Système d’exploitation pour l’embarqué

1. Chapitre 04 Système d’exploitation pour l’embarqué

2. Système d’exploitation pour l’embarqué • Introduction des systèmes embarqués • Qu’est ce qu’un système embarqué • Caractéristiques principales • Champs d’application • Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué • Les architectures des systèmes d’exploitation • OS Monolithique • OS Multicouches • OS Micronoyau • OS Machine virtuelle • Les normes des systèmes d’exploitation

3. Qu’est ce qu’un système embarqué? • C’est un système électronique et informatique autonome qui est dédié à une tâche particulière et contenue dans un système englobant. Il n’est «généralement» pas programmable. • Pas d’E/S standards • Matériel et application intimement liés • Logiciel enfoui … noyé dans le matériel … pas facilement discernable comme dans un PC.

4. Caractéristiques principales d’un système embarqué • Système principalement numérique • Met généralement en oeuvre un processeur • Exécute une application logicielle dédiée précise (non pas une application scientifique ou grand public) • Il n’a pas réellement de clavier standard et l’affichage est limité • Ce ne sont pas des PC, mais des architectures similaires (x86)

5. Champs d’application • Calculgénéraliste • Similaire aux applications bureau mais embarqué (assistant personnel, téléphone portable, etc.) • Consoles de jeux vidéo, set‐top box • Contrôle de systèmes • Moteur, voiture, avion, processus chimique, nucléaire, navigation, etc. • Traitement du signal • Compression vidéo, radar, flux de données, etc. • Réseaux et communications • Transmission de données, commutation, routage, téléphone, Internet, etc.

6. Systèmeembarquétypique

7. Logiciel/matérielembarqué • Logiciel embarqué: • Programme/application utilisé dans un équipement et complètement intégré dans ce dernier. • Systèmeembarqué: Matériel(s) + logiciel(s) (+ OS). On peuttrouver 2 types de systèmes embarqués: • Systèmes embarqués destinés à l’utilisateur (high‐end): généralement une version dégradée d’un OS existant (ex: Linux). Ex: routeurs, PDA, etc. • Systèmes embarqués profondément enfouis: peu de fonctions, très petite empreinte mémoire: Appareil photo numérique, téléphones portables, etc.

8. Système d’exploitation pour l’embarqué • Introduction des systèmes embarqués • Qu’est ce qu’un système embarqué • Caractéristiques principales • Champs d’application • Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué • Les architectures des systèmes d’exploitation • OS Monolithique • OS Multicouches • OS Micronoyau • OS Machine virtuelle • Les normes des systèmes d’exploitation

9. Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué (1/2) • Les systèmes d’exploitation permettent: • De gérer les ressources matérielles en assurant leurs partages entre les différents utilisateurs. • De présenter une interface homogène et générique(en abstrayant la complexité matérielle) mieux adaptée aux utilisateurs. • Pourquoi un système d’exploitation pour l’embarqué ? • Affranchir le développeur de logiciel embarqué de bien connaître le matériel gain en temps de développement • Les applications doivent avoir un accès aux services de l’OS 􀀅via des APIs (réutilisabilité du code, interopérabilité, portabilité, maintenance aisée) • Possibilité de bénéficier des mêmes avancées technologiques que les applications classiques (TCP/IP, HTTP, etc.) • Environnement de développement plus performant

10. Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué (2/2) • Contrôle de processus sans (ou à faible) contrainte temporelle Systèmes à temps partagé • Garantir le partage équitable du temps et des ressources • Contrôle de processus avec contrainte temps réel Systèmes temps réel (Garantir les temps de réponse) • Systèmes à contraintes souples/molles: systèmes acceptant des variations minimes de temps de réponse (systèmes multimédias) • Systèmes à contraintes dures: gestion stricte du temps pour conserver l’intégrité du système (déterminisme logique et temporel et fiabilité)

11. Qu’est ce que l’Open source? • Libre redistribution: en tant que composant d’une distribution pas de droit d’auteur. • Inclusion du code source: code source doit être accessible sans frais supplémentaires. • Intégrité du code source de l’utilisateur • Pas de discrimination entre les personnes ou les groupes • Pas de discrimination entre les domaines d’applications. • Distribution systématique de la licence • La licence ne doit pas être spécifique à un produit • La licence ne doit pas contaminer d’autres logiciels

12. Système d’exploitation pour l’embarqué • Introduction des systèmes embarqués • Qu’est ce qu’un système embarqué • Caractéristiques principales • Champs d’application • Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué • Les architectures des systèmes d’exploitation • OS Monolithique • OS Multicouches • OS Micronoyau • OS Machine virtuelle • Les normes des systèmes d’exploitation

13. OS Monolithique • Simple/ne consomme pas beaucoup de ressources • Convient aux «petits systèmes» ou quelques portions de systèmes temps réel complexe • OS entièrement en mode privilégié • L’application utilise un appel système pour accéder aux services de l’OS procédure exécutée • Gestion de l’interruption : optimisée car pas de changement de contexte entier (prioritaire car l’ordonnanceur est désactivé) • Impossible de mettre à jour l’application «à chaud» (remplacement + reboot)

14. OS Monolithique • Structure de base: • Un programme principal qui invoque la procédure du service • Un ensemble de procédures de services qui gèrent les appels système • Un ensemble de procédure utilitaires auxiliaires des précédentes • Vielles version d’UNIX (FreeBSD, SOLARIS), DOS.

15. OS Monolithique (exemple: UNIX)

16. OS Monolithique : Avantages/inconvénients • Avantages • De meilleures performances • Vitedéveloppé … • Dernières versions: chargement dynamique (et donc sélectif) des module • Inconvénients • Extension difficile: Code non modulaire • Trèscomplexe • Code massif • Nid de bugs • Peu fiable (un bug redémarrage) • Premières versions à chargement statique (400 périphériques supportés) 400 périphériques chargés au démarrage !!!!!!!!

17. OS Multicouches • OS organisé en hiérarchie de couches. Chacune construite sur la base des services offerts par la couche inférieure. • Interface et gestion des interruptions similaire à celle des systèmes monolithiques. • Meilleure structure et modularité maintenance plus aisée. • Configuration plus fine (modularité) meilleure utilisation de la mémoire + performance.

18. Structure de l’OSMulticouches • Couche 0: Fournit le service de multiprogrammation. Dans la première couche, c’était un ensemble de processus séquentiels indépendant. • Couche 1: Allocation de mémoire dans la mémoire principale. Au dessus, les processus ignoraient les emplacements mémoire. • Couche 2: Gestion de la communication entre processus et la console opérateur. Dans la couche précédente, chaque processus avait sa propre console opérateur. • Couche 3: Périph d’E/S et mise en mémoire tampon des flots d’E/S. Au dessus, les processus travaillaient sur une couche abstraite. • Couche 4: Contientles programmes utilisateur, les notions de processus, mémoire, console leurs sont abstraites. • Couche 5: Le processus opérateur (control global du système).

19. OS Multicouches: Avantages/inconvénients • Avantages • Facile à étendre (plus structuré) • Modèle simple • Inconvénients • Traverser les différentes couches peut être couteux • La multiplication des couches peut ne pas être nécessaire. • Performances moins bonnes (monolithique)

20. OS Micronoyau • Déplace plusieurs fonctions de l’OS vers des «processus serveur» s’exécutant en mode utilisateur Réduction au maximum de la taille du code privilégié. • Gérer les communications entre applications et serveurs pour: • Renforcer la politique de sécurité • Permettre l’exécution de fonctions système (accès aux registres d’E/S, etc.). • Fiabilité augmentée: si un processus serveur «crash», le système continue à fonctionner et il est possible de relancer ce service sans redémarrer. • Modèle facilement étendu à des systèmes distribués. • Gestion de l’interruption: commutation de tâche  moins efficace que le modèle monolithique.

21. OS Micronoyau • Le noyau gèrent les communications entre clients et serveurs. • Certains services sont impossible à exécuter en mode utilisateur (pilotes de périphériques d’E/S): • Garder certains processus serveur critiques en mode noyau • Garder une partie du mécanisme en mode noyau en laissant le choix des politiques aux serveurs en mode utilisateur.

22. OS Micronoyau • Si le client communique avec le serveur par envoi de message, il lui importe peu que le serveur soit local ou distant, le résultat est le même d’où l’adaptabilité aux systèmes distribués • Exemples: Windows NT, Mach, Chorus, QNX.

23. OS Micronoyau: Avantages/inconvénients • Avantages • Extensibilité • Minimise le code du noyau • Sécurité: Un serveur crash, il sera le seul à redémarrer • Fiabilité: Code plus petit  moins de bugs • Inconvénients • Souvent tenté de rajouter des choses dans le noyau (vu qu’il est petit…) • Mauvaises performances • Requière beaucoup de prudence lors de la conception

24. OS Machine virtuelle • L’OS doit remplir 2 fonctions: • Multi programmation  moniteur de machine virtuelle • Mode privilégié (exécution) • Plusieursprocesseursvirtuels • Services système • Un ou plusieurs OS «invités» qui s’exécutent sur les processeurs virtuels et fournissent les services système. • Le moniteur de machine virtuelle (hyperviseur) intercepte les instructions privilégiées envoyées par l’OS invité, les vérifie (politique de sécurité) et les exécute sur l’OS invité. • Les interruptions sont aussi interceptées par le moniteur de la MV

25. OS Machine virtuelle • 2 types de MV: • MV native • MV invité • Exemple de ce type d’OS: XEN, VMWare, IBM’ VM/370.

26. OS Machine virtuelle: Avantages/inconvénients • Avantages • Permet l’exécution de plusieurs OS sur une seule machine • Permet une bonne portabilité des applications • Une protection complète (code exécute en mode privilégié complètement géré) • Bon environnement de développement (dev système en mode utilisateur…) • Inconvénients • Gros problème de performances (plusieurs couches) • Manque de flexibilité

27. Système d’exploitation pour l’embarqué • Introduction des systèmes embarqués • Qu’est ce qu’un système embarqué • Caractéristiques principales • Champs d’application • Role des systèmesd’exploitation pour l’embarqué • Les architectures des systèmes d’exploitation • OS Monolithique • OS Multicouches • OS Micronoyau • OS Machine virtuelle • Les normes des systèmes d’exploitation

28. Les normes des systèmes d’exploitation • POSIX (Portable Operating System Interface): standard pour les appels de fonction (API) pour les OS UNIX‐like. • 4 profils pour le temps réel: • PSE51: profile de système temps réel minimaliste : 1 seul processus POSIX pouvant exécuter plusieurs threads POSIX pouvant utiliser le passage de messages POSIX pour communiquer avec d’autres systèmes • PSE52: profile de système de contrôleur temps réel: PSE51+support pour un système de fichiers + E/S asynchrones • PSE53: profile de système temps réel dédié: PSE51+support multiprocessus(+MMU) • PSE54: profile de système temps réel polyvalent: englobe les autres profils. Il consiste de POSIX.1, POSIX.1b, POSIX.1c, et/ou POSIX.5b