ELE-542 Systèmes ordinés en temps réels. Cours # 6 Noyau Temps Réel

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1 ELE-542 Systèmes ordinés en temps réels Cours # 6 Noyau Temps Réel Jean-Marc Beaulieu et Bruno De Kelper Site internet: Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 1 Système d exploitation et noyau Système d exploitation - Un noyau est la partie la plus petite partie du système d exploitation. - Le noyau fournit 3 fonctionnalités : Réf. : Laplante, Chap Ordonnanceur (scheduler) : Choisit l ordre d exécution des tâches. 2 Répartiteur (dispatcher) : Effectue le changement d une tâche à l autre. 3 Communication inter-tâches : Gère les échanges d information. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 2 Noyau temps réel cours 6 1

2 Système d exploitation Système d exploitation et noyau Hiérarchie de noyau Exécutif + interface usager généralisée, sécurité et gestion du système de fichier. Exécutif Noyau Micro-noyau Noyau + privatisation des blocs de mémoire, services d I/O et autres fonctions complexes. Micro-noyau + communication inter-tâches et synchronisation (sémaphores, boîtes à lettres, mutex, ). Nano-noyau + ordonnanceur. Nano-noyau Réf. : Laplante, Chap. 6 Gestion simple des tâches (threads). Fournit seulement la fonction de répartition. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 3 Système d exploitation et noyau Systèmes embarqués temps réel : - Les systèmes d exploitation génériques commerciaux sont souvent trop lourd et trop tout usage pour les systèmes en temps réel (ex.: Windows, Unix, Linux, ). - Les développeurs de systèmes en temps réel doivent concevoir leur propre squelette de système d exploitation ou utiliser un système d exploitation spécialisé commercial (ex.: µc/os-ii, RT-Linux, QNX, VXworks, IRIX, RT-UNIX). - Pour les systèmes embarqués sur mesure, il n existe pas de systèmes d exploitation commerciaux. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 4 Noyau temps réel cours 6 2

3 Système d exploitation et noyau Pourquoi utiliser/concevoir un OS en temps réel? - Permet de mieux utiliser les ressources Traitement parallèle / Programmation concurrente - Facilite le développement Programmation par tâche (thread) / Diviser pour régner - Plus robuste Gestion des accès aux ressources / Gestion des tâches Mais Plus lourd, plus lent Plus de mémoire Temps de réponse plus long Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 5 Boucle d interrogation Caractéristiques : Début - Noyau temps réel le plus simple. -L ordonnancement est codé directement et est fixe (séquence de l interrogation). -Le répartiteur est codé directement et est fixe (boucle d interrogation liste des tâches, appel des tâches sauvegarde du contexte). - Communication inter-tâche par passage de paramètres et/ou variables globales. - Temps de réponse : - Rapide pour une seule tâche - Augmente avec le nombre de tâche - Tâches exécutées au complet. Initialisation Drapeau 1? Tâche 1 Drapeau 2? Tâche 2 Drapeau n? Tâche n Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 6 Noyau temps réel cours 6 3

4 Boucle d interrogation Avantages : - est simple à concevoir et à déverminer. - est robuste. - est excellente pour traiter des canaux de communication de grande vitesse. Désavantages : - ne permet pas de traiter les rafales d évènements. - n est pas adaptés aux systèmes compliqués. - gaspille beaucoup de temps de processeurs (facteur d utilisation du CPU faible). - ne permet pas la superposition d évènements. - lorsque plusieurs tâches à gérer, le temps de réponse devient rapidement exagéré. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 7 Tâche pilotée par état/phase et Coroutines Tâche pilotée par état/phase : - La tâche est représentée sous la forme : - d une série de phases. - d une série d états (machine à états finis). - L exécution des phases/états est déterminé par : - des Si alors imbriqués. - des Switch case. - une table de transition d états. Début Phase 1? Phase 1 Phase 2? Phase 2 - Le processeur est libéré après chaque phase/état. Phase n? Phase n - Facilite le traitement multitâches coopératif tel que la méthode des coroutines. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 8 Fin Noyau temps réel cours 6 4

5 Tâche pilotée par état/phase et Coroutines Coroutines ou multi-tâches coopératif : - Approprié pour le traitement de tâches modélisées par états/phases. -Le séquenceur est de type Round-Robin : - chaque phase s exécute jusqu à la fin. - le contrôle est rendu au séquenceur à la fin de chaque phase. - le séquenceur choisit la prochaine tâche de la liste. -Le répartiteur contient la liste des tâches et leur contexte. -La communication inter-tâche et intratâche est réalisée par variables globales. TâcheA () { switch (étata) { 1 : État1; break; 2 : État2; break; 3 : État3; } } début Initialisation TâcheA() TâcheB() TâcheB () { switch (étatb) { 1 : État1; break; 2 : État2; break; 3 : État3; break; 4 : État4; } } Séquenceur/ Répartiteur Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 9 Tâche pilotée par état/phase et Coroutines Coroutines ou multi-tâches coopératif : Avantages : - Simplifie la conception du système en divisant le travail en une série de tâches indépendantes ou quasi-indépendantes. - Le nombre de tâche ne doit pas être obligatoirement connu à l avance. - Temps de réponse assez bon et facile à déterminer. Désavantages : - Exige de diviser les tâches en phases/états, ce qui n est pas toujours possible ou facile à faire. - Les tâches doivent être divisé en morceaux de taille uniforme. - Le temps de réponse dépend directement de la phase la plus longue. - Chaque tâche/phase/état sont de priorité égale. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 10 Noyau temps réel cours 6 5

6 Système piloté par interruption Caractéristiques : - Les tâches sont ordonnancées par les évènements matérielles/logicielles. -L ordonnancement est matériel et est de type FIFO et/ou par niveau de priorité. -Un ordonnanceur logiciel peut aussi être utilisé. -Le répartiteur est matériel et codé (Table des vecteurs liste des tâches, Tâche sauvegarde du contexte). - Communication inter-tâche et intratâche par variables globales uniquement. - Temps de réponse rapide mais difficile à évaluer. Début Initialisation Fait rien Début Sauvegarde contexte Traite évènement Récupère contexte Fin Début Initialisation Drapeau 1? Évènement 1 Drapeau 2? Évènement 2 Drapeau n? Évènement n Fin Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 11 Caractéristiques (suite) : Système piloté par interruption - Les interruptions sont : - périodiques (taux fixe) - apériodiques (sporadique) les deux (systèmes hybrides) - Les systèmes à taux fixe sont habituellement plus facile à concevoir et à gérer. - Le temps de réponse des systèmes sporadiques est difficile à garantir et des phénomènes d empilement et de concurrence critique (race) peuvent survenir. - Dans les systèmes hybrides, les interruptions apériodiques sont habituellement les évènements qui requièrent une attention immédiate telles que les défauts. - Lorsque le matériel supporte les interruptions multiples (sys. hiérarchisé), alors le matériel s occupe de la répartition (répartiteur matériel). - Lorsque le matériel supporte qu une seule interruption, alors la routine d interruption s occupe elle-même de la répartition (ex. : par interrogation) (répartiteur logiciel). Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 12 Noyau temps réel cours 6 6

7 Sauvegarde du contexte : Système piloté par interruption Contribue de façon importante au temps de réponse Règles : - Sauvegarder le moins possible : 1 - Registres utilisés 4 - Images miroir des I/O 2 - Compteur de programme 5 - Variables spéciales 3 - Registres de page mémoire - Habituellement les interruptions sont interdites mais peuvent être permises lorsque suffisamment du contexte est sauvegardé. Modèle Pile : - Utilisé dans les systèmes embarqués où le nombre de tâches est fixe. - Dans ce cas, la sauvegarde du contexte est fait par la routine d interruption elle-même. - Approche très différente du modèle par bloc de contrôle de tâche utilisé par les systèmes d exploitation en temps réel plus compliqué. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 13 Système piloté par interruption Système à temps partagé (Round-Robin) : - Les tâches sont exécutées à tour de rôle et sont de priorité égale. Tâche1 FIFO TâcheN Tâche3 Exécute Tâche2 - Le système accorde une durée fixe de temps d exécution à chaque tâche (tranche de temps - time slice ). - Une horloge génère une interruption périodique dont la période détermine la taille des tranches de temps. - Chaque tâche qui ne se termine pas dans la durée allouée (tranche de temps) est interrompue et placée à la fin de la liste d exécution. Tâche1 Tranche de temps Tâche2 Tâche3 Tâche1 IRQ IRQ IRQ IRQ Horloge Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 14 Noyau temps réel cours 6 7

8 Système piloté par interruption Système à temps partagé (Round-Robin) : - C est la routine d interruption de l horloge qui gère la liste d exécution, - Chaque tâche est représentée sous la forme d une structure qui contient le contexte complet et un pointeur vers la routine de traitement. C est l ancêtre des blocs de contrôle de tâche. -Le séquenceur est logiciel et est contenu dans la routine d interruption de l horloge. -Si T slice = Durée de la tranche de temps T séquenceur = Temps de traitement du séquenceur alors Facteur d utilisation maximum = (T slice T séquenceur )/ T slice -Le répartiteur est logiciel et forme la liste chaînée d exécution contenant les structures qui représentent les tâches. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 15 Système à temps partagé (Round-Robin) : Avantages : - Il est plus difficile pour une tâche de bloquer le système. - Facile à concevoir et à gérer. Système piloté par interruption - Ne requière pas beaucoup de ressources matérielles (une seul interruption). Désavantages : - Toutes les tâches ont la même priorité. - Perte de temps lorsque les tâches n utilisent pas entièrement leur tranche de temps. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 16 Noyau temps réel cours 6 8

9 Système à priorité préemptive (hiérarchisé) : -L ordonnancement est matériel et est déterminé par le niveau de priorité. -La répartition matériel (table des vecteurs) et logiciel (sauvegarde du contexte). -La communication inter-tâche et intra-tâche est faite par variables globales. - Les niveaux de priorité sont fixes ou dynamiques. Moins flexible Plus facile à gérer Système piloté par interruption Plus flexible Plus difficile à gérer - Problème de famine : Une ou des tâches de niveau de priorité élevé accaparent le système. Surcharge du système Priorité Tâche3 Tâche2 IRQ3 IRQ2 IRQ1 Tâche1 Tâche2 Tâche3 Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 17 Système piloté par interruption Assignation des niveaux de priorité : 2 approches Par importance de la tâche - Difficile à évaluer, subjectif. Méthode à priorité croissante (rate monotonic system) - Les tâches ayant une fréquence d exécution plus élevée reçoivent une priorité plus élevée et vice-versa. - Garantit théoriquement l assignation de priorités fixes optimale. - Théoriquement, un taux d utilisation du CPU < 70 % garantit de satisfaire toutes les échéances de temps réel. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 18 Noyau temps réel cours 6 9

10 Système piloté par interruption Assignation des niveaux de priorité : Inversion de priorité : 1 Une tâche de moindre importance mais de fréquence d exécution élevée reçoit un niveau de priorité élevé. Solution possible : Accorder une fréquence d exécution plus élevée aux tâches critiques. 2 Une tâche de niveau de priorité faible capture une ressource nécessaire à une tâche de priorité plus élevée. Solution possible : Accorder temporairement une priorité plus élevée à la tâche qui possède la ressource commune (priorité dynamique). 3 Dans les systèmes conçus par l approche orienté objet, une sous-classe de moindre importance peut recevoir par héritage un niveau de priorité élevé. Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 19 Systèmes hybrides : Système piloté par interruption 1) Systèmes à taux fixe et sporadique : - Fréquent dans les systèmes embarqués. - Les évènements sporadiques sont habituellement critiques et requièrent une attention immédiate, d où un niveau de priorité élevé. 2) Systèmes Round-Robin avec préemption : - Combinaison de la méthode à temps partagé et à priorité préemptive. - Très fréquent dans les systèmes d exploitation commerciaux. - À niveau égale, les tâches sont exécutées en temps partagé. - Le système gère des listes de tâches de niveau de priorité différent. Priorité Élevée Moyenne Faible Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 20 Noyau temps réel cours 6 10

11 Système piloté par interruption En conclusion - Les systèmes pilotés par interruption sont assez faciles à concevoir. - Ils ont habituellement un temps de réponse rapide. - Ils sont un cas spécial des systèmes avant-plan/arrière-plan. - Par contre, il y a perte de temps de processeur dans la boucle à vide qui attente les interruptions. - Ils sont vulnérables aux défauts tels que les variations de minutage, les conditions de course -anticipées, pannes matérielles, Systèmes ordinés en temps réel Cours Amélioration des systèmes piloté par interruption. - La boucle à vide est remplacée par un traitement utile. - C est la solution la plus utilisée pour les systèmes embraqués. - Tous les autres modèles de systèmes en temps réel sont des cas particuliers des systèmes avant-plan/arrière-plan. - Facile à concevoir lorsque le nombre de tâches d avant-plan est fixe et connu a priori. Système avant-plan / arrière-plan Avant-plan Arrière-plan Début Sauvegarde contexte Traite évènement Récupère contexte Fin Début Initialisation Fait Quelque chose Début Initialisation Drapeau 1? Évènement 1 Drapeau 2? Évènement 2 Drapeau n? Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 22 Fin Évènement n Noyau temps réel cours 6 11

12 Système avant-plan / arrière-plan Exemple d exécution Arrière-plan Avant-plan Temps Avec préemption au niveau des interruptions Réf. : Labrosse, chap. 2 Code d exécution Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 23 Système avant-plan / arrière-plan Arrière-plan : - Toutes les tâches qui n ont pas un temps d exécution critique. - Ces tâches sont toujours exécutées jusqu à leur fin à moins que le système est surchargé. - La fréquence d exécution est lente et dépend du facteur de charge du système : Soit e = temps d exécution de l arrière-plan p = charge de temps de l avant-plan alors t = e/(1 p) = période d exécution de l arrière-plan - Opération temps réel identique aux systèmes pilotés par interruptions. - Quelques tâches d arrière-plan habituelles : - Auto-diagnostique du système - Archivage/impression - Affichage de priorité faible - Interface avec périphériques lents Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 24 Noyau temps réel cours 6 12

13 Systèmes d exploitation en temps réel complet - Augmente les fonctionnalités des noyaux temps réel en ajoutant des fonctionnalités tels que des interfaces réseaux, des pilotes compliqués, des outils de déverminage, - Utilise un ordonnanceur de type Round-Robin, priorité préemptive ou les deux. -Le répartiteur s appuie habituellement sur le modèle des blocs de contrôle de tâche car le nombre de tâches à gérer est indéterminé et dynamique. - Deux catégories de OS : - Les systèmes multitâches permettent l exécution concurrente de plusieurs tâches (multiprocessus ou multifils) Ex. : µc/os-ii, Linux, QNX, VXworks, IRIX, UNIX - Les systèmes plus simples permettent l exécution d une seule tâche. Ex. : DOS, CPU32BUG Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 25 Systèmes d exploitation en temps réel complet Définitions : Tâches, processus et fil d exécution Un fil d exécution («thread») comprend 2 éléments : Une séquence d instructions en exécution (ou exécutable) Un «état du processeur» et une pile ; ceci inclut un locus (ou point) de contrôle dans la séquence d instructions (compteur de programme). Note : Deux ou plusieurs fils peuvent avoir le même code; cependant, ils contrôlent leur «point d exécution» indépendamment. Pour nous, tâche et fil d exécution sont syymes. Un processus comprend : Un ou plusieurs fils d exécutions Un espace mémoire Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 26 Noyau temps réel cours 6 13

14 Systèmes d exploitation en temps réel complet Définitions : Section critique, ressource, ressource partagée Section (de code) critique ou atomique Une partie de code (séquence d instructions) qui doit être exécutée sans interruption Ressource Une entité utilisée par une tâche Ex. : périphérique tel que imprimante, clavier, écran variable, structure de données, vecteur Ressource partagée («shared resource») Ressource utilisée par plusieurs tâches Généralement, l accès à une ressource partagée doit être contrôlé afin d éviter les conflits Ex. : 2 tâches écrivant dans une variable en même temps Réf. : Labrosse, Systèmes chap. ordinés 2 en temps réel Cours 6 27 Systèmes d exploitation en temps réel complet Modèle des blocs de contrôle de tâche : (Task-Control Blocks) - Utile dans les systèmes d exploitation complet car il permet de gérer efficacement un nombre variable de tâches. - Associe à chaque tâche une structure de donnée appelée TCB (Task-Control Block) qui contient toute l information nécessaire pour exécuter la tâche: TCB - Compteur de programme - Pointeur de pile Contexte - Registre de statut - Adresses des données - Code d identification Niveau de priorité Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 28 Noyau temps réel cours 6 14

15 Systèmes d exploitation en temps réel complet Processus avec 1 fil Processus avec 2 fils Réf: Grehan, Systèmes Moote et ordinés Cyliax en temps réel Cours 6 29 Real-time programming Systèmes d exploitation en temps réel complet États d une tâche : 1 - En exécution : La tâche est exécutée par le processeur. 2 Prête : Dans la file d attente pour être exécutée. 3 Suspendue : En attente d une ressource/d un évènement. 4 Dormante/Inactive : État utilisé seulement lorsque le nombre de tâches est fixe et permet de conserver une tâche dans le système sans avoir à la gérer. En exécution Suspendue Prête Dormante Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 30 Noyau temps réel cours 6 15

16 Systèmes d exploitation en temps réel complet Gestionnaire de tâches : - Le système d exploitation gère les tâches et est la tâche de priorité la plus élevée. - Chaque interruption matérielle et chaque appel système, tels que les requêtes à une ressource, invoque le système d exploitation. - L OS possède au moins 2 listes chaînées : - Liste des tâches prêtes gérée en Round-Robin - Liste des tâches suspendues gérée en priorité préemptive - L OS possède aussi au moins 2 tables : - Tables des ressources - Tables des requêtes aux ressources Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 31 Systèmes d exploitation en temps réel complet Gestionnaire de tâches : Vue logique des opérations du répartiteur et du séquenceur File d attente des processus bloqués ou en attente d événement Séquenceur File d attente des processus éligibles Processeur Répartiteur processus élu Systèmes ordinés en temps réel Cours 6 32 Noyau temps réel cours 6 16