Ordonnancement temps réel robuste pour les systèmes embarqués

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1 Ordonnancement temps réel robuste pour les systèmes embarqués INRIA Rocquencourt - Aoste Laurent George - Yves Sorel lgeorge@ieee.org yves.sorel@inria.fr Digiworlds 12 septembre 2012

2 Sommaire Concepts temps réel Robustesse temporelle Généralités Sensibilité des WCET Facteur d accélération Dépassement des WCET Prise en compte du coût de l OS Conclusion et perspectives 2

3 Domaines applicatifs Problèmes d ordonnancement temps réel se posent dans la plupart des systèmes embarqués Automobile Contrôle moteur et chassis, Avionique, spa;al Commandes de vol, a@errissage Télécom Architectures mul;coeur + sécurité Systèmes embarqués Mul;média Mul;coeur + parallélisme Défense Pilotage, Internet, Réseaux de Capteur QoS temporelle 3

4 Concepts temps réel Le Déterminisme Garantir qu un Système Temps Réel (STR) respectera ses spécifications temporelles pendant toute sa durée de vie Pour nous : garantir la ponctualité des traitements (tâches) exécutées par le STR Comment garantir le déterminisme? Exprimer les conditions de faisabilité ou d ordonnançabilité pour ce système c.a.d les conditions dans lesquelles les contraintes temps réel seront toujours respectées Approche pire cas 4

5 Concepts temps réel Méthode classique de résolution d un STR Approche «pire cas»: Etablir le modèle de tâches : pires temps d exécution (WCET), lois d activations et contraintes temporelles Identifier la classe du problème d ordonnancement par exemple avec ou sans préemption, mono/multi-processeur, etc. Pour cette classe de problème Déterminer les pires scenarii de première activation des travaux des tâches si ils ne sont pas connus à priori : cas non-concret Ou prendre en compte les premières dates d activation des travaux lorsqu elles sont connues : cas concret Exprimer les conditions de faisabilité associées Vérifier que ces conditions sont valides pour une architecture matérielle donnée Le problème est plus difficile lorsque l architecture est multiprocesseur 5

6 Concepts temps réel Une tâche τ i génère des travaux (job) à son activation Durée d exécution pire cas C i (Worst Case execution Time : WCET) Lois d activation d une tâche τ i : Périodique : les demandes d activation de la tâche τ i sont périodiques, de période T i Sporadique : les demandes d activation de la tâche τ i ont une inter-arrivée T i 6

7 Concepts temps réel Modèle de contrainte temporelle L échéance de terminaison au plus tard Tout job d une tâche τ i d instant d activation t i doit être terminé à l instant t i + D i D i est l échéance relative de la tâche t i + D i est l échéance absolue du job L échéance de bout en bout ou latence Fait intervenir plusieurs tâches 7

8 Concepts temps réel Paramètres d une tâche τ i périodique ou sporadique Une tâche t i (i=1 n) est définie par C i : son WCET T i : son inter-arrivée minimum (période) Echéance Pour tout i=1 n Contraintes D i T i D i : son échéance relative Utilisation : C i /T i Préemptive ou non préemptive Implicites Arbitraires D i =T i Pas de relation imposée Di T i 0 t i 2T i t i +Di D i t Cas d une tâche périodique synchrone avec Di<Ti 8

9 Concepts temps réel Les tâches sont gérées lors de leur exécution par un ordonnanceur Modèles d ordonnanceurs Event Driven: L ordonnanceur est invoqué sur événement externes (activation/terminaison d un job) Time Driven: L ordonnanceur détermine ses instants d invocation en fonction d un timer (en général : invocation périodique) Non oisif (work conserving) : L ordonnanceur ne peut laisser un job en attente s il n a rien à faire Coût de préemption Négligé (au mieux intégré dans le WCET)? La majeure partie des travaux sur le temps réel négligent ce coût, hypothèse prise dans la suite sauf indication 9

10 Concepts temps réel Algorithme d ordonnancement à priorité fixe au niveau des tâches Fixed Priority (FP) : une priorité fixe est attribuée au niveau de la tâche, les jobs héritent de cette priorité RM DM Priorité fonction de la période de la tâche Plus la période est petite, plus un job est prioritaire Priorité fonction de l échéance relative de la tâche Plus l échéance relative est petite, plus un job est prioritaire Procédure d Audsley alloue les priorités optimales 10

11 Conditions Suffisantes de faisabilité Ordonnancement RM (échéances implicite) [Serlin 72], [Liu & al. 73] U = n i= 1 C T i i n(2 1/ n 1) Lim n->+ [n(2 1/n -1)] = ln(2) = 0,69 => tant que U 0,69, RM fonctionne Laurent George - 40 ans de recherche en ordonnancement temps réel - le cas monoprocesseur 11

12 Concepts temps réel Ordonnancement à priorité fixe au niveau des jobs Earliest Deadline First (EDF), FIFO Cas EDF Priorité = échéance absolue du job Le job d échéance absolue la plus petite est le plus prioritaire Cas FIFO Priorité (virtuelle) = date de demande d activation du job 12

13 Concepts temps réel Ordonnancement à priorité dynamique au niveau des jobs Least Laxity First (LLF) La priorité d un job de τ i à un instant t est t i + D i ( t + C i (t) ) Avec: t i : instant de demande d activation du job de τ i C i (t) : durée d exécution restant pour ce job Ci(t) priorité t i t t i +D i 13

14 Concepts temps réel Optimalité d un algorithme d ordonnancement Un algorithme d ordonnancement est optimal s il trouve toujours un ordonnancement valide (respectant les échéances) pour tout jeu de tâches ordonnançables. Contraposée de cette définition Si un algorithme optimal ne trouve pas d ordonnancement valide alors il n existe pas de solution au problème d ordonnancement! L optimalité est très liée au contexte (modèles de tâches, modèles d ordonnancement, ) 14

15 Concepts temps réel Comment garantir le respect de l échéance d une tâche? Condition de Faisabilité (CF) suffisantes CF CNS basée sur le calcul du pire temps de réponse Pour un job d une tâche τ i, déterminer r i, la pire durée entre sa date de demande d activation sa date de fin d exécution. Une CS de faisabilité en découle CF CNS basée sur une quantité de travail exécutée dans un intervalle de temps 15

16 Robustesse temporelle Les CF ne considèrent pas la possibilité de déviation des paramètres des tâches par rapport à leurs spécifications La robustesse temporelle a pour objectif d étudier les déviations limites acceptables ne remettant pas en cause l ordonnançabilité des tâches Ceci peut être fait Dans une phase de dimensionnement : analyse de sensibilité, prise en compte du coût du système En-ligne en proposant des algorithmes de tolérance aux fautes garantissant la sureté du système en cas de déviation 16

17 Robustesse temporelle Impact d un changement des paramètres des tâches Faut-il tester à nouveau les conditions de faisabilité? Est-il possible d extrapoler dans une phase de dimensionnement un résultat de faisabilité obtenu sur une architecture donnée à une nouvelle architecture? Quel mécanisme de sûreté de fonctionnement utiliser en-ligne en cas d observation d une déviation? (ex: service de protection temporelle dans AUTOSAR) 17

18 Robustesse temporelle Causes de déviation des WCETs Le WCET peut être pessimiste par rapport à la durée d exécution observée ou sous-estimé dans le cas d une mesure (benchmark) Une erreur logicielle peut conduire à un dépassement du WCET Un changement de fréquence du processeur (réduction de la consommation d énergie) Le WCET dépend des conditions d exécution (type de mémoire, type de cache, ) Approche possible : utiliser des WCET estimés pour le dimensionnement et déterminer les limites de déviations acceptable des WCETs 18

19 Robustesse temporelle Causes de déviation des périodes Il peut être souhaitable pour certaines tâches de les activer plus ou moins souvent en fonction de la situation Par exemple : mesurer l altitude d un avion plus fréquemment en phase d atterrissage Adaptation en-ligne des périodes en fonction du profil d exécution 19

20 Robustesse temporelle Causes de déviation des échéances Dans le cas d une tâche ayant une contrainte de gigue, réduire l échéance de la tâche peut permettre de réduire sa gigue Suppose un algorithme d ordonnancement se basant sur les échéances Intéressant pour une tâche de contrôle commande ou une tâche multimédia 20

21 Sensibilité des WCETs Approches d analyses de sensibilité des WCETs Détermination du facteur d échelle α maximum (scaling factor) Pour toute tâche τ i dans τ: Si C i -> α C i Si τ est ordonnançable, quelle est la valeur maximal d expansion des WCET? Si τ n est pas ordonnançable, de combien faut-il réduire les WCETs pour obtenir un jeu de tâches ordonnançable? 21

22 Sensibilité des WCETs (suite) Approches d analyses de sensibilité des WCETs (suite) Détermination du domaine de faisabilité des WCETs (C-Space) à n dimensions Détermination des équations paramétriques caractérisant le C-space Problème d optimisation pour réduire le C-space aux contraintes les plus dures 22

23 Facteur d accélération (Speedup Factor) Facteur par lequel la vitesse d un processeur peut être augmentée tel que tout jeu de tâches ordonnançable par un algorithme optimal le soit par un ordonnancement à priorités fixes optimal 23

24 Dépassements de WCET en ligne Un dépassement de WCET ne provoque pas nécessairement une rupture d échéance Avec suffisamment de ressources CPU, un système peut s auto-stabiliser sans remettre en cause les échéances des tâches Le problème est de déterminer pendant combien de temps il est possible de laisser une tâche dépasser son WCET Par une analyse de sensibilité basée sur le C-space si la complexité du C-space le permet par un calcul de marge (allowance) [Bougueroua & al 07] 24

25 Dépassements de WCET en ligne Est-il possible d accepter en ligne des dépassements de WCET sans compromettre les échéances des tâches? Concept de marge (Allowance) La marge représente la durée d exécution supplémentaire à donner à la tâche sans remettre en cause les échéances de tâches Le calcul de la marge peut être effectué de manière Statique (valide dans n importe quel scenario) Dynamique (à l instant où se produit le dépassement) Hybride Pb : Le calcul de marge a une complexité pseudo polynomiale => Approche statique préférable 25

26 Prise en compte du coût de l OS Le dimensionnement d un système temps réel est basé sur l établissement de Conditions de Faisabilité (CF) Les conditions de faisabilité considèrent soit Un OS parfait, sans coût dans les CF Ou prennent en compte les coûts à l aide d une marge supplémentaire dans la durée d exécution de la tâche (WCET) Il faut caractériser le coût de l OS et étudier comment inclure ce coût dans les conditions de faisabilité 26

27 Conclusion L ordonnancement temps réel est un vaste domaine de recherche indispensable à la conception et à la réalisation de systèmes embarqués La robustesse temporelle permet d introduire de la flexibilité dans le dimensionnement de ces systèmes 27

28 Perspectives Mélange préemptif non préemptif, en ligne hors ligne Sensibilité multi-critères (WCET, période, échéance) Prise en compte du coût exact de la préemption Le cas synchrone n est plus le pire cas ([Meumeu 2010]): problème ouvert Les propriétés de cyclicité des ordonnancements pourraient être remises en cause Temps réel et énergie (batterie de durée de vie limitée) Approche DPM (Dynamic Power Management) Approche DVFS (Dynamic Voltage Freq. Scaling) Multi mode: problématique de changement de mode: comment passer d un mode d exécution à un autre 28

29 Perspectives Criticité mixte (mixed criticality) : plusieurs tâches de différents niveaux de criticité coexistent [Vestal 2007, Santy 2012] mais sont en isolation Une certification différente par niveau de criticité Evolution vers des systèmes de systèmes où des tâches de criticité différentes doivent pouvoir échanger des informations Pb : la certification impose le niveau de criticité maximum Evolution vers les architectures post-moore Temps réel probabiliste 29

30 Perspectives Architectures post moore Evolution vers des tailles nanométriques Parallélisme important, problématique de l interconnect Influences mutuelles des composants (diaphonie, problèmes thermiques) Grande variabilité des composants, besoin de robustesse et d adaptivité Besoin de logiciel pour gérer les imperfections du hard! 30

31 Références [Audsley 91] N. C. Audsley. Optimal priority assignment and feasibility of static priority tasks with arbitrary start times. Dept. Comp. Science Report YCS 164, University of York,1991. [Balbastre & Ripoll 02] Balbastre P., Ripoll I., «Schedulability analysis of window-constrained execution time tasks for real-time control», Proc. of the 14 th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS 02), [Baruah & al 90] S. Baruah, R. Howell, and L. Rosier. Algorithms and complexity concerning the preemptive scheduling of periodic real-time tasks on one processor. Real-Time Systems, Vol. 2, pp , [Bimbard & al 06] F.Bimbard, L. George, FP/FIFO Feasibility Conditions with Kernel Overheads for Periodic Tasks on an Event Driven OSEK System, 9th IEEE International Symposium on Object and component-oriented Realtime distributed Computing, April 2006, Kolon Hotel, Gyeongju, Korea. [Bini & al 04] Bini E., Buttazzo G., «Schedulability Analysis of Periodic Fixed Priority Systems», IEEE Transactions On Computers, Vol. 53, No. 11, Nov.,

32 Références (suite) [Bini & al 06] Bini E., Di Natale M., Buttazzo G., «Sensitivity Analysis for Fixed- Priority Real-Time Systems», Proc. of the 18th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS 06), Dresden, Germany July 5-7, 2006 [Bougueroua & al 07] Bougueroua L., George L., Midonnet S., «Dealing with execution-overruns to improve the temporal robustness of real-time systems scheduled FP and EDF», The Second International Conference on Systems (ICONS 07), April 22-28, [Choquet & al 04] A. Choquet-Geniet and E. Grolleau, Minimal schedulability interval for real-time systems of periodic tasks with offsets, Theor. Comput. Sci.,vol. 310, no. 1-3, pp , [Davis & al 09] Davis, R.I., Rothvoß, T., Baruah, S.K., Burns, A., Quantifying the Sub-optimality of Uniprocessor Fixed Priority Pre-emptive Scheduling for Sporadic Tasksets with Arbitrary Deadlines. In proceedings of Real- Time and Network Systems (RTNS'09), pages 23-31, Oct th, [Davis & al 10] R. Davis, L. George, P. Courbin, Quantifying the Sub-optimality of Uniprocessor Fixed Priority Non-Pre-emptive Scheduling, 18th International Conference on Real-Time and Network Systems (RTNS 2010), Toulouse, France, November 4-5,

33 Références (suite) [George & al 96] L. George, N. Rivierre, and M. Spuri. Preemptive and nonpreemptive scheduling real-time uniprocessor scheduling. INRIA Research Report, No. 2966, September [George & al 09] L. George, J.F. Hermant, On the characterization of the space of feasible WCETs for earliest Deadline First scheduling, Journal of Aerospace Computing, Information and Communication (JACIC), American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) [George & al 11] L. George, P. Courbin, and Y. Sorel, Job vs. portioned partitioning for the earliest deadline first semi-partitioned scheduling, Journal of Systems Architecture - Embedded Systems Design, vol. 57, no. 5, pp , [Goossens & al 97] J. Goossens, R. Devillers, The non-optimality of the monotonic priority assignments for hard real-time offset free systems, Real- Time Systems, Vol.13, Num. 2, Sept [Goossens 03] J. Goossens, Scheduling of offset free systems, Real-Time Systems, 24(2), , March

34 Références (suite) [Jeffay & al 91] K. Jeffay, D.F. Stanat, C. U. Martel, On Non-Preemptive Scheduling of Periodic and Sporadic Tasks, Proceedings of the Twelfth IEEE Real-Time Systems Symposium, SanAntonio, Texas, December 1991, IEEE Computer Society Press, pp [Lehoczsky 91] Lehoczky J., Sha L., Ding Y., «The Rate-Monotonic scheduling algorithm : exact characterization and average case behavior», Proceedings of 10th IEEE Real-Time Systems Symposium, [Leung & al 80] Joseph Y.-T. Leung, M.L. Merrill, A note on preemptive scheduling of periodic real-time tasks, Information processing letters, 11(3): , November [Leung & al 82] Joseph Y.-T. Leung, Jennifer Whitehead, On the complexity of fixed-priority scheduling of periodic, real-time tasks. Performance evaluation, 2: , [Manabe 98] Y. Manabe and S. Aoyagi. A feasibility decision algorithm for rate monotonic and deadline monotonic scheduling. Real-Time Syst., 14(2) : ,

35 Références (suite) [Meumeu 2009] P. Meumeu Yomsi. Prise en compte du coût exact de la préemption dans l`ordonnancement temps réel monoprocesseur avec contraintes multiples (In French). Université Paris Sud - Orsay / Paris 11, [Mok 83] A. K. Mok. Fundamental design problems for the hard real-time environments. MIT Ph.D. Dissertation, May [Serlin 72] Omri Serlin, Scheduling of time critical processes, In the 1972 Spring Joint Conference, vol. 40 of AFIPS Conference Proceedings,