Considerações de tempo real e latência

Um sistema de tempo real deve responder dentro de um prazo. Não cumprir os prazos causa falhas:

• Tempo real rígido — perder o prazo é uma falha do sistema (sistemas médicos, aviônica)
• Tempo real flexível — perder prazos reduz a qualidade, mas é tolerado (áudio, vídeo)

O código de tempo real valoriza um tempo de execução previsível mais do que o desempenho máximo. É preferível uma função que sempre leve 10 µs a uma que leve de 1 a 20 µs.

As operações no heap são imprevisíveis — fragmentação e decisões do alocador. Aloque na inicialização e reutilize. Os padrões de codificação para sistemas embarcados geralmente proíbem new fora da inicialização.

Lançar exceções tem um custo imprevisível. A maior parte do código C++ de tempo real é compilada com -fno-exceptions.

Funções virtuais acrescentam uma indireção e podem prejudicar a predição de desvios. Use modelos ou CRTP para obter polimorfismo estático.

Os bloqueios podem causar inversão de prioridade — uma thread de baixa prioridade que mantém um bloqueio impede a execução de uma thread de alta prioridade. Estruturas de dados sem bloqueios evitam esse problema.

Se precisar usar bloqueios, prefira os que oferecem herança de prioridade — o sistema operacional eleva temporariamente a prioridade da thread que mantém o bloqueio.

Analise o pior caminho pelo seu código. Ferramentas e análises manuais estimam o número máximo de ciclos que uma função pode levar. O WCET orienta as decisões de escalonamento.

Para tempo real rígido, use um RTOS (FreeRTOS, Zephyr, VxWorks) ou execute sem sistema operacional. Sistemas operacionais de uso geral podem atrasar sua tarefa indefinidamente.

As falhas de cache e de TLB causam esperas imprevisíveis. Mantenha os dados no cache ou use RAM local para as seções mais críticas.

Aloque a partir de reservas pré-dimensionadas em vez de usar o heap geral. A alocação e a liberação têm tempo constante. Muitos projetos C++ para sistemas embarcados dependem exclusivamente delas.

O desempenho em uma estação de trabalho tem pouca relação com o desempenho em um MCU. Sempre faça medições no hardware-alvo com uma carga realista.

Por que as alocações no heap são problemáticas em código C++ de tempo real?

O C++ de tempo real prioriza a previsibilidade em vez do desempenho máximo. Evite heap, exceções, chamadas virtuais e bloqueios gerenciados pelo sistema operacional. Use memória estática, reservas de memória e estruturas sem bloqueios, e analise o tempo de execução no pior caso. Faça o perfil no alvo real.