RTOS

So wird ein Raspberry Pi echtzeitfähig

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Claus Kühnel / Sebastian Gerstl

Ein mit PREEMPT_RT-Patch ausgestatteter Linux Mainline Kernel reicht aus, um auch ein Raspberry Pi mit Echzeitfähigkeiten auszustatten.
Ein mit PREEMPT_RT-Patch ausgestatteter Linux Mainline Kernel reicht aus, um auch ein Raspberry Pi mit Echzeitfähigkeiten auszustatten. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Für das Raspberry Pi sind zahlreiche Betriebssysteme vorhanden, die jedoch Echtzeitanforderungen in der Regel nur unzureichend erfüllen. Mit dem PREEMPT_RT Patch können Sie auf dem Einplatinenrechner dagegen Echtzeiteigenschaften erreichen.

Für den Raspberry Pi werden zahlreiche Betriebssysteme, meist Linux-Derivate, angeboten. Elektronikpraxis.de hat in dieser Übersicht die Standard-Distribution Raspbian sowie 39 weitere Betriebssysteme vorgestellt. Darin fanden mit ChibiOS/RT und FreeRTOS auch zwei Portierungen von Echtzeitbetriebssystemen Erwähnung, die allerdings nicht von offizieller Seite unterstützt werden.

Diese beiden Varianten sind aber nicht die einzige Möglichkeit, einen Raspberry Pi mit Echtzeiteigenschaften zu versehen. Der PREEMPT_RT Patch des Linux Mainline-Kernels ist eine interessante Alternative, die hier eingehend betrachtet und deren Eigenschaften mit Messergebnissen untersetzt werden soll.

Realtime Linux (RTL)

In vielen Bereichen der Steuerungstechnik wird echtzeitfähiges Verhalten der eingesetzten Rechner erwartet. Neben proprietären Echtzeitbetriebssystemen (RTOS) wurde auch versucht, Standard-Betriebssystemen Echtzeitverhalten zu vermitteln.

Für Linux-Devices gibt es verschiedene Möglichkeiten, Echtzeitfähigkeit sicher zu stellen. Im White Paper „LINUX und Echtzeit – Eine Übersicht prinzipieller Lösungsansätze“ werden unterschiedliche Möglichkeiten dazu aufgezeigt. Der PREEMPT_RT Patch des Mainline-Linux-Kernels ist der favorisierte und durch die Linux-Community getragene Ansatz.

PREEMPT_RT ermöglicht es, auf einfache Weise Echtzeitverhalten mit Linux zu erreichen, so dass es sich mittlerweile als Standard durchgesetzt hat. Etwa 90 Prozent des deterministischen PREEMPT_RT Patches sind nun im Mainline Kernel selbst verfügbar. Eine Abgrenzung zu Dual-Kernel-Systemen wie Xenomai und RTAI, die einen Mikrokernel parallel zu einem separaten Linux-Kernel einsetzen, ist auch an eben dieser Stelle zu finden.

Das Open Source Automation Development Lab (OSADL) wurde vor über zehn Jahren von Unternehmen der Automatisierungsindustrie gegründet mit dem Ziel, die nachhaltige Anpassung von Open Source und Linux an deren Erfordernisse anzupassen. Gerade in der Automatisierungsindustrie spielen Echzeitanforderungen häufig eine entscheidende Rolle.

So wurden die Beiträge der OSADL-Mitglieder unter anderem dazu verwendet, um Echtzeit-Linux zu fördern, dessen Entwicklung anteilig zu finanzieren und ein Testzentrum zur Qualitätssicherung zu betreiben.

Die OSADL-Anforderungen an ein Realtime Linux (RTL) sind folgende:

  • Langzeit-Verfügbarkeit
  • Benutzerfreundlichkeit (Ease of Use; User Space Realtime)
  • POSIX API für Echtzeit (Standard API)
  • Unterstützung zahlreicher Prozessor-Architekturen
  • Mainstream-Unterstützung durch den Vanilla-Kernel

Auf der Website kernel.org werden alle Kernel-Versionen archiviert. Die dort befindlichen Referenzkernel werden auch als Vanilla-Kernel bezeichnet.

OSADL unterstützt die Echtzeit-PREEMPT_RT-Patches für Mainline Linux, die unter anderem von Ingo Molnár und Thomas Gleixner entwickelt wurden und nun von Thomas Gleixner und Mitarbeitern gepflegt werden. Die Organisation ist der Überzeugung, dass Langzeitstabilität nur erreicht werden kann, wenn die Echtzeitaspekte möglichst nahe am Vanilla-Kernel liegen.

40 Betriebssysteme für den Raspberry Pi

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