Estudo, implementação e avaliação de um sistema de tempo real na plataforma RaspberryPi

Tese de mestrado, Arquitetura, Sistemas e Redes de Computadores, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015A maioria dos sistemas operativos e do hardware comerciais que existem para implementar sistemas de tempo-real têm associados custos muito elevados. Este trabalho pretende demonstrar se é possível construir um sistema de tempo-real com componentes de baixo custo e genéricos. Antes de definir o sistema que se iria implementar é feita uma revisão de alguns conceitos de tempo-real (e.g. classes de tempo-real e escalonamento) e uma pesquisa de sistemas operativos também de tempo-real (e.g. RTEMS, VxWorks) para que existissem termos de comparação com os componentes escolhidos para o trabalho. Deste modo, neste trabalho é usada a plataforma RaspberryPi de baixo custo, o sistema operativo Raspbian com o patch PREEPT RT e a ferramenta Safety Kernel, definido pelo KARYON, para gestão temporal de alguns componentes do sistema. Como não existia ainda um sistema implementado com estes três componentes uma parte deste trabalho passa primeiro por entender o que seria necessário para a integração dos mesmos. Após a implementação da arquitetura definida pelo trabalho foram feitos testes de desempenho ao sistema, inicialmente para garantir que se tinha capacidade de preempção por parte do escalonador do sistema operativo, numa segunda fase para testar os diferentes modos de definir a preempção para os processos (manual ou automática) e finalmente para perceber que tipo de desempenho se tinha comparativamente a outros trabalhos realizados com o Safety Kernel. Esta última fase de testes era especialmente importante por se ter expectativas de um aumento no desempenho do sistema implementado. Os resultados finais para os tempos obtidos com a arquitetura desenvolvida neste projeto mostram de facto um aumento de desempenho (valores dos tempos obtidos foram mais baixos) face aos resultados de trabalhos anteriores, no entanto não corresponderam exatamente ao que era esperado. Deste modo este trabalho mostrou que é possível ter um sistema, com garantias temporais razoáveis, de baixo custo e com componentes genéricos.The majority of commercial operating systems and hardware that exists for implementing real-time systems have a very high cost associated to them. This work serves to demonstrate if it is possible to build a real-time system with cheap and generic components. Before defining the system that was going to be implemented a revision of some real-time concepts (e.g. real-time classes and scheduling) and also a research of real-time operating systems (e.g. RTEMS and VxWorks) are presented, these serve has to have some level of comparison to the components chosen for this project. Thus, in this work the chosen components were the cheap RaspberryPi platform, the Raspbian operating system with the PREEMPT RT patch and the Safety Kernel tool, defined by KARYON, for managing the timeliness of some of the system components. Since no system implemented with these three components was ever tried, as a first step in this work there was a need to understand what was necessary to integrate said components. After implementing the architecture defined by this project several performance tests were made, initially to guarantee that the operating system’s scheduler was indeed able to preempt tasks, and following that to test the different ways to define preemption for processes (manual or automatic) and finally to understand what kind of performance the system had compared to other projects done with the Safety Kernel. This last round of tests was of special importance due to the fact that there were some expectations of an improvement of the implemented system’s performance. The final results for the times obtained with the architecture development by this project had in fact an improvement (lower values for the obtained times) when compared to the results of the other projects, although they match exactly the expectations. In the end, this work shows that it is possible to build a cheap system, with reasonable timeliness guarantees, with generic off-the-self components