» Termine utilizzato per indicare l uso di HW e SW all interno di un prodotto progettato per svolgere una funzione specifica

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1 SISTEMI OPERATIVI SISTEMI OPERATIVI EMBEDDED Sistemi Embedded» Termine utilizzato per indicare l uso di HW e SW all interno di un prodotto progettato per svolgere una funzione specifica il computer non è esterno al sistema ma è nascosto + un sistema embedded è parte di un sistema più grande ad es., i sistemi di controllo in un auto sono sistemi embedded (ABS, ESP, ecc.) 2

2 CAN (Controller Area Network) 3 Organizzazione di un sistema embedded Custom logic Processor Memory Human interface Diagnostic port A/D conversion Sensors D/A Conversion Actuators/ indicators 4

3 Deeply embedded systems» Sistemi diffusi in ambito IoT» Uso di microcontrollori al posto di microprocessori» Non programmabili La logica di funzionamento è memorizzata in modo permanente in ROM» Nessuna interazione con utente Rispondono a eventi del mondo esterno compiendo una azione specifica» Collegamento a Internet» Vincoli stringenti in termini di memoria e di consumo di energia 5 Caratteristiche di un sistema operativo Embedded» Funzionamento in real-time» Funzionamento reattivo» Configurabilità» Flessibilità nell uso di periferiche I/O» Meccanismi di protezione e sicurezza ridotti pieno controllo delle fasi di realizzazione e sviluppo di tutto il software eseguito su un sistema embedded» Uso diretto di interruzioni da parte dei processi 6

4 Sviluppo di sistemi operativi embedded Due approcci adattamento di un sistema operativo tradizionale progetto e sviluppo di un sistema operativo dedicato all applicazione specifica 7 8

5 Adattamento di un Sistema Operativo esistente» Ad un sistema operativo commerciale possono essere aggiunte + funzionalità real-time + gestione di flussi di operazioni ad alta velocità + altre funzionalità necessarie all applicazione Vantaggio familiarità dell interfaccia Svantaggio Non è ottimizzato per applicazioni real-time e embedded 9 Embedded Linux» Versione di Linux eseguita in un sistema embedded» Una distibuzione embedded di Linux è una versione di Linux che deve essere personalizzata in base ai vincoli di memoria e di hardware + comprendono i pacchetti software che offrono servizi e applicazioni + il kernel di una distribuzione embedded di Linux sarà molto più piccolo del kernel di una distribuzione Linux tradizionale 10

6 Cross Compiler» Nei sistemi tradizionali il sistema operativo è compilato sullo stesso tipo di sistema che lo eseguirà» Una distribuzione Linux embedded di solito è compilata su una piattaforma (ad es., desktop) ma il codice prodotto è eseguibile solo sulla piattaforma embedded cross-compiler 11 Cross-compiler Kernel Source From open source or hardware vendor Kernel Configuration Defined according to target hardware and system requirements Cross Compiler Executable on host system Kernel image Executable on target system; ready to be started by boot loader on target system 12

7 Embedded Linux File Systems» Esempi di file system utilizzati cramfs + file system read-only minimizza lo spazio e massimizza l uso dello spazio di memorizzazione squashfs + file system read-only compresso, jffs2 + file system log-based specifico per l uso in dispositivi flash fi tipo NOR e NAND ubifs + migliori prestazioni sin dispositivi flash di grandi dimensioni yaffs2 + file system veloce e robusto per dispositivi flash di grandi dimensioni 13 Vantaggi dei sistemi embedded basati su Linux» Indipendenza dalla casa produttrice autonomia nell aggiunta di nuove caratteristiche e nel rispetto delle scadenze di rilascio» supporto per un ampia varietà di sistemi hardware processori e periferiche» basso costo sia costi di sviluppo, sia costi per la formazione» open source larga comunità di sviluppo 14

8 Sistemi Embedded sviluppati ad hoc» Caratteristiche salienti cambio di processo o di thread veloce la politica di scheduling è di tipo real-tme e il dispatcher è parte dello scheduler dimensioni ridotte risposta rapida a interruzioni esterne minimizzazione degli intervalli durante i quali le interruzioni sono disabilitate gestione della memoria con partizioni fisse o variabili supportano tipi di file sequenziali per accumulare flussi di dati ad alta velocità Esempi di sistemi embeded ad hoc ecos TinyOS 15 Vincoli temporali Il kernel gestisce i vincoli temporali attraverso tempo di esecuzione delle primitive limitato temporizzazione real-time allarmi speciali e timeout code real-time primitive per ritardare l esecuzione per un intervallo di tempo fissato e per sospendere/riprendere l esecuzione 16

9 TinyOS Sistema minimale per sistemi embedded, WSN (Wireless Sensor Networks), IoT Il Core OS occupa 400 byte di memoria (istruzioni e dati) Non ha funzionalità RTOS» Assenza di kernel processi sistema per l allocazione della memoria» La gestione di Interrupt e eccezioni dipende dalla periferica» Durante l esecuzione non è previsto lo stato di bloccato esistono solo alcune funzionalità per la sincronizzazione 17 Struttura di TinyOS» I sistemi embedded progettati a partire da TinyOS sono costituiti da un insieme di moduli chiamati componenti ciascun componente esegue un task semplice i componenti si interfacciano fra loro e con l hardware con modalità ben definite e limitate» Lo scheduler esegue le attività del sistema Esempi di componenti standard Single-hop networking Ad-hoc routing Power management Timers Nonvolatile storage control Linguaggio di programmazione NesC 18

10 Component - Task» Un componente software implementa uno o più task» Un task è simile ad un thread di un tipico Sistema Operativo» I task sono eseguiti come elementi atomici Ciascun task giunge a conclusione senza interruzione Un task non può: Un task può: Essere prelazionato da un altro task appartenente al medesimo componente Bloccarsi o rimanere in attesa attiva Eseguire calcoli Chiamare componenti di più basso livello (comandi) Inviare segnali a eventi di più alto livello Chiedere esecuzione (schedule) altri task 19 Component - Command» Un comando è una richiesta non bloccante di solito per richiedere un servizio a un componente di più basso livello» Un comando non può prelazionare il task in esecuzione 20

11 Component - Event» Gli eventi in TinyOS possono essere collegati o no a eventi hardware I component software di basso livello si interfacciano direttamente con gli interrupt hardware» Il gestore degli eventi in un componente di basso livello può gestire direttamente l interrupt oppure può propagare i messaggi legati all evento verso i componenti più in alto nella gerarchia 21 TinyOS Scheduler» E attivo su tutti i componenti» Esegue un task alla volta» Lo scheduler è un componente separato dal resto del sistema È l unica parte di TinyOS che deve essere presente in qualunque sistema» Lo scheduler di default è una semplice coda FIFO» Lo scheduler gestisce anche l alimentazione Il processore è messo a riposo se non ci sono task in coda 22

12 Obiettivi TinyOS» Concorrenza» Utilizzabile in casi di risorse molto limitate» Adattabile all evoluzione dell hardware» Offre supporto per un ampia gamma di applicazioni» Offre supporto per diverse piattaforme» Robustezza 23 Esempi di sistemi embedded commerciali» QNX QNX Neutrino RTOS Realtime embedded system, microkernel design, and modular architecture that supports hundreds of POSIX commands, utilities, and programming interfaces QNX OS for Automotive Safety QNX OS for Medical Molto diffuso in ambiente automobilistico 24

13 Architettura QNX Neutrino 25 QNX Neutrino microkernel» thread services (POSIX thread-creation)» signal services (POSIX signal)» message-passing services tutti i messaggi scambiati fr i thread sono gestiti dal microkernel» synchronization services (POSIX threadsynchronization)» scheduling services (POSIX realtime scheduling policies)» timer services (POSIX timer services)» process management services 26

14 Esempi di sistemi embedded commerciali» Wind River VxWORKS RTOS con diversi profili per diversi settori applicativi usato nella missione MARS Curiosity della NASA» Green Hills Integrity Diverse versioni per diversi ambiti applicativi 27 Esempi di sistemi embedded commerciali» LYNX LYNXOS RTOS LynxOS is a deterministic, hard real-time operating system that provides POSIX-conformant APIs in a small-footprint embedded kernel. LynxOS provides symmetric multi-processing support to fully take advantage of multi-core/multi-threaded processors 28