ENSP Strasbourg (Edition ) Les Systèmes Temps Réels - Ch. DOIGNON. Chapitre 2. Multiprogrammation et ordonnancement

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1 Chaptre 2 Multprogrammaton et ordonnancement 49

2 MULTIPROGRAMMATION La multprogrammaton consste à gérer pluseurs processus en mémore smultanément. Cela se justfe lorsque les processus passent beaucoup de temps à attendre la fn d une opératon d E/S. Elle permet d amélorer le taux d utlsaton du processeur. Elle s applque à des systèmes d explotaton multtâches pour lesquels le processeur est une ressource commune (parm d autres). Supposons qu un processus dépense une fracton p de son temps à attendre. S n processus (supposés ndépendants et non pérodques) se trouvent en mémore en même temps (dans des zones séparées), la probablté qu ls soent tous en attente sur une E/S (et donc que le processeur sot nutlsé) est p n. On défnt alors le taux d utlsaton du processeur (Processor Usage) par : REMARQUE PU = 1 - p n En réalté, les processus ne sont pas tout à fat ndépendants, pusque même s un processus est prêt, l dot attendre qu un autre lbère le processeur. 50

3 MULTIPROGRAMMATION EXEMPLE Consdérons un ordnateur possédant 1 Mo de mémore, où le système d explotaton et les processus occupent chacun 200 Ko. S on attend en moyenne 80 % du temps sur les ressources communes, le taux d utlsaton du processeur (sans tenr compte du temps utlsé par le système pour sa propre geston) est d envron 60 % =(1-(4/5) 4 ). 1 Mo supplémentare de mémore fat passer le degré de multprogrammaton de 4 à 9 et le taux d utlsaton du processeur à 87 % =(1-(4/5) 9 ). 51

4 MULTIPROGRAMMATION (modèle de tâches) Les tâches, processus ou les fls d exécuton (ou processus légers - threads) sont les enttés de base de l ordonnancement du temps (ressource processeur) et de l espace (ressource mémore). Ils peuvent être pérodques ou apérodques, préemptbles ou non, à contrantes temporelles fables ou fortes, détermnstes ou ndétermnstes. établssement d un modèle canonque avec paramètres temporels qu caractérse le processus T(r 0,C,D,P) : r : date de rével, c est le moment de la premère requête d exécuton, C : durée d exécuton maxmale (dans le contexte monoprocessus) D : déla crtque, c est le déla maxmum acceptable pour son exécuton, P : sa pérode d exécuton lorsqu l s agt d un processus pérodque, r k : date de rével de la k ème requête : r k = r 0 + k P d k : échéance de la k ème requête : d k = r k + D 52

5 MULTIPROGRAMMATION (modèle de tâches) T(r 0,C,D,P) avec 0 C D P tâche pérodque à échéance sur requête : D = P, Un processus est détermnste s C = cte, Un processus est préemptble s l peut être nterrompu : une secton d nstructons non préemptbles (ou secton non nterruptble ou exécuton atomque) est appelée secton crtque. Les contrantes temporelles sont : - fables s D >> C, - fortes s D = C + e (et e << C). Modèle canonque des tâches 53

6 ORDONNANCEMENT (proprétés des algorthmes d ) Séquence valde : un algorthme d ordonnancement délvre une séquence d ordonnancement pour une confguraton de tâches données. Cette séquence est valde s toutes les tâches de la confguraton respectent leurs contrantes. Avec un algorthme hors lgne une séquence de planfcaton rgde est étable et les contrantes temporelles assocées aux tâches de la confguraton sont vérfées. Confguraton ordonnançable : une confguraton de tâches est ordonnançable dès qu l exste un algorthme au mos capable de fournr une séquence valde. Algorthme optmal : un algorthme d ordonnancement est optmal s l est capable de produre une séquence valde pour toute confguraton de tâche ordonnançable. Test d ordonnançablté : l sert à vérfer qu une confguraton de tâches pérodques donnée soumse à un algorthme d ordonnancement peut être ordonnancé selon une séquence valde. 54

7 ORDONNANCEMENT (proprétés des algorthmes d ) Test d acceptablté : un algorthme en lgne crée ou modfe la séquence dynamquement à l arrvée de nouvelles tâches ou à la sute de dépassement d échéance. Une requête nouvelle peut être ajoutée à la séquence déjà formée, ou en cours de modfcaton à la sute de suppresson, et être acceptée s l exste au mons une séquence pour laquelle toutes les requêtes précédemment acceptées et cette nouvelle requête peuvent termner leur exécuton avant leurs échéances. Pérode d étude : Pour valder l ordonnançablté de tâches pérodques et apérodques, une analyse temporelle de l exécuton de cette confguraton est nécessare. La pérode d étude commence à la premère date de rével d une tâche de la confguraton, c est-à-dre à l nstant t 0 = Mn(r 0 ) pour toutes les tâches T de la confguraton. Elle se termne à une date qu est foncton du plus pett commun multple des pérodes P et qu s exprme en foncton de toutes les tâches pérodques T et de toutes les tâches apérodques T j Pérode d étude = *Mn(r 0 ), Max(r 0, r j0 + D j ) + 2 PPCM(P ) ] Pour une confguraton à rével smultané des tâches, la pérode d étude est smplement l ntervalle [0, PPCM(P )] 55

8 ORDONNANCEMENT HORS LIGNE RR Lste d attente des tâches : l ordonnancement crée une séquence de planfcaton dont le premer élément ndque la tâche élue. Cette séquence est une lste, appelée lste des tâches restantes, ordonnée par une relaton d ordre basée sur les prortés ou les délas crtques ou plus généralement sur des clés. Le nombre de quantum Q d une tâche représente la durée d exécuton maxmale C quantfée comme étant un multple du quantum temporel dt, c'est-à-dre : Q = enter sup {C / dt} Ordonnancement par fle crculare (tournquet) (RR Round Robn) : Sans enlever aucune généralté au problème de l'ordonnancement, on suppose que la lste des n tâches restantes, L n = {T 1,T 2,...T n }, est rangée en ordre crossant des durées d'exécuton C : C 1 C 2. C. C n (ce qu sgnfe que lorsque la tâche T se termne, les autres tâches T 1,T 2,...T -1 sont déjà termnées), alors la durée w de T dans un envronnement multtâches vaut : w j 1 j1 Q j Q ( n 1) ( dt T ) ( n 1 s ) ( dt c T ) C c mod dt 56

9 ORDONNANCEMENT HORS LIGNE RR (mse en œuvre) où T c est le temps de commutaton, dt est l unté du quantum de temps (entre deux appels à l ordonnanceur), Q est le nombre de quantum de la tâche T, (n-+1) est le nombre de tâches restantes dans la lste L n-+1 et s est la poston de la tâche T dans la lste L n-+1 des tâches restantes. Remarque : Dans le cas où les durées d'exécuton des tâches ne sont pas rangées en ordre crossant de l'ndce, l sufft de renuméroter les tâches (' = f() ). Exemple (dt = 2 ms) : T 1 (0,C 1 =2,D 1 =5,P 1 =0) ; T 2 (8,C 2 =4,D 2 =16,P 2 =0) ; T 3 (2,C 3 =5,D 3 =15,P 3 =0) ; T 4 (4,C 4 =6,D 4 =30,P 4 =0) ; T 5 (6,C 5 =7,D 5 =25,P 5 =0) Est-ce que tous les délas crtques des 5 tâches sont honorés? Ordonnancement des tâches selon une fle crculare (un seul nveau de prorté) 57

10 ORDONNANCEMENT HORS LIGNE RR Exercce résolu : en consdérant un temps de commutaton T c néglgeable par rapport à l unté du quantum de temps dt de 2 ms et en consdérant un ordonnancement selon une fle crculare (tâches de même prorté), détermner les durées dt de chacune des tâches apérodques T 1,T 2,T 3,T 4,T 5 dont les durées d'exécuton maxmale dans un envronnement mono-tâche sont les suvantes : C 1 =10 ms, C 2 = 70 ms, C 3 =181 ms, C 4 = 350 ms, C 5 =563 ms. On supposera de plus que le postonnement ntal dans la lste L 5 est : L 5 = { T 2, T 3, T 5, T 1, T 4 } et que l ordonnanceur n est pas préempté à la termnason de chaque tâche. Réponses : w 1 = 48 ms, w 2 = 284 ms, w 3 = 621 ms, w 4 = 962 ms, w 5 = 1175 ms. 58

11 EXEMPLE : 3 tâches Ordonnancement des tâches selon une fle crculare (un seul nveau de prorté) a) Cas a) Réquston de l ordonnanceur sur échéance unquement (tops d horloge) des temps d nactvtés apparassent. b) Cas b) Réquston de l ordonnanceur sur échéance et à la fn de chaque tâche, la requête système ext() préempte l ordonnanceur : pas de temps «morts». 59

12 ORDONNANCEMENT HORS LIGNE PAR PRIORITES (constantes) Ordonnancement par prortés (Fxed Prorty-based Schedulng) : Un nveau de prorté constant est affecté à chaque tâche et à un nstant donné, la tâche élue est toujours celle de plus haute prorté. Sans enlever aucune généralté au problème de l'ordonnancement par prorté, on suppose que les n tâches connues de l'exécutf (tout état sauf NON CREE) sont rangées en ordre crossant de leur prorté (du plus prortare = plus pette valeur de pr au mons prortare = plus grande valeur de pr) : pr 1 pr 2. pr. pr n (ce qu sgnfe que lorsque la tâche T se termne, les autres tâches T 1,T 2,...T -1 sont déjà termnées), alors la durée w de T dans un envronnement multtâches vaut : pour > 1 : pour = 1 : w C w1 C 1 ( dt T c ) j 1 j1 Q j Les prortés des tâches sont constantes tout au long de leur exécuton. 60

13 EXEMPLE : 3 tâches Chronogramme de l ordonnancement des tâches selon leur prorté (constante) 61

14 REMARQUES L algorthme d ordonnancement présente le défaut du rsque de «famne» encouru par les tâches de fable prorté. Une soluton à ce problème est d augmenter celle-c en foncton du temps d attente (vellssement). La prorté des tâches devent alors varable. Les stratéges présentées jusqu à présent utlsent une seule fle d attente des tâches prêtes. On peut assocer les deux stratéges pour élaborer un ordonnancement par fles de prortés constantes mult-nveaux, chaque fle correspondant à un nveau précs de prorté (éventuellement, des fles sont vdes). Dans une fle donnée, toutes les tâches ont la même prorté et sont serves selon la poltque du tournquet ou du vellssement. Le quantum dt peut être dfférent selon le nveau de prorté de la fle. L ordonnanceur sert d abord toute les tâches de la premère fle, pus celles de la deuxème fle, dès que la premère fle est vde. On peut défnr deux varantes de l algorthme en foncton de l évoluton de la prorté des tâches : les prortés des tâches sont constante tout au long de leur exécuton. Une tâche en fn de quantum est toujours rénsérée dans la même fle d attente, correspondant à son nveau de prorté. 62

15 REMARQUES (sute) les prortés des tâches évoluent dynamquement en foncton du temps d exécuton dont a bénéfcé la tâche. Ans une tâche de la fle pr, à la fn de son quantum (quantum de la fle pr), n est pas rénsérée dans la même fle mas dans la fle de prorté pr+1 (mons prortare), s son exécuton n est pas termnée. Cec permet de mnmser les rsques de «famne» pour les tâches de fable prorté en fasant pett à pett basser la prorté des tâches de plus haute prorté. Aucune des poltques d ordonnancement présentées ne permet de remplr les deux objectfs d un ordonnancement temps réel, notamment parce qu aucune de ces poltques n ntègre la noton d urgence des tâches, noton représentée par le déla crtque dans le modèle canonque des tâches temps réel. WATCHDOG Le chen de garde (watchdog) est la plus prortare des tâches exécutées dans un SETR. Son rôle est de vérfer pérodquement le respect des échéances des tâches. Pour ce fare l s exécute pérodquement et vérfe, en partculer pour les tâches pérodques, que les durées d exécuton ne dépassent pas les pérodes. 63

16 Exemple d'un système à 12 tâches, 4 nveaux de prorté avec ordonnancement par prorté et fle crculare. Où sont les tâches à l'état CREE, PRET, BLOQUE, EXEC? 64

17 ORDONNANCEMENT RM L algorthme RM (Rate Monotonc) est une stratége d ordonnancement à prorté constante. Avec cet algorthme, la prorté est foncton de sa pérode de telle sorte que la tâche de plus pette pérode est la tâche la plus prortare. Cet algorthme est optmal dans la famlle des algorthmes à prorté constante pour les confguratons de tâches à échéance sur requête et, dans ce cas, on connat une borne mnmale pour l acceptaton d une confguraton de n tâches (condton suffsante) dans le cas préemptf : n 1 C P n(2 1/ n 1) PU Cette borne théorque correspond au pre des cas et tend vers ln 2 (69,3 %) lorsque n est grand (les 30,7 % restants peuvent être dédés à des tâches de basse prorté et non temps-réel). Elle peut souvent être dépassée et Lehoczky a montré qu en moyenne la borne supéreure avosne 88 %. L explotaton de la pérode comme crtère d ordonnancement lmte l utlsaton du Rate Monotonc aux seules tâches à échéance sur requête. 65

18 EXEMPLE ORDONNANCEMENT RM EXEMPLE (dt = 1 ms) Consdérons un système à réquston et tros tâches pérodques ordonnancées par la stratége RM basé sur la pérode : T 1 (r 1 =0,C 1 =3,D 1 =7,P 1 =20) ; T 2 (r 2 =0,C 2 =2,D 2 =4,P 2 =5) ; T 3 (r 3 =0,C 3 =2,D 3 =9,P 3 =10) La tâche la plus prortare est la tâche T 2 et la tâche la mons prortare est T 1. La condton d ordonnançablté est vérfée : 3/20+2/5+2/10 = 0.75 < 0.78 Exemple d ordonnancement (hors lgne) RM : chronogramme de 3 tâches pérodques 66

19 EXERCICE RM Consdérons deux tâches pérodques ordonnancées par la stratége RM basé sur la pérode : T 1 (r 1 =0,C 1 =6,P 1 =10) ; T 2 (r 2 =0,C 2 =9,P 2 =30) ; a) Affcher les chronogrammes de l ordonnancement des deux tâches dans les deux cas suvants : Cas d un système préemptf (dt = 1 ms), Cas d un système non préemptf (les tâches ne sont pas nterrompues) b) Y a-t-l eu faute temporelle? 67

20 TEMPS DE REPONSE RM Hypothèse : système à réquston (préemptf). Pour une tâche T on cherche à évaluer, au pre cas, son temps d exécuton w dans l envronnement multtâches (ncluant son temps d attente) lorsque des tâches plus prortares s exécutent en concurrence avec elle. w C j hp( ) w Pj C j où hp() est l ensemble des tâches de prorté plus grande que T. [x] représente l enter juste supéreur à x. Méthode de calcul (Joseph et Pandya, 1986) : w (k) est calculé de manère tératve, et en ordonnant le calcul selon les prortés décrossantes. Intalement : w (0) = C et w ( k1) C jhp( ) w P Le calcul tératf est stoppé s l exste k tel que w (k +1) = w (k ) ou s w (k ) > P (échec). ( k ) j C j 68

21 EXEMPLE Consdérons tros tâches pérodques ordonnancées par la stratége RM basé sur la pérode comme crtère : T 1 (r 1 =0,C 1 =3,P 1 =7) ; T 2 (r 2 =0,C 2 =2,P 2 =12) ; T 3 (r 3 =0,C 3 =5,P 3 =20) ; w 1 (0) = 3 = w 1 (1) w 2 (0) = 2 w 2 (1) = 2 + [2/7] 3 = 5 w 2 (2) = 2 + [5/7] 3 = 5 = w 2 (1) w 3 (0) = 5 w 3 (1) = 5 + [5/7] 3 + [5/12] 2 = 10 w 3 (2) = 5 + [10/7] 3 + [10/12] 2 = 13 w 3 (3) = 5 + [13/7] 3 + [13/12] 2 = 15 w 3 (4) = 5 + [15/7] 3 + [15/12] 2 = 18 w 3 (5) = 5 + [18/7] 3 + [18/12] 2 = 18 = w 3 (4) w ( k1) C jhp( ) w P ( k ) j C j 69

22 ORDONNANCEMENT DM L algorthme DM (Deadlne Monotonc ou Inverse Deadlne) est une stratége d ordonnancement à prorté constante. Avec cet algorthme, la prorté est foncton du déla crtque. Ans la tâche de plus pett déla crtque est la tâche la plus prortare. Les performances de cet algorthme sont équvalentes à celles du RM dans le cas de tâches à échéance sur requête et melleures dans le cas de confguratons arbtrares. Dans le cas préemptf, une condton suffsante d acceptablté de tâches est : EXEMPLE n 1 C D n(2 1/ n 1) Consdérons un système à réquston (dt=1ms) et tros tâches pérodques ordonnancées par la stratége DM : T 1 (r 1 =0,C 1 =3,D 1 =7,P 1 =20) ; T 2 (r 2 =0,C 2 =2,D 2 =4,P 2 =5) ; T 3 (r 3 =0,C 3 =2,D 3 =9,P 3 =10) PU La tâche la plus prortare est la tâche T 2 et la mons prortare est T 3. La condton suffsante n est pas vérfée ( 3/7+2/4+2/9 = 1.14 > 1 ) mas le chronogramme (lassé en exercce) construt sur la pérode d étude pour cette confguraton prouve que l ordonnancement s effectue sans faute temporelle. 70

23 ORDONNANCEMENT EN LIGNE Un algorthme en lgne (dynamque) chost au cours de l exécuton la prochane tâche à ordonnancer. Ce chox se fat sur la base d une prorté, qu peut avor été défne par le concepteur de l applcaton (prorté emprque ou externe), sot à partr d un paramètre temporel de la tâche. Dans ce derner cas, la prorté peut être constante ou varable en foncton du temps. Lorsque tous les paramètres de la confguraton de tâches à ordonnancer sont connus à l avance, notamment les temps d exécuton maxmaux et les dates des tous les révels de toutes les tâches, un test d acceptablté de la confguraton peut être exécuté hors lgne. Au contrare, lorsque les dates ne sont pas toutes connues, un test de garante dot être exécuté au rével des tâches pour prévor l occurrence d éventuelles fautes temporelles. Le surcoût des algorthmes en lgne est donc plus mportant, mas la prse en compte de nouvelles tâches peut être réalsée sans dffculté. Ordonnancement EDF (Earlest Deadlne Frst) : Une stratége dynamque très employée est d accorder à un nstant t une prorté maxmale pour la tâche dont l échéance (représentée par le déla crtque) est la plus proche. Il s agt d un ordonnancement basé sur des prortés dynamques. Pour les tâches à échéance sur requête, une n condton suffsante C d ordonnançablté est : 1 1 P 71

24 ORDONNANCEMENT EDF (sute) Pour les tâches quelconques, une condton suffsante d ordonnançablté est donnée par ( : D = P ) : EXEMPLE (dt = 1 ms) n 1 C D Consdérons un système à réquston et tros tâches pérodques ordonnancées par la stratége EDF : T 1 (r 1 =0,C 1 =3,D 1 =7,P 1 =20) ; T 2 (r 2 =0,C 2 =2,D 2 =4,P 2 =5) ; T 3 (r 3 =0,C 3 =1,D 3 =8,P 3 =10) 1 Exemple d ordonnancement (en lgne) EDF : chronogramme de 3 tâches pérodques 72

25 ORDONNANCEMENT EDF (sute) Pour les tâches ndépendantes et pérodques, l ordonnancement EDF peut utlser 100 % des ressources CPU. Il n est utlsable qu avec la réquston (préempton) et les échéances peuvent être quelconques mas dovent être connues à l actvaton (chaque date de rével). GESTION DES TACHES APERIODIQUES Elles se dstnguent des tâches pérodques par le fat que l'on ne connaît pas l'nstant d'arrvée de la requête de rével. Pour tenr compte de tâches apérodques parm l ensemble des tâches à ordonnancer, l exste pluseurs approches. L objectf est toujours d ordonnancer les tâches apérodques à contrantes souples dans un contexte de tâches pérodques à contrantes strctes. Parm les approches exstantes, deux sont couramment employées : le tratement en arrère plan, le serveur de tâches. 73

26 TRAITEMENT DES TACHES APERIODIQUES EN ARRIERE-PLAN Le prncpe suv est d exécuter les tâches apérodques d une fle en mode FIFO (premer entré, premer sort) quand aucune tâche pérodque n est actvée (temps «creux»). Utlsé conjontement avec un ordonnancement RM des tâches pérodques, cela revent à donner aux tâches apérodques la prorté la plus fable. EXEMPLE : T p1 (r 1,0 =0,C 1 =2,P 1 =5) ; T p2 (r 2,0 =0,C 2 =2,P 2 =10) ; T a1 (r 1 =4,C 1 =2) (bleu) ; T a2 (r 2 =10,C 2 =1) (rouge); T a3 (r 3 =11,C 3 =2) (vert); Exemple de tratement par arrère-plan de tâches apérodques dans un contexte d ordonnancement TR des tâches pérodques 74

27 TRAITEMENT DES TACHES APERIODIQUES PAR SERVEUR Le prncpe est de défnr une tâche pérodque spécale, appelée serveur apérodque, actve durant son temps d exécuton (appelé capacté du serveur) les tâches apérodques en attente. C est une forme de réservaton garante de temps CPU consacré unquement aux tâches apérodques. Deux types de serveurs exstent: le serveur par scrutaton et le serveur sporadque. le serveur par scrutaton exécute, lorsqu l est actvé, les tâches en attente jusqu à épusement de celles-c ou de sa capacté (qu est réévaluée à chaque exécuton). Dès qu l n y a plus de tâches en attente, l se suspend jusqu à sa prochane exécuton (pérodque). S aucune tâche n'est en attente (à l'actvaton ou parce que la dernère tâche a été tratée), le serveur se suspend mmédatement et perd sa capacté qu peut être réutlsée par les tâches pérodques. le serveur sporadque s exécute chaque fos qu l y a au mons une tâche apérodque à exécuter et qu l a une capacté non nulle et que sa prorté est élgble (pas de tâches plus prortare). Il s arrête dès qu l a épusé sa capacté ou qu l a serv toutes les demandes en attente. 75

28 EXEMPLE DE SERVEUR PAR SCRUTATION (ordonnancement RM) Deux tâches pérodques : T p1 (r 1,0 =0,C 1 =3,P 1 =20) ; T p2 (r 2,0 =0,C 2 =2,P 2 =10) ; Une tâche pérodque serveur : T ps (r s,0 =0,C s =2,P s =5) ; Tros tâches apérodques : T a3 (r 3 =4,C 3 =2) (bleu) ; T a4 (r 4 =10,C 4 =1) (rouge); T a5 (r 5 =11,C 5 =2) (vert); Exemple de tratement de tâches apérodques par serveur de scrutaton dans un contexte d ordonnancement TR des tâches pérodques 76