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DETI - UFCSistema em Tempo Real Jarbas Silveira

Sistemas em Tempo Real

Módulo 2: Concorrência: Conceito de processos; estados de processos; algoritmos para escalonamento de processos; Regiões Críticas; Exclusão Mútua; Comunicação e sincronização de processos (semáforos, monitores, passagem de mensagens); Deadlocks.


Conceito de processos

-Definição de tarefa (processo, actividade)

Seqüência de ativações (instâncias ou jobs), cada uma composta por um conjunto de instruções que, na ausência de outras atividades, é executada pelo CPU sem interrupção.



Quanto à periodicidade as tarefas podem ser



Caracterização das Tarefas



Os requisitos das tarefas podem ser:

• Temporais – limites temporais aos instantes de terminação ou degeração de determinados eventos de saída.

• Precedência – estabelecem uma determinada ordem de execuçãoentre tarefas.

• Uso de recursos – necessidade de utilização de recursos partilhados(e.g. portos de comunicação, um buffer em memória partilhada,variáveis globais, periféricos do sistema). Pode implicar uso deoperações atômicas (cuja seqüência não pode ser interrompida)



Preempção

• Quando uma tarefa pode ser interrompida temporariamente paraexecução de outra mais prioritária, diz-se que admite preempção.• Quando um sistema utiliza a propriedade de preempção das tarefasque executa diz-se preemptivo.• Um conjunto de tarefas diz-se admitir preempção total quando todas as tarefas admitem preempção em qualquer ponto da sua execução (tarefas independentes)

Nota: o acesso a recursos partilhados (tarefas com dependências) pode impor restrições sobre o grau de preempção que uma tarefa admite.



Os requisitos temporais podem ser de vários tipos:

• Deadline – Limitação ao tempo máximo para terminação da tarefa.• Janela – Delimitação máxima e mínima ao instante de terminação.• Sincronismo – Limitação à diferença temporal entre a geração de dois eventos de saídas (existem outras formas).• Distância – Limitação ao atraso (distância) entre a terminação, ou activação, de duas instâncias consecutivas(e.g., a mudança do óleo do motor num carro)

Tipo deadline é o mais comum!


Estados de Processos

Criação de uma tarefa

associação do código (e.g. C function) a um espaço devariáveis privado (private stack) e a uma estrutura de gestão (task control block – TCB);

Execução de uma tarefa

Execução concorrente do código da tarefa, usando orespectivo espaço privado de variáveis, sob controlo dokernel, com reactivação de cada instância periodicamente ou como resposta a um evento externo.


Estados de Processos


Escalonamento de processos



•Um escalonamento diz-se praticável (feasible schedule) se cumpre as restrições associadas ao conjunto de tarefas (temporais, não preempção, recursos partilhados, precedências)

•Um conjunto de tarefas diz-se escalonável (schedulable task set) se existe pelo menos um escalonamento praticável para esse conjunto.



- Escalonamento de tarefas periódicas



- Escalonamento estático cíclico



-Escalonamento estático cíclico

A favor•Implementação simples (timer+tabela)•Overhead de execução muito baixo (dispatcher)•Permite optimização do escalonamento(e.g. controlo de jitter, relações de precedência)Contra•Pouco escalável (alterações nas tarefas podem causar grandes alterações na tabela, em particular podem levar a tabelas enormes!)•Pouco robusto a sobrecargas (sensível ao efeito dominó)



-Escalonamento estático cíclico

Construção da tabela•Calcular o micro-ciclo uC e o macro-ciclo MC•Expressar os períodos e fases iniciais em micro-ciclos•Determinar os ciclos onde as tarefas são ativadas•Utilizando um critério de escalonamento adequado, determinar a ordem de execução das tarefas ativas •Verificar se todas as tarefas ativas num micro-ciclo podem sercompletamente executadas nele. Senão algumas terão que ficarpara ciclos seguintes•Poderá ser necessário partir uma tarefa em várias partes de modo a cada uma poder ser executada dentro de um micro-ciclo.



Escalonamento preemptivo com prioridade fixa

Todas tarefas têm uma prioridade fixa, que não é alterada a menos que a aplicação modifique-a. Uma tarefa com prioridade mais alta interrompe uma tarefa com prioridade inferior. A maioria dos sistemas operacionais Tempo Real suportam este esquema.



- Escalonamento on-line com prioridades fixas



Escalonamento preemptivo com prioridade dinâmica

Uma tarefa com prioridade mais alta interrompe uma tarefa com prioridade inferior. A prioridade de uma tarefa pode mudar de uma instância a outra ou durante a execução de uma instância para atender um objetivo específico de resposta temporal. Poucos sistemas operacionais comerciais de Tempo Real suportam esta política.



Escalonamento rate-monotonic

Política de escalonamento preemptivo ótimo de prioridade fixa no qual quanto mais alta a freqüência de ativação de uma tarefa periódica, maior a prioridade. Assume que o deadline de uma tarefa periódica é igual ao seu período. Pode ser implementado em qualquer sistema operacional que suporta escalonamento preemptivo com prioridade fixa ou generalizado para tarefas aperiódicas.



Escalonamento RM – exemplo 1



Escalonamento deadline-monotonic

Generalização da política de escalonamento rate-monotonic, no qual o deadline de uma tarefa é um ponto fixo no tempo, relativo ao início do período. Quanto mais próximo este deadline (fixo) maior a prioridade. Quando o tempo do deadline iguala o período esta política é idêntica ao esquema de escalonamento ratemonotonic.



Escalonamento earliest-deadline-first

Política de escalonamento preemptivo com prioridade dinâmica. O deadline da instância de uma tarefa é o ponto absoluto no tempo no qual a instância tem que concluir. O deadline é computado quando a instância é criada. O escalonador escolhe a tarefa com o deadline mais próximo para executar primeiro. Uma tarefa com um deadline mais próximo interrompe uma tarefa com um deadline posterior. Esta política minimiza o atraso máximo de um conjunto de tarefas, em relação a todas as outras políticas deescalonamento.



Escalonamento least-laxity-first (least slack)

Política de escalonamento não preemptivo com prioridadedinâmica. A folga ou relaxação da instância de uma tarefa é o deadline absoluto para conclusão menos o restante do pior caso do tempo de execução da instância da tarefa. O escalonador escolhe a tarefa com a menor relaxação para executar primeiro. Uma tarefa com um deadline mais próximo interrompe uma tarefa com umdeadline posterior. Esta política maximiza o atraso mínimo de um conjunto de tarefas.


Regiões Críticas

Acesso exclusivo a recursos partilhados

-O acesso exclusivo a recursos partilhados

-A inversão de prioridades como conseqüência do bloqueio

-Técnicas básicas para acesso exclusivo a recursos partilhados

-Herança de prioridades (Priority Inheritance Protocol – PIP)

-Protocolo de tecto de prioridades (Priority Ceiling Protocol – PCP)

- Protocolo de pilha de recursos (Stack Resource Protocol- SRP)


Regiões Críticas


Regiões Críticas

O fenômeno da inversão de prioridades


Regiões Críticas

Técnicas para acesso exclusivo a recursos

Primitivas de sincronização• Inibição de interrupções (disable / enable ou cli / sti)• Inibição de preempção (no_preemp / preempt)• Utilização de locks ou flags atómicas (mutexes – se bem queeste termo por vezes também é usado para designar semáforos –lock / unlock)• Utilização de semáforos (contador+lista – P / V ou wait / signal)


Regiões Críticas


Regiões Críticas

Protocolo de Herança de Prioridades (PIP – Priority Inheritance Protocol)


Regiões Críticas

Protocolo de Teto de Prioridades (PCP – Priority Ceiling Protocol)


Regiões Críticas

Política de Pilha de Recursos (SRP – Stack Resource Policy)


Exclusão Mútua

-Semáforos

São objetos de Kernel que uma ou mais threads podem adquirir ou liberar com o propósito de sincronização ou exclusão mútua.

-SCB (Semaphore Control Block)-ID Semaphore-Binário ou do tipo contador


Exclusão Mútua

- Semáforo e sua estrutura de dados


Exclusão Mútua

-Semáforos binários

- Podem ter valor 0 (não disponível) ou 1(disponível);- São utilizados como recursos globais


Exclusão Mútua

-Semáforos do tipo contadores

- Usa um contador para ser adquirido ou liberado múltiplas vezes;- Semáforo é criado com 0 (não disponível)- Quando adquirido contagem inicia;- Uma ou mais tarefas podem adquirir fichas do semáforo;- Algumas implementações permitem limitar o número de fichas.


Exclusão Mútua

- Diagrama de estados de um semáforo contador


Exclusão Mútua

-Semáforos de Mútua Exclusão (Mutex)

- Um mutex é um semáforo binário especial que suporta um Proprietário, acesso recursivo e proteção segura de tarefas;

- Um proprietário de um mutex é assinalado quando o mesmo é travado na primeira vez que é adquirido;


Exclusão Mútua

- Semáforos de Mútua Exclusão (Mutex)

- Muitos Mutex implementam recursividade, permitindo que o proprietário deste mutex possa adquiri-lo múltiplas vezes;


Exclusão Mútua

-Semáforos de Mútua Exclusão (Mutex)

- Esta propriedade permite a proteção contra deleção da tarefa enquanto o semáforo encontra-se travado;

- Mudanda de prioridade: os protocolos PIP e CPP são utilizados em alguns semáforos;


Exclusão Mútua

-Aplicações típicas de semáforos

- Wait and Signal Syncronization: tem o propósito de coordenar ações entre 2 tarefas;


Exclusão Mútua

-Multiple-task Wait and Signal Synchronization

- Quando uma ou mais tarefas esperam por um tarefa para iniciarem suas execuções;


Exclusão Mútua

-Credit-Tracking Synchronization

-Quando a taxa de produção e consumo são diferentes, podemos utilizar semáforos contadores para sincronizar estas tarefas;


Exclusão Mútua

-Acesso exclusivo a uma região compartilhada

- Um dos usos mais comuns de semáforos;- Um semáforo binário controla o acesso a região compartilhada;


Exclusão Mútua

-Acesso exclusivo recursivo a uma região compartilhada

- Necessário quando uma tarefa deseja acessar uma região crítica e uma das tarefas desta atividade também necessita acessar esta mesma região crítica;


Exclusão Mútua

-Sincronização de múltiplas recursos compartilhados

- Nesta situação, onde múltiplos recursos precisam ser compartilhados é recomendado o uso de um semáforo do tipo contador;


Sincronização de Processos

Mensagens entre processos

- Um fila de mensagens é um buffer onde processos podem transmitir e receber mensagens.


Comunicação e sincronização de processos

-Estados de Fila de Mensagens


- Algumas implementações de Kernel permitem mover blocos de mensagens para listas de espera em memória;



-Armazenamento de Filas de Mensagens

- Systems Pools: Área única de memória

- Private Buffers: Áreas separadas de memória



-Operações típicas de Filas de mensagens (TX)

- First-in, First-out (FIFO)




-Operações típicas de Filas de mensagens (TX)

- First-in, First-out (LIFO)



-Operações típicas de Filas de mensagens (RX)

- Recepção de mensagens com prioridade



-Uso típico de fila de mensagens

- Sem inter-travamento, em um sentido de comunicação




- Com inter-travamento, em um sentido de comunicação




- Sem inter-travamento, em duplo sentido de comunicação




- Comunicação em broadcast



- Outros objetos de Kernel: PIPES- Não estruturados- Não permite prioridade- Stream de bytes



-Outros objetos de Kernel: PIPES

- Pipe Control Blocks



-Outros objetos de Kernel: PIPES

- Estados de um PIPE



-Uso típico de PIPES:



-Outros objetos de Kernel:

- Registradores de Eventos



-Uso típico de registradores de eventos:- Sincronização unidirecional de tarefas



-Signals:- São interrupções de software que são

gerados quando um determinado evento ocorre.



- Uso típico de Sinais: capturador de eventos


Deadlocks

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