Systèmes temps réel et logiciel libre

Systèmes temps réel et logiciel libre
Pierre FICHEUX ([email protected])
Avril 2012
Systèmes temps réel et LL
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Présentation Open Wide
●
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SSLL créée en septembre 2001 avec Thales et
Schneider => 10 ans d'expérience !
120 collaborateurs sur Paris, Lyon et Toulouse
–
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Dont une dizaine de collaborateurs à
Toulouse.
Aujourd'hui => Leader en France des
technologies Open Source
Deux activités :
–
Informatique Indutrielle
–
Intégration SI
Systèmes temps réel et LL
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Présentation PF
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Ingénieur Arts et Métiers + Sup'Aéro
Utilisateur de logiciels libres depuis 1989
Utilisateur de Linux depuis 1992
Auteur des trois éditions de l'ouvrage « Linux
embarqué » (Eyrolles), la 4ème sortira en juin
2012
Auteur GNU Linux Magazine
CTO Open Wide Ingénierie
Systèmes temps réel et LL
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Introduction au temps réel
Systèmes temps réel et LL
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Le temps en informatique
●
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Certains systèmes sont liés au temps à
différents niveaux :
–
un distributeur de billets ne doit pas mettre 5
minutes à délivrer les billets
–
une balance ne doit pas peser en 30 secondes
–
un radar ne doit pas mettre 2 secondes à
réagir
–
un système de freinage ne doit pas mettre
plus de 150 ms pour acquérir l’information
et réagir
D'autres systèmes ne le sont pas, si l'on reste
dans les limites raisonnables du « temps de
réponse »
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Système temps-réel
●
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Caractéristiques :
–
exactitude logique (comme tout système) :
les sorties sont déterminées en fonction des
entrées et de l’état interne
–
exactitude temporelle : réaction appropriée en
un temps borné à un événement
Exigences sur le l'échéance temporelle et non
pas sur les performances ni le rendement
–
Un micro-contrôleur 8 bits sous µC/OS-II peut
être temps-réel alors qu'un PC sous Linux
ne l'est pas !
Systèmes temps réel et LL
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Les types de temps-réel
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Temps-réel mou : un retard dans l’obtention du
résultat n’est pas dramatique (distributeur de
billets)
Temps-réel dur : un retard dans l’obtention du
résultat le rend inutile (pilotage matériel)
Temps-réel « ferme » : un retard, s’il arrive très
peu souvent, peut être toléré (téléphonie,
multimédia)
La plupart des systèmes temps-réel modernes
sont « hybrides » (exemple : Linux/Xenomai)
–
Certaines tâches sont temps-réel (dur)
–
D'autres ne le sont pas ou peu (mou/ferme)
Frontière mou/dur parfois difficile à définir !
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Approches asynchrone /
synchrone
●
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Asynchrone
–
Interaction avec l'environnement
(interruption), dérive d'horloge entre
calculateurs
–
Modélisation complexe (nombreux cas de
préemption)
Synchrone
–
Modélisation statique du comportement
–
Pas d'interruption ni d'allocation dynamique
–
Convient aux systèmes critiques
–
Langages dédiés, génération de code
(ESTEREL, SIGNAL, SynDEx)
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Cible matérielle
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Deux cas de figure :
–
–
Pas de système d'exploitation (Bare Board)
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Système critique et/ou certifié (DO-178,
CEI 61508, ...)
●
Éventuellement un simple « exécutif »
temps réel
Utilisation d'un RTOS
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Plus de souplesse et portabilité
●
Certification possible sur certains OS :
VxWorks 653 (Wind River), LynxOS-178 /
LynxOS-SE (LynuxWorks), INTEGRITY178 (Green Hills)
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RTOS
●
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GPOS (Windows, Linux, ...)
–
Lissage des priorités (dynamique) =>
complexe
–
Grand nombre de tâches concurrentes (> 200
sur un PC Linux « inactif »)
–
15M lignes de code pour le noyau Linux 3.x !
RTOS
–
Prévisible : évaluer le pire des cas
–
Déterministe : faible influence de la charge
–
Pas ou peu de notion de « performances
moyennes »
–
Peu de tâches concurrentes
–
Simple, léger, faible consommation (< 100K
lignes de code
pour FreeRTOS)
Systèmes temps réel et LL
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Domaines d'application
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●
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1960-70 : remplacer la mécanique et la logique
« câblée » lorsque c'est possible (souplesse)
1980 : RTOS génériques
Historique
–
Militaire, spatial (RTOS/360, VRTX sur
Hubble)
–
Contrôle de processus industriel
–
Transport : AUTOSAR/OSEK, ARINC 653
–
Internet/Telecom : routeurs, PABX (Chorus)
Assimilé / émergent (temps-réel mou,
embarqué)
–
●
Multimédia : audio, vidéo, TV, automobile
(GENIVI), Téléphonie, médical
Systèmes temps<=>
réel et LL RTOS n'est plus
L'équivalence embarqué
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Architecture d'un RTOS
●
●
Basé sur un noyau associé à un ensemble de
services
Deux types de noyau
–
Monolithique : contient tout le code nécessaire
à la gestion du matériel (ex : Linux)
–
Micro-noyau : fournit uniquement la gestion
de base => associé à un autre noyau
(Linux/ADEOS)
Systèmes temps réel et LL
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Logiciel libre et temps réel
(Linux)
Systèmes temps réel et LL
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Utilisation du logiciel libre
●
●
Avantages
–
Disponibilité du code source: maintenabilité dans
le temps
–
Redistribution sans royalties
–
Développement dérivé de code source existant
Inconvénients
–
Contraintes de certaines licences (GPL, LGPL)
–
Support technique
–
Outils disponibles / RTOS propriétaires
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Linux pour le temps réel ?
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Réservé aux systèmes complexes
–
Gestion complexe de la mémoire (MMU)
–
Empreinte mémoire importante: 2 Mo pour
µCLinux, 4 Mo pour Linux
–
Consommation mémoire vive : 16 Mo
minimum
–
Alternatives libres: eCOS, RTEMS, FreeRTOS
beaucoup plus légers
Migration temps réel des anciens RTOS
complexe → évolution avec les extensions
PREEMPT-RT et Xenomai
Incompatible avec les systèmes critiques
Souvent utilisé pour les outils, les simulateurs et
architectures « mixtes
» (banc
de test)
Systèmes temps
réel et LL
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Extensions TR pour Linux
●
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●
API POSIX (threads, ordonnancement)
disponible
Le noyau Linux n'est pas « préemptif » (10 ms)
–
Traitement des IRQ
–
SMP
Deux approches
–
Optimisation du noyau
●
–
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PREEMPT-RT (500 µs à 1 ms)
Architecture à double noyau (10/20 µs)
●
RTLinux
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RTAI
●
Xenomai
Les patch preempt-kernel et low-latency (pour
Systèmes temps réel et LL
noyau 2.4, intégrée
au 2.6) sont OBSOLETES
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PREEMPT-RT
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Patch expérimental sur base 2.6.x (-rt), à partir
du 2.6.15 → http://rt.wiki.kernel.org
Disponible sur quelques architectures (utilisé
surtout sur x86) → ARM, Nios II, MicroBlaze
Threaded interrupt model → thread noyau pour
la prise en compte des interruptions
Prévention des inversions de priorité (par
héritage)
Réécriture complète des mécanismes de
synchronisation
Timers noyau haute précision (sous-système
hrtimer) → dépend du matériel
Bons résultats sur CPU « puissants » (16 ms →
70 µs)
Systèmes temps réel et LL
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Tâche périodique, noyau
standard non chargé
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Tâche périodique, noyau
standard chargé
Systèmes temps réel et LL
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Tâche périodique, PREEMPT-RT
chargé
Systèmes temps réel et LL
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Linux + co-noyau
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Séparation entre le composant temps-réel et
Linux
–
Ordonnanceur temps-réel spécifique
–
Pas de dépendance sur les sections critiques
Linux :-)
Virtualisation de la gestion d'interruptions Linux
–
●
●
Routage prioritaire des interruptions vers le conoyau
Linux comme tâche idle du co-noyau
Historique :
–
RTLinux (1999) devenu un produit commercial
de FSMLabs puis Wind River (2007)
–
Brevet logiciel aux USA :-/
Systèmes temps réel et LL
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Utilisation et performances
●
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●
Changement minimal sur le noyau Linux
–
patch de virtualisation d'interruptions
–
pas d'impact sur l'écriture de code noyau
classique
Impact sur l'écriture de code temps-réel !
–
utilisation d'APIs fournies par le co-noyau
–
notion de domaine d'exécution (temps-réel /
normal)
Garanties temps-réel fortes
–
ordonnanceur spécifique indépendant
–
sous-système temps-réel bien délimité
–
Gigue maximale de l’ordre de 20 µs :-)
Systèmes temps réel et LL
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RTLinux
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Projet universitaire (New Mexico Tech)
développé par Victor Yodaiken et Michael
Barabanov en 1999
Développement en espace noyau
Produit commercial développé par FSMLabs
Dépôt d’un brevet logiciel → conflit avec la FSF
Vendu à Wind River en 2007
Version GPL obsolète (2.6.9) mais toujours
disponible
Systèmes temps réel et LL
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Architecture RTLinux
Systèmes temps réel et LL
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Test de RTLinux, noyau 2.4.17
(2002)
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RTAI
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Real Time Application Interface
Un « fork » de RTLinux développé au DIAPM de
l’école polytechnique de Milan → Dipartimento di
Ingegneria Aerospaziale (Paolo Montegazza)
Utilisé au DIAPM pour des travaux
d’enseignement et de recherche
Position douteuse / brevet logiciel FSMLabs
Collaboration avec Xenomai entre 2003 et 2005
→ RTAI/Fusion
Toujours actif mais peu d’évolution → version 3.8
en février 2010
Systèmes temps réel et LL
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Xenomai
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●
Xenomai est un sous-système temps-réel de
Linux :
–
Faible latence
–
Programmation de tâches en espace
utilisateur → dualité d'ordonnancement
Linux / Xenomai
–
RTOS générique + interfaces (skins) →
émulation de RTOS traditionnels
–
Pilotes spécifiques (RTDM)
–
Supporte de nombreuses plate-formes (x86,
ARM, PowerPC, Nios II, Blackfin)
Licence GPL (cœur), LGPL (interfaces, espace
utilisateur)
Projet très actif ! Systèmes temps réel et LL
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Architecture Xenomai
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Comparaison Linux / Xenomai
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Autres exemples de RTOS libres
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eCos
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●
Embeddable Configurable OS (CYGNUS 1997)
Supporte de nombreux CPU 16, 32 et 64 bits
Empreinte mémoire de 10 à 100 Ko
Outils de configuration avancé, gestion de
« packages »
Version « pro » par
Utilisé dans le multimédia :
http://www.ecoscentric.com/ecos/examples.sht
ml
Voir la présentation de Jean-Jacques PITROLLE
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RTEMS
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Real-Time Executive for Missile/Military Systems
→ RTE for Multiprocessor Systems
Développé depuis 1988, libre depuis 1994
32 bits CPU (8/16 bits avec TinyRTEMS)
API POSIX, ARINC 653 (AIR/ESA)
Programmation C/C++/Ada
Empreinte minimale entre 64 et 128 Ko (256 à
400 Ko suivant le nombre de paquets)
Utilisation industrielle (ESA, EADS, ...)
Large communauté de développeurs
http://wiki.rtems.org/wiki/index.php
Systèmes temps réel et LL
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RTEMS, bibliographie
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http://air.di.fc.ul.pt/air/
http://neutrons.ornl.gov/workshops/epics2007/
presentations/epics071013-RTEMS-EPICSKnoxville-2007.ppt
https://moodle.dce.fel.cvut.cz/pluginfile.php/15
70/mod_resource/content/0/svs_rtems_intro.pd
f
http://www.ris.prd.fr/GT/LL/presentations/05planche.pdf
Systèmes temps réel et LL
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