытки сделать это. Причем это происходит за счет внесения ограничений (замена планировщика, внесение гипервизора, ограничения на использование виртуальной памяти и так далее). Ответ, на мой взгляд, таится в наличии у Linux гигантской кодовой базы. Это и драйвера, это и функциональные приложения и библиотеки. Очевидно, что если хочется создать надежную систему, следует как можно больше использовать готовые части, ведь разработка новых, будь то функциональная логика или драйвер, всегда содержит вероятность внесения ошибки. А поскольку к современным системах реального времени предъявляют достаточно высокие требования по функционалу, то переиспользование готового функционала из Linux становиться все более соблазнительным. Иными словами, доработка Linux до системы реального времени уже не кажется такой уж затратной по сравнению с разработкой функциональности, пусть и на основе операционной системы реального времени, ведь надежностью должна обладать вся система, а не только ее часть в виде ядра операционной системы.

Windows в embedded-устройствах

Хочу ненадолго вернуться к Windows. На заре моей карьеры у меня случилась дискуссия с более опытным разработчиком о том, что Windows нельзя использовать в надежных системах. На что он возразил, что если протестировать уже законченную систему с необходимым функциональным программным обеспечением, и запретить любые изменения: обновления, установку ПО и т. д., то система будет достаточно надежной для многих задач, в том числе и для той, которую мы решали. Сейчас у меня нет сомнений, что мой оппонент был прав, а не я. Более того, даже древний MS-DOS очень долгое время использовался в промышленных системах. Дело в том, что многозадачность, которая кажется такой необходимой, вносит неопределенность. А если запускать ПО, которое полностью контролирует всю систему, то можно добиться куда большей детерминированности поведения. Иными словами, если в системе крутиться неопределенное количество задач, то добиться определенности в работе всех функций системы, вряд ли удастся. Поэтому самым простым способом для увеличения предсказуемости системы является ограничение ее функциональности, а следовательно — отказ от универсальности во время исполнения. Что мы, собственно, и наблюдаем в упомянутых выше примерах использования Linux в системах реального времени.

Микроконтроллеры

Пример с MS-DOS в качестве базовой ОС для промышленных систем реального времени приводит нас к мысли, что если использовать только свое ПО, то можно добиться предсказуемого поведения всей системы. И это действительно так! Правда, нужно сделать оговорку, что это возможно только если функциональность системы небольшая и четко зафиксированная. Если вся функциональность системы заключается в управлении мотором с помощью GPIO и получением (передачей) ограниченного набора команд по UART-интерфейсу, то не обязательно использовать ОС, можно создать прошивку (то, что называется bare-metal). Этот подход достаточно часто используется в микроконтроллерах. Но поскольку и микроконтроллеры стали большим (32-битный ARM с несколькими кБ ОЗУ против 8 битных AVR-ок с сотней байт ОЗУ), то и запросы по функционалу выросли. Сейчас при разработок прошивок используют как минимум ПО от производителей, которое позволяет использовать какие-то готовые примеры для работы с микроконтроллером, например STM32Cube.

RTOSes

Но поскольку требования к функциональности постоянно растут, прошивки для микроконтроллеров все чаще делаются на основе так называемых RTOS. В отличие от больших операционных систем реального времени, это относительно небольшие открытые проекты, предоставляющие полный доступ ко всему коду в системе. То есть, идет совмещение концепций: с одной стороны, используется уже готовый код, а с другой стороны, у разработчика есть полный доступ ко всему в системе, можно сказать, прошивка bare-metal.

Поэтому обо всех рассказать не получится. RTOS для микроконтроллеров довольно много. Выделю только несколько, на мой взгляд, интересных проектов и кратко расскажу про их особенности.

FreeRTOS

Наверное, одной из самых популярных проектов RTOS сейчас является FreeRTOS. Некоторые говорят, что это не полноценная ОС, а только планировщик. Но если учесть приведенные выше рассуждения о bare-metal, большое количество поддерживаемых микроконтроллеров и то, что написано и интегрировано много прикладного ПО, то небольшой функционал выглядит скорее как достоинство, чем недостаток. Это и позволило стать де-факто стандартом для микроконтроллеров, как написано на сайте проекта.

Contiki

Contiki — RTOS, разработанная Адамом Данкелсом (Adam Dunkels), создателем таких известных TCP/IP стеков, как lwIP и uIP. Я бы сказал, что вокруг сетевого стека и построена вся ОС. Наличие поддержки IPv6 и небольшие требования по ресурсам делает этот проект интересным для создания различного рода беспроводных устройств.

RTEMS

RTEMS Real-Time Executive for Multiprocessor Systems. Изначально разрабатывалась для военных, акроним расшифровывался как Real-Time Executive for Missile Systems, а затем Real-Time Executive for Military Systems. Довольно старый, но еще живой открытый проект. Яркий представитель подхода libOS. Когда разрабатываемое ПО линкуется с уже собранной ОС, которая представляет из себя не только ядро, но и все доступные службы. Компилируется и поставляется в качестве библиотеки к компилятору, что довольно удобно на ранних стадиях разработки.

eCos

eCos Embedded Configurable Operating System. Так же довольно старый проект, ранее очень популярный. Основная идея — сделать очень конфигурируемую ОС, то есть включать в ядро только то, что нужно.

Другие RTOSes

Список можно продолжать довольно долго. Об еще одном проекте NuttX упомяну ниже. А тем, кому интересен более подробный список советую посмотреть википедию. Для микроконтроллеров я бы еще отметил ChibiOS/RT, MicroC/OS (µC/OS), Nut/OS, RIOT. Но конечно, все зависит от задачи.

Arduino

Думаю разговор об embedded был бы неполным без упоминания Arduino. Ведь как и RaPi они очень распространены и сильно способствовали популяризации микроконтроллеров. Сам я довольно скептически отношусь к теме arduino, поэтому пропущу критику фанатов данной технологии. А вот по поводу того, что это очень интересная технология, могу привести пример хлебопечки, описанный на хабре. Очень приятное решение. Ну или уже приведенный пример с роботом, распознающим линию по openCV, да там также используется arduino.

Микроядро

Я еще ни разу не упомянул о концепции микроядра, которая, как многие знают, делает систему надежной и предсказуемой. Это с одной стороны правда, а с другой, как всегда, не совсем. Точнее, конечно правда, но вера в то, что данная концепция (архитектура), сразу превратит вашу систему в систему жесткого реального времени — заблуждение. Это скорее такой маркетинговый слоган: «мы система реального времени потому, что построены по принципу микроядра». Но ведь принцип микроядра всего лишь позволяет упростить разработку ПО, так как большинство частей выносится в пользовательское пространство. Но что делать, если у вас сломался какой то сервер, необходимый для работы? Вы его перезагрузите, но на это требуется время, а если у вас его нет? К тому же, классическая микроядерная архитектура имеет и свои недостатки! Она, например, медленная, поскольку происходит очень много системных вызовов (передач сообщений между серверами и прикладным ПО). Иначе бы все давно перешли на чистую микроядерную архитектуру, а кто, например, видел проекты на L4, а они есть. Ну, и конечно, многие помнят спор Линуса Торвальдса с Эндрю Таненбаумом.

Но как очень хорошая идея применяется в той или иной степени в большинстве современных ОС. То есть концепция микроядра не является серебрянной пулей. А создание надежной системы в итоге все равно зависит от конечного разработчика и возможностей, которые предоставляет операционная система по ее построению.

Место Embox в мире embedded systems

Я уже довольно много рассуждал о разных аспектах embedded-мира, но так и не добрался до места Embox в нем. Ну что же, могу сказать, что в описанных выше примерах, возможно и нет необходимости применять Embox. Более того, обычно мы пользователей спрашиваем, зачем им нужен Embox? Если применение Embox не дает никаких преимуществ, мы советуем попробовать, что-нибудь из списка выше или ещё что-то (например, Android). Но есть ряд случаев, в которых применение Embox дает ощутимый выигрыш.

Система для разработки оборудования

Начну с первого применения Embox. Он тогда еще даже не был Embox-ом, а представлял из себя некий Си и ассемблерный код, который позволял очень быстро запуститься и выполнить утилитарный код. В тот момент это был проект для помощи инженерам в отладке аппаратуры, разрабатываемой на ПЛИС-ах. Он умел очень быстро запускаться, гораздо быстрее, чем аналогичный код, написанный с помощью уже упомянутого RTEMS. Это важно, поскольку он использовался еще и на этапе потактовой симуляции. Плюс его стали применять и на реальном “железе”, для этого был написан небольшой интерпретатор, который умел вызывать пользовательские команды. Позже данное направление получило развитие, и был портирован интерпретатор языка TCL, поскольку он привычен для разработчиков ПЛИС. А так как в определенной конфигурации команды имеют прямой доступ к оборудованию (ко всему адресному пространству), то разработчики получили возможность делать достаточно сложные тесты.

Сертифицируемый Linux

Одним из первых сторонних применений было довольно специфическое требование на сертифицированность кода. Было некое устройство, обладающее ограниченным функционалом, включающим в себя: работу с сокетами (UDP), файловой системой, и еще некоторый функционалом. Весь функционал был реализован заказчиком как ПО на базе Linux. Данное устройство было не x86 и не ARM. Имело свою периферию. Требовалось сертифицировать код, который используется в устройстве, поскольку сертифицированные дистрибутивы там не могли быть использованы. Попытка обрезания ядра Linux, привела к порядка 500 тыс. строк кода, плюс ещё были проблемы с #ifdef и другими макросами. И заказчик, оценив стоимость сертификации данного изделия, попросил рассмотреть другие варианты. Embox на тот момент уже имел сетевой стек, файловую систему и было принято решение доработать его с учетом требований сертификации. Так у нас появился язык описания модулей Mybuild, мы в какой то степени решили проблему с макросами, некоторые другие проблемы. В итоге мы добились того, что в конечном образе у нас находится только используемый (заявленный в конфигурации) код, а его для конкретной задачи обычно требуется не очень много.

Linux без Linux

Направление с сертификацией вообще довольно популярно. Достаточно часто заказчики имеют код под Linux, но по каким-то причинам не могут использовать на своем устройстве данную ОС. У Embox же есть возможность достаточно легко переносить прикладное ПО из открытых проектов под Linux. Таким образом были портированы ряд популярных проектов, даже Qt (embedded-версия) или уже описанный на хабре SIP-телефон . При этом, поскольку при использовании Embox включаются только требуемые модули, ресурсов для запуска требуется куда меньше.

В каких-то моментах данный проект превосходит Embox, в каких-то — наоборот. Идея запускать POSIX-приложения на системах с небольшими ресурсами является основной для ещё одного открытого проекта — NuttX. Но проект действительно очень интересен. Примеры с Qt и SIP-телефоном, насколько я знаю, NuttX не по зубам.

Например, FreeRTOS или RTEMS, который на сегодняшний день полностью соответствует POSIX Profile 52, означающему «один процесс, много потоков, файловая система». Также стоит отметить, что часть RTOS тоже добавляют прослойку POSIX. На RTEMS даже делают успешные эксперименты по запуску Qt на микроконтроллерах

Безопасный Linux

Если несколько с другой стороны взглянуть на статическую сборку образа маленьких RTOS, то есть всю функциональность определить на момент создания, то можно заметить, что получается естественная защита от вредоносного кода, то есть вирусов. Конечно, в Linux можно сделать очень хорошую систему безопасности, но всё-таки основные проблемы с безопасностью связаны с человеческим фактором (слабые пароли, утеря пароля, повышение прав пользователя и т.д). То есть, при получении рутовых прав, вся защита, по сути, становится не актуальной и можно установить, что угодно куда угодно. В случае же статической сборки злоумышленник может пользоваться только уже имеющимся функционалом. Да, он, возможно сможет получить статистику или сделать какую-то настройку, но, согласитесь, это куда меньшее зло, чем в случае установки вредоносных программ. Плюс, на универсальных системах стоимость системы защиты, скажем так, не нулевая. В нашем же случае это достается гораздо дешевле, поскольку заложено уже на этапе проектирования.

Linux реального времени

Я довольно много посвятил вопросу использованию Linux в качестве системы реального времени. Объяснил почему этого трудно достичь, а также почему попытки предпринимаются. Так вот, вернемся к уже приведенной ссылке на статью о роботе с распознаванием линии по OpenCV. Если заглянули по ссылке, то возможно обратили внимание, что OpenCV крутится на RaPi, а управление моторами происходит на отдельной плате Arduino. На это есть пара причин: первая — планировщик, вторая — то, что управление происходит из пользовательского режима, а в нем у Linux нет доступа к оборудованию. Как вы наверное догадались, в Embox обе проблемы можно решить гораздо проще чем в Linux. И на одной плате с достаточными ресурсами можно и OpenCV запустить, и моторами управлять.

Пример — станок ЧПУ, который управлялся по веб-интерфейсу, коротко описанный мной в статье. Было несколько устройств, которые сочетали в себе функциональность Linux и работу в реальном времени. Ну и если мы делаем роботов на нескольких платах, то это мультиагентные системы.

Internet of Things

Embox, как и фактически все RTOS для микроконтроллеров, имеет низкие требования по ресурсам. Вот уже описанный на хабре пример игрушки на stm32vl-discovery. Запускался Embox даже на 16-разрядном MSP-430 c 512 байтами ОЗУ. Но если взглянуть, например, на код из статьи с игрушкой, можно заметить, что там используются не стандартные POSIX-потоки, а собственная реализация бесстековых потоков (light threads). Естественно, если пойти дальше и реализовать весь код самостоятельно, уверен, можно добиться и лучшего результата по затратам памяти. Но “умные” датчики это только одна из частей IoT. Они передают данные на какие то более мощные узлы. И делают они это по какому-то протоколу. Но если на этом узле тоже будет запущен Embox, и код библиотеки, реализующий протокол общения, будет общим, то это упростит разработку. Ведь во-первых, код общий, и даже если есть ошибка в реализации протокола, то она нивелируется тем, что один и тот же код будет работать на обеих сторонах общения. А во-вторых, код можно отладить на платформе с большими ресурсами, что куда более привычно и просто.

Немного подробнее об тяжелой судьбе проекта можно узнать посмотрев видео с одного из наших первых первых выступлений на CodeFreeze.

Заключение

Данная статья раскрывает лишь небольшой сегмент в многообразном embedded мире. Не упомянуты такие важные темы как бытовая техника, автомобили, приборостроение, АСУ-ТП. Но как я уже сказал в начале, в статье я хочу всего лишь “поговорить” об особенностях embedded. Надеюсь, статья была достаточно интересной, и прочитав ее, вы узнали что-то новое! И давайте обсудим особенности данной сферы в комментариях.

S. P. Так что, приглашаем использовать проект и конечно участвовать в нем! Ну и да, Embox не только “embedded”, но еще и “opensource”.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть