Mit der zunehmenden Verbreitung von Smart-Home-Geräten werden Intelligenz und Vernetzung allgegenwärtig sein, wobei eingebettete Software eine entscheidende Rolle spielt. Die wichtigste Komponente ist dabei zweifellos das Echtzeitbetriebssystem (RTOS). Betriebssysteme wie Windows sind uns allen vertraut, die in eingebetteten Systemen üblicherweise verwendeten RTOS jedoch nicht. Microsoft hat mit Windows CE eine Embedded-Version von Windows veröffentlicht. Auch das einst weit verbreitete Linux spielt eine wichtige Rolle in eingebetteten Systemen. Die Grenzen zwischen traditionellen Desktop-Betriebssystemen und solchen für eingebettete Systeme scheinen zu verschwimmen. Doch wie sieht die Realität aus? Wesentliche Merkmale von RTOS: Betriebssysteme für eingebettete Umgebungen unterscheiden sich grundlegend von Desktop-Betriebssystemen. Diese Unterschiede führen zu unterschiedlichen Ergebnissen in der Produktentwicklung. Der erste Eindruck einer eingebetteten Umgebung ist ihr geringer Ressourcenverbrauch. Um ein herkömmliches Linux- oder Windows-Betriebssystem in ein eingebettetes Betriebssystem umzuwandeln, muss es daher zunächst angepasst werden. Im Vergleich zu Desktop-Umgebungen stellen eingebettete Umgebungen jedoch höhere Anforderungen an ihre Betriebssysteme als nur geringe Ressourcennutzung; die Designanforderungen sind grundlegend anders. Diese Unterschiede spiegeln sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Anpassbarkeit, Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit. Anpassungsfähigkeit und Anpassbarkeit: Aus Hardware-Sicht verfügen Desktop-Betriebssysteme über standardisierte CPU-, Speicher- und I/O-Architekturen, während Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) in eingebetteten Systemen lediglich standardisierte CPUs nutzen und keine standardisierten Speicher-, I/O- und Anzeigearchitekturen aufweisen. Aus Anwendungssicht sind Desktop-Betriebssysteme auf komplexe und sich ständig verändernde Anwendungen ausgerichtet, während RTOS für einzelne Anwendungen auf einzelnen Geräten konzipiert sind. Hinsichtlich der Entwicklungsschnittstelle versuchen Desktop-Betriebssysteme, Entwicklern eine Art „Black Box“ zu bieten, die es ihnen ermöglicht, die Funktionen des Betriebssystems über eine Reihe standardisierter Systemaufrufe zu nutzen. Eingebettete Systeme hingegen versuchen, Entwicklern eine Art „White Box“ zu bieten, die es ihnen ermöglicht, alle Systemressourcen autonom zu steuern. Kurz gesagt: Das Leitprinzip für die Forschung und Entwicklung von Desktop-Betriebssystemen ist die Erreichung umfassender Anpassungsfähigkeit ohne grundlegende Änderungen. Das heißt, unabhängig von Änderungen in der Anwendungsumgebung ist es optimal, die interne Struktur nicht zu beeinträchtigen oder wesentliche Änderungen zu erfordern. Umgekehrt muss ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) für eingebettete Systeme anpassungsfähig und offen sein, damit Entwickler es flexibel an unterschiedliche Hardware- und Anwendungsumgebungen anpassen und konfigurieren können. Da die Funktionalität jedes einzelnen eingebetteten Geräts definiert ist, müssen lediglich die für die jeweilige Anwendung benötigten Funktionen aus dem bestehenden Betriebssystem extrahiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Betriebssystemplattform, die lediglich durch manuelles Entfernen von Code angepasst werden kann, nicht wirklich individualisiert werden kann. Wahre Individualisierung bedeutet vielmehr, „Plug-and-Play“-Softwarekomponenten durch Softwarekonfiguration während der Softwareentwicklungsphase zu realisieren. Einer der größten Vorteile der Individualisierung für Anwender sind die reduzierten Hardwarekosten, was insbesondere für kostensensible Anwendungen wie Unterhaltungselektronik von großer praktischer Bedeutung ist. Da das Gerät nur die von der Anwendung genutzten Betriebssystemfunktionen enthält, wird das System einfacher und leichter zu verwalten, wodurch die Systemzuverlässigkeit erhöht wird. Präzision und Echtzeitfähigkeit: Viele verstehen unter Echtzeitfähigkeit einfach nur Geschwindigkeit. Doch wie schnell muss ein System sein, um als Echtzeit zu gelten? Tatsächlich liegt der Kern der Echtzeitfähigkeit in der Deterministik, nicht nur in der Geschwindigkeit. Ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) muss seine Aufgaben innerhalb einer vorgegebenen Zeit erledigen, und sein Verhalten (Ausführungsthread) ist deterministisch. Dies ist die Grundlage für die Entwicklung hochzuverlässiger Programme. Wird dieselbe Aktion mal schnell, mal langsam ausgeführt und variiert der Ausführungsthread stark, können Programmierer ihn nicht kontrollieren, und die Zuverlässigkeit kann nicht gewährleistet werden. Warum haben eingebettete Systeme so hohe Echtzeitanforderungen? Eingebettete Systeme überwachen und steuern primär die Aktionen von Instrumenten und Geräten, während Desktop-Betriebssysteme in der Regel auf Befehlen basieren, die Benutzer über Tastatur und Maus eingeben. Die Aktionen von Instrumenten und Geräten unterliegen vergleichsweise strengen, mechanischen Zeitvorgaben, während menschliche Aktionen und Reaktionen weniger zeitkritisch sind. Beispielsweise muss ein eingebettetes System, das ein Raketentriebwerk steuert, Befehle ausgeben, die nicht nur schnell sind, sondern auch extrem strenge Zeitvorgaben zwischen mehreren Triebwerken erfüllen; andernfalls kann selbst ein kleiner Fehler katastrophale Folgen haben. In solchen Anwendungsumgebungen sind Nicht-Echtzeitbetriebssysteme schlichtweg ungeeignet. Wenn es sich bei den von uns entwickelten Geräten nicht um lebenswichtige oder produktionskritische Systeme wie Luft- und Raumfahrzeuge handelt, sondern um Unterhaltungselektronik, bei der Fehler keine katastrophalen Folgen haben, ist Echtzeitfähigkeit (streng genommen Determinismus) dann überhaupt noch von praktischer Bedeutung? Die Antwort lautet: Ja! Eine hohe Gerätezuverlässigkeit kann die Wartungskosten effektiv senken; eine hohe Softwareeffizienz reduziert zudem die Anforderungen an die CPU und damit die Hardwarekosten. Bei preissensiblen Produkten wie Unterhaltungselektronik sind Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit weiterhin entscheidende Faktoren. Absolute Zuverlässigkeit – Ein weiterer Unterschied zwischen Desktop-Betriebssystemen und Echtzeitbetriebssystemen (RTOS) liegt in ihren Designphilosophien hinsichtlich Stabilität und Zuverlässigkeit. Desktop-Betriebssysteme sind in der Regel größer und komplexer, während RTOS kleiner und einfacher sind. Die Redewendung „Je einfacher, desto zuverlässiger; je komplexer, desto höher die Ausfallwahrscheinlichkeit“ trifft hier zu. Darüber hinaus, und das ist noch wichtiger, besteht ein signifikanter Unterschied in der Designphilosophie zwischen Desktop- und Embedded-Systemen. Desktop-Umgebungen gehen davon aus, dass Anwendungssoftware im Vergleich zum Betriebssystem unzuverlässig sein kann, während eingebettete Systeme die gleiche Zuverlässigkeit wie das Betriebssystem voraussetzen. Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) in eingebetteten Systemen erfordern, dass Anwendungssoftware die gleiche Zuverlässigkeit wie das Betriebssystem aufweist. Diese Designphilosophie stellt höhere Anforderungen an Anwendungsentwickler und setzt zudem ein ausreichend offenes Betriebssystem voraus. Das bekannte „Fassprinzip“ besagt, dass ein Mangel in einem Teil zu einem Mangel im gesamten System führt. Um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten, muss jeder Teil des Systems zuverlässig sein; Unzuverlässigkeit in einem Teil führt zu einer allgemeinen Systemunzuverlässigkeit. Die meisten Desktop-Systeme sind massive und komplexe Systeme mit zig Millionen Codezeilen, die selbst für Programmierer mit Quellcode schwer verständlich sind. Darüber hinaus sind die komplexen Details von Desktop-Systemen für Entwickler hinter festen Schnittstellen verborgen – einer Blackbox –, was es schwierig macht, die einzelnen Ausführungsprozesse zu verstehen. Selbst wenn der Kernel zuverlässig genug ist, ist die Anwendungsumgebung komplex und vielfältig, und einige Anwendungen sind oft instabil und unzuverlässig, was die Gesamtzuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu ist ein RTOS für Softwareentwickler vollständig offen. Es handelt sich um eine Whitebox, die es Entwicklern ermöglicht, ein sehr klares Verständnis und eine Kontrolle über die internen Abläufe des Betriebssystems zu erlangen, jedes Bit im Speicher und jede E/A-Schnittstelle zu steuern und zu kontrollieren, wodurch die Entwicklung effizienter und stabiler Anwendungssoftware ermöglicht wird.