Chapitre 2 Les principes de base des excutifs multitches

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Chapitre 2Les principes de base des exécutifs
multi-tâches
Ingénieur Civil des Mines 2ème
année Architecture des Systèmes Sûrs Module
SI144

• 2008-2009
• Françoise Simonot-Lion (simonot_at_loria.fr)

2
Plan

• Les principes de base des exécutifs multi-tâches
  temps réel
• Tâches et Coopération de tâches (problèmes et
  solutions)
• Gestion du temps
• Le type  tâche  dans un exécutif Temps Réel
• Les problèmes posés par les exécutifs multi-tâches

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Plan

• Les principes de base des exécutifs multi-tâches
  temps réel
• Tâches et Coopération de tâches (problèmes et
  solutions)
• Gestion du temps
• Le type  tâche  dans un exécutif Temps Réel
• Les problèmes posés par les exécutifs
  multi-tâches

?
4
Tâches

• Tâche
• agent responsable de lexécution dun programme
  (tâche vs processus)
• Tâche immédiate
• tâche  démarrée  par un signal apparaissant à
  linterface de lapplication (interruption)
• Tâche différée
• tâche  démarrée  par une autre tâche
• Priorité

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Coopération de tâches

• Relations entre les tâches
• tâches dépendantes
• partage de ressources entre tâches
• synchronisation entre tâches
• communication entre tâches
• tâches indépendantes

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Partage de ressources - exclusion mutuelle -
section critique

• Ressources
• matérielles processeur - périphérique
  (imprimante, ) - disque
• logicielles un mot de données en mémoire - un
  buffer de données - sous-programme fichier
• Ressources partageables simultanément
• Ressources partageables séquentiellement
• Capacité dune ressource nombre daccès
  simultanés

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Partage de ressources

• Quel est le problème ?
• Exemple

8
Partage de ressources

• N est une ressource partageable séquentiellement
• La capacité de N est 1 (ressource critique)

9
Partage de ressources
Suite dinstructions de la section critique
10
Partage de ressources

• 3 classes de solutions

• masquage / démasquage dinterruptions
• attente active

• verrous et sémaphores

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Partage de ressources

• Solution 1 masquage / démasquage des
  interruptions
• Programmation de lexclusion mutuelle
• conditions initiales
• les interruptions sont démasquées
• protection de la section critique
• masquer les interruptions / entrée en SC
• ... les instructions de la SC ...
• démasquer les interruptions / sortie de SC

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Partage de ressources

• Solution 1 masquage / démasquage des
  interruptions
• Avantage
• ne nécessite que les services matériels de la
  machine
• Problème
• paralyse le système dentrées / sorties
• inopérant dans un contexte multi-processeurs

processeur 1 accumulateur A1
processeur 2 accumulateur A2
mémoire commune variable N
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Partage de ressources

• Solution 2 attente active
• il faut un mot accessible par toutes les
  tâches
• une instruction  Test Set  (TAS)
• typedef enum libre,occupe etat
• etat TAS (etat rp)
• etat aux
• aux rp rp occupe
• return (aux)

instruction non interruptible
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Partage de ressources

• Solution 2 attente active
• Programmation de lexclusion mutuelle
• conditions initiales
• etat r libre
• protection de la section critique
• do / entrée en SC
• while ( TAS(r) occupe )
• ... les instructions de la SC ...
• r libre / sortie de SC

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Partage de ressources

• Solution 2 attente active
• Avantage
• ne nécessite que les services matériels de la
  machine (instruction TAS)
• Problème
• la tâche  attend activement  occupation du
  processeur pour tester cycliquement que la
  ressource soit libre
• insertion dans le code de lapplication des
  mécanismes de protection de la ressource

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Partage de ressources

• Solution 3 verrou
• un type  verrou 
• des fonctions daccès

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Partage de ressources

• Solution 3 verrou
• Programmation de lexclusion mutuelle
• conditions initiales
• struct verrou v ouvert , ?
• protection de la section critique
• verrouiller (v) / entrée en SC
• ... les instructions de la SC ...
• deverrouiller (v) / sortie de SC

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Partage de ressources

• Solution 3 verrou
• Avantage
• efficace quelque soit la structure de la machine
• Problème
• les services  verrouiller  et  deverrouiller 
  doivent être disponibles pour lapplication
  exécutif temps réel
• difficile à utiliser pour des ressources de
  capacité gt 1

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Partage de ressources

• Solution 4 sémaphore
• un type  semaphore 
• des fonctions daccès

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Partage de ressources
Sémaphore à compte

• Solution 4 sémaphore
• Programmation de lexclusion mutuelle
• conditions initiales (n est la capacité de la
  ressource)
• struct semaphore s n , ?
• protection de la section critique
• P (s) / entrée en SC
• ... les instructions de la SC ...
• V (s) / sortie de SC

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Partage de ressources

• Solution 4 sémaphore
• Avantage
• efficace quelque soit la structure de la machine
• utilisable pour protéger laccès à une ressource
  de capacité gt 1
• Problème
• les services  P  et  S  doivent être
  disponibles pour lapplication exécutif temps
  réel

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Synchronisation entre tâches

• Exprime le contrôle dune tâche sur une autre
  tâche.
• action directe
• une tâche agit directement sur une autre tâche
  en la désignant explicitement
• action indirecte
• une tâche agit sur un objet - cette action
  pourra avoir un effet sur une ou plusieurs autres
  tâches

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Synchronisation entre tâches

• action directe
• services

24
Synchronisation entre tâches

• action indirecte
• exemple

• C avant B

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Synchronisation entre tâches

• 3 classes de solutions (exécutif multi-tâche)

• sémaphores et événements

• boîtes aux lettres

communication

• rendez-vous

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Synchronisation entre tâches

• Solution 1 sémaphore
• Programmation de la synchronisation
• conditions initiales
• struct semaphore sync 0 , ?
• expression de la synchronisation

P(sync)
Sémaphore booléen
V(sync)
27
Synchronisation entre tâches

• Solution 2 événements
• un type  événement 
• des fonctions daccès

typedef enum arrive, non_arrive
etat struct evenement e_etat e
e_liste f

• attendre
• signaler
• effacer

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Synchronisation entre tâches

• Solution 2 événements
• fonctions daccès

29
Synchronisation entre tâches

• Solution 2 événement
• Programmation de la synchronisation
• conditions initiales
• struct evenement EVT effacer(EVT)
• expression
• de la synchronisation

attendre(EVT)
signaler(EVT)
30
Synchronisation entre tâches

• Solution 3 boîtes aux lettres
• synchronisation communication

struct boite_aux_lettres b_buffer buf b_file
f

• un type  boîte aux lettres 
• des fonctions daccès

• pour stocker les tâches  en attente 

pour stocker les messages

• envoyer
• retirer
• constructeur de boîte aux lettres

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Synchronisation entre tâches

• Solution 3 boîte aux lettres

void envoyer (message m, struct boite_aux_lettres
bp) tache t_c , t if ( pleine(bp) )
t_ctache_courante()
bp-gtfajouter(t_c,bp-gtf) ... / t passe en
attente de place / ranger(m,bp-gtbuf)
if ( ! vide(bp-gtf) ) tchoisir(bp-gtf)
bp-gtfoter(t,bp-gtf) ... / t passe prête
/
fonction daccès  envoyer 
32
Synchronisation entre tâches

• Solution 3 boîte aux lettres

void retirer (message mp, struct
boite_aux_lettres bp) tache t_c , t
if ( vide(bp-gtf) ) t_ctache_courante()
bp-gtfajouter(t_c,bp-gtf) ... /t_c passe
en attente de message / (mp)
extraire(b-gtbuf) if ( ! vide(bp-gtf) )
tchoisir(bp-gtf) bp-gtfoter(t,bp-gtf)
... / t passe prête /
fonction daccès  retirer 
33
Synchronisation entre tâches

• Solution 3 boîte aux lettres
• Programmation de la synchronisation
• conditions initiales
• struct boite_aux_lettres BAL /
  construction /
• expression
• de la synchronisation

retirer(M1,BAL)
envoyer(M2,BAL)
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Synchronisation entre tâches

• Solution 4 rendez-vous
• synchronisation forte communication
• Définition
• Un rendez-vous est un objet qui permet à 2 tâches
  de se synchroniser en un point de leur exécution
• la première des tâches, arrivée en ce point,
  attend lautre
• lorsque les 2 tâches ont atteint ce point, une
  séquence de code unique est exécutée
• puis les tâches continuent chacune leur exécution
  propre.
• Exemple les  rendez-vous  sont implantés dans
  le langage Ada

35
Synchronisation entre tâches

• Solution 4 rendez-vous
• synchronisation forte communication

implémenté sous forme de file

• un type  rendez-vous 
• des fonctions daccès - syntaxe Ada
• - symétrie du comportement
• - dissymétrie dans lexpression

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Synchronisation entre tâches

• Solution 4 rendez-vous
• synchronisation forte communication

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Synchronisation entre tâches

• Solution 4 rendez-vous (syntaxe Ada)
• Programmation de la synchronisation
• conditions initiales
• entry RV -- construction
• expression
• de la synchronisation

entry RV
T2.RV
accept RV
38
Synchronisation entre tâches

• Solution 4 rendez-vous (syntaxe Ada)
• Programmation de la synchronisation
• conditions initiales
• entry RV -- construction
• expression
• de la synchronisation

entry RV
accept RV
T1.RV
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Plan

• Les principes de base des exécutifs multi-tâches
  temps réel
• Tâches et Coopération de tâches (problèmes et
  solutions)
• Gestion du temps
• Le type  tâche  dans un exécutif Temps Réel
• Les problèmes posés par les exécutifs
  multi-tâches

?
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Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• le temps qui passe
• un objet en mémoire pour mémoriser la  date
  courante 

Variable heure_courante

• des services daccès à cet objet (exécutif temps
  réel)

typedef struct int jour,mois,annee
int heures,minutes,secondes int ms,us
heure heure get_heure_courante (
) void set_heure_courante (heure h)
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Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• le temps qui passe (mécanismes internes)
• un dispositif signalant lécoulement dun
  intervalle de temps
•  timer 
• interruption associée
• résolution dhorloge dt
• une tâche immédiate de gestion de linterruption
  associée au timer

42
Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• planifier lavenir ...
• un objet mémorisant les actions à faire et la
  date prévue
• échéancier liste de fiches ordonnées par date
  croissante

début
. . .
nil
A1 action D1 heure
A2 action D2 heure
Ai action Di heure
une fiche
Propriété get_heure_courante( ) ? D1 ? D2 ? . .
. ? Di
43
Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• planifier lavenir ...
• des informations

• typedef struct
• int jour,mois,annee
• int heures,minutes,secondes
• int ms,us
• heure
• typedef enum . . . action
• typedef struct fiche_
• action A
• heure D
• struct fiche_ S fiche
• struct fiche debut

• des services daccès à léchéancier

fiche planifier_action(action a, heure
date) void decommander_action(fiche f)
44
Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• planifier lavenir ... (mécanismes internes)
• fiche planifier_action(action a,heure date)
• insertion dune information à sa place dans une
  liste ordonnée
• décommander_action(fiche f)
• suppression dun élément dans une liste ordonnée

action, heure
ordre dates des fiches croissantes
une fiche
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Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• traiter une action planifiée à la date prévue ...
  (mécanisme interne)

timer

• tâche immédiate de gestion du timer
• void ssp_timer ( )
• heure dc
• incrémenter_heure_courante ( )
• dc get_date_courante()
• while ((debut ! null) (debut-gtD dc))
• traiter(debut-gtA)
• debut oter_premier(debut)

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Gestion du temps

• Françoise Simonot-Lion

• traiter une action planifiée à la date prévue ...
  (mécanisme interne) - exemple

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Plan

• Les principes de base des exécutifs multi-tâches
  temps réel
• Tâches et Coopération de tâches (problèmes et
  solutions)
• Gestion du temps
• Le type  tâche  dans un exécutif Temps Réel
• Les problèmes posés par les exécutifs
  multi-tâches

?
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Le type tâche dans les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• une tâche est un objet caractérisé par

- priorité (calculée hors ligne ou en ligne)
- état courant
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Le type tâche dans les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• priorité dune tâche
• caractéristique utilisée par lordonnanceur pour
  lattribution du processeur à des tâches
  concurrentes (voir chapitre Ordonnancement)
• ordonnanceur des tâches immédiates
• (niveaux dinterruption)
• ordonnanceur des tâches différées

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Le type tâche dans les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Etats dune tâche

Tâche crée
Tâche participant à lordonnancement
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Le type tâche dans les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Transition détats des tâches

inexistante
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Plan

• Les principes de base des exécutifs multi-tâches
  temps réel
• Tâches et Coopération de tâches (problèmes et
  solutions)
• Gestion du temps
• Le type  tâche  dans un exécutif Temps Réel
• Les problèmes posés par les exécutifs
  multi-tâches

?
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Les problèmes posés par les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Propriétés requises par une application temps
  réel
• safety (sûreté) something bad will not happen
  (rien de mauvais narrivera)
• liveness (vivacité ) something good will happen
  (il se passera quelque chose de bon)

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Les problèmes posés par les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Interblocage (deadlock)

Tâche 1 P(S1) P(S2) V(S2) V(S1)
Tâche 2 P(S2) P(S1) V(S1) V(S2)
t
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Les problèmes posés par les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Famine (starvation - lockout)
• Une famine se produit lorsquune tâche qui veut
  accéder à une ressource ne peut jamais le faire
  car cette ressource est indéfiniment détenue par
  dautres tâches.
• Exemple tâche de forte priorité et occupant
  indéfiniment le processeur

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Les problèmes posés par les exécutifs temps réel

• Françoise Simonot-Lion

• Exemple famine de rédacteurs dans un modèle
   lecteur/rédacteur  (les lecteurs sont
  prioritaires sur les rédacteurs)

• Les lecteurs excluent les rédacteurs
• Les lecteurs ne sexcluent pas entre eux
• Les rédacteurs sexcluent entre eux
• Les rédacteurs excluent les lecteurs

R2requête écriture!
R1requête écriture!
L2requête lecture
L4requête lecture
L4requête lecture
L1requête lecture
L3requête lecture
t
L1
L2
L3
L4
R1
R2
Accès à la ressource