Edge of Real-Time – considerazioni sulla programmazione real-time – pt.1

E

Edge of Real-Time
considerazioni sulla programmazione real-time – pt.1

William Cage: Lei è americano?
Sergente Farrell: No, sono del Kentucky.

Il bel Edge of Tomorrow è un film sul tempo, dove passato, presente e futuro si accavallano ed entrano in un loop infinito (ma quasi senza paradossi, notevole…), e mi offre un bello spunto per parlare della programmazione real-time, un tipo di programmazione dove il tempo gioca un ruolo fondamentale (N.B.: si parla di tempo di esecuzione, non del tempo necessario allo sviluppo di una applicazione: quello è la croce di molti programmatori, ma è tutta un’altra storia… ah ah ah).

edge of real-time
…grazie al real-time riesco a fare anche questo…

Veniamo al dunque: cosa è una applicazione real-time? Prima di dirlo farò una piccola premessa: in questa parte sto per ripetere concetti stra-conosciuti a chi mastica già l’argomento, ripetendo spiegazioni che usano quasi le stesse frasi (al limite del plagio) e che potete trovare in mille altre pagine sull’argomento: il fatto è che non posso parlare di real-time senza introdurlo, ed è impossibile farlo senza che sembri una copia di una descrizione già vista (giuro: ho trovato articoli sul real-time che sembrano fatti col copia-e-incolla, ma è inevitabile: sono quatto argomenti ben precisi e sintetici, ed è difficile descriverli in maniera molto originale). Indi per cui: chi vuole può saltare tutta l’introduzione, anzi può andare direttamente al “Ciao, e al prossimo post!”. Saluti e baci.

E torniamo al dunque:

"Una applicazione real-time è una applicazione che esegue le sue attività con dei tempi garantiti"

Questa frase è del sottoscritto, l’ho sfornata proprio ora, ma magari l’ho copiata: il subconscio gioca brutti scherzi e ho letto molta (forse troppa) roba su questo argomento. La frase qua sopra nasconde già una insidia: “ma allora un sistema veloce è un sistema real-time!”. La risposta è NO: una applicazione veloce, ben scritta con un linguaggio adatto (in C, no? Se no che ci stiamo a fare qui?) e che gira su un computer molto veloce dotato di un buon sistema operativo (Linux, ovviamente…) potrebbe dare l’impressione di essere real-time con la sua grande velocità di risposta, ma in realtà non garantisce SEMPRE la velocità che ti aspetti, quindi non è veramente real-time. La parte importante della frase qui sopra è “tempi garantiti”, magari lunghi, ma garantiti.

Il caso che ho appena descritto come sbagliato offre lo spunto per il passo successivo: una applicazione real-time non è solo una applicazione, ma è un vero e proprio sistema composto da Sistema Operativo + Software + Hardware:

  1. Sistema Operativo: deve essere di tipo real-time (RTOS per gli amici).
  2. Software: deve essere scritto rispettando lo “stile real-time” previsto dal RTOS prescelto, usando un linguaggio adatto (tipicamente il C, ma se ne usano anche altri).
  3. Hardware: deve essere adatto alle esigenze del RTOS prescelto.

Devo evidenziare una caratteristica della tabellina qua sopra: tutti i punti elencati sono condizioni necessarie ma non sufficienti, nel senso che o sono rispettati tutti e tre o non potremo ottenere prestazioni real-time.

(…ho saltato un caso particolare che non è argomento di questa trattazione: è possibile realizzare sistemi con prestazioni real-time anche programmando Hardware senza sistema operativo (programmazione “bare-metal”), in C o addirittura in Assembler, ma anche questa è un altra storia…)

Ci manca solo un ultimo punto da descrivere: esiste un solo tipo di real-time? No, ce ne sono due, Hard e Soft (più un terzo, il Firm, che praticamente corrisponde col Soft, quindi lo saltiamo):

  • Hard real-time: è, in realtà, l’unico che può fregiarsi del titolo real-time: un sistema di questo tipo garantisce i tempi previsti SEMPRE. In gergo del settore: “non tollera il fallimento di nessuna deadline” dove per deadline si intende il limite temporale massimo oltre il quale una attività DEVE essere completata, pena il degrado irrimediabile del sistema controllato (provate a pensare a una centrale nucleare controllata da un sistema non real-time… bum!).
  • Soft real-time: si comporta, NORMALMENTE, come un vero sistema real-time, ma tollera il fallimento di QUALCHE deadline sporadica, con un degrado di funzionamento statisticamente accettabile.

E adesso non ci sta male una breve panoramica (non esaustiva e, perlopiù, soggettiva: metterò solo quelli che mi piacciono) dei sistemi operativi, di tipo RTOS, disponibili e raccomandabili per realizzare sistemi Hard real-time:

  • QNX – Proprietario, POSIX-compliant. È un vero e proprio UNIX real-time, basato su un microkernel real-time.
  • LynxOS – Proprietario, POSIX-compliant. Anche questo è un vero e proprio UNIX real-time, basato su un kernel monolitico real-time.
  • VxWorks – Proprietario, POSIX-compliant. Molto completo, basato su un kernel monolitico real-time.
  • RT-Linux – Open source, POSIX-compliant. È, in parole povere, un microkernel real-time su cui gira un Linux standard come processo a bassa priorità.
  • RTAI-Linux – Open source, POSIX-compliant. È, come RT-Linux, un microkernel real-time su cui gira un Linux standard come processo a bassa priorità.
  • NuttX – Open source, POSIX-compliant. Molto compatto e, quindi, adatto anche a sistemi embedded semplici. Basato su un microkernel real-time.

E, fuori dalla lista (perché non è un sistema operativo completo), aggiungerei anche il buon FreeRTOS, un RTOS compattissimo e leggerissimo (è quasi solo uno scheduler) studiato ad-hoc per sistemi embedded semplici che non necessitano di tutte le funzionalità avanzate fornite dai sistemi POSIX. È una ottima alternativa (ma non è l’unica) alla programmazione embedded “bare-metal”, quella senza sistema operativo.

Una parentesi a parte la merita il Linux standard, che, dal kernel 2.6 in avanti, ha delle estensioni real-time che si possono attivare ed usare congiuntamente a una scheduling-policy dello scheduler di tipo SCHED_FIFO o SCHED_RR (al posto di quella di default, che è SCHED_OTHER, come già citato nel mio articolo sulla sched_yield(2)). In questa maniera Linux standard può eseguire egregiamente attività di tipo Soft real-time. Meglio che niente, no?

E un’altra parentesi bisogna spenderla sulle prestazioni assolute di questi RTOS: anche se nella introduzione dell’articolo ho ricalcato sul fatto che il real-time è “rispetto dei tempi” e non necessariamente velocità, tutti gli RTOS descritti sopra sono anche velocissimi, perché, essendo progettati per adempiere ai compiti più svariati, devono per forza tentare di fornire “tempi garantiti” anche quando si ha bisogno di risposte velocissime (avionica, centrali nucleari, ecc.). Quindi, ad esempio, QNX e compagni hanno tempi di latenza per le interruzioni e tempi di context-switch dell’ordine dei microsecondi (!). Invece Linux standard in modo soft real-time può fornire prestazioni dell’ordine dei millisecondi (e anche in questo caso: meglio che niente, no?).

Per oggi può bastare, abbiamo analizzato il punto 1 della prima tabella (lo ammetto, ho descritto cose abbastanza semplici da reperire qui e là, ma almeno qua le trovate tutte insieme…). Nella seconda parte (che non necessariamente sarà il prossimo articolo…) parleremo del punto 2 della tabella, il Software in stile real-time, che è un argomento un pelino più complicato. E, ancora una volta, non trattenete il respiro nell’attesa!

Ciao, e al prossimo post!

A proposito di me

Aldo Abate

È un Cinefilo prestato alla Programmazione in C. Per mancanza di tempo ha rinunciato ad aprire un CineBlog (che richiede una attenzione quasi quotidiana), quindi ha deciso di dedicarsi a quello che gli riesce meglio con il poco tempo a disposizione: scrivere articoli sul suo amato C infarcendoli di citazioni Cinematografiche. Il risultato finale è ambiguo e spiazzante, ma lui conta sul fatto che il (si spera) buon contenuto tecnico induca gli appassionati di C a leggere ugualmente gli articoli ignorando la parte Cinefila.
Ma in realtà il suo obiettivo principale è che almeno un lettore su cento scopra il Cinema grazie al C...

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