שימוש במערכות הפעלה היברידיות במערכות הנדסיות מורכבות

לכל ארכיטקטורה יש הסכמי סחר בביצועים, בידוד, ניסיון הסמכה וקלות פיתוח (לדוגמא: סריקה עמוקה יותר של יסודות RTOS וכיצד הם שונים מ- GPOS, ראה את ה-FLT:0FreeRTOS DocumentFLT:1 ו-FLT:2QNX90003FLT 3: 3).

יישומים במערכות הנדסה מורכבות

מערכות הפעלה היברידיות אינן סקרנות תיאורטית – הן פרוסות במערכות קריטיות, גבוהות של ענפים רבים.כאן אנו בודקים תחומי יישום מרכזיים וכיצד ארכיטקטורות מערכת ההפעלה ההיברידית מטפלות בדרישות הייחודיות שלהם.

חלל ו Avionics

כלי טיס מודרניים משלבים בקרת טיסה, ניווט, תצוגות תא הטייס, ניטור המנוע ובידור טיסה - כולם באותה רשת או אפילו אותו מודול מעבד.תקני Avionics כגון FLT:0ARINC 653FLT 1 המנדט חלוקת זמן ומרחב בין התנגשויות עם רמות קריטיות שונות.A היברידית באמצעות היפר-ביאו לינוקס מתפצלת RTOSkernel מאפשר את התוכנה 8D (Fred) כדי להבטיח מחסנית אבטחה ברמת אבטחה (D2) אם אינה יכולה להפריע להגדרה).

מערכות רכב

ברכב מודרני, מערכת ניהול מתקדם (ADAS) דורשת זמני תגובה רדיניסטיים עבור היתוך חיישן והוראות אקטוטור, בעוד מערכת המידע דורשת סביבה עשירה, עשירה באנדרואיד או לינוקס. יצרני רכב בדרך כלל לאמץ גישה היברידית מבוססת היפר-בידור: מכונה וירטואלית אחת מפעילה בקרת RTOS תואמים עבור בקרת מנוע ולינוקס, פועל אחרת עבור ראש המחלקה, ומערכת אבטחה משולבת (OLGTOF) עשויה להפחית את ההשפעה התקינה של מערכת ההפעלה השלישית של מערכת ההפעלה באופן ספציפי ל-HDOCTOSAR (O).

אוטומציה תעשייתית ורובוטיקה

בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLCs) ובקרים רובוטיים חייבים לבצע הלולאות שליטה עם CII Jitter תוך מתן מסך מגע HMI, שרת אינטרנט, ו- OPC-UA חילופי נתונים.מערכת היברידית יכולה להפריד את השליטה בזמן אמת על הליבה RTOS ייעודי, בעוד ערימה כללית של לינוקס מטפל ברשת וראייה.

מכשירים רפואיים

צגים של המטופל, משאבות אינפוזיה וציוד הדמיה אבחון לעתים קרובות משלבים שליטה ביקורתית בחיים עם דיווח גרפי מורכב.מערכת היברידית מאפשרת פונקציות קריטיות בטיחות (למשל, משאבה זרימה של רגולציה) לרוץ על מחיצת RTOS מוסמך, בעוד ממשק מסך מגע ורשת בית החולים לרוץ על סביבת GPOS נפרדת.זה מאפשר עמידה בסטנדרטים רפואיים של IEC 62304 בעוד עדיין מספק חוויות משתמש מודרניות.

אנרגיה ורשת חכמה

אוטומציה של חומרים חכמים דורשים גם רכישת נתונים מסונכרנים (למשל, ניתוח איכות כוח) ותקשורת עם שירותי ענן.אדריכלות מערכת ההפעלה היברידית מאפשרת דגימה בזמן אמת להיות מטופלים על ידי מחיצת RTOS זעירה, בעוד יישום מבוסס לינוקס ניהול נתונים קידוד ועדכוני קושחה מרוחקים.

יתרונות של מערכות הפעלה היברידיות

עיצובי מערכת היברידית מציעים כמה יתרונות קונקרטיים על חלופות חד-ארכיטקטורה אחת.למטה אנו מרחיבים את היתרונות המרכזיים, עם הקשר ריאלי שנמשך מפרקטיקה הנדסית.

גמישות והוצאה להורג מרובה-רוב

מערכת אחת יכולה להפעיל במקביל הלולאות בקרה בזמן אמת קשה, ממשקי משתמש מורכבים וערימות רשת.זה מבטל את הצורך במספר מחשבים נפרדים, לפשט את ה-wiring, התפלגות החשמל ושילוב המערכת. לדוגמה, בקר מעלית יכול לעבד לוגיקה דלת בטיחות במרווחים דטרמיניסטיים תוך מתן מאגר תחזוקה מבוסס אינטרנט והנתונים למסד נתונים של SQLite.

המונחים: service Utilization

על ידי דה המציין ליבות מעבד או מחיצות משימות ספציפיות, מערכות היברידיות יכולות למנוע תוכן משאבים להתרחש ב RTOS מסורתי או GPOS לבד. הצד בזמן אמת משתמש לוח זמנים קבוע עם לבות צפויות, בעוד הצד GPOS משתמש תזמון הוגן לשיתוף פעולה עבור עומסים לא קריטיים.זה גישה ממוקדת להימנע מעל פני שכבה וירטואלית מלאה כאשר שני התחומים הם זוג הדוק.

אמינות מוגברת ונפיחות

כאשר מחולק כראוי, כישלון בתחום מטרות כלליות (למשל, נהג גרפיקה מושחת) לא ישפיע על התחום האמיתי של זמן אמת. פונקציות קריטיות בטיחות להמשיך לפעול גם אם יישום של המשתמש-מרחבי מתרסק.זה קריטי עבור עמידה בסטנדרטים של בטיחות פונקציונליים כגון ISO 26262 (automotive) ו- IEC 615 (בתעשייתיים) תומכים באופן טבעי ברעיון של "תוכנה משולבת" עם דרישות קריטיות מרובות על בסיס משותף.

סקלאלה ויציבות

ככל שדרישות המערכת גדלות, באפשרותך להוסיף תכונות חדשות לצד GPOS מבלי למקם מחדש את הצד RTOS. גישה מוגדרת תוכנה זו מאפשרת עדכונים אוויריים והתאמה מהירה, אשר חשוב יותר ויותר בתחומי רכב ו-IoT.מערכת ההיברידית יכולה גם בקנה מידה למעבדים רב-core גדולים יותר על ידי הוספת ליבות לבריכת ה-GPOS או בריכת RTOS כפי שנדרש.

ניכוי עלויות באמצעות קונסולה

החלפת מספר רב של ECUs ייעודי או בקרים עם מערכת אחת על שבב (SoC) הפעלת מערכת היברידית מפחיתה את הצעת החוק-of-חומרים, צריכת חשמל, וטביעה פיזית. in aerospace, הקונסוליה הזו גם מפחיתה משקל וקנולינג. לדוגמה, אחד ARMx Cortex-A72 יכול לארח גם מחיצות avionics ומערכת דיגיטלית מבוססת לינוקס, בעוד שקודם לכן יש צורך יחידות אלה (L).

אתגרים ושיקולי עיצוב

מערכות הפעלה היברידיות אינן כדור כסף.הם מציגים מורכבות משמעותית שיש לטפל בה במהלך הגדרה, יישום והסמכה.

תקשורת בין-דומיין

האתגר הקשה ביותר הוא לאפשר תקשורת בטוחה, נמוכה יחסית בין התחומים בזמן אמת ותכליתי כללי תוך שמירה על בידוד. אזורי זיכרון משותפים חייבים להיות מוגנים מפני תנאי גזע וגישה בלתי מורשית.רבים היפרביטורים מספקים מנגנונים בין-מעבדים (IPC) אבל אלה יכולים להציג שקיפות ו- jittertime מהנדסים חייבים לעצב בקפידה את הטופולוגיה התקשורתית: באמצעות הודעה סינכרונית להעברת מידע לא קריטי ו-Friederding נתונים או מחסומי חומרה משותפים עם מחסומים אמיתיים.

תזמון מבטיחות תחת עומס כבד

הבטחת משימות בזמן אמת לעמוד בלוח זמנים גם כאשר הצד GPOS נמצא תחת כבד I / O לטעון הוא לא-trivial. במערכות AMP, הליבה RTOS יכול להיות מבודד זיהום cache שנגרם על ידי GPOS, אבל על שבבים רב-core עם צ'יפים משותפים ובקרי זיכרון, שביעות רצון היא בעיה אמיתית.

אבטחה Vulnerabilities

על ידי הפעלת תכונת GPOS עשיר (לעתים קרובות לינוקס או אנדרואיד) לצד גרעין קריטי בטיחות, משטח ההתקפה עולה באופן דרמטי. A פגיעת ערימה רשת GPOS או יישום משתמש יכול להיות מנוצל כדי להשפיע על הצד RTOS אם ההתפלגות אינה מושלמת. מהנדסי אבטחה חייבים ליישם מנעול מאובטח, בדיקות שלמות, בידוד מבוסס חומרה כגון ARM Trust או VTed. בנוסף תקשורת בין הערוצים הדרושים; הם חייבים ליישם את המוצפנת הכרחי; הם צריכים ליישם אתחול מאובטח, כאשר הם צריכים להיות מוצפנים.

אישור וסטנדרטים

מחיקת מערכת היברידית תחת תקני בטיחות כמו DO-178C או ISO 26262 הוא יקר ושעה-consuming.חלוקה RTOS עשויה לדרוש תאימות ברמת ה- GPOS, בעוד שניתן לפתח את החלוקה לרמה אינטגרטיבית נמוכה יותר.עם זאת, את ה- Hypervisor או הפרדה של מערכת כי אכיפת החלוקה חייבת להיות מוסמכת ברמה הגבוהה ביותר.

כלי ווויכוח

מפתחים מתמודדים עם עקומת למידה תלולה כאשר עובדים עם סביבות היברידיות.דיונים נושאים שחצו תחומיים - למשל, תזמון הנגרמת על ידי תהליך GPOS המשחרר קו מטמון RTOS - דורש כלים מיוחדים שיכולים לעקוב אחר הקרנלים בו זמנית.מעט מה-Shelf debuggers לתמוך ביכולת זו. in-house Tooling הוא לעתים קרובות צורך, הוספת עלויות פיתוח, בנוסף, לבנות את שני תיבות של מערכת הפעלה נפרדות, ותוכנות (או יותר, כולל מחסנים) עם מחסנים, מערכות שונות.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

מערכות הפעלה היברידיות ממשיכות להתפתח, מונעות על ידי התקדמות חומרה ודרישות הנדסיות חדשות.

וירטואליזציה מוגברת ב- Edge

As Edge מרחיב, ארכיטקטורות מערכת ההפעלה היברידית יוצבו באתרים מרוחקים שבהם אמינות ותגובה בזמן אמת הם קריטיים.Virtualization מאפשר מכשיר יחיד לארח מערכת בקרה ⁇ יסטית לצד סביבת יישום עשירה לניתוח נתונים, למידת מכונה וקישוריות ענן. Standards כמו FLT:0SOAFEEFLT:1 (אדריכלות פתוחה לרווחה עבור Embedded Edge) הם קידום היפר-sources מבוססי פריסה.

ניהול משאביות

מודלים של למידת מכונות יכולים לחזות תבניות עומס עבודה והתאמה דינמית של תזמון, תדירות, והקצאות הליבה בין RT ו- GP דומיין. זה "מערכת היברידית אינטנסיבית" יכול להתאים יעילות אנרגיה או ביצועים ללא כוונון ידני.מחקר בתזמון קריטי מעורב עם חיזוק למידה הוא מתמשך באוניברסיטאות ובמעבדות R&D של ספקים מוליכים למחצה.

סטנדרטיזציה של ממשקי API של מעורבות-Criticality APIs

קונסוליה בתעשייה פועלת כדי להגדיר API סטנדרטי של סביבות מערכת ההפעלה היברידית.דוגמאות כוללות את ה-FLT:0FACETMFLT:1 (Future A Air Capability Environment) תקן ב-Avionics ואת ה-FLT:2AUTOSAR Fitive PlatformFLT 3 ב- Auto.

שילוב עם בטיחות פונקציונלית על פני Ethernet

רשת זמן-רגישה (TSN) מאפשרת תקשורת ⁇ על פני Ethernet סטנדרטי.מערכת היברידית תשתמש יותר ויותר TSN כדי לחבר מחיצות בזמן אמת על פני מכשירים מרובים, המאפשרת מערכות בקרה מבוזרות ללא ערבויות תזמון הקרבה.זה מבטיח במיוחד עבור אוטומציה תעשייתית ציי רכב אוטונומיים שבו תיאום בין נקודות קצה הוא הכרחי.

מקור: Hybrid OS Efforts

בעוד פתרונות מסחריים רבים (QNX, VxWorks, PikeOS) שולטים בשווקים מוסמכים, פרויקטים קוד פתוח כגון:0XencioFLT:1 עם RT חתומי,FLT:2 Jailhouse 3FLT (a משקל חלוקת יתרויסטור), ו-FLT:4ACRNFRE:5 (הפנייה עבור יתר) הם עדיין לצבור פחות מוסדרים על ידי תוכניות הסמכה, אם כי הם עדיין לא מותאמים אישית.

מסקנה

מערכות הפעלה היברידיות הן תשובה מעשית ורבת עוצמה לדרישות הסכסוך של מערכות הנדסיות מורכבות מודרניות.על ידי שילוב הדטרמיניזם של RTOS עם העושר של סביבה למטרות כלליות, מהנדסים יכולים לבנות מערכות בטוחות וידידותיות למשתמש, תוך צמצום עלות החומרה והמורכבות.הדרך ליישום היברידי מוצלח דורש הערכה ארכיטקטורת קפדנית, הבנה עמוקה של מנגנוני תזמון ובודדות, כאשר פונקציות קריטיות הן מעורבות בתעשיית האבטחה, עם זאת, הן מורכבות יותר מאשר פונקציות אבטחה סטנדרטיות יותר, עם זאת, הן קבועות יותר מאשר פונקציות אבטחה.

כאווירה, כלי רכב, תעשייתיים, ומערכות רפואיות ממשיכות לדרוש ביצועים גבוהים יותר וקישוריות, מערכות הפעלה היברידיות יהפכו לבחירה ברירת המחדל. צוותי הנדסה שמשקיעים בהבנת האדריכלות הללו כיום יהיו מוכנים לבנות את הדור הבא של מוצרים אמינים, אינטליגנטיים ומשולבים.