Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria

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1 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria Porting e analisi di sistemi RTOS: verifica sperimentale dei parametri caratteristici su scheda embedded con microcontrollore a basso costo. Relatore: Relatori aziendali: Candidati: Chiar. mo Prof. Ing. RODOLFO ZUNINO Ing. ALDO SEBASTIANI Ing. MATTEO CANTARINI DAVIDE LUCIANI MICHELE SEMINO 26 Settembre 2008

2 Porting e analisi di sistemi RTOS: verifica sperimentale dei parametri caratteristici su Sommario: Sistemi Embedded Microcontrollore (µc) Real-Time Operating System (RTOS) Scelta del RTOS Ricerca in rete Analisi datasheet Tests sperimentali Porting su ambiente di sviluppo IAR Strumenti utilizzati per i tests Il microcontrollore NXP LPC2378 Fase di valutazione dei parametri Criterio sperimentale Algoritmo implementato Report dei risultati Context Switch Time (CST) Interrupt Latency (IL) Footprint Grafici e considerazioni finali Benvenuti

3 Sistemi Embedded Sistema elettronico progettato appositamente per una determinata applicazione e spesso caratterizzato da un determinato hardware ad hoc. Tra questi i più noti sono: Digital Signal Processors (DSP) Programmable Logic Devices (PLD) Microcontrollori (µc) Quello di nostro interesse è il Microcontrollore: esso è un sistema a microprocessore completo integrato in un solo chip e progettato per ottimizzare il rapporto prezzo/prestazioni ed avere un altissima autosufficienza funzionale.

4 Real-Time Operating System (RTOS) Per gestire le funzionalità del µc abbiamo bisogno di un software che offra al programmatore un interfaccia generica ma in grado di fornire un astrazione ad hoc per gestire la complessità architetturale del microchip stesso. Questo software dedicato prende il nome di RTOS ovvero un sistema operativo in grado di reagire a degli input entro determinati vincoli temporali dettati dalla applicazione. Alcune delle caratteristiche funzionali che li contraddistinguono sono: Context Switch Time (CST) Interrupt Latency (IL) Footprint File System Scheduler Preemptive Round-Robin Non-Preemptive FCFS Supported platforms

5 Scelta del RTOS Questa operazione ha richiesto l esecuzione in serie di tre fasi fondamentali: Prima fase: ricerca in rete di RTOS che presentino caratteristiche compatibili al nostro scopo. Seconda fase: tra i RTOS individuati, analisi approfondita dei relativi datasheets con conseguente scelta, di due sistemi tra questi, motivata dai relativi valori reperiti. Terza fase: tests sperimentali su parametri specifici dei due RTOS con lo scopo di individuare in conclusione quale sia dei due il più adatto alla nostra applicazione specifica.

6 Scelta del RTOS L attuazione della prima fase ci ha portati all individuazione dei seguenti RTOS: RTXC Quadros Segger EmbOS Express Logic ThreadX FreeRTOS QNX Neutrino Linuxworks LynxOS IAR PowerPac La seconda fase ha ristretto il cerchio ai seguenti RTOS: FreeRTOS (open-source) IAR PowerPac (licenza proprietaria) La terza fase ha previsto l analisi di tre parametri fondamentali per la nostra applicazione quali: Context Switch Time (CST) Interrupt Latency (IL) Footprint

7 Porting su ambiente di sviluppo IAR Abbiamo valutato diversi ambienti di sviluppo e, per effettuare il porting, siamo convenuti all utilizzo di quello proposto da IAR ovvero lo IAR Embedded Workbench 5.0 FreeRTOS: IAR PowerPac: Non è disponibile in rete alcun port in ambiente IAR per la nostra piattaforma hardware È invece presente quello per ambiente Eclipse Porting già disponibile dal fornitore Sono inoltre presenti diversi esempi applicativi Modifica alla struttura del Workspace Inserimento e modifica di define, macro e aggiunta di funzioni inline Eliminazione di ulteriori errori di compilazione Tutto pronto per i tests

8 Strumenti utilizzati per i tests PC Notebook HP nc6320 Emulatore JTAG IAR j-link Evaluation Board OLIMEX LPC2378-STK Oscilloscopio LeCroy WaveRunner 6000

9 Microcontrollore NXP LPC2378 Interfaccia Ethernet Porta EXT2 Porta EXT1 Interfaccia USB Interfaccia CAN Caratteristiche µc LPC2378: processor core ARM7TDMI-S a 72MHz memoria Flash on-chip da 512KByte memoria SRAM da 58KByte interfacce seriali (ETH, USB, CAN, etc.) altre periferiche (ADC, DAC, etc.) alimentazione a 3.3V oscillatori on-chip (Main, RC e RTC) timers/counters e Watchdog timer Interfaccia JTAG Display LCD Interfaccia UART

10 Fase di valutazione dei parametri Per giungere all obiettivo preposto abbiamo scorporato l iter operativo in tre sottofasi quali: 1 Criterio sperimentale: definizione del percorso più adeguato per giungere rapidamente allo svolgimento del test. 3 2 Algoritmo implementato: introduzione e modifica del codice nativo con porzioni aggiuntive atte all attuazione delle attività di test. Report dei risultati: raccolta contente tutti i valori rilevati durante le sessioni di test riportando grafici e tabelle con relative considerazioni. Ciascuna di queste sottofasi è stata ottimizzata con coerenza per il calcolo di ogni singolo parametro

11 Context Switch Time (CST) Tempo che impiega lo scheduler di un RTOS a commutare dallo stato di esecuzione di un processo a quello di un altro. 1 Per rilevare il CST abbiamo pilotato tramite GPIO l accensione/spegnimento di un LED e collegato i relativi terminali ad una sonda dell oscilloscopio. 2 Dopo aver individuato le funzioni atte all effettivo cambio di contesto di entrambi i RTOS, abbiamo posto agli estremi di queste le istruzioni atte all accensione/spegnimento del LED. FREERTOS: void vportpreemptivetick( void ) { GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani } GPIOInit( DWORD PortNum, DWORD PortType, DWORD PortDir, DWORD Mask) vtaskincrementtick(); vtaskswitchcontext(); T0IR = porttimer_match_isr_bit; VICVectAddr = portclear_vic_interrupt; GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani Istruzioni di accensione/spegnimento OS_INTERWORK void OS_ChangeTask(void) { OS_U8 Stat; OS_TASK * pactivetask; [...] GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani #if OS_RR_SUPPORTED [...CODICE PROPRIETARIO CONTENENTE IL CONTEXT SWITCH...] [...] GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani #if OS_SUPPORT_SAVE_RESTORE_HOOK IAR PowerPac:

12 Context Switch Time (CST) 3 Una volta ricompilato per entrambi i RTOS il progetto con le istruzioni al punto 2, vediamo l output a video sull oscilloscopio: FreeRTOS più lento variante IAR PowerPac piùveloce costante

13 Context Switch Time (CST) Sessioni di test notevoli Comparazione Context Switch Time 14,21 14,21 14,21 17,45 20,69 29, µsec IAR PowerPac FreeRTOS Questo istogramma a barre orizzontali mostra in maniera più intuitiva come FreeRTOS, oltre che ad avere una spiccata varianza per campione, risulti avere anche un CST maggiore già a partire dal valore del suo campione migliore. Altresì IAR PowerPac mostra un CST costante e particolarmente breve dovuto ad una gestione più ottimizzata dello scheduler. SISTEMA SESSIONI DI TEST OPERATIVO prima sessione seconda sessione terza sessione FreeRTOS 17,45 (µs) 20,69 (µs) 29,45 (µs) IAR PowerPac 14,21 (µs) 14,21 (µs) 14,21 (µs) Un CST particolarmente ridotto e costante risulta essere quanto di più utile per la nostra applicazione. Ne consegue che IAR PowerPac, detenendo un CST più breve e costante, sia da noi preferito.

14 Interrupt Latency (IL) Tempo che intercorre tra la richiesta di Interrupt (IRQ) e l inizio dell esecuzione del processo abbinato a tale interruzione nella tabella degli Interrupt (VIT). 1 2 Per rilevare l IL abbiamo fatto in modo di far accendere un LED, tramite pilotaggio di GPIO, in corrispondenza della pressione di un interruttore (Interrupt esterno) valutando all oscilloscopio il tempo intercorrente tra la pressione del pulsante e l accensione del LED stesso. In questo caso abbiamo dovuto gestire sia il codice per la rilevazione dell Interrupt esterno (con relativa installazione nella VIT) sia il codice relativo all accensione del LED in corrispondenza dell interruzione. Modalità di rilevazione Chiamata alla funzione installante l Interrupt nella VIT Istruzione di accensione del LED DWORD EINTInit( void ) { EXTMODE = 1; //semino-luciani EXTPOLAR = 1; //semino-luciani IO0INTENF = B1_MASK; if (install_irq(eint0_int, (void *)EINT0_Handler, HIGHEST_PRIORITY) == FALSE) { return (FALSE); } return( TRUE ); } irq nested arm void EINT0_Handler (void) { EXTINT = 1; //semino-luciani } disable_interrupt(); eint0_counter++; GPIO_SC_FIO ^= GPIO_SC; //semino-luciani printf("interrupt OK!!!!!\n"); //semino-luciani enable_interrupt(); VICADDRESS = 0;

15 Interrupt Latency (IL) 3 Una volta compilato e flashato il programma, vediamo cosa si propone come output all oscilloscopio in seguito alla pressione del pulsante; ai capi dell interruttore e del LED sono connesse le sonde: In questo caso abbiamo un solo grafico in quanto, per la nostra piattaforma, FreeRTOS non possiede un gestore degli Interrupt; abbiamo quindi valutato soltanto quello relativo a IAR PowerPac. Valore di tensione ai capi del LED Valore di tensione ai capi dell interruttore Dal grafico si può notare come IAR PowerPac mostri un Interrupt Latency estremamente risicato pari a 1.3 µs. La nostra scelta ricade su IAR PowerPac viste le ottime performance rilevate nei tests.

16 Footprint Ammontare di memoria che il programma occupa e a cui si riferisce mentre è in esecuzione. 1 Per valutare il Footprint è necessaria la sola lettura e l interpretazione dei files *.map relativi ai progetti contenenti i due RTOS; il Footprint fornisce inoltre valori specifici sulla posizione delle funzioni linkate. 2 In questo caso non vi è un vero è proprio algoritmo implementato bensì la ricerca delle informazioni utili contenute all interno dei files di mappatura presenti nella root di progetto. 3 FREERTOS: IAR POWERPAC: bytes of readonly code memory 269 bytes of readonly data memory bytes of readwrite data memory Errors: none Warnings: none bytes of readonly code memory 80 bytes of readonly data memory bytes of readwrite data memory Errors: none Warnings: none L ammontare di memoria è così ripartito: readonly code memory occupazione di memoria da parte del codice sorgente in sola lettura readonly data memory occupazione di memoria da parte dei dati in sola lettura (costanti) readwrite data memory occupazione di memoria da parte delle variabili del programma (lettura/scrittura)

17 Footprint Tipi di dato readwrite data memory readonly data memory readonly code memory Comparazione specifica Footprint IAR PowerPac FreeRTOS Dal grafico sottostante è possibile notare come il Footprint di IAR PowerPac sia circa la metà di quello di FreeRTOS. Comparazione globale Footprint SISTEMA Bytes TIPO DI DATO OPERATIVO readonly code memory readonly data memory readwrite data memory FreeRTOS (bytes) 269 (bytes) (bytes) IAR PowerPac (bytes) 80 (bytes) 1576 (bytes) Bytes FreeRTOS IAR PowerPac Sistemi operativi readwrite data memory readonly data memory readonly code memory Per quanto ci riguarda, vista l esigua disponibilità di memoria on-chip, è evidente come il sistema più adatto alle nostre esigenze sia IAR PowerPac.

18 Grafici e considerazioni finali Comparazione assoluta assorbimento risorse Occupazione risorse FreeRTOS IAR PowerPac Footprint Interrupt Latency Context Switch Time Sistemi operativi Dai due grafici (istogramma e spider plot) si evince che il minor assorbimento globale di risorse, relativamente ai parametri considerati, sia da attribuire a IAR PowerPac.

19 Grazie per la Vostra attenzione Ringraziamo: il Chiar. mo Prof. Ing. RODOLFO ZUNINO per averci dato l opportunità di intraprendere questa importante esperienza e gli Ing. MATTEO CANTARINI e LUIGI VEARDO per averci seguiti con disponibilità presso i laboratori di ELSAG Datamat. I candidati: DAVIDE LUCIANI MICHELE SEMINO 26 Settembre 2008