Embedded operating system projects

  • In today’s life, embedded systems are ubiquitous. But they differ from traditional desktop systems in many aspects – these include predictable timing behavior (real-time), the management of scarce resources (memory, network), reliable communication protocols, energy management, special purpose user-interfaces (headless operation), system configuration, programming languages (to support software/hardware co-design), and modeling techniques. Within this technical report, authors present results from the lecture “Operating Systems for Embedded Computing” that has been offered by the “Operating Systems and Middleware” group at HPI in Winter term 2013/14. Focus of the lecture and accompanying projects was on principles of real-time computing. Students had the chance to gather practical experience with a number of different OSes and applications and present experiences with near-hardware programming. Projects address the entire spectrum, from bare-metal programming to harnessing a real-time OS to exercising the fullIn today’s life, embedded systems are ubiquitous. But they differ from traditional desktop systems in many aspects – these include predictable timing behavior (real-time), the management of scarce resources (memory, network), reliable communication protocols, energy management, special purpose user-interfaces (headless operation), system configuration, programming languages (to support software/hardware co-design), and modeling techniques. Within this technical report, authors present results from the lecture “Operating Systems for Embedded Computing” that has been offered by the “Operating Systems and Middleware” group at HPI in Winter term 2013/14. Focus of the lecture and accompanying projects was on principles of real-time computing. Students had the chance to gather practical experience with a number of different OSes and applications and present experiences with near-hardware programming. Projects address the entire spectrum, from bare-metal programming to harnessing a real-time OS to exercising the full software/hardware co-design cycle. Three outstanding projects are at the heart of this technical report. Project 1 focuses on the development of a bare-metal operating system for LEGO Mindstorms EV3. While still a toy, it comes with a powerful ARM processor, 64 MB of main memory, standard interfaces, such as Bluetooth and network protocol stacks. EV3 runs a version of 1 1 Introduction Linux. Sources are available from Lego’s web site. However, many devices and their driver software are proprietary and not well documented. Developing a new, bare-metal OS for the EV3 requires an understanding of the EV3 boot process. Since no standard input/output devices are available, initial debugging steps are tedious. After managing these initial steps, the project was able to adapt device drivers for a few Lego devices to an extent that a demonstrator (the Segway application) could be successfully run on the new OS. Project 2 looks at the EV3 from a different angle. The EV3 is running a pretty decent version of Linux- in principle, the RT_PREEMPT patch can turn any Linux system into a real-time OS by modifying the behavior of a number of synchronization constructs at the heart of the OS. Priority inversion is a problem that is solved by protocols such as priority inheritance or priority ceiling. Real-time OSes implement at least one of the protocols. The central idea of the project was the comparison of non-real-time and real-time variants of Linux on the EV3 hardware. A task set that showed effects of priority inversion on standard EV3 Linux would operate flawlessly on the Linux version with the RT_PREEMPT-patch applied. If only patching Lego’s version of Linux was that easy... Project 3 takes the notion of real-time computing more seriously. The application scenario was centered around our Carrera Digital 132 racetrack. Obtaining position information from the track, controlling individual cars, detecting and modifying the Carrera Digital protocol required design and implementation of custom controller hardware. What to implement in hardware, firmware, and what to implement in application software – this was the central question addressed by the project.show moreshow less
  • Heutzutage sind eingebettete Systeme allgegenwärtig. Allerdings unterscheiden sie sich in vielen Aspekten von traditionellen Desktop-System – dazu gehören vorhersagbares Zeitverhalten („Echtzeit“), die Verwaltung von knappen Ressourcen (Speicher, Netzwerk), zuverlässige Kommunikationsprotokolle, Energiemanagement, spezialisierte Benutzungsschnittstellen („headless“), Systemkonfiguration, Programmiersprachen (zur Unterstützung von Software-Hardware-Co-Design) und Modellierungstechniken. In diesem technischen Bericht präsentieren die Autoren Ergebnisse aus der Vorlesung „Betriebssysteme für Embedded Computing“, die von der Fachgruppe „Betriebssysteme und Middleware“ am HPI in Wintersemester 2013/14 angeboten wurde. Schwerpunkte der Vorlesung und der begleitenden Projekte waren Prinzipien von Echtzeit-Computing. Die Studenten hatten die Möglichkeit, praktische Erfahrungen mit einer Reihe von verschiedenen Betriebssystemen und Anwendungen zu sammeln und präsentieren ihre Erfahrungen mit hardwarenaherHeutzutage sind eingebettete Systeme allgegenwärtig. Allerdings unterscheiden sie sich in vielen Aspekten von traditionellen Desktop-System – dazu gehören vorhersagbares Zeitverhalten („Echtzeit“), die Verwaltung von knappen Ressourcen (Speicher, Netzwerk), zuverlässige Kommunikationsprotokolle, Energiemanagement, spezialisierte Benutzungsschnittstellen („headless“), Systemkonfiguration, Programmiersprachen (zur Unterstützung von Software-Hardware-Co-Design) und Modellierungstechniken. In diesem technischen Bericht präsentieren die Autoren Ergebnisse aus der Vorlesung „Betriebssysteme für Embedded Computing“, die von der Fachgruppe „Betriebssysteme und Middleware“ am HPI in Wintersemester 2013/14 angeboten wurde. Schwerpunkte der Vorlesung und der begleitenden Projekte waren Prinzipien von Echtzeit-Computing. Die Studenten hatten die Möglichkeit, praktische Erfahrungen mit einer Reihe von verschiedenen Betriebssystemen und Anwendungen zu sammeln und präsentieren ihre Erfahrungen mit hardwarenaher Programmierung. Die Projekte adressieren das gesamte Spektrum von der Bare-Metal-Programmierung über die Nutzung eines Echtzeitbetriebssystem bis zur Anwendung des vollen Software-Hardware-Co-Design-Zyklus‘. Drei herausragende Projekte sind das Herzstück dieses technischen Berichts. Projekt 1 konzentriert sich auf die Entwicklung eines Bare-Metal-Betriebssystems für LEGO Mindstorms EV3. Obwohl es ein Spielzeug ist, kommt es mit einem leistungsstarken ARM-Prozessor, 64 MB Hauptspeicher und Standardschnittstellen wie Bluetooth und einem Netzwerkprotokollstapel. Auf dem EV3 läuft spezielle Linux-Version – die Quellen sind auf der Lego-Website verfügbar. Allerdings sind viele Geräte und deren Treiber-Software urheberrechtlich geschützt und nicht gut dokumentiert. Die Entwicklung eines neuen Bare-Metal-Betriebssystem für den EV3 erfordert ein Verständnis des EV3-Bootvorgangs. Da keine Standard-Ein-/Ausgabegeräte zur Verfügung stehen, sind anfängliche Debug-Schritte mühsam. Nach dem Absolvieren dieser ersten Schritte war das Projekt in der Lage, Gerätetreiber für einige Lego-Geräte anzupassen um einen Demonstrator (die Segway-Anwendung) erfolgreich auf dem neuen Betriebssystem laufen zu lassen. Projekt 2 befasst sich mit dem EV3 aus einer anderen Perspektive. Der EV3 wird mit einer üblichen EV3 Linux-Version betrieben – im Prinzip kann der RT_PREEMPT-Patch jedes Linux-System in ein Echtzeitbetriebssystem verwandeln, indem er das Verhalten einer Anzahl von Synchronisationskonstrukten im Herzen des Betriebssystems anpasst. Priority Inversion ist ein Problem, das durch Protokolle wie Prioritätsvererbung oder Priority Ceiling gelöst wird. Heutige Echtzeit-Betriebssysteme implementieren mindestens eines dieser Protokolle. Die zentrale Idee des Projekts war der Vergleich der Nicht-Echtzeit und Echtzeit-Varianten von Linux auf der EV3-Hardware. Ein Task-Set, das die Auswirkungen der Prioritätsumkehr auf Standard-EV3 Linux zeigt, würde ohne Probleme auf der Linux-Version mit dem RT_PREEMPT-Patch betrieben werden können. Wenn nur das Patchen Lego-Version von Linux war so einfach wäre... Projekt 3 nimmt den Begriff des Echtzeit-Computing ernst. Das Anwendungsszenario wurde um unsere Carrera Digital 132 Bahn angeordnet. Das Sammeln von Positionsinformationen, die Steuerung einzelner Fahrzeuge, die Erfassung und Änderung des Carrera Digital-Protokolls erfordert die Konzeption und Umsetzung von spezialisierter Controller-Hardware. Die zentrale Fragestellung dieses Projekts war, was in Hardware, in Firmware oder in der Anwendungssoftware zu implementieren ist.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Grapentin, Kirstin Heidler, Dimitri Korsch, Rakesh Kumar Sah, Nicco Kunzmann, Johannes Henning, Toni Mattis, Patrick Rein, Eric Seckler, Björn Groneberg, Florian Zimmermann
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-69154
ISBN:978-3-86956-296-4
ISSN:1613-5652 (print)
ISSN:2191-1665 (online)
Series (Serial Number):Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam (90)
Publisher:Universitätsverlag Potsdam
Place of publication:Potsdam
Editor:Uwe Hentschel, Daniel Richter, Andreas Polze
Document Type:Preprint
Language:English
Year of first Publication:2014
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Publishing Institution:Universitätsverlag Potsdam
Release Date:2015/01/29
Tag:Betriebssysteme; Carrera Digital D132; Echtzeit; Erfahrungsbericht; LEGO Mindstorms EV3; RT_PREEMT-Patch; eingebettete Systeme
Carrera Digital D132; LEGO Mindstorms EV3; RT_PREEMT patch; embedded systems; experience report; operating systems; real-time
Issue:90
Pagenumber:xi, 87
RVK - Regensburg Classification:ST 230
Organizational units:An-Institute / Hasso-Plattner-Institut für Digital Engineering gGmbH
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Publication Way:Universitätsverlag Potsdam
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:
In Printform erschienen im Universitätsverlag Potsdam:

Embedded Operating System Projects / Uwe Hentschel, Daniel Richter, Andreas Polze (Eds.). – Potsdam: Universitätsverlag Potsdam, 2014. – xi, 87 S. : Ill., graph. Darst.
(Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik an der Universität Potsdam ; 90)
ISSN (print): 1613-5652
ISSN (online): 2191-1665
ISBN 978-3-86956-296-4
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