STRE. Systèmes temps réel Embarqués. Plan. Bertrand Dupouy. STR Embarqués. STR Embarqués

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1 STRE Plan Systèmes temps réel Embarqués Bertrand Dupouy 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives ENST 8/06/10 80 ENST 8/06/10 81

2 STRE Plan 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives ENST 8/06/10 82 ENST 8/06/10 83

3 Leur place : Définition Des système embarqués Environnement contrôlé Système de commande Capteur/Emetteur Noyau temps réel Ordonnancement Communications Langage de programmation STRE : mise en œuvre conjointe de matériel et de logiciel pour gérer un dispositif qui n est pas un ordinateur et qui interagit avec le monde extérieur (qui est donc sous contraintes temporelles), Système d exploitation et logiciels applicatifs sont «immergés» dans l architecture matérielle et ne sont pas aussi visibles que sur un PC classique, c est pour cette raison que l on parle de: - système enfoui (embedded system), - informatique diffuse (pervasive computing) : l informatique est présente partout, mais on ne la remarque pas, Compromis matériel/logiciel : La plateforme embarquée (1) - seules les fonctions simples et pérennes sont réalisées en matériel, - tendance aux processeurs généralistes puissants et aux réalisations logicielles, - Le matériel assure la performance, le logiciel apporte portabilité, flexibilité Exemple de matériels embarqués : - processeur + E/S simples : carte à puce, - processeur + réseau : routeur, - processeur + réseau sans fil + E/S simples : téléphone portable, - processeur + capteurs/émetteurs sophistiqués : robots, contrôle de processus, Remarque sur les processeurs embarqués : - grande capacité d'e/s, - un problème : le rapport Mips/Watt, hot RISC (sur les stations) et cold RISC (embarqués) ENST 8/06/10 84 ENST 8/06/10 85

4 La plateforme embarquée (2) Contraintes spécifiques au niveau matériel : o faible encombrement, faible poids, faible consommation, o robustesse: résistance aux vibrations, chocs, température, o processeur : réserve d énergie limitée (par le coût, par le poids) ; la consommation d énergie sera peut être à prendre en compte par l ordonnanceur (energy aware scheduling), o mémoire : faible espace d adressage (small footprint), o disque : souvent absent (disk on RAM) Contraintes spécifiques au niveau logiciel: o sûreté de fonctionnement (capacité à accorder une confiance justifiée au service), o résistance aux pannes (la panne d un composant ne remet pas en cause la vie du système), o développement en environnement croisé (cross compilation), ENST 8/06/10 86 ENST 8/06/10 87

5 Système temps réel embarqué : Contraintes temporelles Le STRE reçoit des stimuli via ses capteurs et répond en actionnant les périphériques adéquats. Ces interactions avec le monde extérieur se font de plusieurs manières : - synchrone, (scrutation : clock based system), - asynchrone, (interruption : sensor based system), Le STRE doit offrir une bonne réactivité à ces événements extérieurs : - gestion déterministe des interruptions et des timers, - importance des interruptions qui indiquent l occurrence d'une échéance, et en particulier son dépassement. Que doit-on faire dans ce cas : arrêter le système, juste la tâche fautive, passer dans un mode dégradé? Les tâches qui gèrent ces événements sont : - périodiques (déclenchement à fréquence fixe), - apériodiques (fréquence de déclenchement variable), - sporadiques (fréquence de déclenchement variable mais bornée) Système temps réel embarqué : Ressources limitées Comme le STR, le STR embarqué (STRE) doit être prédictible dans les domaines temporel (échéances) et logique (sûreté, vivacité...) Notion de qualité de la réponse : - moins précise, plus rapidement, - exacte, moins rapidement, - combien d'échéances peut-on manquer? le STRE a des contraintes supplémentaires: - émettre des signaux ou répondre à des stimuli externes (capteurs) dans une fenêtre de temps limitée (respect des échéances, déterminisme temporel), - se satisfaire de ressources limitées (espace mémoire, puissance processeur, énergie,...), donc utiliser des algorithmes économes en consommation de mémoire, énergie, cpu, - sécurité, reprise en cas d'erreur, fonctionnement en mode dégradé Remarque : le ressources. critère du WCET conduit à la sous-utilisation des ENST 8/06/10 88 ENST 8/06/10 89

6 Système temps réel embarqué : spécificités (1) En plus de ceux fournis par les STR, les STRE devront offrir les services suivants : Gestion des entrées-sorties : - gestion déterministe du temps, mise à disposition de timers haute résolution, Gestion de l énergie : - assurer une faible consommation : les algorithmes utilisés par les STR ne pourront pas toujours être implantés par les STRE. Cette gestion peut se traiter dynamiquement soit au niveau matériel soit au niveau de l'ordonnancement, Gestion de la mémoire : - au niveau temporel : allocation des blocs mémoire en temps prédictible (cf. RTSJ), - au niveau espace d adressage : prise en compte des contraintes de faible encombrement. Les STRE proposent également des facilités pour dimensionner précisément l espace d adressage d une application, Gestion du disque : - implantation des file systems en RAM (système de fichier en mémoire flash), Gestion des pannes : Système temps réel embarqué : spécificités (2) - interventions de maintenance difficiles ou impossibles, ce qui implique : o un haut niveau de disponibilité, o des mécanismes de reprise en cas d'erreur, o des possibilités de fonctionnement en mode dégradé, Méthodes de développement : - développement en environnement croisé ; mise au point difficile, on attend des outils de trace et de mesure, Adaptabilité : - adaptabilité à la variation de configuration logicielle (cf. les managers de RTEMS), - adaptabilité aux différentes configurations matérielle : o notion de HAL (Hardware Layer) ou de BSP (Board Support Package) : une couche qui sépare du noyau les sections de code spécifiques au processeur. Au-delà de cette couche, le système d exploitation est indépendant du processeur sur lequel il s'exécute, ENST 8/06/10 90 ENST 8/06/10 91

7 Conséquences : Conséquences de ces nouvelles contraintes : - les algorithmes utilisés dans les STR ne peuvent pas toujours être implantés à cause d'une trop grande consommation de ressources : Exemples : o taille mémoire du code, des données, o dégradation des performances en fonction des restrictions de ressources, - les garbage collectors des machines Java doivent être repensés pour les JVM embarquées, - gestion des file systems en RAM, - que faire si une échéance n'est pas respectée? Importance des interruptions qui indiquent la proximité d'une échéance ou bien qu'on l'a manquée. STRE Plan 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives ENST 8/06/10 92 ENST 8/06/10 93

8 Quel système pour les applications embarquées? Exécutif TR Ou système TR? Système dédié ou généraliste? - Le construire en tant que tel (cf. cours STR!!!), - Le construire en le dérivant d'un système classique (UNIX ou autre), pour cela, il faut : Niveau système : o réduire sa taille! o donner des outils déterministes pour la gestion du temps (alarmes, signaux), o modifier l'ordonnancement (et la synchronisation) pour respecter les contraintes temporelles, o gestion des ressources prédictible (exemple : allocation mémoire), Niveau interface avec le matériel: o outils pour ajouter simplement des pilotes de périphériques, Exécutif temps réel, moniteur temps réel (par exemple, RTEMS): - recompilé avec l'application, se présente sous forme d une bibliothèque, «linkée» avec l'application. On recharge l ensemble [application+système] à chaque fois qu on relance l application. - Il est de très petite taille, parce que modulable en fonction de l application, - gestion mémoire très simple donc efficace en terme de temps, - pas d'interface utilisateur, le couple écran/clavier n est plus le périphérique privilégié, Système temps réel (par exemple, Linux) : - système chargé en entier en mémoire, il reste en mémoire et permet l exécution successive de plusieurs applications, - mais il est plus volumineux qu un exécutif, - plus portable (?), souvent compatible POSIX, - utilisation plus souple (interface du type shell ), mais est-ce toujours nécessaire? ENST 8/06/10 94 ENST 8/06/10 95

9 Exemple de critères de choix : Comment choisir le système (ou l exécutif)? - sur quelle cible (BSP et processeur) va être déployée l application? - quels langages de programmation sont disponibles? - taille mémoire nécessaire en RAM et en ROM (footprint), - pilotes de périphériques disponibles, facilité de leur écriture, - outils offerts par la chaîne de développement croisée, - disponibilité ou non du code source, support technique, maturité, Résumé : Evolution des systèmes embarqués De la simple boucle de gestion des interruptions (années 70) à la notion de système et de BSP (board support package ) : Structure des années 70 : Boucle : tests de variables d état et exécution de fonctions approriées. Mise à jour de ces variables par les procédures de gestion des interruptions à bas niveau (ISR, Interrupt Service Routines). Ces procédures sont écrites en assembleur. Structure des systèmes embarqués actuels : Application écrite en langage de haut niveau Intergiciel (exemple : RT CORBA) Bibiliothèques (exemple : POSIX threads), couches réseau (exemple : IP stack), Noyau temps réel embarqué (exemple : RTEMS). Ordonnancement, synchronisation, gestion mémoire Processeur et carte électronique spécifique (BSP, Board Support Package ; HAL, Hardware Layer) Matériel piloté (exemple : robot, téléphone portable, ). ENST 8/06/10 96 ENST 8/06/10 97

10 Peut-on se passer du STRE? Peut-on se passer du STRE? 1-La boucle de scrutation des évènements On va maintenant voir pourquoi la gestion directe des évènements, sans système d exploitation proprement dit, n est satisfaisante que dans les cas les plus simples. - On envisagera successivement : o La boucle de scrutation, o L exécutif cyclique, La solution la plus simple est la boucle de scrutation de l ensemble des périphériques : - C est une suite de tests qui vérifie l état de chaque périphérique : o Si cet état a changé, alors exécution d une action, o Sinon : rien - Inconvénients : o La suite définit un ordre, donc une priorité implicite, sur les traitements, o Pas de gestion des interruptions : le dialogue avec les périphériques se fait à l initiative de l application (alors que l objectif peut être : event driven!), o Polling (attente active) ENST 8/06/10 98 ENST 8/06/10 99

11 Peut-on se passer du STRE? 2- Amélioration : Exécutif cyclique Peut-on se passer du STRE? 3 - Exécutif cyclique «time driven» Exécutif cyclique élémentaire: - Si les traitements sont longs, la simple boucle de scrutation ne suffit pas, on associe une «tâche «à chaque test (cf. dispatcher vs scheduler), - Remarque : pas de problème de concurrence entre tâches : chacune se termine avant que l on passe à la suivante, - Inconvénients : o La boucle doit être (comme précédemment) exécutée à une fréquence permettant le traitement de tous les événements, o Toujours pas de gestion des interruptions : le dialogue avec les périphériques est à l initiative de l application (la boucle!), - Fonctionnement dérivé de celui de l exécutif cyclique : o Un timer lance les tâches, o Chacune est exécutée en totalité avant de passer à la suivante, o La dernière doit se terminer avant la prochaine interruption timer, o Pour gérer plus finement des événements à fréquences différentes, on peut exécuter certaines tâches plusieurs fois dans un cycle (cycle majeur et cycle mineur), - On essaie d exécuter les tâches aussi vite et fréquemment que possible, mais : o Le respect des échéances importe plus que la rapidité du traitement, o Les interruptions ne sont toujours pas gérées, ENST 8/06/ ENST 8/06/10 101

12 Peut-on se passer du STRE? 4- Exécutif cyclique : limitations Domaines d application Des systèmes embarqués Bilan : - Simple à implémenter : exécution de traitements à fréquences régulières, - Pas de gestion des interruptions. Les périphériques (sauf le timer!) sont gérés en polling, l initiative n est pas donnée aux stimuli externes, - Pas de contrôle du temps d exécution des tâches (revient à faire FCFS), - Comment gérer le temps : o découper en sous tâches (pb de partage de données), o quantum, o déclenchement de chaque tâche par un timer, Les domaines traditionnels : - spatial, avionique (systèmes temps réel répartis embarqués), - robotique, - contrôle de processus industriels (chimie, nucléaire, ), Les nouveaux domaines: - automobile, - médical, - électronique grand public (jeux), téléphonie mobile, - systèmes embarqués temps réel répartis à grande échelle (digital city, ), - informatique diffuse (pervasive computing, ubiquitous computing), wearable computer, domotique, objets intelligents (smart objects), immeubles intelligents ENST 8/06/ ENST 8/06/10 103

13 L informatique diffuse Le marché (1) Tendances : L informatique diffuse, omniprésente (pervasive computing, ubiquitous computing, Weiser 1993) : - l informatique disparaît, mais elle est partout, invisible pour l utilisateur elle entretient avec lui des liens permanents, - mise en œuvre possible grâce aux réseaux sans fil : tous les objets de la vie courante auront-ils une adresse IP? Rôle des systèmes embarqués dans ce contexte : - contraintes soft real time(multimédia), - gestion de l énergie, gestion de la localisation (par rapport au réseau et/ou localisation physique?), - configuration dynamique de réseaux sans fil (réseaux ad hoc), - information contextuelle (validité seulement locale d une information), - Ce marché devient un marché de masse, - Standardisation (POSIX temps réel, embedded Linux, RTSJ), - interconnexion des équipements par des réseaux sans fil, Marché atomisé : - Pas d'offre globale (on compose soi-même sa configuration tant au niveau matériel que logiciel), - Pas de fournisseur dominant (31% de systèmes dits "propriétaires"), - Microsoft, Sun, IBM sont marginaux, ENST 8/06/ ENST 8/06/10 105

14 Type des marchés : Le marché (2) Secteur Maturité Contraintes Tendances Scientifique, aérospatilae, militaire Forte Performance, fiabilité Réduction des coûts (économie d'échelle) Transports Moyenne Fiabilité, coût Ergonomie, réseau Industrie Forte Fiabilité, coût Réseau Bureau Forte Performance, coût Standardisation, puissance Télecomm. Forte Performance, puissance Fiabilité Gd public Faible Performance, Internet coût Commerce elec. Faible Fiabilité, coût, Commerce en ligne sécurité STRE Plan 1 Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2 Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement : précisions c. Entrées/sorties 3 Développement d'applications embarquées 4 Les STRE disponibles 5 Perspectives ENST 8/06/ ENST 8/06/10 107

15 Rappels : Objectifs du STRE Une application TR embarquée doit répondre à des stimuli extérieurs : - dans un certaine fenêtre de temps, - même dans le pire cas, - dans un contexte de ressources (très) réduites, en assurant le respect des échéances pour les tâches critiques, Attention : une tâche de faible importance peut avoir de fortes contraintes de temps, et une tâche de forte importance peut avoir de faibles contraintes de temps), il faut exécuter au moins un sous-ensemble minimal des tâches même si la charge augmente (gracefull degrade) l'objectif n'est PAS le rendement, Préemption: Rappels sur la préemption - les tâches peuvent être interrompues par des facteurs qui leurs sont étrangers, - exemple : un événement externe peut réactiver une plus prioritaire que la courante, il faut alors : o sauvegarder le contexte de la tâche courante, o créer ou restaurer le contexte de la tâche à démarrer, Problèmes liés : - quelles tâches peut-on préempter (notion de priorité)? - gestion fine du contexte, - gestion des données partagées : o entre tâches, entre tâches et ISR, o files de messages, sémaphores, ENST 8/06/ ENST 8/06/10 109

16 Gestion des Priorités Ordonnancement Et changement de contexte Comment gérer les priorités : - la priorité doit-elle refléter : o la période (respect des échéances) o la criticité (la tâche dont l exécution est la plus importante n est pas forcément celle dont la période est la plus courte) - priorité fixe (RMS) ou variable (EDF) La «process table» - une entrée par tâche - chaque entrée contient (ou permet de retrouver) : o copie de registres o informations sur la pile : adresse, taille, utilisation o informations sur la consommation des ressources o état du processus o sémaphore sur lequel il est bloqué o les messages qui lui ont été envoyés ENST 8/06/ ENST 8/06/10 111

17 Mécanisme Du changement de contexte (1) Le changement de contexte : La fonction où on ne revient jamais Choisir un des processus qui sont dans l état PRET (READY) ou le processus CURRENT : - rôle du scheduler (qui peut être une fonction sched ()) Le scheduler : - choisit le plus prioritaire des processus READY ou le CURRENT - fait éventuellement passer le CURRENT en READY - remarque : o toutes les fonctions du système coopérent pour gérer l état des processus : l état est modifié par les sémaphores, les interruptions, qui appelle ensuite sched () - fait passer le processus choisi en CURRENT - appelle une fonction du type ctxswitch La fonction ctxswitch: - change les pointeurs de pile, etc, - sauve les registres, - restaure le contexte du processus réordonnancé, - ATTENTION : dès que le compteur ordinal est restauré, on part dans le code du processus réordonnancé : on ne revient pas de la fonction ctxswitch qui fait le changement de contexte!!!! ENST 8/06/ ENST 8/06/10 113

18 Le changement de contexte : Changement de contexte Et ordonnancement Quelques détails - la valeur sauvée pour le CO par ctxswitch est sa propre adresse de retour: o c est celle où devrait revenir ctxswitch si elle était une fonction ordinaire mais elle est appelée par un processus A, elle donne la main à un processus B, qui devra repasser le contrôle, non pas a ctxswitch, mais à A - les processus appellent sched () pour faire la changement de contexte après avoir chois le processus à activer, donc : o tous les processus suspendus reviennent dans sched ()après l appel à ctxswitch o c est le retour de sched ()qui les renvoie dans la fonction qui a appelé sched() ENST 8/06/ ENST 8/06/10 115

19 Le processus null ou idle, Gestion de la concurrence : Les sémaphores Opération P : le rôle de sched ()est seulement de choisir un processus parmi les READY et CURRENT : - elle ne créé PAS de processus, - elle ne vérifie pas si la liste des READY est vide, - conséquence : il doit toujours y avoir au moins un processus dans l état READY : le null process - si le compteur passe négatif : o faire passer le processus de CURRENT à BLOCKED, o indique le numéro du sémaphore dans l entrée de la process table associée au processus o appel à sched() Opération V : - si le compteur passe négatif ou nul : o choisir un processus et le faire passer de BLOCKED à READY, o appel à sched() ENST 8/06/ ENST 8/06/10 117

20 Rappel sur l ordonnancement de tâches dépendantes (ici, EDF) Rappel sur l ordonnancement de tâches dépendantes (EDF) Si une tâche (ex : gestion de la direction d un véhicule) attend un résultat fourni par une autre (ex : détecteur de choc), on parle de tâches dépendantes, Exemple pour trois tâches T1, T2 et T3 dont on donne ci-dessous le graphe de dépendance : Modification des paramètres pour prendre en compte les dépendances entre tâche EDF : - chaque tâche doit avoir une échéance dont la date est antérieure à celle des tâches qui dépendent d elle. L échéance D i de Ti devient : D* i = min { D i, min{ D* j - C j } }, pour j tel que Ti précède Tj Rappel des formules : D* i = min { D i, min{ D* j - C j } }, pour j tel que Ti précède Tj - une tâche ne peut être activée que si toutes ses précédentes ont été activées. Donc la date de réveil d une tâche doit être supérieure à celle de ses précédentes à laquelle a été ajoutée la durée d activation. La date de réveil r i de Ti devient : r* i = max { r i, max{ r* j + C j } }, pour j tel que Tj précède Ti r* i = max { r i, max{ r* j + C j } }, pour j tel que Tj précède Ti Si la dépendance est une communication par message, on ajoute le délai! ij dû à la durée de la transmission et la date de réveil devient : r*= max { r, max{ r*+ C+! j }, pour j tel que Tj précède Ti ENST 8/06/ ENST 8/06/10 119

21 Gestion des interruptions Gestion Des interruptions On associe à chaque interruption une fonction de traitement (vecteur d interruption, ISR) : - Attention au partage de données o bufferisation, o quand passer les données aux tâches? Quand activer ou inhiber les interruptions? - périodiquement : tous les n tics d horloge, - préemption, Tables des vecteurs, priorités, masquage, traitement Horloges - real time clock (interrompt le processeur) o envoie une interruption à chaque tick o ne gère pas de compteur, le décompte des interruptions doit être fait par le système o sert à gérer des alarmes (quantum, échéance), utilisation d une liste du type delta - time of day clock (consulté à sa demande par le système) o mise à jour d un compteur qui sera éventuellement lu par le système ou les applications Entrées sorties : - initialisation des vecteurs (bas niveau), - écriture du pilote et des fonctions de haut niveau ENST 8/06/ ENST 8/06/10 121

22 Les entrées-sorties dans un STRE Spécificité des systèmes embarqués : Gestion de lʼénergie Elément déterminant d'un STRE : la gestion des entrées-sorties : - lire (périph., données, échéance) On doit pouvoir gérer les e/s comme on gère les processus : - satisfaire la plus prioritaire d'abord, - annuler une demande lorsque son échéance est dépassée, - réordonner les demandes si une plus prioritaire arrive, Si les tâches partagent des ressources (capteurs/émetteurs, accès au réseau) : - utiliser des algorithmes d ordonnancement entre tâches dépendantes, - utiliser PCP ou PIP pour accéder aux sémaphores gérant les ressources, Attention aux mécanismes matériels : -entrées-sorties exécutées par le processeur, -entrées-sorties indépendantes du processeur (DMA), Les dispositifs embarqués sont souvent contraints par la ressource énergie (les batteries ont une capacité limitée) : - à quel niveau gérer l énergie : système, application, matériel? Le système peut prendre en charge cette gestion, car il a une vue globale : - ordonnancement prenant en compte la gestion de l énergie Plusieurs stratégies : - transition (passage d un état à un autre), exemple : mise en veille du processeur - adaptation (changement de technologie), exemple : remplacer un disque par de la mémoire flash - modification de la charge d un composant, par exemple : utiliser des caches (mémoire, disque) ce qui modifie les stratégies de gestion des disques, Le matériel propose des outils : mise en veille, réduction de fréquence, ENST 8/06/ ENST 8/06/10 123

23 STRE Plan 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives ENST 8/06/ ENST 8/06/10 125

24 Environnement de développement Environnement de développement Cycle de mise au point : Développement en environnement croisé : compilateur croisé et outils associés, suivi de mise au point à distance ( remote debugging), Les développements ne se font plus en assembleur, le langage de haut niveau peut prendre en main les problèmes proches du matériel, Utilisation de plus en plus courante de logiciels du type gnu (gcc, gdb) Style de programmation spécifique (pas d'allocation dynamique de ressources, gestion de timers, écriture de pilotes d E/S,...) Target (cible) ROM RAM 1. téléchargement Host (hôte) Outils dedéveloppement croisé Edition de sources Compilation croisée et éditions de liens Téléchargement Exécution et mise au point EPROM, Flash RAM Moniteur Système + application Processeur A Moniteur en ROM Pas d'écran Pas de disque 2. Exécution/mise au point Processeur B Le moniteur sert à démarrer («booter») la carte : il initialise les registres de base du processeur, et gère au moins une ligne série pour le téléchargement. ENST 8/06/ ENST 8/06/10 127

25 Plate-forme logicielle de base : - un STRE (ex : RTEMS), Environnement de développement - un ou plusieurs compilateurs croisés (ex : gcc sur PC-Linux générant du code pour Motorola PowerPC) et des outils de développement croisés (les bibliothèques C), - un moniteur (ex : ppcboot) et des protocoles de communication pour le téléchargement et la mise au point (ex : tftp), On rappelle ci-dessous la place du BSP qui isole le système de la configuration matérielle : Pour réduire les coûts - simulateurs, Bibliothèque, threads, etc Systéme Pilotes Processeur de base Carte particulière BSP Matériel - plate-forme de développement propriétaires, - outils free software, RTEMS et ppcboot : Target (cible) ROM RAM Processeur A Moniteur en ROM Pas d'écran Pas de disque 1. téléchargement 2. Exécution/mise au point Exemples Host (hôte) Outils dedéveloppement croisé Processeur B Embedded Linux (< 500K octets avec TCP-IP), et mise au point avec remote gdb : Cible : plateforme PowerPC MPC860 RAM Interface Ethernet Port série 1. téléchargement BDM 2. accès nfs 3. Exécution/mise au point Hôte : PC sous Linux Port parallèle Interface Ethernet Port série COM1 ENST 8/06/ ENST 8/06/10 129

26 Du côté du matériel Quelques critères Pour la conception A vérifier du côté architecture matérielle : - gestion des interruptions, - gestion de la mémoire (inhiber la pagination, ), - fonctionnement des horloges, - fonctionnement des caches (données, instructions, peut on les verrouiller, les geler, ) Qualité de la réponse aux stimuli externes, - moins précise, plus rapidement, - exacte, moins rapidement, - combien d'échéances peut-on manquer? Choix des algorithmes : - ils devront se satisfaire de ressources limitées (mémoire, vitesse, énergie,...), - ordonnancement approprié -> RMS, EDF, - E/S à échéance -> gestion d alarmes et de timers, ENST 8/06/ ENST 8/06/10 131

27 Facteurs intervenant dans la gestion du temps (rappels) STRE Plan Facteurs matériels d indéterminisme dans la gestion mémoire : - pagination (en général inhibée en embarqué), - fonctionnement des mémoires caches, Facteurs matériels d indéterminisme dans la gestion du processeur : - pipe-line, - superscalaire, VLIW Attention au partage des ressources : - pb. de concurrence (inversion de priorité), Attention à la gestion des entrées-sorties à bas niveau: - priorités, échéances, interruptions - attention au bon typage des variables (cf. volatile en C pour l accès aux registres des périphériques), 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives ENST 8/06/ ENST 8/06/10 133

28 Quelques STR embarqués... Quelques systèmes Embarqués : Propriétaires : - LynxOS de Lynx, 4% du marché, QNX, 5% du marché, - irmx, produit par Intel pour 8086, 5% du marché, - psos (ISI) et VRTX (Microtec) pour 68xxx, 9% du marché, - VxWorks, 286 Ko, de WindRiver (terminaux X, Mars Pathfinder), 11% du marché, - Windows CE (version réduite de NT, pas temps réel, 4Mo RAM), sur Intel et MIPS, - VRTX, produit par Hunter et Ready pour 68xxx, 8% du marché, - Symbian pour les téléphones portables, - JavaCard (24 à 64 Ko de ROM, 512o à 2Ko de RAM) free software : - RTEMS de OAR, implémenté en C et Ada, porté sur de très nombreux processeurs et BSP, - ecos de Red Hat, - Linux embarqués variés (RT-Linux, Linux-RK) universitaires : Spring, ARTS, Mars, TinyOS Parmi les systèmes temps réel portés sur de nombreuses plateformes, citons : - RTEMS, - Linux (RTLinux), Dans le domaine des systèmes dédiés à la téléphonie mobile : - Symbian, - Mobilinux, JVM : la version RTSJ, ARINC 653, orienté avionique, est représentatif des recherches actuelles en haute disponibilité. Dans le monde des systèmes embarqués sur les mobiles, mais non temps réel : Microsoft Mobile Windows et la JVM J2ME. ENST 8/06/ ENST 8/06/10 135

29 Quelques systèmes embarqués: RTEMS Quelques systèmes embarqués : Linux temps réel RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems) de OAR (On-Line Applications Research Corporation) : - temps réel dur, porté sur de très nombreuses plateformes matérielles, - exécution déterministe : elle ne varie pas en fonction du nombre d objets présents sur le système, temps de latence dû aux interruptions prédictible, - ordonnancement préemptif, basé sur les priorités, RMS fourni, - système est configurable : seules sont chargées les fonctionnalités (tâches, sémaphores, timers, ) nécessaires à une application donnée (notion de manager), on optimise ainsi les performances en vitesse et on minimise l espace d adressage utilisé, - possibilité d intégrer des services spécifiques par la mise en œuvre d extensions (pour insérer des traces, etc) - implémenté en C et Ada, API POSIX, versions pour Motorola PPC, M68xxx, Intel ix86, i960,mips, SPARC, RT Linux (Real time Linux), et RTAI (Real Time Application Interface for Linux), : - Construits à partir du système temps partagé Linux, qui présente les handicaps suivants : o Il existe dans le noyau de longues sections pendant l exécution desquelles les événements externes sont masqués. Il peut être préempté lorsqu il effectue un appel système ou lorsqu il exécute le code relatif à une interruption. Pas d approche temps réel pour gérer les périphériques, support partiel de l interface POSIX temps réel. Deux pour rendre Linux temps réel : - applications de patches sur le noyau pour y placer des points de préemption, - insertion d un second noyau entre Linux et le matériel (approche adoptée par RTAI), Mobilinux ( construit sur le noyau Linux préemptible de Montavista. Il se satisfait d une empreinte mémoire réduite, propose un protocole publish/subscribe, et offre une gestion dynamique de l énergie (DPM : dynamic power management) ainsi que des outils de mesure et de trace. ENST 8/06/ ENST 8/06/10 137

30 Quelques systèmes embarqués (sur mobiles ): Symbian Symbian, : - construit au dessus de EKA2 qui est un noyau mono utilisateur, multitâches, préemptif, peu consommateur de mémoire et d énergie. Priorités préemptives, synchro. PIP, - appels système en temps borné, timer haute résolution, latence pour le traitement des interruptions est de 0,5ms à 1ms. Symbian ne fait pas d hypothèse sur le MMU du processeur et propose plusieurs modèles de mémoire. - outils de communication entre threads, de gestion des interruptions, d écriture de pilotes, des moyens pour le contrôle gestion de l énergie et la définition du HAL. La gestion de la sécurité et des fichiers est également prévue. - Gestion de pile GSM. Quelques systèmes Embarqués : ARINC 653 ARINC 653 ( Aeronautical Radio Inc, est une spécification pour l avionique qui décrit l interface que doit proposer un STRE dans une perspective de haute disponibilité : - indépendance de l exécution des tâches de criticités différentes en introduisant la notion de partition. Une partition isole les données et programmes d une application du point de vue mémoire mais aussi du point de vue temporel : chaque partition dispose de son propre espace d adressage et de créneaux de temps. Elle ne peut empiéter ni sur les créneaux temporels ni sur l espace mémoire des autres partitions. - ordonnancement cyclique : une partition peut être activée une ou plusieurs fois par cycle. A l intérieur d une partition différentes tâches peuvent être ordonnancées de façon périodique ou non, la norme attend un ordonnancement par priorité et préemptif. - La communication entre partitions se fait par messages, les messages sont reçus et émis par les applications sur des ports, le support de communication est géré par le système, les applications ne voient que les ports. - Les services fournis par le système sont aussi isolés dans une partition spécifique. Traitement des pannes par l implantation du Health Monitor. ENST 8/06/ ENST 8/06/10 139

31 Quelques systèmes embarqués: RTSJ RTSJ, Real-Time Specification for Java est une spécification de fonctionnalités temps réel pour les JVM ( : - Les apports de cette spécification sont orientés vers le déterminisme temporel : o L ordonnancement doit être préemptif, avec une gestion FIFO des threads ayant la même priorité, la JVM ne peut changer la priorité d un thread que dans le cas de l inversion de priorité, o Gestion des threads au niveau utilisateur :! caractérisation fine des threads temps réel en précisant leur coût, leur échéance et leur période,! création de threads de priorité supérieure à celle du garbage collector.! service de contrôle d admission : on peut demander le calcul de l ordonnançabilité d un jeu de threads. RTSJ propose aussi des outils pour construire des ordonnancements RMS, EDF ou LLF, pour créer des zones de mémoire qui ne sont pas gérées par le garbage collector, et met à disposition des timers haute résolution déterministes ainsi que des méthodes pour la gestion des événements asynchrones. Quelques systèmes embarqués sur les mobiles : Windows Mobile Windows Mobile ( : - Windows Mobile 5.0 de Microsoft n est pas temps réel mais propose la technologie push qui permet de recevoir des mails le plus tôt possible. Une technologie qui a fait le succès de RIM (Research In Motion, et Blackberry ( : 3 millions d'utilisateurs dans le monde, - possibilité de stockage des informations utilisateur en mémoire persistante. ENST 8/06/ ENST 8/06/10 141

32 STRE Plan 1. Présentation des systèmes temps réel embarqués (STRE) a. rappels sur les systèmes temps réel b. contraintes des systèmes embarqués c. les STRE 2. Structure et fonctionnement des STRE a. Exécutif ou système b. Ordonnancement c. Entrées/sorties 3. Développement d'applications embarquées 4. Les STRE disponibles 5. Perspectives Perspectives : logiciel Les systèmes : du plus petit au plus grand : - Systèmes miniatures pour les réseaux de capteurs (micro systèmes) : TinyOS de Berkeley, - Systèmes embarqués distribués à grande échelle : quel middleware (RT CORBA, )? Ordonnancement : notions de partitions (ARINC 653), ordonnancement dynamique et adaptable (flexible scheduling, power aware scheduling), Gestion mémoire déterministe (cf les outils RTSJ), Gestion de l énergie : par l ordonnancement, par le matériel, à la compilation? Compilateurs, exemple : impact de la compilation sur la gestion de l énergie : - réduction du nombre d instructions (+) - unrolling des boucles (-) ENST 8/06/ ENST 8/06/10 143

33 Perspectives : matériel Chaque composant doit avoir des performances déterministes : - caches performants et prédictibles, - bus (cf. CAN, TTP) et réseau (cf. TDMA, IP?), - préférer des pipe-lines uniques aux architectures superscalaires, Loi de Moore : les performances technologiques des composants sont multipliées par deux tous les un à trois ans, mais le stockage de l énergie ne suit pas cette loi Prendre en compte la gestion de l énergie, l encombrement, la fiabilité, ENST 8/06/10 144

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