Internet der Dinge Wie die richtigen Tools das intelligente IoT-Design erleichtern

Autor / Redakteur: Harrold Spier, Ulrich Kloidt * / Margit Kuther

Jeder redet vom Internet of Things – aber das Erstellen von Embedded-Software für IoT-Anwendungen ist eine enorme Herausforderung. Mit den richtigen Tools verliert diese Aufgabe jedoch ihre Schrecken.

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Device Stacks: machen Peripherie-Hardware mithilfe abstrakter, generischer Softwareschnittstellen für den Applikations-Code verfügbar
Device Stacks: machen Peripherie-Hardware mithilfe abstrakter, generischer Softwareschnittstellen für den Applikations-Code verfügbar
(Bild: Altium)

Während vor etwa 30 Jahren nur einige hundert Computer miteinander vernetzt waren, sind heute Milliarden von Menschen über ihre Computer oder Mobilgeräte mit dem Internet verbunden. Zu den künftigen Herausforderungen wird es gehören, dieses Computernetzwerk mit einem Netzwerk von Geräten zu verbinden, die ohne menschliche Einwirkung mit Menschen oder anderen Geräten kommunizieren können.

Tipp: Sie sind auf der electronica (11. bis 14.11. 2014 in München) und wollen sich rund ums Thema Design und Platinenentwurfsprogramme informieren? Altium befindet sich in Halle A1, Stand 568.

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Die Zahl der Anwendungen, die zu dem Zweck entwickelt wurden, ein Gerät mit anderen Geräten („Smart Objects“) zu verbinden oder Messwerte in der Cloud abzuspeichern, nimmt zurzeit exponentiell zu. Auf die Tatsache, dass Embedded-Anwendungen hinsichtlich ihrer Speicherressourcen, CPU-Geschwindigkeit und Stromversorgung häufig recht eingeschränkt sind, wird bei ihrer Entwicklung Rücksicht genommen.

Abhängig davon, welche Lösung sich für das jeweilige Anwendungsgebiet am besten eignet, bieten sich für die Vernetzung von Smart Objects verschiedene Kommunikationskanäle an. Damit sich die Produktentwicklungs-Ingenieure auf ihre Applikation konzentrieren können, ist es sehr hilfreich, wenn man ihnen das Schreiben maschinennaher Funktionen für Peripherie-Treiber oder Protokoll-Stacks erspart.

Tools, die die Entwicklung IoT-fähiger Geräte erleichtern, helfen den Entwicklern von Embedded-Software, die Produktentwicklung und damit auch die Markteinführung des jeweiligen Produkts zu beschleunigen. Der TASKING Software Platform Builder mit seiner umfangreichen Palette an Peripherietreibern und Kommunikationsdiensten kann bei diesem Softwareentwicklungs-Prozess wirkungsvolle Hilfestellung leisten.

Die Entwicklung von Embedded-Software ist zeitaufwendig

Die Idee für die von uns bezeichnete „Software Platform“ entstand Ende 2012, als wir von Entwicklern gefragt wurden, weshalb das Entwickeln von Embedded-Software so viel mehr Zeit beansprucht als bei vergleichbaren Desktop-Applikation. Eine wirklich legitime Frage, verursacht doch selbst das Anzeigen einer schlichten Meldung wie „Hello World!“ auf dem LCD eines Embedded Evaluation Boards einen überraschend großen Aufwand.

Gleich ob es sich um das Ansteuern des Displays, die Umwandlung der Zeichen in Pixel oder die Kontrolle des Cursors handelt – nichts scheint hier automatisch zu gehen. Selbst wenn es, wie zum Beispiel für die TCP/IP-Kommunikation, komfortable Bibliotheken gibt, kostet es immer noch viel Arbeit, den neuen Code in die Applikation einzufügen und korrekt zu konfigurieren. Häufig muss dieser Zyklus zudem für jedes neue Projekt erneut durchlaufen werden.

Es musste also eine neue Lösung her. Dies motivierte uns zur Einführung dessen, was wir mittlerweile als Software Platform bezeichnen. Deren Grundkonzept ist eigentlich ganz einfach: Wir stellen universelle (generische) Softwarekomponenten in einem als Repository bezeichneten Ordner zur Verfügung und statten die Komponenten mit einer einheitlichen Schnittstelle aus. Außerdem wird sichergestellt, dass sich die Softwarekomponenten auf einheitliche Weise konfigurieren lassen.

Man muss also nicht über den internen Aufbau einer jeden Komponente Bescheid wissen und wegen der einheitlichen Schnittstelle können die verschiedenen Komponenten problemlos zusammenarbeiten. In einer grafischen Umgebung werden die Softwarekomponenten als farbige Blöcke dargestellt. Die jeweils benötigten Blöcke werden aus dem Repository entnommen, um so die Basis für eine Applikation zu erstellen. Die Komponenten lassen sich gemäß den Anforderungen der jeweiligen Anwendung konfigurieren und es ist außerdem möglich, die Abhängigkeiten zwischen den ausgewählten Komponenten zu spezifizieren.

Software Platform Builder für CPUs auf ARM-Cortex-M-Basis

Bei der Software Platform geht es um Integration von Inhalten, während es auf die Inhalte selbst weniger ankommt. Ein großer Teil der aktuell verfügbaren Inhalte kommt von Drittunternehmen und kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen werden. Allerdings ist das Erstellen einer Applikation aus zusammengesuchten Softwarekomponenten nicht gerade einfach. Hier hilft die Software Platform, denn sie stellt die Inhalte so zur Verfügung, dass sie reibungslos zusammenarbeiten können. Außerdem lassen sich alle Komponenten auf ähnliche Weise konfigurieren. Es ist genau diese Kombination, die das zügige Entwickeln zuverlässiger Applikationen erlaubt.

Der Software Platform Builder eignet sich zum Erstellen von Anwendungen auf Basis des ARM Cortex-M. Die Software Platform selbst enthält verschiedene Softwaremodule, die bei Bedarf zum Applikations-Code hinzugefügt werden (z.B. für RTOS-Funktionen, den Peripheriezugriff oder Softwareprotokolle). Die Software Platform ist sowohl ein grafischer Editor als auch ein Codegenerator. Sammlungen von Softwaremodulen werden als Software Platform Repositories zur Verfügung gestellt.

Grundsätzlich kann sich in einem Repository Software jeglicher Art befinden, jedoch enthalten typische Module Interrupt-Services, Timer, Peripherie (Hardware-Wrapper), Treiber, Kernel Services (z.B. POSIX-Multithreading), Device I/Os, Dateisysteme (FatFs), Netzwerkfunktionen (TCP/IP), grafische Benutzeroberflächen, usw.

Zu den TASKING ARM Cortex Tools gehört eine große Zahl von Software Platform Referenzprojekten für verschiedene STM32 Evaluation Boards, die von den verfügbaren Peripheriefunktionen der jeweiligen Boards Gebrauch machen.

Organisation der Software Platform Repository

Die Ordner der Software Platform können zahlreiche Softwaremodule enthalten, die für maschinennahe Operationen zuständig sind, sowie Module, die zusätzliche Funktionalität bieten, indem sie dem Anwender ein komfortables API in die Hand geben. Die Software Platform besteht aus Device Stacks (Bild 1) und Software Services.

Bei den Device Stacks geht es darum, Peripherie-Hardware mithilfe abstrakter, generischer Softwareschnittstellen für den Applikations-Code verfügbar zu machen. Durch die Ausstattung des Stacks mit mehr oder weniger Modulen wird festgelegt, welche Abstraktionsebene in der Applikation verwendet werden soll. Die hardwarenahen Module sind genau auf ein bestimmtes Prozessor-Derivat zugeschnitten. Darauf aufsetzend können höhere Module hinzugefügt werden, die allgemeiner gehaltene Funktionen für den Zugriff auf das betreffende Protokoll bereitstellen.

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Zum Beispiel kann auf der höheren Ebene ein Modul für den Zugriff auf ein Dateisystem in der Applikation ausgewählt werden. Auf den untergeordneten Ebenen ist immer noch die Auswahl verschiedener Module möglich, die darüber entscheiden, auf welche Speicherressource (Festplatte, SD Card, SSD, usw.) zugegriffen wird. Die maschinennäheren Module sind somit genauer auf eine bestimmte Peripheriefunktion zugeschnitten. Die höheren Module dagegen sind weniger hardwarespezifisch und können sogar mit unterschiedlicher Hardware verwendet werden.

Peripheriemodule: Die Peripheriefunktionen (im Stack grün eingezeichnet) sind die maschinennächsten Module. Sie stellen den höheren Schichten im Stack Informationen darüber zur Verfügung, wie sie auf die Peripherie zugreifen müssen. Informationen wie die Basisadresse und die Interruptzuordnung sind in den Peripheriefunktionen abgespeichert. In den meisten Fällen greift die Applikation nicht direkt auf die Peripheriefunktion zu, sondern über das Interface des übergeordneten Treibers.

Treibermodule: Die Treiber (im Stack gelb dargestellt) bilden die nächsthöhere Abstraktionsebene. Sie ermöglichen den Zugriff auf spezifische Hardware via Peripheriefunktion oder über einen weiteren Treiber. Der Unterschied zwischen einer Peripheriefunktion und einem Treiber ist klar definiert. Die Peripheriefunktion definiert nur grundlegende Hardware-Informationen, stellt jedoch keine weitere Funktionalität zur Verfügung. Diese elementaren Informationen kann ein Treiber nutzen, der auf die Peripheriefunktion aufsetzt. Die Treiber und die von ihnen gebotenen Schnittstellen sind hardwarespezifisch.

Enthält die Applikation also Code, der auf das API eines Treibers zugreift, ist die Applikation dadurch hardwareabhängig. Auch Treiber operieren noch auf einer niedrigen Abstraktionsebene und die Verwendung eines Device auf der Treiberebene erfordert Kenntnisse über das Interface des betreffenden Treibers. Einige Treiber stehen als Library Wrapper zur Verfügung. Sie enthalten dann lediglich eine Initialisierungsroutine, die von einer Applikation zum Konfigurieren von Pins, Takten und Registern aufgerufen wird. Im Anschluss an diese Initialisierung sind die Peripherietreiber-Bibliotheken der Halbleiterhersteller nutzbar.

Stack Services: Die Stack Services (im Stack blau dargestellt) sind hinsichtlich der Funktionalität die abstraktesten Ebenen. Sie stellen einen standardisierten und hardwareunabhängigen Zugang zu den Diensten bereit und sorgen so für die Portierbarkeit einer Applikation. Wenn die Anwendung etwa einen generischen TCP/IP-Dienst nutzt, bleibt sie unverändert, auch wenn Ethernet durch PPP und eine serielle Lösung ersetzt wird. Eine portable TCP/IP-Applikation arbeitet also absolut identisch, gleich, ob sie an eine UART- oder eine EMAC-Peripherie angebunden wird, denn um die Einzelheiten kümmert sich die Software Platform.

Software Services: Einige Dienste sind statischer Natur und nicht für die Instanziierung vorgesehen. Sie besitzen keine (direkte) Beziehung zu Peripheriefunktionen oder anderen Diensten und richten gängige Funktionen wie das POSIX-Multithreading, CMSIS, Software-Timer oder den Interruptmanagement-Support ein. Die Software Services können ebenfalls automatisch hinzugefügt werden, wenn sie von anderen Diensten benötigt werden (Bild 2).

Die Software Platform lässt sich leicht integrieren

Es sind nur wenige Arbeitsgänge erforderlich, um die Software Platform in ein auf Eclipse basierendes TASKING-ARM-Cortex-Tools-Projekt zu integrieren. Als erstes muss das Software-Platform-Dokument zum Projekt hinzugefügt werden. Die benötigten Software Services und Device Stacks werden im „Add“-Menü durch Setzen des zugehörigen Häkchens angefügt (siehe Bild 3).

Ist im Software-Platform-Dokument ein Device Stack angeklickt, können die für das Device verfügbaren Stacks mithilfe der Optionen „Grow stack up“ oder „Grow stack down“ ausgewählt werden. Bild 4 zeigt die Stack-Elemente für das USART-Interface. Durch Ändern der Optionen in der Properties-Ansicht lassen sich die Device Stacks konfigurieren. Exemplarisch zeigt Bild 5 die Konfigurations-Optionen des Ethernet-MAC-Treibers. Nachdem die Software Platform konfiguriert ist, werden alle zu den verwendeten Devices gehörenden C- und Header-Dateien dem Eclipse-Projekt hinzugefügt. Werden Device-Parameter geändert, lassen sich die Projektdateien durch Anklicken des „Generate Code“-Buttons aktualisieren.

Aus dem Quellcode des Embedded-Projekts heraus können die Funktionen der Software Platform genau wie jede andere C-Funktion aufgerufen werden. Die Zuweisung der Funktionen, ihrer Parameter sowie etwaiger Datenstrukturen werden in einer Online-Hilfe zum API erläutert. Bild 6 (auf elektronikpraxis.de, Sucheingabe: 42937181) zeigt eine Aufstellung der verfügbaren Funktionen und Strukturen für die HTTP-Konfiguration.

Komponenten des Software Platform Builders

Das Software Platform Repository enthält eine ganze Reihe von Komponenten, die speziell für das Erstellen von IoT-Applikationen von Interesse sind. Da das gesamte Internet auf TCP/IP-Netzwerken basiert, erscheint ein TCP/IP Stack Service als eine notwendige Voraussetzung für die Kommunikation per Internet. Dabei kann das TCP/IP-Protokoll auf eine Ethernet-Schicht aufsetzen. Ebenso besteht jedoch die Möglichkeit der drahtlosen Kommunikation mithilfe eines WiFi USB Sticks oder einer seriellen Verbindung mit dem Point-to-Point Protocol (PPP). Hierbei kann es sich um eine Modemverbindung, eine GSM-Datenverbindung oder sogar um eine GPRS-Verbindung handeln.

Oberhalb des TCP/IP-Stacks kann der HTTP-Stack-Service hinzugefügt werden, der im IoT-Kontext oft für Representational State Transfers (REST) genutzt wird. Ein weiterer Vorteil des HTTP-Services ist die Unterstützung von HTTP Secure (HTTPS) für eine sichere Kommunikation sensibler Informationen. Die Verschlüsselung dient zudem der sicheren Identifikation eines Netzwerk-Servers, damit genau bekannt ist, mit welcher Gegenstelle jeweils kommuniziert wird. Einige offene APIs wie das neueste Twitter-API, akzeptieren nur noch eine abgesicherte Kommunikation.

Wichtig ist auch die Datendarstellung. Beide Seiten sollten die Daten korrekt interpretieren können. Für diesen Zweck wird häufig XML verwendet, auch wenn dies kaum die beste Wahl für Embedded-Geräte sein dürfte. Bei kleinen Geräten ist es oft günstiger, das JSON-Format (JavaScript Object Notation) zum strukturierten Senden von Daten zu verwenden. Das Repository enthält ein Streaming JSON API (im SAX-Stil), das sehr nützlich ist, wenn komplexe JSON-Strukturen ohne großen Speicherbedarf analysiert werden sollen.

* Harrold Spier ist Senior Software Engineer,

* Ulrich Kloidt ist Senior Support Engineer, beide bei Altium Europe.

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