Temps Réel. Jérôme Pouiller Septembre 2011

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1 Temps Réel Jérôme Pouiller Septembre 2011

2 Sixième partie VI Architectures des OS temps réels J. Pouiller Temps Réel 172 / 197

3 18 Problématique des OS RT 19 Systèmes Symétriques et Asymétriques 20 Horloges haute précision 21 Low-latency 22 Hyperviseurs 23 RT-préempt J. Pouiller Temps Réel 173 / 197

4 Limites des système classiques Les systèmes classiques s appuient sur un système d exploitation en général mal adapté pour le temps réel : Politique d ordonnancement visant à équiliber équitablement le temps alloué à chaque tâche Mécanismes d accès aux ressources partagées et de synchronisation comportent des incertitudes temporelles Gestion des interruptions non-optimisées La gestion de la mémoire virtuelle, des caches engendrent des fluctuation temporelles La gestion des temporisateurs qui servent à la manipulation des temps pas assez fin J. Pouiller Temps Réel 174 / 197

5 Contexte Garantie qu une action est éxecutée en moins d un temps donné. Implique : Une garantie de qualité (0 bug) Souvent des processus garantissant la qualité dans les différentes phases : conception, développement, validation Une connaissances importante de l environnement extérieur (fréquence maximum des interruption, etc...) On se limitera à l architecture logicielle J. Pouiller Temps Réel 175 / 197

6 Contexte Ordonnancement statique : Charge des taches temps réelles 100% Ordonnancement avec des priorités statiques suffisante Problématique des algorithmes d ordonnancement à priorité dynamique (EDF, LST, etc...) secondaire J. Pouiller Temps Réel 176 / 197

7 Contexte TR i = C i + P j >P i TRi T j C j Pour les allergiques : le temps de réponse d une tâche est égal à la somme du temps d exécution de la tache et de toutes les tâche de priorité supérieure qui s exécutent en même temps. Objectif : Rendre cette formule assez simple pour être prédictible. Pas si simple : Interruptions Changement de contexte Sections critiques (ordonnanceur désactivé) Caches, Swap J. Pouiller Temps Réel 177 / 197

8 Latence aux évènements Coeur du problème Si la latence était nul (ou au moins constante), on calculerait simplement le temps de réponses de nos tâches. Interruption Tache Latence Tache de priorité supérieure temps J. Pouiller Temps Réel 178 / 197

9 Latence aux évènements Exemple concret On paramètre un timer à 50Hz On mesure le temps effectif de chaque période J. Pouiller Temps Réel 179 / 197

10 Latence aux évènements Système classique J. Pouiller Temps Réel 180 / 197

11 Latence aux évènements Système classique J. Pouiller Temps Réel 181 / 197

12 Latence aux évènements Système classique J. Pouiller Temps Réel 182 / 197

13 Latence aux évènements Système temps réels J. Pouiller Temps Réel 183 / 197

14 Architectures multi-cpu Il est possible d utiliser des architecture multi-cpu pour des systèmes temps réels. On distingue alors 2 types d architectures : Les systèmes symétriques (SMP) où les tâches ne sont pas affectées à un CPU particulier Les systèmes asymétriques où on affecte manuellement les tâches à un CPU J. Pouiller Temps Réel 184 / 197

15 Systèmes asymétriques Les systèmes asymétriques sont assez simples à architecturer : On effectue une étude séparées pour chaque CPU On considère les échanges entre les CPU comme des entrées/sorties Sous Linux, il est possible d associer une tâche avec un CPU grace à : la fonction CPU affinity la commande taskset aux fonctions cgroup et cpuset J. Pouiller Temps Réel 185 / 197

16 Systèmes symétriques Beaucoup plus complexe à architecturer La plupart de nos algorithme ne sont plus prouvé dans une architecture SMP La technologie est relativement récente (fin des années 90) Pourquoi si tard? Principalement problèmes matériels Problèmes de barrières mémoires (hard ou soft) Algorithme beaucoup plus hardu (inversion de priorité par exemple) J. Pouiller Temps Réel 186 / 197

17 Horloges haute précision L accès à des horloges haute précision est un élément clef d un système temsp réel. Le framework hpet est assez récent dans le noyau (2001) (à titre de comparaison, hpet est apparu sous Widnows à partir de Vista). J. Pouiller Temps Réel 187 / 197

18 Noyau low latency Problème du noyau normal Dans un noyau Linux classique, il y a un seul contexte noyau pour tout le monde Pas possible de préempter le système Personne ne peut prendre la main lorsqu un processus est dans un syscall (ordonnaceur désactivé) Équivalent d une ressource partagée par tout les processus Latence J. Pouiller Temps Réel 188 / 197

19 Noyau low latency Implémentation Difficile de gérer les différents contextes noyau Noyau réentrant (= thread-safe) Gestion des interruption assez complexe Overhead assez important J. Pouiller Temps Réel 189 / 197

20 Noyau low latency Résultats Patch low-latency mergé dans le mainstream avec le noyau 2.6 (CONFIG_PREEMPT) Latences maximum de l ordre de 300µs (chiffres de l époque) J. Pouiller Temps Réel 190 / 197

21 Hyperviseur Noyau low latency encore problèmatique pour les interruptions Beaucoup d interruptions latence Hyperviseur J. Pouiller Temps Réel 191 / 197

22 Temps réel Nano Kernel Application Application Tache temps réel Tache temps réel Noyau (non temps réel) Hyperviseur Matériel J. Pouiller Temps Réel 192 / 197

23 Hyperviseur Possibilité de préempter le noyau sans patch low-latency Possibilité de differer les interruptions Possibilité d ignorer les interruptions dans les sections temps réelles Performances excellentes (< 20µs) Technique non spécifique à Linux Peu de code en mode temps réelles Certifiable Fonctionne au dessus du noyau Comportement des interruptions à modifier Communication entre les tâches temps réelles et le reste Nécessite de patcher le noyau RTLinux, RTAI et Adeos (http://download.gna.org/adeos/patches/, git://git.xenomai.org/ipipe-gch.git) (Xenomai) J. Pouiller Temps Réel 193 / 197

24 Hyperviseur Adeos Fork de RTAI API utilisateur assurée par Xenomai Skins Possibilité de faire fonctionner une application développée pour vxworks Skin native consistante Beaucoup mieux que Posix (de plus, il existe une skin Posix) xenomai-head/html/api J. Pouiller Temps Réel 194 / 197

25 RT-preempt Gestion des interruption dans des threads Permet de préempter les interruptions Moins de latence des taches Permet d ordonnancer les interruption Permet de se passer de la désactivation des interruptions Permet de remplacer les spin lock par des mutex Moins de latence des interruptions J. Pouiller Temps Réel 195 / 197

26 RT-preempt Tache temps réel Tache temps réel Application Noyau Application Matériel J. Pouiller Temps Réel 196 / 197

27 RT-preempt Patch RT (Patchs : http: //www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/, Git : git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/ git/rostedt/linux-2.6-rt.git) Implémentation assez complexe Non portable Performance très bonnes ( 20µs) Intégré dans le noyau 3.0 J. Pouiller Temps Réel 197 / 197

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