Linux e il real time in applicazioni spaziali

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Matteo Renzi
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1 Linux e il real time in applicazioni spaziali ESA-ESTEC TEC-SWE Seminario nell ambito del corso di Sistemi Operativi in Tempo Reale tenuto dal Prof. Aldo Franco Dragoni

2 Contenuti Introduzione Linux e il real time Pro & Contro Le implementazioni attuali RTAI Descrizione completa Programmazione in RTAI Real Time Linux nella robotica: ExOS (EXomader Operative System) Caso d analisi: Tracking simulation under overload a ESTEC FPC (Feedback Priority Controller) 2

3 Intro::Real Time Real time operative systems: 1) a real time OS is able to execute all of its tasks without violating specific time constrains 2) the tasks execution time can be calculated a priori and deterministically on the base of the hardware and software configuration of the system Operative Systems Genaral Purpose Special purpose Embedded Real Time Hard RT Soft RT Real time non significa più veloce! Real time significa PREDICIBILE. 3

4 Intro::Predictable vs. Deterministic Non Determinismo Determinismo - + Predicibilità Scheduler ciclico Task attivati sempre in maniera predefinita => Deterministico Scheduler basato sulle priorità Task attivati in base a priorità e ready queue, ma a livello macroscopico il comportamento può essere predetto La predicibilità è un requisito di correttezza per applicazioni real time e il livello richiesto è descritto nel documento di specifica dei requisiti del software. 4

5 Linux scheduling Linux scheduler SCHED_FIFO SCHED_RR SCHED_OTHER Politica First-Come First-Served. I task hanno priorità statica. Task real time Politica Round-Robin. Quantum configurabile dal programmatore. Task a priorità statica. Task real time Politica Other O(1) (default). Time-sharing. Task a priorità dinamica. Task ordinari 5

6 Linux e il real time: problematiche Lo scheduler di Linux ha un taglio general purpose. E fatto per distribuire equamente le risorse ai task in esecuzione. Attualmente Linux non fornisce alcuna interfaccia per comunicare allo scheduler la possibile natura real time di un task o dati specifici circa il suo timing (deadlines, computational times ) Il kernel non è preemptable (alta latenza di scheduling per scenari real time) Dati relativi al kernel 2.4 Kernel Control Path non interrompibili (ma reentrant, quindi annidabili) introducono indeterminismo nel sistema Kernel non ancora 100% reentrant (alcune funzioni disabilitano gli interrupt globalmente sulla CPU corrente per preservare strutture dati condivise). Tali funzioni sono interrompibili solo attraverso un NMI. La frequenza max di richiamo della schedule() di Linux è 10 ms (corrispondente al minimo time-quantum) che non risulta sufficiente per scenari real time e oltretutto non vi è alcuna garanzia su tale periodo. 6

7 La latenza in Linux Definizione::Latenza di scheduling: distanza di tempo tra il segnale (stimolo) di wakeup che un evento è accaduto e l istante in cui lo scheduler lancia il thread che è in attesa che quel segnale arrivi (risposta). Interrupt Latency Interrupt Handler Duration Scheduler Latency Scheduling Duration influenzano Response Time riducono Preemption Patches Lanciare più frequentemente la schedule() (anche modificando gli spinlocks e KCP per effettuare un check di possibili richieste di schedule() pendenti) Low-Latency Patches Introduzione di punti di prelazione nel codice del kernel 7

8 Kernel 2.6 verso il real time Modifica della struttura generale dello scheduler (ad esempio, invece di un unica coda per tutti i task del sistema esiste una coda per ognuno dei 140 livelli di priorità su ogni CPU). Frequenza interna del clock portata da 100 Hz (kernel 2.4) a 1000 Hz Parte del kernel è divenuta preemptable (Robert Love) Eliminati numerosi Big Locks (Robert Love e Ingo Molnar) Compatibilità con Preemption e Low Latency Patches Migliorato il sistema di gestione I/O Response Time Analysis Linux CON Preemption Patch Linux SENZA Preemption Patch Response Time Analysis su un campione di 3500 task 8

9 Linux e il real time: pro Linux è un sistema operativo di alto livello ed è Open Source E molto ben documentato Nasce nell ambiente universitario ed è naturalmente inserito in svariati contesti di ricerca E compatibile con i maggiori standard relativi al software (POSIX, etc ) Ha buone prestazioni già in versione base (senza modifiche strutturali) La struttura monolitica lo rende adatto ad essere utilizzato in scenari embedded Il mondo dell industria è interessato ad applicazioni di Linux in svariati settori: GPS (Global Positioning System), HDTV (HighDefinition TV), DVB-RCS, cellulari, PDA, space segment, signal processing, radar systems, robotica ) Sono attualmente disponibili numerose implementazioni di architetture software Open Source per modificare Linux dotandolo di funzionalità real time da cui attingere KnowHow.. 9

10 Strategie per il real time in Linux I due approcci per la risoluzione delle problematiche relative al real time in Linux sono i seguenti: User Space User Space Real Time Task Standard Task Real Time Task Standard Task System calls System calls Resource kernel System calls System calls Scheduler PREEMPTABLE LINUX KERNEL Resource Kernel kernel hooks Linux Kernel Interrupts & Raw Data Interrupts & Raw Data Interrupts & Raw Data HARDWARE HARDWARE Il PREEMPTABLE KERNEL sostituisce gran parte del kernel di Linux Il RESOURCE KERNEL gestisce il kernel di Linux come un normale task a bassa priorità 10

11 Distribuzioni real time commerciali RTLinuxPro (FSMLabs). RTCore fornisce un ambiente real time POSIX in cui Linux gira come task a bassa priorità. Limiti prestazionali: quelli del hardware. Latenza di scheduling sotto 20microsecondi sulla maggior parte delle piattaforme. MontaVista RTLinux. Basato su miglioramenti a MontaVista Linux. Preemptable kernel + real time scheduler + frameworks BlueCat RT (LynuxWorks). Micro sistema operativo real time (non Linuxbased) che gira Linux come processo a bassa priorità. BlueCat RT è incentrato sulle basse latenze di interrupt raggiunte grazie al core ridottissimo e altamente performante. ulinux (Lineo Solutions). Footprint ridottissimo, tempi di startup e shutdown minimi, prestazioni real time rendono adatto questo OS made in Japan per l utilizzo nell elettronica (dispositivi embedded) FlightLinux (NASA). Versione real time di Linux adattata ad applicazioni spaziali al Goddard Space Flight Center e testata sullo Space Shuttle (progetto nato come Open Source ma i sorgenti non sono attualmente pubblicati). 11

12 Distribuzioni real time Open Source RTLinux. Hard Real Time mini sistema operativo che gira Linux come processo a minima priorità rendendolo totalmente preemptable. L ultima versione supporta user-space RT programming. La versione MiniRTL è adatta a utilizzi embedded. RTAI (Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano). Simile a RTLinux ma con varie funzionalità in più tra cui LXRT Layer che permette di controllare task real time dallo user-space memory-protected di Linux. AtomicRTAI è la versione a ridotto footprint. KURT. The Kansas University Real Time Linux. Implementazione real time di Linux che permette lo scheduling degli eventi con periodo di 10microsecondi. RED-Linux. Ridotti kernel blocking times, rapidi tempi di risposta, scheduler modularizzato modificabile a runtime. Università della California, Irvine. QLinux. Implementazione tagliata per garantire caratteristiche di QoS per task soft real time. Tagliata per l utilizzo in applicazioni multimediali, telefonia mobile 12

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