Departamento de Sistemas Informáticos. Linux como Sistema Operativo de Tiempo-Real

Transcripción

1 Linux como Sistema Operativo de Tiempo-Real 1 Historia de Linux UNIX fue desarrollado en los Laboratorios Bell al rededor del año Los Sistemas Operativos UNIX y similares, dominaron el mercado de servidores y puestos de trabajo (workstations) en la década de los 80. Linus Torvalds desarrolló Linux como un Sistema Operativo, al estilo UNIX, libre, de Código Abierto (Open Source) en la Universidad de Helsinki en el año Durante muchos años Linux ha sido un fenómeno cultural subterráneo entre estudiantes e investigadores de las universidades de todo el mundo. Hoy en día Linux ha emergido como una tecnología dominante y particularmente estimulada tras la adopción por parte de IBM en su gama de servidores. 2 1

2 Estándares en los Sistemas Operativos de Tiempo-Real El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) ha liderado el desarrollo de un estándar basado en el S.O. UNIX para definir los requisitos de Interfase de un Sistema Operativo Transportable POSIX (Portable Operating System Interface) (La X viene de UNIX). El estándar IEEE es la unión de los dos esfuerzos de estandarización anteriores: POSIX.1 Interfaces de Sistema (System Interfaces) y Cabeceras (Headers). POSIX.2 Línea de comandos (Shell) y Utilidades. Los esfuerzos de estandarización han elaborado el estándar POSIX.4 para incluir los requisitos y extensiones de Tiempo-Real. El estándar IEEE d-1999 ha reemplazado posteriormente al estándar POSIX.4. 3 Los Estándares aplicables a Linux Linux ha sido diseñado desde su origen como Sistema Operativo que cumple con las especificaciones POSIX. El último estándar de Linux cumple con: POSIX.1 Interfaces de Sistema (System Interfaces), POSIX.1c Extensión para Hilos (Threads). POSIX.2 Línea de comandos (Shell) y Utilidades (cumplimiento parcial). Algunas de las Versiones de Tiempo-Real de Linux han sido diseñadas para ser cumplidoras con el estándar IEEE d (El estándar para la especificación de las Extensiones de Tiempo- Real). 4 2

3 Versiones de Tiempo-Real de Linux Las últimas versiones de estándar Linux se pueden utilizar para el desarrollo de Aplicaciones de Tiempo-Real Flexible, donde los periodos de muestreo son relativamente largos (del orden de milisegundos) y la aplicación puede aceptar pérdidas esporádicas de ciclos de planificación (scheduling). Las Aplicaciones de Tiempo Real Estricto exigen un determinismo estricto y manejo de tiempos precisos y cortos por lo que implican la utilización de Versiones de Linux de Tiempo- Real. 5 Versiones de Tiempo-Real de Linux Existen dos aproximaciones básicas en la modificación del Kernel estándar del Linux: Micro-Kernel: Esta aproximación incorpora una nueva capa de código muy eficiente entre el hardware y el Kernel estándar de Linux. Kernel IEEE d: Esta segunda aproximación consiste en la incorporación de las extensiones de Tiempo-Real de POSIX.1 dentro de la estructura del Kernel estándar de Linux. 6 3

4 Linux Performance Comparison Standard O/S Standard Linux Application Non Real Time Soft Real Time Latency/Jitter 100 microseconds to 100 milliseconds 1 millisecond IEEE d Linux Micro-Kernel Linux RTOS Kernels Hard Real Time Hard Real Time Hard Real Time 10 to 100 microseconds 1 to 10 microseconds 1 to 10 microseconds 7 Arquitectura de un Sistema Operativo 8 4

5 Interrupciones dentro del Kernel Estándar de Linux El tratamiento y procesamiento de las interrupciones dentro del Núcleo (Kernel) estándar de Linux se descompone en dos mitades (halves) y se realiza por medio de sus correspondientes tareas: La Tarea de la Mitad Superior (Top-half Task): Es el Manejador propio de la Interrupción (Interrupt Handler). Lee los datos del dispositivo físico y los deposita en un buffer de memoria. La Tarea de la Mitad Inferior (Bottom-half Task): Es la rutina planificada por la Tarea de la Mitad Superior (Top-half Task) para ser ejecutada con posterioridad en un instante de tiempo mas adecuado y seguro. 9 El Temporizador dentro del Kernel Estándar de Linux El Núcleo Estándar de Linux dispone de un temporizador por defecto que tiene una resolución de 10 milisegundos (HZ=100). La resolución de este temporizador puede ser mejorada mediante la reconstrucción del núcleo estándar o mediante la utilización un divisor de tiempo diferente. Las versiones mas recientes de Linux (2.6.x) utilizar un temporizador de un milisegundo (HZ=1000) 10 5

6 Mejoras en las versiones 2.6.x de Linux Linux 2.6 incorpora un número de mejoras significativas sobre las versiones Linux 2.4. Muchas de estas mejoras se han realizado para ampliar las capacidades de Tiempo- Real. Entre ellas se incluye: Un nuevo algoritmo en el Planificador (Scheduler). Una corrección en el mecanismo preemption del Núcleo. Mejorías en el modelo de hilos (threading model) proporcionando soporte, dentro del núcleo, a la Librería de Hilos POSIX Nativa NPTL (Native POSIX Threading Library). Incorporación de la parte fundamental del proyecto µclinux (Linux para microcontroladores). Esto incorporación permite la incorporación de procesadores que no disponen de Unidad de Manejo de Memoria MMU (Memory Management Unit). Mejoras en el Subsistema de Módulos (Module Subsystem). 11 Modificaciones para que Linux sea un RTOS Todas las Variaciones de Linux de Tiempo- Real han incorporado modificaciones a nivel de núcleo. El objetivo de estas modificaciones es reducir simultáneamente la Latencia de las Interrupciones (Interrupt Latency) y la Variación en el Retardo de las Interrupciones Periódicas (Jitter) a un valor en el entrono de microsegundos, lo que permite una respuesta mas rápida a las incidencias (events) externas y una mayor precisión y resolución en el manejo de los tiempos (timers). 12 6

7 Prioridad Preemption en el Núcleo Estándar de Linux 2.6 Esta metodología modifica el núcleo estándar de Linux para asegurar que procesos del núcleo de mas elevada prioridad puedan reemplazar (preempt) a procesos de prioridad mas baja y por tanto acceder a los recursos del sistema requeridos. El Manejador de Interrupciones (Interrupt Handler) de los Controladores de Dispositivos (Device Drivers) se ha modificado de forma que las interrupciones de prioridad más elevada no queden bloqueadas durante periodos de tiempo aleatorios, mientras que otro Manejador de Interrupciones de prioridad inferior completa su tarea. En Linux 2.6, la sustitución de tareas por prioridad (preemption) es ahora posible obteniéndose como resultado unas latencias inferiores, que son adecuadas adecuadas para aplicaciones interactivas. 13 Preemptable Kernel Architecture 14 7

8 Micronúcleo (Microkernel) (I) Este tipo de implementación dispone de un segundo núcleo consistente en una capa de interfaz entre el núcleo estándar y la capa de hardware. Este segundo núcleo consiste en un módulo de código compacto y muy optimizado, denominado micronúcleo (microkernel,µkernel), que controla la ejecución de las Tareas de Tiempo-Real y ejecuta el núcleo estándar de Linux como una tarea de fondo (background task) más. El micronúcleo intercepta todas las interrupciones de hardware y asegura que el núcleo estándar no pueda desalojar por prioridad (preempt) a ningún otro proceso por interrupción dentro del micronúcleo. El paradigma del micronúcleo, tuvo una gran relevancia académica durante los años ochenta y principios de los noventa en sistemas independientes que fuesen capaces de superar por si mismos errores de software o hardware. En un principio pretendía ser una solución a la creciente complejidad de los sistemas operativos. 15 Micronúcleo (Microkernel) (II) El primer ejemplo de implementación de una arquitectura micronúcleo fue RTLinux. Al creador de RTLinux, Victor Yodaiken, le ha sido reconocida una patente que cubre la lógica de esta implementación. RTAI, desarrollado en la Universidad Politécnica de Milán, es otra distribución de Linux de Tiempo-Real que utiliza también la arquitectura Micro-Kernel. La distribución de RTAI comenzó en una de las versiones primeras de RTLinux, que posteriormente mejoró los interfaces de alto nivel a los Servicios de Tiempo-Real. 16 8

9 Microkernel Real-Time Architecture 17 Extensiones POSIX de Tiempo-Real Esta metodología modifica directamente el núcleo estándar y pone a disposición librerías que en su conjunto implementan las extensiones de Tiempo-Real de POSIX, creando de esta forma un Sistema Operativo de cumple las especificaciones del estándar IEEE d. Entre las diferentes implementaciones existentes, cabe destacar: KURT - The Kansas University Real-Time Linux. TimeSys 18 9

10 Nanonúcleo (Nanokernel) El nanonúcleo (nanokernel) es un núcleo del sistema operativo que es incluso más pequeño que un micronúcleo (microkernel). El nanonúcleo representa la capa más cercana de abstracción al hardware del sistema operativo interconectando a la CPU, maneja las interrupciones e interactúa recíprocamente con la unidad de manejo de memoria MMU. El ejemplo mas representativo de una arquitectura nanonúcleo es ADEOS. ADEOS (siglas de Adaptative Domain Environment Operating Systems), proporciona un entorno flexible para compartir los recursos hardware para múltiples sistemas operativos ó múltiples instancias de un mismo sistema operativo. ADEOS activa múltiples núcleos, llamados dominios, que existen simultáneamente sobre el mismo hardware. Ninguno de éstos dominios necesariamente conoce la existencia del resto, pero todos ellos si conocen de la existencia de ADEOS. Un dominio puede ser un Sistema Operativo completo. 19 Nano Kernel Architecture 20 10

11 Prestaciones y Características Los criterios fundamentales para la evaluación de las prestaciones de un Sistema Operativo de Tiempo-Real RTOS son: La Latencia en los Eventos (Event Latency) La Variación en Periodo de las Interrupciones Cíclicas (Periodic Jitter). 21 La Latencia en los Eventos (Event Latency) Un evento (event) puede ser tanto una interrupción hardware (hardware interrupt) como una interrupción software (software interrupt): La Latencia ante una Interrupción Hardware es el tiempo transcurrido desde que se produce la interrupción hasta que se ejecuta la primera instrucción de la rutina de tratamiento ISR (Interrupt Service Routine). La Latencia ante una Interrupción Software es el tiempo transcurrido desde que la señal (signal) es generada hasta que se ejecuta la primera instrucción de la rutina asociada

12 Event Latency 23 Variación en Tiempo de las Tareas Cíclicas (Periodic Jitter) El Periodic Jitter hace referencia a las variaciones en el tiempo que experimenta una tarea cuando se ejecuta de manera cíclica. Una Tarea Periódica es la base del control de los dispositivos mecánicos que entregan o requieren datos en modo sostenido (sampled data). Cualquier variación (jitter) en los tiempos de muestreo, repercuten en la precisión de las prestaciones del Sistema de Control

13 Periodic Jitter 25 ADEOS Real-Time Linux 26 13

14 Concepto Nombre del Producto Kernel estándar Última versión (Kernel) HW soportado Licencia Aplicaciones Años de uso Soporte Multiprocesador NO Mecanismo Real-Time 10 Comunic. intra-kernel 11 Cumplimiento POSIX 12 Entorno de desarrollo 13 Prestaciones 14 Distribuidor 15 Soporte 16 Web KURT Comentarios The Kansas University Real-Time Linux Linux KURT Version 2 (Linux kernel ) IA32, ARM, AMD Elan 520. Requiere TSC TimeStamp Counter GNU/GPL Simulación de redes ATM Desde 1997 Modificación del Kernel (Kernel Patch) Solo tiene un Kernel Únicamente implementa relojes conforme al estándar IEEE d Utilidades GNU 10 µsegs de latencia y jitter Kansas University kurt@ittc.ku.edu 27 RTAI Concepto Comentarios 1 Nombre del Producto Real Time Application Interface for Linux 2 Kernel estándar 2.4.x a 2.6.x 3 Última versión (Kernel) rtai diciembre-2008 (Kernel ) 4 HW soportado X86 (con o sin FPU y TSC), X86.64 (ß), PowerPC, ARM (Strong- ARM ARM7: clps711x-family, Cirrus Logic EP7xxx, CS89712, PXA25x) 5 Licencia GNU/GPL 6 Aplicaciones RTAI-Lab, 7 Años de uso Desde Soporte Multiprocesador SI 9 Mecanismo Real-Time Micro-Kernel 10 Comunic. intra-kernel FIFOs, Memoria Compartida 11 Cumplimiento POSIX SI (IEEE c) 12 Entorno de desarrollo Utilidades GNU 13 Prestaciones Latencia y Jitter < 10 microsegundos 14 Distribuidor DIAPM Dipartimento Ingegneria Aerospaziale. Politecnico di Milano 15 Soporte Sitio Web, FAQs, Grupos de Usuarios 16 Web

15 RTAI RTAI (Real Time Application Interface), es una implementación de Linux para Tiempo-Real basada en un principio en RTLinux, y actualmente en ADEOS, no es un sistema operativo tal como VXworks o QNX. Básicamente es un Distribuidor de Interrupciones (Interrupt Dispatcher). Toma las interrupciones HW (traps) de los periféricos como por ejemplo las interrupciones de disco. Y si es necesario, las reenvía a Linux. No es una modificación intrusiva del Kernel, Utiliza el concepto de HAL (Hardware Abstraction Layer) (Utilizado también en Windows NT). HAL exporta a Linux datos y funciones relacionados con el HW. HAL define un interface entre RTAI y Linux. El Kernel está modificado para ejecutar funciones HAL en lugar de las nativas. RTAI considera Linux como una Tarea en Background ejecutando cuando no hay tareas de Tiempo Real. 29 RTAI Arquitectura SW: Interface con el gestor de Linux HW (HAL): Basado en RTHAL. Basado en ADEOS. Componentes Básicos (Módulos Recargables): Dispatcher, (para interrupciones) (rtai) Scheduler (rtai_sched) FIFOs (rtai_fifos) Memoria Compartida (Shared Memory) (rtai_shm). Interface para facilitar el desarrollo de aplicaciones de tiempo real en el espacio de usuario LXRT (LinuX RealTime). Módulos POSIX (rtai_pthread) con mutexes y condiciones

16 Modelo de Proceso de Linux con RTAI 31 RTAI ENLACES RTAI - Official Website RTAI - Wikipedia, the free encyclopedia CourseForge: RTAI - Real Time Application Interface

17 RTLinux Real-Time Linux 33 TimeSys Linux GPL Real-Time Linux 34 17

18 Bibliography Introduction to Linux for Real-Time Control Intelligent Systems Division - National Institute of Standards & Technology 35 18