Évaluation de la virtualisation sur les systèmes temps-réel à criticité multiple et configuration des techniques d'allocation de ressources sur les systèmes d'exploitation temps-réel

Evaluation of a multiple criticality real-time virtual machine system and configuration of an RTOS's resources allocation techniques

• Auteur / Autrice : Mohamed El Mehdi Aichouch
• Direction : Isabelle Puaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 28/05/2014
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pautet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Puaut, Laurent Pautet, François Verdier, Jean-Christophe Prévotet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Verdier, Jean-Luc Béchennec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordonnancement (informatique)

Systèmes virtuels (informatique)

Temps réel (informatique)

Mots clés libres

Systèmes d'exploitation temps-réel

Real-time data processing

Virtual computer systems

Computer scheduling

Résumé

L'utilisation de la virtualisation dans le domaine des serveurs d'entreprise est aujourd'hui une méthode courante. La virtualisation est une technique qui permet de faire fonctionner sur une seule machine réelle plusieurs systèmes d'exploitation. Cette technique est train d'être adoptée dans le développement des systèmes embarqués suite à la disponibilité de nouveaux processeurs classiquement destiné à ce domaine. Cependant, il y a une différence de contraintes entre les applications d'entreprise et les applications embarquées, celleci doivent respecter des contraintes de temps-réel en réalisant leurs tâches. Dans nos travaux de recherche nous avons étudié l'impact de la virtualisation sur un système d'exploitation temps-réel. Nous avons mesuré le surcoût et la latence des fonctions internes du système d'exploitation déployé sur une machine virtuelle, et nous les avons comparés à celles du système installé sur une machine réelle. Les résultats ont montré que ces métriques sont plus élevées lorsque la virtualisation est utilisée. Notre analyse a révélé que la puce électronique doit inclure des mécanismes matériels qui assistent le logiciel de contrôle des machines virtuelles afin de réduire le surcoût de la virtualisation, mais il est aussi essentiel de choisir une politique d'allocation des ressources efficace afin de garantir le respect des contraintes de temps-réel demandées par les machines virtuelles. Notre second axe de recherche concerne la transformation d'un modèle de simulation d'un système d'exploitation vers des programmes exécutables sur un système-sur-puce. Cette transformation doit également préserver une caractéristique offerte par ce modèle qui est la facilité de configuration des techniques d'allocation de ressources. Pour transformer le modèle de système d'exploitation nous avons utilisé des techniques de l'ingénierie-dirigée par les modèles. Où dans un premier temps le modèle initiale est transformé vers un autre modèle, ensuite ce second modèle est à son tour transformé automatiquement en un code source. Pour assurer la configuration du système d'exploitation finale nous avons utilisé une librairie placée entre le système d'exploitation et l'application afin d'identifier les besoins de celle-ci en termes de ressources et adapter le système à ces besoins. L'évaluation des performances de la librairie a démontré la viabilité de l'approche.

In the domain of server and mainframe systems, virtualizing a computing system's physical resources to achieve improved sharing and utilization has been well established for decades. Full virtualization of all system resources makes it possible to run multiple guest operating systems on a single physical platform. Recently, the availability of full virtualization on physical platforms that target embedded systems creates new use-cases in the domain of real-time embedded systems. In this dissertation we use an existing “virtual machines monitor” to evaluate the performance of a real-time operating system. We observed that the virtual machine monitor affects the internal overheads and latencies of the guest OS. Our analysis revealed that the hardware mechanisms that allow a virtual machine monitor to provide an efficient way to virtualize the processor, the memory management unit, and the input/output devices, are necessary to limit the overhead of the virtualization. More importantly, the scheduling of virtual machines by the VMM is essential to guarantee the temporal constraints of the system and have to be configured carefully. In a second work and starting from a previous project aiming at allowing a system designer to explore a software-hardware codesign of a solution using high-level simulation models, we proposed a methodology that allows the transformation of a simulation model into a binary executable on a physical platform. The idea is to provide the system designer with the necessary tools to rapidly explore the design space and validate it, and then to generate a configuration that could be used directly on top of a physical platform. We used a model-driven engineering approach to perform a model-to-model transformation to convert the simulation model into an executable model. And we used a middleware able to support a variety of the resources allocation techniques in order to implement the configuration previously selected by the system designer at simulation phase. We proposed a prototype that implements our methodology and validate our concepts. The results of the experiments confirmed the viability of this approach.