Definition Was ist Mbed?

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Mbed ist ein freies Betriebssystem und eine Entwicklungsplattform für ARM-Cortex-M-basierte 32-Bit-Mikrocontroller. Es wurde speziell für Anwendungen und Geräte des Internets der Dinge entworfen. Mbed stellt alle zur Entwicklung und zum Betrieb von Anwendungen auf IoT-Geräten benötigten Komponenten zur Verfügung. Dazu gehören Echtzeitbetriebssystem, Treiber, Bibliotheken, Entwicklungsoberfläche sowie Konnektivitäts- und Sicherheitsfunktionen.

Mbed ist der Name eines freien, von ARM und Technologiepartnern entwickelten Betriebssystems und einer Entwicklungsplattform für ARM-Cortex-M-basierte 32-Bit-Mikrocontroller. Eine Vielzahl verschiedener Mikrocontroller-Boards unterschiedlicher Hersteller wird unterstützt. Mbed wurde speziell für Anwendungen und Geräte des Internets der Dinge (IoT) entworfen. Das Mbed-Ökosystem stellt alle für die Entwicklung und den Betrieb von Anwendungen auf IoT-Geräten benötigten Komponenten zur Verfügung. Dazu gehören Echtzeitbetriebssystem-Kernel (Real-Time Operating System – RTOS), Treiber für Sensoren und I/O-Devices, Bibliotheken, Entwicklungsoberfläche sowie Konnektivitätsoptionen und Sicherheitsfunktionen.

Mithilfe von Mbed lassen sich Anwendungen schnell und ohne großen Aufwand entwickeln und auf günstigen Mikrocontroller-Boards testen und bereitstellen. Die Software ist unter Open-Source-Lizenz Apache 2.0 über GitHub und die Mbed-Projektseite verfügbar und kann für kommerzielle oder private Zwecke genutzt werden. Im Internet existiert eine große Mbed-Online-Community von Entwicklern. Die aktuelle Version von Mbed ist mbed-os-6.16.0 (Stand Juni 2022).

Komponenten der Entwicklungsplattform Mbed

Zur Entwicklungsplattform und zum Mbed-Ökosystem gehören alle Komponenten, die zur Entwicklung und zum Betrieb von IoT-Anwendungen auf ARM-Cortex-M-basierten Mikrocontrollern benötigt werden. Anwendungen lassen sich beispielsweise über die Mbed-Online-IDE entwickeln. Sie beinhaltet unter anderem einen freien Online-Code-Editor und Compiler. Auf dem lokalen Gerät ist für die Verwendung der Online-IDE lediglich ein Webbrowser mit Online-Verbindung notwendig.

Mit Mbed Studio existiert eine integrierte Entwicklungsumgebung (IDE – Integrated Development Environment) für lokale Desktops mit Betriebssystemen wie Windows, Linux oder macOS. Zur IDE gehören Zugang zum Compiler und Debugger sowie Mbed-Command-Line-Tools. Mbed Studio bietet die Möglichkeit, Programme aus dem Mbed-Online-Compiler zu importieren. Auch andere Entwicklungsumgebungen wie Keil µVision, IAR Embedded Workbench oder Eclipse lassen sich für die Mbed-Programmentwicklung einsetzen.

Architektur, Bestandteile und Profile des Mbed-Betriebssystems

Mbed OS ist ein flexibles, skalierbares Betriebssystem für Cortex-M-basierte Mikrocontroller. Die Architektur des Betriebssystems lässt sich in drei Ebenen unterteilen. Die unterste Ebene bildet die Hardware-Abstraktionsschicht (Hardware Abstraction Layer – HAL). Darüber befindet sich die Mbed OS API. Sie fungiert als Middleware und stellt wichtige Funktionen für das Betriebssystem wie Konnektivitäts- oder Speicherfunktionen zur Verfügung. Die oberste Ebene enthält den Programmcode und Bibliotheken wie die Pelion Device Management Client Library.

Das Betriebssystem Mbed OS ist im Full Profile als RTOS inklusive Keil RTX und allen RTOS APIs verfügbar. Als RTOS unterstützt Mbed Multithreading und die deterministische Echtzeitausführung von Programmcode. Im sogenannten Bare Metal Profile verhält sich das Betriebssystem nicht wie ein RTOS. In dieser Konfiguration enthält es nur die minimale Ausstattung an APIs und ist für ressourcenbeschränkte Geräte ohne Echtzeitanforderungen geeignet.

Konnektivitäts- und Sicherheitsfeatures des Betriebssystems Mbed

Mbed OS bietet eine große Vielfalt an Konnektivitätsoptionen. Mithilfe entsprechender Bibliotheken und Hardwareunterstützung lassen sich drahtlose oder kabelbasierte Verbindungen über Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth LE, Mobilfunk, NFC, RFID, LoRa LPWAN, 6LoWPAN Sub-GHz Mesh, Wi-SUN und andere Netzwerktechnologien herstellen. Um die Kommunikation abzusichern, lassen sich Protokolle wie TLS einsetzen. Ebenfalls unterstützt werden Sicherheitsfeatures wie Hardware-Enforced Security oder Hardware-Enforced Isolation mit TrustZone-Technologie.

Vorteile des Mbed-Betriebssystems und der Mbed-Entwicklungsplattform

Das Mbed-Betriebssystem und die Mbed-Entwicklungsplattform bieten eine Vielzahl an Vorteilen. Mbed stellt ein komplettes Ökosystem zur Entwicklung und zum Betrieb von Anwendungen auf IoT-Geräten mit Cortex-M-basierten Mikrocontrollern zur Verfügung. Die Software ist unter Apache-Lizenz 2.0 frei verfügbar und für kommerzielle wie private Zwecke einsetzbar. Im Internet existiert eine große Mbed-Online-Community. Viele Tutorials und Beispielcodes können abgerufen werden. Beispiele und Bibliotheken sind in der modernen, objektorientierten Programmiersprache C++ geschrieben. Der Programmcode lässt sich einfach wiederverwenden.

Die Architektur des in drei Ebenen konzipierten Mbed-Betriebssystems ist flexibel und skalierbar. Mbed ist als echtzeitfähiges RTOS mit deterministischem Verhalten einsetzbar, lässt sich aber auch in Minimalkonfiguration auf ressourcenbeschränkten Boards einsetzen. Der Funktionsumfang von Mbed beinhaltet eine Vielzahl Konnektivitätsoptionen, Sicherheitsfeatures und Unterstützung von Machine Learning und Cloud Computing. Zahlreiche verschiedene Boards, Module und Komponenten werden unterstützt. Als Entwicklungsumgebung sind Online- und Offline-Desktop-IDEs nutzbar. Die Entwicklung von Anwendungen für das Mbed-Ökosystem ist einfach, schnell und kostengünstig.

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