Systèmes d'exploitation temps réel

Introduction aux Noyaux Temps-réel

• Un noyau temps réel est un logiciel qui gère l'exécution d'applications informatiques dont les temps de réponse doivent être prévisibles et reproductibles.
• Il existe deux types de temps réel :
  • Temps réel "mou" : le non-respect des contraintes temporelles n'est pas catastrophique (ex: multimédia, visioconférence).
  • Temps réel "dur" : le non-respect des contraintes temporelles est inacceptable (ex: aéronautique, spatial).
• Différents noyaux temps réel existent, certains libres/open source (FreeRTOS, eCos), d'autres propriétaires (VxWorks, QNX).
• Les systèmes d'exploitation multitâches (OS) classiques (Windows, Unix, Linux) peuvent être utilisés pour des besoins de temps réel "mou".
• Les OS temps réel sont essentiels dans les systèmes embarqués.

Définitions

• Système d'exploitation (OS) : logiciel de gestion des ressources matérielles d'un ordinateur.
• OS monotâche : exécute séquentiellement les applications.
• OS multitâche : exécute simultanément plusieurs applications via l'alternance rapide de tâches.
• Noyau temps réel (RTOS) : OS optimisés pour des systèmes où la prédictibilité des temps de réponse est critique.

Les OS Multitâche Embarqués

• Caractérisés par des ressources limitées et une gestion d'énergie efficace.
• Exemples: TinyOS, Contiki, Nano-RK, LiteOS, FreeRTOS et autres.

Contraintes Temps Réel

• Une application informatique est temps réel si la durée de traitement des informations a une conséquence sur le fonctionnement attendu.
• Temps réel "mou" : le non-respect des contraintes temporelles n'est pas catastrophique.
• Temps réel "dur" : le non-respect des contraintes temporelles est inacceptable.

Temps Réel et Rapidité

• La notion de temps réel est indépendante de la rapidité.
• La dispersion de la latence est une mesure importante, elle est faible pour les systèmes temps réel "dur" et plus importante pour les systèmes temps réel "mou".
• Les performances réelles sont complexes à prévoir et dépendent de la plateforme et des informations fournies par les constructeurs.

Gestion du Temps dans les Systèmes d'Exploitation (OS)

• Temps partagé : donner aux utilisateurs une impression de confort en s'assurant que toutes les tâches demandées sont exécutées, bien que la gestion des Entrées/Sorties (E/S) puisse entraîner des temps d'attente.
• Temps réel : la durée de traitement des informations a une conséquence sur le bon fonctionnement. Un système temps réel doit traiter l'information en temps opportun.
• Mécanismes pour gérer le temps réel : priorité et préemption.

Exemple d'information Arrivant Régulièrement

• Les systèmes temps réel doivent effectuer l'acquisition et le traitement de l'information plus rapidement que la fréquence de mise à jour.

Exemples d'Applications

• Enregistreurs accélérométriques, gyroscopiques et GPS pour mesurer la dynamique d'un véhicule en mouvement. (Utilisant différents bus de communication).

Quelques Systèmes d'Exploitation Temps Réel

• Une liste de noyaux temps réel libres (open-source) et propriétaires.

Évolution du Logiciel

• L'évolution du logiciel s'est complexifiée pour intégrer de plus en plus de composants et d'applications, rendant la gestion du temps plus critique. Le noyau (kernel) est au cœur du système.

Pourquoi Utiliser un RTOS ?

• Simplicité : pas besoin de gérer les problèmes internes à la base du système.
• Gestion de la RAM et du Flash : utilisation optimisé de la mémoire système.

RTOS vs Bare-Metal

• Concurrence : plusieurs tâches simultanément sur un même microcontrôleur.
• Préemption : une tâche prioritaire peut interrompre une tâche moins prioritaire.
• RAM et Flash : FreeRTOS est compatible avec des petites quantités de RAM et de Flash.
• Synchronisation : mécanismes variés pour éviter les conflits entre tâches.
• Logiciels tiers : support de protocoles de communication.
• Simplicité d'utilisation et certification.

Rappels d'Architecture

• Différents architectures (Von Neumann, Harvard).
• Comment un ordinateur gère les données/instructions (fonctionnement des calculs et du stockage).

Hiérarchie des Mémoires

• Une mémoire hiérarchique pour une grande vitesse de traitement.

Mémoire Cache

• Comment la mémoire cache fonctionne pour améliorer les performances.

Mémoire Cache — Succès / Echec en Lecture / Écriture

• Explication des mécanismes pour la lecture et l'écriture dans la mémoire cache.

Parties du processeur mémoire

• Explication des registres, ROM/RAM.

Le Multitâche (Problème)

• Nécessité de partager l'unité centrale, la mémoire RAM et un timer lors de l'exécution de programmes simultanément.

La Tâche : une unité d'exécution du code

• Explication des composants interne à une tâche (registres, point d'entrée, état, priorité).

Les Tâches

• Explication des états d'une tâche (active, prête, bloquée, suspendue).
• Gestion de la priorité des tâches.

Le Task Control Block (TCB)

• Comprendre le rôle du TCB dans la gestion des tâches.

L'ordonnanceur (Scheduler)

• Gestion des tâches par l'ordonnanceur
• Explication des stratégies de l'ordonnanceur (priorité, temps partagé)
• Les cas ou l'ordonnanceur intervient.

Les contours de FreeRTOS

• Ce que gère et ce que ne gère pas FreeRTOS.
• Détail des éléments gérés / non gérés par le noyau.

Testez vos connaissances sur les systèmes d'exploitation temps réel, leur fonctionnement, et les concepts associés comme le multitâche et la préemption. Ce quiz couvre également des mécanismes essentiels et des stratégies d'ordonnancement qui sont cruciaux pour les applications en temps réel. Prenez le temps de vérifier vos réponses et d'approfondir vos connaissances dans ce domaine technique.