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.

1. EE3C Gestion des périphériques
Séance 7
Systèmes temps réel
et PRUSS
Sébastien Combéfis 28 mars 2017

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. 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. Merci !
Merci à Alexis Nootens pour son aide, 1
ma meilleure motivation !
1. Uniquement pour ce slide
4

5. Système temps-réel

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. PRU

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. AM355x
Diagramme blocs fonctionnel du processeur AM335x Sitara
18

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Livres de référence
ISBN
978-1-118-93512-5
ISBN
978-0-596-52968-0
35

36. Crédits
Photos des livres depuis Amazon
https://www.flickr.com/photos/energeticspell/4095522584
https://www.flickr.com/photos/andrewsan/8648625518
36