SRV_9_RTOS_st

Sistemi realnog vremena 9

Copyright: Lejla Banjanović-Mehmedović 1

SISTEMI REALNOG VREMENAOperativni sistem realnog vremena

(RTOS) Raspoređivanje procesa

Vanr.prof. Dr. Lejla Banjanović-Mehmedović



Šta je operativni sistem?• OS je skup softverskih proizvoda koji udruženo

kontrolišu sistemske resurse i procese unutar jednog računara

• OS je program koji se izvršava svo vrijeme na računaru sa svim drugim postojećim aplikacionim i sistemskim programima

• OS je program koji nadgleda računarski hardver• Predstavlja bazu za izvršavanje aplikacionih programa

i čini posrednika između računarskog hardvera i računarskog korisnika.



Real-Time Operativni sistemi

Ukoliko kontrola rada zadovoljava skupspecificiranih vremenskih ograničenja, operativni sistem se zove Real-Time Operativni Sistem (RTOS).



Tipovi operativnih sistema Real-time operativni sistemi (npr. let aviona,

kontrolni algoritam koji se izvršava 40 puta/sec)

Ne real-time operativni sistemi (npr. rezervacija avionskih karata)



Tipovi operativnih sistema

Statički operativni sistemi (broj taskova mora biti tačno definisan prije vremena izvršenja i nema promjena)

Dinamički operativni sistemi (broj taskova nije unaprijed poznat, kreiraju se i uništavaju u toku rada sistema)

Real-time aplikacije operativnih sistema su često ugrađene (embedded), jer su storirane u ROM-u kompjuterskog sistema, koji je dio većeg sistema, => real-time sistemi statički.



• RTOS je dio softvera, koji implementira sljedeće funkcije:

• Raspoređivanje procesa (Task scheduling)- određuje koji proces će se izvršavati

• Uzajamno isključenje procesa (Task dispatching) - vrši neophodne pripreme za početak izvođenja zadatka, problem kritične sekcije

• Komunikacija između procesa (Intertask communication) – prenos podataka i sinhronizacija

Funkcije Real-Time Operativnog sistema



• Najveći broj slučajeva: OS Kernel se podudara sa Real-Time OS

• RTOS omogućava kontrolu pri raspodjeli vremena dopuštajući nam manipulaciju procesima u zavisnosti koji proces ima prioritet.

Real-time OS



Real-Time Operativni sistemi

Tipični RTOS sistemi rješavaju kompleksne probleme dekompozicijom u veći broj manjih jednostavnijih zadataka, tzv. taskova.

Nekoliko važnih aspekata multitasking dizajna podrazumjevaju: raspoređivanje izvršenja taskova djeljenje resursa između taskova sinhronizaciju taskova razmjenu/djeljenje podataka između taskova



Šta je proces?

Program - pasivna, statična sekvenca instrukcija, koja može predstavljati hardverske i softverske resurse sistema.

Stvarno izvršenje programa je aktivni, dinamički događaj, kod kojeg se različita svojstva mjenjaju sa vremenom pri izvršenju instrukcije.

Proces (često se naziva i task u nekim ugrađenim sistemima) se kreira od strane OS–a, kako bi objedinio sve informacije, koje su uključene pri izvršenju programa ( i stek i izvorni kod i podatke). Ovo znači da je program samo dio taska.



OS proces



Unitask - multitasking okruženje Ugrađeni OS sistemi upravljaju kompletnim

ugrađenim softverom koristeći taskove, ili u unitasking ili multitasking okruženju.



Multitasking sistemi

Zasebni procesi djele jedan procesor ili više procesora Svaki proces se izvršava unutar vlastitog okvira

Posjeduje procesor Vidi vlastite varijable Može biti interaptiran

Procesi mogu interreagovati u cilju izvršenja kompletnog programa

Primjer Multitasking sistema - softver navigacionog sistema



Multitasking sistemi• Promjena sadržaja (Context switching) – kada CPU

prelazi sa obrade jednog procesa na drugi• Proces čuvanja MINIMALNIH informacija o real-time

procesima kako bi se isti procesi mogli ponovo postaviti za izvođenje nakon sto su prekinuti (primjer knjige: ime, strana, paragraf, riječ...)

• U toku promjene sadržaja, interapti su onemogućeni• Real-Time sistemi zahtjevaju minimalno vrijeme za

promjenu sadržaja



Multitasking OS



Thredovi

Neki multitask operativni sistemi obezbjeđuju tzv. thread-ove.

Thread je sekvencijalno izvršivi stream unutar vlastitog taska; thread je ograničen taskom

Ovisno o OS-u, task može posjedovati 1 ili više threadova.



Taskovi i thredovi



Multitasking i upravljanje procesima

Raspodjela taskova



Raspoređivanje procesa Raspoređivač (eng. sheduler) je komponenta

operativnog sistema koja “rukuje” preusmjeravanjem (switching) sa jednog taska na druge taskove.

Ključni faktori koji utiču na efektnost i perfomanse algoritma raspoređivanja: Prioritet Vrijeme kompletiranja taska Propusnost Vrijeme čekanja Vrijeme odgovora



Task model

Moguća stanja procesa:1. Spreman (Ready)2. Izvršavanje (Executing)3. Obustavljeno

(Suspended)4. Neaktivan,mirujući

(Dormant)



Task-Control Block Model

Task Control Block (TCB) ili Process Control Block (PCB)

• Najpopularnija metoda za implementaciju komercijalnih, potpuno opremljenih, real-time operativnih sistema

• Glavna mana task-control blok modela jeste u tome kada je veliki broj modela zadataka kreiran, dodatak raspoređivača uzima puno procesorskog (CPU) vremena!



TCB model

• Svaki task (proces) opisan je sa:• Startna adresa taska• Identifikacijskim stringom ili brojem• Startna adresa i veličina steka• Sadržajem (kontekstom)• Statusom i • Prioritetom ako je primjenjiv

• Struktura Task-control block (ili TCB)• Linkana lista



Struktura TCB modela



Linkane liste



Task menadžment• OS – odgovoran za održavanje linkane liste svih TCB i

spremnih i suspendovanih zadataka• OS provjerava listu spremnih TCB => od trenutno

izvršnog zadatka trenutni zadatak pomaknut prema kraju ready liste

• Novi zadatak je uklonjen sa ready liste i u izvršnom je stanju

• OS – određuje novi raspored i provjeravanje statuse svih resursa u suspendiranoj listi

• Ako resurs postane raspoloživ prema zadatku na čekanju, tada su tabele resursa ažurirane i zadatak je pomaknut iz suspendirane liste prema ready listi.



Dijagram stanja taskova

• Promjena sadržaja (Context switching) kada CPU prelazi sa obrade jednog procesa na drugi



Tranzicije Novi -> Spreman: task poslat u red čekanja i

raspoređen za izvršenje; Spreman -> Izvršenje: na onovu kernelovog

algoritma raspoređivanja, task selektovan za izvršenje; Izvršenje -> Spreman: task je izvršen što se tiče

CPU-a i vraćen u red čekanja za sljedeći put; Izvršenje -> Blokiran: može se desiti neki događaj

koji će pomjeriti task u red Blokade, sve dok se ne desi novi događaj, tj. dok ne bude razrješen problem

Blokiran -> Izvršenje: blokirani task čeka na izvršenje te kad se desi događaj prebacuje se u red Spreman.



Real-Time strategije raspoređivanja procesa• Sistemi prozivke (eng. POLLED LOOP

systems) • Sistemi vođeni prekidom (INTERRUPT

DRIVEN systems)• Multitasking sistemi• Foreground/ Background sistemi• Potpuno opremljeni real-time sistemi (eng.

FULL-FEATURED)



• Najjednostavniji real-time kerneli• Ponavljajući set instrukcija koriste se za testiranje

zastavice(flag), koja pokazuje da li se neki događaj desio.

• Kako postoji samo jedan proces, nije potrebno imati raspoređivanje procesa i međusobnu komunikaciju između procesa

Sistemi prozivke



Prednosti: Jednostavne za implementiranje i debagiranje Lako odrediti vrijeme odziva

Mane: Troše CPU vrijeme, posebno kada se događaj

javlja rijetko Nisu dovoljne za rukovanje komplikovanim

sistemima Često mogu pogriješiti, jer razvoj događaja nije

uzet u obzir

Sistemi prozivke



Sistemi vođeni prekidom Različiti procesi u sistemu su raspoređeni preko hardverskog ili

softverskog interrupta, dok se uzajamno isključenje izvodi pomoću rutina za rukovanje interaptima.

Konkurentne aplikacije koriste interapte, koji mogu biti trigerovani eksternim uređajima ili građeni pomoću tajmera.

Eksterni interapti – koriste se za reagovanje na eksterne senzore (brojanje tikova iz enkodera).

Vremenski interapti se koriste za implementaciju periodično ponavljajućih taskova sa fiksnim vremenskim okvirom, kao što su kontrolne rutine motora.

Ponekad se interapti aktiviraju softverom umjesto hardverskim uređajem. Najvažniji od softverskih interapta su vremenski interapti, koji se dešavaju u regularnim vremenskim intervalima.

Sistemi vođeni prekidomvoid timer(){ AUBeep(); /* background task */}

int main(){ TimerHandle t; int i=0;t = OSAttachTimer(100, timer);/* foreground task: loop until key press */while (!KEYRead()) LCDPrintf("%d\n", i++);OSDetachTimer(t);return 0;

}





Multitasking raspoređivanje procesa

Postoje dva osnovna koncepta algoritma raspoređivanja, koji se implementiraju u ugrađenim OS sistemima: Ne-preduhitrivi algoritmi (non-preemptive) Preduhitrivi algoritmi (Preemptive)



Ne-preduhitrivi algoritmi

Prvi došao – prvi servisiran, izvršiv do kompletiranja (First Come- First Serve FCFS)/ Run-To Completion

Najkraći proces slijedeći, izvršiv do kompletiranja (Shortest Process Next (SPN) Run-To-Completion)

Kooperativni (Cooperative)



Prvi došao – prvi servisiran

TN T3 T2

Tekući task

T1 Raspoređivač Master CPU

Pozivi statičkim redom procesa Prednost:

Jednostavan za implementaciju (intenzivno se koristi u kompleksnim sistemima, sigurnosno kritičnim)

Mana Nije efikasan u sveopštoj upotrebi CPU procesiranja Ne obezbjeđuje optimalno vrijeme odgovora



Najkraći proces slijedeći

Kooperativni znači da se svaki paralelni task treba “dobro ponašati” i izvršavati transfer kontrolu eksplicitno prema sljedećem thread-u koji čeka.



Kooperativni raspoređivač

TN T3 T1

Tekući task

T2 Raspoređivač Master CPUT1 T2

Samo tekuće izvršivi task može forsirati promjenu sadržaja prije

kompletiranja

Kooperativni raspoređivač #include "eyebot.h" #define SSIZE 4096 struct tcb *task1, *task2;

void mytask() { int id, i; id = OSGetUID(0); /* read slave id no. */ for (i=1; i<=100; i++) { LCDPrintf("task %d : %d\n", id, i); OSReschedule(); /* transfer control */ } OSKill(0); /* terminate thread */ }



Kooperativni raspoređivač int main() { OSMTInit(COOP); /* init multitasking */ task1 = OSSpawn("t1", mytask, SSIZE, MIN_PRI, 1); task2 = OSSpawn("t2", mytask, SSIZE, MIN_PRI, 2); if(!task1 || !task2) OSPanic("spawn failed");

OSReady(task1); /* set state of task1 to READY */ OSReady(task2); OSReschedule(); /* start multitasking */ /* --------------------------------------------*/ /* proc. returns HERE, when no READY thread left */ LCDPrintf("back to main"); return 0; };



Kooperativni raspoređivač Sistemski izlaz: task 2 : 1 task 1 : 1 task 2 : 2 task 1 : 2 task 2 : 3 task 1 : 3 ... task 2 : 100 task 1 : 100 back to main





Preduhitrivi algoritmi

Round Robin/prvi došao-prvi obrađen (FIFO-First In, First Out) raspoređivač

Preduhitrivi Prioritetni (Priority Preemptivni) raspoređivač

EDF (Earliest deadline First/Clock Driven Scheduling) raspoređivač



Round – Robin sistemi

• Nekoliko procesa se izvodi sekvencijalno do završetka. • Svaki proces koji se izvodi je određen fiksnim

vremenskim iznosom.• Proces se izvodi

• dok se ne završi ili • dok ne istekne njegovo vrijeme izvršenja izdavanjem clock

interapta.

• Ako se proces nije izvršio do kraja, njegov sadržaj se mora sačuvati. Proces se tada premješta na kraj liste gdje se nalaze procesi za izvršavanje.



Round – Robin sistemi

Vremenski raspored 3 taska (procesa)

t1 [t2, t3]t2 [t3, t1]t3 [t1, t2]...



Preduhitrivi prioritetni sistemi

• Za procese višeg prioriteta se kaže da su preduhitrivi (preemptivni) u odnosu na procese nižeg prioriteta ako oni prekidaju procese nižeg prioriteta.

• Proces nižeg prioriteta se i dalje izvodi dok se proces višeg prioriteta priprema za početak

• Sistemi koji ovo koriste umjesto Round-Robin odlučivanja zovu se preduhitrivi prioritetni sistemi

Prioriteti interapta mogu biti Fiksni ili dinamični




Preemptivni raspored 3 procesa (taska)




• Primjer : navigacioni sistem aviona• Visoko prioritetni proces: skupljanje podataka

sa akcelometra svakih 5ms• Proces srednjeg prioriteta: sakupljanje

podataka sa žiroskopa i kompenzira ove podatke i podatke sa akcelometra svakih 40ms

• Proces niskog prioriteta: prikaza updata



Preduhitrivi prioritetni sistemi Multitasking nije perfektan! Visoko prioritetni taskovi mogu zauzeti

resurse i “blokirati” procese niskog prioriteta Nisko-prioritetni procesi djele resurse sa

visoko-prioritetnim procesima, pa je jasan koncept blokiranja.

Šta u ovom slučaju čini RTOS? Promjena prioriteta!!!



Raspoređivač tipa prvi proces sa najskorijim vremenom završetka

Određuje prioritet procesa na osnovu tri parametra: frekvencije granice izvršenja trajanja



• Najpogodnije hibridno rješenje za ugrađene aplikacije.

• Uključuju: • set procesa sa

prekidima - prednji (foreground)

• grupu procesa bez prekida - pozadinski (background)

Prednje/pozadinski sistemi raspoređivanja procesa



Prednje/pozadinski sistemi raspoređivanja procesa

Sva Real-Time rješenja su specijalni slučajiFOREGROUND/BACKGROUND sistema: Prozivka (Polled loops) – samo pozadinski procesi Prekidom vođeni sisitemi (Interrupt-only systems)

– samo prednji procesi Ništa kritično se ne dešava u pozadini (Pozadinski

procesi su procesi sa najnižim prioritetom)!



Hibridni sistemi

• Kombinuje sve rečeno o: • Sistemima prozivke• Prekidom vođenim sistemima • Multitaskingu

Ciklični izvršivi sistemi Round-Robin sistemi Preduhitrivi prioritetni sistemi



• Dostupni kao komercijalni proizvodi• Oslanjaju se na kompleksne operativne

sisteme koristeći round-robin, prioritetne preduhitrive forme ili kombinaciju ova dva načina raspoređivanja

Potpuno opremljeni real-time sistemi



• Jedno od često postavljanih pitanja - „Da li da se komercijalni real-time kernel koristi ili da se samostalno kreira?

• Kako odgovor zavisi od situacije, o slijedećim ključnim tačkama treba voditi računa:

• Komercijalni kerneli jesu čest izbor zbog toga što:

pružaju robusne usluge laki su za korištenje rastavljivi (prenosivi)

Napraviti ili kupiti



• Komercijalna rješenja su često sporija od potrebnog (strahovit trošak primijene TCB modela)!

• Obmane proizvođača –vrijeme odziva!

Napraviti ili kupiti

Documents

SRV_9_RTOS_st