Zentrale Konzepte der Firmware-Entwicklung für eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme sind überall – von Haushaltsgeräten bis hin zu industriellen Maschinen. Im Kern dieser Systeme befindet sich die Embedded-Firmware, die spezielle Software, die Hardwarekomponenten steuert und dafür sorgt, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Das Verständnis der Entwicklung von Embedded-Firmware ist entscheidend für die Erstellung effizienter, zuverlässiger und sicherer eingebetteter Systeme, die den Anforderungen moderner Anwendungen gerecht werden.

 

Was ist Embedded-Firmware-Entwicklung?

Die Entwicklung von Embedded-Firmware ist der Prozess des Entwerfens, Programmierens und Implementierens von Software, die auf Hardware-Geräten in eingebetteten Systemen läuft. Firmware ist eine spezielle Software, die Hardware steuert und das System so funktionieren lässt, wie es vorgesehen ist. Im Gegensatz zu regulärer Software ist Firmware eng an die Hardware gebunden und daher ein integraler Bestandteil von Geräten wie Mikrocontrollern, IoT-Geräten und industriellen Anlagen.

 

Eingebettete Software vs. Firmware

Obwohl die Begriffe oft synonym verwendet werden, gibt es einen Unterschied. Eingebettete Software ist ein Oberbegriff für Software, die auf eingebetteten Geräten läuft, während Firmware spezifischer ist: Sie ist eine Software, die eng mit der Hardware verbunden ist und in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert wird.

• Eingebettete Software ist anwendungsbezogener Code, der auf Geräten wie intelligenten Haushaltsgeräten oder industriellen Maschinen hochrangige Aufgaben ausführt. Sie kann aktualisiert oder ersetzt werden und erweitert die Funktionalität über die reine Hardware-Steuerung hinaus.

• Firmware ist eine niedrigere, permanente Software, die den Betrieb der Hardware steuert. Sie findet sich in Komponenten wie Mikrocontrollern oder BIOS-Chips und liefert grundlegende Anweisungen, damit die Hardware ordnungsgemäß funktioniert. Firmware-Updates sind selten, aber entscheidend.

 

Eingebettete Software vs. Firmware

 

Grundlagen der Embedded-Firmware-Entwicklung

 

Architekturkomponenten der Firmware

Die Firmware-Architektur wird von Faktoren wie Prozessortyp, Speicherverfügbarkeit, Leistungsanforderungen und Echtzeitbeschränkungen beeinflusst. Bei der Entwicklung von Firmware sollte man sich mit den folgenden Begriffen vertraut machen:

1. Bootloader: Dies ist der erste Code, der ausgeführt wird, wenn das Gerät eingeschaltet wird. Er initialisiert die Hardware, richtet die Umgebung für das Betriebssystem ein und lädt die Haupt-Firmware in den Speicher. Der Bootloader ist für den Systemstart entscheidend und kann auch Firmware-Updates ermöglichen.

2. Kernel: Das Kernmodul verwaltet Systemressourcen, plant Prozesse und verwaltet den Speicher. Es stellt die Kommunikation zwischen Hardware- und Softwarekomponenten sicher und gewährleistet die Stabilität und Leistung des Systems.

3. Hardware Abstraction Layer (HAL): HAL bietet eine standardisierte Schnittstelle zwischen der Hardware und den höherstufigen Softwarekomponenten. Es abstrahiert hardware-spezifische Details, sodass die Firmware portabler und an verschiedene Hardwareplattformen anpassbar ist.

4. Gerätetreiber: Diese Module ermöglichen die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und Hardware-Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren und Kommunikationsschnittstellen. Gerätetreiber übersetzen allgemeine Eingabe-/Ausgabebefehle in gerätespezifische Operationen, damit die Hardware ordnungsgemäß funktioniert.

5. Anwendungsschicht: Diese Schicht umfasst die Hauptfunktionalität des eingebetteten Systems. Sie implementiert die spezifischen Aufgaben und Operationen, für die das System entwickelt wurde. Anwendungen interagieren mit den darunterliegenden Schichten, um ihre Aufgaben zu erfüllen.

6. Echtzeit-Betriebssystem (RTOS): In Systemen mit Echtzeitanforderungen wird ein RTOS verwendet, um die Aufgabenplanung zu verwalten und sicherzustellen, dass kritische Operationen innerhalb eines definierten Zeitrahmens ausgeführt werden. Es bietet deterministisches Verhalten für zeitkritische Anwendungen.

7. Kommunikationsprotokolle: Diese standardisierten Regeln ermöglichen den Datenaustausch zwischen dem eingebetteten System und externen Geräten oder Netzwerken. Die Implementierung von Protokollen wie UART, SPI, I2C oder TCP/IP gewährleistet eine zuverlässige und strukturierte Kommunikation.

8. Sicherheitsmodule: Angesichts zunehmender Cybersicherheitsbedenken beinhalten moderne Firmware-Architekturen Sicherheitsfunktionen wie Verschlüsselung, Authentifizierungsmechanismen und Secure Boot, um unbefugten Zugriff und Manipulationen zu verhindern.

9. Stromverwaltungsmodul (PMU): Das PMU verwaltet den Energieverbrauch des Systems und implementiert Energiesparstrategien, die insbesondere in batteriebetriebenen oder energieeffizienten Geräten von großer Bedeutung sind.

Eine gute Firmware-Architektur integriert all diese Aspekte, damit das eingebettete System effizient, zuverlässig und wartungsfähig bleibt.

 

Mind Map zur Embedded-Firmware-Entwicklung

 

Hardware-Plattformen und Hardware-Komponenten

Für die Entwicklung von Firmware ist es wichtig, die richtige Hardware-Plattform und die entsprechenden Komponenten auszuwählen. Im Zentrum eines jeden eingebetteten Systems steht entweder eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) oder eine Mikroprozessor-Einheit (MPU). Beide besitzen eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) zur Ausführung von Befehlen, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Integration und Nutzung:

• MCUs sind eigenständige Einheiten mit integriertem Flash-Speicher, RAM und Peripheriegeräten. Sie eignen sich für kleine Systeme mit begrenzten Ressourcen.

• MPUs sind auf externen Speicher und Peripheriegeräte angewiesen. Eine MPU ist häufig Teil eines SoM (System on Module), das dann mit einem Carrier Board (CB) verbunden wird. Die genaue Funktionsweise ist ein Thema für einen separaten Artikel. MPUs sind ideal für komplexe Systeme, die ein vollständiges Betriebssystem wie Linux ausführen. In eingebetteten Systemen werden oft speziell angepasste Linux-Images entwickelt, beispielsweise mit dem Yocto-Projekt.

Für die Entwicklung von Firmware werden außerdem folgende Komponenten benötigt:

1. Entwicklungsboards oder Evaluierungskits: Entwicklungsboards ermöglichen den Zugriff auf die Funktionen einer MCU oder MPU und dienen zum Testen und Prototyping von Designs. Evaluierungskits sind erweiterte Versionen von Entwicklungsboards mit zusätzlichen Werkzeugen zur Analyse und Leistungsbewertung.

2. Debugging-Tools: Für die Firmware-Entwicklung werden Debugging-Werkzeuge wie In-Circuit-Debugger, JTAG-Programmiergeräte oder SWD-Tools benötigt, um mit dem Code auf der Zielhardware zu interagieren.

Die Wahl der richtigen Hardware und Werkzeuge erleichtert die Firmware-Entwicklung und trägt zu einem reibungslosen Projektablauf bei.

 

NXP i.MX 8 ist eine beliebte Hardware-Plattform für viele eingebettete Anwendungen

 

Programmiersprachen in der Firmware-Entwicklung

Firmware-Ingenieure verlassen sich auf eine ausgewählte Anzahl von Programmiersprachen, um effizient mit der Zielhardware zu interagieren und die Einschränkungen eingebetteter Systeme zu erfüllen. Die Wahl der Sprache hängt von der Komplexität der Firmware-Anwendungen und der Hardware-Plattform ab.

 

1. C: Historisch gesehen ist C die beliebteste Sprache für Firmware-Entwickler, da sie präzise Kontrolle über die Hardware, minimalen Overhead und Portabilität bietet. Sie ist ideal für die Entwicklung effizienter, low-level Firmware.

2. C++: Fügt objektorientierte Funktionen hinzu und eignet sich für komplexe Firmware-Anwendungen, die Abstraktion und Skalierbarkeit erfordern. Bei Scythe setzen wir in den meisten Projekten auf C++-Entwicklung.

3. Assembly: Eine grundlegende Wahl für Low-Level-Programmierung, die in leistungs- oder speicherkritischen Anwendungen eingesetzt wird.

4. Rust: Eine aufstrebende Sprache mit starken Sicherheitsfunktionen, die Risiken in sicherheitskritischen Systemen minimiert. Rust erfreut sich zunehmender Beliebtheit unter Software-Entwicklern.

Das Beherrschen dieser Sprachen vermittelt Entwicklern die technischen Fähigkeiten, um Code für ressourcenbeschränkte Umgebungen zu optimieren.

 

Entwicklungsprozess und Design von Embedded-Firmware

Der Entwicklungsprozess von Firmware ähnelt dem allgemeinen Entwicklungsprozess eingebetteter Software und umfasst mehrere Schritte, um ein zuverlässiges und effizientes System zu realisieren. Es gibt jedoch spezifische Verfahren, die ausschließlich im Bereich der Firmware-Programmierung relevant sind.

 

1. Systemanforderungen definieren

In diesem ersten Schritt werden die Projektziele und Einschränkungen festgelegt:

• Systemfunktionalität definieren: Welche Aufgaben soll das eingebettete System ausführen? (z. B. Motorsteuerung, Sensordaten erfassen, Netzwerkkommunikation)

• Leistungsanforderungen spezifizieren: Welche Geschwindigkeit, Genauigkeit und Reaktionszeit werden erwartet?

• Ressourcenbeschränkungen identifizieren: Wie viel Speicher, Rechenleistung und Energie stehen zur Verfügung?

• Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen definieren: Welche Sicherheitsmaßnahmen sind erforderlich? (z. B. Fehlertoleranz, Fail-Safe-Mechanismen)

• Stakeholder einbeziehen: Alle relevanten Parteien (Ingenieure, Designer, Kunden) einbinden, um sicherzustellen, dass die Anforderungen präzise definiert sind.

 

2. Hardware- und Software-Architekturdesign

In dieser Phase wird das grundlegende Design des Softwaresystems erstellt:

• Modulares Design: Das System in kleinere Module mit klar definierten Schnittstellen unterteilen.

• Cybersecurity-Vorsichtsmaßnahmen: Sich frühzeitig mit Sicherheitsaspekten zu befassen, ist entscheidend, um spätere Probleme zu vermeiden.

• Interprozesskommunikation: Festlegen, wie die Systemkomponenten miteinander kommunizieren (z. B. über Nachrichtenwarteschlangen oder gemeinsamen Speicher).

• Betriebssystem wählen (falls erforderlich): Entscheidung für ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder eine Bare-Metal-Architektur (ohne OS).

 

3. Entwicklung – Programmierung der Firmware

In dieser Phase erfolgt das eigentliche Programmieren der Firmware. Einige Tipps für einen reibungslosen Entwicklungsprozess:

• Kodierungsstandards befolgen: Beste Praktiken anwenden, um die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Codes zu verbessern.

• Frühzeitig und häufig testen: Unit-Tests für jede Modulkomponente schreiben und in den Entwicklungsprozess integrieren.

• Versionskontrolle nutzen: Tools wie Git verwenden, um Code-Änderungen nachzuverfolgen und die Zusammenarbeit zu erleichtern.

• Code-Reviews durchführen: Kollegen den Code überprüfen lassen, um Fehler zu identifizieren und die Qualität zu steigern.

 

Tipps für eine reibungslose Firmware-Entwicklung

 

4. Firmware-Tests und Debugging

Das Testen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Firmware zuverlässig und fehlerfrei funktioniert:

• Unit-Tests: Einzelne Softwaremodule isoliert testen.

• Integrationstests: Die Interaktion zwischen verschiedenen Systemkomponenten überprüfen.

• Systemtests: Die Gesamtleistung und Funktionalität des Systems evaluieren.

• Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests: Reale Bedingungen simulieren, um das Verhalten des Systems zu überprüfen.

• Debugging: Werkzeuge wie Debugger, Logging und Analyse-Tools nutzen, um Fehler zu identifizieren und zu beheben.

 

5. Deployment

In dieser Phase wird die kompilierte Firmware auf das Zielgerät übertragen:

• Firmware-Flashing: Spezielle Werkzeuge nutzen, um die Firmware in den Speicher des Geräts zu schreiben (z. B. über JTAG, UART oder Over-the-Air-Updates).

• Bootloader: Implementierung eines Bootloaders zur Verwaltung des Firmware-Update-Prozesses.

• Verifikation: Sicherstellen, dass die Firmware korrekt installiert wurde und das System wie erwartet funktioniert.

 

6. Wartung

Regelmäßige Wartung und Updates sind erforderlich, um die Funktionalität des Systems zu gewährleisten und auftretende Probleme zu beheben:

• Fehlerkorrekturen: Bugs und Sicherheitslücken beheben.

• Funktionsverbesserungen: Neue Features hinzufügen oder bestehende optimieren.

• Firmware-Updates: Neue Versionen bereitstellen, die Fehlerbehebungen, Sicherheits-Patches und Erweiterungen enthalten.

• Technischer Support: Unterstützung für Nutzer und Systemadministratoren bereitstellen.

 

Embedded-Firmware-Sicherheit

Die Sicherheit von Embedded-Firmware ist entscheidend, da Schwachstellen auf dieser Ebene das gesamte System gefährden und zu unbefugtem Zugriff, Datenlecks oder Fehlfunktionen führen können. Eine sichere Architektur von Anfang an ist dabei unerlässlich. Ein ganzheitlicher Ansatz zur Firmware-Sicherheit umfasst:

• Secure Boot: Nur vertrauenswürdige Firmware während des Systemstarts laden. Dies erfolgt durch Überprüfung digitaler Signaturen anhand einer Root-of-Trust, um die Ausführung manipulierter oder schadhafter Firmware zu verhindern.

• Firmware-Updates: Sichere Over-the-Air (OTA)-Updates implementieren, um Schwachstellen zu schließen. Kryptografische Validierung nutzen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Updates angewendet werden.

• Verschlüsselung: Sensible Daten, die von der Firmware gespeichert oder übertragen werden, verschlüsseln.

• Code-Überprüfungen: Regelmäßige Code-Audits durchführen, um Sicherheitslücken zu identifizieren und zu schließen. Manuelle Überprüfungen mit automatisierten Tools kombinieren, um Schwachstellen frühzeitig zu erkennen.

Bei Scythe entwickeln wir häufig eingebettete Software für medizinische Geräte, weshalb Sicherheitsaspekte nicht nur im medizinischen Bereich, sondern in vielen Branchen von zentraler Bedeutung sind. Mit der Einführung des Cyber Resilience Act (CRA) durch die EU wird zunehmend anerkannt, dass Sicherheit zum Industriestandard gehören sollte. Themen wie CRA, regulatorische Anforderungen und rechtliche Aspekte der Softwareentwicklung werden wir in zukünftigen Artikeln weiter vertiefen.

 

Sicherheitsansätze für Embedded-Firmware

 

Zusammenfassung

Embedded-Firmware bildet die Grundlage eingebetteter Systeme und sorgt dafür, dass Hardwaregeräte korrekt und effizient funktionieren. Durch das Verständnis der Grundlagen und die Anwendung bewährter Praktiken in den Bereichen Design, Tests und Sicherheit können Entwickler Firmware erstellen, die den Anforderungen moderner Technologie entspricht. Ob für IoT, die Automobilindustrie oder industrielle Anwendungen – Embedded-Firmware ist ein integraler Bestandteil der digitalen Welt.