Cap10 (Planificación de multiprocesasdores y de tiempo real)

5/8/2018 Cap10 (Planificación de multiprocesasdores y de tiempo real) - slidepdf.com

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Planificación demultiprocesadores y en tiempo

real

Capítulo 10



Clasificación de los sistemasmultiprocesador

• Mutiprocesador débilmente acoplado: – Cada procesador tiene su propia memoria principal y

sus propios canales de E/S.

• Procesadores especializados funcionalmente: – Procesadores de E/S. – Controlados por el procesador principal.

• Multiprocesador fuertemente acoplado. – Los procesadores comparten una memoria principal

común. – Controlados por el sistema operativo.



Paralelismo independiente

• Aplicación o trabajo separado.• No existe sincronización.

• Hay más de un procesador disponible: – El tiempo medio de respuesta a los usuariosserá menor.



Paralelismo de grano grueso ymuy grueso

• Sincronización entre los procesos muy burda.

• Bueno para los procesos concurrentesque se ejecutan en un monoprocesador multiprogramado: – Puede verse respaldado por un

multiprocesador con escasos cambios.



Paralelismo de grano medio

• Un proceso paralelo o varias tareas enuna única aplicación.

• Una sola aplicación es un conjunto dehilos.

• Los hilos interactúan de forma muyfrecuente.



Paralelismo de grano fino

• Aplicaciones muy paralelas.• Campo muy especializado y

fragmentado.



Planificación

• Asignación de procesos a los procesadores.

• Uso de multiprogramación en procesadores individuales.

• Expedición real de los procesos.



Asignación de procesos a los procesadores

• Tratar a los procesadores como un recursoreservado y asignar los procesos a los procesadores por demanda.

• Se asigna un proceso a un procesador deforma permanente: – Cola a corto plazo dedicada para cada

procesador.

– Sobrecarga menor. – Un procesador puede estar desocupado mientrasque otro procesador tiene trabajos pendientes.




• Cola global: – Ejecutados en cualquier procesador que esté disponible.

• Arquitectura maestro/esclavo: – Las funciones clave del núcleo siempre ejecutan en un

determinado procesador. – El maestro es el responsable de la planificación.

– El esclavo envía una solicitud del servicio al maestro.

– Desventajas:

• Un fallo en el maestro hace caer todo el sistema.• El maestro puede llegar a ser un cuello de botella del rendimiento.




• Arquitectura simétrica: – El sistema operativo puede ejecutarse en

cualquier procesador.

– Cada procesador se autoplanifica. – Complica el sistema operativo:

• Debe asegurarse que dos procesadores no

seleccionen el mismo proceso.



Planificación del procesos

• Una cola única para todos los procesadores.

• Varias colas según la prioridad.

• Todas las colas alimentan a una reservacomún de procesadores.

• El algoritmo específico de planificación esmucho menos importante con dos

procesadores que con uno.



Hilos

• La ejecución se separa del resto de la definiciónde un proceso.

• Una aplicación puede implementarse como un

conjunto de hilos que cooperan y ejecutanconcurrentemente en el mismo espacio dedirecciones.

• Los hilos que se ejecutan simultáneamente en

distintos procesadores posibilitan un aumentodrástico del rendimiento.



Planificación de hilos paramultiprocesadores

• Reparto de carga: – Los procesos no se asignan a un procesador

en particular.

• Planificación por grupos: – Se planifica un conjunto de hilos afines para

su ejecución en un conjunto de

procesadores al mismo tiempo.



Planificación de hilos paramultiprocesadores

• Asignación dedicada de procesadores: – Asignación de hilos a un procesador

específico.

• Planificación dinámica: – El número de hilos en un programa se

puede cambiar en el curso de la ejecución.



Reparto de carga

• La carga se distribuye uniformementeentre los procesadores.

• No es necesario un planificador centralizado.

• Uso de colas globales.



Desventajas del reparto decarga

• La cola central necesita exclusión mutua: – Puede convertirse en un cuello de botella si muchos

procesadores buscan trabajo al mismo tiempo.

• Es improbable que los hilos expulsados reanuden

su ejecución en el mismo procesador: – El uso de la cache será menos eficiente.

• Si todos los hilos están en la cola global, todos loshilos de un programa no conseguirán acceder a los procesadores al mismo tiempo.



Planificación por grupos

• Planificación simultánea de hilos queforman parte de un único proceso.

• Útil para aplicaciones cuyo rendimiento se

degrada seriamente cuando alguna parte dela aplicación no se está ejecutando.

• Los hilos normalmente necesitan

sincronizarse mutuamente.



Planificación por grupos

División uniforme División por pesos

Grupo 1Grupo 2Grupo 1 Grupo 2Grupo 1

37,5% Desperdiciado 15% Desperdiciado

Tiempo

desocupado

desocupado

desocupado

Figura 10.2. Ejemplo de planificación por grupos con uno y cuatro hilos [FEIT90a].

desocupado

desocupado

desocupado

desocupado

desocupado

desocupado



Asignación dedicada de procesadores

• Cuando se planifica una aplicación, seasigna cada uno de sus hilos a un procesador.

• Algunos procesadores pueden estar desocupados.

• No hay multiprogramación de

procesadores.



Planificación dinámica

• La aplicación permite cambiar dinámicamente elnúmero de hilos de un proceso.

• El sistema operativo ajusta la carga para mejorar lautilización:

– Asigna los procesadores desocupados. – Las nuevas llegadas pueden ser asignadas a un

procesador quitándoselo a algún proceso que tenga másde un procesador asignado.

– La petición queda pendiente hasta que un procesador

esté disponible. – Se asignará un procesador a las nuevas llegadas antes de

que se den las aplicaciones que se están ejecutando.



Sistemas en tiempo real

• La exactitud del sistema no depende sólo delresultado lógico de un cálculo sino también delinstante en que se produzca el resultado.

• Las tareas o procesos intentan controlar oreaccionar ante sucesos que tienen lugar en elmundo exterior.

• Estos sucesos se producen en “tiempo real” y

el proceso debe poder ir al paso de ellos.



Sistemas en tiempo real

• Control de experimentos de laboratorio.• Procesos de control de edificios.• Robótica.• Control del tráfico aéreo.• Telecomunicaciones.

• Sistema de control y mando militar.



Características de los sistemasoperativos en tiempo real

• Determinismo: – Las operaciones se realizan en instantes

fijos y predeterminados o en intervalos de

tiempo predeterminados. – Hace referencia a cuánto tiempo consume

un sistema operativo en reconocer unainterrupción.




• Sensibilidad: – Cuánto tiempo consume un sistema

operativo en dar servicio a la interrupción,

después de reconocerla. – Incluye la cantidad de tiempo necesario

para comenzar la ejecución de lainterrupción.

– Incluye la cantidad de tiempo necesario para ejecutar la interrupción.




• Control del usuario: – El usuario especifica prioridades.

– Especifica paginación.

– Qué procesos deben estar siempre residentes enla memoria principal.

– El usuario especifica los algoritmos de disco quese emplearán.

– Factores que disponen a los procesos en varias bandas de prioridad.




• Fiabilidad: – La degradación del rendimiento puede tener

consecuencias catastróficas.

– Intento de corregir el problema o minimizar sus efectos mientras continúa la ejecución.

– Ejecuta la tareas más importantes y de

mayor prioridad.




• Cambios rápidos de proceso o hilos.• Pequeño tamaño.

• Capacidad de responder rápidamente a

interrupciones externas.• Multitarea con herramientas de

comunicación entre procesos, como

semáforos, señales y sucesos.• Uso de archivos secuenciales especiales que

pueden acumular datos a alta velocidad.




• Planificación preferente basada en prioridades.

• Reducción de los intervalos en los que

están inhabilitadas las interrupciones.• Demorar tareas durante un tiempo fijo.• Alarmas especiales y temporizadores.



Planificación de un proceso detiempo real

Solicitud de un proceso en tiempo

real

Tiempo de planificación

Pulso dereloj

El proceso de tiempo real se añade a la cola deejecución en espera de su próxima fracción

(a) Planificador preferente por turno rotatorio

Figura 10.4. Planificación de un proceso de tiempo real.

Proceso 1 Proceso 2 Proceso n Proceso de tiemporeal





(b) Planificador preferente controlado por prioridades

Proceso actual


realEl proceso de tiempo real pasa al principio de la cola de ejecución

Proceso de tiemporeal


El proceso actual se bloquea o termina





real



Proceso actual Proceso de tiemporeal

Espera de otroinstante deapropiación

Instante deapropiación

(c) Planificador preferente controlado por prioridades con instantes de apropiación




(d) Planificador preferente inmediato


Solicitud de un procesoen tiempo real

Proceso actual Proceso de tiemporeal


El proceso de tiempo real expulsa al proceso actual y se ejecuta

inmediatamente



Planificación en tiempo real

• Métodos con tablas estáticas: – Determina, en tiempo de ejecución, cuándo

debe comenzar la ejecución de una tarea.

• Métodos preferentes con prioridadesestáticas: – Se puede emplear un planificador

convencional preferente con prioridades.• Métodos de planificación dinámica.

• Métodos dinámicos del mejor resultado.



Planificación por plazos

• En las aplicaciones de tiempo real no preocupa la velocidad absoluta, sinocompletar las tareas.

• La planificación de las tareas con el plazo más próximo minimiza la proporción de tareas que no cumplen sus

plazos.



Planificación por plazos

• Información utilizada: – Instante en que está lista. – Plazo de comienzo.

– Plazo de finalización. – Tiempo de proceso. – Exigencias de recursos.

– Prioridad. – Estructura de subtareas.



Dos tareas

Tabla 10.2. Perfil de ejecución de dos tareas periódicas.

Proceso Instante de llegada Tiempo de ejecución Plazo final

Plazo deB1

Plazo deB1



Tiempos de llegada,

ejecución y plazos

Planificación por prioridades fijas; A tiene

prioridad

Planificación por prioridades fijas; B tiene prioridad

Plazo deA1

Plazo deA2

B1

Plazo deA3

Plazo deA4

B1

Plazo deA5

Tiempo (ms.)

(No cumplido)

(No cumplido) (No cumplido)

A1 A4

Planificación por el plazomás cercano con plazos determinación

A2 B1 A3

Figura 10.5. Planificación de tareas periódicas de tiempo real con plazos de terminación.



Requisitos

Plazo máscercano

Plazo máscercano contiemposlibres no

forzosos

Primero enllegar/primeroen servirse(FCFS)

Figura 10.6. Planificación de tareas aperiódicas de tiempo real con plazos de inicio.

(no cumplido)

(no cumplido) (no cumplido)

Plazos de inicio

Instantes de llegada

Servicio

Plazo de inicio


Servicio

Plazo de inicio


Servicio

Plazo de inicio


l ifi ió ó d



Planificación monótona defrecuencia

• Asigna prioridades a las tareas enfunción de sus periodos.

• La tarea de más alta prioridad es la del

periodo más corto.

Di d i d



Diagrama de tiempos de tareas periódicas

Ciclo 1 Ciclo 2

Periodo T de la tarea P

Tiempo C de ejecución de la tarea P

libre

Tiempo

Figura 10.7. Diagrama de tiempos de tareas periódicas.

Procesamiento Procesamiento

Alto



Bajo

Frecuencia (Hz.)

Frecuencia más baja y tarea de prioridad más baja

Frecuencia más alta y tareade prioridad más alta

P r

i o r

i d

a d

Figura 10.8. Una tarea con RMS [WARR91].



Planificación en LINUX

• Clases de planificación: – SCHED_FIFO: Hilos de tiempo real con

planificación FIFO.

– SCHED_RR: Hilos de tiempo real con planificación por turno rotatorio.

– SCHED_OTHER: Hilos que no son detiempo real y otros.

• Dentro de cada clase se utilizanmúltiples prioridades.

mínima



máxima

media

media

mínima

Figura 10.9. Ejemplo de planificación Linux.

(a) Prioridades relativas de los hilos (b) Flujo con planificación FIFO

(c) Flujo con planificación RR



Planificación en UNIX SVR4

• Máxima prioridad a los procesos detiempo real.

• El siguiente nivel de prioridad se asigna

a los procesos en modo de núcleo.• El nivel más bajo se asigna al resto de

los procesos en modo de usuario.



Colas de expedición SVR4

Figura 10.11. Colas de expedición de SVR4.

Pl ifi ió Wi d



Planificación en Windows2000

• Las prioridades se organizan en dos bandas o clases: – Tiempo real.

– Variable.• Planificador preferente con prioridades.

Mayor (31)



Figura 10.12. Prioridades de expedición de hilos en W2K.

Menor (16)

Mayor (15)

Menor (0)

Clases de prioridad de

tiempo real

Clases de prioridadvariable



prioridad basepor encima de lo normal

mayor

por debajo de lo normal

menor

por encima de lo normal

normal

por debajo de lo normal

menor

Prioridad de

procesos

Prioridad de

base de hilos

Prioridad

dinámica de hilos

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