Auf einen Blick

Zu den Anforderungen von IoT-Geräten gehören:

  • kleine und hinsichtlich ihrer Speicherkapazität eingeschränkte System-on-Chips (SoC) wie 32-Bit-Mikrocontroller,
  • nahtlose Vernetzung ohne Benutzereingriff,
  • sichere Konnektivität durch Bluetooth Low Energy (BLE) oder Wi-Fi,
  • Trennung wichtiger Prozesse und Funktionen von nicht sicherheitskritischen Funktionen,
  • niedrige Leistungsaufnahme für Batteriebetrieb und hohe Systemzuverlässigkeit.

Für ein Echtzeitbetriebssystem ist es wichtig, einen möglichst kleinen Speicher zu haben, der sich mit den Anforderungen der einzelnen Geräte skalieren lässt. Der Kernel des Nucleus RTOS kann beispielsweise ab einer Größe von 3 kb eingesetzt und je nach Applikation angepasst werden. Kommen Funktionen wie eine Benutzerschnittstelle, Speicher oder die sichere Kommunikation via Secure Sockets Layer (SSL) hinzu, dann sollte sich der Speicher eines Echtzeitbetriebssystems nur um die minimal notwendige Kapazität vergrößern. Denn dies gewährleistet bessere Reaktionsfähigkeit, höhere Flexibilität bei der SoC-Auswahl und einen möglichst großen Speicher für die Applikation sowie die Daten der Endanwender.

Konnektivitätsbedarf

IoT-Geräte wie intelligente Stromzähler müssen in der Lage sein, sich mittels Zero Configuration Networking und Multicast Domain Name Services (mDNS) automatisch mit Netzwerken zu verbinden und anderen Geräten ihre Funktionalität durch Domain Name System Service Discovery (DNS-SD) zu beschreiben. Mit Hilfe von Bibliotheken, die diese Standards unterstützen, vereinfacht ein robustes, voll ausgestattetes Echtzeitbetriebssystem diesen Teil der Systementwicklung.

Das voll ausgestattete Nucleus Echtzeitbetriebssystem.

Das voll ausgestattete Nucleus Echtzeitbetriebssystem.Mentor Graphics

Die Palette der IoT-Geräte reicht von sogenannten Wearables, die Aktivitäten verfolgen, über intelligente Stromzähler bis hin zu portablen Medizinprodukten. Sobald eines der Geräte mit einem Netzwerk verbunden ist, muss es Informationen übertragen und empfangen. In allen Fällen müssen Entwickler einfachen Zugriff auf mehrere Kommunikationsprotokolle wie BLE oder Wi-Fi haben. Zudem sollten sie Daten durch Unterstützung von Verschlüsselungsbibliotheken und sicheren Datentransfer mittels SSL übertragen können.

Flexible Systemkonfiguration

Sind Geräte wie tragbare Medizinprodukte, die kritische Funktionen ausführen, mit einem Netzwerk verbunden oder mit Benutzerschnittstellen ausgestattet, müssen sich gewünschte und erforderliche Funktionen wie Gesundheitsüberwachung oder Steuerung voneinander trennen lassen. Eine Methode hierfür ist der Einsatz eines Hypervisors. Außerdem sollte ein Echtzeitbetriebssystem ein Prozessmodell zur Verfügung haben, dass die Trennung von Task und Bibliothek ermöglicht und Speicherschutz bietet. Mit Hilfe eines Prozess-Modell-Frameworks können Entwickler die verschiedenen Funktionen der angeschlossenen Geräte voneinander trennen und somit die Stabilität des gesamten Systems verbessern. Das Framework gestattet auch ein Update und die Validierung der Gerätefunktionen, ohne den gesamten Softwarestack zu erneuern.

Die Bedeutung des Powermanagements

Eines der wichtigsten Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von IoT-Geräten ist die Minimierung der Leistungsaufnahme. Ob ein Gerät batteriebetrieben, wiederaufladbar oder über einen Stecker an eine Steckdose angeschlossen ist, die Leistungsaufnahme ist immer ein wichtiger Aspekt. Durch Reduzieren der Stromaufnahme und entsprechenden Wärmeentwicklung lässt sich die Zuverlässigkeit eines Systems verbessern und die Leistungsaufnahme senken. Zwar haben Halbleiteranbieter Funktionen wie dynamische Spannungs-Frequenz-Skalierung, Energiesparmodi wie Ruhezustand oder Standby und die Möglichkeit zum Ein- und Ausschalten von Peripheriekomponenten eingeführt. Dennoch bleibt es aufwändig, die Vorteile dieser Funktionen optimal zu nutzen. Mit Hilfe des bei Nucleus RTOS angebotenen Powermanagement-Frameworks und API können sich Entwickler auf die Endanwendung konzentrieren, da das intelligente Echtzeitbetriebssystem alle notwendigen Schritte zum Reduzieren der Leistungsaufnahme übernimmt.

Im Zentrum des Nucleus-Powermanagement-Frameworks steht der Gerätemanager.

Im Zentrum des Nucleus-Powermanagement-Frameworks steht der Gerätemanager.Mentor Graphics

Um bei modernen IoT-Geräten Herausforderungen wie Konnektivitätsoptionen, Prozessmodelle und Powermanagement meistern zu können, hat das Echtzeitbetriebssystem vom einfachen Schedular bis heute einen langen Weg zurückgelegt – und wird sich auch in Zukunft weiterentwickeln.