COMET-Methodik: Realzeit Karsten Balzer Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme Februar 2002.

COMET-Methodik: Realzeit

Karsten BalzerEntwicklung verteilter eingebetteter SystemeFebruar 2002

Übersicht

Task Structuring• Was sind Tasks?• Was ist Task Structuring?• Strukturierungskriterien• Beispiele

Performance Analysis• Einleitung• Verfahren zu Analyse• Beispiel

Was tun bei Engpässen?

Was sind Tasks?

Auch Thread oder Prozeßaktive Objekte, dies sind autonome Objekte mit

eigenem, sequentiellen Kontrollflußsie repräsentieren sequentielle Programme oder

sequentielle Teile aus nebenläufigen Programmen

innerhalb von Tasks gibt es keine NebenläufigkeitUnterscheidung in

• Input/Output Tasks, für Objekte, die nach Außen kommunizieren

• interne Tasks

Task Structuring Was sind Tasks? Was isrt Task Structuring? Strukturierungskriterien Beispiele

Performance Analysis Einleitung Verfahren zu Analyse Beispiel


Task Structuring - Einleitung

COMET-Phase: Software DesignZiele:

• Analyse-Modell zu Task Architektur umwandeln• Separation of concerns, Tasks nach Aufgaben

aufteilen• Einfaches und klares Design• Minimierung von Overhead in Form von Inter-Task

Kommunikation und Synchronisation

Kriterien sind Richtlinien und Heuristiken um diesen Konflikt zwischen übersichtlichem Design und geringem Overhead zu lösen




Task Structuring - Einleitung 2

Die Strukturierung ist eingeteilt in zwei Phasen:Phase 1: Jedes aktive Objekt erhält einen

Task• I/O task structuring criteria• Internal task structuring criteria• Task priority criteria

Phase 2: Zusammenfassen der Tasks aus Phase 1

• Task clustering criteria• Task inversion criteria




Task Structuring Phase 1

Jedem aktiven Objekt wird genau ein „Candidate Task“ zugeordnet, also vorläufige Tasks, die später noch verändert werden

Dadurch können die Aufgaben jedes einzelnen Tasks schnell ersehen werden

Tasks werden Prioritäten zugeordnet• Zeitkritische Tasks werden identifiziert und

erhalten höhere Prioritäten• oder Tasks mit kürzerer Periode erhalten eine

höhere Priorität als Tasks mit längerer Periode

wichtig für die Performance Analyse




I/O Task Structuring Criteria

Unterscheidung nach• Asynchrone/aktive I/O Devices, die einen

Interrupt bei Input oder nach Output generieren• Passive I/O Devices, Input bzw. Output wird nur

bei Bedarf oder periodisch gelesen oder generiert • Communication Links, die zur Kommunikation mit

anderen Systemen dienen, z.B. via TCP/IP

Jedem dieser Objekte wird ein eigener Task zugeordnet







Beispiel I/O Task

FloorButtonInterface Asynchronous Input Device:

Durch Drücken eines Knopfes wird der Fahrstuhl gerufen

Nach dem I/O Task Structuring Criteria erhält das FloorButtonInterface einen eigenen Task

Internal Task Structuring Criteria

Unterscheidung in• Periodische Tasks: Ein durch einen Timer ausgelöster, periodischer

Task• Asynchrone Tasks: Bei Bedarf durch interne Nachrichten oder

Events aktivierte Objekte• Control Tasks: Tasks zu zustandsorientierten Kontrollobjekten,

deren Statecharts keine parallelen Zustände aufweisen• User Interface Tasks: Dienen zur Kommunikation zwischen

Benutzer und System• Mehrere Tasks desselben Typs: Tasks zu gleichartigen Objekten,

die aber in unterschiedlichen Zuständen sein können

Jedem dieser Objekte wird ein eigener Task zugeordnet




Task Priority Criteria

Generell werden Prioritäten nach dem Rate Monotonic Algorithm vergeben

Darüber hinaus wird unterschieden in• Zeitkritische Tasks: Typischerweise asynchrone

I/O Tasks oder Tasks die für Output-Tasks wichtige Berechnungen durchführen. Diese erhalten höhere Prioritäten, damit das System schnell reagieren kann

• Nicht-zeitkritische Tasks: Diese Tasks können niedrigere Prioritäten erhalten, damit sie von zeitkritischen Tasks unterbrochen werden können




Task Structuring Phase 2

Kritierien:• Task Clustering• Task Inversion

Candidate Tasks aus Phase 1 werden zusammengefaßt

Dadurch werden Overhead und Komplexität reduziert

Task Inversion faßt stärker zusammen als Task Clustering




Task Clustering Criteria

Zusammenfassen von Tasks, dabei wird unterschieden nach

• Temporal Clustering: Tasks, die von dem selben Event ausgelöst werden und die in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden

• Sequential Clustering: Tasks, die sich sequentiell durch Events gegenseitig starten

• Control Clustering: Ein Task, der ein sequentielles Statechart startet, kann mit Objekten zusammengelegt werden, die von diesem Statechart angestoßen werden

• Mutually Exclusive Clustering: Tasks, von denen maximal einer gleichzeitig aktiv ist




Beispiel Task Clustering

ElevatorContol, ElevatorLampInterface

Passive output device: Lampen für Fahrstuhl

Output nur bei BedarfAufrufender Task muss

warten, bis der Output-Task fertig ist

Zusammenfassen nach Control Clustering Criterion




Task Inversion

Zusammenfassen von Tasks zum Zweck der Reduzierung von Overhead

Unterscheidung in• Multiple-Instance Task Inversion: Mehrere identische

Tasks werden zusammengefaßt• Sequential Task Inversion: Sequentiell ausgeführte

Tasks, die mit Hilfe von Nachrichten kommunizieren• Temporal Task Inversion: Tasks, die von dem selben

Timer gestartet werden, können inklusive des Timers zusammengefaßt werden

Für das Design meist unschöne Veränderungen, daher oft nur für Optimierung benutzt




Ergebnis Elevator




Performance Analysis - Einleitung

COMET-Phase: Detailed Software Design, kann gleich nach dem Task Structuring beginnen

Ziel: Potentielle Performance Probleme finden und beheben

Zeitkritische Tasks müssen Deadlines einhaltenDeadlines sind vorgegebene Termine, vor denen

ein Task beendet sein mussDabei sind gegeben:

• Hardwarekonfiguration• Prozessorlast der einzelnen Tasks




Event Sequence Analysis

Zu jedem Use-Case werden Event Sequenzen betrachtet und überprüft

Diese Sequenzen werden durch einen externer Event ausgelöst

Betrachtet werden die Rechenzeiten für:• I/O-Task• die folgende Sequenz interner Tasks• CPU Overhead• bekannte, parallel ablaufende Tasks

Die Summe diese Zeiten kleiner als die gewünschte Reaktionszeit des Systems, um Echzeitanforderungen zu erfüllen




Real-Time Scheduling Theory

ursprünglich für unabhängige, periodische TasksBerechnung basiert auf Prioritäten der TasksCPU Belastung der Tasks wird als bekannt

vorausgesetzt. Nach COMET basieren sie auf Abschätzungen aufgrund vorheriger Projekte

Ein Task hält seine Deadline ein, wenn seine Ausführung innerhalb seiner Periode endet

Rate Monotonic Algorithm: Jeder Task erhält basierend auf seiner Periode eine feste Priorität

Je kürzer die Periode desto höher die PrioritätDies stellt eine Vereinfachung dar, zeitkritische Tasks

werden zunächst nicht betrachtet




Utilization Bound Theorem

Grobe Worst-Case-Abschätzung auf Basis des Rate Monotonic Algorithm

Jeder Task hat eine Periode T und eine Ausführungszeit C

n unabhänge, periodische Tasks halten ihre Deadlines ein, wenn gilt:

U(n) konvergiert dabei zu 0.69Utilization U ist die prozentuale Nutzung des

Prozessors während der betrachteten Zeitspanne

U(n))12(... /1

1

1 n

n

n nTC

TC




Completion Time Theorem

Ebenfalls eine Worst-Case-Abschätzung, allerdings viel genauer als das Utilization Bound Theorem

Voraussetzung: Wenn ein Task seine erste Deadline einhält, hält er auch alle späteren Deadlines ein

Wenn ein Task seine Deadline in der ersten Periode einhält und alle Tasks gleichzeitig gestartet werden, tun sie dies bei allen möglichen Kombinationen aus Startzeiten




Completion Time Theorem Beispiel

t1 : C1 = 20, T1 = 100, U1 = 0.2 t2 : C2 = 30, T2 = 150, U2 = 0.2 t3 : C3 = 90, T3 = 200, U3 = 0.45 Beginn mit der Worst-Case-

Annahme, dass alle drei Tasks gleichzeitig gestartet werden

Nach dem Diagramm halten alle Tasks ihre Deadline ein

Utilization U = U1+U2+U3 = 0.85 Vergleich zum Utilization Bound

Theorem: U > U(n), trotzdem werden die

Deadlines eingehalten




790.0)12(3)3( 3/1 U

Completion Time Theorem Mathematische Formel

Eine Menge aus n unabhängigen, periodischen Tasks hält bei Anwendung des Rate Monotonic Algorithm seine Deadlines genau dann ein, wenn gilt:

Betrachtungen am Ende einer Periode p des Tasks kTask i ist der momentan betrachtete Task, alle Task k

können diesen aufgrund höherer Priorität unterbrechen

}/,...,1,1|),{(

),(

11

min,1,1

kii

i

l

k

k

i

jj

TTpikpkR

Rpk

T

pT

pTCnii




Generalized Utilization Bound Theorem

• Läßt man neben dem Rate Monotonic Algorithm zu, dass zeitkritische Tasks höhere Prioritäten erhalten, müssen zusätzlich folgende Punkte beachtet werden:

– Unterbrechung durch höher priorisierte Tasks mit längerer Periode– Blocken durch niedriger priorisierte Tasks

• Alle Deadlines werden eingehalten, wenn die Utilization jedes Tasks kleiner als 0,69 ist. Die Utilization wird hier berechnet mit:

• Eine entsprechende Verallgemeinerung existiert auch für das Completion Time Theorem

1

1

Hkkii

iHj j

ji CBC

TT

CU

n




i

i1

i

Task tfür Time Blocking CaseWorst :

haben Task tein als Periode längere eine undPriorität höhere eine die Tasks,der Menge:

haben Task tein als Periode kürzere eine undPriorität höhere eine die Tasks,der Menge:

i

n

B

H

H

Beispiel: Request ElevatorEvent Sequence

Periode: 200 msecAusführungszeit der

Tasks in der Event Sequenz

• Floor Button• InterfaceScheduler• Elevator Manager• C = 4 + 20 + 6 = 30

msec• U = C/T = 0.15




Beispiel: Request ElevatorEvent Sequence 2

Unterbrechung durch höher priorisierte Tasks mit kürzerer Periode

• Arrival Sensors Interface und Elevator Controller zusammen max. 28 msec

• Elevator Button Interface und Elevator Manager zusammen max. 18 msec

• C = 28 + 18 = 46• U = C/T = 0.23




Beispiel: Request ElevatorEvent Sequence 3

Unterbrechung durch höher priorisierte Tasks mit längerer Periode

• Diese Event Sequenz hat die längste Periode

Zeit, die der Task beblockt werden kann• keine, T = 0

Da diese beiden Punkte nicht beachtet werden müssen, gilt der Rate Monotonic Algorithm. Also kann das Utilization Bound Theorem angewandt werden.

T = 30 + 46 + 0 = 46 msec < periodU = 0.15 + 0.23 = 0.38 < 0.69Die Deadline wird also eingehalten.





Engpässe entstehen, wenn zeitkritische Tasks ihre Deadlines nicht einhalten können

Tasks neu strukturierenOverhead reduzieren durch Task Inversion

Hardware ändernschnellerer Prozessor, ...




Zusammenfassung

Tasks sind aktive Objekte mit KontrollflußSie werden mit Hilfe von Scheduling Kriterien

erst erzeugt und danach gruppiertDabei erhalten sie eine PrioritätIn Echtzeit-Systemen müssen Tasks gegebene

Deadlines einhaltenOb dies der Fall ist, lässt sich mit Hilfe von

Eventsequenz-Analysen und verschiedenen Theoremen abschätzen

Werden die Grenzen nicht eingehalten, müssen die Tasks weiter zusammengefaßt werden

COMET-Methodik: Realzeit Karsten Balzer Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme Februar 2002.

Documents

Transcript of COMET-Methodik: Realzeit Karsten Balzer Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme Februar 2002.