1

Scheduling de multiprocesadores y sistema de tiempo real

Capítulo 10

2

Clasificación de sistemas multiprocesadores

• Débilmente acoplados, sistemas distribuidos o clusters– Cada procesador tiene su propia memoria y canales de I/O

– Los procesadores no comparten el reloj

• Procesadores especializados– Generalmente esclavos de un procesador maestro

– Ejemplo: procesadores de I/O

• Áltamente acoplados – Procesadores comparten memoria, un bus y el reloj

– Cada uno podría tener su propia memoria cache

– Controlados por El sistema operativo

3

Granularidad de la sincronización

• Granularidad de la sincronización se refiere a la frecuencia con que los procesos se sincronizan

• También, incluye el tipo de tareas que se sincronizan, por ejemplo procesos versus hebras

• Cinco categorías de granularidad– Independiente: Muy grueso (very coarse)

– Grueso (coarse)

– Medio

– Fino

4

Granularidad de la sincronización

• Independiente– No existe sincronización explícita entre los procesos

– Cada uno es un trabajo (job) independiente de los otros

– Ejemplo: sistemas multiusuarios de tiempo compatido.

– El scheduler no se ve afectado

• Gruesa o muy gruesa– Existe algún tipo sincronización entre los procesos

– Ejemplo: procesos concurrentes

– Si los procesos se comunican muy poco, entonces un sistema distribuido sería lo apropiado

– Si la comunicación aumenta, la penalización de el delay en la red podría afectar el rendimiento. Entonces, mejor usar sistemas multiprocesadores

– Se requeriría algunas modificaciones al scheduler

5

Granularidad de la sincronización

• Media– Ej: múltiples hebras de un proceso

– Ya que las hebras interactúan muy frecuentemente, las decisiones de scheduling sobre una hebra afectará el rendimiento de la aplicación

– Modificaciones importantes al scheduler

• Fina– Aplicaciones altamente paralelas

6

Consideraciones de diseño de scheduling

• Asignación de procesos a los procesadores

• Uso de multiprogramación en cada procesador

• Dispatching de los procesos

7

Asignación de procesos a procesadores• Si la arquitectura es homogénea, los procesadores se pueden ver como

recursos que se asignan en demanda

• Asignación estática– Asignar permanentmente un procesador a un proceso

– Conocido como scheduling de grupo o gang scheduling

– Cada procesador tiene su propia cola de listo y su propio algoritmo de scheduling

– Simple, bajo overhead

– Puede producir que un procesador esté inutilizado mientras otro está sobrecargado

• Asignación dinámica– Los procesadores comparten una cola común de procesos

– Los procesos pueden ejecutarse en cualquier procesador

– En un sistema altamente acoplado el contexto de los procesos están disponibles a todos los procesadores en la memoria compartida

– En granularidad media las hebras de un mismo proceso también se mueven de un procesador a otro

8

Asignación de procesos a procesadores

• ¿Quién realiza la asignación?

• Cola global– Cualquier procesador puede realizar scheduling

• Arquitectura Maestro/Esclavo(s)– Algunas funciones privilegiadas del kernel siempre corren en el maestro

– Sólo el procesador maestro realiza funciones privilegiadas de scheduling

– Los esclavos envían requerimientos al maestro, por ejemplo de I/O

– Si el maestro falla, todo el sistema falla

– El maestro puede convertirse en un cuello de botella

• Arquitectura de pares– El SO puede ejecutarse en cualquiera de los procesadores

– Cada procesador realiza su propio scheduling

– El SO se torna complejo, por ejemplo hay que garantizar que dos o más CPUs no elijan al mismo proceso

9

Scheduling de Procesos

• En la mayoría de los sistemas existe una sola cola de procesos, y los procesos pueden ejecutarse en cualquier procesador

• Si hay prioridades, se mantienen varias colas de prioridades, también globales a los procesadores

10

Scheduling de hebras

• Compartición de carga– Los procesos no son asignados a un procesador en particular

– Los procesadores comparten un cola global de hebras

• Gang o Grupo– Un conjunto de hebras relacionadas son planificadas para correr en un conjunto

de procesadores al mismo tiempo (uno-a-uno)

• Asignación dedicada– Cada proceso es asignado un número de procesadores igual al número de

hebras.

– Las cuales corren siempre en ese conjunto de procesadores hasta el fin del programa

• Dinámico– El número de hebras puede cambiar durante la ejecución del programa

11

Compartición de carga

• La carga se distribuye parejamente (en demanda) en los procesadores• No se necesita un scheduler centralizado. • Cuando un procesador queda disponible, ejecuta el código de scheduler y

selecciona una de las hebras de la cola global • Se puede tener cualquier algoritmo de scheduling tradicional en la cola

global• FCFS:

– cuando un job llega, sus hebras son puestas al final de la cola de listos– La hebra corre hasta que termina o se bloquea

• Prioridad: número menor de hebras primero– La cola se ordena por el número de hebras que tenga un proceso– Apropiativo

• Prioridad: número restante menor de hebras primero– Si llega un proceso con un número menor de hebras que la del procso que está

corriendo, se saca de la CPU

12

Desventajas de compartición de carga

• Se necesita implementar exclusión mútua para la cola global• Luego si varios procesador buscan planificar al mismo tiempo, puede

producirse demoras• Es muy probable que hebras desapropiadas no vuelvan a correr en el mismo

procesador, luego memoria cache es menos eficiente • Si un proceso requiere alta coordinación entre sus hebras, es probable que

ellas no entren al mismo tiempo, afectando el rendimiento

13

Scheduling Gang o de grupo

• La hebras de un mismo proceso (o varios procesos) son planificadas simultáneamente

• Útil para aplicaciones donde el rendimiento se degrada cuando cualquier parte de la aplicación no está corriendo

• Por ejemplo, cuando la hebras deben sincronizarse continuamente

• Suponga que tenemos N procesadores y M procesos cada uno con N o menos hebras. Entonces, una posibilidad es asignar a cada aplicación los N procesos durante 1/M del tiempo total. La otra posibilidad es asignar un tiempo proporcional al número de hebras

14

Scheduling dedicado

• Se dedica un grupo de procesadores a una aplicación por todo el tiempo que dure

• Cada hebra queda asignada a un procesador particular

• Algunos de los procesadores pueden quedar ociosos cuando por ejemplo la hebra que corre ahí se bloquea por algún motivo

no existe multiprogramación de procesadores

• Útil en multiprocesadores masivos o aplicaciones de uso intensivo de CPU

15

16 procesadores

16

Scheduling dinámico

• Número de hebras en un proceso cambia durante la vida del proceso• Un posible método es dejar que tanto el SO como la aplicación tomen

desiciones de scheduling• El SO se preocupa de la asignación de los procesadores y la aplicación se

preocupa del scheduling de sus hebras en los procesadores asignados• El SO ajusta la carga para mejorar la utilización

– Asigna procesos a procesadores ociosos– Si no hay procesadores ociosos, asigna un procesador que está siendo usado por

un proceso que actualmente corre en más de un procesador– Si no, el requerimiento se bloquea hasta que un procesador esté disponible

17

Real-Time Systems

• Correctness of the system depends not only on the logical result of the computation but also on the time at which the results are produced

• Tasks or processes attempt to control or react to events that take place in the outside world

• These events occur in “real time” and tasks must be able to keep up with them

18

Real-Time Systems

• Control of laboratory experiments

• Process control in industrial plants

• Robotics

• Air traffic control

• Telecommunications

• Military command and control systems

19

Characteristics of Real-Time Operating Systems

• Deterministic– Operations are performed at fixed, predetermined times or within predetermined

time intervals

– Concerned with how long the operating system delays before acknowledging an interrupt and there is sufficient capacity to handle all the requests within the required time

20

Characteristics of Real-Time Operating Systems

• Responsiveness– How long, after acknowledgment, it takes the operating system to service the

interrupt

– Includes amount of time to begin execution of the interrupt

– Includes the amount of time to perform the interrupt

– Effect of interrupt nesting

21

Characteristics of Real-Time Operating Systems

• User control– User specifies priority

– Specify paging

– What processes must always reside in main memory

– Disks algorithms to use

– Rights of processes

22

Characteristics of Real-Time Operating Systems

• Reliability– Degradation of performance may have catastrophic consequences

• Fail-soft operation– Ability of a system to fail in such a way as to preserve as much capability and

data as possible

– Stability

23

Features of Real-Time Operating Systems

• Fast process or thread switch

• Small size

• Ability to respond to external interrupts quickly

• Multitasking with interprocess communication tools such as semaphores, signals, and events

24

Features of Real-Time Operating Systems

• Use of special sequential files that can accumulate data at a fast rate

• Preemptive scheduling base on priority

• Minimization of intervals during which interrupts are disabled

• Delay tasks for fixed amount of time

• Special alarms and timeouts

25

Scheduling of a Real-Time Process

26

Scheduling of a Real-Time Process

27

Real-Time Scheduling

• Static table-driven– Determines at run time when a task begins execution

• Static priority-driven preemptive– Traditional priority-driven scheduler is used

• Dynamic planning-based– Feasibility determined at run time

• Dynamic best effort– No feasibility analysis is performed

28

Deadline Scheduling

• Real-time applications are not concerned with speed but with completing tasks

29

Deadline Scheduling

• Information used– Ready time

– Starting deadline

– Completion deadline

– Processing time

– Resource requirements

– Priority

– Subtask scheduler

30

Two Tasks

31

32

33

34

Rate Monotonic Scheduling

• Assigns priorities to tasks on the basis of their periods

• Highest-priority task is the one with the shortest period

35

Periodic Task Timing Diagram

36

37

Priority Inversion

• Can occur in any priority-based preemptive scheduling scheme

• Occurs when circumstances within the system force a higher priority task to wait for a lower priority task

38

Unbounded Priority Inversion

• Duration of a priority inversion depends on unpredictable actions of other unrelated tasks

39

Priority Inheritance

• Lower-priority task inherits the priority of any higher priority task pending on a resource they share

40

Linux Scheduling

• Scheduling classes– SCHED_FIFO: First-in-first-out real-time threads

– SCHED_RR: Round-robin real-time threads

– SCHED_OTHER: Other, non-real-time threads

• Within each class multiple priorities may be used

41

42

Non-Real-Time Scheduling

• Linux 2.6 uses a new scheduler the O(1) scheduler

• Time to select the appropriate process and assign it to a processor is constant– Regardless of the load on the system or number of processors

43

44

UNIX SVR4 Scheduling

• Highest preference to real-time processes

• Next-highest to kernel-mode processes

• Lowest preference to other user-mode processes

45

UNIX SVR4 Scheduling

• Preemptable static priority scheduler

• Introduction of a set of 160 priority levels divided into three priority classes

• Insertion of preemption points

46

SVR4 Priority Classes

47

SVR4 Priority Classes

• Real time (159 – 100)– Guaranteed to be selected to run before any kernel or time-sharing process– Can preempt kernel and user processes

• Kernel (99 – 60)– Guaranteed to be selected to run before any time-sharing process

• Time-shared (59-0)– Lowest-priority

48

SVR4 Dispatch Queues

49

Windows Scheduling

• Priorities organized into two bands or classes– Real time

– Variable

• Priority-driven preemptive scheduler

50

51