Desenvolvimento de um µkernel SMP de tempo-real para plataformas ARM multicore

Abstract

Vivemos numa era onde a aposta na tecnologia multicore é cada vez maior. Motivado pelo facto das arquiteturas singlecore terem atingido o limite da viabilidade do aumento do desempenho à custa do aumento da frequência de relógio, tornouse portanto inevitável a migração para as arquiteturas multicore. Naturalmente, esta também atingiu os dispositivos embebidos, que cada vez mais procuram incluir novas e mais complexas funcionalidades e simultaneamente reduzir o consumo energético. Contudo, o desenvolvimento de software (bare-metal) para este tipo de arquiteturas não é uma tarefa simples, muito porque a mudança de paradigma sequencial para paralelo não é trivial. Garantir requisitos como o time-to-market torna-se essencial num mercado cada vez mais competitivo, e por isso, recorre-se à utilização de sistemas operativos para simplificar e acelerar o desenvolvimento das aplicações. Os sistemas operativos que suportam multicore seguem sobretudo duas filosofias: AMP (Asymmetric Multiprocessing) e SMP (Symmetric Multiprocessing). A primeira abordagem caracteriza-se por apresentar um enorme overhead de memória, já que consiste na replicação da imagem do kernel pelos diferentes cores. Por sua vez, a segunda abordagem, como requer a inclusão de sincronismo no acesso aos recursos partilhados, pode comprometer o cariz de tempo-real do sistema. Neste sentido, a presente dissertação consiste no desenvolvimento de um sistema operativo de tempo-real (RTOS) baseado em microkernel e com suporte SMP. O conjunto de funcionalidades obrigatórias de um RTOS será implementado a partir da análise de três soluções existentes de referência (FreeRTOS, μC-OS/II, μTKernel). O suporte SMP será cuidadosamente desenhado para minimizar a necessidade de sincronismo, bem como garantir a escalabilidade da solução.

We live in the age where the applications of the multicore technology are growing. Motivated by the fact that the singlecore architecture has reached the limit of increasing performance at the expense of increasing clock frequency, the migration for multicore architecture became inevitable. Naturally, this reached the embedded field that increasingly sought to include new and complex functionalities and simultaneously reduce the power consumption. However, the software development, in bare-metal, for this architecture is not simplistic task, since the change from sequential paradigm to parallel is not trivial. Guaranteening time-to-market requirements, becomes essential in a market that is more and more competitive, and for this, we resort to the utilization of operating systems to simplify and accelerate the application development. Operating systems that support multicore , have essencially two philosophies: AMP (Asymmetric Multiprocessing) and SMP (Symmetric Multiprocessing). The first approach is characterized by presenting a huge memory overhead, since it has a replicated image of the kernel in all cores. In turn, the second approach requires the inclusion of synchronize mechanisms in access of shared resources, that may compromise the real-time nature of the system. In this sense, the present dissertation consists of the development of one realtime operating system (RTOS) based in microkernel and with SMP support. All obligatory functionalities of RTOS will be implemented based on the analyses of three existing reference solutions (FreeRTOS, μC-OS/II, μTKernel). The SMP support will be carefully designed to minimize the necessity of synchronization, as well as ensuring the scalability of the solution.