Eingebettete Systeme werden oft in großen Stückzahlen produziert, und die Kosten für jedes gefertigte Stück sind ein entscheidender Faktor für den zu erzielenden wirtschaftlichen Gewinn. Es werden daher bevorzugt kleine und kostengünstige Mikrocontroller mit einer Wortbreite von 8 oder 16 Bit und nur wenigen Kilobyte an Arbeitsspeicher in diesem Bereich eingesetzt. Ein gutes Beispiel hierfür sind die eingebetteten Systeme im Automobil. Durch die AUTOSAR-Initiative wird hier die Wiederverwendbarkeit von Software im Automobil gefördert und damit auch das Ziel einer Kostenreduktion verfolgte. Durch das Loslösen der Software von ihren Hardwarekomponenten soll es in Zukunft möglich werden, die Software möglichst frei zu platzieren. So wird es möglich, die Software abhängig von ihrer Funktionalität und den örtlichen Gegebenheiten sinnvoll zu platzieren. Zum Beispiel kann die Steuerlogik für die Messung des Reifendrucks auf einem Steuergrät zusammen mit der Steuerlogik für den Blinker ihre Aufgabe erfüllen. Das Zusammenführen von Softwarekomponenten unterschiedlicher Hersteller auf einem Mikrocontroller führt jedoch auch zu neuen Herausforderungen an die Systemsoftware. So fehlt auf den Mikrocontrollern in der Regel die Möglichkeit, den Arbeitsspeicher vor fehlerhaften und ungewollten Speicherzugriffen zu schützen. Programmierfehler in einer Softwarekomponente gefährden so die Stabilität der gesamten auf einem Controller laufenden Software. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, einen Speicherschutz zu entwickeln, welcher die besonderen Anforderungen des Anwendungsgebietes berücksichtigt. Folgende Anforderungen wurden besonders berücksichtigt: Geringer Ressourcenbedarf, Hardwareunabhängigkeit, Echtzeitfähigkeit. Als Ansatz wurde eine rein softwarebasierte Lösung verfolgt, da diese auf den unterschiedlichen Mikrocontrollern umsetzbar ist und keine zusätzliche Unterstützung durch die Hardware benötigt. Als Grundlage diente dabei ein OSEK/VDX-basiertes Betriebssystem, da vergleichbare Systeme im Automobilbereich bereits etabliert sind. Um die Ziele der Arbeit zu erreichen wurde eine Java Laufzeitumgebung entwickelt, die es ermöglicht, mehrere Anwendung voneinander isoliert auf einem OSEK/VDX-System laufen zu lassen. Zur Kommunikation zwischen den Domänen implementiert KESO Portale. Die Protale in KESO sind zu RMI Aufrufen vergleichbar. Der lokale Aufruf wurde bei KESO besonders schlanker umgesetzt, so dass er nur geringfühgig teuerer ausfällt als ein regulärer Methodenaufruf. Die Architektur kann auf mehrere Mikrocontroller die einen festen zusammenhängenden Verbund bilden ausgeweitet werden.
Embedded systems are often produced in great numbers, and the cost of every item is a deciding factor for the required profit to be achieved. Hence the preferred microcontrollers in this area are small and cost saving with a word width of 8 or 16 bit and a working memory of just a few kilobytes. One good example is the embedded systems in cars. With AUTOSAR serveral manufacturers cooperate to promote the reusability of software in cars - thereby at the same time reducing cost. By detaching the software from the hardware components, it should be possible to place the software as freely as possible. Hence it will be possible to place the software sensibly according to its functionality and its local conditions. For example, the control logic for the measurement of the tyre pressure can fulfill its task together with the control logic for the indicator on one control unit. Merging software components of different manufacturers in one microcontroller, however, leads to new challenges for the system software. Microcontrollers usually lack the ability to protect the working memory from uncontrolled or unintended memory access. Programming errors of one software component might hence endanger the stability of the entire software. The objective of this work was therefore to develop a memory protection that fulfills the specific requirements of this application area. following requirements were particularly considered: low resource consumption, high hardware independence, real-time capability. The approach was through a purely software-based solution. This is implementable on different microcontrollers and does not require any additional support by the hardware. The basis for this forms an OSEK/VDX based operating system, as comparable systems are already established in the car industry. In order meet the objectives of this project, a Java runtime environment was delevoped that enabled the concurrent running of several applications on an OSEK/VDX system while being isolated. To enable communication between the domains, KESO implements portals. The portals in KESO are comparable to Java RMI. The portal invocation follows a lean implementation and is therefore only marginally more expensive than a regular method invocation. The architectur can be expanded to several microcontrollers of fixed composition.
KESO: Konstruktiver Speicherschutz für eingebettete Systeme
KESO: Constructive memory protection for embedded systems
2009
179 Seiten, Bilder, Tabellen, 106 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Sicherheitsrelevante eingebettete Systeme
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