Prezentacja programu PowerPoint 2016...Title Prezentacja programu PowerPoint Author Mariusz Rudnicki...

PROGRAMOWANIE SYSTEMÓW CZASU RZECZYWISTEGO CZ.3

Mariusz Rudnicki – [email protected]

Szeregowanie Omawiane zagadnienia

Czym jest szeregowanie?

W jakim celu stosuje się mechanizmy szeregowania?

Algorytmy szeregowania w RT OS:

QNX Neutrino,

RT Linux,

Windows CE.

Szeregowanie zadań okresowych i aperiodycznych.

Niebezpieczeństwa związane z szeregowaniem.

2/38

Szeregowanie Algorytm szeregowania (ang. scheduler - planista) to algorytm rozwiązujący jedno z najważniejszych zagadnień programowania systemów czasu rzeczywistego, a mianowicie – w jaki sposób rozdzielić czas procesora i dostęp do innych zasobów tj. pamięć, zasoby sprzętowe, pomiędzy zadania, które w praktyce zwykle o te zasoby konkurują, aby dostęp do tych zasobów był sprawiedliwy i zapewniał terminowe wykonanie zadań krytycznych.

3/38

Szeregowanie Implementacje algorytmu szeregowania mogą być

różne: zazwyczaj moduł planisty umieszczony jest w jądrze

systemu – QNX Neutrino; może jednak być jednym ze zwykłych zadań, które

dostarcza usług dla jądra.

W niektórych systemach mogą istnieć różne algorytmy szeregowania dla zadań RT i non-RT.

Algorytm szeregowania musi rozpatrywać wiele czynników: stan zadania (gotowość do wykonania);

priorytet zadania; przeciwdziałać zagłodzeniu procesu.

4/38

Szeregowanie

Szeregowanie a wywłaszczanie

Wymuszone oddawania kontroli – wielozadaniowość z wywłaszczaniem.

Dobrowolne oddawanie kontroli – wielozadaniowość oparta na współpracy (rzadziej stosowana źle zaprojektowany proces może zdestabilizować system).

5/38

Szeregowanie – stany wątków Wątki posiadają dwa podstawowe stany:

zablokowany: oczekuje na zdarzenie; istnieje wiele stanów blokowania w zależności od tego na co

proces oczekuje np.: blokada REPLY – proces oczekuje na odpowiedź IPC; blokada MUTEX – proces oczekuje na mutex; blokada RECEIVE – proces oczekuje na komunikat,

gotowy: zdolny do użycia CPU; dwa podstawowe stany gotowości:

RUNNING – proces aktualnie używa CPU; READY – proces oczekuje podczas gdy inny proces jest

uruchomiony.

6/38

Szeregowanie – stany wątków

Pozostałe stany wątków:

DEAD – wątek jest martwy, nie może być przywrócony do pracy, nigdy nie opuści tego stanu;

STOPPED – zatrzymany przez sygnał stop, nie będzie kontynuowany dopóki nie dostanie sygnału wznowienia.

7/38

Szeregowanie – priorytety

Wszystkie wątki posiadają priorytety: priorytety są w zakresie od 0 (niski) do 255 (wysoki);

mechanizm priorytetów tylko dla wątków w stanie gotowy;

jądro zawsze wybiera wątek o najwyższym priorytecie i będący w stanie READY (pełne wywłaszczanie):

stan wątku zmienia się na RUNNING,

zablokowane wątki nawet nie są rozważane;

większość wątków spędza najwięcej swojego czasu w stanie zablokowanym.

8/38

Szeregowanie – priorytety

9/38

References: http://www.qnx.com/developers/docs/6.5.0SP1.update/index.html#com.qnx.doc.neutrino_sys_arch/kernel.html#SCHEDULING

Szeregowanie – algorytmy

Algorytm karuzelowy ang. Round – Robin:

10/38

Każdemu procesowi przyporządkowana jest szczelina czasowa ang. timeslice równa 4 x clock period. Clock period zależy od zegara CPU: 40 MHz > fCPU – cp = 10 ms; 40 MHz ≤ fCPU – cp = 1 ms.


Wątek: po wykorzystaniu swojego kwantu

czasu zostaje wydziedziczony; dobrowolnie oddaje zasoby procesora

przed upływem interwału czasu; zostaje wydziedziczony przez proces o

wyższym priorytecie.

Szeregowanie – algorytmy Algorytm sporadyczny ang. Sporadic scheduling:

11/38

C – initial budgetl; L – Low priority; N – Normal priority; T – Replenishment period; R – stan zablokowania; Max. liczba możliwych przeszeregowań – wpływa na narzuty szeregowania sporadycznego;



Algorytm sporadyczny ang. Sporadic scheduling – wykorzystywany jest w sytuacji, gdy system reazlizuje Rate Monotonic Analysis (RMA) w celu zapewnienia obsługi procesów periodycznych i aperiodycznych. Dobrze zaprojektowanych system pozwala obsługiwać krytyczne zadania aperiodyczne z zachowaniem terminowego wykonania pozostałych zadań.

12/38



Algorytm FIFO ang. First In First Out:

13/38


Wątek uruchomiony; Dobrowolnie zrzeka się kontroli; Zostaje wydziedziczony przez wątek o wyższym priorytecie.


Adaptive partitioning:

14/38

W wielu systemach zachodzi konieczność ochrony aplikacji lub grupy aplikacji przed wpływem innych programów.

Statyczne partycje gwarantują procesom dostęp do zasobów wyspecyfikowanych przez konstruktora systemu: podstawowym zasobem branym pod uwagę jest czas CPU, pozostałe to współdzielone zasoby takie jak pamięć, przestrzeń plików (dysk lub flash).

Szeregowanie – algorytmy Adaptacyjność partycji w QNX Neutrino polega

na: możliwości zmiany konfiguracji w trakcie pracy; stałym rozmiarze w danym czasie; automatycznym dostosowaniu się do warunków pracy

systemu, dla przykładu: wolny czas CPU jest redystrybuowany do innych partycji; systemy plików mogą rozliczać czas klienta w oparciu o

mechanizm tymczasowego przenoszenia wątków pomiędzy partycjami.

W związku z powyższym adaptacyjne partycjonowanie jest mniej restrykcyjne i bardziej wydajne w stosunku do innych algorytmów szeregowania.

15/38


Czym są adaptacyjne partycje?

nazwanymi zbiorami reguł;

regułami wybranymi do sterowania zachowaniem globalnych zasobów systemu;

kiedy proces lub wątek skojarzony jest z daną partycją jego działania zarządzane są zgodnie z regułami tej partycji w danym czasie.

16/38


Adaptacyjne partycje dostarczają:

ochronę pamięci – każda z partycji jest dyskretna i sterowana przez jednostkę zarządzającą pamięcią ang. Memory Management Unit – MMU;

ochronę przed przeciążeniem – każda partycja ma zagwarantowany przedział czasu, na wykonywanie powiązanych z nią zadań, wyspecyfikowany przez twórcę systemu;

17/38

Szeregowanie – algorytmy Dlaczego stosujemy adaptacyjne partycje?

w celu zapewnienia wydajności RT z gwarancją zapobiegania przeciążeniom;

ponieważ w systemach dynamicznych, statyczne partycję są nieefektywne;

Dla przykładu statyczny podział czasu CPU pomiędzy partycje może prowadzić do marnowania tego zasobu i wprowadzać opóźnienia: jeżeli większość partycji jest wolna, a jedna bardzo

obciążona, to obciążona partycja nie otrzymuje dodatkowego czasu, dopóki wątki tła w pozostałych partycjach marnują czas CPU,

jeżeli przerwanie zostało przypisane do partycji, musi ono poczekać, aż partycja ruszy. To może powodować nieakceptowalne opóźnienia szczególnie w sytuacji sekwencji przerwań.

18/38


Adaptacyjne partycje vs. Bezpieczeństwo

Wiele systemów podatnych jest na ataki DoS ang. Denial of Service

19/38

DoS attack w/o adaptive partitioning


Adaptacyjne partycje vs. Bezpieczeństwo

Wiele systemów podatnych jest na ataki DoS ang. Denial of Service

20/38

DoS attack with adaptive partitioning


Planista Adaptacyjnego partycjonowania ang. Adaptive partitioning thread scheduler został zaprojektowany aby rozwiązywać następujące problemy:

gwarancji współdzielenia czasu procesora na wyspecyfikowanym minimalnym poziomie w czasie przeciążenia systemu;

zapobieganiu monopolizacji systemu przez nieistotne lub niezaufane aplikacje.

21/38


Partitioning Technology projektant systemu:

definiuje partycje dla mechanizmu priorytetowania;

przypisuje wątki/procesy do poszczególnych partycji:

proces/wątek potomny domyślnie zostaje umieszczony w partycji rodzica;

określa minimalne % zużycie procesora dla każdej partycji.

22/38

Szeregowanie – RT LINUX

Planista: ładowalny moduł RT Core;

moduł stworzony przez użytkownika.

23/38

Task 1 – T1 = 50 ms, C1 = 25 ms. Task 2 – T2 = 100 ms, C2 = 40 ms.

Wykorzystanie procesora wyraża wzór 𝑈 =𝐶

𝑇

Szeregowanie – RT LINUX RMS – Rate Monotonic Scheduling

Algorithm domyślny algorytm szeregowania bazujący na

statycznych priorytetach – uwzględnia okres wykonywania zadania, krótszy okres zadania – wyższy jego priorytet;

algorytm optymalny w takim sensie, jeśli zadanie nie jest szeregowalne (nie będzie wykonane na czas) tym algorytmem, to nie będzie szeregowalne według żadnego innego algorytmu bazującego na statycznych priorytetach;

24/38


RMS – Rate Monotonic Scheduling Algorithm wadą tego algorytmu jest niski limit

szeregowalności – 69,3%. Oznacza to iż w systemie, w którym zadania zużywają 70% czasu procesora, nie wszystkie zadania będą wykonane na czas.

25/38


EDF - Earliest Deadline First obecny algorytm szeregowania bazujący na

dynamicznych priorytetach:

im bliższy deadline, tym wyższy priorytet;

zaletą tego algorytmu jest 100% szeregowalność zadań;

wadę stanowią narzuty związane z przeliczaniem priorytetów.

26/38


Szeregowanie zadań nieokresowych algorytmy RMS i EDF nie gwarantują wykonania

na czas zadań aperiodycznych inaczej zwanych sporadycznymi, czyli pojawiającymi się w dowolnym czasie;

szeregowanie zadań aperiodycznych wykonywane jest przy użyciu następujących algorytmów:

Slot shifting algorithms ;

Stack Stealing algorithms.

27/38


Szeregowanie zadań nieokresowych

28/38

http://www.idt.mdh.se/utbildning/exjobb/files/TR1152.pdf

Szeregowanie – zakleszczenia Inwersja priorytetów – ma miejsce w sytuacji, gdy

zadanie o wysokim priorytecie nie otrzymuje czasu procesora, pomimo tego iż powinno;

Rozważmy sytuację, w której wysokopriorytetowy wątek oczekuje, aż niskopriorytetowy wątek zwolni zasób. Opóźnienie wynikające z tego faktu może być oszacowane i uwzględnione.

Gorszy przypadek następuje wtedy, gdy pojawi się wątek średniopriorytetowy, który nie korzysta ze wspólnego zasobu. Wówczas wątek o średnim priorytecie wydziedziczy wątek o niskim priorytecie. Przez co wątek o wysokim priorytecie nadal pozostaje blokowany.

29/38

Szeregowanie

Inwersja priorytetów – rozwiązania

dziedziczenie priorytetów – polega na tym że niskopriorytetowy wątek otrzymuje priorytet wątku o najwyższym priorytecie, który oczekuje na zasób. Zapobiega to przejmowaniu zasobów procesora przez wątki o średnim priorytecie.

Czy ciągle możliwe jest zakleszczenie?

30/38

Szeregowanie – zakleszczenia

Zakleszczenia ang. deadlock – rozwiązania

Rozważmy sytuację kiedy dziedziczny proces żąda dostępu do innego zasobu, który jest w użyciu przez inny proces o wysokim priorytecie.

31/38


Ceiling Semaphore Protocol – pułap zasobów, inaczej mówiąc semafor zapewniający wyłączny dostęp do danego zasobu, jest równy najwyższemu priorytetowi zadania, które może przejąć zasób plus jeden;

Zgodnie z protokołem CSP poziom zadania, które zajmuje zasób jest równy pułapowi zasobu. Jest to rozwinięcie idei dziedziczenia priorytetów.

32/38


Rozważmy przypadek trzech procesów p1, p2, p3 o priorytetach p1>p2>p3. Pułap zasobu = 1.

33/38

Szeregowanie – zakleszczenia Stack Resource Policy (SRP) – zgodnie z szeregowaniem

SRP zadanie nie może być rozpoczęte dopóki jego priorytet nie jest najwyższy z pośród aktywnych zadań lub poziom wywłaszczenia nie jest wyższy od pułapu systemowego;

Poziom wywłaszczenia zadania Ti jest zdefiniowany jako 𝑃𝑖 =

1

𝐷𝑖 gdzie Di czas do zakończenia zadania.

Używając algorytmu SRP mamy pewność, że zadanie rozpoczęte nie zostanie zablokowane przed jego zakończeniem.

Może zostać jednak wydziedziczone przez zadanie o wyższym priorytecie.

SRP wykorzystuje wspólny stos do przechowywania parametrów wszystkich wykonywanych funkcji i zwracanych adresów.

34/38


Inne algorytmy szeregowania: FCFS (first come, first serve) – podobny do FIFO,

bardzo słaba interaktywność systemu – pojedynczy długi proces blokuje cały system, brak priorytetów nie ma możliwości wywłaszczenia;

SJF (shortest job first) – pierwsze najkrótsze zadanie, wada problem głodzenia długich procesów;

35/38

Szeregowanie

Szeregowanie Windows Embedded CE: Wątki o tym samym priorytecie szeregowane są

algorytmem Round – Robin;

domyślny kwant czasu wynosi 100 ms, może być zmieniany przez projektanta systemu;

256 poziomów priorytetów;

wątki o priorytetach 0 – 248 są priorytetami czasu rzeczywistego.

36/38

Szeregowanie

Szeregowanie Windows Embedded CE: Pozostałe wątki opisane są w następujący sposób:

37/38

Szeregowanie Szeregowanie Windows Embedded CE:

wątki o wyższym priorytecie, niższym numerze uruchamiane są w pierwszej kolejności;

wątek o niższym priorytecie może zostać uruchomiony tylko w przypadku, gdy wszystkie wątki o wyższych priorytetach zakończyły działanie lub są zablokowane.

wątki dla, których kwant czasu został ustawiony na 0 mają nieograniczony limit czasu, mogą zostać wydziedziczone przez wątek o wyższym priorytecie lub przez ISR;

priorytety wątków są stałe – wyjątek stanowi tu zjawisko dziedziczenia priorytetów;

38/38

Prezentacja programu PowerPoint 2016...Title Prezentacja programu PowerPoint Author Mariusz Rudnicki...

Documents

Transcript of Prezentacja programu PowerPoint 2016...Title Prezentacja programu PowerPoint Author Mariusz Rudnicki...