Distributed Real-Time Systems using Lingua Franca and Zephyr RTOS

Abstract

Sanntidssystemer krever nøye design, spesialisert maskinvare, og ofte bruk av små og skalerbare operativsystemer, som for eksempel Zephyr RTOS. Sanntidssystemer er ofte allerede distribuerte, eller kan ha mye nytte av et distribuert design. Distribuerte sanntidssystemer har fordeler relatert til redundans og balansering av beregningsoppgaver, men introduserer samtidig høyere kompleksitet til designet. Koordinasjonsspråk, som Lingua Franca (LF), kan være en lovende løsning på å håndtere interaksjoner mellom distribuerte noder. LF har et rammeverk for distribuert koordinasjon, men det er for øyeblikket kun tilgjengelig for Linux og MacOS. Dette prosjektet adresserer denne begrensningen ved å tilpasse rammeverket til Zephyr RTOS, noe som gjør det mulig å bruke det til mange nye applikasjoner. Meldingsforsinkelser så korte som 4 millisekunder oppnås med desentralisert koordinering, og initiell klokkesynkronisering er demonstrert til å være under ett millisekund. En demonstrasjon basert på rekonfigurering i smartnett utforskes, hvor bruk av logiske forsinkelser og "safe-to-process" (norsk: trygt-å-prosessere) perioder tillater eksplisitt manipulering av systemets reaksjonstid. Resultatene i denne rapporten er presentert for LF-teamet ved University of California, Berkeley, og bidrag er gjort til LF's åpne kildekode.

Real-time systems require careful design and specialized hardware, including the use of small and scalable real-time operating systems (RTOS), such as Zephyr RTOS. Real-time systems are often physically distributed by nature or could benefit from a distributed design. Distributed real-time systems offer benefits like redundancy and load balancing, but introduce additional design complexities. Coordination languages, such as Lingua Franca (LF), offer a promising solution for managing interactions between system nodes. LF provides a framework for distributed coordination, but it is currently only available for Linux and MacOS. This thesis addresses this limitation by adapting the framework to Zephyr RTOS, thus allowing use in a range of new applications. Message delays as low as 4 milliseconds are achieved with the decentralized coordination, and initial clock synchronization is found to be in the sub-millisecond order. A case based on self-healing in smart grids is explored, where using logical delays and safe-to-process offsets allow for explicit manipulation of the system's reaction time. The outcomes in this report have been presented to the LF team at the University of California, Berkeley, and contributions have been made to the open-source LF project.