Parallelisierung von Echtzeitanwendungen

Transkript

1 Parallelisierung von Echtzeitanwendungen Lukas Lehnert

2 Inhaltszusammenfassung Grundlagen sequentiell vs. parallel Chancen & Grenzen der Parallelisierung Verzögerungen Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle Analysierbarkeit Synchronisation Ablaufplanung Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) 2

3 Grundlagen

4 Terminologie KvBK-Seminar Abbildung 1: Aufgabe und Arbeitsauftrag Abbildung 2: Faden und Arbeitsauftrag Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen 3

5 Terminologie KvBK-Seminar Abbildung 1: Aufgabe und Arbeitsauftrag Abbildung 2: Faden und Arbeitsauftrag Task Ada-Task = Faden Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen 3

6 Anwendung eines Echtzeitsystems Abbildung 3: Bsp. für eine Echtzeitanwendung Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen sequentiell vs. parallel 4

7 Umsetzung der Arbeitsaufträge Abbildung 4: Aufgabe und Arbeitsauftrag praktisch Druck r e g u l i e r e n : Hole Eingabe des ADC d e r Druckmessung Berechne neue E i n s t e l l u n g des E n t l a s s u n g s v e n t i l s S e t z t e mit dem DAC d i e b e r e c h n e t e E i n s t e l l u n g Z e i g e Druck am D i s p l a y an. Temperatur r e g u l i e r e n : Hole Eingabe des ADC d e r Temperaturmessung Berechne neue E i n s t e l l u n g des G a s v e n t i l s S e t z e mit dem DAC d i e b e r e c h n e t e E i n s t e l l u n g Z e i g e Temperatur Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen sequentiell vs. parallel 5

8 paralleler Algorithmus D r u c k r e g u l i e r u n g s f a d e n : l o o p Druck r e g u l i e r e n warte b i s 3 Sekunden s e i t d e r l e t z t e n Druckmessung end l o o p ; T e m p e r a t u r r e g u l i e r u n g s f a d e n : l o o p Temperatur r e g u l i e r e n warte b i s 5 Sekunden s e i t d e r l e t z t e n Temperaturmessung end l o o p ; Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen sequentiell vs. parallel 6

9 sequentieller Algorithmus Dampfkochersteuerungsfaden : l o o p Temperatur r e g u l i e r e n Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 2 s ; t = t + 2 s ; Temperatur r e g u l i e r e n warte b i s t + 1 s ; t = t + 1 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 1 s ; t = t + 1 s ; Temperatur r e g u l i e r e n warte b i s t + 2 s ; t = t + 2 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; end loop ; Druck 0s 3s 6s 9s 12s Temperatur 0s 5s 10s Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen sequentiell vs. parallel 7

10 Regel von Pollack k Rechenleistung = k Komplexität bei Verdoppelung der Komplexität wäre das 2 1, 41 -fache der Rechenleistung Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) 8 Grundlagen Chancen & Grenzen der Parallelisierung

11 Grenzen der Parallelisierung s = 1 (1 P) + P N s: speedup P: parallelisierbarer Codeanteil N: Anzahl an Prozessoren Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) 9 Grundlagen Chancen & Grenzen der Parallelisierung

12 Grenzen der Parallelisierung s = 1 (1 P) + P N s: speedup P: parallelisierbarer Codeanteil N: Anzahl an Prozessoren Beispiel: P = 0.7 N = 2 s 1.54 Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) 9 Grundlagen Chancen & Grenzen der Parallelisierung

13 Verzögerungen relative Verzögerung ab jetzigem Zeitpunkt absolute Verzögerung ab Startzeitpunkt Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen Verzögerungen 10

14 Fehler bei Verzögerungungen 1 + δ δ δ δ a) Phasenverschiebung bei relativer Verzögerung δ 1 δ 2 δ 3 δ b) Phasenverschiebung bei absoluter Verzögerung Abbildung 5: Fehler bei relativer/absoluter Verzögerung Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Grundlagen Verzögerungen 11

15 Sprachkonstrukte vs. Betriebssystemschnittstelle

16 absolute und relative Verzögerung Ada delay delay until ecos cyg thread delay Real Time Java RelativeTime / AbsoluteTime sleep Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle 12

17 Fäden Ada Ada-Tasks in Sprache integriert ecos cyg thread create erfordert Anlegung von Verwaltungsdaten Real Time Java mit RealTimeThread Java-typischer Klassenaufbau Speicher explizit expliziter Start Real-Time Java x ecos x x Ada Tabelle 1: Aufwand bei der Erstellung von Fäden Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle 13

18 Beispiel: absolute Verzögerung in Ada 1 t a s k Faden ; 2 t a s k body Faden is 3 Next : Ada. Real_Time. Time := Clock ; 4 Period : const Time_ Span := Seconds ( 3); 5 begin 6 loop Next := Next + Period ; 9 d e l a y u n t i l Next ; 10 end loop ; 11 end Faden ; Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle 14

19 Ressource Speicherplatz in Ada statische Allokation Stack pragma Storage_ Size ( 1000) Heap pragma type Integer_ Ptr is access Integer ; N : Integer_ Ptr ; N := new Integer ; Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle 15

20 Zwischenresumée Ada Ada-Tasks und delay-anweisungen werden nativ in der Sprache unterstützt ecos Verwendung externer Bibliotheken Ressourcen müssen explizit angelegt werden Real Time Java Vewendung externer Bibliothek Klassenmodell Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Sprachkonstrukte vs. BS-Schnittstelle 16

21 Analysierbarkeit

22 Ravenscar-Profil- Vorhersagbarkeit vs. Flexibilität in Ada 2005 Sprachstandard integriert Einschränkung der Sprachkonstrukte sequentielle Programmierung wird kaum eingeschränkt bessere Analysierbarkeit pragma profile ( Ravenscar ) No_ Relati ve_del ay No_Implicit_Heap_Allocations Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Analysierbarkeit 17

23 Ada 2005 vs. POSIX weite POSIX-Unterstützung in Betriebssystemen POSIX sprachunabhängiger Standard schlechtere Portabilität von Ada-POSIX Anwendungen Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Analysierbarkeit 18

24 WCET From its beginnings, Ada was designed to allow such analysis in as easy a way as possible Building Parallel, Embeded, and Real-Time Appllications with Ada Ansätze Messungen statische Analyse Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Analysierbarkeit 19

25 WCET From its beginnings, Ada was designed to allow such analysis in as easy a way as possible Building Parallel, Embeded, and Real-Time Appllications with Ada Ansätze Messungen statische Analyse Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Analysierbarkeit 19

26 Synchronisation

27 Synchronisation nicht blockierende Synchronisation transaktionaler Speicher Volatile/Volatile Components atomares Lesen/Schreiben Atomic/Atomic Componentents transaktionales Programm CAS LL/SC blockierende Synchronisation Semaphor Monitor Ada: protected Java: synchronized Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Synchronisation 20

28 Monitor Monitor Bedingungsvariable Prozedur Warteschlangen Abbildung 6: Monitorkonzept Hansen: alle aus Bedingungswartschlange bereit ; blockiert Hoare: einer aus Bedingungswarteschlange bereit ; blockiert Mesa: einer oder alle aus Bedingungswartschlange bereit Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Synchronisation 21

29 Ablaufplanung

30 Prozesszustände Abbildung 7: Prozesszustände Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 22

31 Übersicht Ablaufplanung zur Laufzeit dynamische Priorität (dynamic priority scheduling) vor Laufzeit festgelegte Priorität (fixed priority scheduling) Dringlichkeit (urgency) in Abh. von Periode (Rate Monotonic) kürzeste Deadline (Deadline Monotonic) Relevanz (criticality) geteilte Ressourcen (shared ressources) Vorrang (precedence) Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 23

32 Übersicht Ablaufplanung zur Laufzeit dynamische Priorität (dynamic priority scheduling) vor Laufzeit festgelegte Priorität (fixed priority scheduling) Dringlichkeit (urgency) in Abh. von Periode (Rate Monotonic) kürzeste Deadline (Deadline Monotonic) Relevanz (criticality) geteilte Ressourcen (shared ressources) Vorrang (precedence) dynamisch zur Laufzeit bestimmte Ablaufplanung (on-line scheduler) vor Laufzeit festgelegte Ablaufplanung (off-line scheduler) Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 23

33 Übersicht Ablaufplanung zur Laufzeit dynamische Priorität (dynamic priority scheduling) vor Laufzeit festgelegte Priorität (fixed priority scheduling) Dringlichkeit (urgency) in Abh. von Periode (Rate Monotonic) kürzeste Deadline (Deadline Monotonic) Relevanz (criticality) geteilte Ressourcen (shared ressources) Vorrang (precedence) dynamisch zur Laufzeit bestimmte Ablaufplanung (on-line scheduler) vor Laufzeit festgelegte Ablaufplanung (off-line scheduler) verdrängende Ablaufplanung (preemtive scheduler) nicht verdrängende Ablaufplanung (non-preemptive scheduler) Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 23

34 EDF vs. fixed priority scheduling Fixed Priority scheduling EDF Effizienz 69 % (Rate Monotonic) 100% Vorhersagbarkeit hoch niedrig Systemüberlastung deterministischer nicht deterministisch Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 24

35 Prioritätsinversion F3 (hoch) Aktivierungszeitpunkt P(mutex) F2 (mittel) F1 (niedrig) P(mutex) Verdrängung Abbildung 8: Prioritätsinversion Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 25

36 Ablaufplanung in Ada Abbildung 9: Ablaufplanung in Ada pragma Priortiy_Specific_Dispatching ( FIFO_ Within_ Priorities, 3, 31); pragma Task_Dispatching_Policiy ( FIFO_Within_Priorities ); pragma Locking_Policy ( Ceiling_Locking ); Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 26

37 sequentieller Algorithmus Dampfkochersteuerungsfaden : l o o p Temperatur r e g u l i e r e n Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 2 s ; t = t + 2 s ; Temperatur r e g u l i e r e n warte b i s t + 1 s ; t = t + 1 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 1 s ; t = t + 1 s ; Temperatur r e g u l i e r e n warte b i s t + 2 s ; t = t + 2 s ; Druck r e g u l i e r e n warte b i s t + 3 s ; t = t + 3 s ; end loop ; Druck Temperatur 0s 0s 3s 5s 6s 9s 10s 12s ab 15s Hyperperiodenende Hyperperiode: kleinstes gemeinsames Vielfaches aller Zykluszeiten. Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 27

38 Zusammenfassung Motivation seq. vs. parallele Algorithmen Regel von Pollack speedup Verzögerungen absolut relativ Sprachunterstützung vs. externe Bibliotheken gute Analysierbarkeit von Ada blockierende vs. nicht blockierende Synchronisation Ablaufplanung dynamisch/festgelete Prioritäten Prioritäten & unteilbare Betriebsmittel Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 28

39 Quellen 1 G. Bollella, B. Brosgol, P. Dibble, S. Furr, J. Gosling, D. Hardin, and M. Turnbull. The Real-Time Specifcation for Java. Addison-Wesley, 2000 B. Brandenburg, J. Calandrino, A. Block, H. Leontyev, and J. Anderson. Synchronization on real-time multiprocessors: To block or not to block, to suspend or spin? In Proceedings of the 14th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, pages , A. Burns and A. Wellings. Concurrent and Real-Time Programming in Ada. Cambridge University Press, Cambridge, A. Burns and A. Wellings. Locking Policies for Multiprocessor Ada. ACM Ada Letters, 33(2):59-65, Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 29

40 Quellen 2 E. G. Coffman, Jr., M. J. Elphick, A. Shoshani. System deadlocks. ACM Computing Surveys (CSUR), 3(2):67-78, Free Software Foundation, Inc. ecos Reference Manual, pdf J. W. McCormick, F. Singhoff, and J. Hugues. Building Parallel, Embedded, and Real-Time Applications with Ada. Cambridge University Press, Cambridge, Oracle Corporation. Deterministic garbage collection: Unleash the power of java with oracle jrockit real time, B. Venu. Multi-core processors - an overview. CoRR, abs/ , Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 30

41 Abbildungsverzeichnis John W. McCormick, Frank Singhoff and Jérôme Hugues: Building Parallel, Emebedded, and Real-Time Applications with Ada, Cambridge University Press, Cambridge, 2011 Abbildung 3: S. 16 Abbildung 5: S. 301 Abbildung 7: S. 112 Abbildung 8: S. 279 Abbildung 9: S.312 Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 31

42 Fragen? 42 Parallelisierung von Echtzeitanwendungen (SS15) Ablaufplanung 32