modelo del sistema

Dr. Pedro Mejía Alvarez Sistemas de Tiempo Real Transparencia 1

Modelo del Sistema

Dr. Pedro Mejía Alvarez

CINVESTAV-IPN, Sección de Computación


Indice

• Como se distingue a un STR• Caracterización de un Sistema de Tiempo Real• Modelo de Referencia

• Parámetros temporales y restricciones• Parámetros del sistema• Tipos de Tareas

• Planificación• Metodos de Planificación


Como se distingue a un Sistema de Tiempo Real ?

Un Sistema de Tiempo Real tiene restricciones de tiempos

•Procesador: recurso activo (CPU, procesador de E/S, etc)•Recurso: recurso pasivo (dispositivos de E/S, disco, cinta, red)•Tarea: Conjunto de unidades de ejecución.•Job: Unidad de trabajo ejecutada por el sistema.

•Restricciones Temporales:•Tiempo de inicio (release time).•Plazo de respuesta.•Tiempo de respuesta máximo.


Plazos de respuesta críticos y no críticos

Un Sistema de Tiempo Real tiene restricciones de tiempos

•Plazo Critico: Resultados tarde pueden ser fatales, de poca utilidad o con consecuencias desastrosas•Plazos No-Críticos (suaves): Se desea que el computo termine a tiempo, pero resultados que llegan tarde son útiles (hasta cierto punto)•Definiciones:

• Un Job tiene un plazo critico cuando el diseñador del sistema tiene que comprobar que nunca pierde su plazo.•Un sistema es de tiempo real critico cuando la mayor parte de los plazos son críticos.

•Sobrecargas.


Computadora

Calefactor

Sensor de temperatura

Termo

r(t)

y(t)

u(t)

•Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora.

Caracterización de la Aplicación



Restricciones de Funcionamiento.

• Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora.

• En el sistema (planta), dada una u(t), se produce una y(t).

• El sistema recibe una señal de referencia r(t), el cual indica la temperatura deseada.

• El objetivo del sistema de control es que y(t), sea lo mas parecida a r(t).

• Para lograr el objetivo, es preciso aplicar a la planta la señal u(t)

• y(t) muestra el valor real de la temperatura del termo.


Restricciones de Tiempos:

•Tiempos de cómputo.•Periodos de muestreo.•Tiempos de acceso a los dispositivos (censores actuadores)•Plazos de Respuesta.•Análisis de Planificación.•Planificar el sistema con un Sistema Operativo.

•Los tiempos hay que obtenerlos, ya sea mediante mediciones instrucción por instrucción, mediante analizadores lógicos o osciloscopios digitales.•El periodo de muestreo y el plazo de respuesta dependen de la aplicación.



Sistemas de Tiempo Real Críticos

Que tipos de Sistemas de tiempo real son críticos ?

•Tiempo Real no es cómputo rápido.•Como comprobar/verificar que siempre se cumplen losplazos en un sistema de tiempo real crítico ?•Implementar mecanismos para monitorizar el estrictocumplimiento de tiempos•Que consecuencia trae la pérdida de plazos en este tipo deSistemas.


Sistemas de Tiempo Real No Críticos

Que tipos de Sistemas de tiempo real son no críticos ?

•Restricciones de Tiempo tolerantes: algunos plazos se permite que se pierdan:•n de m plazos perdidos. (% por ciento de plazos perdidos)•Tareas con Cómputo obligatorio y computo opcional.•Calidad de servicio: (obtener 70% de los mensajes de la red).•Mejor esfuerzo: que se cumplan el mayor número de plazos• posibles.

(a) Requerimientos de tiempos sin restricciones:•Sistemas de transacciones en línea, Switches de telefonía.(b) Requerimientos de plazos con pocas restricciones:•Sistema de obtención de precios de cotizaciones en bolsa.(c) Requerimientos de plazos con restricciones:•Multimedia

(a)(b)

(c)

t

U

d


Modelo de Referencia

Modelo de Referencia

Recursos TareasPlanificación yManejo de Recursos

Describe los recursosutilizados por el sistema

Describe la aplicación quesoporta el sistema

Describe los algoritmosque manejan los recursos y las tareas del sistema


Parámetros Temporales

Ji: Job, unidad de trabajoTarea (i ): conjunto de JobN Número de tareasM Número de recursosai: tiempo de arrivo (release time)si: tiempo de inicio de ejecuciónTi Período de activaciónCi: Tiempo de ejecución máximo: Cj < Dj = Tj Di Plazo de respuesta relativa del Job Jidi: Plazo de respuesta absoluta del Job Jifi: tiempo de finalizaciónRi Tiempo de respuesta máximoP Prioridad


Parámetros Temporales

Ci

ai si fi dit

Ji


Restricciones a los Parámetros Temporales

•Se trata de asegurar que: Cj < Dj < Tj y Rj < Dj•Una tarea se ejecuta concurrentemente con otras tareas.•Tiempo de ejecución: máximo, mínimo, promedio•Cual de estos parámetros es fijo o variable ?•Tiempo de inicio: Fijo, con jitter, o esporádico.•Como se obtienen las prioridades de las tareas ?•Por que no se utiliza la velocidad de procesamiento ?


Distribuciones Tipicas

TA Min TA Prom TE Prom WCET

Tiempo entre Arrivos de Tareas Tiempo de Computo


Carga de Trabajo del Procesador

tiempo

Bajo suposición del peor caso Bajo suposición del caso promedio

tiempo

1

0.75

0.5

0.25

0

1

0.75

0.5

0.25

0


Worst-Case vs Average-Case

worst-case average-case

Predecibilidad

Baja Eficiencia% Utilizacion

Sin garantias

Alta Eficiencia% Utilizacion

alto costo: se justifica para•sistemas de avionica•control de trafico aereo•plantas nucleares

bajo costo: se justifica para•sistemas de multimedia•robotica•realidad virtual.....


Restricciones del Sistema

• Restricciones de los parámetros temporales.

• Restricciones de recursos: una tarea puede requerir acceso a ciertos

recursos compartidos por otras tareas, como dispositivos de E/S, redes

de comunicación, estructuras de datos, archivos y bases de datos.

• Restricciones de precedencia: una tarea puede requerir resultados

de una u otra tarea antes de comenzar su ejecución.

• Restricciones de Expulsividad. Una tarea puede ser expulsada

(o no) de su ejecución por otra tarea en medio de su ejecución.

• Restricciones de confiabilidad y desempeño:una tarea podría tener

que cumplir con ciertas restricciones de confiabilidad, disponibilidad o

desempeño.


Restricciones de Precedencia

1

34

2

5 6

J1 precede a J3 y J5J4 precede a J6J1 precede a J4J2 no tiene precedenciacon las demas tareas


Tipos de Tareas

• Tareas Periódicas.

• Tareas Aperiodicas.

• Tareas Imprecisas: Tareas con partes obligatoria y opcional.

• Tareas Multiframe: El tiempo de computo varia de instancia a

instancia.

• Tareas Elásticas: el periodo puede extenderse o comprimirse.

• Tareas Periódicas con arrivo aperiodico y número de periodos de

vida no finito.

• Tareas con manejo de energia: tareas que pueden aumentar o

disminuir su velocidad de procesamiento en cualquier instante para

reducir su consumo de energía.


Modelo de Tareas Periódicas

Tareas : i ... n .Cada tarea consiste de Job: Ji1, Ji2, ….., Jin

ri: tiempo de inicio (release time)Ti Período de activaciónCi: Tiempo de ejecución máximo: Cj < Dj = Tj Di Plazo de respuesta relativa del Job Jidi: Plazo de respuesta absoluta del Job JiRi Tiempo de respuesta máximoUi Utilización de i Ui = Ci / Ti

H hiperperíodo del sistema: lcm (T1,…Tn)


Ejemplo

Tarea T C P U 1 16 4 1 0.250 2 40 5 2 0.125 3 80 32 3 0.400

0.775

0 10 20 30 40 50 60 70 80


Tareas Aperiodicas y Esporádicas

Eventos que ocurren en tiempos inesperados

ai: tiempo de arrivo de la tarea i

Ii Tiempo entre arrivos.Ci: Tiempo de ejecución máximo: Cj < Dj Di Plazo de respuesta relativa del Job Ji

Cada tarea consiste de un solo Job: Ji, Ji, ….., Jn.

Cada tarea arriva en tiempos inesperados.

Tareas aperiodicas: los Job tienen plazos suaves o no tienen plazos.Tareas esporádicas: los Job tienen plazos de respuesta críticos.


Ejemplo de Tareas Aperiodicas

A A A

0 25 50 75 100

BB B B

0 25 50 75 100


Tareas Imprecisas

Estas tareas contienen una parte obligatoria una parte opcional.

Mi: parte obligatoria de la tarea i

Oi: parte opcional de la tarea i

Mi precede en ejecución a OiPi puede no ejecutarse o ejecutarse parcialmenteEl plazo de Mi debe de cumplirseEl plazo de Oi podria no cumplirse.La ejecución de Oi permite refinar el resultado de MiSe trata de producir la mayor ejecución posible de todas las partes opcionales, de forma que:•no comprometan a ninguna parte obligatoria•que se ejecuten al máximo posible las partes opcionales pero que no causen la pérdida de plazos de las partes obligatorias


Ejemplo de Tareas Imprecisas

Tarea T M O P U 1 30 5 5 3 0.333 2 40 5 5 2 0.250 3 50 10 2 1 0.240

0.823

La tarea 3 pierde el plazo de su parte opcional en suprimer Job, en t = 50

0 20 40 60 80 100 120 140 160

la parte obligatoria O3 no se ejecuta!


Planificación (scheduling)

La planificación consiste en asignar un orden deejecución a un conjunto de tareas que se ejecutan concurrentemente

En la planificación existen 3 elementos:•Procesadores.•Recursos•Tareas•Planificador y Manejador de Recursos (Sistema Operativo)

Cada tarea es planificada por un algoritmo de planificación y distintos recursos son asignados mediante un protocolo de acceso a recursos.


Planificador (scheduler)

La tarea del planificador es producir planes de ejecuciónvalidos:

•A cada Job se le asigna un procesador para ejecución en cualquier momento•Los Job solo se ejecutan despues de su tiempo de inicio•El tiempo de procesamiento asignado cada Job corresponde a su máximo tiempo de ejecución.•Las restricciones del precedencia y de uso de recursos se satisfacen

Un plan de ejecución válido es un plan de ejecución factiblesi cada Job cumple con sus restricciones temporales.


Plan de Ejecución (schedule)

Un algoritmo de planificacion es optimo:

(a) si el algoritmo encuentra siempre encuentra planes de ejecución (schedules) en el caso de que estos existan, y

(b) si el algoritmo no encuentra planes de ejecución, quiere decir que estos realmente no existen.


Métricas para evaluación del desempeño

Response time: Ri = (fi - ai)

Average response time =

Lateness: Li = fi - di.Tardiness: Ei = max(0,Li)Laxity or Slack time: Xi = di - ai - Ci

Miss Rate:

(# de Jobs que son ejecutados pero que pierden plazos) Loss Rate: porcentaje Jobs que son descartados.

Hard: Li negativo y Ri < diSoft: Minimizar el promedio absoluto de Li, Ri, Miss Rate y Loss Rate.

n

iii af

n 1

)(1

{0

11

)(,)( idifif

otherwisei

n

ii fmisswherefmiss


Métodos de Planificación

• Planificar el uso de los recursos con el fin depoder garantizar los requisitos temporales.• Un método de planificación tiene dos aspectos importantes:

Un algoritmo de planificación que determina el orden de acceso de la tareas a los recursos del sistema ( en particular al procesador ) Un método de análisis que permite calcular el comportamiento temporal del sistema.

Así se puede comprobar si los requisitos temporales están garantizados en todos los casos posibles. En general se estudia el peor comportamiento posible.


Proceso de Planificación

Planificador

Carga de Trabajode Tiempo Real

Análisis dePlanificabilidad

AplicaciónAplicaciónCríticaCrítica

AplicaciónAplicaciónCríticaCrítica

No es planificableNo es planificableNo es planificableNo es planificable

Tarea

EJECUCIÓNCi

Ti

Di

Fuera de linea (off-line) En linea (on-line)


Proceso de Planificación (estados)

activación test deaceptación

LISTA

BLOQUEO

EJECUCION

despachar

expulsión

espera enrecurso ocupado

recurso liberado

SI

NO


Complejidad debida a la periodicidad de las tareas

• La planificación por si sola no resuelve el problema• La activación periódica de tareas requiere una forma

estricta de análisis y garantías• La tarea no solo arriba una sola vez, sino varias.• Es necesario un mecanismo para asegurar que el

plazo de cada activación también se cumple• El análisis fuera de línea provee garantías de

cumplimiento de plazos a priori. Sin embargo se necesita de mecanismos de soporte de cumplimiento de plazos durante la ejecución a fin de conseguir una ejecución predecible.


Planificación vs. Planificabilidad

• Planificación = enfoque para priorizar una tarea sobre otra

• Planificabilidad = análisis formal que permite garantizar que un conjunto de tarea periódicas pueden (o no) ser asignadas a un recurso compartido (p.ej. el procesador) tal que cada una de las tareas cumpla con su plazo de respuesta

• Planificabilidad = Control de admisión


Asignacion de Prioridades

• Cumplir los plazos de los procesos de mayor prioridad• Quien asigna las prioridades ?

– Naturalmente el usuario (aunque después pague por ello !!)– Desafortunadamente:

• El sistema necesita asignar prioridades también por llevar un control de admisión

• (Orden de prioridades asignado por el sistema) (Orden de prioridades asignado por el usuario)

• Se requiere una solución intermedia• Compromiso de Prioridades

– Mezcla de prioridades asignadas por el usuario y el sistema– Significa esto algún sacrificio por ambas partes-es posible

tolerarlo?


Clasificacion de Metodos de Planificación

•Expulsivo: Permite que las tareas en ejecución sean interrumpidas en cualquier momento para asignar el procesador a otra tarea activa, de acuerdo al metodo de planificacion.•No expulsivo: Una vez que inicia su ejecución una tarea no es interrumpida hasta que termina. Las decisiones de planificacion solo pueden llevarse a cabo hasta que termina la tarea.

•Estatico: Los parámetros son fijos y calculados antes de la ejecución•Dinamico: Los parámetros pueden cambiar durante la ejecución.•Off-line: La planificacion se realiza antes de la ejecución. El plan de ejecución se almacena en una tabla.•On-line: El planificador toma decisiones sobre la ejecución, cuando una tarea inicia su ejecución o cuando termina de ejecutarse.•Best-effort: Algoritmo dinamico que trata de encontrar un plan de ejecución factible, pero si no lo encuentra hara lo mejor posible para cumplir los plazos de las tareas


On-line vs. Off-line Scheduling

• Off-line scheduling: el plan de ejecucion se calcula fuera de linea y se basa en el conocimiento de los tiempos de inicio y de computo de todos los jobs.

– Para sistemas deterministicos: con parametros temporales fijos que no cambien o que cambien muy poco.

• On-line scheduling: el planificador toma decisiones sin conocimiento del tiempo en que arrivaran jobs en el futuro.

– No existe un plan de ejecucion optimo si los jobs son no-expulsivos

– Cuando un job arriva, se acepta en el sistema si cumple con la prueba de aceptacion.

modelo del sistema

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