Definition Was ist Zephyr Real-Time Operating System (RTOS)?

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

Das Zephyr Real-Time Operating System (RTOS) ist ein frei verfügbares Open-Source-Echtzeitbetriebssystem der Linux Foundation. Es ist für das Internet der Dinge (IoT) konzipiert. Aufgrund des geringen Ressourcenbedarfs eignet es sich für Geräte mit beschränkter Leistungsfähigkeit wie eingebettete Geräte. Das Zephyr RTOS unterstützt eine Vielzahl verschiedener Hardware-Plattformen.

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Zephyr RTOS ist der Name eines frei verfügbaren Echtzeitbetriebssystems (Real-Time Operating System) der Linux Foundation. Es basiert auf Open-Source-Software und erschien 2016 in der initialen Version 1.0.0. Das Betriebssystem wurde seit 2016 kontinuierlich weiterentwickelt. Die Version 2.6.0 erschien im Juni 2021. Zephyr RTOS ist für Geräte des Internets der Dinge (IoT – Internet of Things) konzipiert und zeichnet sich durch einen geringen Ressourcenbedarf aus. Es eignet sich für Embedded Devices (eingebettete Geräte) und andere Geräte mit beschränkter Leistungsfähigkeit.

Das vom Zephyr-Projekt (gehostet von der Linux Foundation) entwickelte RTOS ist modular aufgebaut, skalierbar und mit vielen verschiedenen Hardware-Architekturen wie ARM, ARC, Intel x86, RISC, NIOS, Arduino und anderen kompatibel. Häufiger Anwendungsbereich des Zephyr Real-Time Operating Systems ist die Vernetzung von Geräten wie Sensoren, Smart Devices, drahtlose IoT-Gateways oder Wearables. Zu den Unterstützern des Zephyr RTOS gehören renommierte Unternehmen wie Intel, Synopsis, Texas Instruments, Bose, NXP Semiconductors und andere.

Die Software steht unter Apache-2.0-Lizenz und setzt sich aus verschiedenen Komponenten wie Kernel, Bibliotheken, Gerätetreiber, Dateisystemen und Protokollstacks zusammen. Die Entwicklungsumgebung für Zephyr ist auf Geräten mit Windows-, macOS- und Linux-Betriebssystem nutzbar. Das Zephyr Real-Time Operating System (RTOS) steht in Konkurrenz mit weiteren Echtzeitbetriebssystemen wie FreeRTOS, Nucleus RTOS, QNX oder VxWorks.

Die grundlegenden Anforderungen an ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS)

Bevor im Detail auf die Funktionen und Eigenschaften des Zephyr Real-Time Operating Systems eingegangen wird, zunächst einige Informationen zu den grundlegenden Anforderungen, die ein Echtzeitbetriebssystem zu erfüllen hat. Es handelt sich bei einem Echtzeitbetriebssystem um ein Betriebssystem, das für die Verwendung mit eingebetteten Systemen und Geräten mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit optimiert ist und die Ausführung von Echtzeitanwendungen gestattet.

Typische Aufgaben, die ein mit einem RTOS ausgestattetes Gerät zu erfüllen hat, sind Mess- und Steueraufgaben. Eine der zentralen Anforderungen an das Echtzeitbetriebssystem ist, dass Anfragen oder Events in einer vorher absehbaren Zeit bearbeitet und auch die Ergebnisse der Datenverarbeitung in einer bestimmten Zeit geliefert werden. Die Datenverarbeitung findet quasi in Echtzeit statt. Verzögerungen, beispielsweise durch Zwischenspeicher verursacht, sind minimiert. Über Hardware-Schnittstellen empfangene digitale oder analoge Signale lösen die Events und Anfragen sowie die Datenverarbeitungsvorgänge aus.

Wichtige Anforderungen an ein RTOS:

  • vorbestimmbares Zeitverhalten
  • Unterstützung von Multitasking-Verfahren wie das präemptive Multitasking
  • Unterstützung verschiedener Hardware-Plattformen und ihres Interruptverhaltens

Die Komponenten und Eigenschaften des Zephyr Real-Time Operating Systems

Das Zephyr Real-Time Operating Systems besteht aus mehreren Einzelkomponenten. Diese Komponenten sind:

  • Kernel
  • Bibliotheken
  • Protokollstacks
  • Gerätetreiber
  • virtuelle Dateisystemschnittstelle für verschiedene Dateisysteme

Der Kernel bestand ursprünglich aus einem Nano- und einem Mikrokernel. Sie sind mittlerweile in einem Unikernel vereint. Der Nanokernel-Anteil stellt eine Echtzeitumgebung zur Verfügung. Der Mikrokernel lässt sich für Anwendungen nutzen, die keine Echtzeitverarbeitung benötigen. Für den Kernel sind nur wenige Kilobyte Arbeitsspeicher notwendig. Funktionen und Eigenschaften des Kernels sind unter anderem der Single Address Space, die Unterstützung verschiedener Scheduling-Algorithmen, die Unterstützung einer Memory Protection Unit (MPU) und die Unterstützung sowohl von symmetrischem als auch von asymmetrischem Multiprocessing.

Der modulare Kernel gestattet ein flexibles Kompilieren mit den jeweils gewünschten Funktionen. Die für das Zephyr Real-Time Operating System verfügbaren Protokollstacks erlauben die Kommunikation mit Protokollen wie IPv4, IPv6, CoAP (Constrained Application Protocol), Bluetooth, Bluetooth Low Energy, CAN (Controller Area Network), 802.15.4, LWM2M (Lightweight M2M), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und anderen. Die virtuelle Dateisystemschnittstelle für nichtflüchtige Speicher unterstützt Dateisysteme wie NVS, LittleFS oder FATFS. Im Zephyr Real-Time Operating System sind auch Mechanismen zum Updaten der Firmware und Funktionen zum Management der Geräte vorgesehen.

Die Vorteile des Zephyr Real-Time Operating Systems

Das Zephyr Echtzeitbetriebssystems der Linux Foundation bietet zahlreiche Vorteile wie:

  • unter Apache-2.0-Lizenz frei verfügbares Open-Source-Echtzeitbetriebssystem (für kommerzielle und nicht-kommerzielle Anwendungen einsetzbar)
  • Unterstützung einer Vielzahl verschiedener Hardware-Architekturen (auch auf vielen Entwicklungsboards einsetzbar)
  • geringer Ressourcenbedarf (nur wenige Kilobyte an Arbeitsspeicher notwendig)
  • modularer und flexibel konfigurierbarer und kompilierbarer Kernel
  • Langzeitunterstützung (Long Term Support – LTS) mit Sicherheitsupdates
  • unter hohen Sicherheitsanforderungen entwickelt (sicherheitszertifizierbarer Code)
  • Unterstützung zahlreicher Protokolle und Standards zur Datenübertragung und drahtlosen oder kabelgebundenen Kommunikation
  • geeignet für die Verbindung mit der Cloud
  • unter Linux, Windows und macOS lauffähige Entwicklungsumgebung
  • große Community im Netz
  • integrierte Managementfunktionen und Firmware-Update-Mechanismen
  • direkt für Anwendungen und Produkte einsetzbar

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