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EnglishRÉSUMÉ
Le but fondamental des systèmes d'exploitation (Operating Systems ou OS) est de fournir aux applications des services permettant de rendre transparent le partage des ressources et les accès au matériel. De nombreux équipements enfouissent des circuits contenant un ou plusieurs processeurs ainsi que des coprocesseurs spécialisés. Ces circuits, fortement contraints en surface et puissance de calcul, et pour lesquels les tâches à exécuter sont au moins partiellement connues d'avance, imposent l'utilisation d'un système d'exploitation, même minimaliste. Ainsi, pour traiter un flot de données ininterrompu ou exécuter des programmes, l'OS pourra être spécialisée, pour en simplifier le code et en maximiser les performances.
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Frédéric Pétrot : Docteur es sciences de l'université Pierre et Marie Curie (Paris VI) - Professeur à l'Ensimag, Institut polytechnique de Grenoble
INTRODUCTION
Les systèmes embarqués et/ou intégrés rappellent par certains côtés les ordinateurs d'antan, par les ressources limitées dont ils disposent. Ceci conduit à des besoins de compacité de code et à une exploitation optimisée du matériel qui n'est plus de mise dans les systèmes informatiques actuels où l'abondance de ressources de calcul et de mémorisation est la règle. Que l'on ne s'y trompe pas cependant : comparaison n'est pas raison, et les systèmes informatiques embarqués d'aujourd'hui sont souvent bien plus performants que leurs prédécesseurs non embarqués, mais ils sont aussi extrêmement contraints, et les quelques kilo-octets, microsecondes ou milliwatts qui sont épargnés par un système d'exploitation ad hoc seront toujours utiles à l'application, pour permettre de faire fonctionner mieux, de manière plus sûre et plus longtemps un appareillage. Globalement, le but d'un système d'exploitation consiste à abstraire et partager les ressources matérielles pour simplifier l'écriture des applications. Les systèmes d'exploitation des ordinateurs modernes visent à optimiser les temps de réponses moyens pour l'utilisateur face à un clavier et une souris, quitte à requérir de nombreuses ressources à un instant donné pour garantir cet objectif. Dans le monde de l'embarqué, un tel objectif n'a souvent pas de sens, car il n'y a pas d'utilisateur à proprement parler et la notion assez subjective et mal formalisée de temps de réponse acceptable est clairement inadaptée. Les systèmes d'exploitation pour les systèmes embarqués ont en général besoin de contraintes clairement précisées pour réaliser les services qu'ils sont censés fournir. Ces critères peuvent être liés à la performance temporelle, par exemple sur la latence minimale et maximale du traitement des interruptions, en espace mémoire maximal requis, en capacité de contrôle du matériel en vue par exemple de la basse consommation, etc. Les systèmes pour lesquels la réalisation d'une action doit être faite dans un laps de temps prédéfini, potentiellement de manière répétée, sont dits temps réel. Ils ont une importance particulière dans le monde de l'embarqué, car le contrôle du déclenchement d'un air bag ou le décodage d'une vidéo n'ont d'intérêt que si l'action est réalisée dans le temps imparti.
Par ailleurs, les méthodes de construction des systèmes d'exploitation ont évolué au cours du temps et permettent aujourd'hui de n'inclure que les parties qui sont utiles à la fois à l'application, si celle-ci est connue d'avance, ce qui est le cas bien souvent, et au matériel. Elles permettent ainsi de construire un système « sur mesure » qui maximise l'efficacité de l'appareil. L'intégration posant des questions cruciales de rendement et de flexibilité, les systèmes intégrés actuellement en cours de conception tendent à inclure plusieurs (voire de nombreux) processeurs. La gestion de ces nombreux processeurs, qui peuvent être de type identiques ou différents, par exemple un processeur à usage général et un processeur de traitement de signal, a clairement un impact sur les systèmes d'exploitation destinés à être embarqués.
La plupart des applications intégrées actuelles font appel à des algorithmes qui sont très gourmands en termes de ressources mémoire et de capacité de calcul. Ainsi, les systèmes électroniques embarqués, du moins ceux qui visent les appareillages grand public, doivent non seulement être d'un coût très faible mais ils doivent de plus fournir une performance très élevée. Ce faible coût implique une faible consommation, car cela seul permet l'utilisation de boîtiers plastique à faible coût (par opposition aux boîtiers en céramique) et l'absence de radiateur et de ventilateur. La solution utilisée dans le passé pour satisfaire ces contraintes a été de développer du matériel ad hoc : il est généralement admis que le nombre de MIPS (millions d'instructions par seconde) par watt (unité de mesure de la performance vis-à-vis de la consommation) est de deux à trois ordres de grandeur plus élevé dans le matériel spécialisé que dans le logiciel. Cependant, les applications récentes sont peu pérennes à cause de l'évolution continue et en profondeur des différents standards sur lesquels elles se basent. Ainsi, les solutions purement matérielles ne sont plus acceptables car elles ne permettent pas une flexibilité suffisante pour s'adapter au besoin, et les solutions au moins partiellement programmables sont maintenant la règle. En conséquence, il est à présent reconnu que des systèmes d'exploitations dédiés sont nécessaires.
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1988 par Françoise MOIREAU
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5. Multiprocesseur
Pour les OS incluant clairement la notion de tâche, soit les deux cas « multitâches » que nous venons de présenter, on peut ajouter une dimension multiprocesseur. En effet, une enquête [4] menée en 2006 a montré que 80 % des systèmes intégrés incluaient au moins deux processeurs, et l'ITRS [5] prédit une explosion du nombre de processeurs. C'est une nouvelle donne que les systèmes d'exploitation pour les systèmes embarqués doivent intégrer.
La stratégie de gestion des différents processeurs varie en fonction de l'architecture matérielle envisagée.
Pour des architectures homogènes, c'est-à-dire avec un seul type de processeur et une architecture mémoire régulière, on va généralement opter pour un système d'exploitation dit « symétrique » (SMP ou Symmetric Multiprocessing). Dans cette situation, un unique OS est utilisé par l'ensemble des processeurs. Lors du boot, tous les processeurs vont charger leurs instructions à partir de la même adresse, et le code exécuté est identique jusqu'au moment où l'on utilise un identifiant unique de processeur dans une condition pour discriminer les codes. Cet identifiant se trouve dans un registre interne du processeur et peut être positionné soit lors de l'instanciation du processeur dans l'architecture, soit dynamiquement lors du boot. L'OS est bâti autour d'une structure de données unique qui gère la liste de l'ensemble des tâches qui existent dans le système. Cette structure doit donc être placée dans un espace mémoire unique (tous les processeurs doivent avoir la même vision des adresses) et cohérent.
Le pseudo-code ci-après donne le principe du code permettant, après les initialisations du matériel, de lancer un OS sur un ensemble de processeurs. Chaque processeur contient un registre permettant de l'identifier de manière unique, et cet identifiant est calculé dynamiquement lors du démarrage du système d'exploitation.
Il est nécessaire, pour bien comprendre le code ci-dessous, d'être conscient que la fonction __init() est exécutée concurremment par tous les processeurs du système. En particulier, les variables globales peuvent être accédées en même temps si non protégées par un verrou, ce qui explique l'usage de la fonction get_proc_id() pour déterminer quel est le processeur qui est en train d'exécuter le code.
/* variable globale indiquant si les structures de l'OS sont créées */
static...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERRY (G.) - L'informatique embarquée, - discours prononcé lors de la séance solennelle de réception des nouveaux membres à l'académie des sciences, (2003).
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(2) - PÉTROT (F.) et WAJSBÜRT (F.) - Circuits Intégrés, - Encyclopædia Universalis, (1998).
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(3) - PATTERSON (D. A.) et HENNESSY John (L.) - Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface, - quatrième édition, Morgan Kauffman, (2008).
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(4) - ROMAN (D.) - By the Numbers : 44 % of current projects use two or more processors, - Electronic Engineering Times (EETimes), p.–29, (2006).
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(6) - YAGHMOUR Karim MASTERS Jon, BEN-YOSSEF (G.), GERUM (P.) - Building...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Google. Android http://developer.android.com/index.html
DSpace, Inc. dSpace. http://www.dspaceinc.com.
The Mathworks. Real-Time Workshop. http://www.mathworks.com/products/rtw/
eCos Centric Limited. The eCos Operating System. http://ecos.sourceware.org/
QNX Software System. The QNX Operating System. http://www.qnx.com
WindRiver. The VxWorks Operating System. http://www.windriver.com
Microsoft. The Windows CE Operating System. http://www.microsoft.com/windowsembedded
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