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Universität Karlsruhe (TH) Chair for Embedded SystemsSS 2006
Scheduling von Prozess-Netzwerken
Axel Sanwald
CES - Chair for Embedded Systems Department of Computer Science
University of Karlsruhe
Universität Karlsruhe (TH)
Eingebettete Systeme in Sensornetzwerken
Axel SanwaldChair for Embedded Systems
SS 2006
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Übersicht
• Was sind Prozess-Netzwerke?
• Wo kann man sie verwenden?
• Grenzen/mögliche Probleme/Gefahren
• Gewünschte Eigenschaften eines Schedulers
• Statisches Scheduling
• Dynamisches Scheduling
• Zusammenfassung
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Eingebettete Systeme in Sensornetzwerken
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Was sind Kahn-Prozess-Netzwerke?
• Modell für paralleles Rechnen, bestehend aus Prozessen und Kanälen
• Kanal: einziger Kommunikationsweg – gerichtet, asynchron, FIFO
• Prozess: Teilprogramm, dass parallel ausführbar ist
• Semantik: Ausgangskanäle jederzeit beschreibbar, Lesen blockiert bei leerem Eingangskanal
• Terminierung: alle Prozesse warten auf leeren Eingangskanal
• Darstellung kann als Graph erfolgen, hier ein Beispiel:
Prozess
Kanal Nachricht= Token
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Einsatzmöglichkeiten
• Einige Beispiele:
Netzwerkverkehr inz.B. LAN, WAN oderpeer-to-peer Netzen
Datenströme in eingebetteten Systemen
Elementar-sensor
Auf-bereitung
Vor-verarbeitung
Auswertung
physikalische
Größen
...01011101...
...5,7
,13
.. .
...2*5;8*1;......Hund;Auto;...
IPC oder RPC in µKernel-
Betriebssystemen
µKernel
Console
Network
Memory
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Die Kehrseite des Kahn-Netzwerk-Modells
• Es kann immer nur von einem bestimmten
Kanal gelesen werden!
z.B. select-syscall nicht modellierbar
• Programmablauf muss nicht deterministisch sein
unvorhersagbares Zeitverhalten einer Applikation
• Durch unbestimmten Programmablauf oder
durch das Programm selbst ist
unendlicher Speicherbedarf möglich
readFrom( any,...);NO!NO!
NO!NO!
P2
P1
P3
P4
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Gewünschte Eigenschaften eines Schedulers
1. Ein Scheduler sollte die komplette Ausführung eines Kahn-Prozess-Netzwerkes der partiellen bevorzugen. Soll z.B. ein Programm niemals terminieren, dann darf es vom Scheduler auch nicht eingeschränkt werden.
2. Ein Scheduler sollte, sofern möglich die Prozesse eines Netzwerks in einer Reihenfolge ausführen, so daß sich stets nur eine beschränkte Menge an Tokens auf jedem Kanal befinden.
3. Im Konfliktfall ist 1. zu bevorzugen.
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K1
K2
P2P1
Statisches Scheduling
• Nur auf Synchrone-Datenfluß-Netzwerke, Spezialfall von Kahn- Prozess-Netzwerken, anwendbar:
1. Topologiematrix Gamma aufstellen
2. Lösung für Balancegleichung finden
3. Anfangswertproblem lösen
1
3
3
3
0
3100
3100
0110
0011
0011
rrP2
P1
P3
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Mögliche Ausführungsreihenfolge:1, 2, 1, 2, 1, 2, 3, 3, 3, 4
Ziel:Finden einer
Ausführungsreihenfolge
Wunsch
eig
ensch
afte
n
1
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Dynamisches Scheduling I
• Ziel: Unzulänglichkeiten von statischem Scheduling umgehen
• Ein einfaches Daten gesteuertes Scheduling Verfahren:
1. Suche alle Prozesse im Zustand bereit
2. Starte alle gefundenen Prozesse
3. Warte bis alle gestarteten Prozesse blockiert sind
4. Springe zu 1.
Wunsch
eig
ensch
afte
n
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Dynamisches Scheduling II
• Zweites Ziel erfordert Semantik-Änderung des Netzwerks:
Neu: beschränkte Kanäle und blockierendes Schreiben
• Allerdings können ‘künstliche Verklemmungen‘ entstehen!
• Folgender Algorithmus löst das Problem:
1. Initialisiere alle Kanäle mit einer Startkapazität
2. Führe Programm mit vorherigem Scheduler aus
3. Bei Stop: prüfe ob es durch ein Write blockierte Prozesse gibt
4. Ja: erhöhe Kanalkapazitäten aller blockierten Kanäle und springe zu 2.
5. Nein: Terminiere
Wunsch
eig
ensch
afte
n
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k=1
k=11
1 2
2
P1 P2
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Beispiel
P2
P1
P3
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k=0
k=0 k=1 k=0 k=3
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
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P1
P3
P4 3311
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k=0
k=0 k=1 k=0 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
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P1
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k=0
k=1 k=1 k=0 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
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P1
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P4 3311
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k=1
k=1 k=1 k=0 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
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k=1
k=1 k=1 k=0 k=3
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
9. Scheduler starten
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k=2
k=1 k=1 k=1 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
9. Scheduler starten
10.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
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ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
1. Kanalkapazitäten entsprechend Initialzustand setzen,
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
9. Scheduler starten
10.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
11.Scheduler starten
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Beispiel
2. Scheduler starten
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
9. Scheduler starten
10.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
11.Scheduler starten
12.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
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k=1 k=1 k=2 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Beispiel
3. Prozesse finden
4. Deadlock bei Kanal 1 beheben
5. Scheduler starten
6. Deadlock bei Kanal 3 beheben
7. Scheduler starten
8. Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
9. Scheduler starten
10.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
11.Scheduler starten
12.Deadlocks bei Kanälen 3,4 beheben
13.Scheduler starten
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k=1 k=1 k=3 k=3
ProzessBereit Verklemmt Blockiert
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Bewertung des Verfahrens
Verfahren findet bei beschränkten Programmen eine
Ausführungsreihenfolge, die mit beschränktem Speicher auskommt
Andere Scheduler, die bereits Eigenschaft 1 erfüllen, sind kompatibel
Reagiert im Konfliktfall wie gewünscht
Möglicherweise große Anzahl an Stops
Parallelität wird durch beschränkte Kanäle behindert
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Zusammenfassung
• Ein Kahn-Prozess-Netzwerk ist einfaches aber mächtiges und vielseitig verwendbares Modell
• Allerdings kann es programmtechnisch oder durch ungeschicktes Scheduling zu unbeschränktem Hauptspeicherbedarf kommen
• Im Spezialfall synchroner-Datenfluß-Netzwerke können offline bzw. statische Scheduling-Verfahren verwendet werden
• Für den allgemeinen Fall ist es mittels einer Netztransformation und eines geeigneten Schedulers möglich ein beschränktes Programm mit endlichem Speicher auszuführen.
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Fragen
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Beschreibung Synchrone-Datenfluß-Netzwerke 1
• Synchronous data flow (SDF) differs from traditional data flow in that the amount of data produced and consumed by a data flow node is specified a priori for each input and output. This is equivalent to specifying the relative sample rates in signal processing system. This means that the scheduling of SDF nodes need not be done at runtime, but can be done at compile time (statically), so the runtime overhead evaporates.
(Quelle: http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/publications/papers/87/staticscheduling/)
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Beschreibung Synchrone-Datenfluß-Netzwerke II
• A synchronous dataflow actor can consume a fixed positive number of tokens from each input channel and produces a fixed positive number of tokens at each output channel. Let the state of the graph be represented by the sequence consisting of the number of tokens present on each channel. Then the state transition graph of the network would have transitions between the states represented by the firings of the actors. We want a finite sequence of firings, called a finite complete cycle, which leaves the network in the same state. This sequence can be repeated forever and hence the graph can be executed in bounded memory. The are a number of advantages of this.
1. Scheduling can be done statically.
2. The buffer sizes for the channels can be computed in advance.
3. Deadlocks can be detected.(Quelle: http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/~eal/ee290n/lec19.scribe/node3.html)
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