Sincronización en sistemas de tiempo real, Vniversitat Politecnica de Valencia

Objetivos de la Unidad Didáctica

Comprender que son los Sistemas de Tiempo Real (STR) y sus particularidades respecto a la sincronización de tareas. Conocer las características de los STR

• Comprender cómo realizar la planificación de las tareas en los STR y en qué consiste el análisis de planificación.
• Analizar los problemas de sincronización que aparecen en este tipo de sistemas.
• Identificar el problema de la inversión de prioridades
• Conocer estrategias de resolución para resolver los problemas de sincronización

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Contenido de la Unidad Didáctica

Introducción a los STR

Definición de STR Características de los STR

• Planificación de tareas en STR Análisis de STR Sincronización de tareas
• El problema de la inversión de prioridades
• Protocolo del Techo de Prioridad Inmediato
• Tiempo de respuesta con factores de bloqueo

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Introducción a los STR

Consideremos un sistema combinación de uno o varios computadores, dispositivos hardware de entrada/salida, y software de propósito especial, en la que:

• hay una fuerte interacción con el entorno
• el entorno cambia con el tiempo
• el sistema controla o reacciona de forma simultánea a diferentes aspectos del entorno Como resultado:
• se imponen requisitos temporales sobre el software
• el software es de naturaleza concurrente
• Algunos requisitos de tiempo real frecuentes:
• realizar actividades periódicas, solicitadas a intervalos periódicos
• deben completar un trabajo antes de un plazo

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Definición de un sistema de tiempo real

Un sistema de tiempo real (STR) es un sistema informático que

• Interacciona repetidamente con su entorno físico
• Responde a los estímulos que recibe del mismo dentro de un plazo de tiempo determinado Para que el funcionamiento del sistema sea correcto no basta con que las acciones sean correctas, sino que tienen que ejecutarse dentro del intervalo de tiempo especificado El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema es significativo
• Ejemplos:
• control de procesos industriales, aviónica, control de tráfico aéreo, control de trenes, control de automóviles, telecomunicaciones, electrónica de consumo, sistemas multimedia.

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Ejemplo: control de procesos

consigna sensor de temperatura computador calefactor

• El sistema de tiempo real actúa sobre el sistema controlado para conseguir que tenga un comportamiento determinado
• El comportamiento es muy regular (muestreo periódico)
• Normalmente se usa un esquema con realimentación
• la acción de control es función de la desviación entre los valores de referencia y los valores medidos de las variables el diseño de los algoritmos de control es un problema importante

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Entorno de un sistema de tiempo real

operador interfaz de operador interfaz de proceso sensores sistema de tiempo real sistema controlado actuadores entorno Un sistema de tiempo real debe responder a los estímulos de su entorno dentro de un intervalo de tiempo determinado por las propiedades dinámicas del entorno

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Estímulo y respuesta

El intervalo de respuesta se caracteriza por un plazo (deadline) plazo de respuesta estímulo respuesta Fin del plazo de respuesta

• Estricto o crítico (hard) una respuesta fuera de plazo es inadmisible
• (Ejemplo: UCI, central nuclear, control de frenado, airbag ... )
• firme (firm) una respuesta fuera de plazo no tiene utilidad (Ejemplo: en sistemas multimedia (procesado de audio o vídeo) la pérdida de una trama de audio o vídeo)
• flexible (soft) una respuesta fuera de plazo tiene una utilidad reducida
• (Ejemplo: adquisición de datos meteorológicos, contestador automático)

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Contenido de la Unidad Didáctica

Introducción a los STR

Definición de STR Características de los STR Planificación de tareas en STR Análisis de STR Sincronización de tareas

• El problema de la inversión de prioridades
• Protocolo del Techo de Prioridad Inmediato
• Tiempo de respuesta con factores de bloqueo

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Características de los STR

Concurrencia

• Los componentes del sistema controlado funcionan simultáneamente El STR debe atenderlo y generar las acciones de control simultáneamente Interacción con dispositivos físicos
• Los STR interaccionan con su entorno mediante diversos tipos de dispositivos no convencionales: convertidores A/D y D/A, entradas y salidas digitales, ... (interfaces con sensores, actuadores, periféricos especiales, ... )
• Los componentes del software que controlan el funcionamiento de estos dispositivos (manejadores, "drivers") son, en general, dependientes del sistema concreto

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Fiabilidad y seguridad en STR

Determinismo Temporal en STR

Fiabilidad y seguridad

• Un fallo en un sistema de control puede hacer que el sistema controlado se comporte de forma peligrosa o antieconómica
• Es importante asegurar que si el sistema de control falla lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro Hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones en el diseño Determinismo Temporal
• Acciones en intervalos de tiempo determinados
• Es fundamental que el comportamiento temporal de los STR sea determinista no hay que confundirlo con la necesidad de que sea eficiente el sistema debe responder correctamente en todas las situaciones hay que prever el comportamiento en el peor caso posible

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Desarrollo de software para STR críticos

Las características específicas de los sistemas de tiempo real críticos condicionan los métodos y herramientas que se utilizan para desarrollar el software

• No todas las técnicas que se usan para construir otros tipos de sistemas sirven para el software de tiempo real crítico
• suele haber problemas de fiabilidad y determinismo temporal La predictibilidad es uno de los objetivos principales en sistemas de tiempo real.
• Se debe realizar un análisis de la planificabilidad de las tareas de un sistema de tiempo real para predecir si las tareas cumplirán sus requisitos temporales.

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Contenido de la Unidad Didáctica

Introducción a los STR

Definición de STR Características de los STR Planificación de tareas en STR Análisis de STR Sincronización de tareas

• El problema de la inversión de prioridades
• Protocolo del Techo de Prioridad Inmediato
• Tiempo de respuesta con factores de bloqueo

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Planificación de tareas en STR

Objetivo: Planificar el uso de los recursos del sistema (en particular el procesador), para poder garantizar los requisitos temporales de las tareas

• Un paradigma de planificación consta de:
• Un algoritmo de planificación, que determina el orden de acceso de las tareas a los recursos del sistema
• Un método de análisis que permite calcular el comportamiento temporal del sistema
• Para comprobar que los requisitos están garantizados en todos los casos
• Se estudia siempre el peor caso

Es necesario conocer la duración de las tareas en el peor caso

• Tarea = Actividad = Hilo

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Algoritmo: Planificación por prioridades fijas expulsivas

Las prioridades son un mecanismo elemental para planificar la ejecución de un conjunto de tareas.

• La prioridad es un atributo de las tareas normalmente ligado a su importancia relativa en el conjunto de tareas.
• En STR la planificación expulsiva por prioridades fijas es la más popular: El comportamiento temporal es más fácil de entender y predecir
• El tratamiento ante sobrecargas es fácil de prever
• Existen técnicas analíticas completas
• Requerido por estándares de sistemas operativos y lenguajes concurrentes

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Análisis de STR: Modelo de tareas

Consideraremos inicialmente un modelo de tareas simple:

• Conjunto de tareas estático, t = {{1, T2 ... , Un}
• Todas las tareas son periódicas, con periodo Ti
• Las tareas no cooperan entre sí (son independientes)
• Se conoce el tiempo de ejecución máximo de cada tarea C;
• Cada tarea tiene un plazo Di ≤Ti
• Respecto a la ejecución de las tareas, asumimos que :
• La política de planificación es expulsiva por prioridades.
• La máquina está dedicada a la aplicación
• Los cambios de contexto tienen coste cero.
• Las tareas no pueden suspenderse voluntariamente. Una vez una tarea está preparada, no puede demorar su ejecución.

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Actividad: Cronograma de tareas periódicas

Realice el cronograma de ejecución del siguiente conjunto de tareas periódicas:

Tarea Ti Ci D Pri * T1 20 5 10 1 τ2 40 10 15 2 T3 80 40 80 3 pri(1) >pri(2)>pri(3)

• Observar que el patrón de ejecución se repite cada cierto tiempo:
• hiperperiodo= mínimo común múltiplo de los periodos de las tareas

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