Sviluppo di Os integrati personalizzati per dispositivi constranei alle risorse

Questo articolo esplora i principi essenziali, le architetture e le strategie di sviluppo per la costruzione di un sistema operativo personalizzato integrato che prospera su hardware limitato alle risorse.

Hardware si limita che forma OS Design

Prima di scrivere una singola funzione del kernel, è necessario comprendere l'ambiente hardware. I dispositivi con restrizioni mostrano generalmente le seguenti caratteristiche:

• Coppie CPU a bassa potenza:[] Spesso ARM Cortex-M, RISC‐V RV32IMC, o AVR a 8 bit.
• Positivi pool di memoria:[ RAM misurata in kilobyte, non megabyte.
• Set periferica redotto:[] Una manciata di GPIO, UART, SPI, I2C e forse un ADC di base. I controller complessi come USB OTG o Ethernet MAC sono rari.
• Fonti di energia intermittente:[ Molti dispositivi sono alimentati a batteria o utilizzano la raccolta di energia.
• Nessuna fonte di clock standard:[] Gli oscillatori RC interni sono comuni; i cristalli esterni possono essere assenti, con precisione di tempismo.

Questi vincoli influenzano direttamente l'architettura del sistema operativo, ad esempio, senza un MMU, non puoi contare sulla memoria virtuale. Ogni compito deve essere collegato staticamente o utilizzare uno schema di partizionamento della memoria cooperativa. Allo stesso modo, l'assenza di un timer hardware con più canali costringe il kernel a implementare timer software utilizzando un singolo tick del sistema.

Principi di progettazione per un sistema operativo minimal Embedded

Costruire un sistema operativo integrato personalizzato richiede l'adesione a alcuni principi fondamentali che guidano ogni decisione dal design del programmatore al layout del driver.

Stampa a pedale miniatura

Il testo del kernel più i dati devono essere inseriti nel flash del dispositivo e nella RAM con spazio per risparmiare per il codice dell'applicazione. Un kernel minimalista tipico occupa 2-10 KB di flash e 1-4 KB di RAM. Ciò significa che ogni funzione deve giustificare il suo costo di memoria.

Comportamento in tempo reale deterministico

Molte applicazioni integrate richiedono tempi di risposta garantiti. Un sistema operativo personalizzato può implementare un programmatore preemptive predettabile con priorità fissa o prima linea-prima pianificazione. La latenza interrotta deve essere misurata in microsecondi, e il kernel non deve mai disabilitare interrotti per lunghi intervalli.

Modularità e separazione delle preoccupazioni

Progettare il sistema operativo come un insieme di moduli indipendenti: scheduler, memory manager, driver di dispositivo e framework di eventi. Ogni modulo espone un'API minimale e può essere sostituito o omesso per ridurre l'impronta. Ad esempio, se il dispositivo non ha file system, lasciare il livello di archiviazione completamente.

Consumo di energia bassa

Quando non è pronto per l'esecuzione, il kernel entra nel più basso stato di sonno possibile – WFE/WFI su ARM Cortex‐M, o SLEEP su AVR. Le interruzioni da timer o eventi esterni svegliano la CPU solo quando necessario.

Kernel Architettura Scelte

La scelta della struttura del kernel giusto è probabilmente la decisione architettonica più importante. Tre modelli comuni appaiono nel mondo incorporato.

Kernel monolitico

Tutti i servizi OS (scheduler, memoria, interrompi, driver) vengono eseguiti in un unico contesto privilegiato. Questo approccio è semplice e veloce perché non c'è alcuna penalità di switch di contesto per le chiamate di sistema. Tuttavia, un bug in un driver può crashare l'intero sistema.

Microkernel

Solo i primitivi più essenziali (task switching, interromp handling, comunicazione interprocess) vengono eseguiti in modalità kernel. Driver e server di sistema vengono eseguiti come processi separati in modalità utente. La protezione della memoria attraverso un MPU (Memory Protection Unit) può isolare i guasti, ma il passaggio dei messaggi aggiunge la testa.

Exokernel o Library OS

Un esokernel fornisce un multiplo hardware minimo e consente alle applicazioni di implementare le proprie astrazioni del sistema operativo tramite una serie di interfacce a basso livello. Questo approccio consente il massimo controllo sulla gestione delle risorse e può raggiungere un overhead estremamente basso. In pratica, è raro nei sistemi incorporati commerciali perché sposta la complessità allo sviluppatore di applicazioni.

Gestione della memoria senza un MMU

In assenza di un'unità di gestione della memoria, il kernel deve gestire la memoria direttamente.

Allocation statica

Tutte le attività e le strutture dati sono allocate nel tempo di compilazione. Lo script del linker mette il codice, le variabili globali e le regioni di stack a indirizzi fissi. Questo approccio garantisce che la memoria non è mai frammentata e che l'utilizzo di picco è prevedibile. Il lato negativo è che non è possibile regolare dinamicamente l'assegnazione della memoria a runtime.

Localizzazione dinamica basata su piscina

Se il dispositivo deve gestire carichi di lavoro variabili (ad esempio, il parsing dei messaggi di lunghezza variabile), un insieme di pool di memoria a dimensione fissa può essere utilizzato. Ogni piscina contiene blocchi di una dimensione specifica (ad esempio, 16, 32, 64 byte). malloc()]] è sostituito da pool alloc(dimensione)[FLT]

void gpio_set(int pin, int val) {
 if (val) *GPIO_OUTSET = (1 << pin);
 else *GPIO_OUTCLR = (1 << pin);
}