RTOS demistified - Francesco Sacchi

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1. Francesco Sacchi RTOS demistified Firenze, 24 Settembre 2012
2. Francesco Sacchi – batt@develer.com RTOS Demistified Sviluppatori firmware di basso livello, su architetture a microcontrollore senza MMU (AVR, PIC, ARM7, Cortex-M3/M4, etc...). Linguaggio di programmazione C. Obbiettivi Target audience Presentare vari approcci architetturali alla programmazione embedded di basso livello, con e senza RTOS, evidenziandone pregi e difetti.
3. Francesco Sacchi – batt@develer.com Presentazione • Nome: Francesco Sacchi • Email: batt@develer.com • Lavoro per Develer S.r.l.
4. Francesco Sacchi – batt@develer.com Presentazione • Maintainer di BeRTOS • Sistema operativo open source per applicazioni embeddded real-time sviluppato da Develer • Oltre al kernel sono disponibili driver e librerie generiche
5. Francesco Sacchi – batt@develer.com Cos'è un RTOS? E' un sistema operativo, anche minimale, che garantisce prestazioni real time. Fornisce una serie di servizi per sviluppare applicazioni multitasking. Real Time? Real Time Operating System Real Time non significa veloce o reattivo a priori, ma solo che è (abbastanza) predicibile e deterministico nell'esecuzione dei compiti. Questo permette di progettare applicativi reattivi e veloci.
6. Francesco Sacchi – batt@develer.com RTOS facts Flash: alcuni kB (kernel) RAM: alcune decine/centinaia di bytes per processo Context switch time Occupazione memoria Alcuni microsecondi su CPU con clock a 50MHz Costo Da gratis a diverse decine di migliaia di euro. Aperti o chiusi, libera o proprietaria Sorgenti & Licenza
7. RTOS demistified Approcci alle architetture embedded Elenco di alcune delle possibili soluzioni utilizzabili per lo sviluppo di applicazioni embedded.
8. Francesco Sacchi – batt@develer.com Background/Foreground • L'applicativo esegue una serie di compiti in background, mentre gli interrupt eseguono i compiti asincroni e più time-critical in foreground. • Le ISR sono generalmente lunghe. • Le informazioni generate da una ISR non sono processate dai task in background finché non arriva il loro turno di esecuzione.
9. Francesco Sacchi – batt@develer.com Applicativo di esempio • Acquisire ad intervalli regolari una temperatura e attivare delle protezioni • Campionare ad intervalli regolari dei livelli di tensione e fare delle operazioni • Salvare delle impostazioni da una memoria, alla pressione di un tasto • Effettuare un controllo: se un pin di allarme si attiva, bisogna leggere un valore dall'ADC, effettuare dei calcoli e regolare la velocità di un motore nel più breve tempo possibile.
10. Francesco Sacchi – batt@develer.com Background/Foreground: codice di esempio
11. Francesco Sacchi – batt@develer.com Background/Foreground • Semplicità e linearità Svantaggi Vantaggi • Latenza elevata e non deterministica • Bassa scalabilità e manutenibilità • ISR lunghe
12. Francesco Sacchi – batt@develer.com Scheduler sincrono Come prima ottimizzazione è possibile estrarre e genericizzare il codice di gestione dei compiti temporizzati. In BeRTOS vengono chiamati synctimers.
13. Francesco Sacchi – batt@develer.com Synctimers: codice di esempio
14. Francesco Sacchi – batt@develer.com
15. Francesco Sacchi – batt@develer.com Scheduler sincrono • Migliore scalabilità e manutenibilità del codice • Basso impatto sull'occupazione di memoria flash/RAM Svantaggi Vantaggi • Latenza elevata e non deterministica • ISR lunghe
16. Francesco Sacchi – batt@develer.com Latenza La filosofia Background/Foreground e gli scheduler sincroni soffrono di problemi di latenza importanti. Viene sprecato molto tempo CPU
17. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo Permette di ridurre sensibilmente la latenza media, pur mantenendo bassa la complessità.
18. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo Ogni processo necessita del proprio stack.
19. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo: task periodici
20. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo: generazione eventi
21. Francesco Sacchi – batt@develer.com
22. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo: inizializzazione e main loop
23. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo • Scalabilità: si gestiscono con facilità molti processi • Cambio di contesto prevedibile: problemi di sincronizzazione ridotti • Bassa latenza: nessun spreco per attese dai driver di I/O • ISR molto brevi Svantaggi Vantaggi • Media occupazione di memoria RAM • Non deterministico nella latenza (elevata jitter)
24. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel cooperativo: jitter nella latenza
25. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive Permette di aumentare il determinismo, il cambio di contesto avviene nelle ISR. E' necessario sincronizzare l'accesso a risorse condivise.
26. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive and cooperative • L'applicativo va strutturato nello stesso modo • I processi si creano nello stesso modo • Il main loop rimane lo stesso • E' sempre necessario regolare l'accesso a strutture dati condivise!
27. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive: sincronizzazione Start updating parameters... Save inconsistent Parameters! Wake Save Process Temperature Process Save Process ISR Finish updating User press button Read Temperature Restart
28. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive: sincronizzazione con semaforo Start updating param Try to acquire semaphore Wakes Save Process Temperature Process Save Process ISR Finish updating User press button Read Temperature Obtain semaphore Restart Semaphore already Locked. Wait... Save parameters Release semaphore Release semaphore
29. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive: sincronizzazione
30. Francesco Sacchi – batt@develer.com Kernel preemptive • Scalabilità: si gestiscono con facilità molti processi • Bassissima latenza: nessun spreco per attese dai driver di I/O • Deterministico nella latenza Svantaggi Vantaggi • Media occupazione di memoria RAM • ISR lunghe • Necessità di sincronizzare l'accesso a dati condivisi
31. Francesco Sacchi – batt@develer.com Comparazione soluzioni Background Foreground Synctimers Kernel cooperative Kernel preemptive Semplicità/ Facilità d'uso Scalabilità Latenza Occupazione memoria Jitter Problemi sincronizzazione Lunghezza ISR
32. Let's Talk e-mail web office +39 055 3984627 batt@develer.com www.develer.com twitter @batt61
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