Open-Source RTOS für Embedded-Systeme Vorteile in vielen Fällen

In den Satelliten Solar Orbiter und Parker Solar Probe arbeitet das Open-Source-Echtzeit-Betriebssystem RTEMS.

Schon früh hat Embedded Brains auf RTEMS gesetzt, ein Open-Source RTOS. Dass der Bereich seit nunmehr 25 Jahren stetig und sehr stabil durch alle Zyklen wächst, hat mehrere Gründe.

Als die Gravitationswellenam 11.Februar 2016 die zueinander senkrecht stehenden Arme eines der beiden LIGO-Detektoren verzerrten, konnten zum ersten Mal die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen gemessen und experimentell direkt nachgewiesen werden. „Verzerren“ bedeutete in diesem Experiment: Der eine Arm schrumpfte gegenüber seinem dazu senkrechten Pedant um die unglaubliche Distanz eines tausendsten Teils eines Protonendurchmessers.

Es liegt auf der Hand, dass es eine präzise Echtzeitsteuerung erfordert, diese Messgenauigkeit realisieren zu können. Wobei wir bei Echtzeit-Betriebssystemen (RTOS) wären. Im LIGO-Detektor kommt sogar ein besonderes Open-Source-RTOS zum Einsatz: RTEMS.

Warum das so ist, zeigt ein Blick auf die RTOS-Landschaft. Wer sich auch nur oberflächlich mit RTOS beschäftigt, wird feststellen, dass es eine Vielzahl verschiedener, teilweise miteinander konkurrierender Systeme gibt. Der Anwender hat die also Qual der Wahl.

Große Auswahl an Real-Time Operating Systems

Da fällt der Blick zunächst auf die RTOS der großen Anbieter. Sie haben sehr gute Systeme entwickelt, der Anwender setzt darauf, dass es die Unternehmen noch lange gibt und er freut sich auf umfangreichen Support. Wer sich für ein solches System entscheidet, kann – so scheint es – nichts falsch machen.

Doch es lohnt sich, die jeweiligen Einsatzfälle sehr genau anzuschauen, besonders wenn sie spezielle Anforderungen stellen, was gerade im Embedded-Bereich häufig vorkommt. Es gilt zu beachten, dass die Großen der Branche sich aufgrund ihres Geschäftsmodells an dem orientieren müssen, was die meisten ihrer Kunden benötigen, nicht an Spezialitäten. Und weil es sich um Unternehmen handelt, die kommerziell erfolgreich sein müssen, kann auch einmal ein Produkt abgekündigt werden. Übernahmen und Produktabkündigungen sind ebenfalls schon vorgekommen.

Wer also etwas Besonderes will, der könnte seinen Blick in Richtung Open-Source RTOS werfen. Doch ist das nicht nur etwas für Bastler? Dieser Ruf hängt den Open-Source-RTOS-Systemen immer noch nach, obwohl sie schon in vielen Einsatzfällen bewiesen haben, dass sie oft gerade die Sicherheit bieten, die die Anwender zunächst aus dieser Ecke gar nicht erwartet hätten: Langzeitverfügbarkeit, kontinuierliche Weiterentwicklung, Skalierbarkeit. Denn gerade weil eine lebendige Open-Source Community ständig dabei ist, die Betriebssysteme auf dem neuesten Stand zu halten, können sie Vorteile bieten. Sie entwickeln sich laufend fort und lassen sich auf zahlreiche Spezialanwendungen hin optimieren. Und wenn es eine Branche gibt, die sehr viele Anwendungsgebiete unterschiedlichster Art abdecken darf, so sind es die Hersteller von Embedded-Systemen.

Geld mit Open Source verdienen

Ein solcher Hersteller ist Embedded Brains in Puchheim bei München, der sich auf die Entwicklung von Single- und Multicore-Systemen hoher Leistungsfähigkeit spezialisiert hat. Thomas Dörfler, Mitgründer und Managing Director des Unternehmens, feiert in diesem Jahr einen besonderen Geburtstag, gemeinsam mit der RTEMS-Entwickler-Community. Fast auf den Monat genau vor 25 Jahren wurde RTEMS in einem ersten Commit in seinem Open-Source Repository veröffentlicht, zu einem Zeitpunkt also, als der Open-Source-Gedanke noch nicht allzu weit verbreitet war. Das ist nicht nur ein stolzes Alter, es gibt einen weiteren Grund zum Feiern: RTEMS hat sich zu einem Renner des Unternehmens entwickelt und trägt inzwischen rund 20Prozent zum Umsatz bei. »Seit 1995 wächst RTEMS stetig und hat sich zu einem stabilen Standbein des Unternehmens entwickelt«, sagt Dörfler. Warum? »Vor allem liegt das Kern-Know-how unserer Kunden ja nicht auf dem Gebiet der RTOS. Das können sie uns überlassen und wissen, dass sie auf ein zukunftsfähiges System setzen.«

Eine Erkenntnis, die offenbar bei vielen ankommt: »Es sind keine spektakulären Wachstumssprünge zu verzeichnen, aber auch keine Rückschläge. »Die Kunden, die sich einmal dafür entschieden haben, die behalten wir«, beobachtet Dörfler.
Was also hat es mit RTEMS auf sich? Dieses Echtzeitbetriebssystem kann auf eine lange Geschichte zurückblicken. Ursprünglich als „Real-Time Executive for Missile Systems“ in den 1980er-Jahren für Raketensteuerungen entwickelt, hat es sich unter der Leitung von Dr. Joel Sherrill von der OAR Corp. seit 1991 zu einem Open-Source-System gewandelt, das auf eine Vielzahl von zivilen Anwendungen abzielt, wie sich auch in der Bedeutungswandlung des „M“ in RTEMS zeigt: Inzwischen steht die Abkürzung RTEMS für „Real-Time Executive for Multiprocessor Systems“. Die OAR koordiniert die Open-Source RTEMSCommunity, kümmert sich um die erforderliche Infrastruktur, organisiert Fortbildungen und steuert die RTEMS-Aktivitäten. Embedded Brains ist für den europäischen Support zuständig. Heute ist RTEMS auf eine Vielzahl von Prozessoren angepasst, darunter M68k/Coldfire, i386, PowerPC, ARM, Sparc, MIPS und RISC-V. Es hat sich über die Jahre zu einem mächtigen, multiprozessorfähigen System entwickelt.

Deshalb setzt nicht nur LIGO auf Open-SourceSoftware wie EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) und RTEMS, sondern sie sind in vielen Forschungsprojekten rund um die Welt zu finden, im Kernfusionsprojekt ITER über zahlreiche Teilchenbeschleuniger wie CERN oder Desy ebenso wie in Satelliten-Projekten, etwa dem im Februar 2020 gestarteten Solar Orbiter der europäischen Weltraumorganisation ESA und der 2017 gestarteten Parker Solar Probe der NASA, die beide den Sonnenwind untersuchen sollen. So ist es kein Wunder, dass Embedded Brains eng mit der ESA zusammen arbeitet. »Wir haben die Kooperation mit der Open-Source RTEMSCommunity sogar ins Rollen gebracht«, erinnert sich Dörfler, der auch Mitglied im Steering Committee von RTEMS ist.