programmation de systèmes embarqués : systèmes temps réel et pruss

EE3C Gestion des périphériques

Séance 7

Systèmes temps réelet PRUSS

Sébastien Combéfis 28 mars 2017

Ce(tte) œuvre est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative CommonsAttribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Pas de Modification 4.0 International.

Objectifs

Comprendre système temps-réel et contraintes

Contraintes temps-réel souples et fortes

Ordonnanceur de tâches préemptif ou non

Sous-système PRUSS de gestion du temps-réel

Sous-système PRUs sur la BBB et coopération CPU

Process de développement d’un programme temps-réel

3

Merci !

Merci à Alexis Nootens pour son aide, 1

ma meilleure motivation !

1. Uniquement pour ce slide4

Système temps-réel

Temps-réel et Linux embarqué

Linux est par défaut non préemptif

Un processus en cours d’exécution ne peut être interrompu

Pas de support pour entrée/sortie où le timing est critique

Par exemple pour lire les valeurs d’un senseur ultrasonique

Garantie d’une réponse endéans une deadline (ms/µs)

Peu importe la charge actuelle sur le système

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Temps-réel hard et soft

Hard ou soft selon conséquences si deadline manquée

Catastrophique pour l’objet embarquant le système ?

Temps-réel souple si réduction qualité du service

Transmission vidéo, communication téléphonique...

Temps-réel fort si défaillance/incapacité du système

Direction assistée, robots auto-équilibrant...

Kernel Linux principal supporte le temps-réel souple

7

Expérience BBB (1)

Script pour alterner l’état d’une LED le plus vite possible

En manipulant directement sysfs via Bash

Branchement sur P9_23 qui est GPIO1_17 (1 × 32 + 17 = 49)

#!/ bin/bashecho 49 > /sys/ class /gpio/ exportecho "out" > /sys/ class /gpio/ gpio49 / directionCOUNTER =0while [ $COUNTER -lt 100000 ]; do

echo 0 > /sys/ class /gpio/ gpio49 / valueecho 1 > /sys/ class /gpio/ gpio49 / valuelet COUNTER = COUNTER +1

doneecho 49 > /sys/ class /gpio/ unexport

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Expérience BBB (2)

Obtention d’une période ∼0.45ms donc fréquence ∼2.2 kHz

Fréquence pas très haute pour un contrôleur embarqué

De plus, consommation CPU très grande de l’ordre de ∼98.1%

Passer à C++ améliore fréquence, mais pas consommation

Deux pistes d’amélioration possibles sur la BBB

Périodique commuté haute fréquence avec PWM (∼1MHz)

Output non périodique haute fréquence avec PRU

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Ordonnancement de processus

Processus ordonnancés par le système d’exploitation

Décision de qui à droit au CPU pour s’exécuter

Linux pas préemptif, pas d’interruption d’un processus exécuté

Le processus consomme d’office tout son temps kernel

Ordonnancement préemptif propose des priorités sur les tâches

Interruption des tâches de plus basse priorité

Période de préemption de l’ordre de quelques microsecondes

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OS temps-réel (1)

Application temps-réel impose pas rythme à l’environnement

Pouvoir processer évènements dans des délais acceptables

Environnement provoque des interruptions sur le système

Application doit pouvoir suivre le rythme de l’environnement

Machine industrielle pour percer des doughnuts

Senseur identifiant qu’un doughnut approche

Vitesse tapis roulant vitesse, distance senseur et perforateur

Timing précis pour déclencher le hole puncher

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OS temps-réel (2)

Plusieurs caractéristiques distinguant RTOS de GPOS

Embarqué sans interface utilisateur (complexe)

Complètement déterministe

Contrôle sur l’OS, tâches prioritaires en premier

Un RTOS peut violer la règle de fairness des GPOS

Tous les processus reçoivent du temps CPU, tous interruptibles

Applications spécifiques nécessitant du temps-réel

Boucle de contrôle fermée, décision marketing...

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Domaine d’application

Industrie de mesure et contrôle

Robots sur chaine de production, senseur d’overheat detection...

Industrie aéronautique

Integrated Modular Avionics (IMA) réseau distribué de systèmesà bord, simulations en mode HIL...

Industrie des services financiers

Connexion de systèmes trading avec stock exchange

Tout le business multimedia

Processing d’information audio/vidéo pour perception humaine

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Linux préemptif

Possibilité d’obtenir du support temps-réel au niveau software

En modifiant le kernel Linux ou en ajoutant d’autres éléments

Trois options à des niveaux différents

Patcher le kernel Linux pour supporter la préemptionRecompiler le noyau avec CONFIG_PREEMPT_RT_FULL=y

Xenomai propose un co-kernel temps-réel appelé CobaltPlus prioritaire que kernel Linux, réagit à interruption hardware

Ne pas utiliser le Linux principal, mais un autre OS spécialiséLe no-OS StarterWare ou le QNX Neutrino RTOS

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Support hardware

Outsourcing opérations temps-réel à microcontrôleur low-cost

Arduino, Atmel AVR, TI Stellaris connecté en UART

Utilisation cape sophistiquée pour opérations temps-réel

Valent F(x) LOGi-Bone FPGA development boardProgrammé en Verilog ou VHDL pour calcul parallèle

Unités temps-réel programmables (PRUs)Le processeur AM335x de la BBB possède deux PRUs

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PRU

Programmable Real-time Unit (PRU)

Programmable Real-Time Unit andIndustrial Communication Subsystem (PRU-ICSS)

Unités programmables spécialisées pour le temps-réel

Deux unités PRU disponibles sur le processeur AM335x

Cœur RISC sur 32 bits cadencé à 200MHz

Mémoire locale et partage des pins, interruption et mémoire

PRU-ICSS pas un accélérateur hardware de performances

Manipuler E/S et structure memory-mapped

Interface de communication (E/S simple, bit-banging...)

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AM355x

Diagramme blocs fonctionnel du processeur AM335x Sitara

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PRU-ICSS

Deux cœurs RICS 32 bits indépendants (PRU0 et PRU1)

Mémoire dédiée pour programme et pour données

Enhanced GPIO (EGP) pour GPIO rapides

Contrôleur d’interruption (INTC) pour notifier avec host

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Programmer le PRU-ICSS

Création d’un device tree overlay custom

Pour rendre les GPIOs disponibles

Écriture et compilation du code du programme hôte et PRU

Binaire pour PRU transféré par programme hôte sur PRU-ICSS

Bridge entre hôte et PRU-ICSS (interruption, mémoire...)

DTO

Code hôte (.c)

Code PRU (.p)

Compilateur C

Assembleur pasm

Prog. hôte C

Prog. PRU (.bin)

Programme PRU

Hôte Linux PRU-ICSS

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PRU-ICSS Enhanced GPIOs

PRU-ICSS a des pins GPIOs améliorées pr1_pruX_pru_r3Y_Z

X donne numéro du PRU (0 ou 1)

Y détermine input ou output (1 ou 0)

Z donne numéro de pin (de 1 à 16)

Configuration obligatoire du pin mux en mode 5 ou 6

Toutes les pins ne sont pas exportées, ni en entrée et sortie

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Configuration du DT (1)

Configuration de deux GPIOs classiques et deux enhanced

P9_11 reliée àgpio0[30] en output

P9_13 reliée à gpio0[31] en input

P9_27 reliée à pr1_pru0_pru_r30_5 en output

P9_28 reliée à pr1_pru0_pru_r31_3 en input

Nécessité de désactiver HDMI en conflit avec enhanced GPIOs

Présence à vérifier dans le fichier des slots

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Configuration du DT (2)

1 /dts -v1 /;2 / plugin /;3 / {4 compatible = "ti , beaglebone ", "ti , beaglebone - black ";5 part - number = "EBB -PRU - Example ";6 version = "00 A0";78 /* This overlay uses the following resources */9 exclusive -use = "P9 .11", "P9 .13", "P9 .27", "P9 .28", "pru0";

1011 fragment@0 {12 target = <& am33xx_pinmux >;13 __overlay__ {14 gpio_pins : pinmux_gpio_pins { // The GPIO pins15 pinctrl -single ,pins = <16 0x070 0x07 // P9_11 MODE7 | OUTPUT | GPIO pull -down17 0x074 0x27 // P9_13 MODE7 | INPUT | GPIO pull -down18 >;19 };20 pru_pru_pins : pinmux_pru_pru_pins { // The PRU pin modes21 pinctrl -single ,pins = <22 0x1a4 0x05 // P9_27 pr1_pru0_pru_r30_5 , MODE5 | OUTPUT | PRU23 0x19c 0x26 // P9_28 pr1_pru0_pru_r31_3 , MODE6 | INPUT | PRU24 >;25 };26 };27 };

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Configuration du DT (3)

1 fragment@1 { // Enable the PRUSS2 target = <&pruss >;3 __overlay__ {4 status = "okay";5 pinctrl - names = " default ";6 pinctrl -0 = <& pru_pru_pins >;7 };8 };9

10 fragment@2 { // Enable the GPIOs11 target = <&ocp >;12 __overlay__ {13 gpio_helper {14 compatible = "gpio -of - helper ";15 status = "okay";16 pinctrl - names = " default ";17 pinctrl -0 = <&gpio_pins >;18 };19 };20 };21 };

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Package PRU-ICSS

Debian comporte le package PRU-ICSS avec une série d’outils

Créer binaire avec PRU Assembler

Charger binaire avec PRU Linux Application Loader API

$ ls /usr/ include /pru*/usr/ include / pruss_intc_mapping .h /usr/ include / prussdrv .h

$ ls /usr/lib/ libpru */usr/lib/ libprussdrv .a /usr/lib/ libprussdrv .so /usr/lib/libprussdrvd .a /usr/lib/ libprussdrvd .so

$ pasm

PRU Assembler Version 0.86Copyright (C) 2005 -2013 by Texas Instruments Inc.

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Flash the LED (1)

Flasher une LED à 10Hz branchée sur une enhanced GPIO

Jusqu’à pression sur un bouton connecté sur une enhanced GPIO

Définition d’une série de constantes de configuration

1 // PRUSS program to flash a LED on P9_27 ( pru0_pru_r30_5 ) until a button2 // that is connected to P9_28 ( pru0_pru_r31_3 is pressed ). This program3 // was writen by Derek Molloy for the book Exploring BeagleBone45 . origin 0 // start of program in PRU memory6 . entrypoint START // program entry point (for a debugger )78 # define INS_PER_US 200 // 5ns per instruction9 # define INS_PER_DELAY_LOOP 2 // two instructions per delay loop

10 // set up a 50 ms delay11 # define DELAY 50 * 1000 * ( INS_PER_US / INS_PER_DELAY_LOOP )1213 # define PRU0_R31_VEC_VALID 32 // allows notification of program completion14 # define PRU_EVTOUT_0 3 // the event number that is sent back

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Flash the LED (2)

Boucles pour faire clignoter la LED

Test si le bouton est enfoncé en fin de code, et arrêter ou boucler

1 START :2 SET r30.t5 // turn on the output pin (LED on)3 MOV r0 , DELAY // store the length of the delay in REG04 DELAYON :5 SUB r0 , r0 , 1 // Decrement REG0 by 16 QBNE DELAYON , r0 , 0 // Loop to DELAYON , unless REG0 =07 LEDOFF :8 CLR r30.t5 // clear the output bin (LED off)9 MOV r0 , DELAY // Reset REG0 to the length of the delay

10 DELAYOFF :11 SUB r0 , r0 , 1 // decrement REG0 by 112 QBNE DELAYOFF , r0 , 0 // Loop to DELAYOFF , unless REG0 =01314 QBBC START , r31.t3 // is the button pressed ? If not , loop1516 END: // notify the calling app that finished17 MOV R31.b0 , PRU0_R31_VEC_VALID | PRU_EVTOUT_018 HALT // halt the pru program

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Flash the LED (3)

SET/CLR r30.t5 modifie bit 5 du registre 30 pour gérer LED

Bit contrôlant la pin output pr1_pru0_pru_r30_5

Registre 0 utilisé pour calculer le délai d’allumage/extinction

Fixé au départ à la valeur de la constante DELAY

Décrémenté de 1 avec SUB à chaque itération

QBBC START, r31.t3 lit bit 3 du registre 31 pour bouton

Bit contrôlant la pin input pr1_pru0_pru_r31_3

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Compilation

Compilation du programme avec l’assembleur pasm

Option -b pour fichier binaire en little-endian

Génération d’un fichier binaire à placer dans mémoire du PRU

Fichier de 52 bytes (soit 13 mots)

Sans soucis dans la mémoire de 8KB du PRU

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Programme principal (1)

Chargement du fichier binaire dans le PRU pour exécution

Ensuite attente du résultat de l’exécution

1 /** Program to load a PRU program that flashes an LED until a button is2 * pressed . By Derek Molloy , for the book Exploring BeagleBone3 * based on the example code at:4 * http :// processors .wiki.ti.com/ index .php/

PRU_Linux_Application_Loader_API_Guide5 */67 # include <stdio .h>8 # include <stdlib .h>9 # include <prussdrv .h>

10 # include <pruss_intc_mapping .h>1112 # define PRU_NUM 0 // using PRU0 for these examples1314 int main ( void )15 {16 if( getuid () !=0){17 printf ("You must run this program as root. Exiting .\n");18 exit( EXIT_FAILURE );19 }

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Programme principal (2)

1 // Initialize structure used by prussdrv_pruintc_intc2 // PRUSS_INTC_INITDATA is found in pruss_intc_mapping .h3 tpruss_intc_initdata pruss_intc_initdata = PRUSS_INTC_INITDATA ;45 // Allocate and initialize memory6 prussdrv_init ();7 prussdrv_open ( PRU_EVTOUT_0 );89 // Map PRU ’s interrupts

10 prussdrv_pruintc_init (& pruss_intc_initdata );1112 // Load and execute the PRU program on the PRU13 prussdrv_exec_program (PRU_NUM , "./ ledButton .bin");1415 // Wait for event completion from PRU , returns the PRU_EVTOUT_0 number16 int n = prussdrv_pru_wait_event ( PRU_EVTOUT_0 );17 printf ("EBB PRU program completed , event number %d.\n", n);1819 // Disable PRU and close memory mappings20 prussdrv_pru_disable ( PRU_NUM );21 prussdrv_exit ();22 return EXIT_SUCCESS ;23 }

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Qualité temps-réel

Signal produit en sortie ne contient plus de jitter

Contrairement à la version brute avec pin GPIO simple en Bash

Réduction de la consommation du CPU car délégation au PRU

Seulement 0.2% du CPU consommé

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Caractéristiques du PRU

Mémoire composée de registres et mémoire GP locale

32 registres 32 bits : 0 pour indexer, 1–29 GPR et 30–31 SPR

Mémoire GP locale du PRU mappée sur l’hôte Linux

Data RAM0 et RAM1, et une mémoire partagée

Jeu d’instructions de type RISC avec ∼45 instructions

Arithmétique, logique, reg load/store, program control flow

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Performance

Possibilité de faire flasher la LED à une fréquence ∼10MHz

Avec le code présenté précédemment

Déclenchement de la LED environ 30 ns après pression bouton

Lumière parcourt 9m dans le vide (3.108 m/s)

Son parcourt 1/100mm dans l’air, niveau de la mer (340m/s)

Possibilité de créer des signaux à très hautes fréquences

Output horloge dédiée en UART à 192MHz

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Livres de référence

ISBN978-1-118-93512-5

ISBN978-0-596-52968-0

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Crédits

Photos des livres depuis Amazonhttps://www.flickr.com/photos/energeticspell/4095522584https://www.flickr.com/photos/andrewsan/8648625518

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