Escalonamento (Scheduling)

1César Ofuchi – [email protected]

Escalonamento

(Scheduling)

César Yutaka Ofuchi

[email protected]

(adaptado do prof. André Schneider de Oliveira/

prof. Hugo Vieira)

mailto:[email protected]


Ciclo de Vida de Serviços


Escalonamento de Processos

• Responsável por determinar qual tarefa deve ganhar o processador, possibilitando a execução de diferentes tarefas em sistemas monocore

• Gerenciamento das tarefas deve respeitar o compartilhamento de recursos e comunicação entre tarefas

• Escalonador deve escolher a tarefa de acordo com critérios pré-estabelecidos (prioridade, deadline,...), dentre os processos prontos (ready) para executar

• Preempção pode ser utilizada para retirar um processo em execução e colocar outro mais prioritário.


Diagrama de Gantt


Tipos de Tarefas

• Periodicidade permite a formulação de modelos analítico para prever e

garantir os tempos de computação dentro de intervalos aceitáveis.

•

• Tarefas aperiódicas e esporádicas devem ser transformadas em tarefas

periódicas, mesmo que isto conduza a situações de utilização do

processador muito pessimistas.


Métodos de Escalonamento

• Não preemptivo/Cooperativo– Threads decidem voluntariamente quando parar

• Ex. First Come First Served

• Preemptivo– Serviço de uma tarefa pode ser suspenso temporariamente

em qualquer ponto e a qualquer instante.

• Prioridade fixa. Ex: “Round Robin”

• Prioridade variável. Ex: ”Earliest Deadline First”

Yield()


Não Preemptivo x Preemptivo

Prioridades Pa > Pb > PcPreemptivo


Algoritmos de Escalonamento para tarefas periódicas

• Não preemptivo:

– First Come First Serve

• Preemptivo

– Prioridade Fixa:

• Round Robin

• Análise Monotônica

– Taxa/Rate (RMA) >Prioridade para períodos menores

– Prazo/Deadline (DMA) >Prioridade para prazos

menores

– Prioridade dinâmica:

• Earliest Deadline First – Deadline mais perto

• Least Laxity First – Menor tempo para cumprir tarefa


First Come First Served- FCFS

• Escalonamento dinâmico não-preemptivo em que a ordem de execução dos serviços é determinada pela

ordem em que entram no estado PRONTO.

• Raramente utilizado em aplicações em tempo real, a não

ser como meio de desempate entre serviços de uma

mesma fila de prioridade em escalonadores mais

complexos.


Round Robin (Time Slicing)

• Escalonamento dinâmico preemptivo para tarefas de mesma prioridade semelhante ao FCFS no tratamento da ordem de execução dos serviços.

• No entanto, cada serviço recebe o controle do processador por um intervalo de tempo máximo Tq.

• Se o serviço não terminar dentro do intervalo Tq, será preemptido e terá que aguardar o próximo intervalo para continuar.

• Serviços podem ceder voluntariamente o controle do processador (Yielding) antes do final do seu intervalo de tempo.


Exemplo – Round Robin

Inicia depois


Round Robin

• Desempenho fortemente influenciado por:– Tempo Tq

– Tempo de execução das tarefas

– Nº de tarefas ativadas

• Resultado final entre dois extremos se comparado ao FCFS– Semelhante: Tq ≥ tempo de execução da tarefa mais demorada

Cdemorada

– Ineficiência total: Tq ≤ tempo de execução do mecanismo de preempção (Tpreempção).

τ Cdemorada

τ1

Tq

τ2

Tpreempção

Tq


Round Robin + Prioridades + CMSIS RTX

• Tarefas com maior prioridade executam até o

final de seu ciclo de vida (por ex. infinito)

• Caso seja necessário retirar a thread de

execução:– Ceder voluntariamente - Yield()- não funciona pois a tarefa

continua na vez de executar devido a prioridade

– Necessário forçar a thread a não fazer nada por meio de

delays ou aguardar recurso/eventos ou mudar sua prioridade.


Earliest Deadline First

• Seleciona o serviço com prazo terminando mais cedo dentre o conjunto de serviços que estão no estado PRONTO.

• Não-preemptivo: o serviço selecionado executa até o final, até entrar no estado SUSPENSO/BLOQUEADO ou até entrar voluntariamente no estado PRONTO.

• Preemptivo: o serviço pode ser preemptido por outro serviço com prazo terminando mais cedo.


Exemplo – EDF Preemptivo

EDF não-preemptivo não é adequado, devido a interferência de

serviços demorados com prazos longos em serviços recém-

chegados com prazos mais curtos


Least Laxity First

• Tempo de relaxamento: diferença de tempo

entre o prazo efetivo e o prazo estimado do

serviço.


Least Laxity First

• Prioridade determinada dinâmicamente, de modo que o serviço com menor tempo de relaxamento tenha a maior prioridade.

• Enquanto o serviço está no estado EXECUTANDO, seu prazo permanece inalterado.

• No entanto, quando está no estado PRONTO ou SUSPENSO/BLOQUEADO, seu prazo de termino estimado aumenta e portanto seu tempo de relaxamento diminui.

• Em algum momento no futuro será o serviço com maior prioridade.


Least Laxity First

• Quando duas ou mais tarefas possuem tempos

de relaxamento muito próximos, acontece um

efeito do tipo “pingue-pongue”, causando alto

número de preempções que afetam

negativamente o desempenho.

• Adequado para escalonamento preemptivo

apenas (pelas mesmas razões do método EDF).


Highest Priority First

• Determina a ordem de execução das tarefas

pela prioridade (pré-determinadas no projeto).

• Critérios:

– Importância e periodicidade das tarefas

• Prioridades estáticas pré-determinadas

– Análise Monotônica de Taxa - Rate (RMA)

• Prioridades maiores para serviços com períodos menores

– Análise Monotônica de Prazo – Deadline (DMA)

• Prioridades maiores para serviços com prazos menores


Taxa de Utilização do Processador

• A taxa de utilização do processador em uma

tarefa é seu tempo de computação Ci dividido

pelo seu período Ti.

• Teoricamente, um conjunto de n tarefas é

escalonável se a soma das taxas de utilização

de todas as tarefas for menor ou igual a um:

𝑖=1

𝑛𝐶𝑖𝑇𝑖≤ 1

• Na prática, somente sob certas condições:– Serviços devem encaixar-se perfeitamente em todas as

combinações de fase entre ativações


2

6+

3

12+

5

12= 1

Exemplo sem Prioridades

2/6

3/12

5/12

Taxa de

Utilização

1


1

3+1

5+

5

11= 0,988

Exemplo com Prioridades (RMA)

1/3

1/5

5/11

Taxa de

Utilização

0,988


Teorema 1 – Liu & Layland, 1973

• Seja um conjunto de n tarefas periódicas com

prazos iguais aos períodos e prioridades por RMA

em ambiente preemptivo.

• Liu & Layland (1973) estabelecem um limite

máximo U(n) para a taxa de utilização do

processador, que garante a escalonabilidade

deste conjunto de tarefas:

𝑖=1

𝑛𝐶𝑖𝑇𝑖≤ 𝑈 𝑛 = 𝑛 2 ൗ1 𝑛 − 1


Comportamento de U(n)

n tarefas

Não escalonável

Incerteza

Escalonável


Teorema 2 – Liu & Layland, 1973

• “Se um conjunto de tarefas periódicas e

independentes é ativado no mesmo instante, e

cada tarefa atende o seu primeiro prazo, então

todos os futuros prazos serão atendidos”.

• O teorema não condiciona o conjunto de

tarefas a RMA, sendo aplicável a qualquer

esquema de prioridades estáticas.


Exercício para entrega APS

• Seja um conjunto de tarefas J1, J2 e J3, com os

seguintes períodos (Ti) e tempos de computação

(Ci):

• Os prazos das tarefas são iguais aos respectivos

períodos e suas prioridades atribuídas por RMA.

TarefasTempo de

computação (C) us

Período (T) us

J1 200 600

J2 300 1000

J3 600 2000


Exercício para entrega APS

• Faça o escalonamento no intervalo de 0 a

6000us em intervalo de 100us.

• Pode-se afirmar que os períodos das tarefas são

harmônicos?

• Determine se este conjunto de tarefas é

teoricamente escalonável pelos seguintes

métodos:1. Taxa de utilização do processador

2. Rate Monotonic? Faça o escalonamento e verifique o

Limite U(n) do Teorema de Liu & Layland (1973) também.

Entregar o exercício em software de planilha como

Excel ou Calc (libre office) até dia S11 23/11, S12

23/12.


Escalonamento com Bloqueio

• Tarefas não são independentes portanto escalonamentos estudados até aqui não são válidos.

• Recursos compartilhados– Mutexes

– Semáforos

– Sincronização

• Problemas– Impasse de bloqueio (deadlock)

– Inversão de prioridades

• Soluções– Protocolo de herança de prioridade

– Protocolo de teto de prioridade


Impasse de Bloqueio (Deadlock)

S1

S2

S1 S2???


Inversão de Prioridades

No instante 17, a tarefa τ1 solicita a trava de S1 e, não

conseguindo, permanece bloqueada até que o recurso S1

seja liberado no instante 23.

S2 S2

S2

S1 S1

S1


Inversão de Prioridades

S2 S2

S2

S1 S1

S1

O tempo de bloqueio do recurso S1 é igual a 6, sendo fortemente influenciado pela interferência das tarefas τ2 e τ3 no tempo de resposta

da tarefa τ4

t=6


Mars Pathfinder – Inversão de Prioridade

• AGRAVANTE pois temporizador (watchdog) reiniciava o sistema

caso tg demorasse muito

Solução: HABILITAR flag de HERANÇA de PRIORIDADE!!


Priority Inheritance Protocol

• Sob o Protocolo de Herança de prioridade, uma tarefa possui:

– uma prioridade básica atribuída estaticamente

– uma prioridade ativa.

• A prioridade ativa de uma tarefa durante a seção crítica

que detém a trava de um recurso é igual ao máximo entre

sua prioridade básica e a maior prioridade ativa do

conjunto de tarefas bloqueadas que esperam pela

liberação do recurso.



- No instante 17 a tarefa τ1 requisita a trava do recurso S1, que está bloqueado pela

tarefa τ4;

- Tarefa τ4 herda a prioridade da tarefa τ1 e passa a ser executada

- Tarefa τ4, retoma sua prioridade original após a liberação do recurso em questão

prioridade

S1

S2



• CMSIS RTOS utiliza este método para os mutexes

• O Protocolo de Herança de Prioridade não

previne impasses de bloqueio e além disso pode

levar à formação de cadeias de bloqueio.


Priority Ceiling Protocol

• Extensão do PIP mas com regra sobre o acesso

aos recursos livres (para garantir que todos os

recursos necessários estão livres).

• É definido um teto (ceiling) de prioridade para

cada recurso igual à prioridade mais elevada de

entre as tarefas que o usam.

• Uma tarefa só pode tomar um recurso se este

estiver livre e se sua prioridade ativa for maior (>)

que o teto do sistema ou se detém a trava do

recurso que fixou o teto geral.


Priority Ceiling Protocol – Definição do teto

S1 tem teto de prioridade igual a 4(utilizado nas tarefas τ1 e τ4)

S1

S2 S2 tem teto de prioridade igual a 4(utilizado nas tarefas τ1 e τ2)



No instante 13 a tarefa τ4 obtém a trava do recurso S1 e o

teto geral passa para o teto de prioridade desse recurso

S1

S2

S1

S1



No instante 15 a tarefa τ2 requisita a trava do recurso S2 e não consegue,

pois sua prioridade não é maior que o teto geral.

A prioridade ativa da tarefa τ4 passa para o máximo das prioridades ativas

das tarefas τ2 e τ4 (3), envolvidas com o recurso em questão.

S1

S1



No instante 17 a tarefa τ1 requisita a trava do recurso S1 e não consegue,

pois sua prioridade ativa não é maior que o teto geral;

A prioridade ativa da tarefa τ4 passa para o máximo das prioridades

ativas das tarefas τ1 e τ4, envolvidas com o recurso em questão

S1



No instante 19 a tarefa τ4 libera o recurso S1 e sua prioridade ativa volta

para a sua prioridade básica;

O teto geral passa momentaneamente para 0

S1

S1



Ainda no instante 19 a tarefa τ1 obtém a trava do recurso S1

O teto geral passa para o teto de prioridade do recurso em questão

S1

S1



No instante 20 a tarefa τ1 libera o recurso S1 e sua prioridade ativa

volta para a sua prioridade básica (neste caso, a mesma);

O teto geral passa momentaneamente para 0

S1

S1



Ainda no instante 20 a tarefa τ1 obtém a trava do recurso S2

O teto geral passa para o teto de prioridade do recurso em questão



O que acontece nos instantes 15 e 17 previne impasses de bloqueio!

Não é permitindo que outros recursos com teto de prioridade <= ao

teto geral (recurso S2 nesse exemplo) sejam travados.


Resumo

• Escalonamento de tarefas periódicas/independentes

– Não preemptivo: First Come First Serve

– Preemptivo:

• Prioridade Fixa:

– Round Robin

– Análise Monotônica (Liu & Layland)

» Taxa/Rate (RMA) >Prioridade para períodos menores

» Prazo/Deadline (DMA) >Prioridade para prazos menores

• Prioridade dinâmica:

– Earliest Deadline First – Deadline mais perto

– Least Laxity First – Menor tempo para cumprir tarefa

• Escalonamento com bloqueio

– Problemas: Inversão de Prioridade/Deadlock

– Protocolo de Herança de Prioridade

– Protocolo de Teto de Prioridade


Considerações Suplementares

• Escalonamento de tarefas Esporádicas /Aperiódicas

– Algumas técnicas:

• “Background Service” – Tarefas executadas quando

processador esta ocioso

• “Polling Server (PS)” – Tarefa periódica extra de baixa

prioridade usada como servidor de para as tarefas

aperiódicas

• “Deferrable Server”/“Sporadic Server”- Tarefa periódica

de alta prioridade para servir pedidos aperiódicos.


Referências

• Luguesi, J. L., Ambiente de Apoio ao Ensino e

Aprendizado do Escalonamento em Sistemas em Tempo Real. Dissertação de Mestrado, UTFPR, 2006– Capítulos 2 e 3, especialmente

• Liu, C. L.; Layland, J. W., Scheduling Algorithms for

Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment.

Journal of the Association for Computing Machinery

20(1), pp. 46-61, 1973

• Sha, L.; Rajkumar, R.; Lehoczky, J. P., Priority

Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization. In IEEE Transactions on Computers

39(9), pp. 1175-1185, 1990


Prática (pré-requisitos)

• Verificar se o arquivo RTX_Conf_CM.c está com OS_TICK correto e

RoundRobin habilitado em 5ms.

• Verificar se a configuração da library está em SWO (caso

contrário printf não funciona de forma correta).


Prática (pré-requisitos)

• Adicione um novo grupo chamado

“examples_scheduling” para prática.


Prática parte 1

Baixar arquivo example_scheduler.c

• Execute o programa e verifique seu funcionamento.– Verifique pelos printfs quanto tempo cada thread tem para

executar e desenhe um gantt manualmente.

– Altere o parâmetro OS_ROBINTOUT para 15 e verifique o que acontece.

– Faça o job1 entregar (Yield) a tarefa antes (como se elativesse menos tempo)

– Desabilite o OS_ROBIN e rode o programa, o que acontece? Qual o tipo de escalonamento utilizado? Como fazer o programa alternar entre as tarefas, implemente. Adicionar threadYield ou delay (o 1º é mais eficiente)

• Volte as configurações originais, mas troque o while(tC>0) no job1 por while(1) e aumente a prioridade do job1. O que acontece?– Tente o método Yield para entregar a tarefa.

– Tente o método osDelay para entregar a tarefa.

– Que diferença você nota?


Prática parte 2

Baixar arquivo example_scheduler_mutex_isr.c

• Execute o programa e verifique seu

funcionamento.– No job3 faça com que o loop interno que imprime “crítico”

não seja preemptido.

– Qual a solução empregada?

• Coloque um breakpoint no código da ISR, rode o

programa e aperte o joystick aleatoriamente– A ISR tem que prioridade? Ela influencia nos printfs?

– Proteja a região crítica que imprime desabilitando/habilitando

as interrupções.

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