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Programmation de systèmes embarqués : Systèmes temps réel et PRUSS

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Ce cours présente la notion de système embarqué temps-réel et comment il est possible de gérer cela au niveau software avec un Linux embarqué. Plusieurs solutions sont présentées : OS temps-réel, linux préemptif et support hardware. Enfin, le cours présente le PRU-ICSS, dont est dotée la BeagleBone Black, une unité de calcul spécialisée pour les applications temps réel. Le cours présente comment programmer le PRU et notamment comment compiler un code à sa destination à l'aide d'un langage d'assemblage.

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Programmation de systèmes embarqués : Systèmes temps réel et PRUSS

  1. 1. EE3C Gestion des périphériques Séance 7 Systèmes temps réel et PRUSS Sébastien Combéfis 28 mars 2017
  2. 2. Ce(tte) œuvre est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Pas de Modification 4.0 International.
  3. 3. Objectifs Comprendre système temps-réel et contraintes Contraintes temps-réel souples et fortes Ordonnanceur de tâches préemptif ou non Sous-système PRUSS de gestion du temps-réel Sous-système PRUs sur la BBB et coopération CPU Process de développement d’un programme temps-réel 3
  4. 4. Merci ! Merci à Alexis Nootens pour son aide, 1 ma meilleure motivation ! 1. Uniquement pour ce slide 4
  5. 5. Système temps-réel
  6. 6. Temps-réel et Linux embarqué Linux est par défaut non préemptif Un processus en cours d’exécution ne peut être interrompu Pas de support pour entrée/sortie où le timing est critique Par exemple pour lire les valeurs d’un senseur ultrasonique Garantie d’une réponse endéans une deadline (ms/µs) Peu importe la charge actuelle sur le système 6
  7. 7. Temps-réel hard et soft Hard ou soft selon conséquences si deadline manquée Catastrophique pour l’objet embarquant le système ? Temps-réel souple si réduction qualité du service Transmission vidéo, communication téléphonique... Temps-réel fort si défaillance/incapacité du système Direction assistée, robots auto-équilibrant... Kernel Linux principal supporte le temps-réel souple 7
  8. 8. Expérience BBB (1) Script pour alterner l’état d’une LED le plus vite possible En manipulant directement sysfs via Bash Branchement sur P9_23 qui est GPIO1_17 (1 × 32 + 17 = 49) #!/ bin/bash echo 49 > /sys/class/gpio/export echo "out" > /sys/class/gpio/gpio49/direction COUNTER =0 while [ $COUNTER -lt 100000 ]; do echo 0 > /sys/class/gpio/gpio49/value echo 1 > /sys/class/gpio/gpio49/value let COUNTER=COUNTER +1 done echo 49 > /sys/class/gpio/unexport 8
  9. 9. Expérience BBB (2) Obtention d’une période ∼0.45 ms donc fréquence ∼2.2 kHz Fréquence pas très haute pour un contrôleur embarqué De plus, consommation CPU très grande de l’ordre de ∼98.1% Passer à C++ améliore fréquence, mais pas consommation Deux pistes d’amélioration possibles sur la BBB Périodique commuté haute fréquence avec PWM (∼1 MHz) Output non périodique haute fréquence avec PRU 9
  10. 10. Ordonnancement de processus Processus ordonnancés par le système d’exploitation Décision de qui à droit au CPU pour s’exécuter Linux pas préemptif, pas d’interruption d’un processus exécuté Le processus consomme d’office tout son temps kernel Ordonnancement préemptif propose des priorités sur les tâches Interruption des tâches de plus basse priorité Période de préemption de l’ordre de quelques microsecondes 10
  11. 11. OS temps-réel (1) Application temps-réel impose pas rythme à l’environnement Pouvoir processer évènements dans des délais acceptables Environnement provoque des interruptions sur le système Application doit pouvoir suivre le rythme de l’environnement Machine industrielle pour percer des doughnuts Senseur identifiant qu’un doughnut approche Vitesse tapis roulant vitesse, distance senseur et perforateur Timing précis pour déclencher le hole puncher 11
  12. 12. OS temps-réel (2) Plusieurs caractéristiques distinguant RTOS de GPOS Embarqué sans interface utilisateur (complexe) Complètement déterministe Contrôle sur l’OS, tâches prioritaires en premier Un RTOS peut violer la règle de fairness des GPOS Tous les processus reçoivent du temps CPU, tous interruptibles Applications spécifiques nécessitant du temps-réel Boucle de contrôle fermée, décision marketing... 12
  13. 13. Domaine d’application Industrie de mesure et contrôle Robots sur chaine de production, senseur d’overheat detection... Industrie aéronautique Integrated Modular Avionics (IMA) réseau distribué de systèmes à bord, simulations en mode HIL... Industrie des services financiers Connexion de systèmes trading avec stock exchange Tout le business multimedia Processing d’information audio/vidéo pour perception humaine 13
  14. 14. Linux préemptif Possibilité d’obtenir du support temps-réel au niveau software En modifiant le kernel Linux ou en ajoutant d’autres éléments Trois options à des niveaux différents Patcher le kernel Linux pour supporter la préemption Recompiler le noyau avec CONFIG_PREEMPT_RT_FULL=y Xenomai propose un co-kernel temps-réel appelé Cobalt Plus prioritaire que kernel Linux, réagit à interruption hardware Ne pas utiliser le Linux principal, mais un autre OS spécialisé Le no-OS StarterWare ou le QNX Neutrino RTOS 14
  15. 15. Support hardware Outsourcing opérations temps-réel à microcontrôleur low-cost Arduino, Atmel AVR, TI Stellaris connecté en UART Utilisation cape sophistiquée pour opérations temps-réel Valent F(x) LOGi-Bone FPGA development board Programmé en Verilog ou VHDL pour calcul parallèle Unités temps-réel programmables (PRUs) Le processeur AM335x de la BBB possède deux PRUs 15
  16. 16. PRU
  17. 17. Programmable Real-time Unit (PRU) Programmable Real-Time Unit and Industrial Communication Subsystem (PRU-ICSS) Unités programmables spécialisées pour le temps-réel Deux unités PRU disponibles sur le processeur AM335x Cœur RISC sur 32 bits cadencé à 200 MHz Mémoire locale et partage des pins, interruption et mémoire PRU-ICSS pas un accélérateur hardware de performances Manipuler E/S et structure memory-mapped Interface de communication (E/S simple, bit-banging...) 17
  18. 18. AM355x Diagramme blocs fonctionnel du processeur AM335x Sitara 18
  19. 19. PRU-ICSS Deux cœurs RICS 32 bits indépendants (PRU0 et PRU1) Mémoire dédiée pour programme et pour données Enhanced GPIO (EGP) pour GPIO rapides Contrôleur d’interruption (INTC) pour notifier avec host 19
  20. 20. Programmer le PRU-ICSS Création d’un device tree overlay custom Pour rendre les GPIOs disponibles Écriture et compilation du code du programme hôte et PRU Binaire pour PRU transféré par programme hôte sur PRU-ICSS Bridge entre hôte et PRU-ICSS (interruption, mémoire...) DTO Code hôte (.c) Code PRU (.p) Compilateur C Assembleur pasm Prog. hôte C Prog. PRU (.bin) Programme PRU Hôte Linux PRU-ICSS 20
  21. 21. PRU-ICSS Enhanced GPIOs PRU-ICSS a des pins GPIOs améliorées pr1_pruX_pru_r3Y_Z X donne numéro du PRU (0 ou 1) Y détermine input ou output (1 ou 0) Z donne numéro de pin (de 1 à 16) Configuration obligatoire du pin mux en mode 5 ou 6 Toutes les pins ne sont pas exportées, ni en entrée et sortie 21
  22. 22. Configuration du DT (1) Configuration de deux GPIOs classiques et deux enhanced P9_11 reliée àgpio0[30] en output P9_13 reliée à gpio0[31] en input P9_27 reliée à pr1_pru0_pru_r30_5 en output P9_28 reliée à pr1_pru0_pru_r31_3 en input Nécessité de désactiver HDMI en conflit avec enhanced GPIOs Présence à vérifier dans le fichier des slots 22
  23. 23. Configuration du DT (2) 1 /dts -v1/; 2 /plugin /; 3 / { 4 compatible = "ti ,beaglebone", "ti ,beaglebone -black"; 5 part -number = "EBB -PRU -Example"; 6 version = "00A0"; 7 8 /* This overlay uses the following resources */ 9 exclusive -use = "P9.11", "P9.13", "P9.27", "P9 .28", "pru0"; 10 11 fragment@0 { 12 target = <&am33xx_pinmux >; 13 __overlay__ { 14 gpio_pins: pinmux_gpio_pins { // The GPIO pins 15 pinctrl -single ,pins = < 16 0x070 0x07 // P9_11 MODE7 | OUTPUT | GPIO pull -down 17 0x074 0x27 // P9_13 MODE7 | INPUT | GPIO pull -down 18 >; 19 }; 20 pru_pru_pins : pinmux_pru_pru_pins { // The PRU pin modes 21 pinctrl -single ,pins = < 22 0x1a4 0x05 // P9_27 pr1_pru0_pru_r30_5 , MODE5 | OUTPUT | PRU 23 0x19c 0x26 // P9_28 pr1_pru0_pru_r31_3 , MODE6 | INPUT | PRU 24 >; 25 }; 26 }; 27 }; 23
  24. 24. Configuration du DT (3) 1 fragment@1 { // Enable the PRUSS 2 target = <&pruss >; 3 __overlay__ { 4 status = "okay"; 5 pinctrl -names = "default"; 6 pinctrl -0 = <&pru_pru_pins >; 7 }; 8 }; 9 10 fragment@2 { // Enable the GPIOs 11 target = <&ocp >; 12 __overlay__ { 13 gpio_helper { 14 compatible = "gpio -of -helper"; 15 status = "okay"; 16 pinctrl -names = "default"; 17 pinctrl -0 = <&gpio_pins >; 18 }; 19 }; 20 }; 21 }; 24
  25. 25. Package PRU-ICSS Debian comporte le package PRU-ICSS avec une série d’outils Créer binaire avec PRU Assembler Charger binaire avec PRU Linux Application Loader API $ ls /usr/include/pru* /usr/include/ pruss_intc_mapping .h /usr/include/prussdrv.h $ ls /usr/lib/libpru* /usr/lib/libprussdrv.a /usr/lib/ libprussdrv .so /usr/lib/ libprussdrvd .a /usr/lib/ libprussdrvd .so $ pasm PRU Assembler Version 0.86 Copyright (C) 2005 -2013 by Texas Instruments Inc. 25
  26. 26. Flash the LED (1) Flasher une LED à 10 Hz branchée sur une enhanced GPIO Jusqu’à pression sur un bouton connecté sur une enhanced GPIO Définition d’une série de constantes de configuration 1 // PRUSS program to flash a LED on P9_27 ( pru0_pru_r30_5 ) until a button 2 // that is connected to P9_28 ( pru0_pru_r31_3 is pressed). This program 3 // was writen by Derek Molloy for the book Exploring BeagleBone 4 5 .origin 0 // start of program in PRU memory 6 .entrypoint START // program entry point (for a debugger) 7 8 #define INS_PER_US 200 // 5ns per instruction 9 #define INS_PER_DELAY_LOOP 2 // two instructions per delay loop 10 // set up a 50ms delay 11 #define DELAY 50 * 1000 * (INS_PER_US / INS_PER_DELAY_LOOP ) 12 13 #define PRU0_R31_VEC_VALID 32 // allows notification of program completion 14 #define PRU_EVTOUT_0 3 // the event number that is sent back 26
  27. 27. Flash the LED (2) Boucles pour faire clignoter la LED Test si le bouton est enfoncé en fin de code, et arrêter ou boucler 1 START: 2 SET r30.t5 // turn on the output pin (LED on) 3 MOV r0 , DELAY // store the length of the delay in REG0 4 DELAYON: 5 SUB r0 , r0 , 1 // Decrement REG0 by 1 6 QBNE DELAYON , r0 , 0 // Loop to DELAYON , unless REG0 =0 7 LEDOFF: 8 CLR r30.t5 // clear the output bin (LED off) 9 MOV r0 , DELAY // Reset REG0 to the length of the delay 10 DELAYOFF: 11 SUB r0 , r0 , 1 // decrement REG0 by 1 12 QBNE DELAYOFF , r0 , 0 // Loop to DELAYOFF , unless REG0 =0 13 14 QBBC START , r31.t3 // is the button pressed? If not , loop 15 16 END: // notify the calling app that finished 17 MOV R31.b0 , PRU0_R31_VEC_VALID | PRU_EVTOUT_0 18 HALT // halt the pru program 27
  28. 28. Flash the LED (3) SET/CLR r30.t5 modifie bit 5 du registre 30 pour gérer LED Bit contrôlant la pin output pr1_pru0_pru_r30_5 Registre 0 utilisé pour calculer le délai d’allumage/extinction Fixé au départ à la valeur de la constante DELAY Décrémenté de 1 avec SUB à chaque itération QBBC START, r31.t3 lit bit 3 du registre 31 pour bouton Bit contrôlant la pin input pr1_pru0_pru_r31_3 28
  29. 29. Compilation Compilation du programme avec l’assembleur pasm Option -b pour fichier binaire en little-endian Génération d’un fichier binaire à placer dans mémoire du PRU Fichier de 52 bytes (soit 13 mots) Sans soucis dans la mémoire de 8KB du PRU 29
  30. 30. Programme principal (1) Chargement du fichier binaire dans le PRU pour exécution Ensuite attente du résultat de l’exécution 1 /** Program to load a PRU program that flashes an LED until a button is 2 * pressed. By Derek Molloy , for the book Exploring BeagleBone 3 * based on the example code at: 4 * http :// processors.wiki.ti.com/index.php/ PRU_Linux_Application_Loader_API_Guide 5 */ 6 7 # include <stdio.h> 8 # include <stdlib.h> 9 # include <prussdrv.h> 10 # include <pruss_intc_mapping .h> 11 12 # define PRU_NUM 0 // using PRU0 for these examples 13 14 int main (void) 15 { 16 if(getuid () !=0){ 17 printf("You must run this program as root. Exiting .n"); 18 exit( EXIT_FAILURE ); 19 } 30
  31. 31. Programme principal (2) 1 // Initialize structure used by prussdrv_pruintc_intc 2 // PRUSS_INTC_INITDATA is found in pruss_intc_mapping .h 3 tpruss_intc_initdata pruss_intc_initdata = PRUSS_INTC_INITDATA ; 4 5 // Allocate and initialize memory 6 prussdrv_init (); 7 prussdrv_open ( PRU_EVTOUT_0 ); 8 9 // Map PRU’s interrupts 10 prussdrv_pruintc_init (& pruss_intc_initdata ); 11 12 // Load and execute the PRU program on the PRU 13 prussdrv_exec_program (PRU_NUM , "./ ledButton.bin"); 14 15 // Wait for event completion from PRU , returns the PRU_EVTOUT_0 number 16 int n = prussdrv_pru_wait_event ( PRU_EVTOUT_0 ); 17 printf("EBB PRU program completed , event number %d.n", n); 18 19 // Disable PRU and close memory mappings 20 prussdrv_pru_disable (PRU_NUM); 21 prussdrv_exit (); 22 return EXIT_SUCCESS ; 23 } 31
  32. 32. Qualité temps-réel Signal produit en sortie ne contient plus de jitter Contrairement à la version brute avec pin GPIO simple en Bash Réduction de la consommation du CPU car délégation au PRU Seulement 0.2 % du CPU consommé 32
  33. 33. Caractéristiques du PRU Mémoire composée de registres et mémoire GP locale 32 registres 32 bits : 0 pour indexer, 1–29 GPR et 30–31 SPR Mémoire GP locale du PRU mappée sur l’hôte Linux Data RAM0 et RAM1, et une mémoire partagée Jeu d’instructions de type RISC avec ∼45 instructions Arithmétique, logique, reg load/store, program control flow 33
  34. 34. Performance Possibilité de faire flasher la LED à une fréquence ∼10 MHz Avec le code présenté précédemment Déclenchement de la LED environ 30 ns après pression bouton Lumière parcourt 9 m dans le vide (3.108 m/s) Son parcourt 1/100 mm dans l’air, niveau de la mer (340 m/s) Possibilité de créer des signaux à très hautes fréquences Output horloge dédiée en UART à 192 MHz 34
  35. 35. Livres de référence ISBN 978-1-118-93512-5 ISBN 978-0-596-52968-0 35
  36. 36. Crédits Photos des livres depuis Amazon https://www.flickr.com/photos/energeticspell/4095522584 https://www.flickr.com/photos/andrewsan/8648625518 36

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