Definition Was ist Nucleus RTOS?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

Nucleus RTOS ist ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System) von Mentor Graphics. Es ist für eingebettete System vorgesehen und unterstützt eine Vielzahl an 32- und 64-Bit-Hardwareplattformen. Das Echtzeitbetriebssystem eignet sich für IoT- und Cloud-Anwendungen und bietet Funktionen wie Multicore-Support, Power-Management, Multimedia-Support, Verschlüsselung und vieles mehr.

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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Nucleus RTOS (Nucleus Real-Time Operating System) ist ein im Jahr 1993 vom Unternehmen Accelerated Technology (AT) erstmals veröffentlichtes Echtzeitbetriebssystem. 2002 übernahm Mentor Graphics das Unternehmen. Seit 2017 gehört Mentor Graphics zum Siemens-Konzern. Das Echtzeitbetriebssystem ist für eingebettete Systeme vorgesehen. Es unterstützt eine Vielzahl an 32- und 64-Bit-Hardwareplattformen wie ARM-, PPC-, XScale-, MIPS- oder Power-Architekturen.

Typische Anwendungsbereiche des Nucleus RTOS sind die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrttechnik, die Fahrzeugbranche, der Konsumgütermarkt, das Internet der Dinge (IoT) und der Cloud-Bereich. Seit der ersten Veröffentlichung wurde das Betriebssystem in mehreren Versionen weiterentwickelt. Die aktuelle 3er-Version des Betriebssystems bietet eine große Anzahl an Funktionen. Dazu zählen Multicore-Support, Power-Management, Multimedia-Support, Verschlüsselung, Sicherheitszertifizierungen und vieles mehr.

Mittlerweile ist das Betriebssystem Nucleus RTOS auf über drei Milliarden Geräten installiert. Es zeichnet sich durch seine gute Skalierbarkeit, hohe Zuverlässigkeit und den geringen Ressourcenbedarf aus. Für die verschiedenen Anwendungsbereiche existieren unterschiedliche Varianten des Echtzeitbetriebssystems wie Nucleus RTX oder Nucleus PLUS. Zu Entwicklungszwecken steht die Eclipse-basierte Entwicklungsumgebung Nucleus EDGE zur Verfügung. Nucleus RTOS ist ein Closed-Source-Betriebssystem mit proprietärer Lizenz. Es steht in Konkurrenz mit vielen anderen Echtzeitbetriebssystemen wie FreeRTOS, Zephyr RTOS, QNX, VxWorks und anderen.

Grundsätzliche Anforderungen an ein RTOS

Bevor detaillierter auf die Eigenschaften und den Funktionsumfang von Nucleus RTOS eingegangen wird, zunächst einige grundlegende Informationen zu den Anforderungen an ein Echtzeitbetriebssystem. Ein Real-Time Operating System ist ein für eingebettete Systeme und die Ausführung von Echtzeitanwendungen optimiertes Betriebssystem. Oft haben die eingebetteten Systeme Steuer- und Messaufgaben zu erfüllen. Eine wichtige Eigenschaft des Betriebssystems ist, dass die Zeit, in der Anfragen und Ereignisse verarbeitet beziehungsweise die Ergebnisse der Verarbeitung geliefert werden, in einem vorgegebenen Rahmen bestimmbar ist. Ereignisse und Anfragen lassen sich beispielsweise durch analoge oder digitale Signale auslösen, die über Hardwareschnittstellen entgegengenommen werden.

Die Anforderungen an ein RTOS sind, kurz zusammengefasst, folgende:

  • vorbestimmbares Zeitverhalten für das Scheduling und das Speichermanagement
  • Unterstützung des Multitaskings beispielsweise in Form des präemptiven Multitaskings
  • Unterstützung des Interruptverhaltens verschiedener Hardwareplattformen

Komponenten und Funktionsumfang des Nucleus RTOS

Das Nucleus RTOS besteht aus mehreren Einzelkomponenten, die jeweils bestimmte Funktionen übernehmen oder Services bereitstellen. Diese Komponenten sind Kernel, Dateisystem, Konnektivität, Vernetzung, Sicherheit, Benutzer-Interface, Grafik, IoT Framework und Wireless.

Der Kernel unterstützt präemptives Scheduling und 32- oder 64-Bit-Architekturen, besitzt Schnittstellen zu C++, POSIX und TRON, hat ein integriertes Power-Management und lässt sich für Geräte mit eingeschränkter Speicherausstattung skalieren. Grundsätzlich benötigt Nucleus RTOS kein Dateisystem. Für komplexere Anwendungen mit lokaler Datenhaltung unterstützt es Dateisysteme wie FAT, SAFE, LWEXT und andere. Was die Konnektivität angeht, bietet Nucleus RTOS Support für zahlreiche Schnittstellen wie USB, Bluetooth, PCI, CAN, Secure Digital (SDIO), SPI, QSPI, Inter-Integrated Circuit (I²C) und andere.

Der Multimedia-Support beinhaltet CD-ROM, HDD, RAM Disk, Flash (NOR und NAND), USB Drive, SD MMC und weitere. Die Vernetzungskomponente mit ihrem IPv4- und IPv6-Stack unterstützt mehr als 60 Netzwerkprotokolle wie HTTP, HTTPS, ICMP, DHCP, NAT, FTP, SSH, PPP, SNMP, WebSockets oder NTP. Zur Absicherung der Systeme existieren Funktionen zur Verschlüsselung und Authentifizierung mit zahlreichen Standards und Protokollen wie OpenSSL, IPsec/IKE, SSL, TLS, DTLS, SSH, DES, 3DES, AES, SHA-256, RADIUS, 802.1X und andere. Für die Wireless-Kommunikation sind Standards wie IEEE 802.11 a/b/g/n, IEEE 802.15.4, Bluetooth oder Bluetooth LE nutzbar.

Zur Realisierung von grafischen Benutzer-Interfaces bietet Nucleus RTOS Support für OpenGL und andere User-Interface-Bibliotheken diverser Drittanbieter. Weitere bereitgestellte Services des Echtzeitbetriebssystems sind Shell, Tracing, Registry, Debugging und die Run-level-Initialisierung. Speziell für Anwendungen des Internets der Dinge stellt Nucleus RTOS Support für das Constrained Application Protocol (CoAP), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network) zur Verfügung.

Vorteile des Echtzeitbetriebssystems Nucleus RTOS

Vorteile des Echtzeitbetriebssystems Nucleus RTOS sind unter anderem:

  • stabiler und zuverlässiger Kernel mit geringem Bedarf an Hardwareressourcen
  • gute Skalierbarkeit des Kernels
  • integriertes Power-Management und Eignung für Niedrigenergieanwendungen
  • Unterstützung zahlreicher Sicherheitsfeatures wie Verschlüsselung und sicheres Booten
  • Unterstützung zahlreicher Hardwareplattformen
  • Multicore-Support
  • Unterstützung von grafikbasierten Benutzer-Interfaces
  • Eclipse-basierte Entwicklungsumgebung
  • große Basis an weltweit installierten Geräten
  • Unterstützung verschiedener Dateisysteme
  • hoher Sicherheitslevel dank Sicherheitszertifizierungen nach verschiedenen Standards wie DO-178C, IEC 61508, IEC 62304, oder ISO 26262

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