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Archive pour April 2012

[PE-Ep5]: OS Temps Réel

Monday 9 April 2012

Parlons “embarqué” [Ep5]: OS Temps Réel

Je quitte un peu les bas fond de l’électronique pour évoquer un sujet nettement plus orienté développement logiciel.

OS Temps Réel Multitâche : Définition

Pour être précis, la définition que j’utilise. Un système temps est un système dont le temps de réaction associé à la moindre action est connu. Un OS Temps Réel (RTOS) est donc un ensemble de routines et de primitives respectant ces conditions. Par exemple le passage d’une tâche à une autre prend toujours le même temps.

Si on étend le concept, la mesure d’une grandeur physique par un capteur est dite “temps réel” quand on sait combien de temps cela prend. Si on attend une valeur au bout de 10s, et que la réponse arrive au bout de 12s, ça ne sert à rien, peu importe le reste (précision, etc.). Cela s’oppose donc à la notion de “temps réel” habituelle du grand public qui tourne plutôt autour de l’immédiateté.

Et le multitâche ?

C’est la possibilité qu’a votre OS de faire plusieurs choses en même temps. Comme vous êtes féru de technologie, vous savez très bien qu’un processeur n’exécute qu’une seul instruction à la fois par cœur (m’emmerdez pas avec votre hyperthreading, c’est pas vraiment le genre de truc qu’on gère dans un microcontrôleur), et on en arrive au fait que votre multitâche est en fait votre µC qui exécute un bout de tâche par-ci et un autre par-là.

Question bonus : un OS ? Genre on peut installer des applis et tout ?

Humm en général non. A part pour les Linux embarqué (et qui ne sont pas forcement temps réel, ucLinux par exemple, mais pas QNX qui lui l’est) qui se comportent comme des Linux, beaucoup d’OS embarqué sont compilés en même temps que le reste de l’application. Cela est évidemment possible car le cœur d’un OS n’est pas “très” compliqué. Une fois les drivers (oui, c’est au développeur de les coder et de les intégrer dans l’OS) et la Dame de Pique enlevés, il ne reste plus que l’ordonnanceur et les objets de l’OS.

Ordonnanceur ?

L’ordonnanceur  (ou scheduler pour les intimes), c’est ce qui fait que votre OS est multitâche. Je disais tout à l’heure que votre µC qui exécute un bout de tâche par-ci et un autre par-là, bon, en vrai votre µC ne fait que ce que le l’ordonnanceur lui demande. Pour bien comprendre comment ça marche, intéressons nous d’abord aux tâches, qu’on va bien nettoyer.

Une tâche est une routine qui s’exécute en boucle et qui peut avoir 3 états fondamentaux :

  • En cours (Running)
  • En attente (Waiting)
  • Prête (Ready)

On peut y rajouter d’autres attributs en fonction de l’OS comme par exemple un numéro de priorité, nécessaire pour beaucoup de système, mais pas obligatoire. L’idée de base, c’est que lorsque votre CPU exécute la tâche, elle est “Running”, quand elle va attendre un évènement elle va se mettre en “Waiting” sur cet évènement, quand l’évènement arrivera elle passera en “Ready”. Ensuite quand votre  ordonnanceur se posera la question fondamental “Quelle tâche vais-je donc exécuter maintenant ?” il verra votre tâche qui est “Ready”, un peu comme quand vous vous hâtiez de lever la main pour répondre à la maitresse.

Mais si j’ai trois tâches (soyons fou, A, B et C), et que 2 ou plus sont Ready en même temps, mon  ordonnanceur fait quoi ? Et bien ça dépend de l’OS. Premier cas, votre OS gère ce que l’on appelle le Round Robin, et dans ce cas il se débrouillera pour attribuer le même temps CPU à chaque tâche. Deuxième cas, votre OS ne gère pas le Round Robin et dans ce cas c’est le concept de priorité de la tâche qui entre en jeu.

Vous êtes probablement familier avec le concept de niveau de priorité parce que vous avez remarqué que, dans le gestionnaire de tâche de Windows, vous pouviez changer la priorité d’une tâche. J’ai jamais réellement su si ça pouvait avoir un effet bénéfique ou bien si cette option a été créé juste pour rendre instable le PC des téméraires les plus curieux. Mais je m’égares. Certain OS simplifie la gestion des priorités en interdisant que 2 tâches aient le même niveau de priorité. Lorsque c’est le cas, à la question “3 tâches sont Ready, laquelle passe en Running ?” la réponse est “celle du plus haut niveau de priorité”. Au passage j’élude vite fait les niveaux de priorité identiques : dans ce cas l’OS fait du Round Robin et attribut le même temps CPU aux tâches de même priorités.

Vous l’avez compris, on ne peut avoir qu’une seule tâche en Running. Quand les trois sont Ready, on exécute (la pauvre!) celle de plus haut niveau de priorité. Et quand les trois sont Waiting on … ben on fait quoi ? Et bien on se touche la bite ! On utilise une tâche système qui s’appelle la tâche “Idle”. Un microcontrôleur de base ne peut pas “s’arrêter de tourner”, il faut donc lui filer du grain à moudre même si c’est pour lui dire de tourner en rond (astuce belge, le mettre dans une pièce ronde et lui dire de chercher une frite qui se trouve dans un coin). La tâche Idle c’est du vent, une boucle infinie vide. Travaux pratique : faites Ctrl+Shift+Echap et trier par “CPU” dans la liste des process. Et le grand gagnant est… Processus Inactif du Système ! La tâche Idle de Windows, celle qu’exécute l’OS quand il n’y a rien à faire.

Au final, pourquoi un OS dans l’embarqué ?

Ça, c’est la vrai question. Première réponse : surement pas pour accélérer votre code. En effet, passer d’une tâche à l’autre à un coup en terme de RAM et en terme de temps CPU. Si votre appli est ultra optimisée complètement rédigée en assembleur avec un taux d’occupation CPU de 100%, ne rêvez pas, un OS ne vous créera que des ralentissements.

En revanche il est possible que votre appli fasse plein de petites choses différentes, ai besoin d’une communication vers l’extérieur, fasse un contrôle de process dont le temps de réaction est de l’ordre de la milliseconde, tout en contrôlant des variables provenant de capteurs divers, affiche des données statistiques sur un petit écran LCD, etc. Là, un OS peut être utile. En organisant les différentes fonctions de votre applications en différentes tâches, vous posez dissocier les process internes. En choisissant judicieusement vos niveaux de priorité par la suite, vous aurez votre OS qui gérera tranquillement ce que vous lui avez demander sans avoir à vous tapez une grosse machine d’état pour savoir comment organiser votre communication par rapport à votre acquisition de température. Virtuellement les deux se font en même temps.

Et il n’y a pas que l’organisation en tâche qui rend un OS pratique. Il y aussi tout les objets systèmes que votre OS pourra vous proposer. Je n’ai pas abordé le sujet des timer OS, des sémaphores et des boites à lettre, mais ces objets de synchronisation permettent à vos tâches de communiquer entre elles, tout en mettant en place des systèmes sécurisés prêts à emploi.

En attendant un article complémentaire sur quelques mécanismes internes, les objets systèmes et un lave-linge, si le sujet intéresse il y a toujours plein de doc sur les Internettes.