Escalonamento (Scheduling)

Transcrição

1 1 Escalonamento (Scheduling) César Yutaka Ofuchi (adaptado do prof. André Schneider de Oliveira/ prof. Hugo Vieira)

2 2 Ciclo de Vida de Serviços

3 3 Escalonamento de Processos Responsável por determinar qual tarefa deve ganhar o processador, possibilitando a execução de diferentes tarefas em sistemas monocore Gerenciamento das tarefas deve respeitar o compartilhamento de recursos e comunicação entre tarefas Escalonador deve escolher a tarefa de acordo com critérios pré-estabelecidos (prioridade, deadline,...), dentre os processos prontos (ready) para executar Preempção pode ser utilizada para retirar um processo em execução e colocar outro mais prioritário.

4 4 Diagrama de Gantt

5 5 Tipos de Tarefas Periodicidade permite a formulação de modelos analítico para prever e garantir os tempos de computação dentro de intervalos aceitáveis. Tarefas aperiódicas e esporádicas devem ser transformadas em tarefas periódicas, mesmo que isto conduza a situações de utilização do processador muito pessimistas.

6 Métodos de Escalonamento Não preemptivo/cooperativo Threads decidem voluntariamente quando parar Ex. First Come First Served Yield() Preemptivo Serviço de uma tarefa pode ser suspenso temporariamente em qualquer ponto e a qualquer instante. Prioridade fixa. Ex: Round Robin Prioridade variável. Ex: Earliest Deadline First 6

7 7 Não Preemptivo x Preemptivo Preemptivo Prioridades Pa > Pb > Pc

8 Algoritmos de Escalonamento para tarefas periódicas Não preemptivo: First Come First Serve Preemptivo Prioridade Fixa: Round Robin Análise Monotônica Taxa/Rate (RMA) >Prioridade para períodos menores Prazo/Deadline (DMA) >Prioridade para prazos menores Prioridade dinâmica: Earliest Deadline First Deadline mais perto Least Laxity First Menor tempo para cumprir tarefa 8

9 9 First Come First Served- FCFS Escalonamento dinâmico não-preemptivo em que a ordem de execução dos serviços é determinada pela ordem em que entram no estado PRONTO. Raramente utilizado em aplicações em tempo real, a não ser como meio de desempate entre serviços de uma mesma fila de prioridade em escalonadores mais complexos.

10 10 Round Robin (Time Slicing) Escalonamento dinâmico preemptivo para tarefas de mesma prioridade semelhante ao FCFS no tratamento da ordem de execução dos serviços. No entanto, cada serviço recebe o controle do processador por um intervalo de tempo máximo Tq. Se o serviço não terminar dentro do intervalo Tq, será preemptido e terá que aguardar o próximo intervalo para continuar. Serviços podem ceder voluntariamente o controle do processador (Yielding) antes do final do seu intervalo de tempo.

11 11 Exemplo Round Robin Inicia depois

12 12 Round Robin Desempenho fortemente influenciado por: Tempo Tq Tempo de execução das tarefas Nº de tarefas ativadas Resultado final entre dois extremos se comparado ao FCFS Semelhante: Tq tempo de execução da tarefa mais demorada C demorada τ T q C demorada Ineficiência total: Tq tempo de execução do mecanismo de preempção (T preempção ). T q τ 1 T preempção τ 2

13 Round Robin + Prioridades + CMSIS RTX Tarefas com maior prioridade executam até o final de seu ciclo de vida (por ex. infinito) Caso seja necessário retirar a thread de execução: Ceder voluntariamente - Yield()- não funciona pois a tarefa continua na vez de executar devido a prioridade Necessário forçar a thread a não fazer nada por meio de delays ou aguardar recurso/eventos ou mudar sua prioridade. 13

14 14 Earliest Deadline First Seleciona o serviço com prazo terminando mais cedo dentre o conjunto de serviços que estão no estado PRONTO. Não-preemptivo: o serviço selecionado executa até o final, até entrar no estado SUSPENSO/ BLOQUEADO ou até entrar voluntariamente no estado PRONTO. Preemptivo: o serviço pode ser preemptido por outro serviço com prazo terminando mais cedo.

15 15 Exemplo EDF Preemptivo EDF não-preemptivo não é adequado, devido a interferência de serviços demorados com prazos longos em serviços recémchegados com prazos mais curtos

16 16 Least Laxity First Tempo de relaxamento: diferença de tempo entre o prazo efetivo e o prazo estimado do serviço.

17 17 Least Laxity First Prioridade determinada dinâmicamente, de modo que o serviço com menor tempo de relaxamento tenha a maior prioridade. Enquanto o serviço está no estado EXECUTANDO, seu prazo permanece inalterado. No entanto, quando está no estado PRONTO ou SUSPENSO/BLOQUEADO, seu prazo de termino estimado aumenta e portanto seu tempo de relaxamento diminui. Em algum momento no futuro será o serviço com maior prioridade.

18 18 Least Laxity First Quando duas ou mais tarefas possuem tempos de relaxamento muito próximos, acontece um efeito do tipo pingue-pongue, causando alto número de preempções que afetam negativamente o desempenho. Adequado para escalonamento preemptivo apenas (pelas mesmas razões do método EDF).

19 Highest Priority First Determina a ordem de execução das tarefas pela prioridade (pré-determinadas no projeto). Critérios: Importância e periodicidade das tarefas Prioridades estáticas pré-determinadas Análise Monotônica de Taxa - Rate (RMA) Prioridades maiores para serviços com períodos menores Análise Monotônica de Prazo Deadline (DMA) Prioridades maiores para serviços com prazos menores 19

20 20 Taxa de Utilização do Processador A taxa de utilização do processador em uma tarefa é seu tempo de computação C i dividido pelo seu período T i. Teoricamente, um conjunto de n tarefas é escalonável se a soma das taxas de utilização de todas as tarefas for menor ou igual a um: n i=1 Ci T i 1 Na prática, somente sob certas condições: Serviços devem encaixar-se perfeitamente em todas as combinações de fase entre ativações

21 21 Exemplo sem Prioridades Taxa de Utilização 2/6 3/12 5/ = 1

22 22 Exemplo com Prioridades (RMA) Taxa de Utilização 1/3 1/5 5/11 0, = 0,988

23 Teorema 1 Liu & Layland, 1973 Seja um conjunto de n tarefas periódicas com prazos iguais aos períodos e prioridades por RMA em ambiente preemptivo. Liu & Layland (1973) estabelecem um limite máximo U(n) para a taxa de utilização do processador, que garante a escalonabilidade deste conjunto de tarefas: n i=1 Ci U n = n 2 1 n 1 T i 23

24 24 Comportamento de U(n) Não escalonável Incerteza Escalonável n tarefas

25 25 Teorema 2 Liu & Layland, 1973 Se um conjunto de tarefas periódicas e independentes é ativado no mesmo instante, e cada tarefa atende o seu primeiro prazo, então todos os futuros prazos serão atendidos. O teorema não condiciona o conjunto de tarefas a RMA, sendo aplicável a qualquer esquema de prioridades estáticas.

26 26 Exercício para entrega APS Seja um conjunto de tarefas J 1, J 2 e J 3, com os seguintes períodos (T i ) e tempos de computação (C i ): Tarefas Tempo de computação (C) Período (T) us us J J J Os prazos das tarefas são iguais aos respectivos períodos e suas prioridades atribuídas por RMA.

27 Exercício para entrega APS Faça o escalonamento no intervalo de 0 a 6000us em intervalo de 100us. Pode-se afirmar que os períodos das tarefas são harmônicos? Determine se este conjunto de tarefas é teoricamente escalonável pelos seguintes métodos: 1. Taxa de utilização do processador 2. Rate Monotonic? Faça o escalonamento e verifique o Limite U(n) do Teorema de Liu & Layland (1973) também. Entregar o exercício em software de planilha como Excel ou Calc (libre office) até dia S11 23/11, S12 23/12. 27

28 28 Escalonamento com Bloqueio Tarefas não são independentes portanto escalonamentos estudados até aqui não são válidos. Recursos compartilhados Mutexes Semáforos Sincronização Problemas Impasse de bloqueio (deadlock) Inversão de prioridades Soluções Protocolo de herança de prioridade Protocolo de teto de prioridade

29 29 Impasse de Bloqueio (Deadlock) S2 S1 S1 S2???

30 30 Inversão de Prioridades S1 S2 S2 S2 S1 S1 No instante 17, a tarefa τ1 solicita a trava de S1 e, não conseguindo, permanece bloqueada até que o recurso S1 seja liberado no instante 23.

31 31 Inversão de Prioridades S1 S2 S2 S2 t=6 S1 S1 O tempo de bloqueio do recurso S1 é igual a 6, sendo fortemente influenciado pela interferência das tarefas τ2 e τ3 no tempo de resposta da tarefa τ4

32 32 Mars Pathfinder Inversão de Prioridade AGRAVANTE pois temporizador (watchdog) reiniciava o sistema caso t g demorasse muito Solução: HABILITAR flag de HERANÇA de PRIORIDADE!!

33 Priority Inheritance Protocol Sob o Protocolo de Herança de prioridade, uma tarefa possui: uma prioridade básica atribuída estaticamente uma prioridade ativa. A prioridade ativa de uma tarefa durante a seção crítica que detém a trava de um recurso é igual ao máximo entre sua prioridade básica e a maior prioridade ativa do conjunto de tarefas bloqueadas que esperam pela liberação do recurso. 33

34 34 Priority Inheritance Protocol prioridade S2 S1 - No instante 17 a tarefa τ1 requisita a trava do recurso S1, que está bloqueado pela tarefa τ4; - Tarefa τ4 herda a prioridade da tarefa τ1 e passa a ser executada - Tarefa τ4, retoma sua prioridade original após a liberação do recurso em questão

35 35 Priority Inheritance Protocol CMSIS RTOS utiliza este método para os mutexes O Protocolo de Herança de Prioridade não previne impasses de bloqueio e além disso pode levar à formação de cadeias de bloqueio.

36 36 Priority Ceiling Protocol Extensão do PIP mas com regra sobre o acesso aos recursos livres (para garantir que todos os recursos necessários estão livres). É definido um teto (ceiling) de prioridade para cada recurso igual à prioridade mais elevada de entre as tarefas que o usam. Uma tarefa só pode tomar um recurso se este estiver livre e se sua prioridade ativa for maior (>) que o teto do sistema ou se detém a trava do recurso que fixou o teto geral.

37 37 Priority Ceiling Protocol Definição do teto S1 S2 S1 tem teto de prioridade igual a 4 (utilizado nas tarefas τ1 e τ4) S2 tem teto de prioridade igual a 4 (utilizado nas tarefas τ1 e τ2)

38 38 Priority Ceiling Protocol S1 S1 S1 S2 No instante 13 a tarefa τ4 obtém a trava do recurso S1 e o teto geral passa para o teto de prioridade desse recurso

39 39 Priority Ceiling Protocol S1 S1 No instante 15 a tarefa τ2 requisita a trava do recurso S2 e não consegue, pois sua prioridade não é maior que o teto geral. A prioridade ativa da tarefa τ4 passa para o máximo das prioridades ativas das tarefas τ2 e τ4 (3), envolvidas com o recurso em questão.

40 40 Priority Ceiling Protocol S1 No instante 17 a tarefa τ1 requisita a trava do recurso S1 e não consegue, pois sua prioridade ativa não é maior que o teto geral; A prioridade ativa da tarefa τ4 passa para o máximo das prioridades ativas das tarefas τ1 e τ4, envolvidas com o recurso em questão

41 41 Priority Ceiling Protocol S1 S1 No instante 19 a tarefa τ4 libera o recurso S1 e sua prioridade ativa volta para a sua prioridade básica; O teto geral passa momentaneamente para 0

42 42 Priority Ceiling Protocol S1 S1 Ainda no instante 19 a tarefa τ1 obtém a trava do recurso S1 O teto geral passa para o teto de prioridade do recurso em questão

43 43 Priority Ceiling Protocol S1 S1 No instante 20 a tarefa τ1 libera o recurso S1 e sua prioridade ativa volta para a sua prioridade básica (neste caso, a mesma); O teto geral passa momentaneamente para 0

44 44 Priority Ceiling Protocol Ainda no instante 20 a tarefa τ1 obtém a trava do recurso S2 O teto geral passa para o teto de prioridade do recurso em questão

45 45 Priority Ceiling Protocol O que acontece nos instantes 15 e 17 previne impasses de bloqueio! Não é permitindo que outros recursos com teto de prioridade <= ao teto geral (recurso S2 nesse exemplo) sejam travados.

46 Resumo Escalonamento de tarefas periódicas/independentes Não preemptivo: First Come First Serve Preemptivo: Prioridade Fixa: Round Robin Análise Monotônica (Liu & Layland)» Taxa/Rate (RMA) >Prioridade para períodos menores» Prazo/Deadline (DMA) >Prioridade para prazos menores Prioridade dinâmica: Earliest Deadline First Deadline mais perto Least Laxity First Menor tempo para cumprir tarefa Escalonamento com bloqueio Problemas: Inversão de Prioridade/Deadlock Protocolo de Herança de Prioridade Protocolo de Teto de Prioridade 46

47 Considerações Suplementares Escalonamento de tarefas Esporádicas /Aperiódicas Algumas técnicas: Background Service Tarefas executadas quando processador esta ocioso Polling Server (PS) Tarefa periódica extra de baixa prioridade usada como servidor de para as tarefas aperiódicas Deferrable Server / Sporadic Server - Tarefa periódica de alta prioridade para servir pedidos aperiódicos. 47

48 Referências Luguesi, J. L., Ambiente de Apoio ao Ensino e Aprendizado do Escalonamento em Sistemas em Tempo Real. Dissertação de Mestrado, UTFPR, 2006 Capítulos 2 e 3, especialmente Liu, C. L.; Layland, J. W., Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment. Journal of the Association for Computing Machinery 20(1), pp , 1973 Sha, L.; Rajkumar, R.; Lehoczky, J. P., Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization. In IEEE Transactions on Computers 39(9), pp ,

49 49 Prática (pré-requisitos) Verificar se o arquivo RTX_Conf_CM.c está com OS_TICK correto e RoundRobin habilitado em 5ms. Verificar se a configuração da library está em SWO (caso contrário printf não funciona de forma correta).

50 50 Prática (pré-requisitos) Adicione um novo grupo chamado examples_scheduling para prática.

51 51 Prática parte 1 Baixar arquivo example_scheduler.c Execute o programa e verifique seu funcionamento. Verifique pelos printfs quanto tempo cada thread tem para executar e desenhe um gantt manualmente. Altere o parâmetro OS_ROBINTOUT para 15 e verifique o que acontece. Faça o job1 entregar (Yield) a tarefa antes (como se ela tivesse menos tempo) Desabilite o OS_ROBIN e rode o programa, o que acontece? Qual o tipo de escalonamento utilizado? Como fazer o programa alternar entre as tarefas, implemente. Adicionar threadyield ou delay (o 1º é mais eficiente) Volte as configurações originais, mas troque o while(tc>0) no job1 por while(1) e aumente a prioridade do job1. O que acontece? Tente o método Yield para entregar a tarefa. Tente o método osdelay para entregar a tarefa. Que diferença você nota?

52 Prática parte 2 Baixar arquivo example_scheduler_mutex_isr.c Execute o programa e verifique seu funcionamento. No job3 faça com que o loop interno que imprime crítico não seja preemptido. Qual a solução empregada? Coloque um breakpoint no código da ISR, rode o programa e aperte o joystick aleatoriamente A ISR tem que prioridade? Ela influencia nos printfs? Proteja a região crítica que imprime desabilitando/habilitando as interrupções. 52