Análise de tempo de resposta de tarefas no sistema operacional FreeRTOS

Abstract

Os sistemas operacionais de tempo real (SOTR) são usados pela indústria para construir aplicações que possuem requisitos de temporização suave (soft real-time). Um sistema de tempo real é dividido em tarefas, que são fragmentos de código que possuem restrições temporais. Cada tarefa de um sistema de tempo real possui um tempo de execução e um tempo mínimo entre ativações sucessivas. Idealmente, um SOTR não deve ter impacto temporal na execução de sistemas de tempo real. No entanto, os algoritmos e estruturas de controle de um SOTR tem influência nos aspectos temporais de uma tarefa. Em um cenário mais realista, os módulos de um SOTR deveriam ser determinísticos para que sua influência no sistema fosse visível e previsível, porém, isto é algo fora da realidade. As influências temporais de um SOTR são chamadas de overheads, que são execuções de rotinas internas de microkernel para gerenciar tarefas em execução em um microprocessador. Dessa forma, o objetivo dos projetistas de um SOTR é minimizar os overheads impostos pelo microkernel nas tarefas de aplicação em tempo real. O Worst-Case Execution Time (WCET) de uma tarefa é o tempo de processador que a tarefa leva do início ao fim de sua própria execução em seu pior cenário. O Worst-Case Response Time (WCRT) é o tempo que a tarefa leva da chegada à conclusão, considerando as interferências, release jitters e bloqueios que recebe de outras tarefas do sistema e do próprio microkernel. Quando um SOTR é usado, o overhead causa influência no tempo de resposta de cada tarefa, por isso é importante conhecer o comportamento temporal dos overheads e como eles podem influenciar o tempo de resposta do sistema. O microkernel FreeRTOS é de código aberto e distribuído com uma licença MIT. É também um SOTR flexível e adaptável em vários modelos de sistemas, tais como: Executivo cíclico com ou sem interrupções, tarefas aperiódicas ou periódicas, criação de tarefas em tempo de execução e prioridades fixas ou dinâmicas. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise de WCRT de tarefas no FreeRTOS quando executado na arquitetura ARM Cortex-M4. Os modelos algébricos criados foram utilizados em comparação aos testes realizados na plataforma ARM. Os resultados obtidos pelos modelos algébricos quando comparados com os valores temporais coletados nos testes fornecem evidências que os modelos criados refletem o comportamento temporal de tarefas no microkernel.

Abstract: Real-Time Operating Systems (RTOS) are used by the industry to implement applications which have soft timing requirements (soft real-time). A Real-Time application is divided in tasks, that are code snippets that have temporal constraints. Each task of a real-time application usually has a execution time and a period. Ideally, a RTOS should have no temporal impact on the execution of real-time applications. However, the algorithms and control structures of a RTOS have influence on temporal aspects of a task. In a idealistic scenario, the RTOS modules should be deterministic, so their temporal influence on applications would be visible and predictable, however that is not our reality. The temporal influences of a RTOS are called overheads, which are executions of internal microkernel routines for managing tasks running on a microprocessor. In that way, the objective of the designers of a RTOS is to minimize the overheads imposed by the microkernel on the real-time application tasks. The Worst-Case Execution Time of a task is the time that task takes from start to finish its own execution in its worst scenario. The Worst-Case Response Time is the time that task takes from arrival to conclusion considering the interference, release jitters and blocking it receives from other system tasks and the microkernel itself. When a RTOS is used, the overhead cause influences in the response time of each task, so it is important to know the temporal behavior of the overheads and how they can influence application response time. FreeRTOS is an open-source microkernel project distributed with a MIT license. FreeRTOS is a flexible and adaptable RTOS in many system models, such as: Cyclic executive with or without interruptions, aperiodic or periodic tasks, creation of tasks at run time and fixed or dynamic priorities. The goal of this work is to present a Worst-Case Response Time analysis of FreeRTOS tasks when it runs on the ARM Cortex-M4 architecture. The algebraic models created were used in comparison to tests performed on the ARM platform. The results obtained by algebraic models when compared with the temporal values collected in the tests provide evidence that the created algebraic models reflect the tasks temporal behavior in the microkernel.