Introduction à l’informatique temps réel

1. Introduction à l’informatique temps réel Shebli AnvarDapnia - CEA Saclay Jean-Philippe BabauDépartement Informatique - INSA Lyon Pierre-Yves DuvalCPPM - IN2P3 – CNRS

2. Types de systèmes informatiques • Systèmes transformationnels (calcul scientifique, SGBD) • les données sont disponibles au lancement • les instants de production des résultats ne sont pas contraints • Systèmes interactifs (systèmes transactionnels ou outils bureautiques) • les résultats dépendent de données produites par l’environnement • les instants de production respectent des valeurs statistiques • Systèmes réactifs ou temps réel • résultats entièrement conditionnés par l’environnement connecté • les instants de production dépendent de la dynamique du procédé Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

3. Définition(Groupe CNRS sur la problématique temps réel 1988) • Le comportement d’un système informatique est qualifié de temps réel lorsqu’il est assujetti à l’évolutiond’un procédé qui lui est connecté et qu’il doit piloter ou suivre en réagissant à tous ses changements d’état. Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

4. Propriétés • Fortes interaction avec le procédé • IHM inexistant, limité ou particulier • Contraintes temporelles • période de scrutation, délais • Contraintes de coût, d’espace, de consommation • matériel • taille mémoire • Prédictibilité • temps / espace • Fiabilité / sûreté • image de marque • sécurité • inaccessibilité Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

5. Validité d’un programme TR • Outre la correction algorithmique le temps intervient dans la validité du programme: • le temps de réaction doit être adapté aux événements externes • Le programme doit pouvoir fonctionner en continu en maintenant sa capacité à traiter le flux de données d’entrée • Faute temporelle  faute algorithmiqueexemple: flux audio • Au sens strict, « valider » un système temps réel c’est démontrer rigoureusement que le système a le comportement spécifié (preuve de programme) • Impossible avec les langages habituels Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

6. Bogues célèbres • Mission Vénus • passage à 500 000 km ( prévu : 5000 ) • remplacement d’une virgule par un point • Avion F16 • déclaré « sur le dos » à l’équateur • erreur de signe • Métro de San-Francisco • train fantôme • Lancement 1ère navette américaine • faux départ • erreur de synchronisation entre les deux ordinateurs • 1er lancement Ariane V • explosion en vol • problème de communication, pas de test d'intégration • Sonde Mars Pathfinder • blocage • mauvaise politique d ’ordonnancement • Sonde Mars Spirit • blocage par reboots intempestifs • débogage invasif non inclus dans la spécification Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

7. Systèmes dédiés • L’architecture matérielle et logicielle est une composante essentielle du système • L’architecture est adaptée aux besoins spécifiques de l’application sur critères de: • Fiabilité / robustesse • Prédictibilité • Taille • Consommation • Coût • Dimensionnement particulier du système • Compromis matériels et logiciels • Système d’exploitation par composants Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

8. Systèmes complexes • Hétérogènes • Temps réel / non temps réel • Critiques / non critiques • Communicants • Entités réparties • Parallélismes • Evolutifs • Ajout / suppression / modification pendant la durée de vie • Hot plug • Adaptatifs • Modes d’urgences, modes dégradés • Garanties de QoS  différence avec logiciel conventionnel Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

9. Exemple: régulation / asservissement pour contrôle numérique Entrée de Référence r(t) rk A / D Loi de contrôle calcul uk D / A yk yk, rk sont les valeurs échantillonnées pour k=0,1,2,3 … à la fréquence T fixe qui dépend du procédé et de la loi de contrôle. A / D y(t) u(t) Par exemple, dans un contrôle demoteur d’automobile on échantillonne plus fréquemment l’angle de rotation du vilebrequin toutes les µsec que la température du moteur toutes les 10 sec capteur procédé actionneur Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

10. Exemple: navigation aérienneInterfaces opérateurs sol Capteurs à terre Radars … Calculs d’états Contrôle de l’espace aérien Niveau 2 Données de navigation Calculs d’états Niveau 1 Gestion du vol avions Calculs d’états Régulation du vol Niveau 0 Capteurs embarqués actionneurs Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

11. Exemple: Multimédia • Stockage, transmission & affichage de flux • vidéo, audio, image ou graphique ont des contraintes temporelles fortes • Cas de l’image • Standard vidéo 30 img/s (TVHD 60 img/s), téléconférence 10 à 20 • MPEG-2 débit en compression selon l’application de 1,5 à 35 Mb/s • MPEG-2 est un très gros consommateur de CPU (surtout en compression) • Cas du son • De 16 kb/s (téléphone) à 128 kb/s (qualité CD) • L’oreille est très sensible aux glitchs ou trous de quelques centaines de millisecondes • Dans une diffusion son & image la synchronisation des lèvres impose un décalage de moins de 80 ms entre les flux audio et vidéo Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

12. Multimédia • Les applications multimédia ont donc des spécifications temporelles fortes, particulièrement sur les applications interactives (TV en direct) • Compression & transmission des deux flux doivent respecter des contraintes de: • synchronisation des flux • régularité des flux • délai de bout en bout Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

13. Définitions • Un système est dit embarqué lorsqu’il est intimement lié à un procédé à contrôler • Un système est embarqué est dit enfoui lorsque son fonctionnement interne est peu ou pas du tout accessible • Un système est qualifié de temps réel lorsqu’il est assujetti à des contraintes temporelles explicites • Un système est dit concurrent lorsqu’il est composé de modules pouvant s’exécuter en parallèle • Un système est dit critique lorsque son cahier des charges n’autorise aucune défaillance Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

14. Développement de systèmes TR (1) • Spécification / modélisation / conception • Encore peu répandu: UML, SDL, ...  approches « maison » • Multitâche (LACATRE, chronogrammes, …) • Approches synchrones (Esterel, Signal) • Codesign (Approches heuristiques, SystemC, …) • Programmation • Systèmes logiciels sans OS • OS temps réel RTOS (VxWorks, LynxOS, …) • OS généralistes (NT, Linux, Java, …) • OS embarqués (RTX, Windows CE, JavaCard, … ) • Langages: ASM, C, C++, Java (technologies objets en expansion) • Encore peu de réutilisation Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005

15. Développement de systèmes TR (2) • Communication • Bus (VME, CompactPCI) • Mémoire partagée, interruptions • Réseaux de terrain (CAN, TTP, FIP) • Réseaux (socket, TCP/IP) • Middleware de communication(Corba TR, ControlHost, Design Patterns) • Vérification / validation • Ordonnancement, logique temporelle • Approches synchrones (Esterel, Signal) Introduction à l'Informatique Temps Réel - S. Anvar, J.-P. Babau, P.-Y. Duval - 2005