Sistemi Operativi Real Time: introduzione
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Corso di Elettronica dei Sistemi Programmabili Sistemi Operativi Real Time Introduzione Aprile 2014 Stefano Salvatori 1/28 Sommario Definizioni livelli di astrazione processi di tipo batch e processi interattivi sistemi multiprocesso ruolo del sistema operativo soluzione con time sharing il concetto di sistemi operativi di tipo real time 2/28 Definizioni Algoritmo - procedura logica per risolvere un determinato problema - è specificato da una sequenza di passi elementari che un esecutore deve svolgere per risolvere il problema - non è necessariamente espresso in un linguaggio formale di programmazione! Programma - è l'implementazione di un algoritmo in linguaggio di programmazione - può essere eseguito diverse volte per input differenti 3/28 Definizioni Processo - instanza di un programma che, data una sequenza di input, produce un set di uscite - si parla di processi in tutti quei sistemi in cui è implementata una MMU utile a garantire la protezione della memoria Task - istanza specifica di un codice eseguibile e del suo ambiente di dati 4/28 Definizioni Un sistema operativo è un programma che fornisce una “astrazione” di una macchina fisica fornisce un semplice interfaccia verso la macchina ogni parte dell'interfaccia è un “servizio” Il SO rappresenta anche il gestore delle risorse con “risorsa” denominiamo tutte le entità fisiche di un apparato per l'elaborazione il SO permette l'accesso alle risorse fisiche il SO rappresenta l'astrazione delle risorse (per esempio, file, pagine virtuali in memoria, ecc.) 5/28 Definizioni il kernel è il nucleo di un sistema operativo concetto fondamentale per ogni SO è “processo” un processo rappresenta l'esecuzione di un programma un SO può eseguire diversi processi contemporaneamente (concurrency) 6/28 Definizioni quando un computer esegue un processo sequenziale, esso passerà per diversi stati ad ogni passo il processo cambia stato; Stato: contenuto die registri del processore valori delle variabili del processo 7/28 Livelli di astrazione Scanner 8/28 Meccanismo di astrazione Per quale motivo ricorriamo all'astrazione? Programmare direttamente l'hardware porta a divesi inconvenienti – è un lavoro piuttosto difficoltoso e porta ad errori – non è portabile Supponiamo di voler scrivere un programma in grado di leggere un testo contenuto nel file del disco e lo riportarlo in uscita sul monitor – senza un'opportuna interfaccia la sua stesura può essere impossibile! 9/28 Meccanismo di astrazione Application Programming Interface (API) rappresenta un modo conveniente per accedere a un servizio in modo standard ● i dettagli HW sono nascosti al programmatore ● un'applicazione non dipende dall'HW ● il programmatore può concentrarsi sui task di più alto livello Esempio per leggere un file, linux fornisce le chiamate a sistema open() e read() che, dato il nome del file, consentono di caricare i dati dal supporto esterno 10/28 Un po' di storia All'inizio si avevano processori di tipo batch macchine ingrombranti e neppure molto potenti le applicazioni erano pricipalmente per uso scientifico e militare I programmi venivano eseguiti uno alla volta ogni programma era un lavoro, job I programmi consistevano in semplici elaborazioni sequenziali lettura dell'ingresso elaborazione uscita non erano di tipo interattivo 11/28 Batch processor batch = non-interactive il programma non può essere interrotto o sospeso (non-preemptive) scheduling: basato sulla priorità (es. per prime sono servite le applicazioni più critiche) struttura FIFO pura i lavori più brevi sono eseguiti per primi (Shortest Job First, SJF) 12/28 Svantaggi per batch­processor La CPU era inattiva per lunghi periodi di tempo mentre venivano inserite e lette le schede perforate, la CPU era in uno stato d'attesa la lettura delle schede perforate era molto lenta Soluzione: spooling uso di dischi magnetici (dispositivi più veloci) job raggruppati in “job pools” mentre viene eseguito un job, contemporanenamente viene inserito il successivo nel disco quando finisce un job, viene caricato il successivo dal disco spool = operazioni simultanee su periferiche 13/28 Interattività Necessità dell'interazione per la lettura di input da tastiera durante l'elaborazione per mostrare i risultati intermedi per salvare i risultati intermedi su supporto fisso Input/output può essere fatto con tecnica polling aspettare finché il dispositivo è pronto per ricevere o fornire i dati handshaking anche qui la CPU è inattiva durante le operazioni I/O 14/28 Multi­programming L'evoluzione naturale fu la cosidetta “concurrency” IDEA: mentre un job sta leggendo o scrivendo da o verso un dispositivo I/O, si ha lo schedule dell'esecuzione di un altro job (preemption) 15/28 Multi­programming Multi-programming è un concetto comune nella vita di tutti i giorni Consideriamo un avvocato che ha diversi clienti: segue una politica FIFO: serve un cliente alla volta, dall'inizio fino alla sentenza in Italia, per una sentenza si può attendere anche più di 10 anni: è impensabile pensare a un avvocato che lavori con un solo cliente ogni dieci anni! in realtà, l'avvocato adotta una politica di TIME SHARING! Tutti noi adottiamo una politica di time-sharing quando svolgiamo diversi lavori nel medesimo periodo di tempo! 16/28 Il ruolo di un Sistema Operativo Chi decide quando un lavoro dev'essere sospeso? Chi decide cosa dev'essere eseguito al prossimo step? nei primi computer, questi task erano portati avanti dall'applicazione stessa ogni lavoro poteva sospendere se stesso e passare il turno al lavoro successivo (co-routines) comunque, questa procedura non è generalizzabile e portabile Oggi, il sistema operativo fornisce i servizi per la multi-programmazione lo scheduler sceglie quale lavoro dev'essere eseguito in un certo istante, in funzione dello stato del sistema 17/28 Sistemi con time sharing Nei sistemi con time sharing il tempo è suddiviso in “slot”, ogno slot ha una durata pari a un quanto di tempo fissato se lo svolgimento di un lavoro non si blocca su una operazione di I/O prima della fine del quanto, esso viene sospeso per proseguire più tardi 18/28 Sistemi con time sharing Nei sistemi con time sharing ogni processo viene svolto come se esso fosse l'unico eseguito da un processore più lento Il SO (grazie allo scheduler) “virtualizza” il processore un singolo processore è visto come tanti procesori (più lenti) che lavorano in parallelo (uno per ogni processo) Il SO può rendere „virtuali“ molte risorse hardware memoria, dischi, rete, ecc I sistemi con time sharing non sono di tipo „predicibile“ il tempo totale di esecuzione di un processo dipende dal numero di processi che il sistema sta gestendo se volessimo un sistema predicibile è necessario usare sistemi operativi di tipo rela time (RTOS) 19/28 Prestazioni dei sistemi con time sharing Tempo di risposta medio il tempo che intercorre tra una richiesta dell'utente e la risposta del sistema es., il tempo che intercoprre tra l'istante in cui l'utente preme un pulsante e l'istante in cui appare il carattere sullo schermo è impossibile minimizzare il tempo di risposta di ogni programma l'idea è quella che ogni programma sia eseguito da un processore equivalente più lento qual è la frequenza con cui vengono commutati i diversi task? periodo di cambiamento del contesto: 1ms? 10ms? 50ms? uso intensivo della CPU → batch sistema interattivo → timesharing sistema predicibile → real-time 20/28 Astrazioni e sistemi Operativi Il SO fornisce un'astrazione della macchina fisica questo consente di avere portabilità questo rende più agevole il lavoro del programmatore Il livello di astrazione dipende dal contesto dell'applicazione ciò significa che i servizi che il SO fornisce dipendono dal tipo di servizi che l'applicazione richiede i SO di tipo general purpose dovrebbero fornire una vasta gamma di servizi per poter soddisfare quante più applicazioni possibili SO specializzati dovranno invece fornire solo alcuni servizi specializzati I SO possono essere classificati in funzione del contesto di applicazione general purpose (windows, linux, ...) server micro-kernel embedded OS real-time OS 21/28 Sistemi di tipo real­time 22/28 Sistemi real­time Un sistema di elaborazione in grado di rispondere agli eventi entro un preciso intervallo di tempo sono detti sistemi Real-Time 23/28 Cos'è un sistema real­time? è un sistema in cui la correttezza dell'elaborazione non dipende solo dai valori fornito in uscita ma anche dal tempo entro cui i risultati sono prodotti. 24/28 Cos'è un sistema real­time? REAL TIME significa che il sistema dev'essere sincronizzato con l'ambiente in cui interagisce. 25/28 Applicazioni tipiche dei sistemi RT Sistemi per il controllo del volo Sistemi militari Inseguimento radar Controllo del traffico aereo Sistemi di controllo di traffico su rotaia Sistemi di telecomunicazione Simulatori di volo Robotica ... 26/28 Applicazioni tipiche dei sistemi RT Sistemi di controllo per enegia nucleare o chimica Applicazioni in ambito automoblistico Sistemi multimediali Sistemi embedded cellllulari TV digitale videogiochi gicattoli intelligenti Sistemi „indossabili“ In generale, qualunque apparato che debba interagire o controllare un ambiente 27/28 Real­Time ≠ veloce Sistema real-time non è detto che sia sinonimo di sistema veloce La velocità è relativa allo specifico ambiente Avere un sistema veloce è sicuramente vantaggiuoso, ma non è detto che ciò garantisca il corretto funzionamento L'obiettivo di un sistema di tipo real-time è quello di garantire una prefissata risposta nel tempo di ogni task coinvolto. L'obiettivo di un sistema veloce è invece quello di minimizzare il tempo medio di risposta di un certo set di task. 28/28
