Systèmes d Exploitation temps réel. Ordonnancement. Gabriel FREY 2013

Transcription

1 Systèmes d Exploitation temps réel 1

2 2 Plan de l intervention 1. Introduction aux Systèmes Temps Réel 2. Programmation des STR 3. Problématique et objectifs Définitions, classification des ordonnancements Algorithmes 4. FreeRTOS

3 3 Problématique et objectifs

4 4 Problématique En fonctionnement normal, il faut respecter les contraintes temporelles spécifiées pour toutes les tâches. En fonctionnement anormal, il faut limiter les débordements temporels et assurer le respect des contraintes temporelles des tâches les plus critiques.

5 5 Objectifs Assurer la prédictibilité, c est à dire, assurer à priori que toutes les tâches respectent leurs échéances. 2 piliers : Analyse des WCET (Worst Case Execution Time) : liés au programme (structures dynamiques, boucles, ) ou au matériel (cache, pipeline, ). des tâches.

6 6 Objectifs Autres objectifs : Maximiser l utilisation du processeur. Présenter un temps de réponse acceptable. Respecter l équité entre les processus selon le critère d ordonnancement utilisé.

7 7 Définitions

8 8 Définitions L ordonnanceur (planificateur, scheduler) est la partie (un programme) du système d exploitation responsable de régler les états des processus (Prêt, Actif,...etc.) et de gérer les transitions entre ces états. C est l allocateur du processeur aux différent processus.

9 9 Définitions Politique d ordonnancement : politique d allocation des tranches de temps processeur. Méthode d ordonnancement : caractérisée par : Méthode effective de construction de l emploi du temps du processeur (online ou offline). Le critère de test d ordonnançabilité (offline) la prédiction du comportement «au pire cas».

10 10 Types de tâches : Définitions Tâches périodiques : déclenchées par le temps. Caractéristiques connues à l avance. Ex: contrôle d intégrité d un équipement. Tâches apériodiques : déclenchées par un événement extérieur. Caractéristiques partiellement non-connues. Ex: capteur de collision. Tâches sporadiques : tâches apériodiques avec un temps minimum entre arrivées connu. Ex: séparation des étages dans un lanceur (Ariane-5).

11 11 Classification des ordonnancements

12 12 Classification Critères de classification : L instant ou l ordre d exécution est décidé : offline / online. Possibilité d interruption d une tâche par une autre : préemptif / non préemptif.

13 13 offline / online offline : La séquence d ordonnancement est pré-calculée avant l exécution effective. On parle de «timedriven scheduling». A l exécution, l ordonnanceur est un simple séquenceur («cyclic scheduler»).

14 14 offline / online online : Les décisions d ordonnancement sont prises au cours de l exécution. A l exécution, l ordonnanceur exécute un algorithme d ordonnancement permettant de savoir à tout instant quelle tâche exécuter. Généralement, ces ordonnancements sont conduits par la priorité des tâches.

15 15 préemptif / non préemptif non préemptif : On n interrompt jamais une tâche au profit d une autre tâche, même de priorité plus forte. préemptif : La tâche en cours peut perdre le processeur au profit d une autre tâche jugée plus urgente.

16 16 préemptif / non préemptif Exemple d ordonnancement préemptif : dirrigé par la priorité : Algorithme d ordonnancement : sélectionner la tâche la plus prioritaire. prio(t3) > prio(t2) > prio(t1) (ici, priorités fixes) T1, T2 et T3 arrivent respectivement aux dates 1, 2, et 3

17 17 optimal Un algorithme d ordonnancement est appelé optimal (pour une classe de problèmes) quand il produit un emploi du temps processeur faisable chaque fois qu un autre algorithme d ordonnancement peut le faire. A l inverse, un algorithme est appelé heuristique quand il ne garantit pas d être optimal.

18 18 Algorithmes

19 19 Généralités Choix online : temps partagé avec politique du tourniquet (round-robin) : Algorithme généraliste. Souvent utilisé en complément du mécanisme de priorité pour des tâches de priorités égales.

20 20 Généralités Choix online, préemptif, dirrigé par la priorité : Sélection de la tâche la plus prioritaire. Classification : Priorité fixe : indépendant du temps. Priorité dynamique : évoluant avec le temps. Très utilisé dans le temps réel.

21 21 Panorama des algorithmes des tâches périodiques : non préemptif à base de tables préemptif à priorité fixe Rate Monotonic Scheduling Deadline Monotonic Scheduling préemptif à priorité dynamique Earliest Deadline First Least Laxity First des tâches apériodiques : Serveur à scrutation Serveur différé Serveur sporadique Partage de ressources : Priority Inheritance Protocol Priority Ceiling Protocol Variante : PCP immédiat

22 22 Notations Caractéristiques de la tâche τ i : C i : durée de calcul de τ i P i : période de τ i D i : échéance de τ i

23 23 non-préemptif des tâches périodiques

24 24 à base de table Hypothèse : tâches périodiques. Principe : Cycle majeur : PPCM des périodes. Cycle mineur : non-préemptible. Le cycle mineur divise le cycle majeur.

25 25 à base de table τ i P i C i τ τ τ τ 1 τ 2 τ 3 Cycle mineur Cycle majeur

26 26 à base de table Avantages : Efficace! Pas besoin d exclusion mutuelle. Inconvénients : Peu flexible : impact d une tâche supplémentaire, traitement des tâches apériodiques. Construction difficile de la table : découpe complexe lorsqu il faut tenir compte des contraintes temporelles, des ressources partagées, etc

27 27 préemptif des tâches périodiques à priorités statiques

28 28 RMS (Rate Monotonic Scheduling) Hypothèse : tâches périodiques, préemptibles et indépendantes. Objectif : affecter les priorités aux tâches dans l ordre de leurs périodes (= les tâches les plus courtes sont les plus prioritaires). Principe : Une activation de tâche réveille l ordonnanceur. Il choisit la tâche éligible de plus courte période.

29 29 RMS (Rate Monotonic Scheduling) τ i P i C i τ τ τ τ 1 > τ 2 > τ 3 τ 1 τ 2 τ

30 30 RMS (Rate Monotonic Scheduling) Avantages : Simple à mettre en œuvre. Optimal pour les ordonnancement à priorités statiques. Très répandu. Inconvénients : surdimensionnement possible du système.

31 31 DMS (Deadline Monotonic Scheduling) Généralisation de RMS. Hypothèse : Quand l échéance est inférieure à la période. Principe : proche de RMS. Classement des tâches par échéance croissantes.

32 32 DMS (Deadline Monotonic Scheduling) Avantages : Identiques à RMS. RMS pénalise les tâches à périodes longues mais urgentes (à échéance courte). DMS est meilleur dans ce cas là. Inconvénients : identiques à RMS.

33 33 Résumé : RMS & DMS Algorithmes optimaux avec priorités statiques.

34 34 préemptif des tâches périodiques à priorités dynamiques

35 35 EDF (Earliest Deadline First) Objectif : obtenir une meilleure occupation du processeur. A tout moment, la tâche ayant l échéance la plus proche occupe le CPU. Il y a préemption quand une tâche arrive et que son échéance est plus courte que celle en cours de traitement. Hypothèses : tâches périodiques, préemptibles et indépendantes.

36 36 EDF (Earliest Deadline First) τ i D i C i τ τ τ τ 1 τ 2 τ

37 37 Avantages : EDF (Earliest Deadline First) Utilisation possible de 100% du processeur. Meilleur que RMS pour les tâches de courte échéance. Optimal pour les ordonnancements dynamiques. Inconvénients : Légère complexité de mise en œuvre. Moins répandu que RMS.

38 38 Variante de EDF. LLF (Least Laxity First) Principe : Une activation de tâche réveille l ordonnanceur. Il choisit la tâche éligible de moindre marge. Marge = échéance temps de calcul restant temps courant

39 39 LLF (Least Laxity First) Avantages : meilleur qu EDF dans le cas de si le temps d exécution est connu. Inconvénients : Forte complexité de mise en œuvre (calcul du temps restant). Nombre de préemption engendrées supérieur.

40 40 Comparaison RMS - EDF τ i P i C i τ τ τ 1 τ 2 EDF τ 1 τ 2!!!! RMS

41 41 Comparaison RMS - EDF RMS/DMS sont des algorithmes optimaux avec priorités statiques. EDF/LLF sont des algorithmes optimaux avec priorités dynamiques. RMS : très utilisé en pratique. EDF : offre une meilleur occupation du processeur, et donc une meilleur ordonnançabilité mais plus difficile à implémenter et instable en cas de surcharge.

42 42 des tâches apériodiques

43 43 Principe : des tâches apériodiques Les tâches apériodiques doivent être intégrées dans un ordonnancement à tâches périodiques. Les tâches périodiques doivent respecter leurs échéances. Définitions : Les tâches apériodiques sont activées à des instants aléatoires. Les tâches sporadiques se caractérisent par un délai minimum entre deux activations.

44 44 Ajout de tâches apériodiques Principe : traiter les tâches apériodiques comme des tâches périodiques lorsque l ordonnancement le permet. Hypothèses : l admission doit s effectuer dynamiquement.

45 45 Serveur en arrière plan Les tâches apériodiques sont traitées séquentiellement par un serveur de faible priorité. Le serveur n a pas de temps de calcul associé ou de capacité : il remplit les trous dans l ordonnancement.

46 46 Serveur en arrière plan D i C i Priorité Evt Evt τ τ Serveur * * 10 τ 1 τ 2 SA

47 47 Serveur en arrière plan Avantage : extrêmement simple à mettre en œuvre. Inconvénients : On ne peut pas prédire les échéances de traitement des tâches apériodiques. Les tâches apériodiques peuvent être critiques. Mauvais temps de réponse en cas de charge : pénalisant.

48 48 Serveur à scrutation Les tâches apériodiques sont traitées séquentiellement par un serveur de forte priorité. Le serveur dispose d une capacité et d une période. La capacité est réallouée toutes les périodes. Le serveur devenu inactif perd sa capacité. Le serveur devenu actif traite toutes les tâches apériodiques dans la limite de sa capacité.

49 49 Serveur à scrutation D i C i Priorité Evt Evt τ τ Serveur τ 1 τ 2 SA

50 50 Serveur à scrutation Avantage : facile à mettre en œuvre. Inconvénients : En relâchant sa capacité, le serveur épuise son temps alloué pour les tâches à venir. Mauvais temps de réponse. Le traitement peut s étendre sur plusieurs périodes même pour une tâche de courte durée.

51 51 Serveur différé Les tâches apériodiques sont traitées séquentiellement par un serveur de forte priorité. Le serveur dispose d une capacité et d une période. La capacité est réallouée toutes les périodes. Le serveur devient actif lorsqu une tâche apériodique est à traiter et que sa capacité n est pas épuisée.

52 52 Serveur différé D i C i Priorité Evt Evt τ τ Serveur τ 1 τ 2 SA

53 53 Serveur différé Avantage : il ne consomme sa capacité qu en présence de tâches apériodiques. Inconvénients : La consommation de la capacité ainsi que sa réallocation peuvent survenir à la suite, et rallonger artificiellement le temps autorisé au serveur. Il peut donc se comporter comme une tâche ayant le double de son budget et rendre le système difficilement analysable.

54 54 Serveur sporadique Les tâches apériodiques sont traitées séquentiellement par un serveur de forte priorité. Le serveur dispose d une capacité et d une période. Le montant exact du temps consommé est crédité après un délai d une période. Le serveur devient actif lorsqu une tâche apériodique est à traiter et que sa capacité n est pas épuisée.

55 55 Serveur sporadique D i C i Priorité Evt Evt τ τ Serveur τ 1 τ 2 SA

56 56 Serveur sporadique Avantage : Résout le problème du serveur différé. Inconvénient : forte complexité comparé au serveur différé.

57 57 Partage des ressources

58 58 Blocage et ordonnancement Si τ 1 > τ 2. τ 1 est bloquée par une ressource détenue par τ 2. τ 2 s exécute pendant que τ 1 attend. Inversion de priorité => Besoin de politiques pour minimiser le temps de blocage et le rendre déterministe.

59 59 Priority Inheritance Protocol Problème : un ordonnancement préemptif peut conduire à une situation d inversion de priorité où une tâche de faible priorité bloque une tâche de priorité supérieure. Solution : l héritage de priorité monte la priorité de la tâche bloquante au niveau de celle bloquée. Une fois le sémaphore libéré, la tâche bloquée retrouve sa priorité initiale.

60 60 Priority Inheritance Protocol Avantage : le temps de blocage dû à la situation d inversion de priorité se limite à l utilisation de sémaphore par la tâche de faible priorité. Inconvénients : En cas d accès à plusieurs sémaphores, la tâche de forte priorité va enchaîner les temps de blocage. Dans le cas d accès à un sémaphore par plusieurs tâches, les élévations de priorités vont s enchaîner. Il y a un blocage des tâches intermédiaires qui ne partagent pas le sémaphore.

61 61 Problèmes : Priority Ceiling Protocol Les temps de blocage peuvent s enchaîner, de même que les élévations de priorité. Les interblocages restent possibles. Solution : Chaque ressource a un plafond = la priorité de la plus haute tâche qui peut l utiliser. Une tâche peut acquérir une ressource si : La ressource n est pas déjà retenue bien évidemment. La priorité dynamique de la tâche est supérieure au plafond de toutes les ressources déjà bloquées par d autres tâches.

62 62 Priority Ceiling Protocol Avantages : Pas d enchaînement des temps de blocage. Pas d élévation des niveaux de priorité. Pas de risques d interblocage. Inconvénient : très complexe à mettre en œuvre.

63 63 Tâche préemptée Exécution sans ressources Exécution avec Q acquis Exécution avec R acquis Exécution avec R et Q acquis Tâche bloquée En images! P(R/Q) : acquisition de R/Q. V(R/Q) : libération de R/Q. priorités P(R) P(Q) d P(R) V(R) c V(R) V(Q) priorités d c P(R) P(Q) V(R) V(Q) P(R) V(R) b a P(Q) V(Q) b a P(Q) V(Q) PIP PCP

64 64 Variante : PCP immédiat Chaque fois qu une tâche acquiert une ressource, la priorité de la tâche est levée au niveau plafond de la ressource.

65 65 Variante : PCP immédiat Même temps de blocage au pire des cas. Plus facile à implémenter (pas d héritage des priorités, pas de tests au moment de l acquisition). Moins de changement de contexte (le blocage ne survient qu une fois). Implémenté en POSIX, Java RT,

66 66 Tâche préemptée Exécution sans ressources Exécution avec Q acquis Exécution avec R acquis Exécution avec R et Q acquis Tâche bloquée En images! P(R/Q) : acquisition de R/Q. V(R/Q) : libération de R/Q. priorités d c P(R) P(R) P(Q) V(R) V(Q) V(R) priorités d c P(Q) V(R) P(R) V(Q) P(R) V(R) b a P(Q) V(Q) b a P(Q) V(Q) PCP PCP immédiat

67 67 Résumé : cyclique : Système programmé comme un ensemble de procédures. Appels groupés dans des cycles mineurs. Au bout de plusieurs cycles mineurs, le schéma se répète (cycle majeur). Beaucoup d inconvénients résolus par des politiques préemptives à base de priorités.

68 68 Résumé : Politiques à base de priorités fixes : Affectation optimale des priorités (RMS, DMS). Analyse du temps de réponse peut prendre en compte Processus apériodiques. Temps de blocage causé par la synchronisation. Implémentées en POSIX, Ada, Java RT,

69 69 Résumé : Politiques à base de priorités dynamiques : Politiques optimales en monoprocesseur : EDF, LLF. Meilleure occupation du processeur. Implémentation plus complexe.

70 70 Résumé : Pour satisfaire les contraintes de temps dans les environnements temps réel dur, le souci premier doit être la prédétermination du comportement du système. Bien souvent, l ordonnancement offline avec des priorités statique est le seul moyen pratique d atteindre un comportement prévisible dans un système complexe.

71 71 Conclusion STR : conclusion

72 72 Conclusion Conclusion STR = systèmes dont la correction est définie par les résultats et aussi par les moments où ces résultats doivent être disponibles. Haute criticité : besoin strict de correction, de sûreté de fonctionnement et de prédictibilité.

73 73 Conclusion Conclusion Techniques employées : Programmation concurrente : concurrence, synchronisation et communication. Programmation des aspects temporels : attentes, interruption par temporisation, Gestion des échéances par une politique d ordonnancement temps-réel, prédiction du comportement dans le pire des cas.

74 74 Conclusion Aller plus loin Techniques employées : Architectures matérielles prédictibles. Méthodes et langages d analyse. Méthodes et langages de conception. Techniques de validation et de certification : vérifications formelles,