Hutschienen-PC mit eigener Echtzeit-Linux OSADL-Distribution: Hard- und Software aus einer Hand

Bis in die 90-er Jahre des letzten Jahrhunderts war echtzeitfähige Hard- und Software dediziert verfügbar. Man bekam die Pakete als geschlossene Lösungen, die in der Regel über ausreichende Echtzeitfähigkeit verfügten. Heutige PC-Technik, die in vielen Fällen die dedizierten Systeme von früher abgelöst hat, ist aber nicht \’automatisch\‘ echtzeitfähig. Die Erlangung einer geeigneten \’Worst-Case\‘-Latenz, ein Maß für die Echtzeitfähigkeit eines Systems, kostet mitunter einen erheblichen Aufwand. Als Faustformel bemisst sich die erreichbare \’Worst-Case\‘-Latenz eines Sysems auf 105-mal Zykluszeit des Prozessors – bei 1GHz also etwa 100µs. Durch individuelle Optimierung lässt sich dieser Wert weiter reduzieren. Dafür muss aber alles stimmen – Hardware, BIOS, Betriebssystem, Treiber usw. Eine einzige ungeeignete Komponente wie z.B. ein BIOS-Interrupt, der das System in regelmäßigen Abständen anhält, kann dafür verantwortlich sein, dass eine bestimmtes CPU-Board für Echtzeitanwendungen ungeeignet ist. Und dies betrifft dann alle Betriebssysteme gleichermaßen. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, dass entsprechende Hard- und Software aus einer Hand kommen und der Lieferant über das nötige Know-how verfügt, die \’Worst-Case\‘-Latenz des Systems zu überprüfen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, wenn die spezifizierten Echtzeiteigenschaften einmal nicht erreicht werden. Linux GNU General Public License (GPL)-Distribution Kontron wird demnächst eine eigene kostenfreie Linux GNU General Public License (GPL)-Distribution, die für den Hutschienen-PC Kontron ThinkIO-Duo konzipiert ist, anbieten. Sie wird auf dem echtzeitfähigen OSADL-Linux-Kernel basieren und enthält ein Linux File System, eine Cross Compiler Toolchain, Board-Treiber und Libraries für die Kontron-spezifischen HW-Features sowie weitere Tools zum Download und umfangreiche User Manuals. Hinzu kommt der Support von Open-Source-Virtualisierungslösungen wie beispielsweise die KVM/Qemu-Virtualisierung, die auf Intel Core2 Duo Boards sehr gute Performanceeigenschaften bietet. Abgerundet wird das Leistungsspektrum z.B. durch Tools zum updaten von BIOS-Versionen und anderer Board-Firmware unter der GPL, um nur einige Open-Source-Lösungen zu benennen. Damit kommen Lösungen von Kontron als \’Freie und Open-Source-Software\‘ (FOSS) zum Kunden. Diese gestattet dem Anwender, die Software – uneingeschränkt einzusetzen – zu analysieren und für eigene Bedürfnisse anzupassen – an andere weiterzugeben – zu verändern und die Veränderungen zu veröffentlichen Der zweite und der vierte Punkt werden dabei durch den freien Zugang zum Quellcode sichergestellt. Der Erwerb dieser Rechte ist dabei auch an die Kunden übertragbar. Entgegen häufig geäußerter Vorstellung darf die Weitergabe von FOSS dabei durchaus entgeltlich erfolgen, wobei aber klar geregelt ist, dass dieses Entgelt nicht für die Lizenzierung selbst, sondern nur für begleitende Leistungen wie z.B. für den mit der Weitergabe verbundenen Aufwand erhoben werden darf. Unabhängig davon darf natürlich ein OEM auch die von ihm für Weiterentwicklung und Pflege von FOSS erbrachten Tätigkeiten seinem Kunden in Rechnung stellen. Die Vorteile einer solchen Distribution liegen auf der Hand: Der Maschinenbauer bzw. Automatisierer erhält – weitgehende Software-Kontrolle für seine Maschine – eine Unabhängigkeit von Abkündigungen – und kann einen Vendor-Lock vermeiden Er ist folglich nicht mehr an die normalerweise sehr eingeschränkte und zeitlich begrenzte Nutzungserlaubnis von proprietärer Software gebunden. Auch profitiert der Anwender von der unabhängigen Weiterentwicklung der Software. Firmengeheimnisse im Bereich der Verfahrenstechnologie und der Applikationsebene müssen dabei aber nicht preisgegeben werden, wenn die Applikationsschnittstelle zwischen dem Betriebssystem (dem \’Kernel\‘) und der Applikation beispielsweise dem sogenannten POSIX-Standard folgt. Eine solche Applikation gilt also nicht als \’vom Betriebssystem abgeleitet\‘ und muss daher auch nicht unter der GNU GPL freigegeben werden. Insofern können Maschinenbauer das unter der GNU GPL lizenzierte ThinkIO-Linux als Betriebssystem verwenden, ohne ihre Applikationen oder sonstige Verfahrensdetails offenlegen zu müssen. Vorteile von OSADL RT-Linux Kontron hat sich entschieden, als erste eigene Linux-Distribution das OSADL-RT-Linux zur Grundlage zu nehmen, um auf Basis dieses Kernels Systeme mit vorinstallierten Betriebssystemen anbieten zu können. OSADL verzeichnet nicht nur in der Automatisierungs- und Maschinenbaubranche in Deutschland, sondern auch zunehmend globales Interesse. So wurde beispielsweise im April 2009 sogar Intel Mitglied in diesem Echtzeit-Linux-Verbund, was die zunehmende Bedeutung dieser Organisation deutlich unterstreicht. Eine Hauptaufgabe der OSADL-Organisation ist dabei die Funktion als \’Einkaufsgemeinschaft für Open-Source-Soft­ware\‘: Von den Mitgliedsbeiträgen werden Entwicklungsaufträge für Open-Source-Software-Projekte vergeben, die von der Mehrheit der Mitglieder benötigt bzw. befürwortet werden, so dass die Kosten für neue Implementierungen dadurch auf mehrere Schultern verteilt werden. Darüber hinaus verfolgt OSADL die Standardisierung von Software-Schnittstellen für die Automatisierungs­industrie sowie deren Zertifizierung. Vorteile der Distribution eines Hardwarelieferanten Insbesondere im Bereich der Echtzeitsysteme auf dedizierter Hardware ist die individuelle OS-Konfiguration besonders wichtig. Die spezifischen I/O-Treiber sind ohnehin schon immer im Leistungsumfang des Hardwareanbieters enthalten. Aber auch abseits dieser Hauptaufgaben gibt es eine Vielzahl von betriebssystemimmanenten Funktionen bzw. Konfigurationen, die ein dediziertes System je nach Konfiguration besser oder schlechter machen. Dies trifft beispielsweise auch bei der Art der Implementierung von Virtualisierungsfunktionen zu. Diese nutzen OEM zunehmend als Vehikel, um Ihre Softwareapplikationen mit proprietärem OS, beispielsweise Visualisierungen, in simulierten virtuellen Umgebungen weiter lauffähig zu halten. So sollen bestehende Investitionen langfristig gesichert werden. Darüber hinaus erhöht die Virtualisierung auch die Verfügbarkeit von Servern und ermöglicht darüber hinaus, heterogene Software (wie beispielsweise RT-Steuerung und Webserver als HMI) in ein einziges Hardwaresystem zu integrieren, ohne dabei die \’Worst-Case\‘-Latenz der Hardware einzuschränken. Weitere Einsatzbereiche sind beispielsweise ereignisorientierte IEC61131 Steuerungen sowie grundsätzlich zentralisierte industrielle Serverfarmen, die mit der Einführung von Industrial-Ethernet-Lösungen zunehmend möglich werden. Vereinfachtes Lizenzmanagement im Fokus Konkurrenz möchte Kontron professionellen Linux- und RTOS-Distributionen damit jedoch nicht machen, denn auch diese werden von Kontron mit passenden BSPs unterstützt. Dieser Ansatz zeigt jedoch einen Weg, wie Open Source auch durch die Hardwareanbieter zunehmend zum OEM-Kunden gebracht wird, was die Systempflege langfristig deutlich effizienter gestalten kann. Aber auch bei der Implementierung können Distributionen von Hardwareherstellern die Arbeit deutlich erleichtern, wenn es beispielsweise um das Lizenzmanagement unter GPL geht. Um Kunden bei der Anwendung der Open-Source-Software vor Lizenzverletzungen zu schützen, werden die BSP-Libraries, die HW-Funktionalität von Kontron-Boards für User-Applikationen verfügbar machen, beispielsweise unter der LGPL (Library- bzw. Lesser-GPL) ausgeliefert. Die LGPL erlaubt es dem Anwendungsentwickler, diese Lib­rary einzubinden und dennoch die Anwendung selbst geschützt zu halten. Außerdem berät Kontron bereits frühzeitig den Kunden über die zu beachtenden möglichen Fallstricke der Open-Source-Lizenzen und bietet beispielsweise auch in Zusammenar­beit mit OSADL Lösungsansätze für die Umschiffung von Open-Source-Problema­tiken. Anbieter wie Kontron haben das erforderliche Know-how, und verfügen über Plattformen, die ausgereiften Softwaresupport bieten. Eine GPL-Distribution von Hardwareanbietern zu nutzen, ist deshalb eine Alternative zwischen Eigenentwicklung und kommerzieller Distribution, die im Rahmen von Open-Source-Projekten zunehmend bedeutend wird. Die Verfügbarkeit der vollständigen, OSADL-zertifizieren Distribution ist für das dritte Quartal geplant. Der hierfür vorgesehene Kernel und die wichtigsten Treiber sind bereits jetzt verfügbar, sodass Entwickler bereits heute mit der Entwicklung passender Applikationen unter echtzeitfähigem Linux starten können. Neben Linux unterstützt Kontron beim ThinkIO auch Windows XP Embedded. Kasten 1: ThinkIO-Duo: Flexible und offene OEM-Plattform Zur dezentralen Anbindung von Industrial-Ethernet- sowie klassischen Feldbuskomponenten ist der Hutschienen-PC ThinkIO-Duo von Kontron mit Profinet RT-Controller, Profibus DP- und CANopen-Master Funktionalität ausgestattet. Durch das flexible Plattformkonzept sind weitere Protokolle projektspezifisch ohne Anpassung der Treibersoftware möglich. Der mit 70 mm Tiefe und 35 mm Stecklevel sehr kompakte und passiv gekühlte Hutschienen-PC bietet einem Intel Core Duo Prozessor U2500 mit einer Taktfrequenz von 1,2 GHz und 512 MB oder 1 GB RAM Hauptspeicher. Der embedded IPC im robusten Aluminiumgehäuse bietet neben seiner hohen Rechenleistung und internem Flash (512 MB/2 GB) u.a. einen bedarfsgerecht bestückbaren Compact-Flash Sockel als Datenspeicher oder für Backup/Updates, einen 512 KB großen, nicht flüchtigen Speicher sowie alle Standard PC-Schnittstellen (2 x USB 2.0, RS232, DVI-I) und 2 GBit LAN-Schnittstellen. Der Fernzugriff oder eine Anbindung in die Unternehmens-IT-Welt (betriebswirtschaftliche Systeme und Datenbanken) ist somit möglich. Die interruptfähigen Onboard-Eingänge können u.a. zur schnellen Reaktion auf externe Ereignisse, wie z.B. den Ausfall der 24 V Stromversorgung bei Verwendung einer externen USV oder beim Überschreiten eines Endbereichsschalters, genutzt werden. Watchdog und Echtzeituhr runden das System ab.