Razvrščanje opravil v realnem času

Real-Time Systems Laboratory, Institute of Informatics

Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r

Razvrščanje opravil

Razvrščanje opravil v realnem času

Matjaž Colnarič


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r

Sistemi v realnem času

Opis problema

V splošnem imamo v sistemu v vsakem trenutku množico opravil, ki so pripravljena za obdelavo in ki konkurirajo za dodelitev procesorja.

Opravila so lahko aperiodična ali periodična.

Treba je zagotoviti mehanizem dodeljevanja procesorja tako, da bodo vsa opravila zadovoljena in procesor optimalno izkoriščen.

Razvrstitev je zaporedje opravil, po katerem jim bo dodeljen procesor.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Tipi razvrščanj opravil •statično (vnaprejšnje, a priori): npr. radar, PLC. Ciklični urniki na

osnovi metod operacijskih raziskav.•dinamično (sprotno, on-line): primerno za asinhrone

večopravilne sisteme, ki delujejo na osnovi procesnih prekinitev

Glede na možnost odvzema procesorja ali drugih sredstev:

•neprekinjevalne (brez možnosti odvzema)

•prekinjevalne (z možnostjo predčasnega odvzema sredstva, preden je opravilo gotovo, če je to potrebno)

– naključno razvrščanje (random, dice)– dodeljevanje časa (time slicing) - enake pravice, time

sharing– dodeljevanje po času prihoda (first come first served)– po statičnih ali dinamičnih prioritetah– po skrajnih rokih za zaključek opravila (deadline driven)


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


IzvedljivostRazvrstitev je izvedljiva (feasible), če zagotavlja, da vsa opravila končajo obdelavo pred svojimi skrajnimi roki.

Preizkus izvedljivosti mora biti izveden med fazo načrtovanja oz. odločanja o zmogljivosti sistema.

Med izvajanjem skrbi za izbiro izvedljive razvrstitve OS, ki mora imeti vgrajeno strategijo (algoritem) dodeljevanja.

Strategija razvrščanja je izvedljiva, če generira izvedljivo razvrstitev vedno, ko je ta mogoča (za vsak razvrstljiv nabor opravil)


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Definicije

response time: odzivni čas, čas do skrajnega roka

(residual) execution time: (preostali) čas izvajanja

laxity (slack): rezerva

Timeliness: pravočasnost


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Klasifikacija strategij

a) Prioritete in s tem relativna pomembnost je kostantna. Praviloma se prioritete izberejo obratno sorazmerno pomembnosti posameznih opravil.

b) Prioritete in s tem relativno pomembnost lahko spreminja uporabnik.

c) Relativno pomembnost lahko spremeni uporabniški program ali situacija v sistemu (npr. pojavi se novo opravilo)

d) relativne pomembnosti opravil so funkcije časa


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Statične prioriteteNajobičajnejša zaradi preproste izvedbe. Slabosti: slab izkoristek, razvrstitev ni izvedljiva.

t1

t2

t3

t1: prio: 0 Prihod:0 Trajanje:3 Rok: čez 8

Najobičajnejša zaradi preproste izvedbe. Slabosti: slab izkoristek, razvrstitev ni izvedljiva.



Prio 1

Prio 0

Prio 2


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Statične prioriteteNajobičajnejša zaradi preproste izvedbe. Slabosti: slab izkoristek, razvrstitev ni izvedljiva.

t1

t2

t3


Najobičajnejša zaradi preproste izvedbe. Slabosti: slab izkoristek, razvrstitev ni izvedljiva.



Prio 2

Prio 0

Prio 1


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Statične prioritetePrimera:


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Dodatni problemi prioritetnih razvrščanj

V primeru statičnih prioritet, ko opravila lahko zasedajo skupna sredstva, lahko pride do problema inverzije prioritete:

Nizkoprioritetno opravilo A zasede sredstvo, prekine ga visokoprioritetno B, ki zahteva isto sredstvo. Zato mora B na čakanje in s tem omogoči delo A. Če pridejo medtem zahteve opravil s prioriteto med obema, izrinejo A iz obdelave. Visokoprioritetno B je torej privzelo najnižjo prioriteto in mora čakati ne glede na svojo dodeljeno prioriteto.

Rešitve:

vršne prioritete: ko opravilo A zasede sredstvo, pridobi prioriteto najvišjega opravila, ki lahko zahteva to sredstvo.

dedovanje prioritete: prioriteta opravila A, ki blokira sredstvo, pridobi vrednost prioritete blokiranega opravila B


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Statične prioritete


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Določanje prioritet po naraščajoči periodi (Rate monotonic scheduling)

Rate monotonic (Liu, Layland, 1973) za periodična opravila:

opravilu z najkrajšo periodo dodelimo najvišjo prioriteto.

Če želimo zagotoviti razvrstljivost za vsa opravila v vseh primerih, je lahko izkoriščenost procesorja λ največ okoli 0,693 (ln 2).

)12()( /1

1

NNT

CN

i i

i

693,0)2ln(

78,03

82,02

11

N

N

N

N

Tudi aperiodičnim opravilom lahko pripišemo periodo (omejitev, kako pogosto se smejo pojaviti)


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r



Uspešni primer:


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r



Primer prekoračitve:


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r



Ilustracija, zakaj ne moremo doseči izkoristka 1:

T1 2*T1

T2 2*T2 3*T2 4*T2

3*T1

Če je τ2 opravilo s krajšo periodo

(višjo prioriteto), je največji možni čas obdelave C1=(T2-C2)

Neizkoriščen procesor

Neizkoriščen procesor

Izkoristek 1 lahko dosežemo, ko je T1 mnogokratnik T2 ali ob ugodnih celoštevilskih razmerjih T1, T2, C1 in C2.

τ1

τ2


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


B: Dinamične prioritete

Uporabnik lahko dinamično spreminja prioritete.V principu lahko torej izvede katerokoli strategijo.

Pristop je optimalen, vendar:• vsa odgovornost je na uporabniku• izvedba je nefleksibilna (se je ne da prilagajati na nivoju operacijskega sistema, vsa opravila imajo isto strategijo)

Sredstvo za izvedbo razvrščanja.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


D: Razvrščanje po skrajnih rokih

V skupini so izvedljive strategije, npr. po najmanjši rezervi (minimum laxity). Ta strategija je primerna za homogene multiprocesorske sisteme.Za opravila z isto rezervo se izvede round robin s kratko časovno rezino.

Slabosti:težavna implementacija in visoka režija.Vzrok: neprestano spreminjanje relativne pomembnosti za izravnavo preostale rezerve, ko se neko opravilo izvaja in drugo čaka. Zaradi tega prihaja do pogostih preklopov.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Primer: T1 : arrival 0, deadline 7, run-time 3 T2 : arrival 1, deadline 2, run-time 1 T3 : arrival 3, deadline 6, run-time 3T4 : arrival 4, deadline 1,5 run-time 1 round-robin cycle: 0,5

Področji enake rezerve opravil T1 in T3: round robin


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Earliest deadline first - dinamično razvrščanje za periodična in aperiodična opravila:

opravilu z najbližjim skrajnim rokom (oz. zaključkom periode) dodelimo najvišjo prioriteto.

Relativna prioriteta opravil je konstantna, vendar tistim, ki čakajo na obdelavo, narašča, ker se skrajni rok bliža. Preklopi so možni le ob dogodkih, ko se pojavi novo opravilo ali se neko opravilo nadaljuje.Najučinkovitejša strategija: če obstaja izvedljiva razvrstitev, jo ta gotovo najde. Izkoriščenost procesorja je lahko 1.

Razvrščanje po najbližjem roku


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Definicija

Če je teoretično mogoče izpolniti zahteve nekega nabora opravil, potem EDF generira izvedljivo razvrstitev. Strategija minimizira število potrebnih preklopov in omogoča poln izkoristek procesorja.

Primer: T1 : arrival 0, deadline 5, run-time 3 T2 : arrival 1, deadline 2, run-time 1 T3 : arrival 3, deadline 4, run-time 3


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Primer: kot pri LLF

T1 : arrival 0, deadline 7, run-time 3 T2 : arrival 1, deadline 2, run-time 1 T3 : arrival 3, deadline 6, run-time 3T4 : arrival 4, deadline 1,5 run-time 1

Primerjaj število preklopov!


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Primer:T1 : arrival 0, deadline 7, run-time 3 T2 : arrival 1, deadline 2, run-time 1 T3 : arrival 3, deadline 6, run-time 3T4 : arrival 4, deadline 1,5 run-time 1 round-robin cycle: 0,5


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Primerjava LLF vs. EDF


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Primerjava RM vs. EDF


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Razvrstljivost EDF

EDF je primerna za enoprocesorske sisteme. Obstaja razširitev za večprocesorske (throwforward algoritem, Henn), ki pa je manj praktična.

Pogoj za izvedljivo razvrstitev:

odzivni čas ak vsakega opravila k, ki čaka na obdelavo, je večji ali enak vsoti (ostankov) njegovega in časov izvajanja vseh opravil, ki so razvrščena pred njim.

nklak

i

ik ,...,1,1


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Razširitev: kritična območja

Če je opravilo, ki se izvaja, znotraj kritičnega območja, ga ne prekinemo, tudi če pride opravilo s krajšim skrajnim rokom.

Pogoj za razvrstljivost je tedaj: čas izvajanja vseh opravil, ki se bodo izvedla, preden se bo trenutno aktivno opravilo nadaljevalo, se v pogoju za izvedljivost podaljša za čas izvajanja kritičnega območja, pogoj pri vseh ostalih opravilih se ne spremeni.

Čeprav so kritična območja v različnih opravilih lahko različno dolga, iz praktičnih razlogov za izračun vzamemo le najdaljše.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Razvrstljivost EDF + krit.podr.

Upoštevanje zasedanja sredstev:Problem:• Novo opravilo preide v stanje pripravljeno, in• Njegov skrajni rok po novi razporeditvi je krajši od

trenutnega Tj, in

• Trenutno opravilo Tj je v kritičnem območju trajanja rj

Vsa opravila, razvrščena pred Tj, morajo zagotavljati rezervo:

1,...,1),()()(1

1

jitltrts

i

k

kji


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Namesto specifičnega rj izberemo d: največji r izmed vseh:

Pogoj za razvrstitev postane:

Zakasnitev vpliva le na opravila, ki so razvrščena pred Tj; zanj in za vsa njemu sledeča opravila še vedno velja

1,...,1),()(1

1

jitldts

i

kki

1,...,1),()(1

jitldtai

kki

njitltai

kki ,...,),()(

1

Razvrstljivost EDF + krit.podr.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Izogibanje preklopom

Preklopi so kontraproduktivni, zato se jim skušamo izogniti z modificirano strategijo:

Ob prihodu novega opravila z bližjim skrajnim rokom napravi analizo, ali se lahko trenutno opravilo izvede do konca, ne da bi se s tem ogrozili skrajni roki ostalih opravil. Preklop konteksta opravi le, če to ni mogoče.

Če ta pogoj ni izpolnjen, je treba za realistični primer upoštevati čase preklopov.

1,...,1)()( ,1

1

jkltlts

i

k

kji


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Upoštevanje časov preklopov

Predpostavimo, da je čas za preklop u in da je za shranitev in ponovno nalaganje potreben isti čas.

Pogoj za razvrstljivost je tedaj:

pri vseh opravilih, ki se bodo razvrstila pred opravilom j, ki se trenutno izvaja, je treba čas izvajanja podaljšati še za u/2, ostalim opravilom (vključno z j) pa za u.


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Upoštevanje časov preklopovČe predpostavimo, da so vsi preklopi enako dolgi, in da sta

tudi check-in in check-out enaka, potrebujemo za opravila, razvrščena pred Tj, končni pogoj

oziroma

Razvrstljivost EDF – popolni izraz

1,...,1),(2/)(1

jitludtai

k

ki

1,...,1),(2/)(1

1

jitludts

i

k

ki


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Upoštevanje časov preklopovZa opravilo Tj in njemu sledeča pa velja

Treba je upoštevati celotno režijo preklopa, vendar ne zakasnitve zaradi kritičnih območij.

njitlutai

k

ki ,...,),()(1

Razvrstljivost EDF – popolni izraz


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Prednosti EDF

•koncept skrajnih rokov je problemsko orientiran (ni umetna kategorija)

• je fleksibilen, omogoča razširitev in modifikacijo sistema brez poznavanja ostalega sistema

•sporadična in periodična opravila se tretirajo enako

•izvedljivost

•linearno naraščanje zahtevnosti algoritma z naraščanjem števila opravil, razmeroma preprost algoritem

•zagotavlja maksimalno izkoriščenost procesorja


Fa

culty o

f Ele

c tr ic al E

ng

ine

er in

g a

nd

Co

mp

ut e

r Scie

nce

, Un

iversi t y o

f Ma

r ibo

r


Prednosti EDF

•preprosto preverjanje izvedljivosti

•zgodnje ugotavljanje prihajajoče preobremenitve

•minimalno število preklopov za generiranje

izvedljive razvrstitve

•razvrščanje le ob prihodu novega opravila, stara

razvrstitev ostane

•vsa opravila (tudi “nizkoprioritetna”) so postrežena

Razvrščanje opravil v realnem času

Documents

Transcript of Razvrščanje opravil v realnem času