Planificaci

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Planificación

• Nora Blet
• Informática III

2
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

3
Concurrencia

• En un programa concurrente, no es necesario
  especificar el orden exacto en el cual se
  ejecutan los procesos.
• Para forzar las restricciones de ordenación se
  usan primitivas de sincronización, tales como la
  exclusión mutua, pero el comportamiento general
  del programa muestra un no determinismo
  significativo.
• Si el programa es correcto, su comportamiento
  funcional es el mismo independientemente de los
  detalles de implementación. Ej. 5 procesos
  independientes pueden ejecutarse (sin desalojo)
  de 120 formas distintas en un único procesador.

4
Concurrencia

• Aunque las salidas del programa sean idénticas en
  todos estos posibles entrelazamientos, el
  comportamiento temporal puede variar
  considerablemente.
• Un sistema de tiempo real necesita restringir el
  no determinismo que se da en los sistemas
  concurrentes.
• Este proceso se conoce como planificación
  (scheduling).

5
Multiplexado del procesador

• El multiplexado del tiempo de uso del procesador
  puede hacerse
• Ejecución síncrona
• Las tareas se ejecutan según un plan de ejecución
  fijo (realizado por el diseñador)
• El SO se reemplaza por un ejecutivo cíclico
• Ejecución asíncrona
• SO de tiempo real
• Lenguaje de programación concurrente. En este
  caso se realiza por medio del run-time system.
• Las tareas se reparten el procesador de forma
  dinámica (invisible para el diseñador), de
  acuerdo a la prioridad asociada a cada una de
  ellas. En todo momento, se ejecuta la tarea
  activa de mayor prioridad.

6
Esquema de planificación

• 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

7
Definiciones de atributos temporales
8
Definiciones de atributos temporales
9
Definiciones de atributos temporales
Absolute deadline
Released
Execution time
10
Definiciones de atributos temporales
5
10
15
0
11
Modelo de tareas simple

• Dado un programa arbitrariamente complejo, no es
  tarea fácil analizarlo para poder predecir su
  comportamiento en el peor caso.
• Por tanto, resulta imprescindible imponer algunas
  restricciones en la estructura de los programas
  concurrentes de tiempo real.
• Se presenta un modelo muy simple que permitirá
  describir algunos esquemas de planificación
  estándar. La idea es expandirlo posteriormente.

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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 (e interrumpibles en cualquier punto del
  código). No se comunican ni sincronizan entre
  ellas.
• 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 (en un único
  procesador) de cada tarea es conocido y fijo
• Todas las sobrecargas del sistema (tales como
  cambio de contexto) son ignoradas

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Modelo de tareas simple

• Este conjunto de suposiciones puede ser realista
  en algunos casos de sistemas de tiempo real.
  Ej.una aplicación de control simple con un
  conjunto fijo de sensores y actuadores, un
  entorno bien definido al igual que los requisitos
  de procesamiento (Stankovic et al.).

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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
15
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

• Es el algoritmo de planificación más utilizado
  para construir el esqueleto de sistemas de
  control embebidos (no existe un sistema operativo
  propiamente dicho)
• La aplicación se divide en una serie de
  procedimientos, el ejecutivo es una tabla de
  llamada a los mismos, donde cada procedimiento
  representa parte del código de un proceso.
• La complejidad de las aplicaciones embebidas ha
  ido aumentando y en la actualidad es normal que
  requieran servicios como multitarea avanzada o
  comunicaciones (provistos típicamente por un
  sistema operativos en tiempo real). Sin embargo
  se siguen usando en aplicaciones sencillas o con
  restricciones temporales muy estrictas

17
Planificación con ejecutivo cíclico
18
Planificación con ejecutivos cíclicos

• Si todas las tareas son periódicas, puede
  confeccionarse un plan de ejecución fijo
  (offline), almacenado en una tabla. El despacho
  de las mismas es una simple búsqueda en la tabla
• 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

19
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 (alto tiempo
  de ejecución) 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 procesos

• Un enfoque alternativo es soportar la ejecución
  de procesos de forma directa (como es norma en
  los sistemas operativos de propósito general) y,
• Determinar cuál es el proceso que deberá
  ejecutarse en cada instante de tiempo, mediante
  uno o más atributos de planificación.

24
Programación basada en procesos

• Un proceso puede estar en varios estados
  (suponiendo que no exista comunicación entre
  ellos)

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Programación basada en procesos

• Los procesos 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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Alternativas de planificación

• 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

27
Alternativas de planificación
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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 (apropiación diferida o de
  distribución cooperativa)
• 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)

30
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 (utilidad) a cada tarea, y se
  emplea un algoritmo de planificación en línea
  basado en ellos para decidir cuál es la siguiente
  tarea a ejecutar
• Utilidad Si un servicio se completa dará algún
  beneficio intrínseco al entorno del sistema de
  cómputo

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Valor

• La utilidad de un servicio (Burns et al.) depende
  de
• La calidad de la salida que produce
• El tiempo dentro del cual se ejecuta el servicio
  (Ej.demasiado temprano, aceptablemente temprano,
  entrega óptima, aceptablemente tarde, demasiado
  tarde)
• La historia de las previas invocaciones del
  servicio
• Las condiciones del entorno

32
Valor

• El estado del sistema de cómputo (ej.que otros
  servicios se están proveyendo)
• La importancia del servicio (fundamentales/ no
  fundamentales)
• La probabilidad de completar el servicio

33
Prioridades de tasa monotónica

• Se asigna mayor prioridad a las tareas de menor
  período (rate monotonic scheduling), es óptimo
  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.

34
Prioridades de tasa monotónica

• O, los procesos pueden no alcanzar sus tiempos
  límites con este esquema sólo si ningún otro
  esquema de asignación de prioridades puede
  hacerlo

35
Instante crítico

• Uno de los conceptos más importantes para el
  análisis de planificabilidad en un sistema con un
  procesador, es el instante crítico.

36
Instante crítico

• Una consecuencia de la independencia entre tareas
  es que se puede suponer que en algún instante de
  tiempo todos los procesos son requeridos
  simultáneamente para ejecutarse
• Esto representará la carga máxima para el
  procesador, y se conoce como instante critico
• Instante inicial para el modelo de tareas simple
• Corresponde al tiempo de respuesta máximo de una
  tarea (Teorema de Liu y Layland)
• Si una tarea puede ser planificada en su instante
  crítico entonces cumplirá con sus requisitos
  temporales (D)

37
Instante crítico
38
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

39
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
• Mientras que la utilización de la CPU sea menor a
  0.69, todas las tareas alcanzarán sus tiempos
  límites

40
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
41
Ejemplo 1
42
Ejemplo 1 Diagrama de Gantt
c
b
a
c
b
0
10
20
30
40
50
Tiempo
43
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 todas las tareas cumplen su primer límite
  temporal, entonces cumplirán todos sus límites
  futuros

44
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
45
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
46
Ejemplo 3
Tarea
a
Desalojado
b
En ejecución
c
70
80
Tiempo
47
Test de planificabilidad

• Prueba para verificar si existe un esquema de
  planificación factible
• Test suficiente
• Si se pasa el test el conjunto de tareas es
  definitivamente planificable
• Si no se pasa, el conjunto de tareas puede ser
  planificable, aunque no necesariamente
• Test necesario
• Si se pasa el test, el conjunto de tareas puede
  ser planificable, aunque no necesariamente
• Si no se pasa, el conjunto de tareas es
  definitivamente no planificable
• Test exacto (necesario suficiente)
• El conjunto de tareas es planificable si y solo
  si pasa el test

48
Utilización mínima garantizada

• Es una condición suficiente pero no necesaria
• En muchos casos pueden garantizarse 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

49
Tiempo límite absoluto
50
Tiempo límite absoluto
51
EDF

• Siempre se planifica la tarea activa con el
  tiempo límite absoluto más cercano

0
5
10
15
52
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, la prioridad
  es estática
• EDF requiere un sistema de tiempo de ejecución
  más complejo

53
Planificable con EDF y no con FPS

• U3/6 4/9 0.944

Deadline Miss
54
Factor de utilización con EDF

• Durante las situaciones de sobrecarga (Ugt1) el
  comportamiento de FPS es mas predecible
• En FPS los procesos de menor prioridad son los
  que pueden incumplir sus tiempos límites
• En EDF es impredecible y puede acarrear un efecto
  dominó la primer tarea que cumple su tiempo
  límite puede provocar que todas las demás lo
  hagan. Este comportamiento es indeseable en la
  práctica ya que en aplicaciones reales pueden
  ocurrir sobrecargas intermitentes debido a
  condiciones excepcionales modificaciones en el
  entorno, cascadas de fallas del sistema, etc.

55
Efecto dominó en EDF

• Para más detalle Buttazzo, Rate monotonic vs.
  EDF Judgement Day, EMSOFT 2003.

56
En RM
57
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
58
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)

59
Instante crítico

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

60
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
61
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)
62
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)

63
Cálculo del tiempo de respuesta
64
Ejemplo 4

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

65
Ejemplo 4
Tarea T C P
a 7 3 3 b
12 3 2 c
20 5 1
66
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
67
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
68
Tiempo de ejecución en el peor caso

• Interesa el tiempo de ejecución en el peor caso
  (WCET, worst case execution time)
• Hay dos formas de obtener el WCET de una tarea
• 1º opción Medida del tiempo de ejecución
• No es fácil saber cuándo se ejecuta el peor caso
  posible
• Sigue siendo usado en la industria para sistemas
  que no sean hard

69
WCET

• El tiempo de ejecución de una tarea generalmente
  varía dependiendo de los datos de entrada o
  diferentes condiciones del entorno.
• En muchos casos el espacio de estados es
  demasiado grande para explorarlo exhaustivamente

70
Tiempo de ejecución en el peor caso

• 2º opción 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,
  branch prediction y otros componentes
  especulativos)

71
Tiempo de ejecución en el peor caso

• Casi todas las técnicas de análisis involucran 2
• actividades distintas
• La 1º toma el código de la tarea y lo descompone
  en un grafo dirigido de bloques básicos
• Un bloque básico es uno secuencial con una
  sentencia de salto condicional o incondicional al
  final
• La 2º toma el código de máquina correspondiente
  al bloque básico y usa el modelo del procesador
  para estimar su WCET

72
Tiempo de ejecución en el peor caso

• Una vez conocido el WCET para todos los bloques
  básicos se colapsa el grafo. Ej. la construcción
  de elección entre 2 bloques básicos se reduce a
  uno con el WCET más grande
• Se pueden utilizar técnicas de reducción de
  grafos si se dispone de información semántica
  eficiente.
• También se utilizan herramientas como la
  programación lineal entera (ILP) y programación
  con restricciones

73
WCET
74
Necesidad de información semántica

• Coste total 10x100coste del bucle, ej.1005
  unidades de t.
• Se puede deducir (por ej.a través de análisis
  estático del código, histórico de ejecuciones)
  que Cond es verdadera como mucho en 3 veces, se
  puede obtener valores menos pesimistas, ejemplo
  375 unidades de tiempo

for I in 1.. 10 loop if Cond then -- basic
block of cost 100 else -- basic block of
cost 10 end if end loop
75
Tiempo de ejecución en el peor caso

• Estas técnicas suelen requerir anotaciones del
  desarrollador.Ejinfo sobre layout de la memoria,
  rango de valores de entrada de la tarea, límites
  de iteraciones, profundidad de anidados,
  frecuencias de algunos saltos,etc.
• También se utiliza el código generado por el
  compilador por la información semántica que
  contiene (invocaciones dinámicas, análisis de
  punteros, etc.)
• Evidentemente el código requiere restricciones,
  por ej.iteraciones y recursiones deben estar
  limitados

76
Tiempo de ejecución en el peor caso

• El peor desafío que afronta el análisis del WCET
  proviene de los modernos procesadores con
  características que intentan reducir el tiempo de
  ejecución medio pero hacen difícil predecir el
  peor caso
• Los fabricantes, en general, no suministran
  información sobre la microarquitectura que podría
  usarse para validar estos modelos abstractos del
  hardware

77
Tiempo de ejecución en el peor caso

• En el caso de sistemas en tiempo real o, se
  eligen arquitecturas de procesadores más simples
  (menos potentes) o se pone más empeño en la
  medición
• En aquéllos de alta integridad se utiliza un
  enfoque que combine las pruebas y medidas de las
  unidades de código (bloques básicos) con el
  análisis para los componentes completos

78
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)

79
Referencias

• Burns, A. Wellings, A. "Sistemas de Tiempo Real y
  Lenguajes de Programación", Addison-Wesley (2003)
  Capítulo 13
• 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