Die Anfänge von VxWorks reichen bis in die 1980er Jahre zurück. Mit den 32-Bit-Prozessoren wurde auch VxWorks groß und war in einer VDC-Studie aus dem Jahr 2012 das meistgenutzte Echtzeit-Betriebssystem auf dem Markt. Als Erfinder der Echtzeit-Betriebssysteme gilt James Ready mit seinem VRTX-Kernel (sprich: „Virtex“), den Wind River in seiner Gründungsphase nutzte. Als sich ein Verkauf von Ready Systems an Mentor Graphics abzeichnete, entwickelte Wind River seinen eigenen Kernel und ist seit Ende der 80er Jahre unabhängig von VRTX. In der quartalsgetriebenen Dynamik des amerikanischen Aktienmarkts durchlief Wind River etliche Turbulenzen. Die schwerste war sicherlich eine Konsolidierungsphase nach dem Aufkauf der Firma Integrated Systems 1999 – dem seinerzeit schärfsten Wettbewerber. Zehn Jahre später wurde Wind River selbst von Intel übernommen und ist seitdem in ruhigeres Fahrwasser geraten, was auch zur Kontinuität der Produkte und der Mitarbeiter beigetragen hat.

Heute nimmt man vor lauter Clouds kaum noch das Fundament der Software wahr: die Betriebssysteme. Sie werden einfach als vorhanden vorausgesetzt und sind auch kaum noch ein eigenständiges Produkt, sondern meist Bestandteil eines Geräts oder einer Tool-Kette. Lediglich Microsoft hat es geschafft, sein Windows noch als diskretes Produkt zu vermarkten, für das der Kunde einzeln bezahlt, oder besser gesagt: bezahlen kann – denn meistens geht auch Windows als Dreingabe zu einem PC über den Ladentisch. Ansonsten sind Android oder die Apple-Betriebssysteme Bestandteil eines Geräts, und die Echtzeit-Betriebssysteme sind zumeist ein Baustein einer mehr oder weniger großen Sammlung von Tools und Middleware. Das ist auch bei VxWorks so, aber Version 7 bringt eine Menge Neuerungen mit.

Eine grundsätzliche Neuerung ist der Aufbau des neues VxWorks 7: Wind ­River hat das System von einer mono­lithischen zu einer modularen Architektur umgestellt. Bisher war das gesamte Betriebssystem ein einziger großer Block. Die Schnittstellen zwischen den unterschiedlichen Modulen und Funk­tionsebenen waren auf natürliche Weise gewachsen, und wenn irgendwo etwas geändert wurde, war ein großer Test­aufwand nötig, um die Auswirkungen in alle Äste zu verfolgen. Die Integration neuer Funktionen oder Netzwerk­protokolle war aufwendig und deshalb gab es nur ungefähr alle 18 Monate ein Update.

Agile Entwicklung, agile Updates

Bei den ganzen Netzwerkprotokollen gibt es durch neue RFCs ständig Änderungen und bei wichtigen Protokollen wie USB 3.0 oder Bluetooth Low Energy konnten wir die Kunden nicht eineinhalb Jahre warten lassen“, sagt Michael Gaudlitz, FAE bei Wind River. Die nun erfolgte Modularisierung habe Wind River einigen Aufwand gekostet, weil Funktionen durch dokumentierte APIs sauber gekapselt werden mussten, sagt Gaudlitz. Dafür können neue Funktionen jetzt einfach „eingehängt“ werden, ohne dass Rückwirkungen auf das Gesamtsystem zu befürchten sind. Mehr noch: Es können auch mehrere Versionen z.B. eines Dateisystems oder eines Netzwerkprotokolls in der Entwicklungsumgebung koexistieren. Das erleichtert die Abwärtskompatibilität deutlich. Updates soll es in Zukunft geben, wenn es nötig ist – dank der agilen Entwicklung in kleineren Schritten und schnellerer Folge. „Wir werden auch kein VxWorks 7.1 auf den Markt bringen,“ sagt Gaudlitz, „es wird VxWorks 7 bleiben und wird ständig gepflegt.“

Mikrokernel: ein ­„Mini-VxWorks“

Dem VxWorks-Kernel wurde ein neuer Mikrokernel zu Seite gestellt. Das passt für „Big-Little“-Konfigurationen mit einem leistungsfähigen und einem stromsparenden Rechenkern.

© Wind River

Für „Deeply Embedded“-Geräte hat Wind River einen besonders kleinen und schlanken Mikrokernel entwickelt, der von einem seit 2002 bestehenden DSP-Echtzeit-Betriebssystem abgeleitet ist. Dieser Mikrokernel enthält eine Teilmenge der Funktionen des VxWorks-Kernel und benötigt in seiner kleinsten Implementierung mit einer Task nur einen Speicher-Footprint von 2280 Bytes. Laut Wind River eignet sich dieser Microkernel z.B. für heterogene Multicore-Architekturen, in denen ein leistungsfähiger „Number Cruncher“ und ein kleiner Steuerprozessor stecken.

Der Mikrokernel kann dann für den „kleinen“ Prozessorkern eingesetzt werden (Bild). Außerdem führt der verringerte Funktionsumfang zu niedrigeren Zertifizierungskosten, falls das Gerät nach einem Standard für funktionale Sicherheit zertifiziert werden soll. Die Boot-Zeit des Mikrokernel beträgt nur 25 µs und sein API ist auch Bestandteil des VxWorks-Kernel, so dass Mikro-kernel-Tasks auch unter VxWorks ausgeführt und getestet werden können. Auch wenn nur ein kleineres API im Mikrokernel steckt: Auf harte Echtzeit, Multithreading, Multicore-Unterstützung und Power-Management-Funktionen muss der Entwickler nicht verzichten.

Hypervisor: Von Para- zur Vollvirtualisierung

Der Hypervisor, der bisher ein separates Produkte war, wurde mit Version 7 mit dem VxWorks-Kernel verschmolzen. Das bedeutet gleichzeitig, dass keine eigenen Hypervisor-BSPs mehr nötig sind. Überall dort, wo VxWorks läuft, läuft auch der Hypervisor. Auch am Hypervisor selbst hat sich einiges geändert: Er wurde insofern erweitert, als er statt Paravirtualisierung jetzt Vollvirtualisierung ausführt. Virtualisierung bedeutet unter anderem, dass kritische Aufrufe des Betriebssystems vom Hypervisor abgefangen werden, um Zugriffskonflikte auf die Prozessor-Hardware zu vermeiden. Bei der Paravirtualisierung ist der Hypervisor auf die Kooperation des Gast-Betriebssystems angewiesen, das dazu modifiziert werden muss. Ab sofort sind diese Modifikationen also nicht mehr nötig. Die Kehrseite davon: Der Hypervisor greift jetzt auf Virtualisierungsfunktionen der Prozessoren zu, was die Vorgänge zwar beschleunigt, aber auch die Prozessorauswahl einschränkt. Derzeit werden ARM A7 und A15, PowerPC-E5000-Cores und Intel VTx unterstützt. Die VTd-Befehle der Intel-Funktionen (für die Virtualisierung der Prozessor-Peripherie) werden unterstützt, sind aber nicht zwingend erforderlich, damit der Hypervisor funktioniert. Als Gäste kann der Hypervisor VxWorks (auch ältere Versionen), Windows und Linux (Wind River, Kernel.org, Red Hat) bewirten.

Bei sicherheitsrelevanten Systemen kommt die Integration des Hypervisor in VxWorks ins Spiel: Hier bewirtet VxWorks bzw. der Hypervisor sich sozusagen selbst unter Einsatz eines Sicherheits-Scheduler, der die Prozesse zeitlich und örtlich im Speicher sicher voneinander abschottet. Sicherheitskritische Prozesse können auf diese Weise von nicht kritischen Prozessen getrennt werden, was den Aufwand für die Zertifizierung verringert. Sogenannte Sicherheitsprofile bilden die Grundlage für Zertifizierungen nach verschiedenen Standards (IEC 61508, IEC 50128, DO-178C u.a.). Der Vorteil des Hypervisor bei diesen Zertifizierungen ist, dass durch die Aufteilung in kritische und unkritische Bereiche der Aufwand begrenzt werden kann, weil wirklich nur Kritisches den Zertifizierungsprozess durchlaufen muss.

Viele Tools integriert

Auch der Sicherheit wurde in VxWorks viel Aufmerksamkeit gewidmet. Auf x86-Systemen wird der UEFI Secure Boot unterstützt, bei dem nur signierte Images geladen werden. Die Signatur wird anhand privater Schlüssel geprüft, die in einem Trusted Platform Module liegen. Beim Herunterfahren des Systems können alle Daten verschlüsselt abgespeichert werden, so dass zum Beispiel beim Austausch einer Festplatte niemand mit den Daten etwas anfangen kann. Auch der Code der Anwendungsprogramme kann bei jedem Start überprüft werden, so dass nur noch signierter Code abläuft.

Grafik war ein Thema, das Wind ­River bisher externen Partnern überließ – bis zum Aufkauf der Firma Tilcon. Anscheinend auf sanften Druck von Intel heißt jetzt die Devise: Wenn ein Board Grafikfähigkeiten hat, werden sie auch unterstützt. Neben dem ­hauseigenen Tilcon-Entwicklungs-Tool, das die bisherige „WindML“ (Wind River Media Library) ersetzt, gibt es auch eine Anbindung an das weit ­verbreitete Grafik-Framework QT von Digia. Hier muss man Runtime und Grafik-Designer dann von Digia ­beziehen.

Schließlich wurde auch die Wind ­River Workbench überarbeitet und insbesondere hinsichtlich ihrer Eclipse-Kompatibilität verbessert. Ein Dorn im Auge vieler Kunden war offensichtlich, dass sich Wind Rivers Workbench, obwohl sie auf Eclipse basiert, mit vielen Eclipse-Plug-ins anderer Hersteller nicht vertrug. Das soll sich nun gebessert haben. Zur Beschleunigung des Entwicklungsvorganges kann jetzt dynamisch Code hinzugefügt und sofort ausgeführt werden (ohne das Gesamtsystem neu zu compilieren und zu booten). Hierbei denkt Wind River auch an das Einfügen kurzer Debug-Funktionen oder einzelner Code-Zeilen. Für Produktivsysteme wird das ­allerdings nicht empfohlen.

Über Preise spricht man nicht

Was ist wo drin? VxWorks gibt es in verschiedenen „Packages“, die Wind River „Profile“ nennt. Je nach Marktsegement enthalten das Betriebssystem und die Laufzeitumgebung verschiedene Bestandteile.

© Wind River

Das Lizenzmodell von Wind River besteht immer aus einer Laufzeit-Komponente und ist außerdem von der Anzahl der Entwicklungsarbeitsplätze abhängig. Die Kunden können zwischen zwei Lizenzmodellen wählen: einer projekt­bezogenen Lizenz, die sich auf ein bestimmtes Gerätedesign, eine fest­gelegte VxWorks-Version und den Support für einen bestimmten Zeitraum bezieht. Alternativ dazu gibt es eine Art „Flat Rate“, das sogenannte Enterprise License Model. Wind-River-Geschäfts­führer Gerhard Zehethofer sagt dazu: „Das ist das am häufigsten genutzte Lizenzmodell. Die Kunden schließen dabei einen ein- oder mehrjährigen Vertrag und haben Zugriff auf alle bestehenden Versionen.“

Der Preis hängt dann auch noch davon ab, welchen Funktionsumfang die Kunden nutzen möchten. Bisher lieferte Wind River hier sogenannte „Plattformen“ – Software-Pakete mit einem sinnvollen Funktions­umfang für bestimmte Marktsegmente. An ihre Stelle sind jetzt die marktspezifischen „Profile“ getreten, die es für Industrie, Medizin, Konsum- und Netzwerkgeräte gibt (Tabelle). Dazu kommen Profile, die bestimmte technische Spezial­aspekte abdecken. Bisher gibt es drei solcher Profile: Security-, Mikrokernel- und Hyper­visor-Profil.

Und was kostet das nun? Dazu möchte Gerhard Zehethofer sich nicht allzu genau festlegen lassen – zu unterschiedlich sind Kunden, Anforderungen und Projekte. Er sagt: „Der Einstiegspreis für kleinere Projekte liegt unterhalb von 10.000 Euro pro Jahr und skaliert mit den Projektan­forderungen und der Projektgröße. Zusätzlich bietet Wind River ein Programm speziell für Universitäten. Im Rahmen dieses Programms erhalten qualifizierte Universitäten im Rahmen ihrer Forschungs- und Lehraktivi­täten kostenlos Zugriff auf diese und andere Wind-River-Technologien.