Verteilte Echtzeit-Systeme

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1 - Verteilte Echtzeit-Systeme Hans-Albrecht Schindler Wintersemester 2018/19 Teil B: Allgemeines über Echtzeitsysteme Abschnitt 4: Echtzeit-Prozesse: Klassifizierung, Eigenschaften, Parameter, Restriktionen CSI Technische Universität Ilmenau

2 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen Im vorhergehenden Abschnitt: Analyse der bei Echtzeitsystemen auftretenden Prozesstypen Diese sind: 1. periodische Prozesse (häufigster Fall) 2. aperiodische Prozesse (seltener) Im Folgenden: 1. genauere Ausführungen zu diesen Prozesstypen 2. Definition charakterisierender Parameter 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-2

3 Periodische Prozesse Periodische Prozesse bei Echtzeitanwendungen häufigster Fall typisch für: periodische Verarbeitung von Sensor-Messwerten Aktionsplanung (vergl. Beispiel: Roboter-Arm-Ansteuerprozess) Ankunft bzw. Erzeugung einzelner Dateneinheiten eines (multi)- medialen Datenstroms Prozess-Aktivierung ereignisgesteuert oder zeitgesteuert Prozesse, die Eingangsdaten verarbeiten: meist ereignisgesteuert aktiviert [z.b. Interrupt, wenn Daten(paket) eingetroffen] Prozesse, die Ausgangsdaten erzeugen (z.b. Ansteuerung von Aktoren): typischerweise zeitgesteuert aktiviert 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-3

4 Periodische Prozesse Fristen hart oder weich (anwendungsabhängig) bei gleicher Anwendung: gleichzeitig Prozesse mit harten und mit weichen Fristen möglich (vergleiche Abschnitt 3: Roboter-Arm-Beispiel) Frist: spätestens am Ende der jeweiligen Periode, möglich auch frühere Frist C T Frist (am Ende der Periode oder früher) C = Bearbeitungsdauer T = Periodendauer Zeit Bild 4-1: Periodische Prozesse 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-4

5 Periodische Prozesse Darstellung unendliche (theoretisch) Folge identischer Aktivierungen (Instanzen), aktiviert mit konstanter Rate (Frequenz), d.h. stets gleicher Periodendauer erste Instanz Frist zweite Instanz C i k te Instanz eine Periode t Bild 4-2: Periodische Prozesse 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-5

6 Periodische Prozesse Aufgaben des (Echtzeit-)Betriebssystems sofern alle Spezifikationen eingehalten, muss Betriebssystem dafür sorgen u. garantieren (!!), dass 1. zeitgesteuerte periodische Prozesse mit spezifizierter Rate aktiviert werden u. Frist einhalten 2. ereignisgesteuerte periodische Prozesse ihre Frist einhalten ( weitere Ausführungen zu Echtzeit-Betriebssystemen in späteren Kapiteln) 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-6

7 Aperiodische Prozesse Aperiodische Prozesse Typisch für: unregelmäßig auftretende Ereignisse, z.b. Änderung der Zeigerposition bei multimedialen Präsentationen... Prozess-Aktivierung ereignisgesteuert Fristen oft weich (aber anwendungsabhängig) Aufgaben des Betriebssystems bei Einhaltung der Spezifikationen, muss Betriebssystem auch hier für Einhaltung der Fristen sorgen 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-7

8 Aperiodische Prozesse Darstellung Ebenfalls: (maximal) unendliche Folge identischer Aktivierungen (Instanzen) jedoch: Aktivierungszeitpunkte nicht regulär (regelmäßig) auch möglich: nur 1 Aktivierung (z.b. Airbag-System) d 1 d 3 C 1 C 2 d 2 C 3 t t 1 t 2 es gilt: t 1 t 2 usw. Bild 4-3: Aperiodische Prozesse 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-8

9 Sporadische Prozesse Sporadische Prozesse Definition aperiodische Echtzeit-Prozesse, bei denen minimale Zeitdifferenz zwischen 2 Aktivierungen garantiert Darstellung: (maximal) unendliche Folge identischer Aktivierungen (Instanzen) zwischen 2 Aktivierungszeitpunkten: minimale Zeitdifferenz garantiert d 1 d 2 d 3 C 1 C2 C3 t t 1 t 2 Es gilt: t 1 t 2 usw., mit t i > min. für alle i Bild 4-4: Sporadische Prozesse 4. Echtzeitprozesse: Klassifizierung,... / 4.1 Prozessklassen von Echtzeitanwendungen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-9

10 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen Parameter einer einzelnen Instanz a i : Ankunftszeitpunkt (arrival time auch r :... request time / release time) Zeitpunkt, zu dem ein Prozess ablauffähig wird s i : Startzeitpunkt (start time) Zeitpunkt, zu dem ein Prozess mit der Ausführung beginnt f i : Beendigungszeitpunkt (finishing time) Zeitpunkt, an dem ein Prozess seine Ausführung beendet Prozess P i C i a i s i f i d i t Bild 4-5: Einzelne Instanz eines periodischen oder aperiodischen Prozesses Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild2.4 S Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-10

11 Parameter von Echtzeit-Prozessen Parameter einer einzelnen Instanz d i : Frist (deadline, due time) Zeitpunkt, zu dem ein Prozess seine Ausführung spätestens beenden sollte C i : Bearbeitungszeit(bedarf) (Computation time) Zeitquantum, das Prozessor zur vollständigen Bearbeitung der aktuellen Instanz benötigt (Unterbrechungen nicht eingerechnet) Prozess P i C i a i s i f i d i t Bild 4-5: Einzelne Instanz eines periodischen oder aperiodischen Prozesses 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-11

12 Parameter von Echtzeit-Prozessen Parameter einer einzelnen Instanz L i : Unpünktlichkeit (Lateness) L i = f i - d i Zeitbetrag, um den ein Prozess früher oder später als seine Frist beendet wird (wenn Prozess vor seiner Frist beendet, hat L i negativen Wert) E i : Verspätung (Exceeding time, Tardiness) E i = max (0, L i ) Zeitbetrag, den ein Prozess noch nach seiner Frist aktiv ist Prozess P i C i ohne Fristüberschreitung L i L i und E i f i d i t a i s i f i d i bei Fristüberschreitung Bild 4-6: Veranschaulichung von Unpünktlichkeit u. Verspätung 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-12

13 Parameter von Echtzeit-Prozessen Parameter einer einzelnen Instanz X i : Spielraum (Laxity, Slacktime) X i = d i a i C i maximales Zeitquantum, um das Ausführung eines Prozesses verzögert werden kann, damit dieser noch bis zu seiner Frist beendet werden kann X i C i d i a i t Bild 4-7: Veranschaulichung des Spielraums 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-13

14 Parameter von Echtzeit-Prozessen Weitere Parameter einer einzelnen Instanz Criticalness Parameter zur Beschreibung der Konsequenzen einer Fristüberschreitung (typischerweise hart od. weich ) V i : Wert (Value) Parameter zum Ausdruck der relativen Wichtigkeit eines Prozesses bezogen auf andere Prozesse der gleichen Anwendung 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-14

15 Parameter von Echtzeit-Prozessen Bezeichnungen bei mehreren periodischen Prozessen erste Instanz r i,j D i C i d i,j k te Instanz s i,j T i f i,j i i + (k-1)t i t i,1 i,2 i,k Bild 4-8: Bezeichnungen Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 2.5 S.28 i... allgemeiner periodischer Prozess i,j... j-te Instanz des periodischen Prozesses Г... Menge periodischer Prozesse 1 bis n 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-15

16 Parameter von Echtzeit-Prozessen Bezeichnungen bei mehreren periodischen Prozessen d i,j... absolute Frist von i,j d i,j = i + (j - 1) T i + D i D i... relative Frist von i (bezogen auf die Ankunftszeit) i... Phase von i (=Ankunftszeitpunkt der ersten Instanz von i ) i = r i, 1 erste Instanz r i,j D i C i d i,j k te Instanz s i,j T i f i,j i i + (k-1)t i t i,1 i,2 i,k Bild 4-8: Bezeichnungen Darstellung nach [Buttazzo97] Bild 2.5 S Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-16

17 Parameter von Echtzeit-Prozessen Bezeichnungen bei mehreren periodischen Prozessen zur Phase i Zeitintervall, um welches die erste Instanz eines periodischen Prozesses nach Null aktiv wird Startzeitpunkt der k-ten Instanz angebbar zu: i + (k-1)t i (T i = Periodendauer) bei mehreren periodischen Prozessen: damit spezifizierbar: zeitliche Verschiebung der Startzeitpunkte der jeweils ersten Instanzen 0 erste Instanz D i C i k te Instanz t i i + (k-1)t i T i Bild 4-9: Veranschaulichung der Phase 4. Echtzeitprozesse:... Parameter... / 4.2 Parameter von Echtzeit-Prozessen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-17

18 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen 3 Klassen 1. Zeitliche Restriktionen 2. Restriktionen durch Vorrang-Beziehungen 3. Restriktionen durch gegenseitigen Ausschluss an exklusivnutzbaren nicht-entziehbaren Betriebsmitteln 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-18

19 Restriktionen Zeitliche Restriktionen Beschreibung: insbesondere durch Fristen mit jeweiligem Charakter (hart, weich, streng, punktgenau, ) auch Spielraum, Periodizität usw. beschreiben zeitliche Restriktionen v(f i ) v(f i ) keine (Nicht-Echtzeit) weich v(f i ) punktgenau v(f i ) d i d i streng d i hart Bild 4-10: Rekapitulation: Verschiedene Arten von Fristen Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-19

20 Restriktionen Restriktionen durch Vorrang-Beziehungen Phänomen: bei bestimmten Anwendungen können Prozesse nicht in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden Ursache: insb. Datenabhängigkeiten Beispiel: Dekompression von Video u. Audio muss vor Wiedergabe erfolgen Darstellung: z.b. durch gerichtete azyklische Graphen 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-20

21 Restriktionen Restriktionen durch Vorrang-Beziehungen P 1 Notationsregeln: < Vorgänger: P 1 < P 2, P 1 < P 4 unmittelbarer Vorgänger: P 1 P 2 Notation für Beispiel: P 1 < P 2 P 2 P 3 P 1 : beginnender Prozess: hat keine Vorgänger P 1 P 2 P 4 P 5 P 4, P 5 : endende Prozesse: haben keine Nachfolger P 1 < P 4 P 2 P 4 Bild 4-11: Beispiel 1: Vorrangrelationen zwischen 5 Prozessen u. mögliche Beschreibungen Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-21

22 Restriktionen Restriktionen durch Vorrang-Beziehungen Schema Prozess-Vorrang-Graph acq1 acq2 edge1 edge2 disp shape H Bild 4-12: Beispiel 2: Industrielle Applikation, die visuelles Erkennen von Objekten auf einem Transportband erfordert rec Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild2.7 S.30 und Bild 2.8 S Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-22

23 Restriktionen Prozesse im Beispiel 2 1. Prozesse acq1/acq2: image acquisition transportieren Bilder von Kamera in Speicher 2. Prozesse edge1/edge2: edge detection low-level -Bildverarbeitung Digital-Filterung zur Rausch -Reduzierung Kantenbestimmung 3. Prozess shape extrahiert 2-dimensionale Gebilde aus Objekt-Konturen acq1 edge1 disp H rec acq2 edge2 shape 4. Prozess disp: disparities berechnet Unterschiede ( diparities ) zwischen beiden Bildern 5. Prozess H: height bestimmt Objekthöhe aus Ergebnissen von disp 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-23

24 Restriktionen Prozesse im Beispiel 2 6. Prozess rec: final recognition integriert Kontur- u. Höheninformationen endgültige Erkennung Matching mit Daten in Datenbasis acq1 edge1 disp acq2 edge2 shape H rec 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-24

25 Restriktionen Restriktionen durch wechselseitigen Ausschluss an Ressourcen betroffen: exklusiv-nutzbare nicht-entziehbare Einzel-Ressourcen Wenn R eine Ressource ist, die von den Prozessen P a und P b benutzt wird, und A die Operation ist, die P a auf R ausführt und B die Operation, die P b auf R ausführt, dann dürfen A und B nie zur gleichen Zeit ausgeführt werden. notwendig: wechselseitiger Ausschluss 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-25

26 Restriktionen Restriktionen durch wechselseitigen Ausschluss an Ressourcen damit im Zusammenhang: kritischer Abschnitt (critical section) Programmabschnitte, die unter wechselseitigem Ausschluss auszuführen sind Realisierung von wechselseitigem Ausschluss: z.b. Synchronisationsmechanismen des Betriebssystems (Semaphore, Hoare sche Monitore, ) zu Semaphoren, Hoare schen Monitoren u. weiteren Mechanismen u. deren Wirkungsweise: siehe Vorlesung Betriebssysteme, Kapitel Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-26

27 Restriktionen Restriktionen durch wechselseitigen Ausschluss an Ressourcen Mechanismen: z.b. Semaphore u. Hoare sche Monitore Prozess P1 P(Mutex) Zugriffsfunktion F1 V(Mutex) Prozess P1 M.F1 Kritischer Abschnitt/ Ressource Monitor Krit. Abschn./ Ressource Zugrriffsfunktion F1 Zugrriffsfunktion F2 Bedingungen Prozess P2 P(Mutex) Zugriffsfunktion F2 V(Mutex) Prozess P2 M.F2 Bild 4-13: Wechselseitiger Ausschluss mit Semaphor (oben) bzw. Hoare schem Monitor (unten) 4. Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-27

28 Restriktionen Restriktionen durch gegenseitigen Ausschluss an Ressourcen Problem: Bezeichnung: Prioritätsumkehr behandelt: in späterem Abschnitt Prioritäten: Prio(P 1 ) > Prio(P 2 ) normale Ausführung kritischer Abschnitt P 1 blockiert P 1 P 2 t 1 t 2 Prioritätsumkehr Bild 4-13: Veranschaulichung von Prioritätsumkehr Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 7.3 S Echtzeitprozesse:... Restriktionen / 4.3 Echtzeit-Prozesse: Restriktionen ENDE Abschnitt 4 ws 2018/19 H.-A. Schindler Folie: 4-28