Systèmes temps réel - Ordonnancement

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Systèmes temps réel - Ordonnancement

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Application temps réel

• Contexte applicatif

MesuresEvénements

Fonction de suivi

CommandesFonction de

pilotage

Contraintes de temps

Application de contrôlemultitâches

Exécutif temps réel

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Application temps réel

� Les tâches – processus composant une application temps réel peuvent être, en fonction de leurs caractéristiques, répertoriées sous différents types. Deux critères interviennent principalement :

� la façon dont la tâche survient dans la vie du système temps réel. – tâches périodiques, à intervalles réguliers (typiquement des mesures

ou commandes de systèmes asservis échantillonnés) – tâches apériodiques qui surviennent aléatoirement (typiquement une

alarme) ;� le degré de flexibilité de la tâche vis-à-vis de l'application temps réel

– les tâches à contraintes strictes (tâches critiques), – tâches à contraintes relatives (tâches essentielles),

� Chaque tâche possède un délai critique : temps maximal pour s'exécuter depuis sa date de réveil. La date butoir résultante est appelée échéance. Le dépassement d'une échéance est appelé faute temporelle.

réveil échéance

Délai critique

Exécution non terminée :faute temporelle

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Tâches périodiques

• Elles correspondent aux mesures sur le procédé ; elles se réveillent régulièrement (toutes les P unités de temps)�périodiques strictes : contraintes temporelles à respecter absolument�périodiques relatives : contraintes temporelles qui peuvent être non respectées de temps à autre �périodiques à échéance sur requête (délai critique R = période P)

tr0 d0

C max

R

r0 + P

P

• r0, date de premier réveil• P, période• rk, date de réveil de la kèmerequête

rk = r0 + kP• C, temps d'exécution• R, délai critique• dk, échéance = rk + R

Tp (r 0, C, R, P)

0 ≤ ≤ ≤ ≤ C ≤ ≤ ≤ ≤ R ≤ ≤ ≤ ≤ P

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Tâches apériodiques

• Elles correspondent aux événements ; elles se réveillent de manière aléatoire� apériodiques strictes : contraintes temporelles dures à respecter absolument�apériodiques relatives : contraintes temporelles molles qui peuvent être non respectées de temps à autre (sans échéance)

r d

C max

• r, date aléatoire de réveil• C, temps d'exécution• R, délai critique• d, échéance = r + R

Tap (r, C, R)

0 <<<< C ≤ ≤ ≤ ≤ R

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EXÉCUTIF ET ORDONNANCEMENT TEMPS RÉEL

• L ’application temps réel est gérée par un système d’exploitation qualifié d’exécutif temps réel. Cet exécutif possède les services classiques d’un système d’exploitation, mais plus particulièrement :� - une gestion du temps avec une

résolution accrue ;� - une gestion mémoire simplifiée;� - une allocation des ressources sans

interblocage et inversion de priorité ;� - un ordonnancement spécifique et

certifiable.

Il est nécessaire de vérifier avant le lancement de l'application (hors ligne) le respect des contraintes temporelles. Cette certification s'effectue à l'aide de tests d'acceptabilité qui prennent en compte les paramètres temporels des tâches (temps d'exécutions des tâches) .

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CARACTÉRISTIQUES DE L'ORDONNANCEMENT TEMPS RÉEL

• Test d'acceptabilité

Complexité de l’ensemble de n tâches

Condition suffisante

Conditionnécessaire

Condition exacte

(rarement)

FausseEnsemble de n tâches

non ordonnançable

VraieEnsemble de n tâches

ordonnançable

)12( /1

1

−≤∑=

nn

i i

i nP

C

Un exécutif déterministe est un exécutif pour lequel les temps de certaines opérations système et matérielles élémentaires peuvent être bornés : temps de commutation, temps de prise en compte des interruptions, etc…

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ALGORITHMES D'ORDONNANCEMENT POUR LES TÂCHES PÉRIODIQUES INDÉPENDANTES

• Algorithmes en ligne et préemptifs avec un test d'acceptabilitéévaluable hors ligne

• Nous ordonnançons un ensemble de tâches périodiques Les priorités affectées aux tâches sont soit constantes (évaluées hors ligne et fixes par la suite), soit dynamiques (elles changent dans la vie de la tâche)

• L'ordonnancement d'un ensemble de tâches périodiques est cyclique et la séquence se répète de manière similaire sur ce que l'on appelle la période d'étude.

• Pour un ensemble de tâches périodiques à départ simultané (t = 0), la période d'étude est : [0, PPCM(Pi)]

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Rate Monotonic

• Priorité de la tâche fonction de sa période. Priorité constante

• La tâche de plus petite période est la tâche la plus prioritaire

• Pour un ensemble de n tâches périodiques à échéance sur requêteTpi (r0, Ci, Pi), un test d'acceptabilité est (condition suffisante) :

)12( /1

1

−≤∑=

nn

i i

i nP

C

Algorithmes d'ordonnancement pour les tâches périodiqu es indépendantes

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Rate Monotonic

Algorithmes d'ordonnancement pour les tâches périodiqu es indépendantes

(3/20 + 2/5 + 2/10) ≤ 0, 779 est vrai

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Inverse Deadline

• Priorité de la tâche fonction de son délai critique. Priorité constante

• La tâche de plus petit délai critique est la tâche la plus prioritaire

• Pour un ensemble de n tâches périodiques Tpi (r0, Ci, Ri, Pi), un test d'acceptabilité est (condition suffisante) :

)12( /1

1

−≤∑=

nn

i i

i nR

C


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Inverse Deadline


(3/15 + 1/4 + 2/9) ≤ 0,779 est vrai

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Earliest Deadline

• Priorité de la tâche dynamique

• A l’instant t, la tâche de plus proche échéance est la tâche la plus prioritaire (la plus urgente)

• Pour un ensemble de n tâches périodiques Tpi (r0, Ci, Ri, Pi), un test d'acceptabilité est (condition suffisante) :

11

≤∑=

n

i i

i

R

C


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Earliest Deadline


(3/8 + 1/4 + 2/7) ≤ 1 est vrai

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ORDONNANCEMENT POUR LES TÂCHES PÉRIODIQUES AVEC CONTRAINTES DE RESSOURCES

On considère trois taches périodiques P1, P2, P3 à échéance sur requête dont les caractéristiques sont les suivantes

12

6

18

période

24 unités3P3

14 unités2P2

35 unités0P1

priorité (plus petite valeur =

plus grande priorité)

Temps d'exécution

Date d’arrivée

Les trois processus sont ordonnancés selon Rate Monotonic.On suppose à présent que les tâchess P1 et P2 utilisent une même ressource critique R1, protégée par un sémaphore Sem1 initialisé à 1. P3 ne fait que du calcul.Les étapes des deux tâches P1 et P2 sont les suivantes :

Calcul durant 1 unitéP(Sem1)

Faire calcul en utilisant R1 durant 2 unitésV (Sem1)

Calcul durant 1 unité

Calcul durant 1 unitéP (Sem1)

Faire calcul en utilisant R1 durant 2 unités

V (Sem1)Calcul durant 2 unités

P2P1

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ORDONNANCEMENT POUR LES TÂCHES PÉRIODIQUES AVEC CONTRAINTES DE RESSOURCES : inversion de priorité

12

6

18

période

24 unités3P3

14 unités2P2

35 unités0P1

priorité(plus petite

valeur = plus grande

priorité)

Temps d'exécution

Date d’arrivée



V (Sem1)Calcul durant 1 unité




P2P1

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ORDONNANCEMENT POUR LES TÂCHES PÉRIODIQUES AVEC CONTRAINTES DE RESSOURCES : protocole de la priorité

plafonnée

12

6

18

période

24 unités3P3

14 unités2P2

35 unités0P1



priorité)

Temps d'exécution

Date d’arrivée







P2P1

Le protocole de la priorité plafonnée vise à résoudre le problème de l’inversion de priorité.Il fonctionne selon le principe suivant :• chaque ressource R possède une priorité qui est celle de la tâche de plus haute prioritépouvant demander son utilisation ;• une tâche T hérite de la priorité de cette ressource R lorsqu’elle l’obtient et la garde jusqu’à ce qu’elle la libère;• cependant, la tâche T ne peut obtenir la ressource R que si la priorité de R est strictement supérieure à celles de toutes les ressources déjà possédées par les autres tâches Tx. Par ce biais, on prévient l’interblocage.

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ORDONNANCEMENT POUR LES TÂCHES PÉRIODIQUES AVEC CONTRAINTES DE RESSOURCES : protocole de la priorité

plafonnée

12

6

18

période

24 unités3P3

14 unités2P2

35 unités0P1



priorité)

Temps d'exécution

Date d’arrivée







P2P1

R1 a une priorité de 1

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Linux et le temps réel

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Linux est-il adapté aux contraintes temps réel ?

• Le système Linux est un système d'exploitation conçu pour offrir un service équitable aux processus. Quatre points sont problématiques.� l'ordonnancement des processus est un ordonnancement de

type temps partagé. Les politiques SCHED_RR et SCHED_FIFO qualifiées de temps réel n’offrent aucune garantie de respect des contraintes temporelles ;

� le noyau est non préemptif, c'est-à-dire que lorsqu'un processus s'exécute en mode noyau, ce processus ne peut être préempté, même si un processus plus prioritaire a besoin du processeur ;

� les sections critiques du noyau sont réalisées en masquant les interruptions. Ainsi, la prise en compte d'une interruption destinée à un processus temps réel peut être retardée jusqu'à ce qu'une section critique du noyau soit libérée ;

� la fréquence de l’horloge système est de l’ordre de 100 Hz.

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Modifier Linux pour l’adapter au temps réel

• modifier l’exécution du système Linux afin de rendre le noyau préemptif. Le noyau devient réentrant et que les fonctions le composant subissent des appels multiples et concurrents ;

• verrouiller en mémoire centrale les pages de l’espace d’adressage des tâches temps réel afin d’éviter les défauts de pages ;

• améliorer la résolution temporelle de l’horloge du système ;• utiliser un micronoyau temps réel cohabitant avec le noyau

Linux. Ce micronoyau exécute les tâches temps réel. Le noyau Linux est considéré par ce micronoyau comme la tâche de plus faible priorité. Elle n’est exécutée que lorsqu’aucune autre tâche temps réel n’est prête

� exemple RTLINUX.

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RT- Linux

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RT-LINUX

•

GESTIONNAIRE IT

IRQ 7

Thread apériodique réveillé par IRQ7Ecrit 0 sur la port parallèleAffichage de l’heure d’écriture

Thread périodique de période 1000Écrit 5 sur le port parallèleAffichage de l’heure d’écriture

Thread linux classique ; lit les RT-FIFOSEt affiche les heures d’écritures sur le port parallèle

RT-FIFOS

Module temps réel contenant deux threads

Ordonnanceur RT_LINUX

Ordonnanceur_LINUXESPACE NOYAU

ESPACE USER

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