Curs 2 PATR

8/19/2019 Curs 2 PATR

1/47

Definitii - deadline:

sistemele in timp-real "raspund" la evenimente externe

e.g. sistemul de control al airbag-ului trebuie sa raspunda intr-un anumit interval de timp incazul producerii unui accident

acest interval poarta denumirea de deadline

unele deadline-uri sunt soft, altele hard, de aici si clasificarea sistemelor in timp-real

Programarea Aplicatiilor in Timp Real 42

8/19/2019 Curs 2 PATR

2/47

Definitii – aplicatie software in timp - real:

ruleaza intr-un sistem in timp-real

este compusa din mai multe actiuni care se executa concurent

apar probleme specifice atunci cand intre actiunile care se executa concurent (in paralel) aparinteractiuni

interactiunile posibile intre actiuni pot fi de mai multe tipuri si pot fi exprimate prin operatiispecifice procesarii concurente


8/19/2019 Curs 2 PATR

3/47

Definitii – procesare concurenta a informatiilor:

3 aspecte

multiprogramarea (managementul mai multor procese sau fire de executie intr-un sistemuniprocesor)

executie cvasiparalela pe principiul

diviziunii timpului = alocarea procesorului

in felii de timp (e.g. time slice)

multiprocesarea (managementul mai

multor procese sau fire de executie intr-un

sistem multi-procesor)

este posibila executia paralela

reala a actiunilor alocate taskurilor

procesarea distribuita (managementul mai multor procese care se executa pe mai multecalculatoare conectate intr-o retea, care pot avea sisteme de fisiere diferite sau arhitecturihardware diferite, e.g. Internet-ul)


8/19/2019 Curs 2 PATR

4/47

Definitii – programare concurenta:

programarea paralela (concurenta) reprezinta activitatea de scriere a unui program / aplicatiesoftware care contine o serie de parti necesar a se afla in executie in acelasi moment

aceste operatii paralele / concurente reprezinta etape de executie asincrona in cadrulaplicatiei

partile componente ale aplicatiei software (programului), care vor fi executate in paralel, poartadenumirea de taskuri

se sparge problema intr-un numar de “actiuni” = taskuri, care vor fi planificate apoi astfelincat sa se incheie la momentul specificat (deadline)


8/19/2019 Curs 2 PATR

5/47

Definitii - task:

taskul este cea mai mica unitate de prelucrare a informatiei careia i se atribuie o identitate,reprezentand un program in forma executabila compus dintr-o succesiune de instructiuniexecutate secvential

doua taskuri sunt paralele (concurente) daca prima instructiune a unui task incepe sa seexecute inainte ca ultima instructiune a celuilalt task sa fie completata;

doua sau mai multe taskuri se numesc disjuncte (independente) daca nu schimbainformatii intre ele sau daca nu utilizeaza resurse (zone de memorie, dispozitive periferice)in comun. In caz contrar, taskurile interactioneaza.

semnalul de control care initiaza executia task-ului este furnizat de catre sistemul de operareprin intermediul planificatorului de taskuri


8/19/2019 Curs 2 PATR

6/47

Definitii – task si procesare multitasking:

termenul multitasking este folosit in 2 contexte:

intr-un sistem multi-user = un calculator care permite ca mai multi utilizatori sa lucrezesimultan, de la terminale diferite. Fiecare utilizator isi poate rula propriul programindependent de ceilalti si programele de aplicatie nu interactioneaza intre ele;

intr-o aplicatie multitasking - mai multe programe (taskuri) lucreaza impreuna pentru a

implementa global o anumita functionalitate


8/19/2019 Curs 2 PATR

7/47

Exemplu aplicatie multitasking:

Pas 1. Definire problema

Sa se implementeze o aplicatie formata din 3 taskuri de tip A (tipareste litera a), B (tiparestelitera b) si C (tiparesc litera c).

Conditiile de tiparire sunt urmatoarele:

un b se scrie intotdeauna inaintea unui c;

b si c trebuie sa alterneze in sir;

numarul de b-uri si c-uri scrise la un moment, dar nu trebuie sa depaseasca numarul dea-uri.


8/19/2019 Curs 2 PATR

8/47

Exemplu aplicatie multitasking (cont.):

Pas 2. Analiza problema

Secvente posibile:

aabcaaabc

aaaabcbc

ab

Secvente imposibile

aacb – nu indeplineste conditia 1

abacac - nu indeplineste conditia 2

aabcabc - nu indeplineste conditia 3


8/19/2019 Curs 2 PATR

9/47


Pas 3. Definirea taskurilor care compun aplicatia

task de tip A (tipareste litera a)

task de tip B (tipareste litera b)

task de tip C (tipareste litera c)

Programarea Aplicatiilor in Timp Real 5027.02.2015

8/19/2019 Curs 2 PATR

10/47


Pas 4. Solutie de implementare

aleg mecanismele de sincronizare si comunicare intre taskuri

aleg 2 semafoare binare, cu val. initiale SemB = 0, SemC = 1

aleg 1 semafor general, cu val. initiala 0, Sum = 0


8/19/2019 Curs 2 PATR

11/47


Pas 5. Scriere cod program

Detalii de implementare in functie de limbaj

in Java – nu exista semafoare in limbaj, trebuie definite software

in C sub QNX –

exista semafoare generalizate si mutex-uri (corespunzator semafoarelorbinare pentru sincronizarea firelor de executie)


8/19/2019 Curs 2 PATR

12/47


implementare Task 1

class Taskul_1 extends ABCs implements Runnable {

public void run () {

while (true) { nap(1+(int)(random(500)));System.out.print("A"); System.out.flush();

V(sum);

}

}

}


8/19/2019 Curs 2 PATR

13/47


implementare Task 2



while (true) { nap(1+(int)(random(800)));P(C); P(sum);

System.out.print("B"); System.out.flush();

V(B);

}

}

}


8/19/2019 Curs 2 PATR

14/47


implementare Task 3



while (true) { nap(1+(int)(random(800)));P(B); P(sum);

System.out.print("C"); System.out.flush();

V(C);

}

}

}


8/19/2019 Curs 2 PATR

15/47


implementare Task monitorizare

class ABCs extends Obiect {protected static final SemBin B = new SemBin(0);protected static final SemBin C = new SemBin(1);protected static final SemGen sum = new SemGen(0);public static void main(String[] args) {

Thread Taskul_1 = new Thread(new Taskul_1());Thread Taskul_2 = new Thread(new Taskul_2());Thread Taskul_3 = new Thread(new Taskul_3());

Taskul_1.start();Taskul_2.start();Taskul_3.start();

nap(9000);Taskul_1.stop();Taskul_2.stop();

Taskul_3.stop();

System.out.println();System.out.println("B=" + B + ", C=" + C + ", sum=" + sum);System.exit(0);

}}


8/19/2019 Curs 2 PATR

16/47


Pas 6. Validare rezultate

Se executa programul. Face ceea ce s-a specificat la pasul 1, in cerinte?


8/19/2019 Curs 2 PATR

17/47

Elemente pentru dezvoltarea unei aplicatii in timp-real:

alegerea arhitecturii hardware si analiza detaliilor de implementare

alegerea unei metode de proiectare a aplicatiei software

alegerea componentelor software in functie de hardware si performante – sistem de operare ?

alegerea limbajului de programare: secvential (C), concurent (Java, Ada)

design, implementare, testare


8/19/2019 Curs 2 PATR

18/47

PROGRAMAREA APLICAŢIILOR ÎN

TIMP-REAL

Semestrul 2, 2015-2016

Monica Drăgoicea

Departament Automatica si Ingineria Sistemelor

Partea a 2-a

4-Mar-16 1Programarea Aplicatiilor in Timp-Real

8/19/2019 Curs 2 PATR

19/47

Continutul cursului:

Probleme clasice ale programarii concurente

Organizarea unei aplicatii software in timp real

Probleme caracteristice ale proiectarii aplicatiilor software in timp-real:

Programarea Aplicatiilor in Timp-Real4-Mar-16 2

8/19/2019 Curs 2 PATR

20/47

Probleme clasice ale programarii concurente:

problema filozofilor

problema readers / writers

etc ...


8/19/2019 Curs 2 PATR

21/47

Problema filozofilor (1)

pune in evidenta posibilitatea aparitiei situatiilor de deadlock intre procesecare impart resurse comune

Enunt:

cinci filozofi traiesc impreuna, gandind si mancand spaghetti fiecarefilozof mananca cu doua furculite (stanga / dreapta) cei cinci filozofi

sunt reprezentati prin cinci procese concurente, Pi, i = 1 … 5 lecorespund cinci farfurii si cinci furculite

Algoritmul de sincronizare intre cei cinci filozofi:

trebuie sa asigure faptul ca doi filozofi nu pot folosi in acelasi timpaceeasi furculita, adica ...

accesul la resursele partajate de tip furculita trebuie sa fie realizat prinexcludere mutuala ...

evitand situatiile de deadlock si starvation


8/19/2019 Curs 2 PATR

22/47


fiecare filozof se aseaza la masa, ridica furculita din partea stanga, apoi pe cea din partea

dreapta dupa ce fiecare filozof a terminat de mancat, pune furculitele pe masa solutia aceastanu evita situatiile de deadlock - de ce ?

semafor furculita[5] = {1};

int i;

void filozof(int i){ while(1){

gandeste();

wait(furculita[i]);

wait(furculita[(i+1) mod 5]);

mananca();

signal(furculita[(i+1) mod 5]);

signal(furculita[i]);}

}


8/19/2019 Curs 2 PATR

23/47


solutie cu evitarea deadlock-ului

se introduce a inca un semafor, ceea ce permite ca doar patru filozofi sa manance la unmoment dat

se asigura faptul ca cel putin un filozof va avea acces la doua furculite la un moment dat

semafor furculita[i] = {1};semafor liber = {4};int i;

void filozof(int i){while(1){

gandeste();wait(liber);wait(furculita[i]);

wait(furculita[(i+1) mod 5]);mananca();signal(furculita[(i+1) mod 5]);signal(furculita[i]);signal(liber);

}}


8/19/2019 Curs 2 PATR

24/47

Aplicatii QNX pentru conducerea proceselor - dispecerat metrouBucuresti:


8/19/2019 Curs 2 PATR

25/47

Exemplu – sistem de conducere in timp-real (continuare)

Organizarea unei aplicatii software in timp-real

Cum definim activitatile specifice ?

Cum definim taskurile ?


8/19/2019 Curs 2 PATR

26/47

Task achizitie date


8/19/2019 Curs 2 PATR

27/47

Task conversie date


8/19/2019 Curs 2 PATR

28/47

Task – algoritm deconducere proces


8/19/2019 Curs 2 PATR

29/47

Programarea Aplicatiilor in Timp-Real4-Mar-16

Probleme caracteristice ale proiectarii aplicatiilorsoftware in timp-real:

in aplicatiile in timp-real -> concurenta -> transfer de date -> sincronizare sicomunicatie intre taskuri (procese si fire de executie) - engl. InterprocessCommunication

sa asigure accesul la resurse partajate (engl. shared resources) – excluderemutuala

sa permita transmiterea corecta a informatiilor intre componentele softwareale aplicatiei in timp-real

sa permita executia corecta a taskurilor prin alocarea procesorului

rezolvam cu mecanisme specifice programarii concurente (e.g. semafoare, zone

comune de memorie, transmitere de mesaje, etc)

12

8/19/2019 Curs 2 PATR

30/47

Probleme caracteristice ale proiectarii aplicatiilor software in timp-real:

sincronizarea taskurilor

excluderea mutuala (pentru acces la resurse partajate)

comunicatia intre taskuri

aspecte colaterale:

deadlock

starvation

4-Mar-16 Programarea Aplicatiilor in Timp-Real 13

8/19/2019 Curs 2 PATR

31/47

Sincronizarea taskurilor - definitie:

Sincronizarea = abilitatea mai multor taskuri de a-si coordona activitatile prin interschimbareainformatiei

doua taskuri, Ti si Tj

Pi, respectiv Pj, definesc punctul de sincronizare

mecanisme pentru realizarea sincronizarii:

semafoarele (binare, generalizate), mutex-uri (caz particular de semafor binar)

monitoare

transmiterea de mesaje

caz particular : sincronizarea prin planificare pe conditie de timp


8/19/2019 Curs 2 PATR

32/47

Excluderea mutuala - definitie:

Excluderea mutuala = abilitatea mai multor taskuri de a imparti resurse sau date in asa felincat un singur proces sa aiba acces la o resursa partajata (engl. shared resource) la unmoment dat

fiecare dintre taskurile care acceseaza resursa partajata executa o sectiune (zona) critica(adica o secventa de instructiuni cu care se acceseaza resursele partajate – Imprimanta, zonede date comune, etc)


8/19/2019 Curs 2 PATR

33/47

Comunicatia intre taskuri (procese si fire de executie):

se refera la un set de mecanisme specifice prin care programele care formeaza o aplicatiemultitasking pot face transfer de date intre ele si isi pot sincroniza astfel activitatile

transmiterea de date implica si sincronizare

in mod frecvent, cele doua cerinte sunt combinate - un proces necesita date de la altproces si trebuie sa astepte pana cand aceste date sunt disponibile

anumite comunicatii intre procese pot fi

private - intre procese care stiu unul de existenta celuilalt si doresc sa comunice direct intreele

publice – procesul emitator transmite informatia (engl. broadcasting ), iar alte procesereceptioneaza ceea ce a fost transmis

se utilizeaza mecanisme de transmitere de mesaje (cutii postale, canale de comunicatie, etc)


8/19/2019 Curs 2 PATR

34/47


8/19/2019 Curs 2 PATR

35/47

Sisteme de operare in timp-real:

aspecte generice ale sistemelor de operare in timp-real

cerinte

clasificare

abordari

studiu de caz - QNX


8/19/2019 Curs 2 PATR

36/47

Sisteme de operare in timp-real (cont.):

indeplinesc patru functii principale:

managementul si sincronizarea proceselor

gestiunea memoriei

comunicatia intre procese (engl. IPC – Interprocess Communication)

gestiunea operatiilor I/O

de asemenea, trebuie sa asigure indeplinirea constrangerilor de timp (deadlines) sipredictibilitatea executiei actiunilor


8/19/2019 Curs 2 PATR

37/47

Sisteme de operare in timp-real - clasificare:

nuclee (kernel) proprietary comerciale

QNX, pSOS, VxWorks, Nucleus, ERCOS, EMERALDS, Windows CE,...

extensii de timp-real bazate pe UNIX

RT-UNIX,RT-LINUX, RT-MACH, RT-POSIX, Timesys Linux

nuclee RT pentru cercetare

Spring, Mars, HARTOS,MARUTI, ARTS, CHAOS, EMERALDS


Sisteme de operare in timp real nuclee (kernel)

8/19/2019 Curs 2 PATR

38/47

Sisteme de operare in timp-real - nuclee (kernel)proprietary comerciale:

mici ca dimensiune, rapide comutare rapida de context si functionare in intreruperi

multitasking si IPC prin utilizarea cutiilor postale, evenimentelor, semnalelor,semafoarelor

cum suporta constrangerile RT ceas de timp-real

planificare pe baza de prioritati alarme speciale si timeouts

standardizare prin extensii POSIX Real-Time

POSIX - Portable Operating System Interface reprezinta o familie de standardecare definesc principii de baza pentru portabilitatea aplicatiilor software pediverse platforme hardware si diverse sisteme de operare de tip UNIX

standardele POSIX 1003.1b (extensiile de timp-real) si POSIX 1003.1c (extensiipentru thread-uri)


8/19/2019 Curs 2 PATR

39/47


8/19/2019 Curs 2 PATR

40/47

“PROCES”

ca verb: to handle, ca in processing an error , sau processing a message

ca substantiv:

a program running in an operating system, sau

a procedure, sau

a set of procedures for accomplishing a goal

de fiecare data implica trei aspecte

movement

work

time

... adica: a process performs actions over some interval of time in order to

achieve, or to progess to, some objective


8/19/2019 Curs 2 PATR

41/47

Procese si fire de executie:

in multe sisteme de operare moderne, conceptul traditional de proces a fost impartit in douaconcepte separate

unul se refera la acapararea resurselor (engl. resource / process ownership)

al doilea se refera la fluxul (engl. stream) de executie a instructiunilor (engl. thread)

exemple: procnto, sh

astfel, se face distinctia intre

proces si

fir de executie (engl. thread)

un proces poate contine mai multe fire de executie

diferenta: modul de gestionare a memoriei


8/19/2019 Curs 2 PATR

42/47

Procese:

prin proces intelegem un un cod program care se afla intr-o anumit stare de executie (e.g.RUNNING, READY, BLOCKED, etc)

are propriul sau spatiu de adresa si un singur fir de executie logica a operatiilor (engl. flowof control)

contorul program al procesului contine adresa urmatoarei instructiuni care trebuieexecutata

gestiunea memoriei in cazul unui proces:

la un moment dat pot fi incarcate in memorie mai multe procese, partajand CPU si resursele

fiecare proces are propriul sau spatiu de adresa, nu se pot suprapune

spatiul de adresa al unui proces este „invizibil”pentru celelalte procese incarcate in memorie


Zona de codDate

(globale)

Heap Stiva

Adresalow Adresahigh

8/19/2019 Curs 2 PATR

43/47


8/19/2019 Curs 2 PATR

44/47

Procese:

sistemul de operare tine evidenta starii proceselor prin intermediul tabelei de procese

descrierea detaliata a starii unui proces (context de executie):

continutul registrilor CPU asociat ultimului moment in care procesul a detinut CPU

memoria alocata procesului

lista fisierelor deschise

atunci cand procesul este scos din executie se face o comutare de context, adica se salveazacontextul de executie

sa fie rapida, pentru a pastra timing-ul aplicatiei


Fire de executie - procese “usoare' (engl light weight

8/19/2019 Curs 2 PATR

45/47

Fire de executie procese usoare (engl. light weight processes):

se face o gestiune diferita a spatiului de adresa alocat procesului

firele de executie se creeaza in cadrul unui proces

firele de executie ale unui proces impart spatiul de adresa al procesului, dar fiecare are propriulcontor program, stiva pentru apelul procedurilor si registri

comutare de context rapida - light weight processes !


Variabile globale(shared)

CPRegistri

Stiva

CPRegistri

Stiva

CPRegistri

Stiva

Thread 1 Thread 2 Thread n

Cod (shared)

Spatiul de adresa al procesului

8/19/2019 Curs 2 PATR

46/47


8/19/2019 Curs 2 PATR

47/47


Curs 2 PATR

Documents

Transcript of Curs 2 PATR