Linux Real-Time Introduzione a POSIX1003.1b

1. E.Mumolo, DEEI mumolo@units.it Linux Real-TimeIntroduzione a POSIX1003.1b

2. Il Sistema Operativo Linux • Numerazione versioni di linux: a.b.c (es. 2.4.16) dove • a  no. versione, • b  kernel stabile (se pari), in sviluppo (se dispari) • c  no. di rilascio del kernel (se pari stabile, se dispari in sviluppo) • Storia del kernel

3. Linux non è in tempo reale Linux è nato come un sistema multiutente per usi generali Sistemi Operativi per usi generali massimizzano il throughput alle spese del tempo d'attesa Sistemi Operativi in tempo reale minimizzano il tempo d'attesa alle spese del throughput In particolare: Le chiamate di sistema di Linux non sono interrompibili → tempi d'attesa non riducibili Linux usa memoria paginata → tempi d'attesa impredicibili Linux usa una schedulazione equa → trattando in modo equanime tutti i processi si penalizzano i processi a alta priorità Linux ordina le richieste di I/O per ottimizzare l'uso dell'I/O → un processo a bassa priorità potrebbe avere precedenza rispetto ad uno a alta priorità

4. Prestazioni di Linux

5. Sistemi in tempo reale Un sistema opera in tempo reale soltanto se fornisce i risultati attesi entro predefiniti limiti temporali Proprietà desiderate: non solo correttezza affidabilità flessibilità portabilità riusabilità ma anche efficienza prevedibilità Attenzione: Tempo reale non significa necessariamente elevata potenza di calcolo!

6. Tipi di processo Real-time con vincoli temporali Hard rt se la relativa deadline deve sempre essere rispettata Periodico con frequenza di esecuzione costante Sporadico in caso contrario Soft se la relativa deadline può essere disattesa in condizioni di temporaneo sovraccarico Periodico con frequenza di esecuzione costante Aperiodico in caso contrario Non real-time senza vincoli temporali

7. Tipologie di schedulazione Off-line se integralmente pianificata a priori On-line se stabilita a tempo di esecuzione in base a parametri attribuiti ai processi in maniera statica dinamica Guaranteed se rispetta i vincoli di esecuzione di ogni processo Best-effort se tende viceversa ad ottimizzare le prestazioni medie dell’insieme di processi Preemptive se l’esecuzione di un processo può essere sospesa Non-preemptive in caso contrario

8. Sistemi embedded e sistemi in tempo reale I sistemi ‘embedded’ (dedicati) sono quelli che fanno parte integrante di un dispositivo Ad esempio: un calcolatore PDA, un telefono cellulare, una segreteria telefonica elettronica, una centralina di controllo di un’automobile sono tutti sistemi che vengono attivati all’accensione del dispositivo di cui fanno parte integrale A seconda dei vincoli temporali richiesti dal dispositivo i sistemi possono essere considerati in tempo reale o meno Una delle caratteristiche più importanti del sistema in tempo reale è il tempo con cui il sistema risponde a eventi interni (segnali o trappole software) o esterni (timer esterni o interrupt hardware).

9. Sistemi embedded e sistemi in tempo reale Una prima misura della risposta del sistema è la latenza, cioè il tempo che intercorre tra l’evento e la prima istruzione della routine di servizio dell’evento Una seconda misura è lo jitter, la variazione del periodo di eventi periodici con periodo costante Per essere in grado di presentare bassa latenza e basso jitter, il sistema operativo deve garantire che il kernel venga interrotto da i processi in tempo reale.

10. Alcuni SO in tempo reale VxWorks (Motorola, Pentium, StrongArm, Arm) Aderisce a POSIX Robotica, controllo di processi, avionica, telecomunicazioni, medicina Prestazioni su Pentium 200: latenza media 1.7 us, latenza massima 6.8 us Windows CE .NET (ARM, StrongArm, XScale, MIPS, Pentium) Non aderisce a POSIX Prestazioni su Pentium 200: latenza media 2.4 us, latenza massima 5.6 us QNX Neutrino RTOS (Pentium, Power PC, ARM, StrongArm, XScale, MIPS, SH-4) Microkernel, aderisce a POSIX Prestazioni su Pentium 200: latenza media 1.6 us, latenza massima 4.1 us pSOSystem 3 Aderisce a POSIX Prestazioni su Pentium 200: latenza media 1.9 us, latenza massima 3.8 us Arx RTOS http://arx.snu.ac.kr/html/overview-arx.en.html AvSys http://www.avocetsystems.com CMX RTOS http://www.cmx.com

11. Progetti Linux Real Time Primo approccio: eliminazione di funzionalità dal kernel Linux standard. Ridurre la complessità e la dimensione del sistema operativo, con particolare attenzione alle sezioni con comportamenti meno deterministici; Es.: uCLinux http://www.uclinux.org Secondo approccio: modifiche al kernel Linux standard. Sostituire lo scheduler standard Linux con un algoritmo più deterministico Aggiungere punti di chiamata dello scheduler in punti “sicuri” dei sorgenti del kernel, per renderlo più reattivo. Es.: Montavista's Hard Hat Linux, KURT; http://www.mvista.com/products/hhl.html;http://www.ittc.ku.edu/kurt/ Terzo approccio: Linux all’interno di un sistema real-time Eseguire Linux come processo a bassa priorità di un minimo kernel real-time. Questo kernel gestisce l’hardware direttamente, offrendo a Linux una simulazione software (macchina virtuale). Es.: RTLinux, RTAI; http://www.rtlinux.org/; http://www.rtai.org/

12. In sintesi: Soluzioni Real Time più popolari Alcuni dei sistemi operativi realtime “generici”: Soluzioni proprietarie: VxWorks QNX RTLinuxPro Soluzioni opensource: RTLinuxFree (solo per kernel 2.4) RTAI RTLinux e RTAI sono soluzioni basate sul kernel di Linux Possono sfruttare tutte le applicazioni e l'ambiente del sistema operativo di partenza.

13. Architettura di RTAI Sviluppato dal Dipartimento di Ing.Aereospaziale, Università di Milano, www.rtai.org Si introduce un nuovo layer tra il kernelLinux e il sistema hardware: RTHAL (Real-Time Hardware AbstractionLayer). Versione estesa di RTHAL: ADEOS (Adaptive Domain Environment for Operating Systems) Racchiude tutti i dati e le funzioni temporalmente critiche del kernel in un’unica struttura Sostituisce le operazioni sulle strutture originali con operazioni su puntatori RTHAL I puntatori RTHAL sono modificabili dinamicamente. Se RTAI non è attivo puntano alle strutture originali di Linux, se RTAI è attivo puntano alle strutture del kernel real-time Linux non ha più il controllo sull’abilitazione / disabilitazionedelle interruzioni.

14. Architettura di RTAI Real Time HAL (RTHAL) non fornisce servizi real-time: ha la sola funzione di intercettare le chiamate al kernelLinux. Le chiamate sono redirette alle strutture puntate da RTHAL. RTAI non attivo  Funzionamento normale di Linux. RTAI attivo  Linux è gestito come un processo a bassa priorità. Quindi RTAI può essere attivato o disattivato a piacere? SÌ…perché RTAI è disponibile come modulo kernel di Linux. Permette di estendere dinamicamente le funzionalità del kernel senza dover essere caricato al boot di sistema.

15. Architettura di RTAI Scopo: realizzare un ambiente flessibile per condividere risorse hardware tra più sistemi operativi o più istanze di uno stesso SO La realizzazione consiste in un microkernel che gestisce la comunicazione con i diversi domini (es. SO) installati La gestione delle interruzioni è implementata con uno schema a pipeline in cui ogni stadio rappresenta un dominio Ogni interruzione è propagata alla pipeline, ogni stadio può: Accettare l’interrupt, gestirlo, scegliere se propagarlo o terminarlo Ignorare l’interrupt, non accettarlo immediatamente ma gestirlo al momento opportuno, scegliere se propagarlo o terminarlo Scartare l’interrupte propagarlo Terminare l’interrupts enza propagarlo ulteriormente

16. Architettura di RTAI

17. RTAI: scheduling Ogni possibile configurazione dello scheduler è adatta ad una specifica combinazione di hardware e requisiti delle applicazioni RTAI permette una gestione full-preemptable dei processi, in funzione delle loro priorità. Funzione del numero di processori presenti Scelta della modalitàdi funzionamento dello Scheduler Scelta della politica di scheduling Configurazione dello scheduler

18. RTAI: scheduling Uniprocessor Scheduler(UP): Utilizzabile nei sistemi monoprocessore Symmetric Multiprocessor Scheduler (SMP): In un sistema multiprocessore permette una distribuzione di carico simmetrica. Ogni processo di default può essere assegnato a qualsiasi processore; per ottimizzare l’esecuzione è possibile imporre l’esecuzione di un processo su una CPU o su un insieme ristretto di CPU Multi Uniprocessor Scheduler(MUP) In un sistema multiprocessore impone ad ogni processo l’esecuzione su una CPU stabilita al momento della sua creazione. Meno flessibile ma più efficiente di SMP La scelta dello scheduler in funzione dell’hardware in uso impatta su quale modulo kernel viene caricato con RTAI.

19. RTAI: scheduling Periodic mode: Esegue lo scheduler periodicamente : il timer viene settato una sola volta all’inizio dell’esecuzione Il periodo dei processi deve essere multiplo esatto del periodo dello scheduler, in caso contrario il periodo dei processi viene approssimato al multiplo del periodo dello scheduler più vicino (introduce jitter di attivazione) One-shot mode Lo scheduler viene eseguito in maniera non periodica. Il timer deve essere settato ogni volta in base al processo prioritario Permette una gestione più flessibile delle temporizzazioni di tutti i processi a costo di un maggiore overhead dovuto alla necessità di riprogrammare il timer al termine di ogni periodo Occorre scegliere la temporizzazione con cui lo scheduler viene eseguito.

20. RTAI: politiche di scheduling FIFO Il processo attivo a priorità più alta ottiene il controllo della CPU fino a quando la rilascia volontariamente oppure diventa attivo un processo a prioritàmaggiore Round-Robin (RR) Il processo attivo a priorità più alta ottiene il controllo della CPU per un determinato intervallo di tempo, al termine del quale il controllo passa ad un altro processo allo stesso livello di priorità(se presente). Un processo può subire preemption da parte di un processo a prioritàmaggiore RTAI integra primitive che associate alla politica FIFO permettono una semplice implementazione degli algoritmi di scheduling Rate Monotonic - Priority Ordered – Earliest Deadline First.

21. RTAI: politiche di IPC Real-time fifos Meccanismo di base per scambiare dati in modo asincrono tra processi real-time e processi Linuxnon real-time Shared Memory Condivide aree di memoria tra processi RT e processi Linux Messages Possibilitàdi inviare messaggi sia in maniera asincrona che sincrona (RPC) tra processi RT Mailboxes Permettono di inviare/ricevere messaggi di qualsiasi dimensione, ordinati per prioritào per istante di arrivo, tra processi RT e processi Linux Semaphores Permettono di sincronizzare i processi nell’accesso a risorse condivise evitando inversioni di priorità incontrollate

22. Moduli RTAI RTAI presenta un certo numero di moduli: rtai_hal intercetta gli interrupt rtai_sched gestione dei task: schedulazione, messaggi, semafori,...IPC rtai_fifos FIFO rtai_shm memoria condivisa rtai_lxrt task in tempo reale nello spazio utente: LXRT permette di sviluppare processi real time usando le API RTAI da spazio utente rtai_pthread Thread Posix Questi moduli devono essere inseriti a seconda delle esigenze insmod rtai_hal insmod rtai_sched ...

23. Altra vista della architettura RT FIFO Processi Linux Processi Linux RT task RT task Kernel Linux Real time kernel (RTHAL/ADEOS

24. Programmazione in RTAI Struttura: utilizza 3 parti principali scritte dall’utente Funzione che inizializza il sistema, definisce le caratteristiche dei vari task e IPC Definizione della funzione real time Funzione che rilascia le risorse

25. Programmazione in RTAI Esempio della funzione di inizializzazione int init_module(void) { RTIME tick_period, now; //crea la fifo rtf_create(0, 1000*sizeof(struct msg_t)); //inizializza la struttura rt // rt_task_init( , , , stacksize, priorità, uso fpu, signal function) rt_task_init(&hiprio_task, task_body, ‘F’, 2000, 0, 0, 0); //start rt_timer rt_set_oneshot_mode(); tick_period = start_rt_timer(nano2count(TIMERTICKS)); //start the rt-task now = rt_get_time(); rt_task_make_periodic(&hiprio_task, now+tick_period, 12*tick_period); return 0; }

26. Programmazione in RTAI Definizione di un task (thread in tempo reale): int rt_task_init(RT_TASK *task, void(*rt_thread)(int), int data, int stack_size, int priority, int uso_fpu, void(*signal)(void)); Attenzione: definisce il task, non l’esegue! Il task si trova nello stato SUSPENDED Argomenti della funzione: Primo argomento: descrittore del task Secondo argomento: entry point della funzione Terzo argomento: un intero passato dal genitore al thread Quarto argomento: dimensione dello stack Quinto argomento: priorità (RT_LOWEST_PRIORITY – 0) Sesto argomento: flag per l’uso della fpu Settimo argomento: funzione per gestire il segnale inviato quando il thread diventa corrente

27. Programmazione in RTAI Attivazione di un task (messa in esecuzione): due modalità Mediante la definizione di task periodico int rt_task_make_periodic(RT_TASK *task, RTIME start_time, RTIME period); Mediante la messa in stato di pronto int rt_task_resume(RT_TASK *task); L’istante di esecuzione è dato con start_time (valore assoluto misurato in clock ticks) start_delay (valore relativo al tempo corrente e misurato in nanosecondi)

28. Programmazione in RTAI Gestione della schedulazione: Nel caso di task periodico int rt_task_wait_period(void); sospende l’esecuzione del thread corrente fino al prossimo periodo Nel caso di task aperiodico int rt_task_yield(void); int rt_task_suspend(RT_TASK *task); task_yield ferma il task corrente e lo mette alla fine della coda; lo schedulatore attiva il primo thread alla stessa priorità task_suspend sospende l’esecuzione, che verrà ripresa con resume o con make_periodic

29. Programmazione in RTAI Funzioni di utilità per la schedulazione: void rt_sleep(RTIME delay); void rt_sleep_until(RTIME time); sospendono il thread in esecuzione e lo mettono in stato DELAYED void rt_busy_sleep(int nanosecs); addormenta in thread mandando in loop la CPU per il tempo indicato void rt_sched_lock(void); void rt_sched_unlock(void); blocca/sblocca lo schedulatore pe evitare corse critiche int rt_get_prio(RT_TASK *task); int rt_change_prio(RT_TASK *task, int priority; determina/setta la priorità di base int rt_get_inher_prio(RT_TASK *task); Determina la priorità ereditata a causa dell’accesso a risorse condivise (protocolli priority inheritance)

30. Programmazione in RTAI Altre funzioni di utilità per la schedulazione: int rt_get_task_state(RT_TASK *task); RT_TASK *rt_whoami(void); int rt_task_use_fpu(RT_TASK *task, int use_fpu_flag); int rt_task_delete(RT_TASK *task); rimuove is task dal sistema

31. Programmazione in RTAI Esempio della funzione di rilascio risorse int cleanup_module(void) { //ferma il timer stop_rt_timer(); rt_busy_sleep(10000000); //chiude la fifo rtf_destroy(0); //cancella la struttura rt rt_task_delete(&hiprio_task); }

32. Programmazione in RTAI La gestione del timer Modalità di funzionamento: One-shot: temporizzazioni arbitrarie void rt_set_oneshot_mode(void); I task possono essere eseguiti in istanti qualsiasi Periodic: tutti i tempi del sistema diventano multipli del periodo di base del timer void rt_set_periodic_mode(void); Ogni richiesta non multiplo del periodo viene soddisfatta nel periodo più vicino. È il default. Attivazione/fermo del timer: RTIME start_rt_timer(int period);//se modalità aperiodica il periodo viene ignorato void stop_rt_timer(void);

33. Programmazione in RTAI La gestione del timer Modalità di funzionamento: One-shot: temporizzazioni arbitrarie void rt_set_oneshot_mode(void); I task possono essere eseguiti in istanti qualsiasi Periodic: tutti i tempi del sistema diventano multipli del periodo di base del timer void rt_set_periodic_mode(void); Ogni richiesta non multiplo del periodo viene soddisfatta nel periodo più vicino. È il default. Attivazione/fermo del timer: RTIME start_rt_timer(int period);//se modalità aperiodica il periodo viene ignorato void stop_rt_timer(void);

34. Programmazione in RTAI: IPC RTAI usa sistemi di IPC simili a Linux ma implementati separatamente: rt_fifo: scambio dati tra i thread in tempo reale, tra processi Linux, shared memory, tra thread in tempo reale e processi Linux mailbox semafori RPC

35. Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo Per creare una rt_fifo: int rtf_create(unsigned int fifo, int size); Per dimensionare una rt_fifo: int rtf_resize(int fd, int size); Per aprire una rt_fifo dallo spazio utente si usa open(); Per aprire una rt_fifo dallo spazio kernel si usa: int rtf_open_sized(const char *dev, int perm, int size); Le rt_fifo possono essere associate a dei command handler che vanno in esecuzione ogni volta che un processo nello spazio utente esegue una read() o una write() sulla fifo: int rtf_create_handler(unsigned int minor, int (*handler)(unsigned int fifo)););

36. Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo: esempio d’uso dei command handler int rtf_create_handler(fifo_numver, X_FIFO_HANDLER(x_handler); con, ad esempio, come x_handler: int x_handler(unsigned int fifo, int rw) { if(rw==‘r’){ //quello che bisogna fare in relazione ad una read } else{ //quello che bisogna fare in relazione ad una write } }

37. Programmazione in RTAI: IPC rt_fifo: per evitare bloccaggi indeterminati int rtf_read_all_at_once(int fd, void *buf, int count); int rtf_read_timed(int fd, void *buf, int count, int ms_delay); int rtf_write_timed(int fd, void *buf, int count, int ms_delay); rt_fifo: uso dei semafori int rtf_sem_init(unsigned int fifo, int value); int rtf_sem_wait(unsigned int fifo); //solo dallo spazio utente int rtf_sem_trywait(unsigned int fifo); //solo dallo spazio utente ...

38. Programmazione in RTAI: IPC IPC memoria condivisa (shared memory) Per trasferire dati tra processi e task Naturalmente sono molto veloci Svantaggi: non essendo serializzati necessitano di un protocollo di accesso il bloccaggio tra processi e task non è supportato  bisogna gestire il trasferimento con un metodo non è garantita la mutua esclusione processi/task Non è possibile rilevare letture/scritture interrotte Tipi di shared memory: Mbuff: condivisione procesi/thread (cioè spazio utente/spazio kernel) senza richiedere RTAI Shmem: condivisione procesi/thread (cioè spazio utente/spaziokernel) che dipende profondamente daRTAI

39. Programmazione in RTAI: IPC mbuff: Implementata come device driver: device /dev/mbuff Per accedere alla memoria condivisa dallo spazio utente/kernel: void *mbuff_alloc(unsigned long name, unsigned int size); Per rilasciare la memoria: void mbuf_free(int name, void *mbuf);

40. Programmazione in RTAI: IPC shmem: Implementata come device driver: device /dev/rtai_shm Per accedere dallo spazio utente: void *rtai_malloc(unsigned long name, int size); Per rilasciarla: void rtai_free(int name, void *adr); Per accedere dallo spazio kernel: void *rtai_malloc(unsigned long name, int size); Per rilasciarla: void rtai_free(int name, void *adr);