programmation temps réel - introduction - reds - institut de la...

Programmation Temps RéelIntroduction

Yann Thoma

Reconfigurable and Embedded Digital Systems InstituteHaute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License

Septembre 2017

Y. Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) Programmation Temps Réel Septembre 2017 1 / 45

Introduction

Introduction

Un système temps réel est un système pour lequel le tempsd’arrivée du résultat est aussi important que le résultat lui-mêmePar opposition aux systèmes transformationnels


Introduction

Structure typique: Contrôle

Système temps réel

gestion des entrées

système de contrôle

gestion des sorties

Environnement


Introduction

Structure typique: Prédiction

données prédiction résultat

A partir des données le résultat doit être fourni au plus tard après untemps T


Introduction

Définition

Abrial-Bourgne:Un système fonctionne en temps réel s’il est capable d’absorbertoutes les informations d’entrée sans qu’elles soient trop vieillespour l’intérêt qu’elles représentent, et par ailleurs, de réagir àcelles-ci suffisamment vite pour que cette réaction ait un sens.

Adage:Un résultat juste mais hors délai est un résultat faux.


Introduction

Exemple

Pilote automatique en avioniqueEntrées: capteurs (altitude, vitesse, ...)Sorties: actuateurs (arrivée de carburant, empennage)Traitement: calcul de la puissance à fournir, et empennageDécomposition en tâches


Echéances

Catégories de systèmes temps réel

Les contraintes de temps peuvent être de type:Temps réel strict (hard)Temps réel ferme (firm)Temps réel mou, ou souple (soft)

Un même système peut être soumis à des contraintes dedifférents types


Echéances

Echéance stricte

Le respect du délai est critiqueLe système est compromis si l’échéance est dépassée

Valeur

Temps

échéance


Echéances

Echéance stricte: Exemples

Pilote automatique Contrôle aérien (skyguide)

Gestion du freinage d’une voiture Pacemaker


Echéances

Echéance ferme

Le respect du délai est essentielLe résultat ne sert à rien si son échéance est dépassée

Valeur

Temps

échéance


Echéances

Echéance ferme: Exemples

Transaction boursière Jeux d’échec avec horloge

Prévision météo Confection d’horaire


Echéances

Echéance molle

La pertinence du résultat décrémente après l’échéanceLa pénalité liée au non respect de l’échéance n’est pascatastrophique

Valeur

Temps

échéance


Echéances

Echéance molle: Exemples

Flux vidéo VoIP


Echéances

Ordres de grandeur

Temps Exemple

nanoseconde - O(ns) Temps d’accès à une RAM (5-80ns)Durée entre deux ticks d’horloge d’un processeur Pentium (1GHz)Fréquence de 1GHz (109Hz)

microseconde - O(µs) Traitement dans un noyau de système d’exploitation (changement de contexte, interruptionmatérielle)Systèmes utilisant des radars (navigation, détection de mouvement, etc.)Transmission sur des bus de terrain, transmission radioFréquence de 1 MHz (106 Hz)

milliseconde - O(ms) Temps d’accès à un disque dur SCSI ou IDE (5-20 ms)La durée d’échantillonnage du son, protocoles de télécommunicationFréquence de 1 KHz (103 Hz)

seconde (s) - O(s) Systèmes de visualisation humain, (temps durant lequel l’oeil peut "intégrer" 25 images auplus)applications multimédiatemps de réponse des applications informatiques (accès DB, compilation, etc.)Fréquence de 1 Hz

L’heure (h) - O(h) Applications de surveillance de réactions chimiques, surveillance de données météorologiques

Le mois, l’année - O(m, a) Systèmes de navigation de sonde spatiale

Quel lien avec le temps réel?


Déterminisme

Déterminisme

Les systèmes temps réel doivent posséder 3 caractéristiquesfondamentales

Déterminisme logique (aspect fonctionnel / spécification)Les mêmes entrées appliquées au système produisent les mêmesrésultats.

Déterminisme temporel (aspect dynamique / simulation)Respect des contraintes temporelles (échéances)

Fiabilité (aspect matériel / datasheet)Le système répond à des contraintes de disponibilité(matériel/logiciel).

Par conséquent, le comportement d’un système temps-réel doitêtre prédictible

Maîtrise des temps de latence et de leurs variations (gigue)

Un système temps-réel n’est PAS un système "qui va vite", maisun système qui satisfait à des contraintes temporelles.


Déterminisme

Un système temps réel n’est pas forcément

Rapide (fast)Tolérant aux fautes (fault-tolerant)Sûr (safe)

mais doit souvent l’être


Déterminisme

Prédictibilité

La prédictibilité d’un système temps réel est ESSENTIELLE, etmême critiqueObligatoire pour prévoir le respect des contraintes temporellesLe système doit donc être déterministeEléments clé:

Code écrit par le programmeurStructure du noyau du système d’exploitationStructure du processeur et des périphériques


Déterminisme

Prédictibilité

Important: Savoir identifier les facteurs d’imprédictibilitéBut (1): évaluer le pire temps de réponse des tâches à effectuerBut (2): Baser la mise au point du système sur ces temps deréponse


Déterminisme

Prédictibilité - temps de réponse

int a;float b;if ( a != 3 ){b++;

}else{b = b / 1.2;

}

X86-64: 1 instruction, < 1 cycleHardware FP: 10-12 cycle hardware divideSoft FP (Atmega, PIC, ARM, etc..): 2000 instructions!


Déterminisme

Prédictibilité - temps de réponse

for(int i=0;i

Déterminisme

Prédictibilité - mémoire

unsigned int factorielle(int n) {if (n==1)

return n;else

return n*factorielle(n-1);}

La pile (stack) grandit!


Déterminisme

Prédictibilité - Appels système

Le temps d’exécution n’est pas forcément connuExemple:

Allocation mémoire

char *uneChaine=(char *)malloc(1000*sizeof(char));

Ecriture dans un fichier

printf("Bonjour les amis\n");

Communication Ethernet

send(socket, buffer, bufferLength, 0);


Déterminisme

Prédictibilité - mémoire

Gestion de la mémoireProblèmes avec mémoire paginée/segmentée

Lenteur de l’accèsDéfaut de page non prévisible

Verrous/SémaphoresProblème d’inversion de priorité

Ce problème sera abordé durant le cours


Déterminisme

Prédictibilité - matériel

InterruptionsGénérées par les périphériquesProblème: non connaissance de leurs temps d’arrivéeGestion possible:

Masquage des interruptionsPas d’indéterminismeMais: scrutation des périphériquesDonc: consommation inutile de temps CPU

Masquage, sauf le timerUne tâche périodique pour scruter les périphériquesScrutation active uniquement par cette tâche

Autorisation des interruptionsPlacer du code minimal dans les routines d’interruptionAttente passive des tâches de traitementTemps de traitement de la routine d’interruption négligeable


images from http://tjliu.myweb.hinet.net

Déterminisme


DMALe processeur délègue au contrôleur DMA des transferts mémoireIls partagent le bus mémoireProblème: arbitrage, et délai potentiel


http://tjliu.myweb.hinet.net

Déterminisme


Mémoire cacheAccélère les accès mémoireMais: problème de la borne du temps d’accès maximalGénère de l’imprédictibilité

processeur mémoire cache mémoire principale

processeur mémoire cache mémoire principale


Déterminisme

Hiérarchie mémoire


Déterminisme

Entrées-sorties


Déterminisme

Entrées-sorties


Déterminisme

Prédictibilité - que faire?

Programmation: concepts à appliquerAbsence de structures de données dynamiquesAbsence de récursionBoucles bornées en tempsConnaissance du matérielConnaissance du système

Prendre des mesures (benchmarking)!http://www.ptxdist.org/development/kernel/arm-benchmarks-20100729_en.html


http://www.ptxdist.org/development/kernel/arm-benchmarks-20100729_en.htmlhttp://www.ptxdist.org/development/kernel/arm-benchmarks-20100729_en.html

Déterminisme

Prédictibilité - évaluer

Images from http://uuu.enseirb.fr/~kadionik/embedded/linux_realtime/linux_realtime2.html


http://uuu.enseirb.fr/~kadionik/embedded/linux_realtime/linux_realtime2.htmlhttp://uuu.enseirb.fr/~kadionik/embedded/linux_realtime/linux_realtime2.html

Environnement

Décomposition

Un système temps réel est souvent décomposé en tâchesSéparation des traitementsMeilleure utilisation du processeurMeilleure fiabilité en cas de surcharge


Environnement

Système d’exploitation

Un système temps réel peut fonctionner avec ou sans systèmed’exploitation (OS)Sans

Un exécutif temps réel fournit un micro-noyau pourl’ordonnancement (si multi-tâche)

AvecPossibilité d’avoir une interface graphiqueGestion de fichiersL’OS doit être temps réel


Environnement

Langages pour le temps réel

Principaux critères de choix:Déterminisme temporel et logiqueFiabilitéPrésence d’abstractions "temps-réel"

Tâches, synchronisation, horloges, etc.

Accès aisé aux ressources de bas niveauPortabilité, normalisationCompilation croisée (cross-compilation)Performances

Deux approches: langages bas niveau ou haut niveau


Environnement

Langages pour le temps réel (2)

Langages de haut niveau: Ada 95Langage conçu, entre autre, pour le support des applicationstemps-réel

Abstraction temps-réel: tâche, interruption, ordonnancement(priorité fixe et dynamique), synchronisation par sémaphore, timeret gestion du temps, outils de communication basés sur lesrendez-vous

Interface et syntaxe normalisé par ISOLangage très portable

Adapté à la production de logiciels volumineuxLangage complexe


Environnement

Langages pour le temps réel (3)

Langages de bas niveau: C/C++, assembleurLargement diffusés et utilisés à ce jourAccès direct aux ressources de bas niveauIdéal pour les I/O (entrées/sorties)Doit être couplé avec les services du système(synchronisation,ordonnancement)

Recours aux librairiesLangage généralement restreint

Comportement temporel déterministe facile à évaluerPeu adapté aux logiciels complexes et/ou volumineux

Pas vraiment normalisé, donc peu portableEffort de standardisation par POSIX


Lois de Murphy

Lois de Murphy relatives aux systèmes temps-réel (1)

Murphy’s General LawIf something can go wrong, it will go wrong.

Murphy’s ConstantDamage to an object is proportional to its value.

Naeser’s LawOne can make something bomb-proof, not jinx-proof.

Troutman Postulates1 Any software bug will tend to maximize the damage.2 The worst software bug will be discovered six months after

the field test.


Lois de Murphy

Lois de Murphy relatives aux systèmes temps-réel (2)

Green’s LawIf a system is designed to be tolerant to a set of faults, there willalways exist an idiot so skilled to cause a nontolerated fault.

CorollaryDummies are always more skilled than measures taken to keepthem from harm.

Johnson’s First LawIf a system stops working, it will do it at the worst possible time.

Sodd’s Second LawSooner or later, the worst possible combination of circumstanceswill happen.

CorollaryA system must always be designed to resist the worst possiblecombination of circumstances.


IntroductionEchéancesDéterminismeEnvironnementLois de Murphy

programmation temps réel - introduction - reds - institut de la...

Documents