Tema 4

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Tema 4 Programación de tiempo real en Linux
(parte II)
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Tema 4 Programación de tiempo real en Linux
(parte II)

• Linux y el tiempo real
• Identificación de latencias
• Latencia de planificación
• Duración del planificador
• Tiempo real en espacio de usuario

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4.8 Linux y el tiempo real

• Linux es un sistema operativo de propósito
  general.
• Cuando se fue introduciendo en los sistemas
  empotrados, surgió la necesidad de dotarle de
  tiempo real.
• La diferencia clave entre un sistema operativo de
  propósito general como Linux y uno de tiempo real
  (RTOS) es el comportamiento temporal
  determinístico de los servicios del RTOS.
• La temporalidad deteminista significa que toda
  latencia (tiempo empleado por estos servicios)
  está acotada.
• Surge el patch de Montavista, que reduce las
  latencias de algunos servicios, de modo que Linux
  se comporta ahora como un sistema operativo de
  tiempo real acrítico (soft real-time)

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4.8 Linux y el tiempo real

• La naturaleza sin tiempo real de Linux se basa
  en los siguientes aspectos

• Alta latencia de interrupción
• Alta latencia del planificador, debida a su
  naturaleza no expulsora.
• Servicios como los mecanismos IPC, asignación de
  memoria, etc, no tienen un comportamiento
  determinista
• Otras caraterísticas como la memoria virtual
  hacen de Linux no determinista en su tiempo de
  respuesta

• Surge el patch de Montavista, que reduce las
  latencias de algunos servicios, de modo que Linux
  se comporta ahora como un sistema operativo de
  tiempo real acrítico (soft real-time)

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4.9 Identificación de latencias

• Discutamos los aspectos de este patch. El mejor
  método es trazar el flujo de una interrupción e
  identificar las latencias.
• Supongamos que

• El núcleo está ejecutando un servicio
• La tarea del disco espera bloqueada a que la
  operación de E/S termine.

• Se produce entonces la interrupción del disco

• Ejecuta la rutina de interrupción
• Esta despierta a la tarea y la pone en la cola de
  ready
• El núcleo llega a un punto donde puede invocar al
  planificador (la función schedule).
• schedule concede el procesador a la tarea del
  disco

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4.9 Identificación de latencias

• El tiempo de respuesta es el tiempo entre el
  instante en que la controladora del disco eleva
  la interrupción y el instante que la tarea del
  disco toma el procesador.
• Este tiempo de respuesta en Linux es la suma de
  cuatro

• Latencia de la interrupción
• Duración de la rutina de interrupción
• Latencia del planificador. Es el tiempo que pasa
  desde que termina la rutina de interrupción hasta
  que se invoca al planificador.
• Duración del planificador

• Discutimos ahora las causas de estas latencias y
  qué se ha hecho en Linux para mejorarlas

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4.9 Identificación de latencias
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4.10 Latencia de planificación

• Es la más importante. Ha sido reducida en el
  núcleo 2.6 por el patch de Montavista

• En el núcleo 2.4 las contribuciones principales a
  esta latencia eran

• La naturaleza no expulsora del núcleo

El planificador se invocaba tras servir las
interrupciones y las llamadas al sistema

• Deshabilitacion de interrupciones

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4.10 Latencia de planificación
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4.10 Latencia de planificación

• Debido a la naturaleza no expulsora del núcleo.
  Si un proceso está en el núcleo ejecutando una
  llamada al sistema, el planificador no se invoca
  hasta que ésta termina.
• Así, un proceso de alta prioridad no podía
  explusar a uno de baja prioridad procesador
  mientras durase su llamada al sistema.
• Por lo tanto, la latencia de planificador podía
  durar entre decenas y cientos de milisegundos,
  según la duración de la llamada al sistema.
• También se invoca al planificador cuando a un
  proceso se le acaba su cuantum. Si las
  interrupciones estaban deshabilidadas durante
  mucho tiempo, la planificación se dilataba.

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4.10 Latencia de planificación

• El patch de Montavista posibilita la expulsión de
  un proceso mientras ejecuta en el núcleo.

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4.11 Duración del planificador

• El mayor problema del planificador original era
  su comportamiento no determinista.
• Todas las tareas se mantenían en un cola única,
  de modo que encontrar la de mayor prioridad
  (bucle de bondad)
• Cuando expiraban los cuanta de todas las tareas
  ejecutables, estos se recalculaban de nuevo
  (bucle de recálculo)
• El costo de ambos bucles aumentaba linealmente
  con el número de tareas ejecutables.

• El nuevo planificador O(1) frente al antiguo
  O(n)- se introdujo en el núcleo 2.4.20. Es
  determinista.

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4.11 Duración del planificador
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4.11 Duración del planificador
El tiempo del cambio de contexto

• Medir el tiempo de contexto de Linux ha sido uno
  de los pasatiempos favoritos de los entusiastas
  de Linux Cómo escala este tiempo comparado con
  los sistemas comerciales?

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4.11 Duración del planificador

• Las entidades planificables en Linux son

• Hilos del núcleo. Ejecutan en modo núcleo
  solamente
• Procesos e hilos de usuario. Los hilos de usuario
  comparten un mismo espacio de direccionamiento y
  tienen pilas separadas. Comparten manejadores de
  señal, sockets, etc.

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4.11 Duración del planificador

• El planificador no distingue entre ninguna de los
  tres
• El tiempo de cambio de contexto, sí varía entre
  procesos e hilos, porque implica los siguiente

• Conmutar a un nuevo conjunto de registros y pila,
  algo común entre procesos e hilos.
• Conmutar de un área de memoria virtual a otra,
  requerido sólo por los procesos. Causa que la
  table de páginas (TLB) sea recargada con los
  valores de nuevo proceso, una operación que
  consume tiempo.

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4.11 Tiempo real en espacio de usuario

• El patch expulsor de Montavista y el planificador
  O(1) hacen de Linux un sistema de tiempo real
  acrítico pero, que hay de las aplicaciones de
  usuario sobre Linux?
• El estándar IEEE 1003.1b define una interfaz que
  soporta la portabilidad de aplicaciones con
  requisitos de tiempo real

• Planificación con prioridades fijas y clases de
  planificación
• Bloqueo de memoria
• Memoria compartida
• Señales de tiempo real
• Colas de mensajes
• Semáforos
• Relojes y temporizadores
• Entrada-salida asíncrona

Soportado por Linux desde el comienzo
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4.11 Tiempo real en espacio de usuario

• La responsabilidad del desarrollador de
  aplicaciones de tiempo real sobre Linux es sacar
  partido a su característica de sistema de tiempo
  real acrítico, por ejemplo, para construir
  aplicaciones multimedia de rendimiento
  satisfacotrio.
• Para ello debe comprender la interfaz de tiempo
  real y utilizar de forma correcta la
  implementación que de ella hace Linux.

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