Von der Hardware zur Applikation: Effiziente Embedded-Linux-Entwicklung mit Digi Embedded Yocto (DEY)

Wer heute ein eingebettetes System entwickelt, steht vor einem Zielkonflikt: Das Linux-Betriebssystem muss perfekt auf die Hardware abgestimmt sein, höchste Sicherheitsstandards erfüllen und über Jahre wartbar bleiben – doch der Marktdruck erlaubt keine monatelange Basisentwicklung.

Hier setzt Digi Embedded Yocto (DEY) an. Als herstellerspezifische, hardware-validierte Yocto-Distribution schließt DEY die Lücke zwischen den maßgeschneiderten ConnectCore® System-on-Modules (SoMs) von Digi und einem fertigen, industrietauglichen Betriebssystem. Erfahren Sie in diesem Artikel, wie die Kombination aus Board Support Package (BSP), integrierten Sicherheitsfunktionen und dem Yocto-Standard den Entwicklungsprozess drastisch beschleunigt.

Die Grundlagen: Was ist das Yocto Project?

Das Yocto Project® ist ein Open-Source-Kollaborationsprojekt unter dem Dach der Linux Foundation. Ein zentraler Grundsatz verdeutlicht seine Rolle: Das Yocto Project ist keine eigene Embedded-Linux-Distribution, sondern ein Framework zur Erstellung maßgeschneiderter Linux-Systeme.

Statt auf vorgefertigte Distributionen wie Debian oder Ubuntu zurückzugreifen, die für viele eingebettete Systeme unnötig umfangreich sein können, stellt das Yocto Project eine flexible Umgebung aus Build-Tools, Metadaten, Rezepten und Konfigurationsdateien bereit. Entwickler können damit schlanke, reproduzierbare und gezielt auf die jeweilige Hardware und Anwendung abgestimmte Linux-Images erstellen.

Dabei lässt sich exakt festlegen, welche Softwarekomponenten, Treiber, Bibliotheken und Systemdienste Bestandteil des finalen Images sind. Dies ermöglicht es, den Speicherbedarf und die Angriffsfläche zu reduzieren und gleichzeitig ein auf die jeweilige Embedded-Anwendung optimiertes Linux-System bereitzustellen.

Warum das Yocto Project der Industriestandard ist

In der professionellen Embedded- und IoT-Entwicklung hat sich das Yocto Project als de-facto-Standard etabliert. Das liegt vor allem an drei entscheidenden Produkteigenschaften:

1. Maximale Kontrolle und Schlankheit:

Industrielle Geräte benötigen in der Regel nur einen Bruchteil der Softwarepakete eines Standard-Linux. Mit Yocto bestimmen Entwickler punktgenau, welche Bibliotheken, Treiber und Applikationen im finalen Image landen. Das spart nicht nur kostbaren Speicherplatz und Rechenressourcen, sondern reduziert auch die potenzielle Angriffsfläche für Sicherheitslücken drastisch.

2. Skalierbarkeit und Flexibilität durch Layer-Architektur:

Das Ökosystem von Yocto basiert auf einem modular strukturierten Layer-Konzept (z. B. meta-openembedded oder herstellerspezifische Hardware-Layer). Dadurch lässt sich die systemnahe Hardware-Anpassung sauber von der eigentlichen Anwendungslogik trennen. Wechselt beispielsweise die Prozessorarchitektur oder wird das Board aktualisiert, muss in der Regel nur der unterliegende Hardware-Layer getauscht werden, während die Anwendungs-Ebene unangetastet bleibt.

3. Absolute Reproduzierbarkeit und Compliance:

Ein kritischer Punkt in der Industrie ist die langfristige Wartbarkeit über Produktlebenszyklen von 10 Jahren und mehr. Yocto ermöglicht sogenannte Reproducible Builds: Jede einzelne Software-Komponente wird inklusive Abhängigkeiten exakt definiert und gebaut. So lässt sich auch Jahre später ein identisches Kernel- und Dateisystem-Image regenerieren – essenziell für Nachzertifizierungen, Sicherheits-Patches und die automatische Erstellung von Software Bill of Materials (SBOM).

Digi Embedded Yocto (DEY): Das Ökosystem

Während das Yocto Project das generische Framework für die Erstellung maßgeschneiderter Embedded-Linux-Systeme bereitstellt, bildet Digi Embedded Yocto (DEY) die praktische Brücke zur konkreten Hardware. DEY ist eine von Digi International gepflegte, quelloffene und frei verfügbare Yocto-basierte Entwicklungsumgebung für die Digi ConnectCore®-Produktfamilie. Sie baut auf den Technologien des Yocto Projects und OpenEmbedded auf und integriert die für die jeweiligen ConnectCore-Plattformen erforderlichen Board Support Packages (BSPs), Treiber, Konfigurationen und Digi-spezifischen Softwarekomponenten.

Damit müssen Entwickler nicht bei einem generischen Yocto-Buildsystem beginnen und die Unterstützung für die Zielhardware selbst zusammenstellen. DEY liefert bereits eine auf die ConnectCore-Hardware abgestimmte Ausgangsbasis und ergänzt den Yocto-Standard um herstellerspezifische Erweiterungen. Dazu gehören unter anderem Hardware-spezifische BSPs, Treiber, Softwarepakete und Konfigurationen, die von Digi für die jeweilige Plattform bereitgestellt und validiert werden.

So verkürzt DEY den Weg von der initialen Yocto-Konfiguration zu einem produktionsnahen Embedded-Linux-System für die konkrete ConnectCore-Plattform erheblich.

Was beinhaltet die Digi Embedded Yocto Distribution?

DEY wird als gepflegtes Repository (Super-Layer meta-digi auf GitHub) bereitgestellt und führt alle Ebenen zusammen, die für den Betrieb eines eingebetteten Systems erforderlich sind. Das Paket enthält sämtliche Hauptkomponenten eines modernen Embedded Linux:

1. Angepasster U-Boot Bootloader:

Ein für die ConnectCore-Module vorkonfigurierter Bootloader, der nicht nur das Laden des Linux-Kernels steuert, sondern auch erweiterte Befehle für Skripte, Speicherprogrammierung und Systemabsicherung integriert.

2. Angepasster Linux-Kernel & Device Trees:

DEY beinhaltet einen aktuellen, auf die jeweilige Prozessorarchitektur und Digi-Hardware abgestimmten Linux-Kernel, der in der Regel auf einem langfristig gepflegten LTS-Kernel¹-Release basiert. Ergänzt wird dieser durch die für die jeweilige Plattform erforderlichen Hardware-Treiber, Kernel-Erweiterungen und Device Trees², über die der Kernel³ die spezifischen Komponenten und Peripheriefunktionen des ConnectCore-Moduls und des zugehörigen Carrier-Boards erkennt und konfiguriert.

3. Vorkonfiguriertes Root-Dateisystem (RootFS):

Das Anwendungs- und Betriebssystempaket setzt auf etablierte Linux-Standards und -Komponenten wie systemd als Initialisierungs- und Servicemanager, den BlueZ-5-Bluetooth-Stack sowie NetworkManager und ModemManager für die Verwaltung von Netzwerk- und Mobilfunkverbindungen. Für grafische Benutzeroberflächen können zudem Frameworks wie Qt eingesetzt werden.

4. Software Development Kit (SDK) & Toolchains:

Ein vorkompiliertes C/C++-SDK zur Cross-Kompilierung eigener Applikationen auf dem Entwickler-PC.

5. Software-Erweiterungen (Out-of-the-Box Features):

Exklusive Digi-Erweiterungen wie APIs zur Hardware-Ansteuerung (Digi APIx), Schnittstellen für das Digi Microcontroller Assist™ (MCA) Subsystem und vorkonfigurierte Sicherheitsarchitekturen.

Strukturell teilt Digi das System in klare Yocto-Layer auf:

meta-digi-arm: Enthält die hardwarenahen Board Support Packages (BSPs) und Maschinendefinitionen.
meta-digi-dey: Der hardwareunabhängige Distributions-Layer für Software-Features und Bibliotheken.
meta-digi-containers: Ermöglicht die zeitgemäße Nutzung von Container-Technologien (z. B. Docker) direkt im Embedded-Umfeld.

^{(1) LTS (Long-Term Support) bezeichnet Kernel-Versionen, die über einen längeren Zeitraum mit Sicherheitsupdates und Fehlerkorrekturen gepflegt werden. Dies ist insbesondere für Embedded- und Industrieprodukte wichtig, deren Softwarebasis über viele Jahre stabil und wartbar bleiben muss.}
^{(2) Device Tree: Hardwarebeschreibung für den Linux-Kernel, die festlegt, welche Komponenten und Schnittstellen vorhanden und wie diese im System konfiguriert und miteinander verbunden sind.}
^{(3) Der Linux-Kernel bildet die zentrale Vermittlungsschicht zwischen der Hardware des ConnectCore-Moduls und den darauf ausgeführten Anwendungen. Er übernimmt unter anderem die Verwaltung von Prozessor, Speicher, Prozessen und Peripherie und stellt über Gerätetreiber den Zugriff auf die Hardware bereit.}

Auf welchen Hardware-Plattformen wird DEY eingesetzt?

Digi Embedded Yocto ist maßgeschneidert für das gesamte Portfolio der Digi ConnectCore® System-on-Modules (SoMs) sowie die zugehörigen Development Kits und Single Board Computer (SBCs). Unterstützt werden unter anderem:

ConnectCore 9-Serie (ConnectCore 91 / ConnectCore 93 / ConnectCore 95): Die neueste Generation von Digi-SoMs auf Basis der NXP i.MX 9-Prozessorarchitektur (z. B. i.MX 91 und i.MX 93). Sie wurde speziell für anspruchsvolle IoT-, Edge-Computing- und Industrie-4.0-Anwendungen entwickelt und integriert unter anderem dedizierte AI/ML Neural Processing Units (NPU) für Edge-KI sowie modernste Drahtlosstandards wie Wi-Fi 6 und Bluetooth 5.
ConnectCore MP-Serie (MP13 / MP15 / MP25): Energiesparende, hochintegrierte Module auf Basis von STMicroelectronics STM32MP-Prozessoren. Während MP13 und MP15 die kosteneffiziente Basis bilden, bringt die ConnectCore MP2-Serie (STM32MP25) spürbare Mehrleistung durch 64-Bit-Prozessorkerne, moderne Multimedia-Unterstützung, integrierte NPU und erweiterte Time-Sensitive-Networking-(TSN)-Schnittstellen für die industrielle Automation.
ConnectCore 8-Serie (8M Nano, 8M Mini, 8X): Leistungsstarke Multicore-Module auf Basis der NXP i.MX 8 Prozessorarchitektur für anspruchsvolle Grafik-, Edge-Computing- und Multimedia-Aufgaben.
ConnectCore 6-Serie (6 / 6UL): Bewährte Industriestandards auf Basis von NXP i.MX 6, ideal für ultra-kompakte oder kostenoptimierte Designs.
Durch diese einheitliche DEY-Softwarebasis profitieren Entwickler von einer enormen Wiederverwendbarkeit: Softwareprojekte lassen sich mit minimalem Aufwand zwischen verschiedenen SoM-Leistungsklassen portieren.

Das Herzstück: Das Digi BSP (Board Support Package)

Während eine Yocto-Distribution das Gesamtsystem und die Anwendungsebene definiert, ist das Board Support Package (BSP) das grundlegende Fundament darunter. Ohne ein präzise abgestimmtes BSP bleibt selbst die leistungsfähigste System-on-Module-Hardware stumm.

Was ist ein BSP?

Das BSP fungiert als entscheidendes Bindeglied zwischen der physischen Digi-Hardware und dem Linux-Betriebssystem. Es abstrahiert die komplexen Details der Mikroprozessoren, Speicherbausteine, Power-Management-ICs (PMICs) und Peripherie-Schnittstellen, sodass Entwickler darauf ein standardisiertes Linux-System betreiben können, ohne die Register jedes einzelnen Chips manuell programmieren zu müssen.

Woraus setzt sich das Digi DEY BSP zusammen?

Im Rahmen von Digi Embedded Yocto wird das BSP primär über den dedizierten Layer meta-digi-arm gebündelt und bereitgestellt. Es setzt sich im Wesentlichen aus drei Kernelementen zusammen:

1. Hardware-Treiber & Kernel-Module:

Vollständig integrierte und getestete Treiber für alle boardeigenen Schnittstellen – von Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth und CAN-Bus über Display-/Touch-Controller bis hin zu Kameraschnittstellen (MIPI-CSI) und Beschleunigern (NPUs/GPUs).

2. Device Trees:

Detaillierte Beschreibungen der Hardware-Topologie. Sie teilen dem Linux-Kernel exakt mit, welche Komponenten auf dem SoM und dem Carrier-Board verbaut sind, wie deren Pin-Belegung (Pin-Muxing) aussieht und welche Adressen sie im Speicher belegen.

3. Bootloader-Konfiguration (U-Boot):

Eine hardwarenahe U(niversal)-Boot-Konfiguration, die das Board aus dem Reset holt, den Arbeitsspeicher (DDR-RAM) initialisiert, die Taktraten sowie das Power-Management einstellt und schließlich den Linux-Kernel sicher in den Speicher lädt.

Das Besondere am Digi BSP: Es lässt sich flexibel anpassen, ohne die von Digi bereitgestellten Komponenten direkt verändern zu müssen. Entwickler können über die standardisierten Mechanismen von Yocto, beispielsweise mithilfe von .bbappend-Dateien und eigenen Custom-Layern, Anpassungen für ihr spezifisches Carrier-Board vornehmen. Dadurch bleiben eigene Erweiterungen klar von den Digi-Basis-Layern getrennt, strukturiert und wartbar. Bei Aktualisierungen des Digi BSP lassen sich diese Anpassungen in der Regel einfacher übernehmen und weiterführen.

Bereitstellung, Quellen und Dokumentation

Digi setzt bei der Bereitstellung seines BSPs auf volle Transparenz und direkte Zugänglichkeit:

Quellcode auf GitHub:

Das gesamte Yocto-Repository inklusive des BSP-Layers (meta-digi) ist öffentlich auf GitHub gehostet. Über manifest-basierte Repositories (dey-manifest) lässt sich die komplette Entwicklungsumgebung mit wenigen Terminal-Befehlen reproduzierbar auf dem lokalen Entwickler-Rechner aufsetzen.

Digi Embedded Documentation Portal:

Über das zentrale Embedded Documentation Portal stellt Digi umfassende, stets aktuell gehaltene Handbücher, API-Referenzen, Hardware-Referenzdesigns und Schritt-für-Schritt-Anleitungen bereit. Hier finden Entwickler nicht nur Beschreibungen zur Konfiguration des BSPs, sondern auch praxiserprobte Guides zum Compilieren eigener Images, zur Pin-Muxing-Anpassung und zum Einsatz der Sicherheitstools.

Mehrwert & Kernvorteile für Entwickler: Warum DEY nutzen?

In der Praxis stehen Entwicklerteams bei eingebetteten Systemen häufig vor der Wahl, ein Linux-System komplett eigenständig aufzubauen oder eine fertige Hersteller-Distribution zu nutzen. Der Einsatz von Digi Embedded Yocto (DEY) bringt konkrete, messbare Vorteile für den gesamten Produktlebenszyklus – von der ersten Prototypenphase bis zur jahrelangen Serienbetreuung.

1. Integrierte Sicherheit ab Werk mit Digi TrustFence®

Sicherheit darf bei IoT- und Industrie-4.0-Geräten kein nachträglicher Gedanke sein. DEY integriert das herstellereigene Security-Framework Digi TrustFence® nahtlos in den Yocto-Build-Prozess. Statt komplexe Kryptographie-Prozesse händisch zu implementieren, stehen fertige Mechanismen bereit:

Secure Boot: Stellt durch kryptografische Signaturprüfungen sicher, dass beim Systemstart ausschließlich authentifizierte und vertrauenswürdige Software ausgeführt wird – von der Bootkette bis zum Linux-Kernel.
Verschlüsselter Speicher: Unterstützt die Absicherung gespeicherter Daten durch verschlüsselte Dateisysteme sowie die geschützte Verwaltung kryptografischer Schlüssel. Je nach Plattform können dabei auch hardwarebasierte Sicherheitsfunktionen und Secure Elements zum Einsatz kommen.
Schnittstellen- und Zugriffsschutz: Ermöglicht die Absicherung von Hardware- und Softwareschnittstellen, beispielsweise durch die gezielte Konfiguration und Deaktivierung nicht benötigter Schnittstellen sowie weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Angriffsfläche.

2. Drastisch verkürzte Time-to-Market

Der Aufbau einer eigenen, stabilen Yocto-Umgebung – inklusive Kernel-Tuning, Treiber-Integration und Toolchain-Setup – nimmt oft mehrere Wochen bis Monate in Anspruch. Mit DEY entfällt diese Hürde: Entwickler greifen auf fertig konfigurierte, kompilierbare Referenz-Images zu. Dadurch kann der Fokus ab Tag 1 auf die eigentliche Wertschöpfung gelegt werden: die Entwicklung der eigenen Applikationssoftware.

3. Langzeitwartung und nahtlose Update-Pfade

Industrielle Produkte verbleiben oft 10 bis 15 Jahre im Feld. DEY sichert diesen Lebenszyklus nachhaltig ab:

Aktive BSP-Pflege: Digi übernimmt die kontinuierliche Wartung, das Backporting von Sicherheits-Patches und die Anpassung an neue Yocto-LTS-Releases (Long Term Support).
Vorbereitet für OTA-Updates: DEY enthält bereits die Grundlagen für sichere Over-the-Air-Software-Updates im Feld (z. B. A/B-Partitionsschemata⁴ zur Ausfallsicherheit bei Update-Vorgängen), was die Wartungskosten im laufenden Betrieb drastisch senkt.

4. Industrielle Qualität statt instabiler „Bastelei“

Eine selbst zusammengestellte Distribution birgt das Risiko unvorhergesehener Laufzeitfehler, Treiber-Inkompatibilitäten oder Speicherlecks. Jedes Release von Digi Embedded Yocto durchläuft umfangreiche, automatisierte Testreihen direkt auf der realen ConnectCore-Hardware. Entwickler erhalten somit eine hardware-validierte Plattform, die extrem stabil läuft und strengen industriellen Qualitätsstandards entspricht.

^{(4) A/B-Partitionierung: Das System hält zwei Systempartitionen vor. Während eine aktiv genutzt wird, kann die andere mit einem Update beschrieben werden. Nach erfolgreicher Aktualisierung wird auf die neue Version umgeschaltet; bei einem Fehler kann auf die vorherige Version zurück gewechselt werden.}

Fazit & Ausblick

Die Entwicklung moderner Embedded-Linux-Systeme erfordert heute weit mehr als nur das Kompilieren eines funktionierenden Kernels. Steigender Marktdruck, strenge Sicherheitsvorgaben und die Erwartung jahrelanger Softwarepflege machen eine professionelle Basis unumgänglich.

Mit Digi Embedded Yocto (DEY) erhalten Entwicklungs- und Produktteams die perfekte Kombination aus der Flexibilität des Yocto-Standards und der Verlässlichkeit einer industriell validierten Herstellersoftware. Das nahtlos abgestimmte Zusammenspiel aus ConnectCore-Hardware, gepflegtem Board Support Package (BSP) und der integrierten Sicherheitsarchitektur Digi TrustFence® verkürzt die Time-to-Market von Monaten auf Wochen. Statt wertvolle Ressourcen in die aufwendige Wartung der grundlegenden Software-Infrastruktur zu investieren, können sich Entwickler voll und ganz auf ihre eigentliche Kernkompetenz konzentrieren: die Schaffung von Mehrwert durch innovative Anwendungssoftware.

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