Introduction aux systèmes temps réel

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1 Introduction aux systèmes temps réel Frank Singhoff Bureau C-207 Université de Brest, France LISyC/EA 3883 UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 1/42

2 Sommaire 1. Concepts de base. 2. A propos du temps réel dans les systèmes temps partagés. 3. Cycle de vie d un système temps réel. 4. Résumé. 5. Références. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 2/42

3 Présentation, définitions (1) "En informatique temps réel, le comportement correct d un système dépend, non seulement des résultats logiques des traitements, mais aussi du temps auquel les résultats sont produits" [STA 88]. Objectifs : Déterminisme logique : les mêmes entrées appliquées au système produisent les mêmes résultats. Déterminisme temporel : respect des contraintes temporelles (ex : échéance). Fiabilité : le système répond à des contraintes de disponibilité (fiabilité du logiciel et du matériel). = Système prédictible : on cherche à déterminer a priori si le système va répondre aux exigences temporelles. Un système temps réel n est pas un système "qui va vite" mais un système qui satisfait à des contraintes temporelles. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 3/42

4 Présentation, définitions (2) Exemples de grandeur [DOR 91, DEM 99] : La milliseconde pour les systèmes radar. La seconde pour les systèmes de visualisation humain. Quelques heures pour le contrôle de production impliquant des réactions chimiques. 24 heures pour les prévisions météo. Plusieurs mois ou années pour les systèmes de navigation de sonde spatiale. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 4/42

5 Présentation, définitions (3) Classement des systèmes temps réel selon leur besoin en garantie de service : Garantie de service = niveau de respect des contraintes. Garanties déterministes, probabilistes ou best effort. Systèmes temps réel dur ou critique. Systèmes temps réel souple. Systèmes temps réel ouvert ou fermé. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 5/42

6 Présentation, définitions (4) Classement des systèmes temps réel selon leur environnement. Systèmes embarqués, ou Embedded systems, ou systèmes enfouis : systèmes informatiques dans lequel le processeur/calculateur est englobé dans un système plus large et/ou que le logiciel est entièrement dédié à une application donnée. (ex : une sonde spatiale, un téléphone mobile). Systèmes répartis : "Un système réparti est un ensemble de machines autonomes connectées par un réseau, et équipées d un logiciel dédié à la coordination des activités du système ainsi qu au partage de ses ressources." Coulouris et al. [COU 94]. Système réparti temps réel pour des raisons de : Fiabilité (redondance). Contraintes physiques, commerciales, industrielles. Partage des ressources (données, périphériques,... ). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 6/42

7 Présentation, définitions (5) Problèmes liés aux systèmes embarqués : Intervention humaine directe difficile voire impossible (contre-exemple : PathFinder). Problèmes liés aux systèmes répartis : Localisation des ressources. Hétérogénéité (matériel et logiciel). Performance. Peu de problèmes de synchronisation et de cohérence dans le contexte temps réel (ex : mise au point, ). Autres : sécurité, maintenance. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 7/42

8 Exemple 1 : domaine de l avionique Système temps réel critique : Contraintes temporelles : temps de réponse, échéance, date d exécution au plus tôt, cadence, etc. Dimensionnement au pire cas et réservation des ressources. Utilisation de redondance matérielle et logicielle. Matériel et logiciel dédiés. Système fermé, validé a priori. Système réparti synchrone : commandes de vol, radars, moteurs, etc UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 8/42

9 Exemple 2 : multimédia sur le Web Système temps réel souple : Processeur Réseau Processeur Contraintes temporelles : gigue, délais de bout en bout, temps de réponse. Synchronisations intra et inter-flux. Plate-forme généraliste. Non déterminisme temporel à cause du matériel et du logiciel (ex : PC + windows). Application interactive. Nombre de flots inconnu. Débits variables et difficiles à estimer hors ligne. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 9/42

10 Autres exemples d application Préface d un livre sur le temps réel souple : "This book is about real-world programming... So real-world programs (and real-world programmers) are all around us. What characterizes all of these real-world applications is a critical dependence on time." [GAL 95] Transports (métro, aérospatiale, SIG et systèmes de régulation automobile). Médias (décodeurs numériques opentv). Services téléphoniques (téléphone mobile, auto-commutateur). Supervision médicale, écologique. Système de production industriel : centrale nucléaire, chaîne de montage, usine chimique. Robotique (ex : PathFinder). etc... UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 10/42

11 Sommaire 1. Concepts de base. 2. A propos du temps réel dans les systèmes temps partagés. 3. Cycle de vie d un système temps réel. 4. Résumé. 5. Références. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 11/42

12 Système temps partagé (1) Applicatifs Abstractions + API Système d exploitation Matériel Objectifs : Facilite l accès aux ressources. Masquer les ressources (multiprocesseur, disques RAID, mémoire). Recherche de l équité. Absence de famine. Maximise le débit global. Sûreté des applications (protection mémoire). Vivacité du système (inter-blocage). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 12/42

13 Système temps partagé (2) Périphériques Processeur Mémoire E/S Bus Mono-programmation : interaction synchrone entre le couple processeur/mémoire et les périphériques. Multi-programmation : interaction asynchrone. Le processeur profite du temps ainsi libéré pour effectuer d autres traitements : il ordonne son travail. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 13/42

14 Le processeur (1) Architecture : caches internes, pipe-line, prédiction de branchement (ex : Pentium). Liste de tâches CPU Ordonnancement (ex : Linux) : Tâches bloquées, prêtes ou élues. Priorité = nice + priorité dynamique proportionnelle au temps d attente dans l état "prêt". Equité, pas de prise en compte de l urgence ou de contrainte temporelle. Politique généralement opaque. Temps de réponse inconnu. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 14/42

15 Le processeur (2) = Utilisation d ordonnanceurs spécialisés (priorité, préemption, etc ). Si Ci <= Di k.pi (k+1).pi (k+2).pi... Modèle de tâches de Liu et Layland [LIU 73] : Tâches périodiques et indépendantes. Borne maximale sur le temps d exécution : C i (capacité). Période d activation : P i. Arrivée de la tâche dans le système : S i. Délai critique relatif à la période : D i. Echéance sur requête : D i = P i. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 15/42

16 Le processeur (3) L algorithme Rate Monotonic : Priorités fixes. Priorités = inverse de la période. Election de la plus forte priorité. Analyse hors ligne = applications statiques. Cas préemptif + modèle de Liu et Layland = ordonnançabilité = n i=1 C i P i n(2 1 n 1)! Condition suffisante mais non nécessaire. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 16/42

17 Le processeur (4) Exemple : T1 : C1=3 ; P1=10 (gris) T2 : C2=3 ; P2=5 (blanc) T3 : C3=3 ; P3=10 (noir) RR RM Round-robin avec un quantum d une unité de temps. Echec à l instant 5. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 17/42

18 Les entrées/sorties (1) Périphériques Processeur Caches Mémoire E/S Contrôleur DMA Modes d échanges : Bus Scrutation active de l unité : polling. Monopolise le processeur. Comportement temporel déterministe. Interruptions. Accès direct à la mémoire (DMA ; Direct Memory Access). Contention sur le bus. Comportement temporel indéterministe. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 18/42

19 Les entrées/sorties (2) Prise en compte interruption Tâche x Traitement interruption Tâche x Sauvegarde contexte Restauration contexte Interruptions et préemptivité : Priorité des interruptions non modifiable par le concepteur. Nombre d occurrences inconnu. Acquisition et traitement successifs = éventuellement long. UNIX = verrouillage important, peu préemptif. = Découplage acquisition et traitement des interruptions. Co-gestion tâches/interruptions. Noyau préemptif. Choix de matériel adapté. Polling. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 19/42

20 Synchronisation, autres ressources (1) Tâche i P(sem) utilise_la_ressource(k) V(sem) Tâche j P(sem) utilise_la_ressource(k) V(sem) P(s) { s.cpt=s.cpt-1; if (s.cpt<0) { ajouter_tâche_courante(s.file); bloquer_tâche(); } } V(s) { s.cpt=s.cpt+1; if (s.cpt<=0) { sortir_première_tâche(s.file); réveiller_tâche(); } } Synchronisation, communication et accès aux ressources effectués grâce à des sémaphores: Sémaphore = compteur entier/boolean + file d attente. Utilisation : exclusion mutuelle, paradigme classique de coopération (producteur/consommateur, lecteur/rédacteur). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 20/42

21 Synchronisation, autres ressources (2) Préemptée T1 T3 P(mutex) P(mutex) V(mutex) Bloquée T2 Arrivée Problèmes : Impact sur l ordonnancement car tâches bloquées. Gestion FIFO = accès non prioritaire aux ressources. Inversion de priorité : tâche de faible priorité bloquant une tâche de plus forte priorité pendant une durée inconnue. = Héritage de priorité. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 21/42

22 La mémoire Mémoire virtuelle Mémoire physique Table des pages Disque Défaut de page Mémoire : Nombre de défauts de page inconnu. Durée inconnue du défaut de page. Opération très coûteuse. Caches mémoire, caches disque. Allocation dynamique (First Fit,...). = Modèle mémoire plat, allocation statique. Verrouiller les pages en mémoire. Désactiver les caches. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 22/42

23 L horloge Unix : compromis entre précision du temps et coût. Mesure du temps et réveil des tâches = mesure = meilleur précision que réveil. Précision dépend de l architecture et du système d exploitation (ex : Linux Pentium = réveil 10 ms et mesure en µs). Circuit d horloge programmé pour générer des interruptions périodiques. Choix période? = Programmation du circuit (ex : sans utiliser de période, ou par la biais de matériels spécialisés). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 23/42

24 Sommaire 1. Concepts de base. 2. A propos du temps réel dans les systèmes temps partagés. 3. Cycle de vie d un système temps réel. 4. Résumé. 5. Références. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 24/42

25 Génie logiciel et temps réel (1) Génie logiciel = méthodes, modèles et ateliers préconisés pour maîtriser la qualité des produits, leur coût et le respect des délais. Spécificités des applications temps réel : Concurrentes et synchronisées. Manipulation du temps. Coût de développement trés lourd (validation temporelle et logique, applications peu flexibles). Maintenance souvent impossible (téléphone mobile, sonde spatiale) = erreur souvent irréversible. Conséquences tragiques (vies humaines, faillites économiques). = Utilisation de méthodes, outils afin d éviter au mieux tous ces pièges. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 25/42

26 Génie logiciel et temps réel (2) Spécification du logiciel Recette/ validation du logiciel Conception du logiciel Tests unitaires puis d intégration du logiciel Codage/réalisation du logiciel Spécification = quoi faire? Conception = comment faire? Notions de méthodes, modèles et outils. Couverture partielle ou totale du cycle. La "couverture" dépend aussi du domaine applicatif. Un modèle peut couvrir plusieurs phases d un projet. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 26/42

27 Génie logiciel et temps réel (3) 1. Méthodes de spécification : Les réseaux de Petri. Les langages synchrones. 2. Environnement d exécution et de développement : Les exécutifs temps réel embarqués. Langages pour le temps réel. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 27/42

28 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P2 P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

29 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P2 P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

30 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P2 P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

31 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P2 P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

32 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P2 P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

33 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

34 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

35 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

36 Les réseaux de Petri Prêt à déposer Places libres Consommation P1 P P3 Fin de production T1 T2 Déposer T3 Retirer T4 Fin de consommation P4 Production P5 Places occupées P6 Prêt à consommer Place, jeton, transition. Modèle à états. Vérification logique, éventuellement temporelle. Etude du graphe d état : vivacité (inter-blocage), respect d invariant (ex : exclusion mutuelle). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 28/42

37 L approche synchrone (1) Simulation Génération de code Spécification Mise en oeuvre Vérifier Objectifs : Spécifier et/ou concevoir formellement un système. Vérifier des propriétés (ex : temporelles). Génération de code pour effectuer des simulations. Etre capable d embarquer le logiciel (ex : problèmes de taille). UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 29/42

38 L approche synchrone (2) E1 E2 E3 Système réactif synchrone S1 S2 S3 Système réactif : fonctionnement cyclique. Atomicité. Déterministe logique et temporel. Système synchrone : temps d exécution nul = temps de réaction plus court que le temps inter-arrivée des événements. Temps discrétisé = facilite sa manipulation. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 30/42

39 L approche synchrone (3) Exemple : le langage Esterel [BER 98]. Langage impératif. Manipulation aisée du temps. Notion de tâche mais parallélisme d expression. Notion de signal (externe, interne entre tâches). Déterministe logique et temporel du code généré (automates, circuits). Simulation/vérification. Intégration et génération de code en C/Ada = Esterel = contrôle uniquement. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 31/42

40 L approche synchrone (4) module reveil: end module input SECONDE; output MINUTE; every 60 SECONDE do emit MINUTE; end every UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 32/42

41 Génie logiciel et temps réel (3) 1. Méthodes de spécification : Les réseaux de Petri. Les langages synchrones. 2. Environnement d exécution et de développement : Les exécutifs temps réel embarqués. Langages pour le temps réel. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 33/42

42 Exécutif et OS temps réel (1) 1. Exécutif (ou moniteur) : Système de faible envergure (ex : pour application embarquée). Collection de primitives = édition de liens. Parfois mono-programmé (systèmes cycliques, calendrier). Avec ou sans protection mémoire. Environnement de compilation croisée. 2. Système d exploitation : Interaction par appels systèmes. Système multi-programmé (souvent POSIX). Avec ou sans environnement de compilation croisée. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 34/42

43 Exécutif et OS temps réel (2) Critère de choix entre exécutif et OS : Taille de l application, complexité, construite ad hoc ou non. Besoin en déterminisme temporel/logique + validation = grande simplicité des services offerts. Efficacité, empreinte mémoire. Convivialité souhaitée (outils de développement), flexibilité. Services offerts normalisés : POSIX b et Spectre [DEM 99]. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 35/42

44 Exécutif et OS temps réel (3) La compilation croisée :. TCP/IP sur Ethernet, liens séries, etc. TFTP, NFS Environnement de développement Machine cible GDB RGDB rsh Hôte (windows) OS temps réel Disque NFS UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 36/42

45 Langage pour le temps réel (1) Principaux critères de choix : Déterminisme temporel et logique validés. Fiabilité. Présence d abstractions "temps réel" (tâches, synchronisation, horloges, etc). Accès aux ressources de bas niveau. Portabilité, normalisation. Compilation séparée. Performance. Deux approches : langages de bas niveau et de haut niveau. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 37/42

46 Langage pour le temps réel (2) Langages de bas niveau : C/C++, Assembleur. Largement diffusés et utilisés à ce jour. Accès direct aux ressources de bas niveau. Idéal pour les E/S. Doit être couplé avec les services du système (pour synchronisation, ordonnancement) = bibliothèques. Langage généralement restreint (sous-partie ayant un comportement temporel déterministe facile à évaluer). Peu adapté aux logiciels complexes et/ou volumineux. Pas de normalisation, donc peu de portabilité : logiciel ad hoc = comportement bibliothèques. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 38/42

47 Langage pour le temps réel (3) Langages de haut niveau : Ada 95 [ZAF 99] Langage conçu, entre autres, pour le support des applications temps réel. Abstractions temps réel : tâche, interruption, ordonnancement (priorité fixe et dynamique), synchronisation (sémaphore), timer et gestion du temps, outils de communication (rendez-vous). Interface/syntaxe et COMPORTEMENT du langage normalisés par l ISO = forte portabilité. Compilation séparée. Typage fort = langage très fiable. Adapté à la production de logiciels volumineux. Langage complexe. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 39/42

48 Résumé Notion de base sur les systèmes temps réel : prise en compte du temps, concurrence et synchronisation. Contraintes spécifiques : sûreté fonctionnelle et temporelle, répartition, environnement (système embarqué), performance. Cycle de vie d un système temps réel : méthodes et outils de spécification/conception. Plates-formes de développement/exécution. UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 40/42

49 Références (1) [BER 98] G. Berry. «The Foundations of Esterel». in Proof, Language and Interaction: Essays in Honour of Robin Milner, G. Plotkin, C. Stirling and M. Tofte, editors, MIT Press, [COU 94] G. Coulouris, J. Dollimore, and T. Kindberg. Distributed Systems Concepts and Design, 2nd Ed. Addison-Wesley Publishers Ltd., [DEM 99] I. Demeure and C. Bonnet. Introduction aux systèmes temps réel. Collection pédagogique de télécommunications, Hermès, septembre [DOR 91] A. Dorseuil and P. Pillot. Le temps réel en millieu industriel. Edition DUNOD, Collection Informatique Industrielle, [GAL 95] B. O. Gallmeister. POSIX 4 : Programming for the Real World. O Reilly and Associates, January UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 41/42

50 Références (2) [LIU 73] C. L. Liu and J. W. Layland. «Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard Real-Time Environnment». Journal of the Association for Computing Machinery, 20(1):46 61, January [STA 88] John Stankovic. «Misconceptions about real-time computing». IEEE Computer, October [ZAF 99] L. Zaffalon and P. Breguet. Programmation concurrente et temps réel avec ADA 95. Hermès, UE systèmes temps réel, Université de Brest Page 42/42