-
I. Noiuni introductive privind aplicaiile multi-tasking de timp
real
Sistem numeric: = hardware (resurse) + sistem de operare +
aplicaie utilizator (rutine/metode)
Sistem de timp real - un sistem care trebuie s rspund unor
restricii de timp (RT) prestabilite
RT cheia funcionalitilor dorite
Ex: control proces, identificare online
Aplicatie de timp real Aplicaie cu timp de execuie mic
-
- [timp] conteaz momentele de timp la care rezultatele sunt
obinute!!
- [real] rspuns la evenimentele externe pe msur ce acestea
apar
Exemple
Control
Monitorizare + alerte/decizii
-
Sistem de timp real
o Hardware -ul asigura rspuns rapid la evenimente externe,
sincronizare temporal, siguran
o Aplicaia dezvoltat multitasking [procese modulare, cu prioriti
diferite] + ISRuri
o Sistemul de operare ofer anumite faciliti suplimentare accent
pe rspuns rapid la evenimente externe, partajare resurse, executie
multitasking (comutare de la un task la altul + planificare &
alocare)
-
resurse
o active: procesoare asigura execuia instruciunilor
o pasive: periferice (DA, AD, PWM, numaratoare), linii de
comunicatie, locatii memorie (variabile)
+
procese care lupta pentru ocuparea resurselor (implementate de
programator)
o Task = proces care implementeaza o anumita facilitate a
aplicatiei
o ISR = proces prin care se raspunde unei cereri de intreruperi
lansata de un dispozitiv periferic
+
sistemul de operare de timp real asigura servicii pentru execuia
proceselor i ocupare/eliberarea resurselor in sensul respectrii
restrictiilor de timp
-
procesele trebuie s coopereze pentru a produce rezultate
procesele lupta pentru ocuparea resurselor: algoritmi de
planificare si alocare
procesele ocupa pentru executie: - o resursa activa (procesor,
server) cel putin - eventual anumite resurse pasive (memorie,
etc)
O resursa poate fi ocupata de un singur proces la un moment dat
(acces exclusiv)
Cedarea resursei unui alt proces mai prioritar: o resurse active
- prin preemtare (unui alt task) sau
intrerupere (unui ISR); o resurse pasive: acces preemtiv
-
Proces zona de memorie proprie pentru
- cod executat - date folosite
+ - stare procesor (resursa activa): registri
Fir (thread engl.) fara zona proprie de memorie
Procese create dinamic/static
-
Diferente principale sistem timp real alte sisteme numerice
Sistem timp real
Alte sisteme numerice
Planificare Planificarea taskurilor in sensul respectarii
restrictiilor de timp
Folosirea corect i eficient a resurselor
Timp de rspuns Incalcarea unui deadline rezultatul nu este doar
ntrziat, ci i greit
timpii de rspuns s asigure respectarea restriciilor de timp
pentru cazul cel mai nefavorabil
Timpi de raspuns ct mai buni
Suprancrcare Respectarea restriciilor de timp importante
Comportare acceptabil
[The Concise Handbookof Real-Time Systems, www.timesys.com]
-
T2 T1 T1T2 T2 T2T3 T3
while(1){ if() operatii task 1 if() operatii task 2 etc }
Motontasking
while(1){
}
Multitasking
ISR
Task1
ISR
Task2 Task3
Avantaje abordare multitasking: - Extensie simpla adaugare
taskuri - Prioritati diferite - Temporizari & restrictii de
timp mai
flexibil de gestionat, independent pentru fiecare task
-
Executia multitasking solicit:
Task1 .
.
.
.
Task 2
..
SOTR
Programator (+ servicii SOTR)
Continuarea executiei procesului cu urmatoarea instructiune +
gestionare corect a stivei/memoriei
Logica nealterat, consistena date, sincronizare, etc.
SOTR asigur comutarea corect de la un proces la altul (comutarea
contextelor)
Context task = coninut regitri procesor + adres de nceput task +
stare task +adresa stivei iniiale + var. specifice ale SOTR
Orice proces trebuie executat consistent, indiferent ce comutri
ntre procese au loc
-
Din perspectiva programarii: Multitasking + folosire ISR
Pot exista sectiuni critice:
acces concurent la IO, variabile de memorie globale
alte succesiuni de instructiuni ce trebuie nu trebuie
fragmentate
Poate exista secvente reentrante acelai cod executat pe instante
diferite
Din perspectiva dezvoltarii unui RTOS: RTOS - mod
privilegiat
-
Faciliti uzuale oferite de un SOTR:
asigur execuie multitasking: o creare-stergere taskuri o
gestionare taskuri pe stri multiple o comutare ntre taskuri o
arbitrare taskuri
comunicare ntre taskuri
partajare resurse pasive
monitorizare executie
+
respectare restricii de timp arbitrare n sensul respectrii RT pe
baz de prioriti
-
Tipuri RTOS in funcie de facilitaile oferite:
planificare (scheduling) + control execuie (dispatcher)
comunicare intertask + sincornizare
acces protejat la memorie, servicii I/0
fisiere, securitate, interfata utilizator
microkernel
kernel
executiv
-
Clasificare RTOS/ n funcie de interfaarea cu aplicaia
utilizator
- monolitic o RTOS lucreaza in mod privilegiat, iar aplicatiile
lucreaza in mod
utilizator folosind apeluri la RTOS bazate pe trap o Executia
aplicatiei in mod supervizor prin linkeditare cu RTOS
(apel sistem apel functie)
- stratificat o RTOS organizate pe module organizate ierahic
Permite update simplu a unui modul Scalabilitate, portabilitate
crescute
-
- bazat pe OS servere o Kernel minimal:
asigura comunicare securizata si operatii sistem critce
(accesare registri IO)
functii ale RTOS sunt mutate in procese de tip OS server ce
ruleaza in mod utilizator si comunica prin mesaje.
o modularitate, extensie fireasca catre sisteme distribuite o
eroare la un server SO nu devine fatala
Probleme: o Consum resurse pe comunicare o Dificultati in
gestionarea comunicarii o Tratarea ISR - cereri transmise prin
mesaje si
tratate in mod user prin interrupt service task (implica
comutari de context intre taskuri)
-
Ocuparea resurselor active/pasive este tratat distinct de
SOTR:
i). Ocuparea resurselor active (procesoare):
Caz multiprocesor planificare si alocare >> procese
concurente CAND (planificare) i UNDE (alocare) se execut taskurile
(procesoarele vor comunica prin mesaje sau zone partajate de
memorie) Caz nedetaliat n curs!!!!!!
Caz monoprocesor - planificare: CAND se execut taskurile
o pentru taskuri exista un arbitru care decide ce task preia
procesorul: planificatorul (componenta a SOTR);
o pentru ISR arbitrul este de obicei un controller hard, nu o
componenta a SOTR.
-
ii). Ocuparea resurselor pasive:
Resurse pasive = zone de memorie, dispozitive periferice,
etc
Resursele sunt partajabile intre procese!!!!
o Un proces care ocupa resursa trebuie s i poat finaliza n timp
finit operaiile, fr a pierde consistena datelor
o Un proces mai puin prioritar nu trebuie s ntrzie un alt proces
mai prioritar la primirea resursei (inversare de prioritate)
o Procesele nu trebuie s se blocheze n ateptarea resurselor
(deadlock)
Proces 1
..............
Setez mod de lucru 1 Folosesc resursa pe mod 1
........................
Proces 2
..............
Setez mod de lucru 2 Folosesc resursa pe mod 2
........................
-
I.1. Detalii despre ocuparea resurselor active in SOTR
I. 1. 1. Clasificare taskuri
1) dup mod activare
o periodice, deterministe activate cu regularitate la fiecare
activare: citesc stare sistem, execut calcule, trimit comenzi
de afiare-modificare stare sistem Ex: aviaie - ajustarea poziiei
supapei rezervorului de combustibil n funcie de puterea solicitat;
automobilism verificare blocare roi; achiziie date; control
periodic; refresh DRAM.
o aperiodice activate cnd anumite evenimente au loc pot fi
critice (cu deadline ferm - sporadice) sau obinuite (fr
deadline ferm - aperiodice) Ex: reconfigurarea sistemului de
control atunci cnd anumite anomalii sunt detectate; operaii de
ntreinere; nregistrare de evenimente.
-
2) dup importan o critice hard deadline - uzual : periodice o
eseniale deadline ferm, important o neeseniale deadline-ul poate fi
nclcat fr efecte imediate
(software deadline)
necesitate considerare prioriti pentru taskuri
-
I. 1. 2. Starile posibile ale unui task
in asteptare (waiting)
Se termina de executat
in curs de executie (running)
Evenimentul asteptat a avut loc
pregatita pentru executie (ready)
Cere asteptarea unui eveniment
suspendata
activata
Primeste procesorul
(start)
Pierde procesorul
(preempt)
Pot exista diferente intre SOTR cu privire la modul de trecere
del a o stare la alta sau denumirea strii
-
I. 1. 3. Moduri execuie a taskurilor
o preemtiv
un proces poate ceda procesorul altui proces atunci cand
planificatorul decide acest lucru, fr a i se cere acordul:
in executie ready
T1
in executie
suspendat in executie
suspendat
activare T1 Terminare T1
T2
v
in executie ready
T1
in executie
suspendat in executie
suspendat
activare T1 Terminare T1
T2
v
-
o nepreemtiv
un proces nu cedeaz procesorul altui proces activ, fr acordul
su
in executie
T1
suspendat
suspendat ready
in executie
activare T1
Terminare T2
T2
v
>> pot fi admise moduri mixte: unele procese preemtive,
altele nepreemtive
-
Un proces caracterizat in SOTR prin:
o ID
o Stare
o Resurse ocupate
- pentru control executie
-
1. 4. Planificator
Planificatorul (scheduler) monitorizeaz coada de taskuri ready i
stabilete ce task trece executie.
Elemente ce definesc planificatorul:
o cand se activeaz planificatorul (cnd poate decide
comutarea)
clock driven [periodic] planificatorul se activeaz periodic (o
perioad = frame) + procesul in executie cere acces la planificator,
se termina sau intra in asteptare
event driven [bazat pe evenimente] planificatorul se activeaz
cand apare un eveniment ce modific coada ready + procesul in
executie cere acces la planificator, se termina sau intra in
asteptare
-
in executie ready
T1
in executie
suspendat in executie
suspendat
activare T1 Terminare T1
T2
v
in executie ready
T1
in executie
suspendat in executie
suspendat
activare T1 Terminare T1
T2
v
cadru (frame)
mod preemptiv!!!!
-
o algoritmul de planificare cum alege taskul ctigtor:
uzual pe baz de prioritate
prioritile pot fi statice (un task are aceeai priroitate pe
durata execuiei aplicaiei) sau dinamice (un task i modific
prioritatea)
la multe SOTR: statice (stabilite de designer)
-
I. 1. 5. Execuia ISR
Atentie: ISR nu sunt supervizate de planificator!
Cererile nu sunt stocate in coada ready gestionate de
controllerul de intreruperi
Uzual ISR sunt gestionate pe nivele de prioritate superioare: un
ISR intrerupe orice task daca IF permite
+
modifcare IF disable/enable un ISR poate intrerupe un ISR mai
putin prioritar daca IF permite
-
I. 2 Restriciile de timp definiii utile
Restricia de timp - cerina de a executa o operaie dup ce sunt
ndeplinite anumite condiii i nainte de un termen prestabilit
),,,,( deadlineIexecreleased tpttI d
cu releaseexec ttt < deadline ,
p perioada de activare a proceselor periodice Id identificator
task
-
procesi
ei
(executie)
Di
(deadline relativ)
Taski li rezerva
(laxity, slack)
di termen limita
(deadline absolut)
ri
activare (release)
timp
interval in care procesul trebuie sa se execute
(occurance interval, feasible interval)
Taski
intarziere (tardeness)
-
Timpul de activare ri poate incorpora i restricii de precedena
(procesul se poate executa doar dac alte procese s-au executat)
Timpul de executie ei este calculat pentru un proces care se
executa fara a fi intrerupt-preemtat, avand toate resursele
necesare disponibile si toate restrictiile de precedenta
indeplinite
Depinde de viteza resurselor active Nu depinde de secventa de
executie a taskurilor Poate fi diferit daca exista instructiuni
conditionale,
daca se foloseste memorie cash ],[ + iii eee >> se va
considera in analiza +ie
- Obs: In aplicatiile de timp real exista multe procese periodice
Aplicaii on-line:
-
Timp = resursa STR corectitudine n funcionarea STR
Alte restricii ce trebuie ndeplinite: Performane impuse pentru
anumite operaii Fiabilitate STR Restricii privind accesul la
resursele comune limitate i partajabile:
procesoare, dispozitive IO, baze date, resurse reea
comunicaie
De multe ori SOTR ofer doar ajutor in gestionarea resurselor
active/pasive conform prioritatilor proceselor
Respectarea restriciilor ramne in sarcina designer ului!!!!
-
Respectarea restrictiilor de timp se verifica pe cazul cel mai
nefavorabil
Acesta este greu de gasit la sisteme cu multe procese,
principalele dificulti fiind: determinarea +ie , ri, lucru cu
procese aperiodice sau sporadice, intrzieri, situaii neprevzute
Cerin: respectarea predictibil a restriciilor de timp
(importante)
-
Plan = secventa/ordinea in care se vor executa taskurile
Plan valid (corect) asigura respectarea conditiilor:
Un procesor are asignat un singur job la un moment dat
Un proces este asignat maxim unui singur procesor la un moment
dat
Niciun task nu incepe inainte de ri
Restrictiile de precedenta si de utilizare a resurselor sunt
indeplinite
Un task ocupa procesoarele maxim un timp egal cu ei
Plan admisibil (feasible) plan valid ce asigura respectarea
deadline-urilor
-
Sisteme de timp real
PET [Physical Execution Time] - o descriere temporal exact a
secventei de executie, prin design o acces exclusiv la procesor -
uzual main + ISR in ASM
BET [Bounded Execution time] cu SOTR: taskuri + ISR
o RT: deadine pentru taskuri
Probleme: adaugarea unor taskuri noi afecteaza modul de execuie
al taskurilor deja existente n sistem
-
LET [Logical Execution time]
Exemplu: HTL [Hierarchical Timimg Language]
comunicator = variabila ce poate fi accesata la anumite momente
de timp pentru sciere-citire
mode grup de taskuri de aceeai frecven; acceptate restricii de
preceden
un program HTL: set de comunicatori + mode -uri
o taskurile nu includ sincronizri, ci citesc/ actualizeaz
instane ale comunicatorilor;
o taskurile comunica prin comunicatori; comunicarea directa
intertask permis n mode prin porturi
