Sistemas de Tiempo Real Planificación de Sistemas de Tiempo Real

Transcripción

1 Sistemas de Tiempo Real Planificación de Sistemas de Tiempo Real Javier García Martín

2 Capítulo 4 Planificación de Sistemas de Tiempo Real 1. Introducción 2. Ejecutivo Cíclico 3. Prioridades de tareas en Ada 4. Políticas de gestión de procesos en Ada 5. Protocolos de acceso a recursos 6. Planificación Monótona en Frecuencia (RMS) 7. Extensiones a la planificación RMS 8. Análisis del tiempo de respuesta 9. Planificación dinámica 2

3 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real 1.- Introducción Procesos Periódicos Recursos Comunes Procesos Aperiódicos T1 C1 D1 P1 RU11 RU12 FMax4 C4 T2 C2 R1 P4 D4 Rut-Int : : D2 T3 P2 C3 RU21 R2 RU22 FMax5 P5 C5 D5 Rut-Int : : D3 P3 3

4 Objetivo El objetivo es que todos los procesos cumplan sus plazos. Los motivos para dejar de cumplir un plazo: el retraso por la ejecución de procesos de mayor prioridad el tiempo de cómputo del propio proceso el tiempo que el proceso espera recursos compartidos. 4

5 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Métodos de planificación Algoritmo de planificación Medio de predicción del comportamiento temporal del sistema (determinista) P1 (Prior. 5) P2 (Prior. 8) P3 (Prior. 4) Asignación de prioridades Run Time S.O (núcleo) Gestión de procesos CPU 5

6 Aspectos importantes: garantizar las restricciones en cualquier circunstancia (peor de los casos posibles) utilizar políticas de planificación adecuadas para sistemas de tiempo real. Clasificación de los métodos de planificación: expulsores (con desalojo) no expulsores (sin desalojo) Otra clasificación momento en que se asignan las prioridades: estáticos dinámicos 6

7 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Ejemplo Tarea Ti Ci Pi A Mayor B Media C Menor Orden de ejecución de los procesos C B A A B C A B A C A B A C B 7

8 Notación ti: tarea i-ésima N: número de tareas Ti: período de la tarea i Ci: tiempo de cómputo de la tarea i Di: plazo de respuesta de la tarea i Ri: tiempo de respuesta máximo de la tarea i Pi: prioridad de la tarea i 8

9 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Di Ri Ti Ri Di Ti Retardo.Max. Retardo.Min. T.Max.Trans. a b c a b Activación Fin Ejecución Activación Fin Ejecución C1 = a + b + c C2 = a + b t Ci = máx. tiempo de computo Objetivo de la planificación: asegurar que siempre se cumple que Ri < Di. 9

10 Factor de utilización de la CPU U = Ci/Ti, i=1..n siendo N el número de tareas. Sistemas monoprocesador: U < 1 Para una sola tarea: Ci < Ti si Ci = Ti => 100% de CPU ocupada 10

11 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Definición de un método de planificación: 1.- Algoritmo de planificación Explusor/No expulsor; Asignación de prioridades; Protocolo de acceso a recursos compartidos Predicción de cumplimiento de plazos f( Ci/Ti, Di, Ri, Bi,...) 11

12 2.- Ejecutivo cíclico Tarea Ti Ci Di A 25 Ca Da B 50 Cb Db C 50 Cc Dc D 75 Cd Dd E 150 Ce De Ciclo Principal Tm = mcm(ti) Ciclos secundarios Ts Tm = k * Ts En nuestro ejemplo Tm = mcm (25,50,50,75,150) = 150 Ts = 25 6 * 25 =

13 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Orden de ejecución de los procesos: Ts Tm tareas A B D A C E A B A C D A B A C Comprobar: restricciones en forma de plazos tiempos de cómputo de los procesos 13

14 procedure Ejecutivo_Ciclico is type Numero_Ciclo is mod 6; Ciclo_Secundario: Numero_Ciclo := 0; Siguiente: Time := Clock; Periodo: constant := 25; begin loop case Ciclo_Secundario is when 0 => A; B; D; when 1 => A; C; E; when 2 => A; B; when 3 => A; C; D; when 4 => A; B; when 5 => A; C; end case; Ciclo_Secundario := Ciclo_Secundario + 1; siguiente := siguiente + periodo; delay until siguiente; end loop; end Ejecutivo_Ciclico; 14

15 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Consideraciones no existe concurrencia no se necesitan mecanismos de excluión mútua análisis de la planificabilidad del sistema está incorporado en la propia construcción procesos con un tiempo de cómputo grande en varias partes Inconvenientes. rigidez del plan sistemas con un número considerable de procesos con periodos dispares procesos esporádicos 15

16 3.- Prioridades de tareas en Ada prioridad estática task A is pragma priority (p) end A; prioridad dinámica package Ada.Dynamic_Priorities is procedure Set_Priority (Priority : System.Any_Priority; T : Ada.Task_Identification.Task_Id := Ada.Task_Identification.Current_Task); function Get_Priority (T : Ada.Task_Identification.Task_Id := Ada.Task_Identification.Current_Task) return System.Any_Priority; end Ada.Dynamic_Priorities; 16

17 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real prioridad base prioridad activa: la mayor entre prioridad base y prioridad heredada Una tarea hereda una prioridad en tiempo de ejecución: al utilizar un objeto protegido que tiene asignada una prioridad al ser activada, hereda la prioridad de la tarea padre al ejecutar la instrucción accept hereda la prioridad activa de la tarea que hace la llamada 17

18 4.- Políticas de gestión de procesos en Ada Política de ordenación de procesos (task dispatching policies) seleccionar la siguiente tarea a ejecutar en los task dispatching points task dispatching points: la tarea en ejecución queda bloqueada la tarea en ejecución termina una tarea pasa a estar lista para su ejecución la tarea en ejecución completa un sentencia accept 18

19 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Funcionamiento de la política FIFO_Within_Priorities. Una cola de tareas listas (en espera de ejecución) por cada nivel de prioridad. Cada una de estas colas sigue una política FIFO. Si una tarea bloqueada pasa a estar lista para ejecución, se colocará al final de la cola de tareas de igual prioridad que su prioridad activa. Cuando una tarea es expulsada de la CPU se coloca la primera de la cola en vez de la última, (excepción a la ordenación FIFO). Cuando se modifica dinámicamente la prioridad de una tarea que está en espera de ejecución, se desplazará a la cola de tareas correspondiente a su nueva prioridad En el momento de la modificación de la prioridad base de una tarea en ejecución, la tarea se desplaza a la cola de tareas listas de igual prioridad a su prioridad activa. Cuando una tarea ejecuta una instrucción delay que no provoca un bloqueo, dicha tarea pasará a la cola de tareas en espera de ejecución correspondiente a su prioridad activa (provoca un cambio de contexto). pragma Task_Dispatching_Policy (Identificador_de_Política) ; 19

20 Política de gestión de colas de entrada (entry queuing policies) Orden en que son atendidas las tareas que quedan en espera de una entrada (entrada de sincronización de una tarea o entrada a un objeto protegido). El lenguaje especifica: FIFO_Queuing y Priority_Queuing. pragma Queuing_Policy (Identificador_de_Política) ; 20

21 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real 5.- Protocolos de acceso a recursos Introducción. Un protocolo asociado a un recurso: marca las normas de acceso que van a seguir los procesos que quieren utilizarlo facilita la limitación del tiempo máximo que un proceso puede llegar a estar bloqueado proporciona un método para calcular ese tiempo máximo de bloqueo 21

22 Inversión de Prioridades. Bloqueo t1 t2 t3 t4 [a] [b] [c] [d] t 22

23 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Inversión de Prioridades. t1 Inversión de prioridad N t2 t3 t4 [a] [b] [c] [d] t Tiempo de Bloqueo Bi: Tiempo esperando para acceder a un recurso debido a tareas de menor prioridad que ella. 23

24 Protocolo de herencia de prioridad Funcionamiento t1 (Prior. 8) t2 (Prior. 6) t3 (Prior. 4) t4 (Prior. 2) Acceso a Recurso Acceso a Recurso Acceso a Recurso 24

25 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Ejemplo Tarea Pi Recursos Inicio t1 4 R1 R2 4 t2 3 R2 2 t3 2-2 t4 1 R1 0 Ejecutando t1 En espera Bloqueado t2 t3 Accede a R2 Accede a R1 t4 t 25

26 Características Un mismo proceso de < prioridad No bloquean 2 veces a un mismo proceso Un mismo recurso compartido en una misma activación Ejemplo: max(ru21,ru31) + RU42. Tarea t1 t2 t3 t4 Recursos R1 R2 R1 R1 R2 Ejemplo: max(ru21,ru22) + RU32. Tarea t1 t2 t3 Recursos R1 R2 R3 R1 R2 R3 26

27 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Algoritmo para el cálculo de los tiempos máximos de bloqueo RUi = tiempo máximo que la tarea i utiliza el recurso R PCr = Máxima prioridad de todas las tareas que utilizan el recurso R Pi = Prioridad de la tarea i b = actualización dinámica del tiempo máximo de bloqueo 1.- ordenar las tareas por orden de mayor a menor prioridad t1, t2,.. tn 2.- b := i := n 4.- Bi := b 5.- si RUi > b entonces b := RUi 6.- si i = 1 entonces Fin del Algoritmo si Pi-1 > PCr entonces b := i := i-1; ir al paso 4 27

28 Protocolo de techo de prioridad mejora al anterior cuando se trabaja con varios recursos Prioridades Tareas Recursos Techos P1 t1 P2 P3 P4 t2 t3 t4 R1 R2 P2 P2 Techo Actual del Sistema: si R1 o R2 ocupados = P2 si no si R3 ocupado = P4 P5 t5 R3 P4 P6 t6 28

29 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Funcionamiento Un proceso ti puede adquirir un recurso si se cumple la condición: Pi > Techo Actual del Sistema En caso contrario el proceso quedará bloqueado el proceso bloqueante hereda su prioridad. t1 t2 t3 t4 t 29

30 Características Un proceso se bloquea como máximo 1 vez por cada activación Peor caso de bloqueo para un proceso ti: Máximo tiempo que un proceso de < prioridad que Pi utiliza un recurso compartido con techo de prioridad que Pi 30

31 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Algoritmo para el cálculo de los tiempos máximos de bloqueo PCr = Techo del Recurso r br será una variable asociada al recurso r 1.- Ordenar las tareas de mayor a menor prioridad t1,t2,..tn 2.- r br := i := n 4.- Bi := r max(br) 5.- r Recursos accedidos por ti si RUir > br entonces br := RUir 6.- si i=1 entonces Fin si Pi-1 > PCr entonces br := I := i 1; ir al paso 4 31

32 Protocolo de techo de prioridad inmediato Funcionamiento Techo de prioridad de recursos (igual que anterior) Cuando un proceso entra en un recurso hereda PCr aunque no bloquee a nadie t1 t2 t3 t4 Algoritmo para el cálculo de los tiempos máximos de bloqueo (igual que anterior) t 32

33 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Programación en Ada95 Protocolo de Techo de Prioridad Inmediato Pragma Locking_Policy (Identificador) EJEMPLO DE TECHO DE PRIORIDADES ---- pragma Locking_Policy (Ceiling_Locking) ; pragma Task_Dispatching_Policy (Fifo_Within_Priorities) ; DEFINICIONES procedure Principal is... task A is pragma Priority (Prioridad_A) ; end A ; task B is pragma Priority (Prioridad_B) ; end B ; task C is pragma Priority (Prioridad_C) ; end C ; 33

34 Protected Objeto is pragma Priority (Prioridad_Recurso) ; -- Prioridad de Techo entry E (...) ; procedure P (...) ; private --definicion de datos end Objeto ; 34

35 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real CUERPOS Protected body Objeto is... end Objeto ; task body A is... end A ; task body B is... end B ; task body c is... end c ; begin null ; end Principal ;

36 6.- Planificación monótona en frecuencia (RMS) Condiciones iniciales Todos los procesos: Son periódicos El plazo Di = Ti Son independientes Asignación de prioridades mayor prioridad al proceso mas frecuente las prioridades se asignan de forma inversamente proporcional a los periodos Ejemplo: Robot Autónomo Tarea Ti t1 Comprobar la desviación de la dirección a seguir 10 t2 Comprobar la temperatura del motor 40 t3 Comprobar la presencia de obstáculos 20 P1=3, P2=1 y P3=2 36

37 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Teorema 1. La planificación RMS es óptima Teorema 2. Planificabilidad basado en el uso de CPU Un sistema con planificación RMS será planificable si cumple la condición (suficiente pero no necesaria) N Ci Ti U(N) = N (2 1/N 1) i=1 N U (N) Teorema 3. Instante crítico Un sistema es planificable si y solo si todos sus procesos cumplen su primer plazo habiendo comenzado todos simultáneamente en el instante cero 37

38 Ejemplo Tarea Ti Ci Ui t t t > U (3) =0.779 t1 40* 40* 40* 40* t2 40* 40* t * A ctivaciones de tareas t1 t1 t2 t1 t2 t1 t2 350 t3 t t3 38

39 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Expresión matemática del Teorema 3 Un sistema será planificable si y solo si se cumple la condición i, 1 i N min i 1 mt k C j 1 j=1 mt k T j (k,m) G i Ti G i = (k,m) 1 k i, m=1,.., T k 39

40 Ejemplo Para las tareas del ejemplo anterior G1 = (1,1) G2 = (1,1) (2,1) G3 = (1,1) (1,2) (1,3) (2,1) (2,2) (3,1) Para i = 1 (1,1): Para i = 2 (1,1): Para i = 3 1 T 1 1 C j 1 j=1 T 1 1 T j 2 T 1 C j 1 j=1 T 1 T j (1,3): 3 1 3T 1 3T 1 T j C j 1 j=1 40

41 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real 7.- Extensiones a la planificación RMS Particularizamos el teorema 2 para una tarea t i Una tarea t i es planificable si se cumple la condición (suficiente pero no necesaria) T 1 T 2 T i-1 C 1 C 2 C i U(i) = i (2 1/i 1) C i T i Un sistema es planificable si todas sus tareas son planificables 41

42 Interrupciones Estimar/limitar la frecuencia máxima de activación de la interrupción (obtenemos T int ) si T int < T i, la tarea t i es planificable si se cumple la condición C 1 T 1 C i-1 T i-1 C int T int C i T i U(i) = i (2 1/i 1) si T int T i, la tarea t i es planificable si se cumple la condición C 1 T 1 C i-1 T i-1 C int T i C i T i U(i) = i (2 1/i 1) Incorpora la interrupción como una tarea periódica mas, pero colándose al resto de tareas más prioritarias que ella. 42

43 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Ejemplo Tarea Ti Ci Ui t t Int t para t 1 : C 1 /T 1 + C int /T 1 < U(1) = 1 para t 2 : C 1 /T 1 + C 2 /T 2 + C int /T 2 < U(2) = para t int : C int /T 1 < U(1) = 1 para t 4 : C 1 /T 1 + C 2 /T 2 + C int /T int + C 4 /T 4 < U(4) =

44 Tareas esporádicas El periodo mínimo de activación de la tarea esporádica se puede limitar por software Si la rutina de tratamiento de interrupción del ejemplo anterior se encarga de despertar a una tarea esporádica cuyo periodo de activación está limitado a 400 Tarea Ti Ci Ui t t Int t t

45 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Recursos compartidos En el apartado anterior vimos la forma de calcular los tiempos de bloqueo B i. La condición de planificabilidad de una tarea t i : C 1 T 1 C i-1 T i-1 C i T i B i T i U(i) = i (2 1/i 1) 45

46 Plazos de respuesta anteriores a los periodos Holgura H i. Ri Ci Di Ti Hi t i t La tarea t i será planificable si cumple la condición C 1 T 1 C i-1 T i-1 C i T i H i T i U(i) = i (2 1/i 1) 46

47 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real 8.- Análisis de tiempos de respuesta Un sistema es planificable si y solo si para todos los procesos el tiempo de respuesta máximo que se puede dar es menor que su plazo correspondiente. R i = C i + C j j hp(i) Ri T j El sistema es planificable si y solo si i R i T i 47

48 Esta ecuación se resolverá de una forma iterativa W i n+1 = C i + C j j hp(i) W i n T j partiendo de W 0 i = C i + C j j hp(i) El algoritmo finalizará cuando a) W n+1 = W n b) W n+1 > T i, en este caso no se estaría cumpliendo el plazo 48

49 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Ejemplo (A.Burns) Tarea Ti Ci t1 7 3 t t para la tarea t 1 : W 1 0 = 3 = R 1 para la tarea t 2 : W 2 0 = 3 +3 = 6 W 2 1 = 3 + 6/7 3 = 6 = R 2 para la tarea t 3 : W 3 0 = = 11 W 3 1 = / /12 3 = 14 W 3 2 = / /12 3 = 17 W 3 3 = / /12 3 = 20 W 3 4 = / /12 3 = 20 = R 3 i R i T i 49

50 Tiempo de Bloqueo R i = C i + B i + C j j hp(i) Ri T j Interrupciones - Procesos esporádicos R i = C i + B i + C j j hp(i) Ri T j Ri + C T int int 50

51 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Planificación monótona en plazos (DMS) Asigna las prioridades de forma inversamente proporcional a los D i Tarea Ti Ci Di t t t t Prioridades: P4 > P2 > P1 > P3 Para sistemas en los que D i < T i la DMS es óptima. 51

52 9.- Planificación dinámica Determina la prioridad de los procesos en tiempo de ejecución EDF (Earliest Deadline First) En un instante dado el sistema selecciona para su ejecución al proceso que tiene el siguiente plazo mas próximo 52

53 Planificacion de Sistemas de Tiempo Real Ejemplo D i = T i Proceso Ci Ti P P P P P1 P2 P3 P u.t. 53

54 Análisis de planificabilidad N Ci Ti 1, N = nº de procesos existentes i=1 54