Systèmes Temps Réel - Chapitre 1

Cours Systèmes Temps Réel - Chapitre 1

• Le cours porte sur l'introduction aux Systèmes Temps Réel (STR).
• Le conférencier est Mariem TURKI.
• Le cours est pour LISI3, année universitaire 2024/2025.

Plan du Cours

• Introduction aux STR
• Domaines d'application des STR
• Contraintes de temps des STR
• Développement d'applications temps réel
• Conclusion

Introduction

• Un système embarqué est un système informatique dont les moyens de calcul sont intégrés au procédé qu'il contrôle.
• Les contraintes des systèmes embarqués incluent:
  • L'encombrement (poids, taille, forme)
  • Ressources limitées
  • Consommation d'énergie (embarquée ou ambiante)
  • Coût

Introduction (suite)

• Généralement, il existe deux modèles de programmation pour les systèmes embarqués :
  • Modèle à boucle infinie (Foreground/Background, Super-loops)
  • Modèle basé sur un système d'exploitation (RTOS)

Introduction (suite) - Modèle à boucle infinie

• Ce modèle est utilisé principalement pour les petits systèmes embarqués à base de microcontrôleurs.
• Il comprend une boucle infinie principale qui exécute des instructions séquentielles et appelle des fonctions.
• Le traitement est basé sur des interruptions de service (ISR) déclenchées par des événements matériels.
• Le temps de réponse dépend du temps d'exécution requis par toutes les tâches de la boucle, le rendant potentiellement non déterministe.

Programmation avec RTOS

• Les systèmes embarqués utilisent souvent les RTOS pour une meilleure gestion des applications.
• Cette approche utilise des couches d'abstraction par dessus le matériel.

La notion de « temps réel »

• Un système est temps réel si l'exactitude d'une application dépend non seulement du résultat correct, mais aussi du moment où ce résultat est produit.
• Cela comprend:
  • Exactitude logique : sorties appropriées par rapport aux entrées.
  • Exactitude temporelle : les sorties au bon moment selon les contraintes temporelles précisées.

La notion de « temps réel » (suite)

• L'échelle de temps varie selon les applications. Cela peut aller de la microseconde (radar) à des mois et années (système de navigation spatiale).

Contraintes temporelles

• La satisfaction de la notion de temps réel requiert le respect des échéances (délais) spécifiques à chaque application.
• Les systèmes temps réel sont catégorisés en fonction de leur tolérance aux échéances:
  • Mou/Lâche
  • Strict/Dur
  • Ferme
  • Multi-critique

Contraintes temporelles - Temps réel strict/dur (Hard Real Time)

• La réponse du système dans le délai est critique, l'absence de réponse est catastrophique.
• Exemples: fonctions critiques dans l'aéronautique, l'automobile, le transport ferroviaire, et les véhicules spatiaux.

Contraintes temporelles - Temps réel ferme (Firm Real Time)

• La réponse du système est essentielle mais des erreurs ponctuelles dans le respect des délais sont tolérées dans une certaine limite.
• Exemples : décodage vidéo, téléphonie.

Contraintes temporelles - Temps réel relatif/mou (Soft Real Time)

• La réponse après le délai est d'importance, mais pas catastrophique. L'importance de la performance est dégradée si les délais sont manqués.
• Exemples: distributeurs automatiques de billets, jeux vidéo.

Contraintes temporelles - Temps réel multi-critiques

• Les sous-systèmes ont des degrés de criticité variables.
• Exemples: contrôle aérien.

Domaines d'application des STR

• Les STR sont présents dans différents systèmes de transport, la robotique de production, les systèmes d'acquisition/surveillance, la domotique, la téléphonie mobile et les objets connectés.

Caractéristiques d'un STR

• Déterminisme : la réponse est connue à l'avance et constante pour les mêmes entrées.
• Prévisibilité : les performances sont définies à l'avance pour respecter les contraintes de temps.
• Fiabilité : capacité du système à exécuter ses fonctions correctement dans des conditions normales d’utilisation et respecter les contraintes temporelles.
• Sécurité de fonctionnement : même les experts peuvent faire des erreurs.

Domaines mis en jeu

• Développement STR : Electronique (processeurs dédiés, FPGA), Automatique (régulation, lois de commande) et Informatique (langages de programmation, systèmes d'exploitation).

Architecture d'un système temps réel

• Couches: Application temps réel, Exécutif temps réel (Ordonnanceur, Gestion des Ressources, primitives de communication) et Matériel.

Systèmes d'exploitation temps réel (OS Temps Réel)

• OS de petite taille conçu pour les applications de contrôle-commande.
• Déterminisme : Exécution avec des contraintes temporelles.
• Les principales fonctions d'un noyau temps réel:
  • Gestion des E/S (entrées/sorties)
  • Ordonnancement des tâches
  • Relations entre les tâches

Systèmes d'exploitation temps réel (suite)

• Les tâches sont les unités actives du système. Le noyau est actif seulement quand requis.
• L'algorithme d'ordonnancement détermine l'activation et gestion des tâches.
• Les priorités des tâches et l'utilisation des ressources sont considérées.
• Le démarrage des modules correspondants suit la décision d'activation.
• La tâche occupe le processeur jusqu'à la fin de son exécution.

Noyaux temps réel vs Noyaux classiques

• Efficacité, respect des délais, prédictibilité sont les avantages des noyaux temps réel comparés aux noyaux classiques.

RTOS (Real-Time Operating System)

• Les noyaux temps réel gèrent les tâches, les communications, et la mémoire.
• Les exécutifs temps réel sont des sur-couches qui offrent des services plus sophistiqués sur la base du noyau, comme la gestion du réseau, des fichiers etc.
• Un système d'exploitation temps réel est une implémentation complète d'un exécutif temps réel avec moyens de communication avec l'utilisateur (interface graphique ou commande).

Marché des RTOS

• Exemples d’exécutifs temps réel: VxWorks, QNX, LynxOS, Chorus, Nucleus RTOS, Windows CE.
• Exemples d’exécutifs libres: MicroC/OS-II, FreeRTOS, RTEMS.
• Exemples d’exécutifs dédiés: TinyOS, NXC.
• Des systèmes d’exploitation comme Linux peuvent être adaptatés/modifiés pour le temps réel.

Ordonnancement dans les Systèmes Temps Réel

• Hors-ligne : un ordonnancement déterministe effectué avant l’exécution (séquence).
• En-ligne : les décisions d'ordonnancement sont prises pendant l’exécution avec des algorithmes préemptifs ou non-préemptifs.

Ordonnancement préemptif/Non préemptif

• Non-préemptif : la tâche courante continue d’exécuter jusqu'à ce qu’elle cede la main.
• Préemptif : le système peut interrompre la tâche en cours pour un réordonnancement.