Kernel de tempo real assistido por hardware

Abstract

Vivemos na era em que um elevado número de sistemas computacionais fazem parte do nosso dia-a-dia. Muitas são as vezes, quando nós nem apercebemos da presença destes sistemas, devido a sua invisibilidade para utilizador, através da integração num sistema maior. Estes sistemas são designados de sistemas embebidos e são desenhados para realizar um conjunto de operações reduzido, enquadrado numa aplicação específica que visam desempenhar. Muitas das vezes, a utilização do sistema operativo é crucial para viabilidade destes sistemas computacionais. Existem sistemas embebidos que apresentam requisitos de tempo real, o que significa, que algumas das suas atividades podem ter uma restrição temporal, existindo deadline associado a sua conclusão. É neste contexto que surgem os sistemas operativos de tempo real, com o foco realçado na eficiência dos algoritmos de escalonamento, com o intuito de alcançar um comportamento de natureza determinística. Determinismo, como a métrica do desenvolvimento de sistemas informáticos, provoca uma busca incessante por melhorias na redução do overhead computacional, consolidação da repetibilidade, cancelamento do jitter e redução das latências na resposta aos eventos. Neste âmbito, a presente dissertação implementa a migração da maioria dos recursos de um kernel de tempo real para hardware dedicado, com intuito de o potenciar, tirando proveito da natureza determinística do hardware e do paralelismo que este proporciona. Para além de ter um efeito positivo na redução do overhead da execução das tarefas do kernel, a referida migração também o tem no cancelamento do jitter e na redução das latências. Foi também implementada a unificação do espaço de prioridades das tarefas e interrupções. Foi possível exemplificar aspetos práticos como: porting do sistema operativo embebido, implementação dos recursos comuns de um kernel de tempo real em software e em hardware, caracterização de um sistema operativo embebido, implementação do SoC (System-on-a-Chip) e dos periféricos customizados no ambiente de software automatizado de projeto de sistemas embebidos baseados no dispositivo FPGA do fabricante Xilinx.

Nowadays we live in the era when a large number of computer systems are making part of our life. Often, we don’t realize the presence of these systems, due to its invisibility for the user through the integration into a larger system. These systems are called embedded and developed to perform a reduced set of operations, defined by a specific application which they aimed for. Often, the use of the operating system is crucial for viability of these computer systems. There are embedded systems that have real-time requirements, which mean that some of their activities may have a time restriction, existing deadline associated with its completion. It’s from this context that real-time operating systems arise, with an enhanced focus on efficiency of scheduling algorithms, in order to achieve deterministic behavior. Determinism, as one of design metrics for computer system development, causes a constant search for improvements on reduction of computational overhead, consolidation of repeatability, cancellation of jitter and reduction of latency in the response to events. In this context, this thesis implements the migration of most features of real-time kernel to dedicated hardware, with the purpose of its potentiation by taking an advantage of hardware’s deterministic nature and parallelism that it provides. Besides having a positive effect on reduction of the overhead related to execution of kernel services, the migration also has positive effects on the cancellation of jitter and reduction of latencies. An unification of tasks’ and interruptions’ priority spaces was also implemented. Also was possible to illustrate practical aspects such as: porting of an embedded operating system, implementation of common features of real-time kernel as software and as hardware, implementation of SoC (System-on-a-Chip) and custom peripherals by use of integrated development environment comprised for embedded systems based on FPGA devices manufactured by Xilinx company.