introduction aux systèmes temps réel

Introduction aux systèmes Temps Réel

M1UEF5 Systèmes embarqués

20052006

Plan :

I. Introduction

II. Mécanismes Fondamentaux

III. Maîtrise du temps

IV. Temps réel et industrie

I. Introduction

1. Qu'est ce que le temps réel ?

2. Propriétés

3. Exemples d'applications

4. Limite des systèmes classiques pour le temps réel

I.1 Qu'estce que le temps réel ?● Types de systèmes informatiques :

● Systèmes transformationnels (calcul scientifique, gestion de BD)

les données sont disponibles au lancement les instants de productions des résultats ne sont pas

contraints ●Systèmes interactifs (systèmes transactionnels ou outils bureautiques)

les résultats dépendent de données produites par l'environnement les instants de production respectent des valeurs statistiques (souvent peu contraints)

I.1 Qu'estce que le temps réel ?● Types de systèmes informatiques :

● Systèmes temps réel ou systèmes réactifs: Systèmes embarqués Systèmes où l'intervention humaine est limitée

(voire absente) Résultats entièrement conditionnés par

l'environnement connecté Les instants de production dépendent de la

dynamique du procédé (environnement + traitement)

Les instants de production sont fortement contraints (survie du système)

I.1 Qu'estce que le temps réel ?●Validité d'un programme TR

Outre la correction algorithmique le temps intervient dans la validité du programme:

le temps de réaction doit être adapté aux événements externes (crucial pour les systèmes embarqués)

Le programme doit pouvoir fonctionner en continu en maintenant sa capacité à traiter le flux de données d'entrée les temps de calculs sont connus (estimés) et peuvent être utilisés dans une analyse de réactivitéValider un système temps réel c'est démontrer rigoureusement que le système a le comportement spécifié

I.1 Qu'estce que le temps réel ?

Définition (1):

Le comportement d'un système informatique est qualifié de « temps réel » lorsqu'il est assujetti à l'évolution d'un procédé qui lui est connecté et qu'il doit piloter ou suivre en réagissant à tous ses changements d'états .

Groupe CNRS sur la problématique temps réel 1988

I.1 Qu'estce que le temps réel ?

Définition (2):

Un système temps réel est défini comme un système dont le comportement dépend :

De l'exactitude des traitements effectuées

Du temps où les résultats sont produits

Un retard = le fait de rater une échéance = erreur du système.

Exemple : tâche périodique

● Temps réel dur et lâche :– Si le retard d' un traitement = exception (traitement

spécifique en cas d'erreur) : on parle d'échéance dure, et il s'agit d'une défaillance

– Si le retard ne provoque pas d'exception: échéance lâche

– Un système dont aucune échéance ne doit être dépassée: Temps réel dur (hard real time)

– Si un dépassement occasionnel ne met pas en danger le système : temps réel lâche, ou mou (soft real time)

● Temps réel critique :– Terminologie qui met l'accent sur les conséquences

d'une défaillance du système et concerne la sûreté de fonctionnement

– Le système est critique si :● Il y a des conséquences humaines en cas de défaillance

(contrôle aérien, centrales nucléaires, etc...)● Le coût financier d'une défaillance du système est d'ordre

supérieur à celui du système. (exploration spatiale, etc...)

● Système et environnement :– Système : ensemble d' « activités » correspondant à

un où plusieurs traitements effectués en séquence ou en concurrence. Les traitements communiquent éventuellement entre eux.

– Le système est en interaction avec son environnement

– Modélisation simple : [1n] processeurs + périphériques (capteurs , actionneurs)

– Les capteurs : ● collecte des signaux (évènements) émis par

l'environnement● Prélèvement de l'état fugitif de l'environnement (mesures)

– Les actionneurs effectuent les réactions du système

● Système et environnement :– Interaction système environnement :

● A des moments déterminés par une référence de temps interne au système : système pilotés par le temps (time driven system) , programmée pour exécuter les actions/lectures à intervalles réguliers fixés par un timer (fonctionnement séquentiel) = systèmes synchrones

● A des moments déterminés par l'environnement luimême: il attend les sollicitations et réagit à cellesci: système piloté par les évènements (event driven system) = systèmes asynchrones

● Un système temps réel est composé d'un système contrôlé et d'un système contrôleur

I.2 Propriétés

Prévisibilité

Déterminisme

Fiablité

● Prévisibilité– Conception afin que les performances soient définies

dans le pire des cas

– Permet de déterminer à l'avance si un système va respecter ses contraintes temporelles

– Nécessite un bonne connaissance des paramètres liés aux calculs des activités = déterminisme

● Déterminisme– Enlever toute incertitude (= conserver la prévisibilité)

● Sur le comportement des activités individuelles● Sur le comportement des activités groupées dans le

contexte d'exécution (+ordonnancement)

– Sources de nondéterminisme :● Charge de calculs (variations des durées d'exécution des

activités)● Entréessorties (temps de réaction, durée des

communications)● Interruptions (temps de réaction du système)● Fautes et exceptions matérielles ou logicielles = Fiabilité

● Fiabilité– Intervention humaine directe difficile (syst temps réel

embarqués)

– Conception tolérante aux fautes, pour garantir le comportement du système et de ses composants (prévisibilité => déterminisme => fiabilité)

– Temps de réaction cruciaux : conception de système dédiés

● Compromis hardware/software– Capacités, propriétés natives (rapidité), fiabilité du

hardware● Mémoire, cpu, com

– Poids des différents traitements pour mener à bien une tâche donnée

● Algo, complexité

– Gestion du hardware pour permettre l'execution des traitements (noyau temps réel)

● ordonnancement, gestion de la mémoire, préemption, etc...

I.3 Exemples

● Logiciel de contrôle d'un Combiné GSM:– Embarqué

– Gestion des opérations de la couche physique● Émission, réception, mesure des niveaux de réception, etc...

– Gestion des procédures logiques ● Localisation, mesures de qualité du lien radio,

– Gestion de la conversation● Relais entre deux reseaux

– IHM● Redaction, navigation, etc...

● Système de Video conférence sur réseau local– Numérisation du signal video

● Séquence de 30 images/s● Compression

– Reseau● Accès, envoi, réception

● Robot Autonome– Robot type mars explorer:

– Aller du point A au point B sans être bloqué● Navigation● évitement d'obstacle

– Contrainte importantes car il en découle la « survie » de la mission : le robot ne doit pas rester bloqué

– échantillonnage des capteurs de proximité

– Vitesse de déplacement

– Architecture de subsomption pour ordonnancer navigation et évitement d'obstacles

I.3 Limites des systèmes classiques:

● Ordonnancement: temps partagé● Gestion des entrées sorties et des interruptions

sous optimales● Gestion de la mémoire virtuelle très souple :

engendre des fluctuations des temps d'exécution des activités d'un système

● Résolution temporelle pas assez fine

Plan :

I. Introduction

IV. Systèmes Temps Réel

● Idée générale : revoir les mécanismes fondamentaux d'un OS classique pour comprendre les origines de la latence d'un système.

● Latence : – Délai global de bout en bout entre le changement

d'état dans un environnent et la réaction correspondante en sortie du système

● Il s'agit d'un délai composite qui comprend :– Les délais de scrutation du système

– Les délais dus à l'os

– Les délais du calcul applicatif

– Les délais de transmission du message

● Gigue sur la latence :– Décrit l'incertitude sur la latence

– Problèmes d'accès aux ressources

– ordonnancement

● Exemple (1) : système élémentaire● Soit un système simple qui exécute un

programme unique :– Acquisition des données

– Traitement (calcul)

– Restitution des résultats

● Exemple (1) : système élémentaire

● Exemple (1) : phase 1

● Exemple (1) : système élémentaire– Traitement séquentiel suffisant

– Séquencement réglé par l'horloge

– Pas de concurrence entre les phases

– OS simple

– Seule la dimension des ressources matérielles/logicielles est à prendre en compte (faire face au pire des cas: simple)

● Exemple (2) : système plus complexe :– Un évènement survient à n'importe quel moment :

instant d'apparition non maîtrisé (traitement déjà en cours, ...)

– Il doit être pris en compte dans un délais maximum donné

● Exemple (2) : système plus complexe :– Un évènement survient à n'importe quel moment :

instant d'apparition non maîtrisé (traitement déjà en cours, ...)

– Il doit être pris en compte dans un délais maximum donné

● Deux grands modèles d'interaction :– Scrutation cyclique (polling)

– Interaction par interruptions

● Scrutation :– Le système prend l'initiative d'activer la fonction qui

va lire une entrée à un instant programmé pour vérifier si un évènement a eu lieu. Le plus souvent cette scrutation sera faite périodiquement.

● Scrutation :Boucle infinie :

Tant que données non disponibles

Vérifier les capteurs

Lire les capteurs

Traiter les données

Démarrer les réactions

Tant que action en cours

Vérifier les actionneurs

● Scrutation (2) :– Avantages :

● Latence du système = temps de traitement d'une boucle● Cas proche du système simple séquentiel vu précédemment● Simple à programmer

– Inconvénients● « Alignement » de la boucle de traitements sur le

périphérique le plus lent● Programme difficile à maintenir

● Interaction par interruptions :– Un signal hardware associé à l'arrivée d'un événement

déclenche l'activation de la fonction qui va lire la donnée d'entrée. Le cours normal de l'execution du programme est intérompu.

– Initialement introduit pour gérer les E/S d'un processeur

– Concept étendu à la notion d'interruption interne ou exception (trap) logicielle

● Interaction par interruptions :

● Interaction par interruption :● 1. Scrutation :

Boucle infinie :

tant que (état = données diponibles)

vérifier état des capteurs

lire les données mémorisées

remettre à zéro état des capteurs

● Interaction par interruption :● 2 gestionnaire d'interuption:

Lire et mémoriser la donnée

positionner (état = données diponibles)

acquitter l'interrupion

● Interaction par interruption:– Avantages :

● Le traitement d'un événement externe va être partagé entre un traitement immédiat effectué par le gestionnaire d'interruption et par une gestion différée, confié à une tâche: traitement multitâche possible.

– Inconvénients● Une grande partie du temps cpu est consacré à autre chose

que l'application● Programme difficile à maintenir

● Services de base:– Execution d'un programme par le processeur

(éventuellement en concurrence : ordonnancement)

– Gestion de la mémoire

– Partage des ressources

– Synchronisation, communication

– Gestion du temps, horloge

● Services de base:– Execution d'un programme par le processeur

(éventuellement en concurrence : ordonnancement)

– Gestion de la mémoire

– Partage des ressources

– Synchronisation, communication

– Gestion du temps, horloge

● Les tâches :– Programme :

● Objet statique : suite d'instructions agissant sur un ensemble de données

– Processus : ● Objet dynamique géré par l'OS : tâche ou process

– Espaces mémoires séparés– Communiquent par des canaux spéciaux– Création coûteuse en temps– Mécanismes de protection très coûteux– Passage d'un processus à l'autre : coûteux transferts de mémoire

● Processus : – Zone programme

– Zone de données

– Zone de pile (données temporaires)

● Ensemble des informations caratérisant l'execution d'un processus : contexte du processus– Processus lourds (contexte important)

– Processus légers (contexte partagé/propre)

● Gestion multitâche et ordonnancement :– Un processus peut avoit plusieurs états:

● Courant : tâche élue, qui possède le processeur● Prêt : tâche éligible, demande le processeur● En attente : tâche bloquée en attente d'un événement

– Transition d'un état à un autre :● Réveil : « en attente » à « prêt »

● Allocation : « prêt » à « courant »

● Préemption : « courant » à « prêt »

● Blocage : « courant » à « en attente »

● La partie de l'OS qui fait évoluer les états des tâches et qui alloue le processeur s'appelle l'ordonnanceur (scheduler)

● L'ordonnanceur est une procédure de service de l'OS

● Ordonnanceur :– Préemptif : le processus courant peut être désaloué

par décision de l'ordonnanceur (ex : interruptions)

– Non préemptif: la tâche courante ne peur être interrompue par une autre tâche

● Lois d'ordonnancement (systèmes classiques)– Premier arrivé, premier servi (FIFO)

● Premier tâche de la file est allouée● Une tâche réveillée ou préemptée : fin de file

● Lois d'ordonnancement (systèmes classiques)– Tour de rôle (tourniquet)

● FIFO● Activation périodique des tâches● Pas de notion urgence vis a vis des traitement● Politique égalitaire : partage du temps

● Lois d'ordonnancement (systèmes classiques)– Par priorité

● Choix dans la liste des tâches en fonction de la priorité de la tâche

● La priorité la plus haute l'emporte (allocation) : pas de partage du temps

● « totalitaire »

● Lois d'ordonnancement (systèmes classiques)– Unix : priorités et partage du temps :

● Traitement des tâches de priorité les plus haute● Tourniquet parmi les tâches de même priorité● Traitement d'interruptions au détriment de tâches de fortes

priorités

● Lois d'ordonnancement (systèmes TR)– Limiter le partage du temps

– Limiter les préemptions (très coûteux)

– Utiliser les priorités

– Ordonner les priorités a priori lors des tests de faisabilité, en fonction des situations/charges du système possibles

– Grande importance de l'ordonancement/traitement des préemptions

● Rappel :– Les délais de scrutation du système

● Gestion des ressources :– Problème d'accès concurrent à une même ressource

– Ex: Tâches 1 et 2

● Gestion des ressources :– On appelle séquence atomique une suite d'opérations

exécutées par un système qui permet de passer d'un état cohérent à un autre état cohérent sans possibilité d'interruption de la séquence (ex : tâches 1 et 2)

– On appelle section critique une séquence d'opérations qu'il faut effectuer de façon atomique

– Les sections critiques opérant sur des ressources communes doivent être exécutées en exclusion mutuelle

● Pour assurer l'atomicité d'un séquence :– Masquage matériel : on assure que la séquence ne sera

préemptée en masquant toutes les interruptions et les appels au système pouvant provoquer une préemption

– Masquage logiciel : inhibition de l'ordonnanceur pendant le déroulement de la section critique.

– Utilisation de sémaphores d'exclusion mutuelle

● Sémaphore binaire ou d'exclusion mutuelle :– Entité logique associée à une ressource

– Deux primitives P et V permettent de manipuler le sémaphore.

● Entrée d'une tâche en section critique : elle invoque le P● Fin du traitement protégé : elle effectue le V

● P :Compteur = compteur – 1

Si compteur < 0

Mettre la tâche en file d'attente (FIFO)

Sinon accorder la ressource

– Compteur est initialisé à 1

– Si plusieurs taches requiers le P (déjà à 0) constitution de la file d'attente

– Une tâche qui acquiers la ressource « passe le P »

● V :Compteur = compteur + 1

Si compteur <= 0

sortir une tâche de la file d'attente (FIFO)

– Lorsqu'une tâche à effectuée le V, le choix parmi les tâches en attente peut s'effectuer avec les mêmes critères que pour l'ordonnancement

– Mécanisme qui peut être étendu à plusieurs ressources:

● Seule la valeur d'initialisation du compteur change

● Limites pour le TR:– Attention aux blocages !

– Une tâche de faible priorité ne peut bloquer une tâche haute

– Solutions :● Gestion des attentes par priorité● Fournir des primitives de type « test de disponibilité »

● Associer un temps d'attente maximum aux primitives bloquantes

Plan :

I. Introduction

IV. Systèmes Temps Réel

● Ordonnancement● Tests de faisabilité● Analyse de l'interaction entre processus● Inclusion de processus apériodiques

● Ordonnancement : « dans quel ordre exécuter les tâches ? » – Satisfaire les contraintes de temps des transactions TR

en allouant de façon efficace les ressource cpu.

– Différentes catégories d'algorithmes :● Off line : les décisions d'ordonnancement sont prises avant

l'exécution du système : algorithme statique● On line : réévaluation en ligne de l'ordonnancement en

fonction de la modification des critères de choix (prise en compte d'évènements non prévus): algorithme dynamique

● 4 types d'algorithmes d'ordonnancement:– Statiques pilotés par table :

● Hors ligne● L'application va être découpée en séquences élémentaires

qui ne seront jamais interrompues● Une séquence est une procédure définie par l' utilisateur,

C'est l'unité de base● Un processus est une suite ordonnée de séquences● l'ordonnancement des processus est régit par un calendrier

C'est une table spécifiant le liste des processus à activer● Application systématique par ordonnancement cyclique● ABCABCABC

● 4 types d'algorithmes d'ordonnancement:– Statiques pilotés par table :

● Les processus sont indépendants les uns des autres● L'ordonnancement des processus est régi par une horloge● Il n'existe pas de préemption● Le découpage en séquences non interruptibles assure la protection● Des données partagées entre les processus● Il est aisé de certifier le comportement de l'application

● 4 types d'algorithmes d'ordonnancement:– Statiques préémptifs basés sur les priorités

● Hors ligne● Permet d'assigner les priorités aux tâches● Une fois en cours d'exécution, le système utilise un

ordonnancement préemptif (analyse rate monotonic) basée sur la notion de priorité fixée apriori.

● 4 types d'algorithmes d'ordonnancement:– Dynamique avec planification à l'exécution

● Analyse en ligne● Choix de l'ordonnancement en fonction de critères

d'analyse :– HPF : Highest Priority First– EDF : Earliest Deadline First : échéance la plus proche– LLF : Least Laxity First (marge la plus courte) EDF + notion de

durée de travail● Prise de décision quand le système est actif● Les critères peuvent varier durant l'exécution

● 4 types d'algorithmes d'ordonnancement:– Dynamique avec notion du meilleur effort :

● En ligne● Pas d'analyse● Le système fait de son mieux

● Les tâches :– Périodiques

– Sporadiques

– Apériodiques

● Les tâches :– Périodiques : doivent être activées à intervalles

réguliers

– Sporadiques : irrégulières mais il existe un temps minimal entre deux activations

– Apériodiques : irrégulières

● Les tâches :– Périodiques

– Sporadiques

– Apériodiques

● Et aussi :– Tâches indépendantes

– Tâches dépendantes

● Rappel :– C: coût d'une tâche

– D: échéance (deadline), la tâche doit être exécutée avant que D soit écoulé

– T: période d'activation de la tâche

Exemple : tâche périodique

● Ordonnancement● Tests de faisabilité● Analyse de l'interaction entre processus● Inclusion de processus apériodiques

● Test de faisabilité : Déterminer s'il existe un algorithme qui satisfait les contraintes du système.

● S'il existe un ordonnancement d'un ensemble de tâches qui respecte les contraintes associées à ces tâches, alors l'ensemble des tâches est dit faisable

● Implique la connaissance du coût des tâches dans le pire des cas

● Test de faisabilité : Analyse Rate Monotonic (RM).● Méthode d'affectation hors ligne de priorité statiques à une

ensemble de tâches.

● Ordonancement optimal si HPF est utilisé

● Critères :

– Tâches périodiques à l'état Prêt au début de chaque période

– Échéance = Fin de Période (D=T)

– Les tâches ne se suspendent pas ellesmêmes en cours d'exécution

– Préemtion possible, temps de Préemption négligeable

– Temps d'ordonancement négligeable

– Tâches indépendantes, C connu

● Test de faisabilité : Analyse Rate Monotonic (RM).● L'affectation de priorité se fait en fonction de la fréquence des

tâches:

– Plus la fréquence est forte, plus la priorité est élevée

– Priorité de la tâche i : Pi = 1/Ti

– Ordonnancement avec HPF

● Test de faisabilité : Analyse Rate Monotonic (RM).

● Condition suffisante :

– Métrique : taux d'utilisation du processeur = quantité de temps de traitement consommé par les tâches par rapport au temps total :

U=∑i=1

dureei/ périodei

– Métrique : taux d'utilisation du processeur = quantité de temps de traitement consommé par les tâches par rapport au temps total :

– Pour toute tâche i, avec Ci connu, et Ti=Di, on a:

U=∑i=1

dureei/ périodei

pour tout i , 1≤i≤n ,U i=∑j=1

C j /T j≤i×21 /i−1

– En particulier pour n tâches on a:

– Partie de gauche : taux d'utilisation par les n tâche

– Partie droite : temps cpu allouable au max, en fonction du nombre de tâche, n

pour tout i , 1≤i≤n ,U=∑i=1

C i /T i≤n×21/n−1

● Théorème de la zone critique

● Si toutes les tâches arrivent initialement dans le système simultanément et si elles respectent leur première échéance, alors toutes échéances seront respectée par la suite quelle que soit l'instant d'arrivé des tâches

– Avec t : instant d'arrivée de la tâche

– Prend en compte le retar imputable au déroulement des tâches de plus forte priorité

pour tout i , 1≤i≤n , min0 ≤t≤Di∑j=1

C j / t .ceil t /Tj ≤1

● Théorème de la zone critique

● Plus généralement :

– On considère un temps de simulation donnée.

– On réveille toutes les tâches périodiques en même temps à l'instant 0 (pire des cas)

– Si toutes les tâches sont ordonnancées par HPF sur le temps de simulation sans qu'aucune échéance soit manquée, alors le test est considéré comme validé

● Propriété harmonique :

– Cas particulier de tâches où toutes les périodes sont multiples entre elles:

pour tout i , 1≤i≤n ,U=∑i=1

C i/T i≤1

● Test de faisabilité : Analyse Deadline Monotonic (DM).

● Dérivée de RM

– L'echéance est str inférieure à la période (Di < Ti)

– La priorité est fixée par ordre inverse de l'échéance

– Affectation statique des priorités, on applique HPF

C j /D j≤i×21/i−1

● Test de faisabilité : Analyse Dynamique : EDF

● Ordonnancement dynamique : variation des priorités des tâches lorsque le système est en fonctionnement

– Priorité : tâche qui possède l'échéance la plus proche

– En cas d'egalité : la tâche en cours reste en execution

C j /T j≤1

● Exemple : HPF

● Exemple : EDF

● Test de faisabilité : Analyse Dynamique : LLF

● Ordonnancement dynamique : variation des priorités des tâches lorsque le système est en fonctionnement

– Priorité : tâche qui possède la marge la plus faible

– Marge = echeance – temps de calcul restant

C j /T j≤1

● Interaction entre processus :

– Dans certains cas, les tâches peuvent être potentiellement dépendantes : cas d'accès en exclusion mutuelle à des ressources communes

– Pb de l'inversion de priorité : ● Une tâche de plus faible priorité bloque une tâche

plus importante● Le système doit temporairement inverser les

priorités pour éviter le préemption (section critique)

● Coûteux et lourd à gérer

● Solution: héritage de priorité :

– Le possesseur du sémaphore est la tâche qui a eu le droit d'accéder à la ressource en exclusion mutuelle

– Héritage simple : c'est le sémaphore qui gère les priorités dans sa file d'attente

– La tâche qui détiens le sémaphore hérite de la priorité de la tâche qui réclame la ressource

– Limite à 1 le nombre d'inversion de priorités

● Solution: héritage de priorité (pour info):

– Héritage par verrou le plus haut

– Héritage par plafond de priorité

● Inclusion de processus apériodiques :– Un processus périodique assimilé à un serveur est

intégré dans le système.

– Il contrôle les tâches apériodiques

– Ce serveur possède :● Une priorité Pm (à définir)● Un coût Cm dans le pire des cas définit en fonction du

profil d'arrivée des tâches apériodiques● Une période Tm

● Fonctionnement en 2 phases:– Scrutation des évenements périodiques à utiliser

– Déclenchement de l'exécution s'il y a au moins un événement en attente d'être traité. Dans ce cas, la capacité de traitement Cm est offerte.

● Donne un profil périodique à des événement apériodiques

● Peut être intégré dans RM, DM, etc...

● Résumé : analyse RM– Affectation des priorités statique

– Optimal : si un algorihtme statique arrive a produire un ordonnancement, alors RM y arrive aussi

– Peut être augmenté pour prendre en compte:● Les situations de blocage● Les tâches apériodiques

– Simple

– Ne pas oublier de vérifier le cas harmonique

● Résumé : analyse DM– Idem RM

● Résumé : ordonnancement HPF– Simple

– Bien adapté aux tâches périodiques et apériodiques

– Très utilisé

– Indépendance impérative

– Sous optimal

● Résumé : ordonnancement EDF– Simple

– Optimise l'usage des ressource

– Bien adapté aux tâches périodiques et apériodiques

– Indépendance impérative

– Comportement délicat en cas de surcharge

– Commence à apparaître dans les nouveux OS

● Résumé : ordonnancement LLF– Priorités dynamiques

– Même hypothèses que EDF

– Optimal sur 1 cpu

– Meileur qu'EDF en multiprocesseur

– Difficile à implanter: nécéssité de maintenir à jour le temps de calcul consommé pour chaque tâche

● Résumé général:● Faire le test: RM ou DM● Tester les différentes politique d'ordonacement:

– HPF vs EDF vs LLF

● Conclure sur la politique la moins coûteuse :– La plus simple: le moins de calculs dynamiques

– Le moins de préemption

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