Tesina per l esame di Sistemi Operativi a cura di Giuseppe Montano. Prof. Aldo Franco Dragoni

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1 Sistemi operativi real time basati su Linux: gestione delle risorse e dei processi. Tesina per l esame di Sistemi Operativi a cura di. Prof. Aldo Franco Dragoni Corso di laurea in Ingegneria Informatica e dell Automazione. Settembre

2 Gestione dei processi e scheduling Settembre

3 I processi in Linux Definizioni di Processo: istanza di un programma in esecuzione collezione di dati che descrive lo stato di esecuzione di un programma. fork() Processo Processo (Heavyweight) vfork() Processo Lightweight clone() Thread Process Descriptor Kernel Mode Process Stack 8 Kbyte Doubly Linked Lists PD PD PD PD Settembre

4 Vita dei processi in Linux Ogni processo ha una vita (nascita, sopravvivenza, morte) e una parentela (viene generato da un padre ed eventualmente genera uno o più figli). Avvio del sistema Creazione Processo 0 (Swapper Process) Creazione Processo 1 (INIT Process) Creazione altri processi State PID PROCESS DESCRIPTOR Possibili stati di un processo: TASK_RUNNING TASK_INTERRUPTIBLE TASK_STOPPED TASK_ZOMBIE Process IDentifier ( ) Settembre

5 Spazio degli indirizzi di un processo Definizione di Spazio degli indirizzi di un processo: insieme di tutti gli indirizzi lineari che tale processo e autorizzato ad utilizzare. Linux rappresenta intervalli di indirizzi lineari attraverso strutture chiamate Regioni di memoria (multiple delle Page Frames) Regione di memoria Indirizzo lineare Diritti di accesso Lunghezza Page Frames (4096 bytes ognuna) Allocazione tramite demand paging (heap) e Copy on Write! Le informazioni relative alle Regioni di memoria vengono mantenute dai Memory Descriptors ordinati in Doubly Linked Lists o Red-Black trees. Settembre

6 Il Process Switch Per poter controllare l esecuzione dei processi il kernel deve essere in grado di sospendere l esecuzione di un processo in corso di svolgimento e intraprendere l esecuzione di un altro processo (che magari era stato interrotto precedentemente). Questa attività prende il nome di process switch. In realtà un process switch non fa altro che cambiare lo stato delle cose tra una esecuzione ed un altra in modo da lasciare il sistema, ogni volta, in uno stato coerente: questo stato delle cose prende il nome di hardware context. Il process switch è uno dei rarissimi casi in cui Linux fa uso della segmentazione. L architettura 80x86 infatti fornisce un specifico segmento riservato al process switch: il TSS (Task State Segment). Prima del kernel 2.4 il process switch veniva implementato in hardware attraverso la funzione di CPU far jmp ; dal 2.4 in poi viene implementata in software in quanto i tempi sono identici ma con il nuovo metodo si può avere maggior controllo sulle operazioni. Settembre

7 Processi in real time Nel real time si fa un largo utilizzo dei thread perche sono molto piu leggeri da gestire dei processi ordinari (RTAI ha la specifica API per la creazione di thread rt_task_init() ). RT Thread Periodico Il task viene eseguito a intervalli regolari One-shot Il task viene eseguito un unica volta in un preciso istante In associazione alle tasklet si usano per eseguire le Deferred Service Routines E regola generale che tutte le operazioni di configurazione (creazione, distruzione,...) di un processo vengano eseguite prima dell esecuzione real time! Settembre

8 Spazio d esecuzione real time Ipotesi 1: ogni processo viene dotato della propria porzione di memoria fisica in modo da avere adeguata protezione e velocita d esecuzione. Errata perche utilizza eccessivamente il TLB e i cambi di livello invalidando i guadagni di cui sopra. Ipotesi 2: tutti i processi real time vengono eseguiti in un unico spazio di memoria riservato appositamente (in modo da evitare l eccessivo utilizzo del TLB e i continui cambi di livello). Errata perche un bug in un processo real time puo compromettere l esecuzione di tutti gli altri. Ipotesi 3: tutti i processi real time vengono eseguiti in Kernel Mode. Corretta. Settembre

9 Lo Scheduling L insieme delle regole usate per determinare quando e come selezionare un processo per assegnargli la CPU forma la politica di scheduling di un sistema operativo. Bisogna distinguere tra: Scheduling Dispatching Determina l ordine e il timing con cui un processo viene lanciato. avvia e interrompe ogni task (implementa lo scheduling) Settembre

10 Scheduling in Linux Lo scheduling di Linux si basa sulla divisione di tempo (time sharing): i processi vengono eseguiti in multiplazione di tempo perche ogni epoca viene divisa in quanti. Prima dell inizio di ogni epoca l algoritmo calcola il base time quantum che poi viene variato in base a calcoli sulle priorita (che in Linux sono dinamiche). crediti = crediti/2 + priorità Epoca task 1 task 2 task 3 task 4 quanti La funzione schedule() implementa lo scheduling. La nice() viene utilizzata per cambiare il livello di priorita di un processo. Array dei processi che hanno usato il quanto Fine epoca Scambio dei puntatori Array dei processi che NON hanno usato il quanto Array dei processi che NON hanno usato il quanto Array dei processi che hanno usato il quanto Settembre

11 Scheduling real time Caratteristiche di uno scheduler real time: deve essere basato sulle priorita nel caso in cui le priorita siano dinamiche, la priorita dei processi real time non deve diminuire col trascorrere del tempo la latenza di dispatch deve essere piu esigua possibile Soluzione preferita Soluzioni possibili Kernel preemptable Punti di prelazione possibilmente deve essere dotato del Protocollo di ereditarietà delle priorità. Settembre

12 Inversione di priorita nel Mars PathFinder Sezione non critica Sezione critica Lock Unlock J1: bs_dist Lock J2: processo a priorita media Unlock J3: ASI/MET t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 Settembre

13 Soluzione al problema Il problema di inversione delle priorità fu risolto applicando il Protocollo di ereditarietà delle priorità. Sezione non critica Lock Sezione critica unlock J1: bs_dist Lock J2: any medium priority process unlock J3: ASI/MET t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 Settembre

14 Algoritmi di scheduling di RTAI Algoritmi supportati da RTAI Static Priority Based FIFO Round Robin (RR) Rate Monotonic (RM) Earliest Deadline First (EDF) Scelta di default di RTAI. Le priorità sono statiche e i task seguono la legge FIFO, la CPU viene assegnata al task che arriva per primo. Priorità variabile basato sulla divisione di tempo. Detto circolare. E dotato di capacità di prelazione per la commutazione dei processi. La priorità di un task aumenta in maniera proporzionale al numero di volte che deve essere riattivato prima che termini propria esecuzione. La priorità di un task aumenta man mano che si avvicina alla sua terminazione (deadline). In caso di presenza contemporanea di processi che usano diversi algoritmi, RTAI da la precedenza ai task che utilizzano l EDF. La scelta dell algoritmo è compito del programmatore! Inseriti appositamente per gestire i processi real time! Settembre

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