Métodos de Planificación Dr. Pedro Mejía Alvarez CINVESTAV-IPN, Departamento de Computación

Indice Planificación Métodos de planificación Planificación basada en prioridades

Planificación (scheduling) La planificación consiste en asignar un orden de ejecución a un conjunto de tareas que se ejecutan concurrentemente En la planificación existen 3 elementos: Procesadores. Recursos Tareas Planificador y Manejador de Recursos (Sistema Operativo) Cada tarea es planificada por un algoritmo de planificación y distintos recursos son asignados mediante un protocolo de acceso a recursos.

Métodos de Planificación Planificar el uso de los recursos con el fin de poder garantizar los requisitos temporales. Un método de planificación tiene dos aspectos importantes: Un algoritmo de planificación que determina el orden de acceso de la tareas a los recursos del sistema ( en particular al procesador ) Un método de análisis que permite calcular el comportamiento temporal del sistema. Así se puede comprobar si los requisitos temporales están garantizados en todos los casos posibles. En general se estudia el peor comportamiento posible.

Proceso de Planificación Aplicación Crítica Tarea Planificador Carga de Trabajo de Tiempo Real Análisis de Planificabilidad EJECUCIÓN Ci Ti Di No es planificable Fuera de linea (off-line) En linea (on-line)

Proceso de Planificación (estados) SUSPENSION *despachar activación SI test de aceptación LISTA EJECUCION *expulsión *espera en recurso ocupado *recurso liberado NO BLOQUEO *decisiones de planificación

Planificación vs. Planificabilidad Planificación = enfoque para priorizar una tarea sobre otra Planificabilidad = análisis formal que permite garantizar que un conjunto de tarea pueden (o no) ser asignadas a un recurso compartido (p.ej. el procesador) tal que cada una de las tareas cumpla con su plazo de respuesta Planificabilidad = Control de admisión 27

Clasificación de Metodos de Planificación Expulsivo: Permite que las tareas en ejecución sean interrumpidas en cualquier momento para asignar el procesador a otra tarea activa, de acuerdo al metodo de planificacion. No expulsivo: Una vez que inicia su ejecución una tarea no es interrumpida hasta que termina. Las decisiones de planificacion solo pueden llevarse a cabo hasta que termina la tarea. Estatico: Los parámetros son fijos y calculados antes de la ejecución Dinamico: Los parámetros pueden cambiar durante la ejecución. Off-line: La planificacion se realiza antes de la ejecución. El plan de ejecución se almacena en una tabla. On-line: El planificador toma decisiones sobre la ejecución, cuando una tarea inicia su ejecución o cuando termina de ejecutarse. Best-effort: Algoritmo dinamico que trata de encontrar un plan de ejecución factible, pero si no lo encuentra hara lo mejor posible para cumplir los plazos de las tareas

Complejidad debida a la periodicidad de las tareas La planificación por si sola no resuelve el problema La activación periódica de tareas requiere una forma estricta de análisis y garantías La tarea no solo arriba una sola vez, sino varias. Es necesario un mecanismo para asegurar que el plazo de cada activación también se cumple El análisis fuera de línea provee garantías de cumplimiento de plazos a priori. Sin embargo se necesita de mecanismos de soporte de cumplimiento de plazos durante la ejecución a fin de conseguir una ejecución predecible. 26

Planificación vs. Planificabilidad Planificación = enfoque para priorizar una tarea sobre otra Planificabilidad = análisis formal que permite garantizar que un conjunto de tarea periódicas pueden (o no) ser asignadas a un recurso compartido (p.ej. el procesador) tal que cada una de las tareas cumpla con su plazo de respuesta Planificabilidad = Control de admisión 27

Planificador (scheduler) La tarea del planificador es producir planes de ejecución validos: A cada Job se le asigna un procesador para ejecución en cualquier momento Los Job solo se ejecutan después de su tiempo de inicio El tiempo de procesamiento asignado cada Job corresponde a su máximo tiempo de ejecución. Las restricciones del precedencia y de uso de recursos se satisfacen Un plan de ejecución válido es un plan de ejecución factible si cada Job cumple con sus restricciones temporales.

Plan de Ejecución (schedule) Un algoritmo de planificacion es optimo: (a) si el algoritmo encuentra siempre encuentra planes de ejecución (schedule) en el caso de que estos existan, y (b) si el algoritmo no encuentra planes de ejecución, quiere decir que estos realmente no existen.

Métricas para evaluación del desempeño Response time: Ri = (fi - ai) Average response time = Lateness: Li = fi - di. Tardiness: Ei = max(0,Li) Laxity or Slack time: Xi = di - ai - Ci Miss Rate: (# de Jobs que son ejecutados pero que pierden plazos) Loss Rate: porcentaje Jobs que son descartados. Hard: Li negativo y Ri < di Soft: Minimizar el promedio absoluto de Li, Ri, Miss Rate y Loss Rate.

Métodos de Planificación Planificacion basada en el reloj (basada en el tiempo): el plan de ejecucion se calcula fuera de linea y se basa en el conocimiento de los tiempos de inicio y de computo de todos los jobs. El plan de ejecucion esta en una tabla y no es concurrente. Planificacion round robin con prioridades: las tareas tienen prioridades asignadas por el usuario (fuera de linea). Dentro de cada prioridad las tareas se planifican en round robin. Cada tarea se ejecuta en forma continua como maximo un tiempo= quantum. Planificacion basada en prioridades: las prioridades las asigna el algoritmo de planificacion. La tarea con mayor prioridad se ejecuta en cualquier instante. tareas periodicas independientes tareas periodicas y aperiodicas, independientes. tareas periodicas que comparten recursos.

Métodos de Planificación Planificacion basada reserva de tiempo: a cada tarea se le reserva una utilizacion del CPU. El planificador elige las tareas a ejecutar en base al tiempo que tengan asignado. Planificacion Heuristica: la planificacion se hace siguiendo el enfoque del mejor esfuerzo Planificacion Flexible: este metodo puede basarse en cualquiera de los metodos anteriores. Sin embargo, los parametros no son fijos y pueden cambiar de valor en respuesta a las condiciones del ambiente. En este metodo, es posible degradar al sistema o permitir la perdida de plazos en condiciones de sobrecarga.

Planificación On-line vs. Off-line Off-line scheduling: el plan de ejecucion se calcula fuera de linea y se basa en el conocimiento de los tiempos de inicio y de computo de todos los jobs. Para sistemas deterministicos: con parametros temporales fijos que no cambien o que cambien muy poco. On-line scheduling: el planificador toma decisiones sin conocimiento del tiempo en que arrivaran jobs en el futuro. No existe un plan de ejecucion optimo si los jobs son no-expulsivos Cuando un job arriva, se acepta en el sistema si cumple con la prueba de aceptacion.

Planificación basada en el reloj (tiempo) El plan de ejecucion se elabora a priori con parametros fijos.Es un esquema que se repite cada ciclo principal. El ciclo principal dura 100 ms Se compone de 4 ciclos secundarios de 25 ms cada uno T = 100ms M T = 25ms S A B C A B D E A B C A B D 0 25 50 75 100

Asignacion de Prioridades Cumplir los plazos de los procesos de mayor prioridad Quien asigna las prioridades ? Naturalmente el usuario (aunque después pague por ello !!) Desafortunadamente: El sistema necesita asignar prioridades también para llevar un control de admisión (Orden de prioridades asignado por el sistema)  (Orden de prioridades asignado por el usuario) Se requiere una solución intermedia Compromiso de Prioridades Mezcla de prioridades asignadas por el usuario y el sistema Significa esto algún sacrificio por ambas partes y es posible tolerarlo? 25

Planificación basada en prioridades El planificador dicta su politica de ejecucion sobre una cola de procesos ordenados por prioridades, y el despachador elige para ejecucion a los procesos que esten listos para ejecucion de acuerdo a un orden de prioridades. El Job con mayor prioridad es ejecutado hasta completarse, o hasta que alguna tarea de mayor prioridad se alista, o hasta que se bloquea. El procesador nunca esta ocioso si hay tareas listas para ejecucion. Con prioridades fijas (nunca cambian) o dinamicas (cambian en cualquier momento durante la ejecucion). Expulsivas o no-expulsivas. Rate Monotonic (prioridades fijas): mayor prioridad al de menor periodo. EDF (prioridades dinamicas): mayor prioridad a la tarea con plazo mas cercano

Planificación basada en Prioridades Se implementa: (expulsivo o preemptive) Asignando prioridades a las tareas Las decisiones de planificacion se realizan cuando alguna tarea se alista, cuando se le termina el tiempo de ejecucion a una tarea, termina de ejecutarse,o se bloquea por algun recurso), cuando las prioridades de las tareas cambian. cuando ocurre un evento inesperado (errores o sobrecargas) Cada vez que se toma una decision de planificacion, la tarea con mayor prioridad se ejecuta. En el caso no-expulsivo (non-preemptive), las decisiones de planificacion son hechas solo cuando el procesador termina la ejecucion de alguna tarea. El metodo de planificacion (algoritmo) es estatico, si las prioridades se asignan una sola vez y permanecen fijas, y es dinamico si las priodidades cambian durante la ejecucion.

Planificación basada en Prioridades Prioridades Fijas: Rate Monotonic (prioridades fijas): mayor prioridad al de menor periodo. Prioridades Dinamicas: EDF (Earliest Deadline First): mayor prioridad a la tarea con plazo mas cercano Shortest slack time first (la tarea con menor tiempo de holgura primero): en cualquier instante t, la holgura (slack) de un job, es igual a d -t menos la parte de computo restante del Job.

Planificación basada en Prioridades Rate-Monotonic Earliest Deadline First Shortest slack time first (2, 1) (5, 2.5) missed deadline (2, 1) (5, 2.5) (2, 1) (5, 2.5) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Programación de Tareas Periodicas Inicializacion de Tareas inicializar un timer periodico o una ISR de un evento externo Inicializacion de Tareas start_time=time( ) espera por la interrupcion Cómputo Cómputo Retrasa(period - ( time( ) -start_time) )

Evaluación de las Políticas de Planificación Las politicas de planificacion se evaluan en base a: Habilidad de cumplir con los plazos de las tareas Utilizacion del CPU. Porcentaje de tiempo dedicado a procesamiento util. Eficiencia. Overhead de la planificacion (en-linea): tiempo requerido para tomar decisiones de planificacion Flexibilidad ?? Habilidad de tratar sobrecargas ? 27