Tosiaikajärjestelmät Luento 12: Kertaus

Transkriptio

1 Tosaajärjestelmät Luento 12: Kertaus Tna Nlander Kevät 2006 Kurssn raenne: ylesuva... Johdanto (Lu 1-3) Jasollsuus ja jasotettavuus (Lu 7) Resursst (Lu 8) Sanomen vuorotus verossa (Lu 11) Monprosesst (Lu 9) Tosaatetoannat RM & EDF (Lu 4-6) Mallnnus ja mttaamnen Luotettavuus ja turvallsuus RT-protoolla (Lu 11 osttan) Tosaaj:t (Lu 12 osttan) Kertaus 1

2 Tosaajärjestelmen luottelu Kovat (hard) { Ana tomva (fal operatonal) Ana turvallnen (fal safe) Lennonohjaus Junen ohjaus, esm. Semafort Tosaajärj. { Pehmeät (soft) { Suur saatavuus (hgh avalablty) Suur eheys (hgh ntegrty) Telepalvelut (puhelun vältys) Panpalvelut r(t) Ohjausjärjestelmän mall A / D A / D y(t) r y Sensor ontrolln lasenta e(t)=r(t)-y(t) Entteett Säätöysö u D / A u(t) Atuaattor r vertaluarvo y mtattu arvo u säätöarvo t aa jasonumero Joa jasolla mtataan uus arvo ja atsotaan una auana se on vertaluarvosta. Stten lasetaan tarvttavat säädöt ja jatetaan 2

3 Ajotus Jasollnen va jasoton Tapahtuman suortusen eseyttämnen Kello va prorteett Ahne va relu Staattnen va dynaamnen WCET analyys RM Rate monotonc EDF -Earlest deadlne frst Prorteetn ääntymnen Käyttöaste Tehtävän uvaus J (φ,p,e,d) Alotusaa r vao, aaväl, tlastollnen jaauma 1 Suortusaa e Suortusen esto vahtelee uten alotusaa mnm ja masmesto [e -, e + ] Jaso p on lyhn ahden työn alotusen välnen aa Vahe φ Tehtävän ensmmäsen alotusen aa el φ = r,1 3

4 Käyttöaste U,u 1 Yhden jasollsen tehtävän äyttöaste on Koo järjestelmän ta sen osan äyttöaste (n tapahtumaa) U = u = n = 1 u e = 1 Ajotettava äyttöaste vuorotusmenetelmän perusteella lasettu järjestelmän äyttöaste = p n e p Krjan luvut 1-3: 1-3 Luu 1: Typcal Real-Tme Applcatons EI: More complex control-law comp. EI: 1.3 Sgnal processng EI Multmeda applcatons Muut alluvut: ylesästys asasta rttää Luu 2: Hard versus Soft Real-Tme Systems Koonaan Luu 3: A Reference Model EI: 3.4 Precedence constrants and data dependency EI: lsämateraala *3.5, *3.6.3, *3.6.4, *

5 Kello-ohjattu ajottamnen Staattnen tauluopohjanen ajotus Tauluo yhdelle hyperperodlle, jota tostetaan Jasollnen ajotus Ajotuspäätöset säännöllsn välajon Kehys f (ahden päätösheten väl) Epäsäännöllnen työ jasollsten seaan Slac Stealng Hyväsymstestaus 2 Alaraja Kehysen oo Kehysten määrä Yläraja f max (e ) 1 n p / f -p / f 0 2f syt (p,f) D 5

6 Kehysen oon määräämnen (esm 2) T1 T2 T3 p e d Hyperperod H = 20 Alaraja: f max(1, 2, 5) Koovahtoehdot 2,4,5,10,20 Yläraja: 2f-syt(p,f) D : f 4 T3 jaettava osn! 1,3,1 => f=4 T1 T2 T3T1 T3 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T T3 1 T3 2 T3 3 Slac Stealng Jouston ähmntä Kunn ehysen ssällä ajotetaan jasottomat ehysen vapaaseen osaan jasollsten edelle. Jos jasottoma e ole, nn suortetaan jasollsa. 6

7 Prorteettpohjaset ajotuset Menetelmä Rate Monotonc Deadlne Monotonc Earlest Deadlne Frst Least Slac Frst 2 Ajotettavuusanalyys Käyttöasteen avulla Aavaatvuusanalyys Ajotettavuustestaus (EDF): Käyttöasteen avulla Rttävä ja myös välttämätön ehto EDF (ja LST) ajotuselle: U EDF n e = mn( p, d) = 1 1 HUOM: Jaajassa on joo jason ptuus ta työn suhteellnen aaraja jason alusta 7

8 Ajotettavuustestaus (RM) äyttöasteen avulla Rttävä ehto RM (ja DM) ajotuselle on: URM n(2 1/ n Konservatvnen raja saadaan: lm n(2 n 1/ n 1) 1) = ln w( t) Aavaatvuusanalyys = e + 1 = 1 t p e, un 0 < t p 2 vodaan ajottaa, un w( t) t, jollen t d p T1 (3,1) T2 (5,1.5) T3 (7,1.25) ja T4 (9,0.5) 8

9 Estymnen analyysn annalta Koreamman prorteetn työn vo estää van ys alemp ennen sen pääsyä suortuseen Joten lsätään arvossa oreamman prorteetn työn suortusaaan alempen estoaojen masm, nän yhden työn psn estymsaa (blocng tme) on b( np) = max θ + 1 n Kun työt järjestetty prorteetten muaan ja on yhden eston esto Aavaatvuusanalyys (RM) ja estymsaa Kuhunn työhön ohdstuva estymsaa vauttaa van shen tseensä. Se tulee ss työn oman suortusajan lsäs tuohon aavaan. Koreamp prorteettset työt eseyttävä työn van oman suortusensa ajas. Snä e enää tarastella nhn ohdstuvaa estymstä HUOM. Työt jasonptuuden muaan prorteettjärj. 1 t w () t = e + b + e = 1 p aavälllä 0 < t mn ( D, p ), 9

10 Ajotettavuusanalyys (EDF) ja estymsaa Koo tehtäväjouo on ajotettavssa, jos mnään tehtävän estymsaa e aheuta oonasuorman päällä yluormtusta! Estäjänä vovat toma van työt, joden suhteellnen aaraja on suuremp. U b + mn 1, mssä U n = 1, ( D, p ) mn( D p ) = e Ajotettavuusanalyys (EDF) ja estymsaa EDF:llä ajotettavlle tölle estymnen määrätään samon un nteän prorteetn tehtävlle, mutta prorteettna äytetään suhteellsta aarajaa D. Krjan teoreema 6.18: EDF sedulonnssa työ J (suht. aaraja (D ) vo estää työn J (suht. aaraja D ), van jos D > D J vo estää van, jos prorteett on penemp, el un d >d Estääseen J :n ptää olla jo suortusessa el r < r Molemmat epäyhtälöt vovat päteä samanaasest van, un D > D 10

11 Krjan luvut Luu 4: Commonly Used Approaches EI: 4.6, ja 4.9 e teoreemoja (4.4, 4.5) Luu 5: Cloc-Drven Schedulng EI: 5.5.2, 5.6.3, *5.8 Kuvssa olleta algortmeja e ysytä Luu 6: Prorty-Drven Schedulng of Perodc Tasa EI: 6.3.1, 6.5.1, 6.5.3, 6.6, EI: *6.7.2, *6.7.3, 6.7.4, *6.7.5 EI: 6.8.5, , Sporadset ja epäsäännöllset tehtävät ja työt Hyväsymstest Jasollsa (ta jasottuva) palvelma Osa-aapalveln (deferrable server) Sporadnen palveln Sporadnen/tausta-ajo palveln 3 11

12 Hyväsymstest sporadslle tölle Tehdään vuorotus ennen suortusta Tarvtaan: nyynen ajotus ja töden parametrt Uuden työn aaraja ja masmsuortusaa S(d,e) Jos järjestelmästä löytyy rttäväst vapaata aaa σ ennen aarajaa, työ vodaan hyväsyä el e σ c (t,l), mssä t on saapumsaa ja l vmenen ehyt ehys <d Jos samanaasest useta saapuja, ästellään ne aarajan muasessa (EDF) järjestysessä Hyväsymstestn algortm Ensmmänen vahe: Rttävätö tyhjät aajasot suorttamseen e Tonen vahe: c ( t,l) = ( t,l) - ( e ) d d Myöhästysö jou jo hyväsytty sporadnen työ, jona taaraja tämän jäleen? 0 σ, = σ e 12

13 Järjestelmämall Kuva 7-1 Osa-aapalveln (Deferrable Server): Kulutus- ja täydennyssäännöt Kulutussääntö (Consumpton Rule): Palvelmen suortusaaa uluu ys ysö utan suortettua aaysöä oht Täydennyssääntö (Replenshment Rule): Palvelmen suortusaa palautetaan masmn ana unn suortusjason alus el budjets asetetaan e s ana ellon ollessa p s, =0,1,2,... Huom: suortusaaa e vo säästää seuraavaan jasoon 13

14 Osa-aapalveln: Aavaatvuusanalyys (RM) Kaavassa huomotu estoaa b ja osaaapalvelmen aheuttama estymnen: w( t) s = e + b + es + es + p 1 s = 1 un 0 < t p t e t p e, Oletus: osa-aapalvelmen prorteett on suurn ja jason ptuus ss penn Ajotettavuustest (EDF) Jasollnen tehtävä T on ajotettavssa EDFmenetelmällä järjestelmässä, jossa on n rppumatonta eseytettävää jasollsta tehtävää ja osa-aapalveln, jona jaso on p s, suortusntö e s ja äyttöaste u s, jos 1 = 1 e mn( d, p ) + us 1+ ps e d s 1 Jasollset työt osa-aapalveln (Krjan Teoreema 7.3) 14

15 Sporadnen palveln: ulutus Kntötä uluu ys ysö per aaysö, un joo palveln on suortusessa ta palveln on ollut jossan vaheessa suortusessa edellsen täydennysheten (t r ) jäleen ja palvelmella on edelleen tötä suortusjonossa Mäl umpaan ehto e täyty, nn ntötä e ulu HUOM: Kntötä ss ulutetaan, vaa palveln e suorttasaan mtään tehtävää. Sporadnen palveln: täydennys Alus (ja ana täydennettäessä) ntö = e s ja t r = nyyhet Ajanhetellä t f, un palveln saa ensmmäsen erran suortusvuoron täydennysen jäleen jos palveln odott oreamman prorteetn tötä, nn seuraava täydennyshet sälyy t r +p s jos palveln ol vapaa, nn täydennysheteä srretään sten, että uus het on t f + p s, un t r < t f Normaaljasojen ulopuolella täydennys tehdään, jos Koreamman prorteetn työt ovat olleet suortusessa oo jason p s, nn täydennys tehdään het ntön tyhjennyttyä Jos oo järjestelmä ol jason aana tyhjääynnllä ajanheteen t b ast, nn täydennys tehdään hetellä mn(t e +p s, t b ) 15

16 Sporadsten töden hyväsyms-test un äytössä EDF -vuorotus Ensmmänen saapuva työ S(t, d, e) hyväsytään, jos e/(d-t) 1-, mssä on aen sporadsten töden sallttu yhtenen masmtheys HUOM: d jaaa aaväln ahteen osaan I 1 ja I 2. I 1 :n theys on e/(d-t) ja I 2 :n 0. Ylenen tapaus: järjestelmässä on jo n s aemmn hyväsyttyä työtä.työ hyväsytään, jos e/(d-t) + 1-, alle = 1,...,l, mssä l on sen aaväln ndes, johon d uuluu Jaettujen resurssen äyttö 5 Prorteetn ääntymnen Kääntymsen välttämnen Irrottamattomat rttset alueet Prorteetn perntä (Prorty Inhertance Protocol). Prorteettatto (Prorty Celng Protocol) Kattoprorteett (Celng Prorty) 16

17 Prorteetn ääntymnen (Prorty nverson) Irrottamattomat rttset alueet (nonpreemptve crtcal sectons, NPCS) Suortetaan van stä tehtävää, joa äyttää jotan jaettua resurssa, muut odottavat Koremman prorteetn masmodotus estää muden psmmän yhtenäsen rttsen alueen suortusen ajan b( rc) = max ( c + 1 n ) 17

18 Prorteetn perntä Idea: Jos tapahtuma T estää (blocs) yhden ta useamman oreamp prorteettsen tapahtuman etenemsen, tapahtuma T per välaasest oremman estetyn tapahtuman prorteetn. Hyödyt Estää prorteetltaan estasoa olevan tapahtuman eseyttämästä tapahtumaa T. Hatat Prorteetn perntä vo aheuttaa luuman Lntetty odotus (chaned blocng) Idea Prorteettatto Joaselle resursslle asetetaan prorteettatto (R ) yhtä suures un sen oremman tapahtuman prorteett, joa tarvtsee tätä resurssa ja ss saa luta resurssn. Tapahtuma T saa srtyä rttselle alueelle ja varata resurssn van, jos sen prorteett on oreamp un aen muden samanaasten tapahtumen sllä hetellä varaamen resurssen prorteettatot (t). Jos tapahtuma T estää yhden ta useamman oreamp prorteettsen tapahtuman, se välaasest per oremman estetyn tapahtuman prorteetn. 18

19 Estymnen ja prorteetn perntä seä prorteettatto Van alemman prorteetn työ vo estää resursslpalun autta. Ss tauluosta Es e tarvtse täyttää vasenta alaolmota. Työn masmestymsaa on stä vastaavan rvn masmarvo. Estävät (alemp pro) työt muodostavat saraeet. Työ vo Estää suoraan un se lpalee samasta resursssta Estää prorteetn pernnällä un se varausen autta per ylemmän prorteetn Tauluon täyttämnen: Vasen osa (Suoraan) nämä pomtaan tedosta Oea osa (Pernnällä) vodaan päätellä vasemman saraeen perusteella Job J1 J2 J3 J4 J5 J6 Estymnen ja prorteetn perntä seä prorteettatto rtt. alueet [X;10] [Y;1] [X;6 [Y;2]] [Y;5] [Z;4][X;2] Es J1 J2 J3 J4 J5 Estää suoraan J2 * J3 6 * J4 5 * J5 * J6 2 4 * Prorteetn pernnällä J2 J3 6 * J4 5 * J5 * J J1 J2 J3 J4 X Y Z J5 J6 HUOM: J3 äyttää X ja Y resursseja yhtä aaa, un J6 äyttää Z ja X resursseja perään. (Katso haasuluja) 19

20 Kattoprorteett (Celng- Prorty) Tom uten pnoperustanen attopror. Vuorotussääntö Työtä suortetaan sen aluperäsellä prorteetlla, jos työ e ole varannut mtään resurssa. Saman pron työt FIFO-peraatteella Mnätahansa resurssn varanneen työn tlap. prorteett on yhtä suur un sen varaamen resurssn suurn attoprorteett Varaussääntö Suortusessa oleva työ vo ana varata pyytämänsä resurssn Irrotusten atto Aemmat menetelmät (prorteetn perntä, prorteetn atto ja attoprorteett) soveltuvat parhaten ntelle prorteetelle Käytetään rrottamsa prorteetten sjaan Taustana Koreamman prorteetn työ vo haluta matalamman varaamaa resurssa van, jos se saa rrottaa suortusessa olevan matalamman Tetylle dynaamsta prorteetta äyttävlle järjestelmlle (esm. taarajohn perustuvat) on mahdollsta etuäteen selvttää jasollsten töden mahdollset rrotustlanteet. 20

21 Irrotusten atto Vuorotus ja perntäsäännöt uten prorteetn atto menetelmässä Varaussäännöt Pyydetty resurss on varattuna, työ odottaa Resurss on vapaa Työ saa resurssn, jos työn rrotustaso (t) on oreamp un senhetnen rrotusatto (t) Jos työn rrotustaso e ole oreamp, mutta työllä on jo hallussaan resurss, jona rrotusatto on yhtäsuur un (t), nn työ saa resurssn, muuten joutuu odottamaan Krjan luvut Luu 7: Schedulng Aperodc and Sporadc Jobs n Prorty-Drven Systems E SpSL servers (luvun osa) EI: 7.4.1, 7.4.2, 7.4.3, EI: *7.5, *7.6, *7.7.2, EI: 7.8.2, 7.9 Luu 8: Resources and Resource Access Control EI: *8.7.3, 8.9, *

22 Monprosessorjärjestelmät Kas vahtoehtosta malla: Päästä-päähän (työ vahtaa prosessora) Etäsuortusa (työ yhdessä paassa, mutta vo pyytää resursseja tlapäsest muualta) Töden sjottelu prosessorlle RMFF - Rate-Monotonc Frst Ft RMST - Rate-Monotonc Small Tass Prosessorn paallnen vuorotusmeansm Globaal synronont 9 RMFF algortm Frst Ft muunnelma Rate-monotonc ajotus prosessorella Käytetään loeron oon ylärajana RM:n taraa ylärajaa u + U n(2 1/ n 1) Järjestetään työt jason ptuusen perusteella: Lyhmmät ensn Tämä on lnjassa RM:n prorsonnn muaan 22

23 RMST algortm Rate-Monotonc Small Tass (RMST) Hyödyntää RM:n äyttäytymstä harmoonsten jasojen anssa. Kun tehtäven jasojen ptuudet lyhmmän monertoja, nn äyttöasteen masm asvaa merttäväst (jopa yöseen) Työt sjotellaan jasonptuudesta lasetun arvon X määräämässä suuruusjärjestysessä X = log 2 p log 2 p RMST algortm u Ajotettavuusehto prosessorlle on ( ln 2,1 ζ ln 2), mssä = max X l mn X l + U max ζ Työt ovat sjoteltavssa m:lle prosessorlle, jos työuormasta lasettu äyttöaste on penemp un U RMST ( m 2) (1 umax ) + 1 ln 2, un > 2 = m mssä u max on töden suurn ysttänen äyttöaste 23

24 Tosaanen tetolenne Sanomen uljetus päästä päähän Taataan uljetusaa ehyslle Käytetään WCET arvota Lähetettävänä sanoman valnta (yhteystasolla) WFQ (Weghted Far-Queueng) Delay Earlest-Due-Date (D-EDD) Jttered-EDD Lähettävän oneen valnta (fyysnen taso) CSMA/CD (carrer sense multple access / collson detecton) esm. Ethernet TDMA (tme dvson multple access) 7 WFQ vuorotusperaate Pyr taaamaan ullen atvselle yhteydelle slle luvatun suhteellsen osuuden lnn apasteetsta Yhteysen saapuvlle ja eteenpän lähtevlle paetelle lasetaan lopetusnumerota. Paett lähetetään näden numeroden muasessa (EDF) järjestysessä. Lopetusnumero asvaa yhteyden suhteellsen osuuden muasest. 24

25 WFQ: Lopetusnumeron (fn) lasemnen 1) Tyhjään lnn saapuva (yhteyden ) ensmmänen paett: t -1 = t; U b += u ; fn += e/u ; 2) Seuraavat paett (un ln on renen) Yhteyden ensmmänen paett Lnn lasur FN += (t- t -1 )/ U b fn = max(fn, fn ) + e/u ; ja SFN-jonoon (fn,) t -1 = t; U b += u ; 3) Yhteyden paetn lähetys päätty Lsää yhteyden paetteja jonossa fn += e/u ja SFN-jonoon (fn,) E tällä hetellä lsää paetteja :ssä ( -> dle) Lnn lasur FN += (t- t -1 )/ U b t -1 = t; U b -= u ; Delay Earlest-Due-Date (D- EDD) Perustuu EDF:ään Päästä-päähän yhteyden muodostusessa yhden paetn uljettamseen äytettävssä oleva aa jaetaan lnen esen, un ln saa vähntään tarvtsemansa mnmn. Saapuvat vestt jasotetaan suhteellsen saapumsaansa muasest. (Nän estetään varattua laajemp astan äyttö) Mustuttaa sporadsen palvelmen erostapausta 25

26 D-EDD: yhteyden muodostus Lähettäjä teee alotteen. Se lähettää request-forconnecton -vestn, jossa uvataan tuleva lenne (p, D ) Joanen matalle osuva ytn (swtch) Hyväsymspäätös ja alustava apasteetnvaraus Vastaanottaja tarstaa retn elvollsuuden Kun yhteys vodaan muodostaa, vastaanottaja määrää ytmen paallsen aarajat (jaaa ylmääräsen ajan) Paluuveststä ytmet pomvat uudet aarajansa, teevät pysyvät varauset D-EDD: Paetten ästtely Vuonvalvonta on esestä. EDF e selvä yluormasta, joten stä e saa syntyä. Saapuvan paetn paallsta aarajaa e laseta todellsesta saapumsajasta vaan ns. efetvstä saapumsajasta e e a, j = max ( a, j 1 + p, a, j) Paallnen aaraja on ss 26

27 Jtter-EDD Jtter-EDD on D-EDD:n muunnelma, jossa penennetään sanoman uluajan varaatota. D-EDD:ssä tuo vahtelu on varsn suur, jopa =1 ( D, ) j Jtter-EDD e ole yhtä ahne. Sanomaa e välttämättä ana lähetetä het un votasn. Lähetysheten väl pyrtään vaomaan. J-EDD: tomnta Yhteyden muodostus uten D-EDD Paetn ästtely: Vahtelun tasottamses lähetettävään paettn lsätään teto ahead-tme el una paljon se on etuajassa suhteessa aarajaansa. Saapuvalle paetlle lasetaan lähetysaa (ready tme), jollon vasta se latetaan lähetysjonoon (D- EDD latto jonoon het) e r j = max( a, j, a, j + ah,, j ) 27

28 WRR (Weghted Round-Robn) Kustan saapuvasta yhteydestä lähetetään yhdellä errosella orentaan mas. sanoma eteenpän Oletuset: E globaala elloa ta aarajan muaan järjestettyä jonoa E tehtäven (ta töden) välsä rppuvuusa Yhteysllä on vaotaht (constant bt rate) Datavrtaa (message stream) uvataan (p,e,d ) p ja D uten ennenn, mutta e on nyt vesten määrä yhdellä errosella (nstance) Greedy-WRR Kullan yhteydellä on pano wt Yhden errosen uluessa yhteyden vestestä lähetetään edelleen orentaan wt appaletta Yhteydet ästellään vuorotellen (stä RR) ja a panon muaan mahtuvat vestt lähetetään edelleen Kerrosen masmptuus RL on nteä RL n = 1 wt RL < mn( p) p RL / wt e 28

29 Yhteenveto Prorteettpohjasa äytäntöjä Performance Measures WFQ Delay- EDD Jtter- EDD Acceptance Test O(1) O(1) O(1) Sched. Complexty O(n) O(logn) O(logn) End-to-end delay bound E/u+ (e+1) D D End-to-end jtter const const const Buffer-space requrem. const const const Tosaaäyttöjärjestelmät Palveluja: Prosesst, säeet Aapalvelut POSIX Host / target ohjelmaehtys Esmerejä VxWors LynxOS QNX RT-Lnux 29

30 Krjan luvut Luu 9: Multprocessor Schedulng VAIN ( s ) Luu 10:EI Luu 11: Real-Tme Communcaton VAIN (s ) Luu 12: Operatng Systems EI: *12.4, *12.5, Kurssoe Ma 8.5. lo Exactum A111 Vahtoehtosta aaa e järjestetä ellen saa seleätä erllstä pyyntöä! Koeessa Seä lasuharjotusten altasa että teorapanottesempa tehtävä 30