Etat de l'art des systèmes embarqués, utilisation du logiciel libre
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Le document présente l'importance et l'utilisation croissante des logiciels libres dans les systèmes embarqués, incluant des outils, systèmes d'exploitation et projets notables. Il aborde les avantages et inconvénients du logiciel libre, ainsi que plusieurs projets clé comme Linux et Android, tout en discutant des aspects techniques liés à leur utilisation dans des applications critiques. Des solutions comme RTLinux, Xenomai et RTEMS sont également évoquées, illustrant la diversité des approches pour intégrer le temps réel dans les systèmes basés sur Linux.
![16RTS 2014
PREEMPT-RT, modifications
● Threaded interrupt model → utilisation d'un thread
noyau (donc interruptible) pour le traitement de chaque
interruption
4 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-high/0]
5 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-timer/0]
...
6 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-net-tx/0]
● Prévention des inversions de priorité (par héritage)
● Timers noyau haute précision (API hrtimer)
● Réécriture complète des mécanismes de
synchronisation (spinlock → mutex)
● Le résultat est un noyau (presque) « préemptif », mais
reste un noyau Linux
● Sections critiques avec des tâches non TR](https://image.slidesharecdn.com/etatartsepf-140319155956-phpapp02/85/Etat-de-l-art-des-systemes-embarques-utilisation-du-logiciel-libre-16-320.jpg)
Etat de l'art des systèmes embarqués, utilisation du logiciel libre
- 1. 1RTS 2014 État de l'art des systèmes embarqués Utilisation du logiciel libre Pierre Ficheux ([email protected]) Mars 2014
- 2. 2RTS 2014 Présentation Open Wide ● SSII/SSLL créée en septembre 2001 avec THALES et Schneider ● Indépendante depuis 2009 ● Environ 120 salariés sur Paris, Lyon et Toulouse ● Industrialisation de composants open source – Développement – Formation ● Trois activités : – OW Système d'Information (Java/PHP) – OW Outsourcing: hébergement – OW Ingénierie: informatique industrielle
- 3. 3RTS 2014 Présentation PF ● Ingénieur Arts et Métiers + Sup'Aéro ● Utilisateur de logiciels libres depuis 1989 ● Utilisateur de Linux depuis 1992 ● Auteur des 4 éditions de l'ouvrage « Linux embarqué » (Eyrolles), 4ème édition parue en juin 2012 avec E. Bénard ● Auteur GNU Linux Magazine et Open Silicium ● CTO Open Wide Ingénierie, enseignant EPITA
- 4. 4RTS 2014 Importance du logiciel libre ● Le logiciel libre a pris un part importante des systèmes embarqués – Outils (GNU toolchain) – OS (Linux, RTEMS, ...) – Ateliers de développement (Eclipse) – Composants de solutions propriétaires ! ● La plupart des éditeurs commerciaux fournissent également (ou uniquement) des composants basés sur du logiciel libre (VxWorks, Adacore, LynuxWorks, ...) ● Attention aux licences !
- 5. 5RTS 2014 Avantages/inconvénients du logiciel libre ● Avantages – Disponibilité du code source: maîtrise et maintenabilité dans le temps – Redistribution sans royalties – Développements dérivés de code source existant – Outils « gratuits » ● Inconvénients – Modèle décentralisé apparaissant comme « flou » (?) – Contraintes de certaines licences (GPL, LGPL) – Support de certains matériels (?) – Manque d'outils et de documentation (?)
- 6. 6RTS 2014 Quelques projets libres majeurs ● X Window System (X11), MIT (MIT/X11) ● Projet GNU (GPL/LGPL) → GCC, EMACS, ... ● FreeBSD (BSD) ● Apache (Apache) ● Noyau Linux (GPL) ● RTEMS (GPL) ● Eclipse (EPL) ● Mozilla / Thunderbird (MPL) ● WebKit (BSD/LGPL) ● Qt (LGPL) ● Android (partiellement Apache 2 + GPL) ● ...
- 7. 7RTS 2014 Projets « libres » pour l’embarqué critique ● OCARINA (TPT) : « compilateur » AADL (Architecture Analysis and Design Language) ● SynDEx (INRIA) : Synchronized Distributed Executive, générateur de code « synchrone » ● POK (TPT) : RTOS ARINC 653 ● TASTE (ESA) : The Assert Set of Tools for Engineering ● TOPCASED (Airbus) : Toolkit in OPen source for Critical Applications & SystEms Development ● B événementiel (CLEARSY) ● Initiative Open-DO (www.open-do.org) Adacore
- 8. 8RTS 2014 Les OS libres pour l'embarqué
- 9. 9RTS 2014 Linux comme (RT)OS ● Réservé aux systèmes complexes – 32 bits minimum – Gestion complexe de la mémoire (MMU, pagination+segmentation) – Empreinte mémoire importante: 2 Mo pour µCLinux (MMU-less), 4 Mo pour Linux – Consommation mémoire vive : 16 Mo minimum ● Migration temps réel des anciens RTOS complexe car Linux n’est pas TR → évolution avec les extensions PREEMPT-RT et Xenomai ● Incompatible avec les systèmes critiques ● Souvent utilisé pour les outils, les simulateurs et architectures « mixtes » (banc de test)
- 10. 10RTS 2014 Linux comme (RT)OS , suite ● Désormais, « embarqué » n’implique pas forcément « temps réel » et/ou très faible empreinte mémoire (80% / 20 %) ● Dans les autres cas on peut utiliser d'autres systèmes plus légers et TR – eCOS / Lepton (libre + POSIX) – RTEMS (libre + POSIX)
- 11. 11RTS 2014 Linux et le TR ● Linux est un UNIX, donc pas un système temps réel ● Pas de préemption « complète » en mode noyau → un processus ne peut être interrompu dans une routine de traitement d’interruption (top half) ● Préemption par l'ordonnanceur – Sur interruption timer – Fréquence timer fixe (constante HZ = 1-10 ms) → précision de l'ordonnanceur (granularité) ● Ordonnancement par niveau de priorité (POSIX) – Priorité dynamique standard (0, ajustable avec « nice ») → SCHED_OTHER – Priorité statique « temps réel » SCHED_FIFO/RR (1 à 99) mais mal prise en compte
- 12. 12RTS 2014 Tâche périodique, Linux non chargé 5 ms
- 13. 13RTS 2014 Système chargé par « flood ping » « décrochage »jitter !
- 14. 14RTS 2014 Extensions TR pour Linux ● L'utilisation de Linux comme RTOS est souvent intéressante – Approche hybride avec quelques tâches TR – On conserve le confort d'un système classique ● Deux approches possibles : – Modifier le noyau Linux afin d'améliorer ses performances TR (preempt-kernel, low-latency, PREEMPT-RT) – Ajouter un « co-noyau » TR qui partage le matériel avec le noyau Linux (RTLinux, RTAI, Xenomai) → approche « virtualisation »
- 15. 15RTS 2014 PREEMPT-RT ● Branche expérimentale pour la version 2.6 et 3.x, voir https://rt.wiki.kernel.org ● Initié par Ingo Molnar, contributeur majeur du noyau ● Aucun lien avec « preempt-kernel » ! ● Surtout utilisé sur x86 et des processeurs performants (nécessite TSC = Time Stamp Counter) ● Fonctionne également sur ARM (9 ou plus), Nios II, Microblaze, ... ● Nécessite un noyau « mainline » (ou proche) mais ne sera probablement jamais intégré à la branche officielle ● Mise en place très simple (application d'un patch) ● Mêmes API de programmation que Linux standard
- 16. 16RTS 2014 PREEMPT-RT, modifications ● Threaded interrupt model → utilisation d'un thread noyau (donc interruptible) pour le traitement de chaque interruption 4 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-high/0] 5 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-timer/0] ... 6 2 root SW< 0 0% 0% [sirq-net-tx/0] ● Prévention des inversions de priorité (par héritage) ● Timers noyau haute précision (API hrtimer) ● Réécriture complète des mécanismes de synchronisation (spinlock → mutex) ● Le résultat est un noyau (presque) « préemptif », mais reste un noyau Linux ● Sections critiques avec des tâches non TR
- 17. 17RTS 2014 PREEMPT-RT, conclusion ● Changements significatifs du code noyau – Verrouillage des sections critiques – Inspection nécessaire de tous les composants – Volume du patch important ● Utilisation de mlockall() → verrouillage des pages mémoire en RAM ● Le coût de la préemption peut être important si le nombre de tâches TR augmente ● Temps de latence maximum nettement amélioré – dépend largement de la plate-forme matérielle (TSC) – dépend de la configuration logicielle – Bons résultats sur x86 pour les versions récentes, 2.6.30 et plus ● Permet de garantir 100 µs de jitter (x86)
- 18. 18RTS 2014 Linux avec co-noyau ● Ajout d'un « co-noyau » pour la gestion du temps-réel – Sous-système temps-réel intégré à un module noyau – Patch de « virtualisation » des interruptions (entre autres) ● Différents modèles de programmation – Noyau uniquement (RTLinux, version libre) – Noyau et espace utilisateur, semi-intégration Linux (RTAI, www.rtai.org) – Noyau & espace utilisateur, intégration Linux complète (Xenomai, www.xenomai.org)
- 19. 19RTS 2014 Linux avec co-noyau ● Séparation entre le composant temps-réel et Linux – Ordonnanceur temps-réel spécifique – Pas de dépendance sur les sections critiques Linux :-) ● Virtualisation de la gestion d'interruptions Linux – Routage prioritaire des IRQs vers le co-noyau ● Linux comme tâche idle du co-noyau ● Volume du patch noyau plus faible qu'avec PREEMPT- RT ● Se rapproche de la technique de « para-virtualisation » des hyperviseurs (adaptation de l'OS)
- 20. 20RTS 2014 Linux + co-noyau, suite ● Peu de modifications sur le noyau Linux – patch de virtualisation (très bas niveau) – notion de domaine d'exécution (temps-réel / normal) ● Pas d'impact sur l'écriture de code noyau classique ● Impact sur l'écriture de code temps-réel ! – utilisation des API fournies par le co-noyau ● Excellentes performances TR – ordonnanceur spécifique indépendant – sous-système temps-réel bien délimité – jitter maximal de l’ordre de 10 µs sur Atom/x86 !
- 21. 21RTS 2014 RTLinux ● Projet universitaire (NMT) développé par Victor Yodaiken et Michael Barabanov en 1999 ● Produit commercial développé par FSMLabs ● Dépôt d’un brevet logiciel → conflit avec la FSF ● Vendu à WIND RIVER en 2007 ● Développement en espace noyau ● Version GPL obsolète (2.6.9) retirée par WIND RIVER
- 22. 22RTS 2014 Architecture initiale RTLinux
- 23. 23RTS 2014 RTAI ● Real Time Application Interface ● Un « fork » de RTLinux développé au DIAPM de l’école polytechnique de Milan → Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale (Paolo Montegazza) ● Utilisé au DIAPM pour des travaux d’enseignement et de recherche ● Quelques utilisations industrielles ● Position douteuse / brevet logiciel FSMLabs ● Toujours actif mais peu d’évolution → version 3.8 en février 2010, 3.9 en août 2012, 4.0 en décembre 2013 ● Surtout x86
- 24. 24RTS 2014 Xenomai ● Xenomai est un sous-système temps-réel de Linux – Programmation de tâches en espace utilisateur – API d'application et de pilotes temps réel (RTDM) dédiées ● Intégré au noyau Linux → « Real-time sub-system » ● Supporte de nombreuses architectures ● Dispose de « skins » permettant d'émuler des API temps réel (POSIX, VxWorks, VRTX, uITRON, ...) ● Plus complexe à mettre en œuvre que PREEMPT-RT mais performances 5 à 10 fois supérieures ● Licence GPL (cœur), LGPL (interfaces, espace utilisateur)
- 25. 25RTS 2014 Répartition sur deux domaines Hardware VFS/FS ... Pile réseau Xenomai RTOS Adeos I-Pipe Noyau Code applicatif VxWorks glibc Xenomai libvxworks Code applicatif POSIX Xenomai libpthread Appels système glibc libpthread_rt Noyau Linux micro-noyau
- 26. 26RTS 2014 Flood ping avec Xenomai :-)
- 27. 27RTS 2014 Android ● Système d'exploitation « libre » basé sur un noyau Linux modifié par Google ● Convergence avec GNU/Linux pour les noyaux récents ● Basé sur Dalvik, une machine virtuelle Java (très) optimisée pour le mobile ● Environnement de développement intégré (EDI) basé sur Eclipse (émulateur, débogueur, ...) → ADT ● Environ 75 % du marché du mobile ● Partiellement libre donc « concurrent » de GNU/Linux
- 28. 28RTS 2014 Android et l'industrie ● Android est conçu pour la téléphonie + tablettes ! ● Les projets industriels abandonnent les RTOS propriétaires pour Linux (embarqué) ● Android est utilisable/conseillé si : – Le projet utilise une IHM (plus simple et standard car langage Java) – Le projet n'utilise pas de TR dur (pour l'instant) ● Ne peut remplacer purement et simplement GNU/Linux – Puissance CPU (Cortex-A8) – Empreinte mémoire
- 29. 29RTS 2014 Android industriel, avantages/inconvénients ● Avantages – Programmation Java (simple et répandue) – IHM évoluée – Communauté importante – Fait « rêver » les managers et les comptables (tablette = grand public = bon marché) – Pilotes noyau identiques mais HAL nécessaire ● Inconvénients – Compatibilité POSIX partielle – Système de « build » statique rudimentaire par rapport à ceux de Linux (Buildroot, OE) – Des interfaces matérielles mal supportées (CAN, ...) – Très lié à Google !
- 30. 30RTS 2014 Android sur BB Black
- 31. 31RTS 2014 Android standard (noyau 3.8)
- 32. 32RTS 2014 Android + Xenomai
- 33. 33RTS 2014 RTEMS ● RTEMS = Real Time Executive for Multiprocessor Systems ● Initialement « Missile Systems » puis « Military Systems » ● Exécutif temps réel embarqué diffusé sous licence libre (GPL avec exception) ● Ce n'est pas exactement un système d'exploitation car l'application est « liée » au noyau → un seul processus mais plusieurs « threads » ● Programmation C, C++, Ada ● Plus de 100 BSP disponibles pour 20 architectures ● API RTEMS « classique » ou POSIX ● Utilisé par EADS Astrium, ESA, NASA, NAVY, ...
- 34. 34RTS 2014 RTEMS, suite ● RTEMS est un exécutif TR : – L'utilisation est plus complexe → configuration par fichiers, pas de « shell » comme sur un OS évolué – Un seul processus – Beaucoup plus petit qu'un OS → en sélectionnant les composants on peut arriver à une taille de quelques dizaines de Ko :-) – Pas (peu) de support MMU – De nombreuses fonctionnalités sont optionnelles : réseau, système de fichiers, etc. – Configuration statique de l'application ● Permet d'ajouter « facilement » API, ordonnanceur ● Léger, environ 320K lignes (.c et .h) pour la version 4.10.2
- 35. 35RTS 2014 eCOS ● embeddable Configurable OS (CYGNUS 1997) ● Supporte de nombreux CPU (16), 32 et 64 bits ● Empreinte mémoire de 10 à 100 Ko ● Outils de configuration avancé, gestion de « packages » ● Version « pro » par ● Utilisé dans le multimédia : – http://www.ecoscentric.com/ecos/examples.shtml
- 36. 36RTS 2014 Les outils libres
- 37. 37RTS 2014 Typologie des outils nécessaires ● Développement: compilation, mise au point (GNU Toolchain) ● EDI / IDE (Eclipse) ● Construction de distribution, paquets logiciels, production ● Émulation / simulation ● Sondes « matérielles » (JTAG) ● Gestion de version → La plupart de ces outils existent dans le monde du logiciel libre
- 38. 38RTS 2014 Outils de développement ● Intégration des outils GNU (compilation, mise au point) dans un EDI (Environnement de Développement Intégré) – Eclipse + plugin CDT (C/C++) – QtCreator ● Produits commerciaux liés à un éditeur (Eclipse + outils) – Workbench (Wind River → CDT) – DevRocket (Montavista) ● Libre ou commercial ? – Outils additionnels intégrés (profiling, mise au point) – Support technique !
- 39. 39RTS 2014 Production de distribution (Linux) ● Un outil crée la distribution à partir des sources des composants adaptés en appliquant des « patch » – Il ne s'agit pas de distribution mais d'outil de création de distribution ● L'outil ne fournit pas les sources mais les règles de production et prend en compte les dépendances ● L'outil peut produire la chaîne croisée GCC ● L'outil produit les différents éléments de la distribution – Image du bootloader – Noyau Linux – Images du root-filesystem
- 40. 40RTS 2014 Les principaux outils disponibles ● OpenEmbedded – Moteur écrit en Python – Très puissant mais (très) lourd – Basé sur des fichiers de configuration (?) ● Buildroot – Basé sur la commande make – Au départ un démonstrateur pour uClibc – Désormais un véritable outil, bien maintenu ! ● OpenWrt – Dérivé de BR – Gère les paquets binaires ● Autres: LTIB (Freescale), PTXdist (Pengutronix)
- 41. 41RTS 2014 Buildroot ● Lié au projet uClibc (micro-C-libc) : libC plus légère que la Glibc ● But initial: produire des images de test de uClibc ● Moteur basé sur des fichiers Makefile et des scripts- shell ● Outil de configuration « graphique » ● Peut désormais utiliser Glibc, Eglibc, ... ● Repris en 2009 par Peter Korsgaard et Thomas Petazzoni ● Une version officielle tous les 3 mois: 2009.02 → 2014.02
- 43. 43RTS 2014 OpenEmbedded, introduction ● OE est un « framework de compilation croisée » démarré par Chris Larson en 2003 pour OpenZaurus (Zaurus = le « premier » PDA sous Linux)
- 44. 44RTS 2014 Yocto Project(s) ● Yocto est un projet « chapeau » démarré en 2010 ● Il intégre de nombreux projets comme OE, BitBake, Poky, Eglibc, ADT, Hob, AutoBuilder (QA), … ● Plusieurs dizaines de membres dont Intel, Montavista, Freescale, Huawei, Gumstix, Eukréa, ... ● L'architecte est Richard Purdie qui a rejoint la Linux Foundation en tant que « fellow » en décembre 2010 ● Organisation similaire à celle de l'équipe du noyau Linux « meritocracy presided over by a benevolent dictator » ● Forte présence d'Intel mais l’engagement de la Linux Foundation permet à Yocto d'être un véritable project collaboratif !
- 45. 45RTS 2014 Émulateur QEMU ● Émulateur de matériel initialement développé par Fabrice Bellard, diffusé sous GPL v2 ● Exécuté dans l'espace utilisateur de Linux ● Permet d'émuler diverses architectures: x86, PowerPC, ARM, etc. ● Émulation de carte complète → outil de développement, mise au point, test automatique – Outil de certification DO-178 (Couverture) http://www.open-do.org/projects/couverture ● Désormais, large communauté avec dépôt Git sur http://git.savannah.gnu.org/cgit/qemu.git