7 скрытых операционных систем, управляющих нашей техникой каждый день

Скрытые платформы в повседневной технике

Большинство пользователей привыкли считать, что их цифровая жизнь полностью ограничена рамками нескольких ключевых программных платформ: Windows, macOS, Android и iOS. Однако реальный ландшафт современной микроэлектроники устроен гораздо сложнее. За пределами привычных графических интерфейсов работают десятки специализированных программных сред, обеспечивающих функционирование как портативных гаджетов, так и крупной бытовой техники.

От игровых контроллеров и смарт-карт в кошельке до модулей управления в процессорах Intel и Wi-Fi-адаптерах роутеров — электроника вокруг нас насыщена операционными системами, о существовании которых производители предпочитают не распространяться. Некоторые из этих систем ведут свою историю с 1980-х годов, а другие незаметно подменяют друг друга прямо в процессе автоматических обновлений.

Joy-Con для Nintendo Switch: японская RTOS родом из 1980-х

Факт использования сторонней операционной системы в контроллерах Nintendo Switch стал известен общественности исключительно благодаря публичному заявлению разработчика ПО. В июне 2017 года токийская IT-компания eSOL выпустила пресс-релиз, подтверждающий внедрение двух своих ключевых продуктов в инфраструктуру Switch: файловой системы exFAT для карт памяти microSD и встраиваемой операционной системы реального времени, соответствующей спецификации μITRON 4.0, внутри манипуляторов Joy-Con.

Стандарт ITRON является частью масштабного японского инициативного проекта TRON (The Real-time Operating system Nucleus), основанного профессором Токийского университета Кэном Сакамурой еще в 1984 году. В 1980-х и 1990-х годах Япония активно развивала эту концепцию как национальный стандарт для встроенной электроники. Согласно исследованию профильной организации TRON Forum за 2016 год, решения этого семейства занимали около 60% всего японского рынка встраиваемых систем, из которых 43% приходилось непосредственно на спецификацию ITRON.

В правом контроллере Joy-Con микроядерная RTOS отвечает за работу считывателя NFC, используемого для сканирования радиометок интерактивных фигурок amiibo, а также за обработку сигналов датчиков движения. Операции считывания радиочастотных меток требуют строжайшего соблюдения временных интервалов и предсказуемой задержки отклика. Универсальные планировщики задач обычных ОС общими назначениями не способны гарантировать такую точность, что делает применение операционной системы реального времени единственным инженерно оправданным решением. Вопрос о том, сохранится ли подобная программная архитектура в контроллерах следующего поколения Nintendo Switch 2, остается открытым: текущие анонсы поставщиков ПО пока затрагивают только файловые структуры.

SIM-карты и банковский пластик на базе Java

По оценкам корпорации Oracle, каждый год в мире выпускается около шести миллиардов устройств с поддержкой технологии Java Card, а общий объем находящихся в активной эксплуатации смарт-карт колеблется в пределах от 30 до 50 миллиардов единиц. Практически каждая SIM-карта в мобильном телефоне, пластиковая карта с модулем бесконтактной оплаты, электронный паспорт или биометрическое удостоверение личности содержат встроенный микрочип с запущенной виртуальной машиной Java.

Спецификация Java Card представляет собой сильно оптимизированный набор стандартов, включающий урезанную среду исполнения (JRE), специализированный API и адаптивную виртуальную машину. Эта архитектура спроектирована с учетом жестких аппаратных ограничений защищенных элементов (Secure Element), объем памяти которых составляет лишь незначительную долю от требований классической JVM.

Использование виртуальной машины вместо жестко прошитого микрокода дает два ключевых преимущества:

• Дистанционная функциональность: сотовые операторы получают возможность по воздуху (OTA) обновлять параметры и загружать новые микропрограммы (апплеты) на SIM-карту без физической замены пластика.
• Изоляция программного обеспечения: аппаратный брандмауэр апплетов (applet firewall) позволяет выполнять на одном физическом чипе приложения разных поставщиков. К примеру, банковский платежный сервис и виртуальный проездной билет транспортной сети функционируют параллельно, полностью изолированно друг от друга.

Умные стиральные машины Samsung и микроконтроллеры Bosch

Разработчики бытовой техники применяют диаметрально противоположные подходы к построению программной инфраструктуры своих устройств. В телевизорах и холодильниках серии Family Hub компания Samsung использует операционную систему Tizen на базе ядра Linux. Однако для стиральных машин, роботов-пылесосов и других приборов без полноценных графических экранов южнокорейский производитель внедрил систему TizenRT.

Проект TizenRT ведет отсчет с 2015 года (изначально известного как TinyAra) и базируется на открытом ядре операционной системы реального времени NuttX. Эта среда оптимизирована под микроконтроллеры с архитектурой ARM Cortex-M и Cortex-R, имеющие менее 2 МБ оперативной памяти и до 16 МБ постоянной флеш-памяти. Примечательно, что ядро NuttX также лежит в основе программной платформы Xiaomi Vela, которая управляет огромным экосистемным спектром датчиков и устройств умного дома Xiaomi.

Немецкий концерн Bosch демонстрирует иной подход. Во многих классических бытовых приборах компании операционные системы в традиционном понимании отсутствуют вовсе — логика выполняется непосредственно на «чистом железе» (bare metal). В частности, платами управления могут руководить 16-битные микроконтроллеры вроде Freescale MC9S12Q128, а модули контроля балансировки барабана используют чипы PIC18F24J10. Для связи между отдельными электронными узлами Bosch применяет собственную трехпроводную шину D-Bus-2, не имеющую ничего общего с системной шиной D-Bus в Linux. Полноценная операционная система BSH Embedded Linux Platform (с компонентами, интегрированными в инструментарий Buildroot) появляется исключительно в продвинутых моделях Bosch, оснащенных беспроводными сетевыми интерфейсами.

Кабельные модемы на платформе eCos из девяностых

В сетевом оборудовании, связывающем жилые дома с магистральными каналами провайдеров, до сих пор активно применяется операционная система eCos (embedded Configurable operating system). Созданная в конце 1990-х годов компанией Cygnus Solutions и впоследствии перешедшая под управление Red Hat, эта платформа практически перестала развиваться в рамках открытого исходного кода, однако ее архитектурное ядро было глубоко интегрировано в специализированные чипсеты Broadcom DOCSIS.

Исследования архитектуры кабельных абонентских терминалов (в частности, модема ASKEY TCG300-D22F) показывают, что прошивка eCos работает на многоядерных процессорах, разделяя задачи обработки кабельного сигнала и функции сетевой маршрутизации между изолированными ядрами. Каждая подсистема предоставляет собственный консольный интерфейс управления, а сама прошивка состоит из блоков, сжатых алгоритмом LZMA.

В ходе практического анализа выяснилось, что в некоторых реализациях eCos отсутствовали проверки цифровой подписи прошивки и механизмы безопасной загрузки (Secure Boot). Это позволяло запускать на устройстве модифицированный некодированный код, что представляло серьезную проблему для оборудования, находящегося на переднем крае защиты пользовательской сети.

Собственная операционная система Wi-Fi чипа в роутере

Современный Wi-Fi модуль, установленный в роутере, ноутбуке или смартфоне, представляет собой изолированный вычислительный комплекс. В решениях компании Broadcom за управление протоколами канального и физического уровней (MAC и MLME) отвечает отдельная операционная система реального времени HNDRTE (HND Run Time Environment), исполняемая на собственном процессоре ARM Cortex-R4.

Главный процессор устройства и его основная операционная система не участвуют в низкоуровневой обработке радиосигналов. Кадры передаются на хост-процессор уже после обработки прошивкой HNDRTE, причем операционная система компьютера по умолчанию доверяет этим данным. В 2017 году исследователь Нитай Артенштейн на конференции Black Hat продемонстрировал концептуальную уязвимость Broadpwn, которая позволяла удаленно получить полный контроль над устройством по воздуху через уязвимость в прошивке Wi-Fi чипа Broadcom.

Хотя производители закрыли выявленные бреши в безопасности, сам архитектурный принцип остался неизменным. Подобные изолированные операционные системы функционируют в чипах всех ключевых вендоров беспроводных решений, создавая замкнутый контур, недоступный для стандартных средств диагностики и анализа со стороны пользователя.

Замена Cast OS на Fuchsia в устройствах Google Nest Hub

Масштабный перевод устройств на новую операционную систему может проходить абсолютно незаметно для конечного пользователя. В мае 2023 года компания Google завершила замену операционной системы на смарт-дисплеях Google Nest Hub второго поколения, переведя их с Cast OS (созданной на базе Linux) на собственную платформу Fuchsia.

В отличие от классического ядра Linux, Fuchsia построена на базе специализированного микроядра Zircon, развиваемого из проекта Little Kernel. Google разрабатывала эту систему с 2016 года, долгое время не раскрывая коммерческих планов по ее внедрению.

Причиной, по которой бесшовная смена фундаментальной ОС прошла без внимания пользователей, стало использование кроссплатформенного фреймворка Flutter для построения пользовательского интерфейса. Графический слой компилируется как под Linux, так и под Fuchsia, что позволило сохранить визуальное оформление, логику работы и скорость отклика интерфейса в первозданном виде. Подтвердить факт работы Fuchsia на конкретном устройстве можно лишь через просмотр строки версии в глубоких разделах системных настроек.

Компьютеры на Intel под управлением MINIX 3

Начиная с 2015 года и выхода микроархитектуры Skylake (модуль управления ME 11), корпорация Intel перевела микропрограмму встроенного сопроцессора Intel Management Engine (ME) на операционную систему MINIX 3. Ранее в этих модулях применялась RTOS ThreadX.

Модуль Intel ME представляет собой отдельный аппаратный блок с собственным процессором, который функционирует независимо от основного CPU, имеет прямой доступ к системной памяти, сетевым интерфейсам и шинам ввода-вывода, а также работает даже в том случае, если ПК находится в режиме сна.

Создатель MINIX, профессор Эндрю Таненбаум, разработал ее в 1987 году как учебную открытую систему для демонстрации студентам принципов устройства операционных систем. О том, что его разработка внедрена в сотни миллионов персональных компьютеров и серверов по всему миру, Таненбаум узнал из новостных публикаций в прессе. В открытом письме руководству Intel в ноябре 2017 года он отметил, что этот шаг превратил MINIX 3 в самую распространенную операционную систему на планете, превосходящую по суммарному числу инсталляций Windows, Linux и macOS, вместе взятые.

Итоги: какие ОС на самом деле доминируют в мире

Суммируя объемы поставок оборудования, можно прийти к выводу, что список самых массовых операционных систем в мире выглядит совсем не так, как его привыкли видеть пользователи. По количеству активных развертываний лидерство удерживают не Windows или Android, а платформы вроде Java Card, семейства микроядер ITRON и системы MINIX 3.

Большинство этих систем остается невидимым для пользователей в силу инженерных требований к надежности, безопасности и энергоэффективности. Независимо от того, осознаем мы это или нет, наш быт полностью опирается на работу миллиона строк кода, написанных специализированными компаниями и академическими институтами десятки лет назад.

Источник: www.xda-developers.com