Verteilte Echtzeit-Systeme

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1 - Verteilte Echtzeit-Systeme Hans-Albrecht Schindler Wintersemester 2017/18 Teil C: Echtzeit-Betriebssysteme Abschnitt 10: Scheduling gemischter Prozessmengen CSI Technische Universität Ilmenau

2 10.1 gemischte Prozess-Mengen Motivation bisher behandelte Scheduling-Verfahren: homogene Prozessmengen (nur aperiodisch oder nur periodisch) viele Echtzeitanwendungen: enthalten periodische und aperiodische Prozesse, dabei: können einzelne Prozesse oder Prozess-Gruppen auch unterschiedlich kritisch bezüglich der Einhaltung ihrer Fristen sein möglich: 1. alle periodischen Prozesse: harte Fristen alle aperiodischen Prozesse: weiche Fristen 2. alle periodischen Prozesse: weiche Fristen alle aperiodischen Prozesse: harte Fristen 3. alle periodischen u. alle aperiodischen Prozesse: harte Fristen oder alle Prozesse: weiche Fristen EDF 4. alle Prozesse: individuelle Fristen 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.1 gemischte Prozessmengen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-2

3 gemischte Prozess-Mengen Diskutierte Verfahren alle periodischen Prozesse: zeitgesteuert (typisch z.b.: für periodische Sensorauswertung) führen kritische Aktivitäten aus harte Fristen alle aperiodischen Prozesse: ereignisgesteuert in Abhängigkeit von Anwendung: harte bzw. weiche Fristen oder Nichtechtzeit-Eigenschaften (keine Fristen) typisch für: Steuerungs-, Regelungs- u. Überwachungs-Systeme 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.1 gemischte Prozessmengen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-3

4 gemischte Prozess-Mengen Aufgaben des Betriebssystems (inkl. Scheduler) 1. Garantie für Planbarkeit aller harten Echtzeit-Prozesse unter worst-case-bedingungen 2. gute Durchschnitts-Antwortzeiten für weiche Echtzeit-Prozesse u. Nicht-Echtzeit-Prozesse 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.1 gemischte Prozessmengen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-4

5 Betrachtete Prozess-Mengen Scheduling-Verfahren für hybride Prozess-Mengen Fall A: Annahmen a) periodische Prozesse: Prioritäten: statisch Scheduling: RM Ankunftszeiten: synchron b) aperiodische Prozesse: Ankunftszeiten: unbekannt Frist: Minimalzeit zwischen zweimaligem Bereitwerden (wenn nicht anders spezifiziert) bedingt: sporadische Prozesse 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.1 gemischte Prozessmengen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-5

6 Betrachtete Prozess-Mengen Scheduling-Verfahren für hybride Prozess-Mengen Fall B: Annahmen a) periodische Prozesse: Prioritäten: dynamisch Scheduling: EDF Ankunftszeiten: synchron b) aperiodische Prozesse: Ankunftszeiten: unbekannt Frist: Minimalzeit zwischen zweimaligem Bereitwerden (wenn nicht anders spezifiziert) bedingt: sporadische Prozesse wie im Fall A Betrachtet wird zunächst: einfacherer Fall A 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.1 gemischte Prozessmengen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-6

7 10.2 Hintergrund-Scheduling Prinzip rechenbereite Prozesse auf 2 Warteschlangen aufgeteilt (einfache Variante eines Mehr-Ebenen-Scheduling) Periodische Prozesse Teilwarteschlange mit höchster Priorität RM oder EDF CPU Aperiodische Prozesse niedrigste Priorität FCFS oder SJF oder EDF... Bild 10-1: Hintergrund-Scheduling Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.2 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.2 Hintergrund-Scheduling ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-7

8 Hintergrund-Scheduling Prinzip Teil-Warteschlange 1: enthält alle periodischen Prozesse mit höchster Priorität bedient Schedulingverfahren RM oder EDF Teil-Warteschlange 2: enthält alle aperiodischen Prozesse nur bedient, wenn keine periodischen Prozesse bereit 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.2 Hintergrund-Scheduling ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-8

9 Hintergrund-Scheduling Beispiel 1 A B C D 2 1 ZE Aperiodische 2 ZE Anforderungen t [ZE] Bild 10-1: Hintergrund-Scheduling von aperiodischen Prozessen unter RM (Beispiel) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.1 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.2 Hintergrund-Scheduling ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-9

10 Hintergrund-Scheduling Weitere Bemerkungen Haupt-Vorteil: Einfachheit der Implementierung Haupt-Problem: Antwortzeit aperiodischer Prozesse kann zu lang werden (insbesondere bei hoher periodischer Last). Starvation: geeignet nur für weniger strenge Zeitrestriktionen aperiodischer Prozesse 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.2 Hintergrund-Scheduling ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-10

11 Server-Prozess 10.3 Server-Prozesse (1.Verbesserungsprinzip) hier: periodisch aktivierter Prozess, der aperiodische Anforderungen so schnell wie möglich ausführt charakterisiert durch: Periodendauer T S Rechenzeitbedarf C S (C S :. Server-Kapazität) Arbeitsweise des Servers: Scheduling: gleicher Algorithmus wie für normale periodische Prozesse bedient: aperiodische Anforderungen innerhalb seiner Kapazität Ordnung aperiodischer Anforderungen: unabhängig von Scheduling-Algorithmus für Server, z.b. nach: Ankunftszeit FCFS, Rechenzeitbedarf SJF, Frist EDF, Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse sinngemäß: wie bei normalen periodischen Prozessen ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-11

12 Serverprozesse: 1. Polling Server (PS) Arbeitsweise Serverprozess: in regelmäßigen Zeitabständen entspr. Periodendauer T S aktiviert bedient: momentan vorliegende aperiodische Anforderungen bis Kapazität C S aufgebraucht falls keine aperiodischen Anforderungen: PS: beendet sich selbst bis Beginn der nächsten Periode nichtaufgebrauchte Kapazität: freigegeben falls aperiodische Anforderung(en) erst nach Selbstbeendigung von PS: es muss bis zu nächster Periode von PS gewartet werden dann: Server-Kapazität wieder auf vollen Wert aufgeladen 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-12

13 Serverprozesse: 1. Polling Server (PS) Server C S = 2 T S = 5 C i T i Mittleres T aperiod.anforder. Zeitpunkt, zu dem jeweils Anforderung vorliegt (in ZE) 1 höchste Priorität 2 niedrigste Priorität C S mittlere Priorität Kapazität des Servers als Funktion der Zeit Bild 10-2: Polling Server (Beispiel) 2 1 Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.3 S ZE Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-13

14 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) Arbeitsweise Serverprozess: ähnlich wie Polling Server: regelmäßig entspr. Periodendauer T S aktiviert aber: Server-Kapazität unter Beibehaltung des Prioritätsniveaus bis zum Ende der Periode aufgehoben - und nicht freigegeben Resultat: verbesserte durchschnittliche Antwortzeit aperiodischer Anforderungen 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-14

15 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) C i T i Server C S = 2 T S = 5 2 aperiodische Anforderungen Prioritäten: C S 2 1 P 1 >P S > P Bild 10-3: Deferrable Server (Beispiel) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.5 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-15

16 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) PS aperiodische Anforderungen 2 ZE DS aperiodische Anforderungen Bild 10-4: Vergleich: Polling Server Deferrable Server (jeweils gleiche Daten wie in Bild10-2 bzw. 10-3) 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-16

17 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) C i Server C S = 2 T S = 6 T i aperiodische Anforderungen Prioritäten: P S > P 1 > P 2 C S Bild 10-5: Deferrable Server: Server hat höchste Priorität Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.6 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-17

18 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) 1 2 (a) DS Aperiodische Leerlauf time overflow Anforderung hält sich nicht an Vorgaben eines periodischen Prozesses! 2 (b) C S Bild 10-6: Deferrable Server: Server mit höchster Priorität (Erkärungen: nächste Folie) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.7 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-18

19 Serverprozesse: 2. Deferrable Server (DS) Zur Beachtung ein Deferrable Server ist nicht äquivalent zu einem periodischem Prozess (siehe Bild 10-6) a) Die periodische Prozess-Menge { 1, 2 } ist durch RM planbar. b) Wenn jedoch 1 durch DS ersetzt wird, verpasst 2 seine Frist. (bei Scheduling-Test: geringerer Wert für untere Grenze der Prozessorauslastung) 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-19

20 Arbeitsweise Serverprozess: Serverprozesse: 3. Priority Exchange Server (PE) Änderung gegenüber Deferrable Server: Prinzip der Kapazitätsreservierung falls keine aperiodischen Prozesse zur Bearbeitung bereit: Kapazitätsreserve gegen Ausführungszeit eines periodischen Prozesses niedrigerer Priorität getauscht nach Tausch: periodischer Prozess läuft auf (höherem) Prioritätsniveau des Servers und Server behält seine Kapazität allerdings auf niedrigerem Prioritätsniveau des periodischen Prozesses Wirkung gegenüber DS: verbesserte Planbarkeitsschranke für periodische Prozesse (etwas) verschlechtertes Antwortzeit-Verhalten aperiodischer Prozesse 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-20

21 Serverprozesse: 3. Priority Exchange Server (PE) C i Server C S = 1 T S = 5 T i C S P Sorig > P 1 > P Kapazitätsreserve des Servers auf Prioritätsniveau P 1 Kapazitätsreserve auf Niveau P Bild 10-7: Bedienung aperiodischer Anforderungen durch PE-Server (Beispiel 1) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.12 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-21

22 Serverprozesse: 3. Priority Exchange Server (PE) C i T i Server C S = 1 T S = 5 C S 1 aperiodische Anforderungen Verdrängung Bild 10-8: Bedienung aperiodischer Anforderungen durch PE-Server (Beispiel 2) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.13 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-22

23 Serverprozesse: 4. Sporadic Server (SS) Arbeitsweise Serverprozess: wie Deferrable Server: Serverkapazität bleibt auf ursprünglichem Niveau erhalten bis periodische Anforderungen auftreten. anders als Deferrable Server: Wiederaufladen der Serverkapazität nur, wenn tatsächlich Kapazität verbraucht 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-23

24 Regeln für Wiederaufladung 1. Zeitpunkt Serverprozesse: 4. Sporadic Server (SS) mit: P exe... Priorität des momentan laufenden Prozesses P SS... Priorität von SS wird: SS = aktiv, wenn P exe P SS Zeitpunkt: t A (d. h. es läuft höher priorisierter Prozess oder SS selbst) damit ergibt sich: Wiederaufladezeitpunkt: t WA = t A + T S 2. Betrag Server-Periodendauer Wiederaufladebetrag B WA wird berechnet, sobald gilt: SS = idle, d. h. P exe < P SS ist: gleich der im Intervall [t A, t I ] verbrauchten Serverkapazität 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-24

25 Serverprozesse: 4. Sporadic Server (SS) Bewertung Verbesserung durchschnittlicher Antwortzeit aperiodischer Prozesse, ohne Verschlechterung der Planbarkeitsschranke der periodischen Prozessmenge 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-25

26 Serverprozesse: 4. Sporadic Server (SS) C i Server C S = 5 T S = 10 T i aperiodische Anforderungen SS aktiv t A t I C S +2 Prioritäten P 1 > P SS > P Bild 10-9: Beispiel für Sporadic Server mittlerer Priorität Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.17 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-26

27 Serverprozesse: 4. Sporadic Server (SS) C i Server C S = 2 T S = 8 T i aperiodische Anforderungen C S Bild 10-10: Beispiel für Sporadic Server hoher Priorität Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.18 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.3 Server-Prozesse ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-27

28 Arbeitsweise Prinzip 10.4 Slack-Stealing ( Spielraum-Stehlen - 2.Verbesserungsprinzip) Es existiert passiver Prozess (= Slack Stealer ) kein periodischer Serverprozess dieser: sammelt Zeit für aperiodische Anforderungen Vorgehensweise: Ausführung der Instanzen periodischer Prozesse so weit wie möglich nach hinten verschoben ohne dass Fristverletzung auftritt (= Stehlen des Spielraums) Spielraum für periodischen Prozess i : slack i (t) = d i t c i (t) Idee dahinter Beenden periodischer Prozesse vor ihrer Frist bringt normalerweise keinerlei Vorteile 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.4 Slack-Stealing ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-28

29 Slack-Stealing Resultat Verbesserung der Antwortzeiten aperiodischer Anforderungen 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.4 Slack-Stealing ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-29

30 Slack-Stealing (a) 1 C i T i aperiodische Anforderung (b) 2 RM gestohlener Spielraum gestohlener Spielraum Bild 10-11: Slack-Stealer-Verhalten (Beispiel) 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.4 Slack-Stealing a) Ablaufplan ohne aperiodische Anforderungen; b) mit aperiodischer Anforderung von 3 Einheiten Dauer u. Ankunftszeit t = 8 Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.20 S.139 ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-30

31 Bewertung der Fixed-Priority-Server Performanz Mathematische Komplexität Implementationskomplexität Speicher- Bedarf Hintergrund- Scheduling Polling Server Deferrable Server Priority Exchange Sporadic Server Slack-Stealing Parameterklassifikation: sehr gut gut schlecht Bild 10-12: Zusammenfassende Bewertung der Fixed-Priority-Server Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 5.26 S Scheduling gemischter Prozessmengen / ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-31

32 EDF-Serverprozesse 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF Entwicklung auch von Serverprozess-Algorithmen mit Basisalgorithmus EDF (anstelle RM) Algorithmen betrachtbar als: Modifikation der Server-Algorithmen mit RM hierbei: statische durch dynamische Prioritäten ersetzt Hauptvorteil höhere Prozessorauslastbarkeit (wegen EDF) Übersicht 1. DPE: Dynamic Priority Exchange Sever (Modifikation von PE) 2. DSS: Dynamic Sporadic Server (Modifikation von SS) 3. TBS: Total Bandwidth Server (Verbesserung von Nr. 2) 4. EDL: Earliest Deadline Late Server (andere Verbesserung von Nr. 2) 5. IPE: Improved Priority Exchange Server (Verbesserung von Nr.1) 6. TBS*: modifizierter TBS (Verbesserung von Nr. 3) 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-32

33 Beispiel-Verfahren Beispiel: Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Dynamic Priority Exchange Server (DPE) als Modifikation des Priority Exchange Servers (1994/96 Buttazzo/Spuri) Austausch von Kapazitätsreserve für aperiodische Prozesse gegen Prozessorzeit für periodische Prozesse mit geringerer Priorität Algorithmus: Server beschrieben durch Parameter Periodendauer T S und Kapazität C S Zu Beginn jeder Server-Periode: seine Kapazität auf C sd gesetzt (mit d... Frist der aktuellen Serverperiode) im Beispiel: bei: t = Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF C s6 = 3 (volle Server-Kapazität) ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-33

34 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Beispiel-Verfahren Dynamic Priority Exchange Server (DPE) als Modifikation des Priority Exchange Servers Entwickler: Buttazzo u. Spuri ( ) Grund-Idee Austausch von Kapazitätsreserve für aperiodische Prozesse gegen Prozessorzeit für periodische Prozesse mit geringerer Priorität 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-34

35 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Beispiel-Verfahren Algorithmus Server beschrieben durch Periodendauer T S Kapazität C S und zu Beginn jeder Server-Periode: Server-Kapazität auf C sd gesetzt (mit d... Frist der aktuellen Serverperiode) im Beispiel: bei: t = 0 C s6 = 3 (volle Server-Kapazität) jede zu periodischen Instanzen gehörende Frist: hat ebenfalls aperiodische Kapazität C d Si (egal ob Instanz bereits abgearbeitet oder nicht). Kapazität anfänglich: Wert 0 (Null). im Beispiel: bei: t = 0 gilt C 8 S1 = C 12 S2 = C 16 S1 = = Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-35

36 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Beispiel-Verfahren Algorithmus Aperiodische Kapazitäten (falls > 0): erhalten Prioritäten entsprechend ihrer Frist und EDF (d.h. früheste Frist höchste Priorität) [bei gleicher Frist: aperiodische Anforderungen bevorzugt.] immer wenn aperiodische Kapazität höchste Priorität hat: folgende Möglichkeiten: falls aperiodische Anforderungen vorliegen: diese bedient, bis sie erfüllt oder bis Kapazität erschöpft falls keine aperiodischen Anforderungen vorliegen aber periodische Prozess-Instanzen zu bearbeiten: o Instanz mit frühester Frist bedient dabei: Kapazität vom Betrag der Ausführungszeit zu Frist der betroffenen Instanz hinzugefügt (und von nicht ausgeschöpfter Frist subtrahiert) 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-36

37 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Beispiel-Verfahren Algorithmus falls keinerlei Anforderungen: Kapazität im Leerlauf verbraucht im Beispiel: bei t = 0 liegt Instanz von 1 zur Bearbeitung an. Diese nach 2 ZE vollständig bearbeitet: C 6 S = 2 1 C 8 S1 = 2 (übertragene Kapazität) bei t = 2 liegt Instanz von 2 vor zunächst: verbliebene Kapazität von C 6 S wird verbraucht und übertragen dann: Kapazität von C 8 S1 wird auf C 12 S2 übertragen so dass Kapazität von C 12 S2 vollständig verbraucht wird 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-37

38 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) Beispiel-Verfahren Algorithmus... ab t = 5 ist Prozessor 3 ZE im Leerlauf, so dass Kapazität von C 12 S2 vollständig verbraucht wird 10. Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-38

39 Dynamic Priority Exchange Server (DPE) 6 C S DPE C S1 16 C S C S Bild 10-13: Beispiel für Dynamic Priority Server (Dynamic Priority Exchange Server DPE) Darstellung nach /Buttazzo97/ Bild 6.1 S Scheduling gemischter Prozessmengen / 10.5 Serverprozess-Algorithmen mit EDF ENDE Abschnitt 10 ws 2017/18 H.-A. Schindler Folie: 10-39