Informazioni varie. Sistemi Operativi Real Time. Definizioni generali. Scopo del corso. Schema a blocchi. Schema a blocchi dettagliato

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1 Sisemi Operaivi Real Time Giorgio Buazzo Informazioni varie Sisemi in Tempo Reale Giorgio Buazzo Piagora Edirice, 2000 ReTiS Lab Scuola Superiore San Anna Alro: Esame: hp://feanor.sssup.i/~giorgio/ prova scria all orale 2 Scopo del corso Sudiare ecnologie e meodologie informaiche per la gesione di sisemi di conrollo complessi. Non ci occuperemo di come conrollare un sisema, ma di come fornire ad esso un supporo di elaborazione adeguao. Definizioni generali In ogni applicazione di conrollo si possono disinguere 3 componeni: il sisema da conrollare può includere sensori e auaori il conrollore invia gli ingressi al sisema in funzione di un obieivo di conrollo prefissao l ambiene in cui il sisema opera 3 4 Schema a blocchi Schema a blocchi deagliao Conrollore Sisema Ambiene Conrollore Sisema feedback sao inerno auaori sensori Ambiene Elaborazione sensoriale Preprocesso dai sao eserno 5 6 1

2 compuer Visione Sofware Tipologie di sisemi di conrollo A seconda delle inerazioni ra ambiene e sisema conrollao, possiamo disingurere re ipi di sisemi: D/A auaori Ambiene Sisemi di monioraggio non hanno apparai di auazione non modificano l ambiene Processo (ask) A/D sensori Risorsa 7 Esempi rilevazione dai ambienali sisemi di sorveglianza conrollo del raffico 8 Sisemi di conrollo ad anello apero modificano l ambiene, ma le azioni non dipendono dallo sao correne, ma sono preprogrammae Esempi robo per la verniciaura robo per la movimenazione di pezzi Sisemi di conrollo con feedback esise una srea relazione ra informazione sensoriale e auazione Esempi conrollori per impiani chimici o nucleari sisemi di difesa miliari sisemi di regolazione di volo robo evolui esseri viveni 9 10 Alre applicazioni Conrollo di cenrali chimiche/nucleari Conrollo cenraline auomobili Sisemi mulimediali Piccoli sisemi embedded cellulari TV digiale videogiochi giocaoli inelligeni 11 Sisemi Real Time Sisema RT x () y (+ ) Ambiene L inerazione srea con l ambiene impone che il sisema reagisca agli eveni enro precisi vincoli emporali. I vincoli emporali sono imposi dalle cosani di empo con cui evolvono gli eveni nell ambiene. 12 2

3 Definizione Generale Sisema RT x () y (+ ) Ambiene La correezza di funzionameno dipende non solo dai dai inviai in uscia, ma anche dal empo in cui sono prodoi. REALE significa che il empo del sisema deve essere sincronizzao con il empo dell ambiene. 13 Tipica obiezione ai sisemi RT Non vale la pena sudiare i sisemi RT, poiché nel fuuro i compuer saranno così veloci da gesire qualsiasi vincolo emporale. Risposa Per quano veloce sia un compuer occorre sempre dimosrare che i vincoli emporali di ogni aivià siano rispeai. Il es del sisema non è sufficiene. 14 Real-Time Veloce La velocià è un conceo relaivo: un sisema considerao veloce in cere condizioni porebbe non esserlo in alre. Velocià vs. Prevedibilià L obieivo di un sisema RT è quello di garanire il comporameno emporale individuale di ciascun ask. L obieivo di un sisema veloce è quello di minimizzare il empo di risposa medio di un insieme di ask. Ma 15 Diffidae della media quando dovee garanire vincoli individuali sulla performance 16 Sorgeni di non deerminismo Archieura cache, pipelining, inerrups, DMA Sisema Operaivo scheduling, sincronizzazione, comunicazione Linguaggio Mancanza di un supporo esplicio per la specifica di vincoli emporali Design mehodologies Mancanza di meodologie di analisi e verifica 17 Problemi di progeo Carenza di meodologie di progeo che engano cono dei vincoli emporali. Carenza di meccanismi di nucleo ai alla gesione di processi con vincoli emporali. Spesso, per soddisfare i requisii emporali imposi dal sisema si uilizzano meodi empirici e soluzioni ad hoc. 18 3

4 Soluzioni empiriche Programmazione a basso livello (assembler) Temporizzazione imposa mediane imer (hardware e sofware) Svanaggi 1. Programmazione laboriosa e foremene dipendene dall abilià del programmaore 2. Scarsa comprensibilià del codice Elaborazione mediane driver Manipolazione delle priorià dei processi Comprensibilià 1 efficienza Un programma C efficiene in a[1817]; main(z,p,q,r) { for(p=80;q+p-80;p-=2*a[p]) for(z=9;z--;) q=3&(r=ime(0)+r*57)/7,q=q?q-1? q-2?1-p%79?-1:0:p%79-77? 1:0:p<1659?79:0:p>158?-79:0, q?!a[p+q*2]?a[p+=a[p+=q]=q]=q :0:0; for(;q ;) prinf(q%79?"%c":"%c\n"," Û"[!a[q-1]]); } 21 Svanaggi 3. Complicaa manuenzione dei programmi 4. Difficile verifica dei vincoli emporali Scarsa affidabilià 22 Alri incideni dovui al SW LEM lunar landing (ask overrun) Primo volo Space Shule (synch) Ariane 5 (overflow) Airbus 320 (car ask) Airbus 320 (holding ask) Pahfinder (rese for imeou) Lezioni apprese I es, sebbene necessari, forniscono solo una verifica parziale. Maggiore prevedibilià sul funzionameno si può oenere adoando: opporune meodologie di progeo srumeni per l analisi del codice specifici meccanismi di nucleo assunzioni pessimisiche sul sisema

5 Definizioni Processo (o ask) sequenza di isruzioni che in assenza di alre aivià viene eseguia dal processore in modo coninuaivo fino al suo compleameno. Sai di un ask Un ask si dice: ATTIVO: se può essere eseguio dalla CPU; BLOCCATO: se è in aesa di un eveno; reques ime sar ime finishing ime ask r i s i f i Un ask aivo può essere: IN ESECUZIONE: se sa usando la CPU; PRONTO: se è in aesa della CPU Ready Queue I ask proni sono manenui in una coda di aesa, dea ready queue (coda proni); La sraegia per scegliere il ask prono da eseguire sulla CPU è dea algorimo di scheduling. acivaion dispaching erminaion CPU τ 3 Ready queue Scheduling Un algorimo di scheduling si dice: preempive: se il ask in esecuzione può essere emporaneamene sospeso in coda proni per eseguire un ask più imporane. non preempive: se il ask in esecuzione non può essere sospeso fino al suo compleameno Transizioni di sao BLOCKED signal wai dispaching acivaion erminaion READY RUNNING Schedulazione Una schedulazione è un paricolare assegnameno dei ask al processore. Dao un insieme di ask Γ = {,, τ n }, una schedulazione è una funzione σ : R + N ale che R +, 1, 2 : [ 1, 2 ) e [ 1, 2 ) : σ() = σ( ) preempion σ() = k > 0 se τ k è in esecuzione 0 se il processore è idle

6 idle σ() Esempio τ 3 idle Negli isani 1, 2, 3, e 4 si ha una commuazione di coneso. L inervallo [ i, i+1 ) in cui σ() è cosane si dice ime slice. Schedulazione preempive τ 3 σ() Real-Time asks Alri parameri r i reques ime (arrival ime a i ) s i sar ime C i wors-case execuion ime (wce) d i absolue deadline D i relaive deadline finishing ime f i D i C i r i s i f i d i 33 c i () slack r i s i f i d i Response ime: R i = f i r i Laeness: L i = f i d i Tardiness: max(0, L i ) Residual wce: c i () c i (r i ) = C i Laxiy (o slack): d i c i () 34 Jier Alri ipi di Jier E la variazione emporale di un eveno periodico Finishing-ime Jier f i,1 f i,2 f i,3 Assoluo: max (f i,k r i,k ) min (f i,k r i,k ) k k Relaivo: max (f i,k r i,k ) (f i,k-1 r i,k-1 ) k Sar-ime Jier s i,1 Compleion-ime Jier s i,2 s i,3 s i,1 s i,2 s i,3 f i,1 f i,2 f i,

7 Criicià Task HARD Il superameno di una deadline può causare effei caasrofici sul sisema. Task SOFT Il superameno di una deadline causa solo un degrado delle presazioni. Un sisema in operaivo grado di garanire in grado la di gesione gesire processi di ask hard è si deo dice hard real-ime. kernel Tipici processi hard acquisizione sensoriale conrollo di basso livello pianificazione senso-mooria Tipici processi sof inerpree comandi uene visualizzazione messaggi ingesso dai da asiera Modalià di aivazione Time driven: ask periodici il processo viene aivao auomaicamene dal sisema ad inervalli regolari Even driven: ask aperiodici il processo viene aivao all arrivo di un eveno oppure mediane invocazione esplicia della primiiva di aivazione. 39 (C i, T i, D i ) C i Task periodici r i1 r i,k+1 = Φ i =r i,k + T i r i,1 = Φ i r i,k r i,k+1 r i,k = Φ i + (k 1) T i spesso d i,k =r i,k + D i D i = T i T i 40 Task Aperiodici Aperiodico: r i,k+1 >r i,k Sporadico: r i,k+1 r i,k + T i C i r i,1 r i,k r i,k+1 Tipo di vincoli Vincoli Temporali aivazione, compleameno, jier. Vincoli di Precedenza impongono un ordinameno nell esecuzione. Vincoli su Risorse impongono una sincronizzazione nell accesso a risorse muuamene esclusive

8 Vincoli Temporali Possono essere esplicii or implicii. Vincoli emporali esplicii Sono inclusi direamene nella specifica delle aivià di un sisema. Esempi apri la valvola fra 10 secondi spedisci la posizione enro 40 ms leggi l alimero ogni 200 ms Vincoli emporali implicii non compaiono nella specifica di un sisema, ma devono essere rispeai per soddisfarne i requisii. Esempio Qual è la validià emporale di un dao sensoriale? 0? Vincoli di precedenza A vole i ask devono essere eseguii rispeando delle relazioni di precedenza specificae da un Grafo Direo Aciclico: τ 3 predecessore τ 4 immediao predecessore τ 4 τ 5 τ1 45 Vincoli su Risorse Per avere consisenza dei dai, le risorse condivise devono essere accedue in muual exclusion: τ W τ W τ R x = 1 y = 8 x=1 x = 3 y = 5 read y=8 x = 1 y = 5 τ R 46 Muua esclusione Tuavia, la muua esclusione inroduce riardi: τ W τ W τ R x = 1 y = 8 x = 1 x = 3 y = 5 y = 8 read x = 1 y = 8 τ R 47 P1 P2 P3 Anomalie di Schedulazione T 1: 3 T 2: 2 T 3: 2 T 4: 2 T 1 T 2 T 3 T 4 T 9: 9 T 8: 4 T 7: 4 T 6: 4 T 5: 4 T 9 prioriy Pi > Pj i < j T 5 T 7 r = 12 T 6 T

9 Maggiore poenza di calcolo Tasks più piccoli T 1: 3 T 9: 9 T 2: 2 T 3: 2 T 4: 2 T 8: 4 T 7: 4 T 6: 4 T 5: 4 T 1: 2 T 9: 8 T 2: 1 T 3: 1 T 4: 1 T 8: 3 T 7: 3 T 6: 3 T 5: 3 P1 P2 P3 P4 T 1 T 2 T 5 T 3 T 6 T 4 T 7 T 8 T r = P1 P2 P3 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T r = Meno vincoli Processore più veloce T 1: 3 T 4: 2 T 7: 4 T 2: 2 T 5: 4 T 8: 4 T 3: 2 T 6: 4 T 9: 9 P1 P2 T 1 T 2 T 6 T 7 T 9 double speed deadline miss P3 T 3 T 4 T 5 T r = Aenzione alla DELAY delay( ) può causare un riardo maggiore di. Riassumendo I es non sono sufficieni alla garanzia. Soluzioni inuiive spesso non funzionano. Non inserire riardi in ask real-ime delay(2) blocked Approaccio sicuro: uso di meccanismi prevedibili analisi della faibilià

10 Come oenere la prevedibilià Il sisema operaivo è il maggior responsabile per oenere una prevedibilià. Il conrollo della concorrenza dipende da: algorimi di scheduling proocolli di sincronizzazione meccanismi di comunicazione gesione delle inerruzioni 55 10