Linux et le temps réel - Meetup du 15 octobre 2015

Linux et le Temps réel - 15 Octobre 2015 1

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Linux et le Temps réelLinux et le Temps réelPartie 1Partie 1

C. CharreyreC. [email protected]@ciose.fr

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CIO en quelques mots

Société d'ingénierie en systèmes embarqués : électronique et logiciel

Au service de nos clients depuis 1990

15 spécialistes en embarqué et temps réel

Expert en Linux embarqué depuis 2000, OpenEmbedded et Yocto depuis 2008

CA annuel : 1 500 000 €

Siège à Saint-Étienne

Agence à Marseille

Agréé CIR


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C. Charreyre en quelques mots

Associé au sein de CIO

Responsable des technologies Linux embarqué

Formateur Linux embarqué (avec Captronic et en direct)

30 ans dans l'embarqué et le monde Unix / Linux

Fervent promoteur du logiciel libre

Membre de Medinsoft – Commission Logiciel Libre


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Caractéristiques d’unsystème Temps Réel

Principales caractéristiques attendues :Délai de réponse à une IT borné et connuPossibilité d’activer une tâche de manière périodique avec un jitter bornéScheduling basé sur un niveau de priorité fixeGestion fine du temps


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Caractéristiques de Linux

Linux est un OS de la classe généraliste (comme Windows)

Le but principal de l’OS est d’affecter le processeur à tous les process sur une durée moyenne :

Le scheduler privilégie l’avancée de tous les process au détriment du déterminismeTous les process obtiennent le processeur au bout d’un certain tempsIl existe une priorité « temps réel » (sched_setscheduler() avec SCHED_FIFO ou SCHED_RR)

En pratique, elle ne permet pas d’obtenir des performances de temps réel dur


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Le scheduler de Linux

Source : Programmation Système en C sous Linux – Christophe Blaess


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États d'un processus

Un processus en sommeil attend une ressource ou un événement extérieur

C'est le kernel qui place le processus en sommeil

ex: écriture sur un device lent, le driver met le processus en sommeil puis le rend de nouveau éligible

Deux types de mises en sommeil : interruptible : réveil sur l'arrivée d'un signal

ininterruptible : réveil seulement sur l'arrivée d'une interruption au niveau du kernel (cf ex. ci dessus)

Transitions entre les états Running et Stopped liées aux signaux SIGSTOP et SIGCONT


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Fonctionnementmulti tâches - Priorité

Le noyau doit assurer la répartition du processeur entre les différents processus

Les transitions entre états s'effectuent sous le contrôle du noyau

Lorsqu'un processus s'endort, le noyau réattribue immédiatement le processeur à un autre processus en attente

Cependant, cela ne suffit pas pour assurer une bonne répartition du processeur

Le noyau préempte un processus actif pour réattribuer le processeur sur la base des critères d'ordonnancement

Linux est un système multi tâches préemptif


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Fonctionnementmulti tâches - Priorité

Un processus préempté passe à l'état Ready

De même un processus à l'état Sleeping qui se réveille passe par l'état Ready, et éventuellement après à l'état Running

Pour élire un processus, Linux se base sur 2 priorités :

valeur statique affectée au processus au démarrage (peut être partiellement modifiée par appel système)

valeur dynamique remise à jour à chaque scheduling du processus, fonction de la priorité statique et autres facteurs

plus le processus utilise le temps CPU imparti, plus sa priorité dynamique baisse et vice versa

plus un processus a une priorité dynamique élevée, plus le processus obtient une tranche de temps longue

mécanisme destiné à établir un temps partagé entre les processus, et à assurer une avancée de tous (classe d'OS généraliste type Windows...)


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Mécanismes d'ordonnancement

3 types d'ordonnancement possibles, définis au niveau du processus :

FIFO

Round Robbin

Other

Ordonnancement FIFO :Principe de file attente

Une liste de processus par priorité statique

Le 1er processus de la file de + haute priorité s'exécute jusqu'à ce qu'il relâche le processeur

Il est alors repoussé en fin de liste

Si aucun autre processus prêt à cette priorité, passage aux priorités moindres


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Ordonnancement FIFO (suite) :Dès qu'un processus de priorité supérieure est de nouveau prêt, attribution immédiate du processeur

Type d'ordonnancement le plus égoïste car un processus de plus forte priorité peut mobiliser le processeur en permanence


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Ordonnancement Round Robbin :Variante de l'ordonnancement FIFO

Au sein d'un niveau de priorité, chaque processus dispose d'une tranche de temps fixe.

A la fin de celle-ci, il est interrompu, mis dans l'état Prêt, et repoussé à la fin de la liste de ce niveau de priorité

Ceci introduit une notion de partage du temps au sein d'un niveau de priorité

Ordonnancement OtherOrdonnancement par défaut de Linux

Calcul d'une priorité dynamique en fonction de la priorité statique et de la consommation du processeur

Influe sur quantum de temps attribué


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Caractéristiques de Linux

Jusqu'en 2.4, le kernel ne peut être préempté : pas de scheduling durant la durée d’un system callEn 2.6, préemption = option de configuration

Le kernel présente des sections non interruptibles même en mode préemptible (handler d'IT + spinlocks)

Jusqu'en 2.4, la durée de sélection du process élu lors du scheduling se dégrade avec le nombre de process

Process AProcess AUserUser

System CallSystem Call

Process AProcess AKernelKernel

Spinlock : Masquage ITSpinlock : Masquage IT(Section critique)(Section critique)

IRQIRQ

IRQIRQHandlerHandler

Process AProcess AKernelKernel

FinFinSystem CallSystem Call

SchedulerScheduler Process BProcess BUserUser

Wake upWake upprocess Bprocess B


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Solutions vers le Temps Réel

Optimisation du code système :Réduction des sections critiques dans le code kernelIntroduction de points de rescheduling dans les systems calls

Création de patches du kernel

Utilisation d’une extension temps réel


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Kernel Preemptive patch – Linux 2.4

Kernel preemptive patch : – http://kpreempt.sourceforge.net

Solution MontaVista (commerciale)

Ce patch traite la non préemptabilité du kernel standard

Le patch ne peut rien contre les spinlocks de longue durée présents dans le code kernel (protection des sections critiques)

http://kpreempt.sourceforge.net/


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Benchmark du preemptive patch

Résultats du benchmark Audio latency(http://www.gardena.net/benno/linux/audio/) avec et sans patch preemptive kernel

while(1){ time1=my_gettime(); waste 80% of the CPU of the duration of one audio

fragment (noop loop) time2=my_gettime(); write(audio_fd,playbuffer,fragmentsize); time3=my_gettime();}

http://www.gardena.net/benno/linux/audio/


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Benchmark du preemptive patch

Graphiques pour le cas de test ‘Write disk stress’ :

Mesures de latence de traitement d’échantillons audio sous diverses conditions de stressWrite disk stress consiste à copier un très gros fichier sur le disque durLigne jaune = durée d’un échantillon audioLigne blanche = durée de traitement mesurée = time3 – time1Ligne verte = simulation de traitement calée sur 80% de la durée de l’échantillon = time2 – time1


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Benchmark sur Kernel 2.4.6 natif


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Benchmark sur Kernel 2.4.6 + patch preemptive


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Real Time Scheduler patch – Linux 2.4

Real Time scheduler patchhttp://rtsched.sourceforge.net/ ou

Solution MontaVista (commerciale)

Ces solutions créent un scheduler temps réel efficace au dessus du scheduler Linux.

Le scheduler TR traite les priorités SCHED_RR et SCHED_FIFO et passe la main au scheduler Linux pour les autres cas.

Ce patche traite la dégradation du temps de sélection du process élu du kernel standard (algorithme en O(n))

Ne sert plus sur un kernel 2.6.x qui a un algorithme en O(1)

http://rtsched.sourceforge.net/


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CONFIG_PREEMPT_RT Patch

Patches précédent dédiées aux vieux kernels (2.4)

Actuellement : linux-rt (CONFIG_PREEMPT_RT patch)

Patch qui est géré dans la branche linux-rt de Ingo Molnar

Applicable sur kernels 2.6.x et 3.x

Suit les versions de kernel vanilla

Rend le kernel presque entièrement préemptible, y compris pour les spinlocks et les handlers d'IRQ

Remplace les spinlocks par des mutexes avec héritage de priorité

Les IRQ handlers deviennent des threads kernel

Voir https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page

https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page


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CONFIG_PREEMPT_RT Patch

Des inquiétudes sur la soutenabilité (développeurs + funding) jusqu'à Q3 2015

Annonce début Octobre de la création d'un projet RTL (Real Time Linux) sous l'égide de Linux Foundation, basé sur ce patch

Objectif ultime : merge du patch dans le kernel upstream ?


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Extensions temps réel

Idée : disposer d’un RTOS en dessous du kernel Linux

Linux tourne comme tâche idle du RTOS

Nécessité de partager le développement entre éléments Real Time et éléments Linux

Des IPC pour échanger entre composants RT et composants Linux


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Extensions temps réel

Les principales solutions :RTLinux divisé en 2 produits

RTLinux Free qui relève de la licence GPL et de la licence Open RTLinux Patent License. Ne semble plus téléchargeable.RTLinux Pro qui relève d’une licence commerciale (Wind River)

RTAI et plus récemment Xenomai qui relèvent de la licence GPL

RTAI développé par Institut Polytechnique de Milan https://www.rtai.org/Xenomai (http://www.xenomai.org/) implémente des skins des RTOS traditionnels

https://www.rtai.org/

http://www.xenomai.org/


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Principe de fonctionnement

Application d’un patch sur le kernel pour permettre l'utilisation de l'extension temps réel.

RTOS additionnel sous forme de Kernel Module(s)

Développement de tâches du RTOS sous forme de kernel modules ou de process Linux (LXRT / Xenomai)

Le scheduler Linux ne gère pas les tâches temps réel et ne fonctionne que lorsque le RTOS lui laisse le processeur

Software

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