Architectures des applications temps réel
Ordonnancement temps réel - Ordonnancement multiprocesseur

Depuis le début des années 2000, on perçoit un ralentissement de l’accroissement exponentiel (loi de Moore) des vitesses de calcul d’une génération de processeur à la suivante. Sur les ordinateurs personnels, l’accroissement en puissance de calcul est maintenu par un accroissement du nombre de cœurs de calcul sur une même puce. Ce phénomène peut être expliqué par la miniaturisation atteinte par les fondeurs de processeurs sur une technologie basée sur des transistors en silicium : pour une taille de transistors donnée, accélérer la vitesse de calcul a un coût quadratique en énergie. Or, la taille d’un transistor n’est aujourd’hui que de quelques atomes ; elle est donc de plus en plus difficile à diminuer, et les gains en fréquence des calculateurs se font alors de moins en moins sentir.

Lorsque les calculateurs sont embarqués sur un procédé (avion, automobile, train, satellite artificiel, etc.) contrôlé par un système, le compromis entre puissance de traitement et énergie consommée penche souvent en faveur de la limitation des fréquences de calcul des processeurs embarqués lorsque ceux-ci sont alimentés sur batterie, énergie ambiante ou en consommant du carburant. La diminution de la puissance des calculateurs est alors compensée par la multiplication de leur nombre pour une même puissance globale de calcul.

On peut naturellement envisager deux façons de multiplier les calculateurs : connecter plusieurs calculateurs par des réseaux de communication (on parle alors de systèmes répartis) ou bien mettre sur une même puce plusieurs cœurs de calculs (on parle alors de systèmes multiprocesseurs ou multicœurs lorsque les cœurs de calcul sont sur une même puce). Bien entendu, on peut associer les deux et avoir des réseaux de communication reliant des systèmes multicœurs.

Sur un système critique complexe, tel qu’un avion civil, le système de contrôle est constitué d’un système réparti de systèmes monoprocesseurs. L’architecture avionique de demain, et vraisemblablement celle des autres types systèmes embarqués complexes doit augmenter les ressources de calcul sans augmenter la complexité du réseau de communication déjà très complexe dans ces systèmes. Ainsi, l’architecture des systèmes critiques de demain sera constituée de systèmes répartis multicœurs.

Les systèmes embarqués critiques sont généralement soumis à des contraintes de temps : chaque fonctionnalité doit s’exécuter dans un intervalle de temps donné, malgré le fait que les ressources de calcul sont partagées entre plusieurs fonctionnalités. On parle alors de systèmes embarqués temps réel, qui doivent être non seulement valides fonctionnellement mais aussi temporellement.

L’objet de cet article est de présenter la problématique de la validation temporelle d’applications temps réel sur processeurs multicœurs. Il peut être considéré comme la suite de l’article [S 8 055v2] et de l’article [S 8 056].

L’avènement des systèmes multiprocesseurs dans les domaines des systèmes critiques pose de nombreux défis scientifiques et entre autres :

• la validation temporelle, à travers l’étude de l’ordonnancement des traitements sur les cœurs de calcul, leurs migrations éventuelles, leurs placements, etc. ;

• le calcul de pire durée d’exécution d’un traitement, en fonction des migrations éventuelles. Dans certains cas, de nombreuses migrations simultanées peuvent utiliser intensivement le réseau pour passer les données d’un cœur à un autre, et ainsi une migration peut au pire subir un délai très important. De même, sur certaines architectures avec caches hiérarchisés, la durée de déplacement des données en cache d’un cœur vers un autre dépend du placement des cœurs source et de la destination dans la hiérarchie de caches ;

• le routage et l’optimisation de l’utilisation du réseau reliant les cœurs de calcul : on parle de NOC (Network On Chip).

• Les accès simultanés à des ressources partagées (p.ex., mémoire) peuvent mener à une dégradation significative du temps d'exécution des programmes.

Cet article se focalise sur l’ordonnancement et la validation temporelle sur systèmes multicœurs. La problématique étant en elle-même complexe, l’aspect surcoût éventuel lié aux migrations est le plus souvent négligé dans les modèles utilisés. Cependant, il faut avoir conscience du fait que les migrations, surtout lorsqu’elles sont nombreuses et simultanées, n’ont dans la réalité pas un coût négligeable.