CONCURRENCIA. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO REAL Juan Antonio Fernández...

CONCURRENCIA. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO REAL

Juan Antonio Fernández Madrigal, 2004

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

Universidad de Málaga

Planificación de Procesos en Sistemas en Tiempo Real

Software paraSistemas en T.R.

Software paraSistemas en T.R.

Tema III. InterfacesTema III. Interfaces

Tema IV. InterrupcionesTema IV. Interrupciones

Tema V. RedesTema V. Redes

Tema VI. PlanificaciónTema VI. Planificación

Tema VII. Sistemas OperativosTema VII. Sistemas Operativos

Tema VIII. ProgramaciónTema VIII. Programación

Hardware paraSistemas en T.R.Hardware para

Sistemas en T.R.

IntroducciónIntroducción

Tema II. MicroprocesadoresTema II. Microprocesadores

Juan Antonio Fernández Madrigal, 2003Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática


Planificación de Procesos en Sistemas en Tiempo Real

1. Teoría de la Planificación de Procesos de Tiempo Real

2. Modelado de Procesos y Conceptos Generales

3. Taxonomía de los Algoritmos de Planificación

4. Planificadores por Prioridades

5. Planificación con Prioridades Estáticas (RMS)

6. Planificación con Prioridades Dinámicas (EDF)

7. Conclusiones

8. Bibliografía Básica y Bibliografía Original



1. Teoría de la Planificación de Procesos de Tiempo Real(Real-Time Scheduling Theory)

PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO REALPLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO REAL

Propósito: Satisfacer las restricciones temporales de los procesos concurrentes de un sistema informático en tiempo real.

Propósito: Satisfacer las restricciones temporales de los procesos concurrentes de un sistema informático en tiempo real.

Procedimiento: Planificar los recursos del sistema de acuerdo a ciertos algoritmos, de tal manera que la temporización del sistema sea predecible, comprensible y mantenible.

Procedimiento: Planificar los recursos del sistema de acuerdo a ciertos algoritmos, de tal manera que la temporización del sistema sea predecible, comprensible y mantenible.





PROCESOS

Periódicos oSíncronos

Esporádicos oAsíncronos





rp cp

dp

pp

procesos periódicosprocesos periódicos

tiempo



mine

ce



tiempo

de

procesos esporádicosprocesos esporádicos





mine

ce

tiempo

de

reducción de esporádicos a periódicosreducción de esporádicos a periódicos

= pa= pa

= ca= ca

= da= da

ra=0ra=0





tiemporp cp

dp

pp

sincronización entre procesossincronización entre procesos

p1(1) p1(2)p2(1) p2(2)

p3(1) p3(2)





conceptos generalesconceptos generales

Planificación: asignación de tiempo de procesador a los procesosFactor de Uso del Procesador (U): tiempo durante el que el procesador está asignado a algún proceso, si se aplica cierta planificaciónPlanificador: algoritmo que genera una planificaciónPlanificación Admisible: planificación que respeta las restricciones temporales de los procesosPlanificación Estable: planificación admisible que respeta las restricciones temporales de los procesos más importantes (“críticos”) bajo sobrecarga transitoriaOptimalidad de Planificadores: un planificador es óptimo si, existiendo una planificación admisible, encuentra una planificación admisibleTest de Planificabilidad: algoritmo que permite saber si existe una planificación admisible para un conjunto de procesos





conceptos relativos a procesos concurrentesconceptos relativos a procesos concurrentes

Hiperperíodo: mínimo común múltiplo de los períodos de todos los procesos del sistema.

Planificación Expulsiva (preemptive): planificación en la que un proceso puede quitarle a otro el recurso del procesador en cualquier momento

Planificación No Expulsiva (non-preemptive): planificación en la que un proceso debe terminar su uso del procesador antes de cedérselo a otro (suele ser NP-hard)

Relación de Precedencia: relación entre dos procesos o subprocesos que implica que uno debe terminar su ejecución antes de que el otro comience



3. Taxonomía de los Algoritmos de Planificación


Planificación de Procesos de Tiempo Real

Monoprocesador Multiprocesador / Distribuida

Estática (off-line) Dinámica (on-line)

Con esporádicos

Con inversión de prioridades

EDF / MLF Computaciónimprecisa

MUF

Compartiendorecursos

Robado de Ciclos /Sobrecarga

RMS

Consobrecarga

Conprecedencias

Planificación de Procesos de Tiempo Real

Monoprocesador

Estática (off-line) Dinámica (on-line)

EDF / MLFRMS

Consobrecarga

Conprecedencias

(Liu y Layland, 1973)




(Sha et al., 1986)(Sha et al., 1986)

(Chetto et al., 1990)(Chetto et al., 1990)





Prácticamente la totalidad de los planificadores actuales.

Se le asigna una prioridad a cada proceso (off-line u on-line).

En cada momento se ejecuta el proceso disponible de mayor prioridad.

En los algoritmos que siguen, se supone planificación expulsiva.

La planificación por prioridad reduce el número de planificaciones admisibles

que pueden encontrarse, pero aún así la optimalidad está garantizada en

ciertos casos.

No es criterio válido para obtener una planificación admisible el otorgar

mayor prioridad a los procesos más importantes.





Ejemplo de asignación de prioridades por importancia:

c1=8 r1=0 d1=24 p1=24c2=20 r2=0 d2=44 p2=44

tiempo

P1

P2

24 4820



5. Planificación con Prioridades Estáticas (Rate Monotonic Scheduling = RMS)


Requisitos: procesos independientes y periódicos, ri=0, planificación

expulsiva, tiempos de respuesta (deadlines) iguales a los períodos (di=pi).

Algoritmo de asignación de prioridades: tendrá más prioridad el proceso que

tenga un período menor (asignación de prioridad monotónica en frecuencia).

Optimalidad: el algoritmo es óptimo.

Test de planificabilidad: el factor de uso del procesador debe ser menor o

igual que el factor de uso garantizado del procesador.

Ui1

n cipi UGnn 2

1n 1<

limn UGnln2 0.69Juan Antonio Fernández Madrigal, 2003Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática




c1=8 r1=0 d1=24 p1=24c2=20 r2=0 d2=44 p2=44

U = 8/24+20/44 = 0.79 < UG2 = 2(21/2-1) = 0.83

tiempo

P1

P2

248 32 36





Planificación RMS estable (con sobrecarga)Planificación RMS estable (con sobrecarga)

Objetivo: bajo tiempos de cómputo medios, obtener tiempo real duro (hard)

para todos los procesos. Bajo tiempos de cómputo máximos (sobrecarga),

obtener tiempo real duro para procesos críticos y blando (soft) para procesos

no críticos.

I. [U]críticos < [UGn]críticos

II. [Um]todos < [UGn]todos

III. [máx(pi)]críticos < [mín(pj)]no-críticos

necesarionecesario

necesarionecesario

Se puede forzarSe puede forzar

Paso previo: considerar críticos a procesos no críticos que violen III.





Forzado de la condición III de estabilidadForzado de la condición III de estabilidad

Algoritmo de Transformación de Períodos: modificar los períodos de algunos

procesos sin modificar los procesos, hasta cumplir la condición III de

estabilidad.

Dos acciones posibles para modificar el sistema: se repiten hasta que se

cumpla la condición.

Acción A: ampliar el período de un proceso no-crítico. Se desglosa el proceso

Pi en k procesos, cada uno con período k*pi y con su primera activación

desplazada.

Acción A: ampliar el período de un proceso no-crítico. Se desglosa el proceso

Pi en k procesos, cada uno con período k*pi y con su primera activación

desplazada.

Acción B: reducir el período de un proceso crítico. Se ejecuta el proceso Pi

en k fases consecutivas, cada una con período pi /k.

Acción B: reducir el período de un proceso crítico. Se ejecuta el proceso Pi

en k fases consecutivas, cada una con período pi /k.

Fase 1 Fase 2 Fase 1 Fase 2 Fase 1 Fase 2

Bucle: mientras haya algún proceso conflictivo (crítico con período mayor que

un no-crítico, o viceversa), aplicarle la acción correspondiente. Si se violan las

condiciones I ó II de estabilidad, deshacer el cambio.

Bucle: mientras haya algún proceso conflictivo (crítico con período mayor que

un no-crítico, o viceversa), aplicarle la acción correspondiente. Si se violan las

condiciones I ó II de estabilidad, deshacer el cambio.





c1=10 r1=0 cm1=4 d1=17 p1=17c2=5 r2=0 cm2=2 d2=9 p2=9c3=15 r3=0 cm3=5 d3=28 p3=28

RMS

tiempo

P1

P2

0

P3

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60






Transformación de Períodos(chequeo de condiciones)

I. [U]críticos < [UGn]críticos : 0.59 < 1 : se cumple

II. [Um]todos < [UGn]todos : 0.64 < 0.78 : se cumple

III. [máx(pi)]críticos < [mín(pj)]no-críticos : 17 < 9 : no se cumple

No se puede incluir P2 como crítico:

no se cumple la condición I (U=1.1)No se puede incluir P2 como crítico:

no se cumple la condición I (U=1.1)






Transformación de Períodos(Acción A sobre P2)

Transformación de P2: se desglosa en 2 procesos P21 y P22 con:

c21=5 r21=0 cm21=2 d21=18 p21=18c22=5 r22=0 cm22=2 d22=18 p22=18(Primera activación de P22 en t=9)

Cumple las tres

condiciones

de estabilidad

Cumple las tres

condiciones

de estabilidad





c1=10 r1=0 cm1=4 d1=17 p1=17c21=5 r21=0 cm21=2 d21=18 p21=18c22=5 r22=0 cm22=2 d22=18 p22=18(Primera activación de P22 en t=9)c3=15 r3=0 cm3=5 d3=28 p3=28

RMS

tiempo

P1

P21

0

P3

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

P22






Transformación de Períodos(Acción B sobre P1)

Transformación de P1: se secuencia en 2 fases, cada una con:

c’1=5 r’1=0 cm’1=2 d’1=8.5 p’1=8.5 Cumple las tres

condiciones

de estabilidad

Cumple las tres

condiciones

de estabilidad





c’1=5 r’1=0 cm’1=2 d’1=8.5 p’1=8.5c2=5 r2=0 cm2=2 d2=9 p2=9c3=15 r3=0 cm3=5 d3=28 p3=28

RMS

tiempo

P’1

P2

0

P3

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f2



6. Planificación con Prioridades Dinámicas (Earliest Deadline First = EDF)


Requisitos: procesos independientes y periódicos, ri=0, planificación

expulsiva, tiempos de respuesta (deadlines) iguales a los períodos (di=pi).

Algoritmo de asignación de prioridades: tendrá más prioridad el proceso que

tenga un tiempo límite menor (tiempo en el que cumplirá su próximo deadline)

Optimalidad: el algoritmo es óptimo. Buen comportamiento respecto al

número de expulsiones (bajo), respecto a otros algoritmos.

Test de planificabilidad: el factor de uso del procesador debe ser menor o

igual a 1 (U<1).





Planificación EDF para procesos dependientesPlanificación EDF para procesos dependientes

Objetivo: producir una planificación admisible que respete las precedencias

temporales de los procesos.

Procedimiento: algoritmo de Chetto et al. de revisión de los tiempos límite.

Optimalidad: sigue siendo óptimo: si hay solución, encuentra una solución.

Test de planificabilidad (U<1): deja de ser válido: si, aún existiendo solución

con procesos independientes, no existiera solución en el caso de procesos

dependientes, el algoritmo EDF con los tiempos límites revisados

proporcionaría una planificación no admisible.





Algoritmo de Chetto et al. de revisión de tiempos límiteAlgoritmo de Chetto et al. de revisión de tiempos límite

Procedimiento: transforma los tiempos límite para conseguir un sistema

idéntico que cumpla las restricciones de precedencia.

Fase I: enumeración de todos los procesos a ejecutar, según el hiperperíodo.

Fase II: obtención del grafo de precedencia (GdP).

Fase III: obtención del orden topológico inverso de los procesos en el GdP.

Fase IV: obtención de los tiempos límite sin revisar (di)

Fase V: cálculo de tiempos límite revisados (d*i=mín(di,mín{d*k-ck:Pi→Pk}))





P1={P11,P12} c11=4 c12=4 r1=0 d1=32 p1=32P2={P21,P22 ,P23 ,P24} c21=4 c22=4 c23=4 c24=4 r2=0 d2=64 p1=64P3={P31,P32} c31=8 c31=8 r3=0 d3=64 p3=64

P11(1), P12(1), P11(2), P12(2), P21(1), P22(1), P23(1), P24(1), P31(1), P32(1)

P1 P2 P3

Fase I: enumeración de todos los procesos a ejecutar, según el hiperperíodo.






Fase II: obtención del grafo de precedencia (GdP).

P11(1) P12(1) P11(2) P12(2)

P21(1) P22(1) P23(1) P24(1)

P31(1) P32(1)






Fase III: obtención del orden topológico inverso de los procesos en el GdP.

P11(1) P12(1) P11(2) P12(2)

P21(1) P22(1) P23(1) P24(1)

P31(1) P32(1)

P12(2), P24(1) , P32(1) , P11(2) , P23(1) , P12(1) , P22(1) , P31(1) , P11(1) , P12(1)






Fase IV: obtención de los tiempos límite sin revisar (di=k.pi)

P11(1) P12(1) P11(2) P12(2)

P21(1) P22(1) P23(1) P24(1)

P31(1) P32(1)

6464

6464

6464

6464

6464

3232

6464

6464

3232

6464



mín(64)=64mín(64)=64mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64)=64mín(64)=64mín(64,64-4)=60mín(64,64-4)=60mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64,60-4,64-8)=56

mín(32,32-4,56-4)=28

mín(32,32-4,56-4)=28

mín(64)=64mín(64)=64mín(64,64-4)=60mín(64,64-4)=60mín(32,60-4)=32mín(32,60-4)=32mín(32,32-4,56-4)=28

mín(32,32-4,56-4)=28




Fase V: cálculo de tiempos límite revisados (d*i=mín(di,mín{d*k-ck:Pi→Pk}))

P11(1) P12(1) P11(2) P12(2)

P21(1) P22(1) P23(1) P24(1)

P31(1) P32(1)

P12(2), P24(1) , P32(1) , P11(2) , P23(1) , P12(1) , P22(1) , P31(1) , P11(1) , P12(1)





Cronograma:

mín(64)=64mín(64)=64mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64)=64mín(64)=64mín(64,64-4)=60mín(64,64-4)=60mín(64,60-4,64-8)=56

mín(64,60-4,64-8)=56

mín(32,32-4,56-4)=28

mín(32,32-4,56-4)=28

mín(64)=64mín(64)=64mín(64,64-4)=60mín(64,64-4)=60mín(32,60-4)=32mín(32,60-4)=32mín(32,32-4,56-4)=28

mín(32,32-4,56-4)=28P11(1) P12(1) P11(2) P12(2)

P21(1) P22(1) P23(1) P24(1)

P31(1) P32(1)

tiempo

P1

P2

0

P35 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

U=8/32+16/64+16/64=

3/4U=8/32+16/64+16/64=

3/4



7. Conclusiones


La planificación de tareas es de vital importancia en los sistemas en tiempo real.

En general, el problema es complicado e incluso irresoluble en tiempo polinomial.

Existen aproximaciones razonables que permiten obtener soluciones en casos

cercanos a los prácticos.

Los sistemas operativos y lenguajes de programación juegan un papel

imprescindible en la planificación de tareas de tiempo real, pero actualmente sólo

implementan planificación guiada por prioridades.

La planificación de tiempo real es un área de gran desarrollo en los últimos años.



8. Bibliografía Básica


BURNS A. y WELLINGS A. (2001). “Real-Time Systems and Programming

Languages”, 3ª edición, Addison-Wesley, ISBN 0-201-72988-1. (CAPÍTULO 13)

LIU J.W.S. (2000). “Real-Time Systems". Prentice Hall, ISBN 0-13-099651-3

(CAPÍTULOS 4,6,12)

DE LA PUENTE J.A. (1988). “Planificación de la Ejecución de Procesos en

Sistemas en Tiempo Real”, Universidad Politécnica de Valencia, Apuntes.



8. Bibliografía Original


HILLIER F.S. y LIEBERMAN G. J. (1991). “Introducción a la Investigación de Operaciones”. Mc.Graw Hill Interamericana.

STANKOVIC J.A. (1988). "Misconceptions About Real-Time Computing. A Serious Problem for Next-Generation Systems".

IEEE Computer vol. 21, no. 10.

RAMAMRITHAM K. y STANKOVIC J.A. (1994). "Scheduling Algorithms and Operating Systems Support for Real-Time

Systems". Proceedings of the IEEE, vol. 82, no. 1

XU J. y PARNAS D.L. (1993). "On Satisfying Timing Constraints in Hard-Real-Time Systems". IEEE Transactions on

Software Engineering, vol. 19, no. 1, pp. 70-84

GHOSH K., MUKHERJEE B., y SCHWAN K. (1994). "A Survey of Real-Time Operating Systems". Informe Técnico GIT-CC-

93/18 del Instituto Tecnológico de Georgia.

LIU C.L. y LAYLAND J.W. (1973). "Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment". Journal

of the Association for Computing Machinery, vol. 20, no. 1, pp. 46-61.

SHA L., LEHOCZKY J.P. y JENSEN E.D. (1986). "Solutions for Some Practical Problems in Prioritized Preemptive

Scheduling". Proceedings of the IEEE Real-Time Systems Symposium.

CHETTO H., SILLY M., BOUTENCHOUF T. (1990). "Dynamic Scheduling of Real-Time Tasks under Precedence

Constraints". The Journal of Real-Time Systems, vol. 2, pp. 181-194.

IntroducciónIntroducción

Modelo de ProcesosModelo de Procesos

TaxonomíaTaxonomía

Algoritmos de Planificación

Algoritmos de Planificación



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