Modelo del Sistema

1. Modelo del Sistema Dr. Pedro Mejía Alvarez CINVESTAV-IPN, Departamento de Computación

2. Indice • Como se distingue a un STR • Caracterización de un Sistema de Tiempo Real • Modelo de Referencia • Parámetros temporales y restricciones • Parámetros del sistema • Tipos de Tareas • Planificación • Metodos de Planificación

3. Como se distingue a un Sistema de Tiempo Real ? Un Sistema de Tiempo Real tiene restricciones de tiempos • Procesador: recurso activo (CPU, procesador de E/S, etc) • Recurso: recurso pasivo (dispositivos de E/S, disco, cinta, red) • Tarea: Conjunto de unidades de ejecución. • Job: Unidad de trabajo ejecutada por el sistema. • Restricciones Temporales: • Tiempo de inicio (release time). • Plazo de respuesta. • Tiempo de respuesta máximo.

4. Plazos de respuesta críticos y no críticos Un Sistema de Tiempo Real tiene restricciones de tiempos • Plazo Critico: Resultados tarde pueden ser fatales, de poca • utilidad o con consecuencias desastrosas • Plazos No-Críticos (suaves): Se desea que el computo termine • a tiempo, pero resultados que llegan tarde son útiles • (hasta cierto punto) • Definiciones: • Un Job tiene un plazo critico cuando el diseñador del • sistema tiene que comprobar que nunca pierde su plazo. • Un sistema es de tiempo real critico cuando la mayor parte • de los plazos son críticos. • Sobrecargas.

5. Caracterización de la Aplicación r(t) Sensor de temperatura y(t) Termo Computadora u(t) Calefactor • Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora.

6. Caracterización de la Aplicación Restricciones de Funcionamiento. • Componentes: tanque, censores, actuadores, interfaces A/D y computadora. • En el sistema (planta), dada una u(t), se produce una y(t). • El sistema recibe una señal de referencia r(t), el cual indica la temperatura deseada. • El objetivo del sistema de control es que y(t), sea lo mas parecida a r(t). • Para lograr el objetivo, es preciso aplicar a la planta la señal u(t) • y(t) muestra el valor real de la temperatura del termo.

7. Caracterización de la Aplicación • Restricciones de Tiempos: • Tiempos de cómputo. • Periodos de muestreo. • Tiempos de acceso a los dispositivos (censores actuadores) • Plazos de Respuesta. • Análisis de Planificación. • Planificar el sistema con un Sistema Operativo. • Los tiempos hay que obtenerlos, ya sea mediante mediciones instrucción por instrucción, mediante analizadores lógicos o osciloscopios digitales. • El periodo de muestreo y el plazo de respuesta dependen de la aplicación.

8. Sistemas de Tiempo Real Críticos Que tipos de Sistemas de tiempo real son críticos ? • Tiempo Real no es cómputo rápido. • Como comprobar/verificar que siempre se cumplen los • plazos en un sistema de tiempo real crítico ? • Implementar mecanismos para monitorizar el estricto • cumplimiento de tiempos • Que consecuencia trae la pérdida de plazos en este tipo de • Sistemas.

9. Sistemas de Tiempo Real No Críticos Que tipos de Sistemas de tiempo real son no críticos ? • Restricciones de Tiempo tolerantes: algunos plazos se permite • que se pierdan: • n de m plazos perdidos. (% por ciento de plazos perdidos) • Tareas con Cómputo obligatorio y computo opcional. • Calidad de servicio: (obtener 70% de los mensajes de la red). • Mejor esfuerzo: que se cumplan el mayor número de plazos • posibles. • (a) Requerimientos de tiempos sin restricciones: • Sistemas de transacciones en línea, Switches de telefonía. • (b) Requerimientos de plazos con pocas restricciones: • Sistema de obtención de precios de cotizaciones en bolsa. • (c) Requerimientos de plazos con restricciones: • Multimedia U (a) (b) (c) d t

10. Modelo de Referencia Modelo de Referencia Planificación y Manejo de Recursos Recursos Tareas Describe los recursos utilizados por el sistema Describe la aplicación que soporta el sistema Describe los algoritmos que manejan los recursos y las tareas del sistema

11. Parámetros Temporales Ji: Job, unidad de trabajo Tarea (i ): conjunto de Job N Número de tareas M Número de recursos ai: tiempo de arrivo (release time) si: tiempo de inicio de ejecución Ti Período de activación Ci: Tiempo de ejecución máximo: Cj< Dj = Tj Di Plazo de respuesta relativa del Job Ji di: Plazo de respuesta absoluta del Job Ji fi: tiempo de finalización Ri Tiempo de respuesta máximo P Prioridad

12. Parámetros Temporales Ci Ji t ai si fi di

13. Restricciones a los Parámetros Temporales • Se trata de asegurar que: Cj < Dj < Tj y Rj < Dj • Una tarea se ejecuta concurrentemente con otras tareas. • Tiempo de ejecución: máximo, mínimo, promedio • Cual de estos parámetros es fijo o variable ? • Tiempo de inicio: Fijo, con jitter, o esporádico. • Como se obtienen las prioridades de las tareas ? • Por que no se utiliza la velocidad de procesamiento ?

14. Distribuciones Tipicas TA Min TA Prom TE Prom WCET Tiempo entre Arrivos de Tareas Tiempo de Computo

15. Carga de Trabajo del Procesador 1 0.75 0.5 0.25 0 1 0.75 0.5 0.25 0 tiempo tiempo Bajo suposición del peor caso Bajo suposición del caso promedio

16. Peor Caso vs Caso-Promedio peor-caso Caso-promedio Predecibilidad Sin garantias Baja Eficiencia % Utilizacion Alta Eficiencia % Utilizacion • alto costo: se justifica para • sistemas de avionica • control de trafico aereo • plantas nucleares • bajo costo: se justifica para • sistemas de multimedia • robotica • realidad virtual.....

17. Restricciones del Sistema • Restricciones de los parámetros temporales. • Restricciones de recursos: una tarea puede requerir acceso a ciertos recursos compartidos por otras tareas, como dispositivos de E/S, redes de comunicación, estructuras de datos, archivos y bases de datos. • Restricciones de precedencia: una tarea puede requerir resultados de una u otra tarea antes de comenzar su ejecución. • Restricciones de Expulsividad. Una tarea puede ser expulsada (o no) de su ejecución por otra tarea en medio de su ejecución. • Restricciones de confiabilidad y desempeño:una tarea podría tener que cumplir con ciertas restricciones de confiabilidad, disponibilidad o desempeño.

18. Restricciones de Precedencia 1 2 J1 precede a J3 y J5 J4 precede a J6 J1 precede a J4 J2 no tiene precedencia con las demas tareas 4 3 5 6

19. Tipos de Tareas • Tareas Periódicas. • Tareas Aperiodicas. • Tareas Imprecisas: Tareas con partes obligatoria y opcional. • Tareas Multiframe: El tiempo de computo varia de instancia a instancia. • Tareas Elásticas: el periodo puede extenderse o comprimirse. • Tareas Periódicas con arrivo aperiodico y número de periodos de vida no finito. • Tareas con manejo de energia: tareas que pueden aumentar o disminuir su velocidad de procesamiento en cualquier instante para reducir su consumo de energía.

20. Modelo de Tareas Periódicas Tareas : i ... n . Cada tarea consiste de Job: Ji1, Ji2, ….., Jin ri: tiempo de inicio (release time) Ti Período de activación Ci: Tiempo de ejecución máximo: Cj< Dj = Tj Di Plazo de respuesta relativa del Job Ji di: Plazo de respuesta absoluta del Job Ji Ri Tiempo de respuesta máximo Ui Utilización de i Ui = Ci / Ti H hiperperíodo del sistema: lcm (T1,…Tn)

21. Ejemplo 0 10 20 30 40 50 60 70 80

22. Tareas Aperiodicas y Esporádicas Eventos que ocurren en tiempos inesperados ai: tiempo de arrivo de la tarea i Ii Tiempo entre arrivos. Ci: Tiempo de ejecución máximo: Cj< Dj Di Plazo de respuesta relativa del Job Ji Cada tarea consiste de un solo Job: Ji, Ji, ….., Jn. Cada tarea arriva en tiempos inesperados. Tareas aperiodicas: los Job tienen plazos suaves o no tienen plazos. Tareas esporádicas: los Job tienen plazos de respuesta críticos.

23. Ejemplo de Tareas Aperiodicas A A A 0 25 50 75 100 B B B B 0 25 50 75 100

24. Tareas Imprecisas • Estas tareas contienen una parte obligatoria una parte opcional. • Mi: parte obligatoria de la tarea i • Oi: parte opcional de la tarea i • Mi precede en ejecución a Oi • Pi puede no ejecutarse o ejecutarse parcialmente • El plazo de Mi debe de cumplirse • El plazo de Oi podria no cumplirse. • La ejecución de Oi permite refinar el resultado de Mi • Se trata de producir la mayor ejecución posible de todas las partes opcionales, de forma que: • no comprometan a ninguna parte obligatoria • que se ejecuten al máximo posible las partes opcionales pero que no causen la pérdida de plazos de las partes obligatorias

25. Ejemplo de Tareas Imprecisas La tarea 3 pierde el plazo de su parte opcional en su primer Job, en t = 50 la parte obligatoria O3 no se ejecuta! 0 20 40 60 80 100 120 140 160

26. Planificación (scheduling) • La planificación consiste en asignar un orden de • ejecución a un conjunto de tareas que se ejecutan • concurrentemente En la planificación existen 3 elementos: • Procesadores. • Recursos • Tareas • Planificador y Manejador de Recursos (Sistema Operativo) • Cada tarea es planificada por un algoritmo de planificación y distintos • recursos son asignados mediante un protocolo de acceso a recursos.

27. Planificador (scheduler) • La tarea del planificador es producir planes de ejecución • validos: • A cada Job se le asigna un procesador para ejecución en • cualquier momento • Los Job solo se ejecutan después de su tiempo de inicio • El tiempo de procesamiento asignado cada Job • corresponde a su máximo tiempo de ejecución. • Las restricciones del precedencia y de uso de recursos • se satisfacen • Un plan de ejecución válido es un plan de ejecución factible • si cada Job cumple con sus restricciones temporales.

28. Plan de Ejecución (schedule) Un algoritmo de planificacion es optimo: (a) si el algoritmo encuentra siempre encuentra planes de ejecución (schedule) en el caso de que estos existan, y (b) si el algoritmo no encuentra planes de ejecución, quiere decir que estos realmente no existen.

29. Métricas para evaluación del desempeño Response time: Ri = (fi - ai) Average response time = Lateness: Li = fi - di. Tardiness: Ei = max(0,Li) Laxity or Slack time: Xi = di - ai - Ci Miss Rate: (# de Jobs que son ejecutados pero que pierden plazos) Loss Rate: porcentaje Jobs que son descartados. Hard: Li negativo y Ri < di Soft: Minimizar el promedio absoluto de Li, Ri, Miss Rate y Loss Rate.

30. Métodos de Planificación • Planificar el uso de los recursos con el fin de • poder garantizar los requisitos temporales. • Un método de planificación tiene dos aspectos • importantes: • Un algoritmo de planificación que determina el orden de • acceso de la tareas a los recursos del sistema • ( en particular al procesador ) • Un método de análisis que permite calcular el • comportamiento temporal del sistema. • Así se puede comprobar si los requisitos temporales están • garantizados en todos los casos posibles. • En general se estudia el peor comportamiento posible.

31. Proceso de Planificación Aplicación Crítica Tarea Planificador Análisis de Planificabilidad Carga de Trabajo de Tiempo Real EJECUCIÓN Ci Ti Di No es planificable Fuera de linea (off-line) En linea (on-line)

32. Proceso de Planificación (estados) despachar activación SI test de aceptación LISTA EJECUCION expulsión espera en recurso ocupado recurso liberado NO BLOQUEO

33. Complejidad debida a la periodicidad de las tareas • La planificación por si sola no resuelve el problema • La activación periódica de tareas requiere una forma estricta de análisis y garantías • La tarea no solo arriba una sola vez, sino varias. • Es necesario un mecanismo para asegurar que el plazo de cada activación también se cumple • El análisis fuera de línea provee garantías de cumplimiento de plazos a priori. Sin embargo se necesita de mecanismos de soporte de cumplimiento de plazos durante la ejecución a fin de conseguir una ejecución predecible.

34. Planificación vs. Planificabilidad • Planificación = enfoque para priorizar una tarea sobre otra • Planificabilidad = análisis formal que permite garantizar que un conjunto de tarea periódicas pueden (o no) ser asignadas a un recurso compartido (p.ej. el procesador) tal que cada una de las tareas cumpla con su plazo de respuesta • Planificabilidad = Control de admisión

35. Asignacion de Prioridades • Cumplir los plazos de los procesos de mayor prioridad • Quien asigna las prioridades ? • Naturalmente el usuario (aunque después pague por ello !!) • Desafortunadamente: • El sistema necesita asignar prioridades también para llevar un control de admisión • (Orden de prioridades asignado por el sistema)  (Orden de prioridades asignado por el usuario) • Se requiere una solución intermedia • Compromiso de Prioridades • Mezcla de prioridades asignadas por el usuario y el sistema • Significa esto algún sacrificio por ambas partes y es posible tolerarlo?

36. Clasificacion de Metodos de Planificación • Expulsivo: Permite que las tareas en ejecución sean interrumpidas • en cualquier momento para asignar el procesador a otra tarea activa, de • acuerdo al método de planificación. • No expulsivo: Una vez que inicia su ejecución una tarea no es • interrumpida hasta que termina. Las decisiones de planificación solo • pueden llevarse a cabo hasta que termina la tarea. • Estatico: Los parámetros son fijos y calculados antes de la ejecución • Dinamico: Los parámetros pueden cambiar durante la ejecución. • Off-line: La planificacion se realiza antes de la ejecución. El plan de • ejecución se almacena en una tabla. • On-line: El planificador toma decisiones sobre la ejecución, cuando • una tarea inicia su ejecución o cuando termina de ejecutarse. • Best-effort: Algoritmo dinamico que trata de encontrar un plan de • ejecución factible, pero si no lo encuentra hara lo mejor posible para • cumplir los plazos de las tareas.

37. On-line vs. Off-line Scheduling • Off-line scheduling: el plan de ejecucion se calcula fuera de linea y se basa en el conocimiento de los tiempos de inicio y de computo de todos los jobs. • Para sistemas deterministicos: con parametros temporales fijos que no cambien o que cambien muy poco. • On-line scheduling: el planificador toma decisiones sin conocimiento del tiempo en que arrivaran jobs en el futuro. • No existe un plan de ejecucion optimo si los jobs son no-expulsivos • Cuando un job arriva, se acepta en el sistema si cumple con la prueba de aceptacion.