Planificaci

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Planificación

• Nora Blet
• Informática III

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Concurrencia

• Los sistemas de tiempo real controlan actividades
  del mundo exterior que son concurrentes
• Para ello deben ejecutar varias actividades o
  tareas en paralelo (concurrentemente)
• La ejecución de las tareas se multiplexa en el
  tiempo en uno o varios procesadores

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Núcleo de ejecución (RTSS)

• Los procesos concurrentes se ejecutan con la
  ayuda de un núcleo de ejecución (RTSS, Run-time
  support system) que tiene muchas de las
  propiedades de los planificadores en un sistema
  operativo y, se situa lógicamente entre el
  hardware y el software de la aplicación
• Se encarga de la creación, terminación y
  multiplexado de los procesos

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Núcleo de ejecución (RTSS) Opción 1

• Desarrollado como parte de la aplicación

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Núcleo de ejecución (RTSS) Opción 2

• Sistemas operativos de tiempo real específicos
  (LynxOS, QNX, VxWorks, estándar POSX)

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Núcleo de ejecución (RTSS) Opción 3

• Sobre la un núcleo máquina desnuda fabricar un
  núcleo básico ad-hoc con un planificador de
  tareas de tiempo real

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Núcleo de ejecución (RTSS) Opción 4

• Arquitectura con máquina virtual (RT-Linux)

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Objetivos

• Cómo planificar el uso de los recursos de forma
  tal de garantizar los requisitos temporales?
• En general un esquema de planificación
  proporciona dos elementos
• Un algoritmo de planificación que determina el
  orden de acceso de las tareas a los recursos del
  sistema (en particular, el procesador)
• Un método de análisis que permite predecir el
  comportamiento temporal del sistema
• Las predicciones son útiles para confirmar que
  pueden garantizarse los requisitos temporales del
  sistema
• En general, se estudia el peor comportamiento
  posible

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Introducción

• Un esquema de planificación puede ser
• Estático el análisis se realiza antes de la
  ejecución
• Dinámico se toman decisiones en tiempo de
  ejecución
• Un método estático muy usado es el de
  planificación con prioridades fijas y desalojo
• La prioridad es un parámetro relacionado con la
  urgencia o importancia de la tarea
• En todo momento se ejecuta la tarea con mayor
  prioridad de todas las ejecutables (es decir, no
  esté retrasado o suspendido)

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Arquitecturas de software

• Definen la estructura general de una clase de
  sistemas de tiempo real
• Hay dos tipos principales de arquitecturas
• Arquitectura síncrona
• Las tareas se ejecutan según un plan de ejecución
  fijo (realizado por el diseñador)
• El sistema operativo se reemplaza por un
  ejecutivo cíclico
• Arquitectura asíncrona
• Las tareas se reparten el procesador de forma
  dinámica (invisible para el diseñador)
• Cada tarea tiene una prioridad
• En cada momento se ejecuta la tarea activa de
  mayor prioridad

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Arquitectura síncrona
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Arquitectura asíncrona
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Esquemas de planificación
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Modelo de tareas simple

• Se supone que la aplicación está compuesta por un
  conjunto fijo de tareas y se conoce en tiempo de
  ejecución (estático)
• Todas las tareas son periódicas, con periodos
  conocidos
• Las tareas son completamente independientes unas
  de otras
• Los plazos de respuesta de todas las tareas son
  iguales a sus periodos (o sea, cada tarea debe
  acabar antes de ser ejecutada nuevamente)
• El tiempo de ejecución máximo de cada tarea es
  conocido y fijo
• Todas las sobrecargas del sistema son ignoradas

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Parámetros de planificación

• N Número de tareas en el sistema
• T Período de activación de una tarea
• C Tiempo de ejecución máximo de una tarea
• D Plazo de respuesta de una tarea
• R Tiempo de respuesta máximo de una tarea
• P Prioridad
• En el modelo de tareas simple, para cada tarea
  ?i
• Se trata de asegurar

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Modelo de tareas en tiempo real
dk
rk
Dk
Ck
Rk
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Hiperperíodo

• En el modelo de tarea simple se denomina
  hiperperíodo del sistema a
• El comportamiento temporal se repite cada
  hiperperíodo

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Planificación con ejecutivos cíclicos

• Si todas las tareas son periódicas, puede
  confeccionarse un plan de ejecución fijo
• Se trata de un esquema que se repite cada ciclo
  principal
• Cada ciclo principal se divide en ciclos
  secundarios, con periodos
• En cada ciclo secundario se ejecutan las
  actividades correspondientes a determinadas
  tareas

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Ejemplo
20
Ejemplo
21
Propiedades

• No hay concurrencia en la ejecución
• Cada ciclo secundario es una secuencia de
  llamadas a procedimientos
• Los procedimientos comparten un espacio de
  direcciones, por lo que pueden pasar datos entre
  ellos
• No hace falta usar mecanismos de exclusión mutua
  porque es imposible el acceso concurrente
• Todos los periodos de las tareas deben ser
  múltiplos del periodo de los ciclos secundarios
• Puede ser necesario usar períodos mas cortos de
  lo necesario
• No hace falta analizar el comportamiento temporal
• El sistema es correcto por construcción

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Problemas

• Dificultad para incorporar tareas esporádicas
• Dificultad en la construcción del plan cíclico
• Si los períodos son de diferentes órdenes de
  magnitud el número de ciclos secundarios se hace
  muy grande
• Puede ser necesario partir una tarea en varios
  procedimientos
• En el caso más general, es un problema NP duro
• Poco flexible y difícil de mantener
• Cada vez que se cambia una tarea hay que rehacer
  toda la planificación

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Programación basada en tareas

• Las tareas se realizan como procesos concurrentes
• Una tarea puede estar en varios estados
  (suponiendo que no exista comunicación entre
  procesos)

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Programación basada en procesos

• Las tareas ejecutables se despachan para su
  ejecución de acuerdo con un esquema de
  planificación
• Prioridades fijas (FPS, por Fixed-Priority
  Scheduling)
• Primero el más urgente (EDS, por Earliest
  Deadline First)
• Primero el más valioso (VBS, por Value-Based
  Scheduling)

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Planificación con prioridades fijas

• Es el método más corriente en los sistemas
  operativos de tiempo real
• Cada tarea tiene un prioridad fija, estática, que
  se calcula antes de su ejecución
• Las tareas ejecutables se despachan para su
  ejecución en orden de prioridad
• El despacho puede hacerse
• Con desalojo
• Sin desalojo
• Con desalojo limitado
• En general, se supondrá prioridad fija con
  desalojo
• Se mejora la reacción de los procesos de alta
  prioridad

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Primero el más urgente

• Las tareas ejecutables se despachan por orden de
  los respectivos tiempos límites (absolutos)
• La primer tarea que se ejecuta es la más urgente
  (aquélla cuyo plazo vence antes)
• Los tiempos límites absolutos se calculan en
  tiempo de ejecución (esquema dinámico)

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Primero el más valioso

• Si el sistema puede sobrecargarse no será
  suficiente el simple uso de los métodos
  anteriores
• Se precisa un esquema más adaptable
• Se asigna un valor a cada tarea, y se emplea un
  algoritmo de planificación en línea basado en
  ellos para decidir cuál es la siguiente tarea a
  ejecutar

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Prioridades de tasa monotónica

• Se asigna menor prioridad a las tareas de menor
  período (rate monotonic scheduling), es óptima
  para el modelo de tareas simple
• Si pueden garantizarse los plazos de un conjunto
  de tareas con otra asignación de prioridades,
  podrán garantizarse con el esquema de asignación
  de prioridades con tasa monotónica

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Factor de utilización

• Es una medida de la carga del procesador para un
  conjunto de tareas
• En un sistema con un único procesador
• Liu y Layland (1973) demostraron que usando este
  factor puede obtenerse un test de
  planificabilidad para RM

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Análisis basado en la utilización

• Para el modelo simple, con DT, con prioridades
  de tasa monotónica, los plazos están garantizados
  si
• N Utilización mínima garantizada U0(N)
• 1 100.0
• 2 82.8
• 3 78.0
• 4 75.7
• 5 74.3
• 10 71.8

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Ejemplo 1

• La utilización combinada es del 0.82 (gt0.78) por
  tanto este conjunto de tareas no pasa el test de
  utilización. En el instante t50 la tarea a
  incumple su primer límite temporal

Tarea T C
P U a 50 12
1 0.24 b 40 10
2 0.25 c 30 10 3
0.33
32
Ejemplo 1
33
Ejemplo 1 Diagrama de Gantt
c
b
a
c
b
0
10
20
30
40
50
Tiempo
34
Ejemplo 2

• Este sistema está garantizado (Ult0.78)

Tarea T C
P U a 80 32
1 0.400 b 40 5
2 0.125 c 16 4 3
0.250
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Instante crítico

• Las líneas temporales pueden utilizarse para
  probar la planificabilidad
• Para conjunto de tareas que comparten un tiempo
  de activación común (instante crítico) es
  suficiente dibujar una línea temporal igual al
  tamaño del periodo más largo (Liu y Layland,
  1973)
• Si todos las tareas cumplen su primer límite
  temporal, entonces cumplirán todos sus límites
  futuros

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Ejemplo 3

• Este sistema no pasa la prueba de utilización
  (U1gt0.78) pero, se cumplen los plazos

Tarea T C
P U a 80 40
1 0.50 b 40 10
2 0.25 c 20 5 3
0.25
37
Ejemplo 3
Tarea
a
Desalojado
b
En ejecución
c
70
80
Tiempo
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Utilización mínima garantizada

• Es una condición suficiente pero no necesaria
• En muchos casos se pueden garantizar los plazos
  con factores de utilización mayores a U0(N)
• Sólo puede utilizarse para conjunto de tareas con
  plazos igual al periodo
• No se puede aplicar a modelos de tareas más
  complejos

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Factor de utilización con EDF

• Los plazos están garantizados si y sólo si
• Permite una mayor utilización del procesador. FPS
  tiene algunas ventajas sobre EDF
• FPS es más sencillo de implementar
• EDF requiere un sistema de tiempo de ejecución
  más complejo
• Durante las situaciones de sobrecarga el
  comportamiento de FPS es mas predecible
• EDF requiere que todas las tareas tengan un plazo
  asignado

40
Análisis del tiempo de respuesta para FPS

• Las pruebas basadas en la utilización para FPS
  tienen 2 inconvenientes
• No son exactas y,
• No son realmente aplicables a un modelo de tareas
  más general
• Se verá una forma diferente basada en el cálculo
  del tiempo de respuesta en el peor caso de cada
  tarea, Ri y una simple comprobación

R ? D
i
i
41
Análisis del tiempo de respuesta para FPS

• El tiempo de respuesta en el peor caso de cada
  tarea es igual a la suma del tiempo de ejecución
  en el peor caso para la misma más la
  interferencia que sufre por la ejecución de
  tareas con mayor prioridad
• La interferencia es máxima cuando todas las
  tareas se activan a la vez (instante crítico)

42
Instante crítico

• La interferencia es máxima cuando todos las
  tareas se activan a la vez
• El instante inicial se denomina instante crítico

43
Cálculo de la interferencia

• El número de veces que una tarea de prioridad
  superior, j, se ejecuta durante el intervalo 0,
  Ri) es

La función techo obtiene el menor entero
mayor que el fraccionario sobre el que actúa. El
techo de 1/3 es 1, el de 6/5 es 2, y el de 6/3 es
2.
La interferencia total es
44
Cálculo del tiempo de respuesta
donde hp(i) es el conjunto de tareas de prioridad
mayor que i. La ecuación no es continua ni lineal
y no puede resolverse analíticamente (Joseph y
Pandya, 1986)
45
Cálculo del tiempo de respuesta

• Se puede resolver mediante la relación de
  recurrencia (Audsley et al., 1993)
• El conjunto de valores es monótono no
  decreciente
• Un valor aceptable de puede ser Ci (o 0)

46
Cálculo del tiempo de respuesta
47
Ejemplo 4

• Tarea T C P
• a 7 3 3
• b 12 3 2
• c 20 5 1

48
Ejemplo 4
Tarea T C P
a 7 3 3 b
12 3 2 c
20 5 1
49
Ejemplo 3 - revisión

• El cálculo de los tiempos de respuesta indica que
  todas las tareas tienen garantizados sus plazos

Tarea T C
P R a 80 40
1 80 b 40 10
2 15 c 20 5 3
5
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Propiedades del análisis del tiempo de respuesta

• Proporciona una condición necesaria y suficiente
  para la garantía de los plazos
• Proporciona un análisis del comportamiento
  temporal del sistema más exacto quel método
  basado en la utilización
• El elemento crítico es el tiempo de cómputo de
  cada tarea
• Optimista Los plazos pueden fallar aunque el
  análisis sea positivo
• Pesimista El análisis puede ser negativo y en la
  realidad no fallen los plazos

R ? D
i
i
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Tiempo de ejecución en el peor caso (WCET)

• Interesa el tiempo de ejecución en el peor caso
  (WCET, worst case execution time)
• Hay dos formas de obtener el WCET de una tarea
• Medida del tiempo de ejecución
• No es fácil saber cuándo se ejecuta el peor caso
  posible
• Análisis del código ejecutable
• Puede ser muy pesimista
• Hace falta tener un modelo adecuado del
  procesador
• Es difícil tener en cuenta los efectos de los
  dispositivos de hardware (cachés, pipelines,
  estados de espera de la memoria, etc.)

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Generalización del modelo de tareas

• El análisis del tiempo de respuesta visto para el
  modelo de tareas básico puede extenderse con
• Tareas esporádicas y aperiódicas
• Plazos menores o mayores que los períodos
• Interacción mediante secciones críticas
• Planificación cooperativa
• Fluctuaciones (jitter) en la activación
• Tolerancia a fallos
• Desfases (offsets)

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Referencias

• Burns, A. Wellings, A. "Sistemas de Tiempo Real y
  Lenguajes de Programación", Addison-Wesley (2003)
  Capítulo 6
• Transparencias de Juan Antonio de la Puente
  http//polaris.dit.upm.es/jpuente/
• Transparencias de Javier Macías Guarasa
  http//www-lsi.die.upm.es/carreras/ISSE/sistemas_
  con_restricciones_1.x2.pdf