ジェレジャチニキvs. プログラマー

みなさんこんにちは！



私はオープンEmboxプロジェクトの創設者の1人であり、パートタイムでEmbox LLCのゼネラルディレクターを務めています。 推測するのは難しくないので、その主な目標は、プロジェクトに基づいて商用サービスを提供することです。



実際、ブログはプロジェクトへの私の贈り物のようなものです。 その理由は、5人目のユーザーが登場し、サービスの料金を支払う準備ができたためです。 その結果、私たちのプロジェクトの助けを借りて正確に解決できる問題を抱えている他の企業があるかもしれないように思えました。



この記事はブログの最初の記事であり、プロジェクトに適用する技術的な解決策や調査結果についてはあまり話さない方が適切だと思います。それは確かに後続の記事にありますが、一種の挨拶の記事を作成することです。 また、Emboxは組み込みソリューションのオペレーティングシステムであるため、この記事では主に組み込みシステムの分野に焦点を当てます。 実際、この記事では、組み込みソフトウェアの開発の方向性についての私の考えを共有したいと思います。もちろん、これをすべて強化するために、プロジェクトに取り組む過程で出会った実際の状況になります。 したがって、組み込みシステムに興味があり、推論の難しい子供時代についての苦情のページを読むのが面倒ではない人は、猫の下でお願いします。



すでに述べたように、私たちの活動分野は主に組み込みシステムに関するものですが、ご存知のように、非常に大きなクラスのシステムがこの概念の下に隠されています。 私は、デスクトップ、サーバー、モバイルシステム以外のすべてのものが、ある程度組み込まれていると考えることさえできます。 おそらく、これがまさに2つの大きな一族の出現につながったのです。 一方で-鉄の側から来た人々、鉄片。 これらはコントローラーで動作し、プロセッサーのすべてのバイトとクロックサイクルをカウントします。 一方、Linuxの世界から来たプログラマーは、その膨大な機能を備えていますが、同時にメモリとプロセッサーに多額の費用がかかります。 それらと他の人の両方は、彼らのアプローチが正しい理由を独自の議論を持っています。 私の意見では、これらの議論はBlack Swiftの記事で詳しく説明されています 。 ボードにOpenWRTがインストールされているため、彼らはLinuxの世界の利点を強調しました。

そして最終的に、PHP、ソケット、女性、ギャンブルを備えたWebインターフェースを作成できる可能性が低いESP8266ではなく、ほとんど何でもできるArduinoではなく、現代の理解に完全に準拠した機能を備えたデバイスであることが判明しました。スマートなもの。」

彼らは当然、同じ記事の欠点を、鉄工が誇りに思っている資質の欠如に起因すると考えました。

はい、Black Swiftには制限があります-ハードリアルタイムでの作業はありません。ハードウェアPWMもADCもありません。

そしてコメントでは、そのようなフレーズは滑っています：

sysfsを使用すると、最小クォンタムは3ミリ秒、レジスタを使用した直接作業は100ナノ秒です。

つまり、1つのピンの状態をユーザーモードから変更するには3ミリ秒が必要です。これは、前述の同じarduinoで、パフォーマンスが大幅に低下しているにもかかわらず、はるかに高速で予測可能に行われているという事実にもかかわらずです。



ここで、ハードウェア関係者は通常、これ以上言うことはない、プログラマはあらゆる種類の不必要なホイッスルを発明したが、デバイスの主な機能を忘れていると言います。 これで会話が終わり、私は確かにそれらを理解しています。 しかししばらくして、彼らはまだプログラマーに「シェルを使ってコンソールをデバイスに固定したいと思います。ファイルシステム、できればネットワークシステムも、tclを入れて、慣れています」と言います。 これは実際の会話からの抜粋です。ただし、鉄片はコントローラーではなく、FPGAでプログラムされましたが、問題の本質は変わりません。



はい、一般に、ハードウェアユーザーはデバイスの豊富な機能の利点に疑問を抱くことはありません。 問題は、あなたが何を支払わなければならないかです。

想像してみてください。主な目的はバルブのエンジンを制御することです。 Webインターフェイスを固定するには、それにLinuxをインストールする必要があります。その結果、デバイスのメイン機能の応答時間が3ミリ秒に短縮されます。 そして、あなたは思わず考えますが、本当にこのWebインターフェースが必要ですか？



しかし、今日の現実は誰もが理解しているものです。単純なデバイスでもネットワーク化され、使いやすく、したがって多機能である必要があり、arduinoを使用すると、これを達成するのは困難です。



たとえば、 LEDを制御するデバイスを作成するときにこれに遭遇しました。 このようなデバイス用の標準modbusプロトコルに加えて、顧客は、通常のオペレーターが手動でポートを管理し、デバイスを構成できる便利で直感的なWebインターフェースを持ちたいと考えていました。



オートメーション機器を独自に製造しているある会社の別の例を紹介します。 パートプログラムのサポートを提供しました。 ノヴォクズネツク市に小さな自動化研究所があり、CNCマシンの制御ボードを作成することにしました。 すべてがそれらに適合し、アルゴリズムは迅速に機能し、マシンはスムーズに動作しました。 しかし、彼らはアマチュアの対応物とは異なるために、彼らのデバイスに便利なコントロールを追加することを決めました：ウェブインターフェースの固定など。 ここで、実際には、マシンのプログラムをダウンロードし、調整、構成、診断、そして最も重要なことを行う必要があったWebインターフェースを使用して、マシンの操作時にネットワークを介してステータスを送信しました。 結局のところ、彼ら自身はプログラマーではなく、そのような機能は、どんなに単純に見えるかもしれませんが、いくらかの努力を必要とし、プログラマーとして私たちにとってこれを行うのは簡単でした。 もちろん、主なことは、主な機能が損なわれないことであり、マシンは同じようにスムーズに動作するはずです。 そして、ここで、私たちのOSはLinuxとは良い方向に違います。結局、アプリケーションはカーネルと同じコンテキストで実行できるため、追加のオーバーヘッドなしでレジスタに直接書き込むことができます。



Linuxのこれらのコストは、汎用性とセキュリティに対する料金であると言う人もいるかもしれません。 しかし、あらゆる場合にデバイスを開発するのではなく、既知の機能を備えた専用デバイスを開発し、少なくともオペレーターがスカーフをインストールしてマシンのプログラム実行中に退屈しないようにする可能性を与えることは、どういうわけかあまり良くありません。 そして、結果として、 「ITスペシャリストは軍隊で何をすべきか...」という投稿があります。 いいえ、私は確かに軍のIT専門家の知性と賢さを賞賛します。その結果、時には有用な結果が得られることがありますが、それでも例外である可能性が高いです。



さらに、多くの場合、専門システムの分野では認証が必要です。 たとえば、顧客の1人が私たちを選んだのは、彼のデバイスがFSBによって宣言されていない機能についてテストされなければならなかったからです。 つまり、ファームウェアの最終イメージにプログラムコードがある場合、それを呼び出すための条件と機能を記述し、認証委員会の要件に準拠しているかどうかを確認する必要があります。 最初に思い浮かぶのは、オペレーティングシステムを使用せずにソフトウェアを作成することですが、その後、Webインターフェイス、ファイルシステム、sshベースのリモートアクセス、ファイアウォールなどの機能が必要であり、非常に豊富であることがわかりました。 かつてこのジレンマに直面した後、最小限のユーザーユーティリティセットでLinuxカーネルを認証用に準備しようとしました。 あなたに伝えたい仕事は、楽しい仕事ではありません。 その結果、Emboxについては、システムの静的モデルを構築し、それらを使用して認証に適したディストリビューションを生成できるモジュール記述言語を考案しました。 この配布には、必要なソース、メイクファイル、ヘッダーファイルのみが含まれています。

このアプローチにより、組み込みシステムの分野で一般的な別の問題を解決することができました。 つまり、ボード上のリソースが少なく、仮想メモリが不足している同じコントローラを使用します。 Raspberry Piはそれほど高価ではないので、そのようなシステムはもう必要ないと思うなら、あなたは間違っています。 第一に、それほど多くはありませんが、それでもなお高価です。 第二に、バッテリー/アキュムレーターまたはPoE（イーサネット経由の電力）からの電力が必要になることが多いため、電力消費を忘れないでください。 まあ、信頼性は、そのようなデバイスでも高く評価されています。 結局のところ、いくつかのはんだ付けされた超小型回路（プロセッサ、メモリなど）は、プロセッサ、メモリ、および周辺機器の両方を含む単一のチップよりも信頼性の低い設計であることを説明する必要はありません。



さらに、コントローラーのメインマスが8ビットメガ-およびpic-iであり、Webサーバー、SDカード上のファイルシステムなどの豊富な機能を展開することが困難だった場合、強力なモバイルARMコントローラーが利用可能になりましたCortex M3 / 4シリーズ。 後者には通常、浮動小数点であるdspコマンドが含まれ、200 MHzに近い周波数で動作できます。 一般に、本格的な多機能システムを構築する場所があります。 これらのコントローラーの1つであるSTM32F407には、1 MBフラッシュと192 kBが含まれており、前述のLED用コントローラーを作成しました。また、自動化研究所では、一方で特性が重要なCNCマシンやその他のデバイスを作成しました。そしてもう一方-プログラマーの利点。



メモリが限られているため、もちろん外部チップを使用しない限り、これらのモバイルARMコントローラーにLinuxをインストールすることはできません。 したがって、最も一般的なOSはFreeRTOSです。 これは確かに優れたOS RVですが、より機能的ではありますが、さまざまなハードウェアプロジェクトのフォロワーです。 つまり、このプロジェクトの開発者は、基本的にOS自体をベースライブラリとして使用してシステムをゼロから開発するときに、鉄の価値、いわゆる「libOS」アプローチから始めました。 私が言ったように、このアプローチには利点があります。開発者はシステム全体を完全に制御できます。 しかし同時に、このアプローチはコードを再利用するという考えに適合させることは困難です。 このようなOSは独自のAPIを使用してお金を節約するため、sshdやhttpdなどの一部のPOSIX互換ソフトウェアの転送は非常に時間がかかるため、これはすでにかなり重大な欠点です。



リソースが制限されたプラットフォームでLinux / POSIXを実行するというアイデアはかなり前からあり、ucLinuxはそのようなプロジェクトの1つでした。 彼の主なアイデアは、MMUのないハードウェアプラットフォームでLinux用に記述されたアプリケーションを起動することでした。 私の知る限り、プロジェクトの成果はメインのLinuxに統合され、その結果、LinuxはNOMMUシステムとして構成できるようになりました。 しかし、モノリシックカーネルの問題が残っています。つまり、未使用のドライバーをすべて無効にしても、カーネル呼び出しはすべてカーネル内に存在するため、すべてのサブシステムは最小限ではあります。 したがって、私がもたらしたメモリ制限（192kB）では、Linuxは再び適合せず、外部メモリを配置する必要があります。 Linuxを実行する最小のコンピューターはPicotuxで 、8 MBのRAMが含まれています。 実際、 x86プロセッサとわずか2.5 MBのRAMを搭載したマザーボード上でLinuxを実行するという記述を見つけましたが、そのような偉業の後でも、外部メモリが必要です。



別の、私の意見では、有望なプロジェクトはeCosです。 かつては、組み込みシステムの分野で非常に人気がありました。 その主なアイデアは、プロジェクトのまさにその名前であるeCosにあります：組み込みの構成可能なオペレーティングシステム。 このシステムにはPOSIXとのかなりの互換性があったため、ある程度まで幅広いLinuxアプリケーションを使用でき、同時に数百キロバイトのメモリを搭載したプラットフォームで実行できました。 彼女が表彰台全体を獲得できず、組み込みシステムの事実上の標準にならなかった理由は、私にはよくわかりません。 おそらく、マルチスレッドをサポートしているため、 eCosにはプロセスが1つしかなく 、Linuxは多くの場合プロセスを使用します。 おそらく、コントローラーのメーカーに同意することはできませんでした。 おそらく、機器メーカーから何度か聞いたように、プロジェクトに対する十分なサポートがありませんでした。 一般に、私は知りませんが、一方で、このプロジェクトはFreeRTOSに、他方ではLinuxに取って代わられていることがわかります。



しかし同時に、eCosのアイデアは、ucLinuxのアイデアとともに、近い将来、組み込みシステムの分野の状況を変える可能性があるように思えます。 結局、既に述べたように、効率的な多機能システムの構築を可能にするコントローラー（チップ上のシステム）が登場しました。 私の意見では、唯一の障害は、ハードウェアとプログラマーの世界で採用されているアプローチの大きな違いと、お互いを理解するのをためらうことです。



私の推論を要約するために、今日組み込みソフトウェアの分野でいくつかの特徴的な機能を紹介します。

• 限られたリソース-今日、以前と同様に、組み込みシステムの分野では、リソースはデスクトップよりはるかに少ないです。 これは、最近大幅に低下したリソースのコストによるものではなく、地域固有の信頼性、エネルギー消費量、およびその他の要件によるものです。
• 特定のハードウェアプラットフォーム-前の段落のステートメントと密接に絡み合っています。 ここで、システムはx86とは異なるアーキテクチャを使用するだけでなく、仮想メモリのハードウェアサポートのないプロセッサーも使用することに注意してください。
• 独自のソフトウェア-多くの場合、組み込みソフトウェアは、OSをまったく使用せずに設計されているか、他のプラットフォームと互換性のない独自のAPIを持つOSを使用しています。
• 機能に対する高度な要件-最近、組み込みデバイスはますます要求が厳しくなりました。少なくともネットワーク接続が必要で、使いやすく使い慣れたインターフェイスが必要です。これにより、Linux、Android、その他のフル機能のユニバーサルオペレーティングシステムが使用されます。

最初のポイントは業界の前の発展段階の特徴でもありますが、後者は比較的最近（5-10年）普及して人気が高まっていますが、これは従来の要件と矛盾し、多くの場合、1つのシステムで異なるハードウェアパーツを使用するなどのアーキテクチャ上の決定に変換されます： 1つはリアルタイムで動作します。たとえば、OSのないFPGAまたはコントローラーで動作し、もう1つは汎用を担当し、本格的なLinuxおよびある種の「大きな」ARMで動作します。 これにより、信頼性が低下し、デバイスのコストが増加するだけでなく、ハードウェア開発者とプログラマーの両方が開発に関与する必要があり、もちろん開発時間も増加します。



Emboxプロジェクトでは、プログラマーに属し、通常のプログラマーのように、鉄工職人の問題は取るに足らない（簡単に解決できる）ように見えましたが、これらの問題に絶えず遭遇するため、私たちの見解とそれを解決しようとする試みを少しずつ考え直さざるを得ませんでした私たちのプロジェクトの外観に。 広告として、私たちのプロジェクトについての非常に自動化された研究所からも引用します。

Emboxが私たちが長い間夢見ていたものであるという事実はすでに事実です...

したがって、私たちのプロジェクトは他のユーザーの同様の問題を解決するのに役立つと信じています。



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