Multicore in Echtzeitsystemen (1)

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1 Multicore in Echtzeitsystemen (1) Liyuan Zhang Hauptseminar AKSS im SS 2009 Ausgewählte Kapitel der Systemsoftware: Multicore- und Manycore-Systeme

2 Überblick Einleitung Uniprozessor in Echtzeitsystemen Multiprozessor in Echtzeitsystemen Ein komplettes Fallbeispiel Fazit 1

3 Einleitung - Echtzeitsysteme Echtzeitbetrieb ist ein Betrieb eines Rechensystems, bei dem Programme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne verfügbar sind. DIN Geschwindigkeit liefert keine Garantie, um rechtzeitig Ergebnisse abzuliefern. Wichtige Maßnahme : Gültige und effektive Ablaufplanung. 2

4 Uniprozessor in Echtzeitsystemen Gebräuchliche Schedulingsverfahren Taktgesteuerte Verfahren Vorranggesteuerte Verfahren Reihum gewichtete Verfahren Zugriffskontrolle Unkontrollierte Prioritätenumkehr <-> Prioritätsvererbung Verklemmung <-> Prioritätsobergrenze 3

5 Uniprozessor in Echtzeitsystemen Dynamische Prioritäten EDF ( engl. earliest deadline first ) Je früher der Termin, desto höher die Priorität LRT ( engl. latest release-time first ) Je später die Auslösezeit, desto höher die Priorität LST ( engl. least slack-time first ) Je kürzer die Schlupfzeit, desto höher die Priorität Statische Prioritäten DM ( engl. deadline monotonic ) Je kürzer der relative Termin, desto höher die Priorität RM ( engl. rate monotonic ) Je kürzer die Periode, desto höher die Priorität 4

6 Multiprozessor in Echtzeitsystemen Aufgaben Partitionieren und Zuordnungen von Aufgaben Prozessoren Interprozessor Synchronisation Betriebsmittel Betriebsmittelvergabe zwischen Prozessoren Scheduling Ablaufplanung der Unteraufgaben auf jeden Prozessor Multiprocessor Priority-Ceiling Protocol, MPCP Ablaufplanung für End-to-End Aufgaben Modell 5

7 Ein komplettes Fallbeispiel Problemstellung: Erstellen eine gültige Ablaufplanung in einem abstrakten Multiprozessorsystem mit festgelegter Anzahl von Aufgaben. 6

8 System Systembeschreibung Quad Core Prozessor Betriebsmittel ( Speicher, Geräte, Puffer ), S1, S2, S3 Feste oder dynamische Prioritäten Geschachtelter Betriebsmittelzugriff Max. zwei zugeteilte Aufgaben per Prozessor 7

9 Aufgabe Aufgabenbeschreibung Fünf periodische Aufgaben/Tasks Ti mit unterschiedlichen Perioden und Ausführungszeiten. Ti := { Ji,j }, Aufgabe := { Arbeitsaufträge/Jobs } Ji [ Ausführungszeit, Periode(auch Deadline) ] J1 [6,10], J2 [7.5,12], J3 [8,15], J4[8.5,16], J5 [10,20] 8

10 Scheduling Anforderungen Gültige Ablaufplanung für alle Aufgaben, nämlich alle Deadlines einhalten Minimal nötige Prozessoren Begrenzte Blockierungszeit für alle Aufgaben 9

11 Entwicklungsphase 1. Prioritätenvergabe 2. Aufgabenzuordnung 3. Anwendung des MPCPs 4. Resultatanalyse 10

12 Prioritätenvergabe tenvergabe Statische Prioritäten RM ( engl. rate monotonic ), je kürzer die Periode, desto höher die Priorität Ausführungszeiten von Arbeitsträgen vor Laufzeit bekannt J1, J2, J3, J4, J5 nach Perioden P(J1) > P(J2) > P(J3) > P(J4) > P(J5) Priorität von J1 gleich 1, Priorität J2 von gleich 2,... J1( S1 ), J2( S1 ), J3( S1, S2 ), J4( S1, S2, S3 ), J5( S1, S3 ) J4 besitzt geschachtelten Betriebsmittelzugriff zu S2 und S3 11

13 Entwicklungsphase 1. Prioritätenvergabe 2. Aufgabenzuordnung 3. Anwendung des MPCPs 4. Resultatanalyse 12

14 Aufgabenzuordnung Anforderungen Gemeinsame Daten zwischen Aufgaben Kommunikation zwischen Prozessoren Kommunikation zwischen Prozessoren und Betriebsmittel Overhead Kosten für Kontextwechsel von Jobs Und viel mehr Faktoren NP-Hartes Problem Entwicklungsmethode Graphentheorie, Netzwerk-Partitionieren System als Netzwerk Aufgaben und Prozessoren als Knoten Interprozessor Kommunikation als Kanten, zwischen Prozessoren und Prozessoren Ausführungszeit als Kanten, zwischen Aufgaben und Prozessoren 13

15 Aufgabenzuordnung (Forts.) 14

16 Aufgabenzuordnung (Forts.) 15

17 Aufgabenzuordnung (Forts.) 16

18 Aufgabenzuordnung (Forts.) 17

19 Aufgabenzuordnung (Forts.) 18

20 Aufgabenzuordnung (Forts.) 19

21 Entwicklungsphase 1. Prioritätenvergabe 2. Aufgabenzuordnung 3. Anwendung des MPCPs 4. Resultatanalyse 20

22 MPCP Multiprocessor Priority-Ceiling Protocol Erweitung der Prioritätsobergrenzen Lokale und globale Prioritätsobergrenze Vergabe der Prioritätsobergrenzen Pi, L(Sk) := MAX{ P(Ji) } Pi, G(Sk) := MAX{ P(Ji) - PGrenze } 21

23 MPCP (Forts.) 22

24 MPCP (Forts.) 23

25 MPCP (Forts.) 24

26 MPCP (Forts.) A [] B [] C [] 25

27 MPCP (Forts.) A [] B [] C [] 26

28 MPCP (Forts.) A [J2] B [] C [] 27

29 MPCP (Forts.) A [] B [J1] C [] 28

30 MPCP (Forts.) A [] B [J2,J3] C [J5] 29

31 MPCP (Forts.) A [] B [J3] C [J4] 30

32 MPCP (Forts.) A [] B [J3] C [J5] 31

33 MPCP (Forts.) A [] B [] C [J5] 32

34 MPCP (Forts.) A [] B [] C[J3,J5] 33

35 MPCP (Forts.) A [] B [] C [J5] 34

36 MPCP (Forts.) A [] B [] C[J5,J4] 35

37 MPCP (Forts.) A [] B [] C [] 36

38 Entwicklungsphase 1. Prioritätenvergabe 2. Aufgabenzuordnung 3. Anwendung des MPCPs 4. Resultatanalyse 37

39 Resultatanalyse Totale Blockierungszeit Bi Lokale Blockierungszeit Lokale Verdrängungsverzögerung Ferne Blockierungszeit Ferne Verdrängungsverzögerung Aufschiebbare Blockierungszeit Gültigkeit und Optimalität First-Fit in der Praxis Nicht mehr gültig durch kleine Änderungen Auslösezeit von J1 ist nun T1 statt T2 J2 verlangt S1 zum Zeitpunkt T1 statt T5 38

40 Resultatanalyse A B C 39

41 Resultatanalyse Mögliche Maßnahme Ablaufplanung für End-to-End Aufgaben Modell statt MPCP Dynamische Prioritäten, z. B. LRT statt RM Probleme wieder auftauchen, z. B. unkontrollierbare Prioritätumkehr 40

42 Fazit Ablaufplanung in Multiprozessorsystemen Anforderungen Algorithmen Probleme Optimaler Schedulingsverfahren Allgemeine Beurteilung Unterschiedliche Eigenschaften von Systemen und Aufgaben Geeignete Ablaufplanung auswählen 41

43 Fragen? Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! 42