Systèmes temps réel – Concepts de base

Systèmes temps réel – Concepts de baseRichard Grisel – Professeur des UniversitésUniversité de Rouen1

Systèmes temps réel - Choix• Gestion des ressources– Ordonnancement (“Scheduling”), Tolérance aux fautes(“Fault-tolerance”), Accès et partage des ressources,Communication.• Architectures– Système (sous-système) de calcul, Système (sous-systèmede communication, I/O.• Logiciels– Cahier des charges, spécifications,vérification, langagestemps réel, bases de données temps réel.2

Plan général• Introduction: Tâches temps réel, Propriétés, problèmes deconception.• Système monoprocesseur : Ordonnancement des tâches,protocole de contrôle des ressources, gestion des“surcharges”, gestion du contrôle des tâches.• Système Multiprocesseur : Ordonnancement des tâches,tolérance aux fautes, gestion des ressources.• Système distribué : Ordonnancement des tâches locales etordonnancement global.• Système d’exploitation temps réel (RTOS): Etude de cas,exemple d’un RTOS3

Notion de “prédictabilit锕 Le dénominateur commun aux systèmes temps réel est laprédictabilité :– Le comportement du système doit être prédictif(déterministe), ce qui veut dire que en fonction decertaines contraintes et suppositions concernant lacharge et les défauts, il doit être possible à laconception de définir toutes lecs contraintestemporelles du système.• Pour les systèmes statiques, 100% peut être prévu à la conception..•• Pour les systèmes dynamiques, 100% ne peut pâs être connu dans lamesure où les caractéristiques des tâches ne sont pas connues a-priori.• Pour les systèmes dynamiques, la prédictabilité signifie qu’une foisune tâche admise dans le système, son succès ne doit jamais être misen cause aussi longtemps que les paramètres (et hypothèses) ayantconduit à son admission restent vrais.4

Problèmes de (mauvaise) compréhension généraux• Le calcul “temps réel” est équivalent au calculrapide.• La programmation “temps-réel” concerne le langageassembleur, la programmation d ela priorité desinterruptions, et l’écriture des “drivers”.• Les systèmes “temps-réel” opèrent dans unenvironnement statique.• Les problèmes liés aux systèmes temps réel sontdéjà résolus dans les autres domaines des sciencesinformatiques.5

Le paradigme de l’ordonnancement temps réel• Allouer des intervalles de temps pour les tâches sur le(s)processeur(s).• [i.e., Où et quand une tâche doit-elle s’exécuter?]• Objectifs: prévoir les “deadlines” que vont renconter les tâches.• (tests d’ordonnancement, construction de l’ordonnancement)6

Ordonnancement Préemptif ou Non-préemptif• Ordonnancement Préemptif– L’exécution d’une tâche peut être interrompue(préemptée) et reprise plus tard.– La préemption concerne une tâche de plus haute priorité.– Offre une plus grande souplesse d’ordonnancement.– Implique une gestion des ordonnancements par rapport auchangement de contexte.• Ordonnancement Non-Préemptif– Une fois qu’une tâche est démarrée, elle se termine.– Offre moins de souplesse.– Moins de problème de gestion des ordonnancements carmoins de changement de contexte.7

Ordonnancement optimal -- définition• Un algorithme d’ordonnancement statique est optimal si, pourchaque ensemble de tâches, il produit toujours un résultat quisatisfait aux contraintes des tâches (ordonnancementréalisable) alors que tout autre algorithme puisse le faire.• Un algorithme d’ordonnancement dynamique est dit optimal siil produit un ordonnancement réalisable quand un algorithmestatique avec connaissance a-priori de toutes les tâchespossibles peut le faire aussi.8

Autres problèmes• Partage et ré-affectation des ressources– Se réfère aux problèmes d’utilisation des ressources libérées parune tâche.• Tolérance aux fautes– La définition informelle concerne la capacité d’un système àfournir le service prévu même en présence de fautes.• Communication– Toute forme de communication qui implique des contraintestemporelles.9

Problèmes d’architecture• Prédiction pour : Temps d’exécution des instructions, Accès mémoire,Changement de contexte, Gestion des interruptions.• Les systèmes temps réel évitent généralement les cahces et lesarchitectures super-scalaires.• Support pour les circuits de gestion des erreurs,• Support pour des communications rapides et fiables• Support pour les algorithmes d’ordonnancement (préemption rapide,queues pour les priorités).• Support pour les RTOS (contextes multiples, gestion de la mémoire,gestion des interruptions, synchronisation des horloges).• Support pour les caractéristiques des langages RT (estimation duplus mauvais temps d’exécution pour une tâche).10

Caractéristiques, Spécification, Vérification• Caractéristiques fonctionnelles: Fonctions du système et seseffets.• Caractéristiques non-fonctionnelles : par ex., contraintes de temps.• CF & CNF doivent être précisément définies et utilisées pourconstruire les spécifications du système.• Une spécification est un critère mathématique des propriétésdéveloppées par un système. Elle est de telle sorte que :– Elle peut être testée pour sa conformité par rapport auxcaractéristiques.– Ses propriétés peuvent être examinées indépendament de la manièredon’t elle est implémentée.• L’approche classique de spécification du comportement d’un systèmeinformatique consiste en l’énumération des évènements ou actionsauxquels le système participe et en la description de l’ordre danslequel ces évènements peuvent arriver. Il n’est pas trivial d’étendrece genre d’approche aux systèmes temps réel.11

Langages pour le temps réel• Support pour la gestion du temps– Des constuctions spécifiques permettent d’exprimer lescontraintes de temps, en prenant en compte (et en pistant)l’utilisation des ressources.• Analyse de l’ordonnancement en terme defaisabilité– Aide au test de l’ordonnancement à la compilation.• Modules logiciels réutilisables– Methodologieorientéeobjet.• Support pour la programmation distribuée et latolérance aux fautes12

Bases de données• La plupart des bases de données systèmes sont sur disque.• Elles utilisent des transactions et des protocoles particuliers.• Ces caractéristiques préservent l’intégrité des données, maisconduisent à des temps de réponse lents et non prévisibles(temps d’accès moyen).• Dans une base de données pour système temps réel, il estimportant de prévoir :– Une gestion des trasactions pour respecter les “deadlines”– Une sémantique explicite pour spécifier les emps et lesdifférentes contraintes.– La possibilité de tester la capacité du système de base dedonnées à respecter les “deadlines” de transaction pendantl’intitialisation de l’application.13

Introduction: Résumé• Les systèmes temps réel nécessitent rigueur (logique) et prise encompte du temps.• Ils sont constitués d’un système de contrôle, d’un système contrôléet d’un environnement.• On peut les classifier en “hard”, “firm”, et “soft”.• Les tâches sont : périodiques ou non périodiques(synchrones/asynchrones).• La notion de “prédictabilité” est très importante.• Il faut se méfier des a-priori (venant des systèmes non temps réel).• Les clés de la conception sont :– ordonnancement, (ré)affectation des ressources, tolérance aux fautes,communication, choix de l’architecture, spécification et vérification dusystème, langages de programmation et bases de données.14