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Syst` emes temps r´ eel et syst` emes embarqu´ es
Elements d’architecture des ordinateurs
Jacques Gangloff, Lo¨ ıc Cuvillon
12 f´ evrier 2008
Bibliographie
Bibliographie
– Livres :
–Architecture et technologie des ordinateurs, P.Zanella et Y.Ligier, Dunod,
1998.
–Architecture de l’ordinateur, 5` eme ´ edition, Andrew Tanenbaum, Pearson
education, 2005. Une r´ ef´ erence : par le cr´ eateur de l’OS minix, extrˆ emement
d´ etaill´ e.
–Syst` emes d’exploitation, 2` eme ´ edition, Andrew Tanenbaum, Pearson educa-
tion, 2003.
– WEB :
–http ://www.intel.com
–http ://en.wikipedia.org
– Iconographie : wikip´ edia et A. Tanenbaum
Acronymes
Acronymes
– DMA : Direct Memory Access
– FSB : Front Side Bus
– INT : Interruption
– IRQ : Interrupt ReQuest
– ISR : Interrupt Service Routine
– MMU : Memory Management Unit
– OS : Operating System
– PIC : Programmable Interrupt Controleur
– RAM : Random Access Memory
– RTC : Real Time Clock
Note
Le Propos
– quelques ´ el´ ements d’architecture des ordinateurs pertinents pour les syst` emes
temps r´ eel et embarqu´ es (en particulier ` a base de Linux).
1

Plan
Plan
Table des mati` eres
1 Le temps : Horloge et Timers 2
1.1 L’horloge temps r´ eel .......................... 2
1.2 Les timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Interruption 4
2.1 Contrˆ oleur d’interruptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Partage d’interruptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 M´ emoire 7
3.1 Mode r´ eel et prot´ eg´ e .......................... 7
3.2 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3 Pagination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Les entr´ ees-sorties (I/0) : adressage 14
4.1 I/O par port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 I/O mapp´ ees en m´ emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Rappel : Architecture des cartes-m` eres
Rappel : Architecture des cartes-m` eres
Northbridge
– contrˆ oleur m´ emoire (rafraˆ ıchissement, s´ election,.)
– bande passante ´ elev´ ee
– compatibilit´ e limit´ e avec 1 type de m´ emoire et 1 CPU
– terminologie Intel : Graphics and Memory Controller Hub (GMCH)
Southbridge
– d´ edi´ e aux bus de moindres d´ ebits
– peut inclure : DMA, RTC, PIC
– terminologie Intel : I/O Controller Hub (ICH).
2

1 Le temps : Horloge et Timers
1.1 L’horloge temps r´ eel
L’horloge temps r´ eel ou Real-time Clock (RTC)
– quartz 32.768 kHz (maximum≈30MHz)
– alimentation : batterie lithium ou supercondensateur
– avantages :
– ind´ ependante du reste du syst` eme (1 utilisation : r´ eveil programm´ e)
– sauvegarde de l’heure et du jour en absence d’alimentation
– inconv´ enients :
– consultation lente (I/O)
– r´ esolution faible (ms : milliseconde)
Circuit int´ egr´ e RTC
Puce southbridge (RTC inclus)
3

1.2 Les timers
Les timers
Programmable Interrupt Timer (PIT)
– compteurs programmables en mode one-shot ou p´ eriodique
– r´ esolution temporelle : µs
– un des compteur est utilis´ e comme ”timer syst` eme”
– le timer syst` eme g´ en` ere l’INT de plus haute priorit´ e : l’INT timer (IRQ 0)
– Ex : puce intel 825x, inclus dans le southbridge ` a l’adresse I/O : 0x40-43
Time Stamp Counter (TSC)
– compteur (registre) 64 bits interne au CPU ix86
– incr´ ementation de 1 ` a chaque signal d’horloge CPU
– 190 ans pour le remplir ` a 3GHz, r´ esolution : nanosecondes (ns)
– accessible par une instruction processeur (asm) ”RDTSC”
Timers
Linux : usage des timers
– variable kernel xtime
– initialis´ ee ` a partir de la Real Time Clock
– fr´ equence de rafraˆ ıchissement 1000Hz
– usage : gettimeofday()
– variable kernel jiffies
– variable 32 bits
– incr´ ement´ ee ` a chaque interruption timer (100 ou 1000Hz pour linux, d´ efini ` a
la compilation du kernel)
– utilis´ ee par le noyau et pour la fr´ equence de r´ eordonnancement des threads
– usage : void init timer (struct timer list* timer) et scheduler tick()
– registre TSC
– la meilleur r´ esolution (ns)
– usage : rtdsc(low,high), lecture en 2 variable 32 bits du TSC
– utilis´ e par le Linux temps r´ eel Xenomai sur architecture intel386
2 Interruption
Interruption
D´ efinition d’une interruption mat´ erielle
– signal sur une broche (INT) du CPU d´ eclenchant l’ex´ ecution d’une routine
– notification au CPU d’´ ev´ enements asynchrones en provenance des p´ eriph´ eriques
(ex : touche enfonc´ ee, fin d’un transfert m´ emoire)
–´ economie pour le CPU du temps de scrutation des p´ eriph´ eriques
4

CPU
RAM
(controleur)
I/O (1)
(controleur)
I/O (2)
CPU
RAM
(controleur)
I/O (1)
(controleur)
I/O (2)
Entrée−Sortie programmée avec attente de disponibilité Entrée−Sortie programmée avec interruption
INT
INT 1
INT 2
PIC
Scrutation périodique par le CPU
de l’état du périphèrique
Interruption
Exemple : convertisseur analogique-num´ erique S´ eliatec
– une interruption est utilis´ ee pour notifier au CPU que la conversion de la tension
analogique en valeur num´ erique est achev´ ee
1. la conversion d´ emarre par une ´ ecriture fictive sur le port d’un des convertisseurs
analogique-numeriques
2. une interruption est g´ en´ er´ ee par la carte seliatec en fin de conversion
3. le CPU notifi´ e, ex´ ecute l’ISR correspondant :
– lecture d’un registre de la carte indiquant quel CNA a fini la conversion ; cette
lecture d´ esactive l’interruption
– lecture de la valeur de la tension dans un registre de la carte
2.1 Contrˆ oleur d’interruptions
Contrˆ oleur d’interruptions
Gestion des interruptions
– d´ efinition de priorit´ es pour arbitrer les concurrences
– pr´ esentation d’une interruption ` a la fois au CPU
– n´ ecessit´ e de masquer des interruptions et de les m´ emoriser (buffer)
→Utilisation d’un contrˆ oleur d’interruption (PIC)
Note : Temps de r´ eponse (latence) ` a une interruption
– minimum : fonction du contrˆ oleur d’interruption et sa configuration
– maximum : fonction de l’OS (taille code critique non-interruptible + priorit´ e
d’ordre sup´ erieur qui retarde l’ex´ ecution)
–un OS temps r´ eel doit garantir un maximum
– ordre de grandeur de la latence (micro-secondes)
OS moyenne max min ´
ecart-type
Linux 2.6.12 15.8 179.9 15.2 1.3
Linux temps r´ eel (xenomai) 13.9 53.2 13.2 0.5
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