Übungen zur Vorlesung Realzeitsysteme

Transkript

1 Übungen zur Vorlesung Realzeitsysteme Alle Übungen, die in der Vorlesung behandelt werden und zur Bearbeitung ein Formular benötigen, sind im folgenden aufgelistet: Inhalte - Übung Synchrone Programmierung Transportsystem (Kap 3) - Übung Synchr./asyn. Programmierung Toaster (Kap 3) - Übung Taskzustände (Kap 4) - Übungen Realzeitscheduling (Kap 5) FIFO, Round Robin, MFS, RMS - Übungen Task-Synchronisation (Kap 7) wechselseitiger Ausschluss - Übungen Task-Synchronisation (Kap 7) Task-Reihenfolge - Übung zum Petri-Netz (Kap 8) Erreichbarkeit Seite 1

2 Aufgaben zur Synchrone Programmierung (Kap 3) t = Periodische Unterbrechung im Abstand T Steuerung eines fahrerlosen Transportsystems: Task 1 übernimmt Kameradatenverarbeitung und Task 2 steuert den Motor. Aufgabe 1: Wie ist die Synchronisierungsvariable t im Flussdiagramm zu programmieren, damit der u.g. zeitliche Ablauf gegeben? Kameradatenverarbeitung aufrufen Aufgabe 2: Wie sieht Flussdiagramm und zeitlicher Ablauf aus, wenn Task 1 mit der Periode 2T und Task 2 mit der Periode 3T aufgerufen werden? Definieren Sie dazu für jede Task eine eigene Synchronisierungsvariable: t1 für Task 1 und t2 für Task 2. t ==? ja Motorsteuerung aufrufen nein Motorsteuerung Kameradatenverarbeitung t = ruhend Ende der Unterbrechung T 2T 3T 4T 5T 6T Seite 2

3 Aufgaben zur Synchrone Programmierung (Kap 3) Motorsteuerung Kameradatenverarbeitung ruhend T 2T 3T 4T 5T 6T 7T Seite 3

4 Realzeitprogrammierung (Kap 3) Übung: Toaster 1 - Korb; 2 - Druckfeder; 3 - Heizwendel; 4 - Endlagenkontakt; 5 - Temperatursensor; 6 Rastung; 7 - Auslösemagnet; 8 - Schaltrelais (oder Triac); 9 - Stopptaste 10 - Drehschalter; 11 - Kontrollanzeige. Wir legen die Brotscheiben ein und drücken den Korb 1 nach unten. Er rastet in dieser Lage ein. Dieser Betriebszustand wird mittels des Endlagenkontaktes 4 signalisiert. Dies bewirkt dass der Toast-Vorgang beginnt. Um ihn zu beenden, wird der Auslösemagnet 7 erregt und somit Rastung 6 ausgelöst. Daraufhin drückt die Druckfeder 2 den Korb 1 wieder nach oben. Zur Beeinflussung des Ablaufs sind eine Stopptaste 9 (vorzeiti-ges Beenden) und ein Dreh-schalter 10 (zum Einstellen des Bräunungsgrades) vorgesehen. Das Toasten selbst beruht auf einer Erregung der Heizwendel 3. Hierzu muss das Schaltrelais 8 erregt werden. Seite 4

5 Realzeitprogrammierung (Kap 3) Übung: Toaster 1. Realisieren Sie den geschilderten Programmablauf durch synchrones Programmieren, indem Sie ein Flussdiagramm mit Abfrage- und Warteschleifen erstellen. 2. Realisieren Sie den geschilderten Programmablauf durch asynchrones Programmieren, indem Sie die erforderlichen Interrupts kennzeichnen und für jedes Ereignis ein eigenständiges Flussdiagramm erstellen. Die Programme müssen dann durch einen Interrupthandler gestartet werden. Ereignis 1 Ereignis 2 Ist was zu erledigen? erledigen erledigen erledigen Stop Stop Seite 5

6 Task-Verwaltung (Kap 4) Taskzustände und Warteschlangenmodell: Übung: Gegeben seien 4 Prozesse, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gestartet werden und sich in die ready-warteschlange einreihen. Der Scheduler arbeitet nach dem LIFO-Verfahren. Einige Prozesse benötigen Zugriff auf den Drucker. Die dritte Spalte der nebenstehenden Tabelle gibt an, nach wie vielen Zeiteinheiten im Zustand running ein Prozess auf den Drucker zugreifen möchte. Task Ankunf tszeit Drucken nach Zeiteinheit Benötigte Zeiteinheiten im Zustand running P P P3 1-2 P Während der 4 Zeiteinheiten dauernden Druckphase wird der Prozessor für andere Prozesse freigegeben. Nach Beendigung des Druckvorgangs reiht sich der Prozess wieder in die ready-warteschlange ein. Geben Sie zu den ersten 22 Zeiteinheiten die aktuellen Prozesszustände der Prozesse P1 bis P4 an. Beachten Sie, dass ein ankommender Prozess bei seiner Ankunft den Zustand new annimmt und erst nach einer Zeiteinheit in einen anderen Zustand wechselt, wobei keine CPU-Zeit verbraucht wird. Des Weiteren können Prozesse, die ihren Druckvorgang beendet haben, direkt in den Zustand running wechseln, ohne vorher eine Zeiteinheit im Zustand ready verbringen zu müssen (gilt nur für diese Übung). Unterscheiden sie zum besseren Verständnis beim Zustand suspended zwischen blocked (Drucker ist fremdbelegt) und waiting (Drucker ist eigenbelegt, d.h. Task druckt gerade selber) P1 ne ru ru P2 - - ne P3 - ne re P Seite 6

7 Realzeitscheduling (Kap 5) FIFO Scheduling (first-in-first-out): Übung: Zeichnen Sie den Ablauf der einzelnen Tasks und berechnen Sie die durchschnittliche Reaktionszeit (Wartezeit im Zustand bereit ) dieser Tasks beim FIFO- Verfahren. Task Ankunftszeit Ausführungszeit A 0 ms 4 ms B 2 ms 3 ms C 4 ms 6 ms D 11 ms 3 ms Deadline für 1. Aus- Führung von Task 2 E 12 ms 6 ms Task A Task B Task C Task D Task E ruhend t [ms] Seite 7

8 Realzeitscheduling (Kap 5) FIFO Scheduling (first-in-first-out): Hauptproblem bei FIFO ist die Benachteiligung kurzlaufender Jobs durch Langläufer Beispiel aus dem täglichen Leben: analoges Problem an Supermarktkassen Lösung hier: Schnellkassen für Kunden mit maximal 10 Artikeln Entsprechend beim CPU-Scheduling: ausführungszeitabhängige Strategien Shortest-Processing-Time-First (SPT), auch Shortest-Job-First (SJF) Voraussetzung: Ausführungszeit der Tasks ist bekannt Man kann zeigen, dass die mittlere Reaktionszeit von SPT für die Klasse der nicht-präemptiven Strategien minimal ist, d.h. SPT ist die optimale Strategie bzgl. der Wartezeit. Übung: Zeichnen Sie den Ablauf der einzelnen Tasks und berechnen Sie die durchschnittliche Reaktionszeit (Wartezeit) dieser Tasks für FIFO und SPT unter der Voraussetzung, dass alle zum Zeitpunkt T=0 kurz hintereinander eintreffen: A,B,C,D. Task A B C Ausführungszeit 6 ms 8 ms 7 ms D 3 ms Seite 8

9 5) Realzeitscheduling FIFO 0 A 6 t [ms] A, B, C, D SPT D 0 3 t [ms] A, B, C, D Seite 9

10 5) Realzeitscheduling Round Robin Verfahren: Übung: Zeichnen Sie den Ablauf der einzelnen Tasks und berechnen Sie die durchschnittliche Reaktionszeit für Zeitschlitz = 1ms. Reihenfolge gem. Alphabet. Task Ankunftszeit Ausführungszeit A 0 ms 4 ms B 2 ms 3 ms C 4 ms 6 ms D 11 ms 3 ms Deadline für 1. Aus- Führung von Task 2 E 12 ms 6 ms Task A Task B Task C Task D Task E ruhend t [ms] Seite 10

11 5) Realzeitscheduling Round Robin Verfahren: Übung: Zeichnen Sie den Ablauf der einzelnen Tasks und berechnen Sie die durchschnittliche Reaktionszeit für Zeitschlitz = 5ms). Reihenfolge gem. Alphabet. Task Ankunftszeit Ausführungszeit A 0 ms 4 ms B 2 ms 3 ms C 4 ms 6 ms D 11 ms 3 ms Deadline für 1. Aus- Führung von Task 2 E 12 ms 6 ms Task A Task B Task C Task D Task E ruhend t [ms] Seite 11

12 5) Realzeitscheduling Übung 1 zum MFS Verfahren: Für das MFS Verfahren stehen 6 Warteschlangen zur Verfügung. Jeder Prozess in einer Warteschlange bekommt seine eigene Zeitscheibe, jedoch alle mit dem Quantum Q = 1. Task Ankunftszeit Ausführungszeit A 0 ms 6 ms B 1 ms 2 ms C 3 ms 3 ms D 4 ms 6 ms E 8 ms 1 ms F 16 ms 1 ms Jeder Prozess beginnt in der Warteschlange 1. Wenn ein Prozess nicht fertig wird, wandert er in die nächst niedere (FIFO-) Warteschlange. Übung: Zeichnen Sie den Ablauf der einzelnen Tasks in ein Gantt-Diagramm Seite 12

13 Lösungsblatt zur MFS Übung 1 5) Realzeitscheduling A B A6 B2 A6 B2 A5 Seite 13

14 5) Realzeitscheduling Übung 2 zum Multilevel Feedback Scheduling (MFS): Gegeben sei folgende Scheduling-Strategie mit vier Prioritätsklassen. Jeder Klasse ist eine eigene FIFO-Warteschlange und ein eigenes Quantum zugeordnet: Es wird Process Aging verwendet, d.h. wenn das Zeitquantum eines Prozesses abgelaufen ist, wird er an das Ende der Warteschlange mit nächstniedriger Priorität gestellt. Neuen Prozessen ist eine bestimmte Priorität zugeordnet. Sie werden an das Ende der Warteschlange ihrer Prioritätsklasse angehängt. Es wird am Ende jeder Zeiteinheit überprüft, welcher Prozess am Anfang der nicht leeren Warteschlange mit der höchsten Priorität steht und dieser dann im nächsten Schritt bearbeitet. Ein Prozess, der zum Zeitpunkt t ankommt, wird erst ab dem Zeitpunkt (t +1) berücksichtigt, d.h. er kann frühestens eine Zeiteinheit nach seiner Ankunft die CPU verwenden. Stellen Sie für die ersten 15 Zeiteinheiten tabellarisch die Warteschlangen der einzelnen Prioritätsklassen sowie die Prozesszuteilung für die folgenden Prozesse dar: Seite 14

15 5) Realzeitscheduling Lösungsblatt zur MFS Übung A(3) A B(5) Running Incoming Prio 0, Q=1 A(3) Prio 1, Q=4 Prio 2, Q=8 Prio 3, FIFO Seite 15

16 5) Realzeitscheduling Übung zum RMS: (Voraussetzung: Tasks werden EINEM Prozessor zugeteilt): 1) Vergeben Sie die Prioritäten nach dem Rate Monotonic Prinzip (RMS) 2) Stellen Sie den zeitlichen Verlauf aller 4 Tasks dar unter der Voraussetzung, dass alle Tasks gleichzeitig bereit sind (s. Lösungsblatt 1) 3) Zeichnen Sie für die Task 3 ihre Zustände (ruhend, ablaufwillig, laufend) über eine Zeitachse von 0 bis 250 ms (s. Lösungsblatt 2). Ausführungszeit Periodendauer Priorität Task 1 20 ms 500 ms? Task 2 10 ms 40 ms? Task 3 30 ms 160 ms? Task 4 40 ms 110 ms? Seite 16

17 5) Realzeitscheduling Lösung zu Teilaufgabe 1: In Abhängigkeit der Periodendauer ergibt sich folgende Prioritätsvergabe: P(2) > P(4) > P(3) > P(1) Lösungsblatt 1 zur Teilaufgabe 2: Priorität Task 2 Task 4 Task 3 Task t [ms] Seite 17

18 5) Realzeitscheduling Lösungsblatt 2 zur Teilaufgabe 3: Taskzustände in Abhängigkeit der Zeit Zustand von Task 3 blockiert laufend ablaufwillig ruhend t [ms] Seite 18

19 Realzeitscheduling (Kap 5) Übung zum Scheduling-Verfahren Gegeben ist nebenstehender Taskplan. Bitte füllen Sie die u.s. Tabelle entsprechend des geforderten Scheduling -Verfahrens aus: 1. FIFO 2. Round Robin 3. Earliest Deadline 4. Least Laxity Task Dauer in ms Ankunftszeit in ms Deadline in ms A keine B C D In dem Fall, dass Prioritäten gesetzt werden müssen, soll dies gemäß der Buchstabenreihenfolge im Alphabet erfolgen. Falls eine Zeitscheibe notwendig ist, ist diese mit 10 ms anzunehmen. 10 ms 20 ms 30 ms 40 ms 50 ms 60 ms 70 ms 80 ms 90 ms 100 ms Seite 19

20 Task-Synchronisation (Kap 7) Übung zum wechselseitigen Ausschluss: Zwei Task A und B (mit absteigender Priorität, A hat die höchste) benutzen exklusiv zwei gemeinsame Speicherbereiche, die jeweils durch eine Semaphore geschützt werden (gestr. Linie = Programmcode, nt = Ausführungsdauer). Tragen Sie den zeitlichen Verlauf mit den entsprechenden Taskzuständen (blockiert = wartet auf Sema, ablaufwillig = durch höhere Prio verdrängt) der zwei Tasks im Bereich 0<=t<=20T ein, wobei sie zwei Fälle unterscheiden: Fall 1: Task A wird bei T=5t und B bei T=0t gestartet Fall 2: Task A wird bei T=2t und B bei T=0t gestartet Die zwei Semaphore S1 und S2 sind mit 1 initialisiert. Task A (Prio 1) T REQ S2 2T REQ S1 3T REL S1 2T REL S2 T Task B (Prio 2) T REQ S1 2T REQ S2 3T REL S2 2T REL S1 T END END Seite 20

21 Task-Synchronisation (Kap 7) Übung: Formular zum Zeichnen der Soll-Abläufe Task A laufend blockiert ablaufwillig Task B laufend blockiert ablaufwillig Seite 21

22 Aufgaben Semaphore (Kap 7) Vorgegeben sind die Anordnung von Semaphor-Anweisungen am Anfang und am Ende dreier Tasks A, B und C. REQ S1 REQ S1 REQ S1 Task A REL S2 REQ S2 Task B REL S3 REL S1 REQ S3 REQ S3 REQ S3 Task C REL S2 REL S2 In der folgenden Tabelle sind die Anfangswerte für die drei Semaphor-Variablen S1, S2 und S3 eingetragen. Ermitteln Sie für die 4 Fälle a), b), c) und d) der Tabelle, ob und in welcher Reihenfolge diese Tasks bei der angegebenen Initialisierung der Semaphor-Variablen ablaufen. Fall a) b) c) d) S S S Seite 22

23 Aufgaben Semaphore (Kap 7) Formular für die Lösung S1 S2 S3 Ablauffähige Task Bemerkungen a) A Reihenfolge: B b) Reihenfolge: c) Reihenfolge: d) Reihenfolge: Seite 23

24 8) Petrinetze zur Synchronisation S1 t2 S2 t1 t3 S3 t4 S4 Übung: Erstellen Sie für das Petri-Netz den Erreichbarkeitsgraphen; es sind insgesamt nur 6 Markierungen M0 bis M5 möglich, da alle Stellen eine max. Kapazität = 1 haben sollen. Transitionsmöglichkeiten M0 M1 M2 M3 M4 M5 M1 M2 - - t1 -> t2 -> t3 -> t4 -> Markierungsmenge Semas S1 S2 S3 S4 M M1 M2 M3 M4 M5 Seite 24