Ένα αφαιρετικό πραγματικού χρόνου μοντέλο λειτουργικού συστήματος για MPSoC

Ένα αφαιρετικό πραγματικού χρόνου μοντέλο λειτουργικού συστήματος για MPSoC

Αρχιτεκτονική Πλατφόρμας Μπορεί να μοντελοποιηθεί σαν ένα σύνολο από διασυνδεδεμένα κομμάτια: 1. Στοιχεία επεξεργασίας (processing elements PE) 2. Συσκευές(devices D) 3. Κομμάτια επικοινωνίας(c)

Έργα (Tasks) To task(τ) είναι το κομμάτι το οποίο αποτελεί την βασική οντότητα την οποία διαχειρίζεται ο χρονοπρογραμματιστής Χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες παραμέτρους: Χρόνος που το task είναι διαθέσιμο προς εκτέλεση (r) Απόσταση από το r δίνεται εντολή να ξεκινήσει το task (o) Χρόνος που ξεκινά το task (s) Χρονικό διάστημα για την αλλαγή περιβάλλοντος (csw) Χρόνος για την χειρότερη περίπτωση εκτέλεσης (wcet) Χρόνος για την καλλύτερη περίπτωση εκτέλεσης (bcet)

Πραγματικός χρόνος εκτέλεσης (e) Χρόνος μέχρι τον οποίο πρέπει να έχει οπωσδήποτε εκτελεστεί (d) Περίοδος επανάληψης ενός περιοδικού task (T) τα μη περιοδικά task μπορούν να θεωρούνται περιοδικά με τυχαίο χρόνο επανάληψης

Προϋποθέσεις εκτέλεσης των task Προαπαιτούμενα. Για την εκτέλεση ενός task πρέπει να έχει προηγηθεί η εκτέλεση άλλων task. Οι εξαρτήσεις αυτές είναι απαραίτητες για την μοντελοποίηση της μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των task. Πόροι. Πρέπει να είναι διαθέσιμοι οι απαραίτητοι πόροι που θα χρειαστούν για την εκτέλεση του. Η απαίτηση αυτή των πόρων καθορίζεται ως εξής r(τ)={pecpu,dsensor,dmem,dbus} για ένα task που χρειάζεται για να εκτελεστεί: τον επεξεργαστή, ένα αισθητήρα, την μνήμη και το bus. Ανάθεση σε πόρους του task. Στην περίπτωση που διατίθενται πάνω από ένας ίδιοι πόροι χρειάζεται ανάθεση σε κάποιον από αυτούς του συγκεκριμένου task.

Προγραμματισμός των task Ανάλογα με το αν επιτρέπεται η διακοπή κατά την εκτέλεση ενός task με σκοπό την εκτέλεση κάποιου άλλου σημαντικότερου ο προγραμματισμός των task χωρίζεται σε ανταγωνιστικός και μη ανταγωνιστικός. Η προτεραιότητα των task μπορεί επίσης να είναι στατική ή να μεταβάλλεται ανάλογα με την κατάστασή τους. (π.χ. σε ένα task που κοντεύει να ολοκληρωθεί αυξάνεται η προτεραιότητά του)

Βασικό Μοντέλο του συστήματος Αποτελείται από τρία μέρη: 1. Τα διάφορα tasks 2. Τις διασυνδέσεις που παρέχουν επικοινωνία ανάμεσα στα tasks και στις υπηρεσίες που προσφέρει το λειτουργικό σύστημα. 3. Στις υπηρεσίες του λειτουργικού συστήματος οι οποίες είναι: Ο scheduler(αποφασίζει ποιο task θα εκτελεστεί), o synchronizer (μοντελοποιεί τις εξαρτήσεις μεταξύ των task) και ο allocator(δεσμεύει τους απαραίτητους πόρους για την εκτέλεση των task).

Μοντελοποίηση Διασυνδέσεων Χρησιμοποιούνται δύο κανάλια ένα για να στέλνονται μηνύματα από τα tasks στο scheduler και ένα για να στέλνονται μηνύματα από τον scheduler στα tasks. Για κάθε (master) port στα tasks ή στον scheduler που στέλνει μηνύματα υπάρχει μία (slave) port που τα δέχεται. Αν δύο master ports προσπαθήσουν ταυτόχρονα να γράψουν σε μία slave port υπάρχει ένας handler που εξασφαλίζει ότι θα γίνουν και οι δύο εγγραφές αλλά σε μη καθορισμένη σειρά

Μοντελοποίηση των task Εικονίζονται οι καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρίσκεται ένα task(ίδιες με αυτές στα κλασικά λειτουργικά συστήματα) Επιπλέον η μεταβλητή c_period που μόλις το task θέλει να εκτελεστεί και μεταβαίνει στην κατάσταση ready παίρνει τιμή ίση με την περίοδο εκτέλεση του task ενώ μειώνεται κατά ένα σε κάθε κύκλο του ρολογιού Η μεταβλητή c_running όπου αρχικοποιείται στον χρόνο που χρειάζεται το task να εκτελεστεί και μειώνεται κατά ένα κάθε κύκλο του ρολογιού στον οποίο το task βρίσκεται στην κατάσταση running

Μοντελοποίηση του scheduler Ο scheduler συντηρεί μια λίστα από tasks που είναι έτοιμα να εκτελεστούν. Σε κάθε task δίνεται μία προτεραιότητα ανάλογα με την πολιτική που ακολουθείται Κλασικές πολιτικές σε λειτουργικά συστήματα πραγματικού χρόνου είναι να εκτελείται πρώτο το task που επαναλαμβάνεται συχνότερα(rate monolithic scheduling-rms) ή/και το task που έχει πλησιάσει πιο κοντά στο deadline του(deadline monolithic scheduling-dms).

Εφαρμογή για Rate monolithic Scheduling Βλέπουμε ένα παράδειγμα στο οποίο ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμ ού αποτυγχάνει Ενώ υπάρχει ο χρόνος να εκτελεστούν όλα τα tasks αναλύοντας το παρακάτω σενάριο όπου έχει μεγαλύτερη προτεραιότητα το task με την μικρότερη περίοδο κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει

Αλγόριθμος Earliest Deadline First Schedule Ο αλγόριθμος αυτός είναι αρκετά πιο αποδοτικός στην περίπτωση όπου έχουμε tasks με deadlines Μειονέκτημα όμως του αλγορίθμου σε σχέση με τον προηγούμενο είναι ότι η ουρά με τα tasks που πρέπει να εκτελεστούν είναι δυναμική και κάτι το οποίο απαιτεί ένα overhead για την συντήρησή της. Παρατηρήστε ότι στο προηγούμενο παράδειγμα με την χρήση του νέου αλγορίθμου ικανοποιούνται τα tasks.

Μοντελοποίηση συγχρονισμού Όπως προαναφέρθηκε ο synchronizer είναι υπεύθυνος να εντοπίζει τις εξαρτήσεις που έχουν τα διάφορα tasks μεταξύ τους και όταν όλα τα προαπαιτούμενα tasks έχουν εκτελεστεί να καθιστά το τρέχον task έτοιμο προς εκτέλεση. Έτσι λοιπόν για την υλοποίησή του δημιουργείται μία βάση δεδομένων με εξαρτήσεις κάθε φορά που ολοκληρώνεται ένα task στέλνεται σε αυτή ένα μήνυμα. Αφαιρήται αυτό το task από τις εξαρτήσεις και αν κάποιο task δεν έχει άλλες είναι πια έτοιμο προς εκτέλεση.

Μοντέλο δέσμευσης πόρων Σε συστήματα πραγματικού χρόνου κατά την απουσία ενός διαχειριστή πόρων μπορεί να δημιουργηθούν αναστροφές προτεραιοτήτων και αδιέξοδα. Ο διαχειριστής δέσμευσης πόρων πρέπει να λειτουργεί και σε στατικό και σε δυναμικό προγραμματισμό Εξασφαλίζεται αυτό με ένα σύστημα κληρονομικότητας όπου οι πόροι μεταβιβάζονται διαδοχικά στο task με την αμέσως επόμενη προτεραιότητα αν δεν τους χρειάζεται το προηγούμενο task ή όταν αυτό τελειώσει με την χρήση τους. Σε αλλαγή της προτεραιότητας μεταξύ δύο διεργασιών αλλάζουν και τα δικαιώματα χρήσης των πόρων του συστήματος.

Συστήματα πολλών επεξεργαστών Ο χρονοπρογραμματισμός σε συστήματα πολλών επεξεργαστών είναι ένα αρκετά «δύσκολο» πρόβλημα. Πρέπει να γίνει η κατανομή των task στους διάφορους επεξεργαστές. Πρέπει να γίνει συγχρονισμός αυτών των επεξεργαστών καθώς για να αντιμετωπιστούν οι εξαρτήσεις μεταξύ των task.

Παράδειγμα λάθος επιλογής πολιτικής Έστω οι τ1 και τ2 αποδίδονται στο PΕa και οι τ3 και τ4 στο PEb Επίσης για την έναρξη της τ3 πρέπει να έχει ολοκληρωθεί η τ2

Προγραμματισμός των task χρησιμοποιώντας RMS Η τ4 δεν προλαβαίνει να εκτελεστεί καθώς το PEb έμενε ανενεργό επειδή η τ3 είχε μεγαλύτερη προτεραιότητα από την τ4 αλλά η τ3 έπρεπε να ξεκινήσει μετά το τέλος της τ2 Προγραμματισμός των task χρησιμοποιώντας EDMS Η τ4 προλαβαίνει να εκτελεστεί καθώς δεν διακόπτεται από την τ3 λόγω της μικρότερης απόστασης που έχει από το deadline

Ανωμαλίες στην πολυεπεξεργασία Έστω για ένα συγκεκριμένο αριθμό επεξεργαστών και συγκεκριμένο χρόνο εκτέλεσης του κάθε task γίνεται μία βελτιστοποίηση ανάθεσης των task. Οποιαδήποτε μεταβολή των παρακάτω μεγεθών μπορεί να οδηγήσει σε επιβράδυνση του συστήματος. Αλλαγή προτεραιότητας των διεργασιών Αύξηση του αριθμού των επεξεργαστών Μείωση του χρόνου εκτέλεσης μίας διεργασίας Χαλάρωση της πρόληψης για αδιέξοδα

Παράδειγμα ανωμαλιών σε συστήματα πολυεπεξεργασίας Έστω πρέπει να εκτελεστούν οι ακόλουθες διεργασίες {τ1,τ2,τ3,τ4,τ5} με: τ1 πριν την τ2 τ3 πριν την τ4 πριν την τ5 η τ2 και η τ4 μοιράζονται έναν κοινό πόρο Το αποτέλεσμα της μείωσης του χρόνου εκτέλεσης της τ1 θα είναι το ακόλουθο καθώς η τ2 που ξεκίνησε νωρίτερα εμποδίζει την εκκίνηση της τ4:

Επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών Η δημιουργία ενός συστήματος με αρκετά καλό συγχρονισμό για αποφυγή ανταγωνισμού των task έχει μεγάλο overhead για συγχρονισμό. Η δημιουργία ενός συστήματος χωρίς συγχρονισμό μεταξύ των επεξεργαστών αντιμετωπίζει προβλήματα ανταγωνισμού. Η λύση είναι ένα trade-off για βέλτιστη λειτουργία