Introducción al tiempo real en sistemas empotrados

1. Master en Ingeniería de Sistemas Empotrados Introducción al tiempo real en sistemas empotrados Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

2. Contenido • Introducción • Soporte de interrupciones • Conceptos de sistemas operativos • Planificación en sistemas de tiempo real • Mecanismos de sincronización y comunicación • Planificación de tiempo real con recursos compartidos Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

3. Planificación en sistemas de tiempo real CONTENIDO • Introducción • Modelo de tareas de tiempo real • Criterios para la planificación en tiempo real • Políticas de planificación para tiempo real • Planificación con tareas aperiódicas BIBIOGRAFIA • Q. Li: Real-Time concepts for embedded systems. CMP Books, 2003. • J. Liu: Real-Time Systems, Prentice-Hall, 2000 • H. Kopetz: Real-Time Systems: design principles for distributed embedded applications. Kluwer, 1997. • J.A. de la Puente et al: Introducción a los sistemas de tiempo real. http://polaris.dit.upm.es/~aalonso/doctorado/str.html#Transparencias • J.A. de la Puente: Diseño de sistemas de tiempo real. http://www.depeca.uah.es/docencia/doctorado/cursos04_05/82622/documentos/str/Puente-Desarrollo-str.pdf Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

4. Introducción • Dado un conjunto de tareas, se trata de planificar su ejecución de forma que todas ellas cumplan los plazos. • Requiere políticas de planificación específicas. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

5. IntroducciónEnfoques (1) • Algunos sistemas operativos soportan procesos de “clase de tiempo real”. • Son procesos con prioridades estáticas más altas que los procesos de tiempo compartido. • Ejemplos: Unix SVR4, Windows • Sólo adecuados para sistemas flexibles (soft real-time): • Contienen código no expulsable en el núcleo. • En general, demasiado voluminosos para sistemas empotrados y poco fiables. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

6. IntroducciónEnfoques (2) • Enfoque de máquina virtual • Un núcleo RT planifica el SO como una tarea más. • Ejemplo: RT-Linux • El núcleo RT intercepta las interrupciones del hardware, por lo que la ejecución del SO puede ser interrumpida en cualquier momento. • Es posible comunicar tareas mediante colas FIFO. (Extraído del curso de J.A. de la Puente, UPM) Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

7. IntroducciónEnfoques (3) • Sobre la máquina desnuda: fabricar un núcleo básico ad-hoc con un planificador de tareas de tiempo real. • Costoso en tiempo de desarrollo. (Extraído del curso de J.A. de la Puente, UPM) Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

8. IntroducciónEnfoques (4) • Sistemas Operativos de Tiempo Real (RTOS) específicos. • Flexibles • Ejemplos: LynxOS, QNX, VxWorks, FreeRTOS, MARTE (Univ. de Cantabria)… • Estándar POSIX: apartados para sistemas de tiempo real que definen normas y servicios específicos a incluir. (Extraído del curso de J.A. de la Puente, UPM) Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

9. Modelo de tareas de tiempo real • Acción. Mínima cantidad de cómputo en un sistema de tiempo real. • Ejemplo: decodificar un cuadro de video. • Requiere un recurso de cómputo. • Tarea. Conjunto de acciones repetidas a lo largo del tiempo. • Ejemplo: visualizar una secuencia de video. τ = <J1, J2, …> Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

10. Modelo de tareas de tiempo real J0 J1 J2 • Instante de activación de la acción, rk • La acción puede empezar a ejecutarse. • límite de la acción, dk. • La acción debe haber terminado • Tarea periódica: rk = r0+ kT • Habitualmente: rk+1 = di y entonces el periodo es: T =dk − rk • Tarea aperiódica: rk+1 − rk variable. d2 d0 d1 r2 r0 r1 r3 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

11. Modelo de tareas de tiempo real dk rk Dk Ck Jk Rk • Plazo de ejecución, Dk = dk − rk • Condición necesaria: Ck < Dk • Tiempo de respuesta, Rk Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

12. Modelo de tareas de tiempo realPlazos • Plazo estricto • Todas las acciones deben ocurrir dentro del plazo • Los fallos pueden ser catastróficos • Ejemplo: sistema de control de vuelo • Plazo flexible • Se pueden incumplir plazos de vez en cuando • El valor de la respuesta decrece con el paso del tiempo • Ejemplo: sistema de adquisición • Plazo firme • Se pueden perder plazos ocasionalmente • Las respuestas fuera de plazo no tienen valor • Ejemplo: Sistemas multimedia Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

13. Modelo de tareas de tiempo realPlazos (Extraído del curso de J.A. de la Puente, UPM) Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

14. Modelo de tareas de tiempo realPlazos • Sistemas garantizados • Plazos estrictos • Validación • Sistemas de esfuerzo óptimo (best-effort) • Plazos flexibles • Requisitos estadísticos • Criterios de Calidad de Servicio (QoS): • Tasa de cumplimiento del plazo • Tiempos de respuesta • etc Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

15. Modelo de tareas de tiempo realParámetros • N tareas periódicas • 1 procesador • Parámetros temporales de las tareas: • Tarea i : (Φi, Ti, Ci, Di) • Una acción Ji,k • Se activa en ri,k = Φi + kTi • Debe terminar antes de di,k = Φi + kTi + Di Habitualmente: Di = Ti Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

16. Criterios para la planificación en tiempo real • Dado un conjunto de tareas de tiempo real {1, 2, …, N} el objetivo es proporcionar una planificación viable. • Condición necesaria para la viabilidad (para tareas periódicas): U=∑ Ci/Ti < 1 • Tareas aperiódicas: encontrar periodo mínimo (si es posible) y expresarlas como periódicas con ese periodo. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

17. Criterios para la planificación en tiempo real • La viabilidad es un criterio absoluto en sistemas de plazo estricto. • Sistemas de plazo no estricto: • Plazo flexible: minimizar la magnitud de los retrasos. • Plazo firme: minimizar el número de retrasos. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

18. Criterios para la planificación en tiempo realEjemplo ¿viable? Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

19. Políticas de planificación para tiempo realTipos de planificación • Según cuándo se elabora la planificación: • Planificación estática • Todos los parámetros temporales son fijos y conocidos. • Puede establecerse un hiperperiodo (m.c.m. de todos los Ti). • El plan se elabora antes de la ejecución y se almacena en una tabla. • El planificador se limita a consultar la tabla en determinados instantes para seleccionar la tarea a ejecutar. • Planificación dinámica • No existe un plan preestablecido. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

20. 1 2 3 1 4 1 2 1 2 3 1 4 1 2 Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico • Planificación estática con un esquema periódico. Periodo principal: H = mcm(Ti) = 12 Periodo secundario: TS = 4 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

21. Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico • Plan cíclico: 1 2 3 1 4 1 2 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

22. Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico • ¿Cómo definir el periodo secundario, TS? • Condiciones: • La ejecución de cada acción debe caber en un ciclo. • Debe ser un divisor entero del periodo de alguna tarea (y por lo tanto de H). • Entre el periodo de activación de una acción y su tiempo límite debe de haber al menos un ciclo completo. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

23. Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico • No es posible cumplir simultáneamente las condiciones (1) y (3). • Solución: segmentar tareas. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

24. Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico con segmentación de tareas 1 2 31 1 32 1 2 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

25. Políticas de planificación para tiempo real.Ejecutivo cíclico. Limitaciones. • En general, el problema de construir el plan cíclico es muy complejo (NP-duro). • Sólo apto para tareas periódicas. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

26. Políticas de planificación para tiempo real.Basadas en prioridades • Las tareas son expulsables. • Admiten tareas aperiódicas (y esporádicas). • Prioridades fijas: • Rate Monotonic (RM). Mayor prioridad para las tareas de menor periodo. • Deadline Monotonic (DM). Mayor prioridad para las tareas de plazo más corto. (RM y DM son equivalentes cuando Di = Ti). • Prioridades dinámicas: • Earliest Deadline First (EDF). Se planifica la tarea cuyo plazo está más cercano a expirar. • La condición de viabilidad (U<1) es necesaria y suficiente para que EDF encuentre una forma de cumplir todos los plazos. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

27. 1 2 3 1 4 2 4 1 4 1 2 3 1 4 2 4 1 4 Políticas de planificación para tiempo real.RM Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

28. RM 1 2 3 1 4 2 4 1 4 D4 se cumple! DM 1 2 4 1 4 2 3 1 3 Políticas de planificación para tiempo real.DM vs RM Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

29. Políticas de planificación para tiempo real.EDF 1 2 3 1 4 2 4 1 4 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

30. 1 2 4 1 4 3 2 1 Políticas de planificación para tiempo real.EDF Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

31. Planificación con tareas aperiódicas • Tarea aperiódica • Se activa como respuesta a un suceso externo. • Puede tener restricciones de tiempo o no. • Tarea esporádica: Tarea aperiódica con restricciones de tiempo críticas. • Objetivos: • Garantizar plazos de las tareas críticas (esporádicas y periódicas). • Buenos tiempos de respuesta para las aperiódicas no críticas. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

32. Planificación con tareas aperiódicas.Políticas • Procesamiento en segundo plano • Prioridades bajas para las tareas aperiódicas no críticas. • Procesamiento por interrupciones • Las tareas aperiódicas se tratan inmediatamente. • Reserva de ancho de banda • Reserva a priori de capacidad de CPU para tareas aperiódicas. • Se procesan inmediatamente. • Extracción dinámica de holgura • Reserva de capacidad de CPU para tareas aperiódicas en tiempo de ejecución. Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores