Considerazioni real-time e latenza

Un sistema in tempo reale deve rispondere entro una deadline. Il mancato rispetto delle deadline causa un errore:

• Tempo reale hard — il mancato rispetto della deadline comporta un guasto del sistema (apparecchiature medicali, avionica)
• Tempo reale soft — il mancato rispetto delle deadline riduce la qualità, ma viene tollerato (audio, video)

Il codice in tempo reale privilegia tempi prevedibili rispetto alle prestazioni di picco. È preferibile una funzione che impiega sempre 10 us rispetto a una che impiega da 1 a 20 us.

Le operazioni sull'heap sono imprevedibili: frammentazione e decisioni dell'allocatore possono variare. Allocate all'avvio e riutilizzate la memoria. Gli standard di codifica per sistemi embedded spesso vietano new al di fuori dell'inizializzazione.

Il costo del lancio di un'eccezione è imprevedibile. La maggior parte del codice C++ in tempo reale viene compilata con -fno-exceptions.

Le funzioni virtuali aggiungono un'indirezione e possono compromettere la previsione dei branch. Utilizzate i template o CRTP per il polimorfismo statico.

I lock possono causare un'inversione di priorità: un thread a bassa priorità che detiene un lock blocca un thread a priorità elevata. Le strutture dati lock-free evitano questo problema.

Se dovete utilizzare dei lock, preferite quelli che supportano l'ereditarietà della priorità: il sistema operativo aumenta temporaneamente la priorità del thread che detiene il lock.

Analizzate il percorso peggiore del codice. Gli strumenti e l'analisi manuale stimano il numero massimo di cicli che una funzione può impiegare. Il WCET guida le decisioni di scheduling.

Per il tempo reale hard, utilizzate un RTOS (FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) oppure l'esecuzione bare-metal. I sistemi operativi general-purpose possono ritardare indefinitamente l'esecuzione del vostro task.

Le mancate corrispondenze nella cache e nella TLB causano stall imprevedibili. Bloccate i dati nella cache oppure utilizzate la scratchpad RAM per le sezioni più critiche.

Allocate da pool di dimensioni prestabilite invece di utilizzare l'heap generale. Le operazioni di allocazione e deallocazione hanno tempo costante. Molti progetti C++ embedded ne fanno uso esclusivo.

Le prestazioni su una workstation hanno poco a che vedere con quelle su un MCU. Eseguite sempre i benchmark sull'hardware di destinazione con un carico realistico.

Il C++ in tempo reale privilegia la prevedibilità rispetto alle prestazioni di picco. Evitate heap, eccezioni, chiamate virtuali e lock gestiti dal sistema operativo. Utilizzate memoria statica, pool di memoria e strutture lock-free, quindi analizzate il tempo di esecuzione nel caso peggiore. Eseguite il profiling sull'hardware di destinazione.