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Systèmes temps réel et systèmes embarqués
Systèmes embarqués
Jacques Gangloff, Loı̈c Cuvillon
Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg
14 février 2012
Jacques Gangloff (ENSPS)
Année scolaire 2007-2008
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Plan
Plan
1
Introduction
Concepts de base
Statistiques / tendances
Exemples d’utilisation
Avantages/Inconvénients de linux
2
Mémoire embarquée
Le stockage non volatile
3
Programmation d’un système embarqué
La compilation croisée
Emulation
4
Examples
Android
NxtOSEK pour Lego Mindstorms
Gumstix
2 / 31
Introduction
Plan
1
Introduction
Concepts de base
2
3
Emulation
4
Examples
Android
Gumstix
3 / 31
Introduction
Définition
Définition
Un système embarqué (Embedded system en anglais) désigne un matériel
électronique comprenant au moins un microprocesseur (ou microcontrôleur)
et un logiciel dédié à sa gestion. Exemples de systèmes embarqués :
téléphone mobile, navigateur GPS, routeur ethernet (Box Adsl), lecteur de
DVD, contrôleur d’injection moteur, télécommande, électroménager, ...
4 / 31
Introduction
Concepts de base
Contraintes
Les systèmes embarqués ont des contraintes spécifiques :
◮
◮
◮
◮
◮
◮
Coût très bas
Encombrement réduit
Robustesse aux chocs, à la température, à l’humidité.
Autonomie donc faible consommation
Bonnes performances
Temps de démarrage court
Caractéristiques
Ces contraintes entraı̂nent des caractéristiques particulières :
◮
◮
◮
◮
◮
Stockage de masse sans entraı̂nement mécanique (robustesse aux chocs,
consommation, temps de démarrage)
Processeurs basse consommation (consommation, dissipation)
Mémoire vive et mémoire de masse de taille limitée (coût, encombrement,
temps de démarrage)
Processeurs avec fonctionnalités minimum (coût, consommation,
encombrement)
Processeurs intégrant plusieurs fonctions (system on chip ou SoC)
5 / 31
Introduction
Types de processeurs
Historique de l’utilisation des processeurs
6 / 31
Introduction
Types de processeurs
Tendances futures d’utilisation des processeurs
7 / 31
Introduction
Utilisation de linux pour l’embarqué
Linux pour l’embarqué comparé à d’autres OS
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Introduction
Début 2012
2012 Q1 : Arm et Android
ARM équipe 92% des systèmes
embarqués (source : Fitzpatrick, J. (2011). ”An
interview with Steve Furber”. Communications of the ACM.)
dont la quasi-totalité des smartphones :
1
2
3
Iphone/Ipad : Apple A5 (SOC avec core
ARM Cortex A9) fondu par Samsung
Samsung Galaxy S : Exynos (SOC avec
core ARM Cortex A9) fondu par Samsung
HTC desire : Snapdragon (SOC avec
CPU ARM Cortex A8) fondu par
Qualcomm
9 / 31
Introduction
Par domaine d’application
PDA / tablettes : Zaurus, Nokia N800, XO, Sony MYLO...
Téléphones : Motorola, NEC, Panasonic, ...
Robotique : nomadic, barrett robotics, HRP
Audio/Vidéo : Lecteur de DVD Dlink, convertisseurs Hauppage, pinnacle
audio athenaeum, caméra wifi TRENDNET
Modems / routeurs Wifi : pratiquement tous
Autres : PlayStation 3, GPS TomTom, FreeBox, caméra intelligente Sony
XCI-SX1
10 / 31
Introduction
Avantages de linux
Gratuit
Multi-plateformes
Sources disponible (nombreux exemples)
Outils de développement performants
Adapté aux processeurs sans MMU
Robuste
Version temps-réel
Inconvénients de linux
Pas de support technique contractuel
Obligation de publier les sources (pas de module binaire dans le noyau)
Pas adapté aux systèmes à taille mémoire très réduite (¡4 Mo)
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Introduction
Références
http://linuxdevices.com/
http://uuu.enseirb.fr/˜kadionik/embedded/embeddedlinux.html
http://free-electrons.com/
http://uuu.enseirb.fr/˜kadionik/formation...
.../embeddedlinux/introduction.html
Linux magazine hors série No 25, Avril/Mai 2006.
http://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory
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Plan
1
Introduction
Concepts de base
2
3
Emulation
4
Examples
Android
Gumstix
13 / 31
2 technologies
Mémoire flash NOR ou NAND.
Piéger des électrons dans la grille d’un transistor MOS. Durée théorique
du piégeage : 10 ans.
NOR : rapide en lecture, lent en écriture, permet XIP.
NAND : lecture par bloc, plus endurant que la NOR (environ 10x plus de
cycles).
Gestion des erreurs : micro-contrôleur embarqué (SD-card,
MemoryStick, CF-cards) ou géré directement par l’OS (jffs2 sous linux).
SD card 2 Go :
2x 1go chips NAND
1 chip controller en bas
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Plan
1
Introduction
Concepts de base
2
3
Emulation
4
Examples
Android
Gumstix
15 / 31
Compilation effectuée sur une machine puissante avec code assembleur
généré pour le CPU du sustème embarqué.
Le code est transmis au système embarqué par une procédure du
”flashage”.
La compilation est rarement réalisée sur le système embarqué lui-même
car il n’inclut pas les outils de développement très consommateurs de
place (200 Mo pour gcc).
L’environnement de compilation croisée s’appelle toolchain.
16 / 31
Emulation
Emulation
Pour accélérer le développement on peut développer le système dans un
émulateur (Qemu, Bochs, VMWare, ...)
On peut brancher un débogueur sur l’émulateur, figer la machine émulé
On peut démarrer plusieurs machines virtuelles sur la même machine
physique
Limitation : le matériel émulé ne se comporte pas tout à fait comme le
matériel réel
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Examples
Plan
1
Introduction
Concepts de base
2
3
Emulation
4
Examples
Android
Gumstix
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Examples
Android
Developpement d’applications sous
Android
Compilation croisée pour ARM et API
Android : Android SDK.
Emulateur Smartphone : basé sur qemu.
Déboguage : avec client ADB (android
debug bridge) sur
-l’émulateur
-un smartphone connecté en USB.
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Examples
OSEK
1 système d’exploitation temps réel
développé dans les années 90 par BMW, Bosch, DaimlerChrysler, Opel,
Siemens, VW, Renault.
pour équiper les ECU (Electronic control Unit) embarqués dans
l’automobile :
-Injection
-Verrouillage porte
-Airbag
-ABS
architecture complète en 3 systèmes :
-le système d’exploitation
-gestion du réseau (bus : CAN,...)
-communication entre ECU
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Examples
OSEK : propriété du système d’exploitation
Noyau (système) statique !
-nombre de tâche, sémaphores définis à la compilation du système
-un fichier en langage OIL définit le nombre et la propriété des tâches
-le système se résume à 1 seul binaire contenant le système et les
tâches
→ l’équivalent de pthread create() ou fork() n’existe donc pas
→ très faible empreinte mémoire sur un micro-controlleur
ordonnancement préemptif à priorité fixe.
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Examples
OSEK : objets statiques disponibles
TASK : définit une tâche
EVENT : définit un événement sur lequel peut bloquer une tâche
COUNTER : définit un compteur
ALARM : déclenche une action après un nombre de compte du compteur
-actions : ACTIVATETASK pour activer une tâche (crée 1 tâche
périodique) - SETEVENT : déclence un événement
RESSOURCE : définit un sémaphore pour protéger une ressource
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Examples
OSEK : propriété des tâches
Tâche
-4 états : Ready, Running, Waiting, Suspended
-Waiting : la tâche bloque en attente d’un événement
-Suspended : Tâche terminée = inactive
La tâche passe à l’état ’Suspended’ avec l’appel TerminateTask() ;
(obligatoire à la fin du code de la tâche)
Une tâche ne peut être suspendre par une autre tâche.
Propriété d’une tâche : -PRIORITY : 1-15
-SCHEDULE : FULL (préemptible) ou NON (non-preemptible)
-ACTIVATION : nbre d’activation parralèlle
(1=tâche doit finir pour pouvoir redémarrer)
-AUTOSTART : si actif au démarrage de l’os
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Examples
Etat d’une tâche
24 / 31
Examples
Génération du système (1 binaire unique)
Un fichier de configuration .oil déclarant les objets et leurs propriétés
un traducteur du .oil en .c et le code c de chacune des tâches
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Examples
NxtOSEK
1 système OSEK pour le lego NXT
lego NXT (256 Ko Flash, 56Ko de RAM)
périphèriques : capteurs et actionneurs
API : nxt motor set speed()
ecrobot get touch sensor()
”Flashage” du système
utilitaire nextool : copie du binaire en flash
par USB
le firmware du NXT permet d’exécuter le
binaire
le binaire écrase en RAM le firmware par
le système OSEK
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Examples
NxtOSEK : 1 exemple
2 tâches de périodes 1 et 500ms
chaque tâche modifie la vitesse d’un moteur
fichier de configuration : example.oil
1
2
3
2 taches de priorité différentes
1 compteur utilisé par les alarmes
2 alarmes de périodes 1 et 500 ms ayant pour action d’activer les tâches
fichier d’instruction pour les tâches : example.c
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Examples
example.oil
/* Definition of application mode */
APPMODE appmode1{};
/* Definition of Task1 */
TASK Task1
{
AUTOSTART = FALSE;
PRIORITY = 3;
ACTIVATION = 1;
SCHEDULE = FULL;
STACKSIZE = 512; /* Stack size */
};
/* Definition of Task2 */
TASK Task2
{
AUTOSTART = FALSE;
PRIORITY = 2;
ACTIVATION = 1;
SCHEDULE = FULL;
STACKSIZE = 512; /* Stack size */
};
28 / 31
Examples
/* Definition of OSEK Alarm Counter */
COUNTER SysTimerCnt
{ MINCYCLE = 1;
MAXALLOWEDVALUE = 10000;
TICKSPERBASE = 1; /* One tick is equal to 1msec */
};
/* Definition of Task1 execution timing */
ALARM cyclic_alarm1
{ COUNTER = SysTimerCnt;
ACTION = ACTIVATETASK
{ TASK = Task1; };
AUTOSTART = TRUE
{ ALARMTIME = 1;
CYCLETIME = 1; /* Task1 is executed every 1msec */
APPMODE = appmode1;
};
};
/* Definition of Task2 execution timing */
ALARM cyclic_alarm2
{ COUNTER = SysTimerCnt;
ACTION = ACTIVATETASK
{ TASK = Task2;
};
AUTOSTART = TRUE
{ ALARMTIME = 1;
CYCLETIME = 500; /* Task2 is executed every 500msec */
APPMODE = appmode1;
};
};
};
Jacques Gangloff
(ENSPS)
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Examples
example.c
/* OSEK declarations */
DeclareCounter(SysTimerCnt);
DeclareTask(Task1);
DeclareTask(Task2);
/* Task1 executed every 1msec */
TASK(Task1)
{
if (ecrobot_get_touch_sensor(NXT_PORT_S1))
nxt_motor_set_speed(NXT_PORT_A, 0, 1);
else
nxt_motor_set_speed(NXT_PORT_A, 50, 1);
TerminateTask();
}
/* Task2 executed every 500msec */
TASK(Task2)
{
if (ecrobot_get_touch_sensor(NXT_PORT_S1))
nxt_motor_set_speed(NXT_PORT_B, 0, 1);
else
nxt_motor_set_speed(NXT_PORT_B, 50, 1);
TerminateTask();
}
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Examples
Gumstix
Gumstix (cf TP 3)
Micro-carte mère ARM (64 Mo RAM et 16
Mo Flash)
Buildroot (ensemble de scripts) compile :
-1 noyau Linux 2.6 ARM
-busybox pour ARM (1 binaire pour la
majorité des commandes shell linux)
-1 Toolchain : gcc pour cible ARM
Emulation : qemu architecture ARM
Flashage du noyau et système de fichiers
JFFS2 :
- utilisation du u-boot (≈ bios du gumstix)
- avec la liaison serie
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