Considérations temps réel et latence

Un système temps réel doit répondre dans un délai donné. Le non-respect des échéances entraîne une défaillance :

• Temps réel strict — le dépassement d'une échéance constitue une défaillance du système (médical, avionique)
• Temps réel souple — le dépassement des échéances dégrade la qualité, mais reste toléré (audio, vidéo)

Le code temps réel privilégie un temps d'exécution prévisible aux performances maximales. Une fonction qui prend toujours 10 µs est préférable à une fonction qui prend de 1 à 20 µs.

Les opérations sur le tas sont imprévisibles : fragmentation et décisions de l'allocateur. Allouez au démarrage, puis réutilisez la mémoire. Les normes de programmation embarquée interdisent souvent new en dehors de l'initialisation.

Le déclenchement d'une exception a un coût imprévisible. La plupart du code C++ temps réel est compilée avec -fno-exceptions.

Les fonctions virtuelles ajoutent une indirection et peuvent perturber la prédiction des branchements. Utilisez des modèles ou CRTP pour une polymorphie statique.

Les verrous peuvent provoquer une inversion de priorité : un thread de faible priorité qui détient un verrou bloque un thread de priorité élevée. Les structures de données sans verrou évitent ce problème.

Si vous devez utiliser des verrous, privilégiez ceux qui prennent en charge l'héritage de priorité : l'OS augmente temporairement la priorité du thread qui détient le verrou.

Analysez le chemin le plus défavorable de votre code. Des outils et une analyse manuelle permettent d'estimer le nombre maximal de cycles qu'une fonction peut prendre. Le WCET guide les décisions d'ordonnancement.

Pour le temps réel strict, utilisez un RTOS (FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) ou une exécution sans système d'exploitation. Les OS généralistes peuvent retarder votre tâche indéfiniment.

Les défauts de cache et du TLB provoquent des blocages imprévisibles. Verrouillez les données dans le cache ou utilisez une RAM scratchpad pour les sections les plus critiques.

Allouez à partir de réserves prédimensionnées plutôt que du tas général. L'allocation et la libération s'effectuent en temps constant. De nombreux projets C++ embarqués s'appuient exclusivement sur ces réserves.

Les performances sur une station de travail ont peu de rapport avec celles obtenues sur un MCU. Mesurez toujours les performances sur le matériel cible avec une charge réaliste.

Pourquoi les allocations sur le tas posent-elles problème dans le code C++ temps réel ?

Le C++ temps réel privilégie la prévisibilité aux performances maximales. Évitez le tas, les exceptions, les appels virtuels et les verrous gérés par l'OS. Utilisez la mémoire statique, les réserves de mémoire et les structures sans verrou, puis analysez le temps d'exécution dans le pire cas. Mesurez les performances sur la cible réelle.