Sistemi e schedulazione in tempo reale

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1 Sistemi e schedulazione in tempo reale 1

2 Sistemi in tempo reale Sistemi di calcolo in cui la correttezza del funzionamento dipende criticamente dal tempo in cui i risultati sono prodotti. Possibili campi applicativi: (. etc regolazione di impianti industriali (chimici, nucleari controllo di processi controllo di volo, di traffico etc. sistemi di telecomunicazioni sistemi militari sistemi spaziali realtà virtuale Robotica Sistemi di monitoraggio medico Sistemi di controllo nell auto: sistema ABS e controllo elettronico del motore Come assicurare che il sw sia corretto? 1 problema: test del SW! 2 problema: progetto del sistema à assunzioni pessimistiche 3 problema: empiricità 4 problema: codice molto spesso Assembly 2

3 Sistemi in tempo reale Perché Tempo Reale? Tempo: la validità dei risultati dipende dal tempo di servizio Reale: la risposta agli eventi esterni deve avvenire durante l evolversi dell evento stesso Il tempo di sistema deve essere misurato secondo un riferimento temporale che dipende dall ambiente Esempio: sistemi biologici. Introducendo eventi con costante di tempo più bassa à pericolo! Ogni sistema RT deve essere studiato nell ambiente effettivo di lavoro La caratteristica più importante di un sistema RT non è la velocità, ma la prevedibilità! La differenza principale tra un processo RT ed un processo NON ( processo RT è la Deadline (= tempo massimo di fine In un sistema RT, un risultato prodotto oltre la deadline è dannoso 3

4 Sistemi in tempo reale Esempi: 4

5 Sistemi in tempo reale TIPI DI PROCESSI RT Hard RT: se il superamento della deadline è catastrofico. Es.: acquisizione dati asservimento pianificazione azioni controllo automatico Soft RT: se il superamento della deadline non è catastrofico ma sopportabile. Es.: Interpretazione comandi utente Visualizzazione messaggi ASPETTI FONDAMENTALI: SCHEDULING ç ACCESSO A RISORSE GESTIONE SOVRACCARICHI COMUNICAZIONE TRA PROCESSI 5

6 Sistemi in tempo reale Riassumendo: TR vs NTR: vincoli temporali, ambiente dinamico. Un sistema in tempo reale è quindi: stimolo esterno à elabora entro un tempo finito e specificato ogni sistema nel quale è importante il tempo di term. movimento nel mondo fisico à l uscita è relativa allo stesso movimento. La differenza tra l istante dell evento di ingresso e l istante dell evento d uscita è la prontezza del sistema. 6

7 Sistemi Soft Real time e Hard Real Time Deadline: l istante nel quale deve essere terminata l esecuzione. distinzione a seconda del risultato della risposta Può essere accettata una risposta oltre la deadline. Il tempo di risposta è importante ma non cruciale. Hard deadline: se i dati arrivano tardi rispetto alla deadline sono sbagliati e come tali non possono essere accettati. Soft deadline: se i dati arrivano tardi rispetto alla deadline possono essere ancora utilizzati 7

8 Sistemi Soft Real time e Hard Real Time Sistemi Hard Real-Time: i processi hanno delle deadline assolutamente rigorose; Sistemi Soft real-time: i processi hanno delle deadline non rigorose; Alcuni sistemi hanno sia deadline soft che hard: una deadline può non essere soddisfatta se Le prestazioni medie sono sufficienti in ogni istante Ogni deadline viene comunque sodddisfatta entro un certo intervallo temporale. Un sistema si dice schedulabile se tutte le richieste di schedulazione sono soddisfacibili 8

9 Sistemi Soft Real time e Hard Real Time Rispettare le deadline: Non Real-time Soft Real-time Hard Real-time Simulazioni software Interfaccia utente Video su internet Telecom appl. Streaming Controllo elettronico di un motore Sistema di controllo di un missile 9

10 Sistemi Soft Real time e Hard Real Time Esempi: Sistema di controllo di un aereo da combattimento Le informazioni ambientali devono essere fornite al pilota immediatamente. I comandi dati dal pilota devono essere eseguiti immediatamente Sistema di monitoraggio di un paziente Per esempio una macchina che monitorizza il battito cardiaco: è sufficiente conoscere la frequenza del battito entro un secondo e non entro un millisecondo dalla misura Sistema di presentazione multimediale Questo sistema può essere considerato un sistema in tempo reale. Tuttavia non è necessario che tutte le deadline siano assolutamente soddisfatte, ma è sufficiente che la maggior parte sia soddisfatta 10

11 Sistemi Soft Real time e Hard Real Time Proprietà Non R T Soft R T Hard R T Deterministico No Possibilmente Sì Predicibile No Possibilmente Sì Effetto del non Non ha Degrado Fallimento Soddisfacimento effetto prestazioni delle deadline Affidabilità nei compiti critici No Sì Sì 11

12 Proprietà dei sistemi in tempo reale Controllano e monitorizzano processi fisici entro limiti temporali. Sono affidabili per lunghi periodi. Non richiedono intervento umano diretto. Operano sotto vincoli più severi dei sistemi normali, di uso generale. Devono operare con la minima memoria ed il minimo supporto hardware. Più difficili da sviluppare e correggere. Non usano memoria di massa. Non hanno il display o la tastiera tradizionali. 12

13 Caratteristiche dei sistemi in tempo reale Tipicamente possono essere Sistemi embedded : un componente di un sistema hardware/software più ampio Sistemi concorrenti: il sistema controlla simultaneamente e/ o reagisce ad aspetti differenti dell ambiente. Sistemi sicuri: non sono solo affidabili ma anche sicuri se il fallimento della esecuzione non provoca danni a persone o cose. Tipicamente lo sviluppo di sistemi sicuri richiede la ridondanza. Sistemi reattivi: c è una continua interazione con l ambiente, che fornisce eventi ai quali il sistema reagisce. La risposta del sistema è tipicamente dipemdemte dallo stato. 13

14 Caratteristiche dei sistemi in tempo reale Prontezza del sistema: descrive come il sistema soddisfa i vincoli temporali Risposta agli eventi esterni: un sistema in tempo reale ha lo scopo principale di rispondere agli eventi esterni, che sono tipicamente non predicibili Correttezza e robustezza Concorrenza: capacità di eseguire simultaneamente diverse azioni. Problemi coinvolti: schedulazione modalità di arrivo sincronizzazione accesso alle risorse condivise 14

15 Modalità dell arrivo dei processi Gli arrivi possono essere periodici o aperiodici. Un arrivo periodico implica che il thread viene re-inizializzato a periodi fissi (più o meno piccole variazioni (jitter)) à task periodici Un arrivo aperiodico non avviene a periodi fissi ma in istanti casuali. La temporizzazione può essere: Irregolare gli interarrivi sono variabili e non predicibili. Impulsivo gli interarrivi sono costituiti da gruppi dove un arrivo è vicino all altro. Ad intervallo limitato esiste un intervallo minimo tra gli eventi. Raggruppati intorno ad una media. casuale gli interarrivi possono essere previsti su base statistica Le differenti modalità di arrivo devono essere trattate con diversi meccanismi. 15

16 Comunicazione tra thread e modalità di chiamata dei metodi Comunicazione mediante messaggi. Durante la loro esecuzione i thread possono chiamare metodi in diversi modi: Chiamate sincrone: gli oggetti chiamano direttamente i metodi di altri oggetti entro lo stesso thread. Chiamate asincrone: gli oggetti di un thread inviano un messaggio di chiamata ad un altro thread e continuano senza aspettare. Il thread chiamato gestisce il messaggio quando può farlo. Chiamate bloccanti: il thread chiamante aspetta che il thread chiamato risponda. Chiamate a tempo: il thread chiamante aspetta la risposta del thread chiamato per un tempo specificato. Chiamata a polling: se il thread chiamato non è immediatamente disponibile, il thread chiamante non aspetta la risposta e fa altre cose. È importante identificare la modalità di chiamata per soddisfare le deadline. 16

17 Prevedibilità La prevedibilità di un sistema rappresenta la bontà con la quale si possono conoscere le sue risposte in anticipo. È cruciale per i sistemi altamente affidabili e per i sistemi critici per quanto riguarda la sicurezza. Per determinare la prevedibilità si possono usare: Tecniche di analisi statica, Algoritmi semplici di controllo dei task, per esempio mediante la disabilitazione della concorrenza, Mediante l uso di oggetti che rappresentano i task e identificano le prestazioni dei task. Ci sono due aspetti della prevedibilità: schedulabilità e memoria. 17

18 Prevedibilità Memoria statica Memoria Stack le variabili locali e gli indirizzi di ritorno. Memoria Heap La maggior parte dei getsori della memoria heap non hanno un tempo di allocazione costante o conosciuto, perchè devono analizzare la memoria disponibile. L allocazione non è predicibile e qualche deadline può essere superata. La frammentazione della memoria peggiora le cose. Soluzione comune strutturare la memoria heap per blocchi di memoria di dimensione fissa. Qualche possibilità: memoria stack stabile e scrivibile memoria heap volatile memoria stack stabile a sola lettura 18

19 Prevedibilità La prevedibilià della memoria rappresenta la memoria utilizzata e la sua persistenza Memoria utilizzata: Memoria usata per il codice eseguibile Memoria usata per i dati: stack, heap, variabili statiche. Persistenza della memoria: Memoria stabile a sola lettura Memoria stabile riscrivibile Memoria volatile 19

20 Sistemi distribuiti Sistemi in tempo reale di ampie dimensioni possono essere distribuiti su diversi processori. Qualche volta nello stesso calcolatore e qualche volta in calcolatori diversi. Questi sistemi hanno diversi problemi, quali ad esempio: coordinazione e sincronizzazione di processi su diversi processori processo di bootstrap comunicazione tra processi sincronizzazione della base dei tempi 20

21 Tolleranza ai guasti e sicurezza Spesso i sistemi in tempo reale devono essere affidabili. Deve essere assicurata non solo l affidabilità ma anche la sicurezza Lo sviluppo di sistemi sicuri coinvolge la ridondanza architetturale 21

22 Interfacciamento hardware a basso livello Sviluppo di sistemi real-time: necessità di gestione delle interfacce hardware a basso livello, cioè la generazione di driver Le componenti hardware e i dispositivi richiedono spesso di sviluppare dei driver opportuni. Questi driver devono interfacciarsi con il sistema operativo in tempo reale. Qualche volta l efficienza della modalità di gestione dei dispositivi è cruciale per le prestazioni del sistema. 22

23 Sviluppo dei sistemi embedded Di solito i sistemi embedded vengono svliluppati usando strumenti software che girano su calcolatori separati. L applicazione eseguibile verrà quindi eseguita su un differente calcolatore. Lo sviluppatore deve usare cross-compilatori, simulatori e srumenti simili. Qualche volta l ambiente di esecuzione non ha strumenti sofisticati di debug. L ambiente di sviluppo d altra parte non è in grado d altra parte di gestire tutti gli strumenti nell ambiente di esecuzione. Qualche volta l ambiente di esecuzione è composto da hardware speciale che non è presente nel calcolatore di sviluppo e deve quindi essere simulato. 23

24 Sviluppo dei sistemi embedded Qualche volta il sistema finale non ha un display sul quale visualizzare gli errori del programma o i messaggi diagnostici. Qualche volta il sistema finale usa un Sistema Operativo diversi dal calcolatore di sviluppo. Di solito il sistema finale è prodotto in piccola quantità ed è usato sia per lo sviluppo hardware che per lo sviluppo del software. Questo sviluppo concorrente aggiunge alla difficoltà dello sviluppo software la difficoltà della integrazione hardware e software. Le differenze tra lo l ambiente di sviluppo e l ambiente di esecuzione aggiunge quindi tempo, difficoltà e rischi nello sviluppo. Spesso lo sviluppatore deve progettare e scrivere software per un hardware che ancora non esiste. 24