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Virtualisation du microprocesseur

Virtualisation du microprocesseur. Partage de l’accès au microprocesseur. Ordonnancement des tâches. Contraintes « temps réel ». Par Gilles Grimaud U niversité des S ciences et T echnologies de L ille http://www.lifl.fr/~grimaud/Cours. Plan. Virtualiser la ressource « microprocesseur »

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Presentation Transcript

  1. Virtualisation dumicroprocesseur Partage de l’accès au microprocesseur. Ordonnancement des tâches. Contraintes « temps réel ». Par Gilles Grimaud Université des Sciences et Technologies de Lille http://www.lifl.fr/~grimaud/Cours

  2. Plan • Virtualiser la ressource « microprocesseur » • Principe élémentaire de mise en œuvre • Les Tâches et les Ordonnanceurs • Sections critiques, Exclusion mutuelle • gestion des « Etreintes fatales »

  3. Virtualiser la ressource« microprocesseur » Un ordinateur, pour l’utilisateur supporte l’exploitation d’un certain nombre de logiciels : Le systèmed’exploitationvirtualise la « ressource » Microprocesseur. Un ordinateur est composé d’un nombre limité de microprocesseurs pour exécuter les programmes :

  4. Virtualiser la ressource« microprocesseur » Préludes aux systèmes multitâches, les systèmes multi applicatifsnon préemptifs : • Systèmes événementiels mono tâche : 2. Systèmes à base de co-routines : • Plusieurs piles d’appels ; • Les appels à des co-routines impliquent un changement de pile d’appel. Système d’exploitation Ou Machine Virtuelle Appel de procédure« évènement » Application 1 Retour de procédure Application 2

  5. Virtualiser la ressource « microprocesseur » Multiplexage de l’activité du microprocesseur : !préemption interruption d’ordonnancement Créneau de temps élémentaire ! Attente passive Appli. 3 Appli. 2 Appli. 1 Temps noyau

  6. Virtualiser la ressource « microprocesseur » Multiplexage de l’activité du microprocesseur : 1er bénéfice escompté : optimisation de l’usage du microprocesseur. Remplacer l’attente active par de l’attente passive. /* attente active */ key = 0; while ( key != 0x7f ) key = in(0x3c8); //lire l’état du clavier #include <sched.h> /* attente passive */ while (in(0x3c8) != 0x7f) sched_yield(); // libère le créneau du processus

  7. Principes élémentaires de mise en œuvre Pour mettre en œuvre un ordonnanceur : • Interruption matérielle basée sur le temps • Section critique : • move sr,#$2700 ... move sr,#$2000 • Système matériel d’exclusion mutuelleavec monoprocesseur : • Instruction machine TAS (pour Test&Set ou autres..) avec multiprocesseur : • circuit dédié UC n°1 UC n°1 Circuitdédié demande réponse UC n°2 UC n°2

  8. Principes élémentaires de mise en œuvre Demande d’attentepassive (aprèsdétection exclusionmutuelle…) Implémentation d’un ordonnanceur : Section critique Appli. 2 Appli. 1 Armé un générateur d’interruptions « timer »  Elire une nouvelle tâche  Lancer la 1ere tâche  Lancer la tâche noyau Interruption matériel« timer »

  9. Les Tâches et les Ordonnanceurs Cycle de vie « classique » d’une tâche : • Active (running) : C'est le cas de la tâche qui est en train de s'exécuter. • Prête (ready) : C'est le cas des tâches qui sont en attente de pouvoir s'exécuter. • Endormie (asleep) : C'est le cas des tâches qui sont en attente d'événements qui provoqueront leur réveil (interruption, réception de message ou fin d'un décompte de timer). • Morte (Zombie) :c’est le cas des tâches qui sont terminées mais dont le père peut encore en demander l’état. L’information de terminaison doit être conservée. Tâches actives CPU 1 CPU 2 Tâche 4 Tâche 2 Tâche prêtes Tâche 9 Tâche 3 Tâche 1 Tâches endormies Tâche 6 Tâches mortes Tâche 5 Tâche 7 Tâche 8 Tâche 10

  10. Les Tâches et les Ordonnanceurs Exemples de politiques d’ordonnancement : • Tourniquet (round robin) :avec 3 tâches A,B,C on propose successivement : A,B,C,A,B,C,A,B,C,A,B,C,… • Ordonnancement par priorité : • Tâches « critiques » ; • Tâches « normales » ; • Tâches « de fond ». • Ordonnancement mixte : par priorité avec tourniquet • Temps réel : • Au plus pressé (Earliest Deadline First) • Périodique (Rate monotonic) • Au mieux (Best effort) • …

  11. Tâche 4 Tâche 1 Tâche 3 Tâche 6 Tâche 8 Tâche 7 CPU Tâche 2 Les Tâches et les Ordonnanceurs Pré-calcul des tables d’ordonnancement et procédure de création d’une nouvelle tâche : Objet : minimiser le temps de commutation Solution : simplifier la procédure d’élection d’une tâche en précalculant les séquences d’ordonnancement (compliquer la routine d’insertion/suppression de la liste des tâches prêtes) Tâches actives Tâches critiques Prêtes Tâches normales Tâches de fond Tâches endormies

  12. Les Tâches et les Ordonnanceurs Nouvel ordonnanceur dans Linux 2.5 : Gestion des processus À faire fait 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1

  13. Les Tâches et les Ordonnanceurs Priorité & Criticité des tâches : • Une tâche plus prioritaire est périodiquement ré-élue avant une tâche moins prioritaire.  insertion triée selon le niveau de priorité dans la liste des tâches prêtes à partir de la tâche active. 2. Une tâche plus critique qu’une autre est systématiquement réélue sans rendre la main aux tâches moins critiques, jusqu’à ce qu’elle soit terminée ou endormie.  insertion triée selon le niveau de priorité dans la liste des tâches prêtes à partir de la tâche active.

  14. Section critiques,exclusions mutuelles, etc. Section critique de code : Objet : Assurer la non préemptibilité de certaines routines du système (e.g. programmation des tables d’interruptions d’un microprocesseur, initialisation des registres d’un contrôleur de disque). Solution : Minimale : move sr, #$2700 ; Status register set to ; non-interruptible mode. Toutes les interruptions reçues seront ignorées par le microprocesseur jusqu’à : move sr, #$2000 ; Status register set to ; interruptions ready mode.

  15. Section critiques,exclusions mutuelles, etc. Tâche critique : Objet : exécuter dans un processus particulier un traitement trop lourd pour être exécuté en réponse à une interruption (traitement d’un paquet Ethernet). Solution : l’interruption « réveille » une tâche critique et initialise les données pour l’activité la tâche critique. Ensuite le code de l’interruption donne la main à l’ordonnanceur qui préemptera la tâche courante et élira la tâche critique.

  16. Sections critiques,exclusions mutuelles, etc. Exclusions mutuelles de code : Objet : Garantir que la manipulation d’une ressource critique n’est réalisée que par une tâche (néanmoins préemptible) à la fois. Technique : En monoprocesseur, Il est, en règle générale, possible d’exploiter l’atomicité élémentaire du microprocesseur qui est associée à l’exécution d’une instruction machine. Tâche 2 Tâche 1 Lock : DB.W 0 appli1:... move a3,#$lock tas (A3) Préemption move a3, #$lock tas (a3) bnz lockAlreadyUsed ; section critique ... clr (a3) Commutation de contexte

  17. Sections critiques,exclusions mutuelles, etc. Les sémaphores, 3 opérations clefs : • Initialiser (semaphore, entier) ; • P(semaphore, entier) ; • V(semaphore, entier) ; Les Sémaphores, couteau suisse de la synchronisation : • Isoler des sections de code (mutex) ; • Gérer un nombre quelconque de ressources ; • Créer des rendez-vous ; • …

  18. Sections critiques,exclusions mutuelles, etc. Moniteurs, un autre modèle de synchronisation, l’exemple de java : Class ex implement Thread { static Object lock = new Object(); static int compteur = 0; public void run () { synchronize(lock) { compteur ++; if(compteur < 10) lock.wait(); else { lock.notifyAll();compteur = 0; } } }  Sémaphores et moniteurs sont équivalents, il est d’ailleurs facile de réaliser l’un avec l’autre et inversement.

  19. Criticité et préemption Problème : une tâche critique ne devrait pas être préemptée par une tâche normale, pourtant… Soit trois tâches, A,B,C , A : tâche de fond, B : tâche normale, C: tâche critique. Soit le scénario suivant : A prend un verrou V, puis C préempte A. Pendant que C s’exécute, B qui était endormie est réveillée (devient prête). C veut prendre le verrou V. V est déjà pris par A donc C est bloquée. B est alors élue active alors que C, qui est une tâche critique, est bloquée… Solution : Technique de l’inversion de priorité : C est bloqué par V que A à pris, il faut exécuter A jusqu’à ce qu’elle libère V. Il faut donc, temporairement, inverser la priorité de A et de B. ainsi A est élue et elle peut donc libérer le Verrou nécessaire à la poursuite de C.

  20. Gestion des « étreintes fatales » Numérotation des verrous, avec deux verrous, Va et Vb (verrou : sémaphore d’une capacité d’une seule ressource ) : Tâche n°2 : { … P(Vb); … P(Va); … V(Va); V(Vb); } Tâche n°1 : { P(Va); … P(Vb); … V(Vb); V(Va); } Pas 1 <!!!!> Ordre lexicagraphique non respecté !!! Pas 2 Pas 3 Pas 4 Pas 5 Pas 6 Pas 7 Processeur n°1 Processeur n°2

  21. Gestion des « étreintes fatales » Pour le cas général des sémaphores, problème connu. Solutions générales [Djiskstra 74] Tâche 2 Zone correcte Zone avecdeadlock à venir Dépassementde ressource Impossible Tâche 1

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