Sistemas Operacionais

Aula 23: Sistemas de Tempo Real

Referências:

Artigo extra

Sistemas de Tempo Real

Computadores são muito eficientes em tarefas repetitivas e que exigem precisão.

Controladores de máquinas:

Industriais: robôs, transportadores, fornos, turbinas.
Domésticas: carros, microondas, etc.

Conseguem ser muito mais precisos e eficientes do que pessoas fazendo as mesmas tarefas.

Problema: frequentemente fazem tudo errado pois o projetista do sistema não pensou em todas as situações:

Erros lógicos: resultado errado
Erros temporais: resultado tarde demais.

Sistemas de Tempo Real

O tempo causa problemas sutis e importantes:

Às vezes não dá tempo de calcular o resultado.
- Exemplo: trabalho prático do Claudionor!
Às vezes teria dado tempo se não tivesse ocorrido intereferência de outros processos.
- Exemplo: Eu teria chegado na hora, mas o trânsito tava congestionado.

Problemas temporais são difíceis de identificar e corrigir. Contudo eles afetam drasticamente muitas aplicações computacionais.

Sistemas de Tempo Real

São sistemas aonde o tempo de resposta é parte integral da especificação.

Exemplos:

Controle de estoque: Não!
Reserva de passagens aéreas: Não!
Sistema de controle do avião: Sim!
- O que aconteceria se o sistema não controlasse os motores em tempo hábil ?
Sala de controle de usina nuclear: Sim!
Sistema de vídeo conferência: talvez...

Problemas

Como ter certeza que o sistema vai responder em tempo ?

É preciso analisar o pior caso.

Os três métodos de análise mais comuns falham:

Simulação: Investiga somente algumas das execuções possíveis.
Teste: Mesmo problema, investiga somente algumas das possibilidades.
Métodos estatísticos: Só calcula valores médios o que não fornece garantias para o pior caso.

Métodos Analíticos

Pode-se especificar o sistema de modo que ele sempre satisfaça suas restrições temporais:

Faz-se uma análise matemática do tempo de execução de cada componente de modo que sua interação nunca exceda o prazo para seu término.
A análise pode ser muito complexa, mas seu uso pode ser simples.

Cyclic Executive

Uma maneira extremamente simples de se projetar um sistema de tempo real correto:

Define-se um quantum de tempo, e.g. 10ms.
Implementa-se um escalonador que sempre escolhe os processos na mesma ordem.
Cada processo pode executar exatamente pelo seu quantum de tempo.
Se n * quantum for menor que o tempo de reação do sistema o sistema está correto.
- Exemplo: 10 processos com quantum de 10ms. O tempo de reação é de 100ms.

Simples, mas muito restritivo. Não permite novos processos; sincronização; é ineficiente (se um processo for muito rápido).

Rate Monotonic Theory

Um exemplo de técnica fácil de usar é RMS:

O sistema é definido por um conjunto de processos que executam uma vez a cada T unidades de tempo e cada execução gasta tempo C.
Define-se a prioridade de cada processo de tal forma que processos com período menor tem prioridade maior.
Ui = C / T define a utilização do processador pelo processo i.
Se a soma da utilização de todos os processos for menor que 69%, todos os processos cumprirão seus prazos de execução.

Rate Monotonic Theory

Exemplo (Pi = (T, C)):

P1 = (100, 15);
P2 = (50, 10);
P3 = (60, 8)

A utilização de cada processo é:

U1 = 15/100 = 15%;
U2 = 10/50 = 20%;
U3 = 8/60 = 13%

U = 15 + 20 + 13 = 48% < 69%

Ou seja, todos os processos vão terminar de executar dentro do prazo.

O prazo de execução é definido como o fim do período.

Problemas com RMS

Vantagens:

Simples de usar;
Prático

Desvantagens:

Impõe muitas restrições ao sistema sendo analisado: Sem sincronização entre processos; Prazo de execução tem que ser no fim do período; Todos os processos têm que ser períodicos.

Extensões de RMS

Diversas extensões foram propostas que aumentam a eficiência do método de forma significativa:

Deadline != período;
Análise exata de escalonamento: permite saber o tempo exato de execução, não só escalonabilidade;
Sincronização;
Processos aperiódicos.

Sincronização de Tempo Real

Sincronização é um problema porque pode causar inversão de prioridades:

Herança de Prioridades

Uma maneira de se evitar a inversão de prioridades sem limites é usar o protocolo abaixo:

rt_lock(m, p) {

if (m->locked &&

(m->owner)-> pri < p->pri)

(m->owner)->pri = p->pri;

lock(m, p);

};

rt_unlock(m, p); {

p->pri = p->original_pri;

unlock(m, p);

};

Transforma inversões de prioridades em limitadas.

Rate Monotonic Theory

Simples de usar;
Eficiente: permite escalonar processos com utilização até 100% em alguns casos;
Extensões permitem usar RMS em muitos problemas reais;
Mas existem limitações: por exemplo, sistemas distribuídos não podem ser analisados diretamente.

Sistemas de Tempo Real

Extremamente importantes!

A não ser que voce não se importe que usinas nucleares, carros, aviões, equipamentos médicos, a máquina que molda o parafuso que segura o elevador no lugar, etc deem pane de vez em quando.
Problemas temporais são sutis e críticos;
Campo de estudo totalmente diferente;
Efeitos ``RT'' se propagam para todo lado:
- Não adianta ter um SO-RT em uma rede ethernet!

Pesquisa de SOs de tempo real é muito ativa e interessante.