En musique, jouer trop tard la note de bonne hauteur fait finalement une fausse note ! Mais bien qu’en informatique de gestion l’instant exact de réponse du système à une demande n’ait pas beaucoup d’importance, certains usages sont sensibles à la réponse en un temps limité garanti. Dans ce post, nous abordons des technologies disponibles pour réaliser des systèmes déterministes dans le temps (appelés « Temps réel dur »).
Ce type de système est bien connu des industriels (contrôle-commande), des avionneurs (calculateurs de vol), des spécialistes du traitement du signal (streaming audio vidéo)… Il n’est donc pas forcement demandé que le temps de réaction soit extrêmement court, mais que l’on soit sûr de l’arrivée de la réponse : un temps de réaction de quelques minutes peut être acceptable sur certains systèmes de régulation thermique par exemple, mais il doit être tenu.
Un des principes de fonctionnement est qu’un programme (appelé « Tâche ») qui s’exécute puisse être interrompu pour prendre en compte un événement extérieur. Typiquement, un opérateur qui appuie sur le bouton d’arrêt d’urgence d’un appareil doit être écouté par le calculateur de manière prioritaire. Une fois l’événement détecté, le programme interrompu est mis en attente et le programme de traitement de l’arrêt d’urgence démarre en un temps garanti. Il peut aussi être nécessaire de faire fonctionner à intervalle régulier un programme : changer l’état d’une lampe pour la faire clignoter par exemple. A tout instant il existe donc des programmes concurrents en attente et un programme qui s’exécute. Le programme en cours d’exécution pouvant être arrêté au profit d’un autre sur l’occurrence d’un événement.
Un système temps réel dispose de trois capacités fondamentales :
Cette dernière capacité crée la distinction « temps réel » d’un système d’information.
De nombreuses architectures de systèmes temps réel existent, mais nous aborderons ici la plus courante en deux couches : L’Operating System Temps Réel (OSTR) et l’application
En ce qui concerne l’Operating System Temps Réel :
Les services de l’OSTR sont utilisés par l’application, elle-même composée de programmes (tâches) qui attendent d’être lancés par l’ordonnanceur et qui utilisent les autres services de l’OSRT. On dispose donc d’une architecture très classique où l’application appelle les services du système d’exploitation temps réel. Un exemple typique est Xenomai.
De nombreux produits OSTR de ce type existent sur le marché : VxWorks, FreeRTOS, LynxOS…
Donc, rien de bien différent avec ce que l’on trouve dans une machine Unix. Les différences viennent essentiellement de la manière dont on répond aux interruptions, on ordonnance les tâches et on gère les accès concurrents aux ressources partagées. Ces différences font que le système est déterministe ou non dans son temps de réponse. Typiquement, le Garbage collector de Java occupe la CPU sur des périodes inconnues à l’avance et rend imprédictible l’instant de réponse d’un programme Java « ordinaire ». De même des boucles d’attente non interruptibles de l’OS peuvent causer des latences importantes et non déterministes.
La frontière entre système temps réel et système « ordinaire » apparait donc comme ténue sur le plan des principes. Il est alors intéressant de regarder jusqu'où ce constat se traduit sur les technologies disponibles.
L’informatique de gestion s’est particulièrement bien outillée durant les 20 dernières années avec notamment des langages plus sûrs tels que Java et .NET. L’offre Open Source s’est enrichie dans tous les domaines d’application (serveurs d’application, frameworks, bases de données, middlewares…). Ces facilités technologiques ont aussi irrigué le monde de l’informatique industrielle, mais de façon un peu moins visible pour différentes raisons : les plateformes d’exécution sont souvent contraintes en termes de place mémoire et de puissance CPU (prix, poids, volume, consommation électrique…) ; les OS Temps Réels spécifiques dominent le marché à cause de leur adaptation aux besoins, les méthodes de conception s’intéressent de près au temps de réponse.
Avec des technologies logicielles de gestion plus orientées « événement » et le prix des MIPS et des GO de RAM qui baisse continuellement, on observe que ces technologies gourmandes sont de plus en plus utilisées par l’informatique industrielle. Réciproquement, la garantie du service rendu en un temps contraint offre des perspectives intéressantes aux applications de gestion : transactions financières à basse latence (http://www.sun.com/solutions/documents/pdf/fn_lowlatency.pdf), Business Intelligence temps réel (http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_business_intelligence) par exemple.
Ainsi, la convergence technologique de l’informatique de gestion et de l’informatique industrielle progresse grâce : - aux langages de haut niveau qui prennent en compte des contraintes événementielles et de parallélisme, - à la baisse des coûts matériels, - aux performances élevées des plateformes, - à l’énorme librairie logicielle Open Source.
Voici quelques technologies « de gestion » désormais assez matures qui permettent de construire des systèmes temps réels :
Au niveau de l’application, sa conception s’appuie souvent sur des méthodes et outils spécifiques (ateliers intégrés). On peut noter que l’usage d’UML est adapté pour représenter les contraintes du temps réel et est répandu. Mais ces spécificités se retrouvent pas ou peu dans l’outillage de conception de l’informatique de gestion. Est-ce un frein pour autant ? Non, car comme nous le montrerons, ces bases de convergences sont suffisantes pour concevoir et réaliser des systèmes temps réel de qualité.
Il apparait des opportunités de plus en plus visibles « d’échanges » technologiques et de cross fertilisation entre informatique de gestion et informatique industrielle « temps réel ». De nombreux composants de gestion existent et peuvent être assemblés dans des architectures temps réel industrielles. La possibilité de prendre en compte des contraintes de déterminisme temporel dans les langages de haut niveau est prometteuse. C’est pour cela que nous mettrons en pratique ces idées sur Java Temps Réel dans des prochains posts : Construction de la plate-forme et écriture d’applications.