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Sistemas en tiempo real (STR). Sistemas en tiempo real (STR). Definición y características Concurrencia Comunicación y sincronización Variables compartidas Semáforos Monitores Métodos sincronizados Paso de mensajes. Definición de sistemas de tiempo real.

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Sistemas en tiempo real str1

Sistemas en tiempo real (STR)

  • Definición y características

  • Concurrencia

  • Comunicación y sincronización

    • Variables compartidas

      • Semáforos

      • Monitores

      • Métodos sincronizados

    • Paso de mensajes


Definici n de sistemas de tiempo real
Definición de sistemas de tiempo real

  • Cualquier actividad o proceso de información que tiene que responder a un estímulo de entrada generado externamente en un periodo finito y especificado (Young 1982).

  • Un sistema de tiempo real es aquel al que se le solicita que reaccione a estímulos del entorno en intervalos de tiempo fijados por el entorno (Randell 1995).

Ing. Estela D'Agostino


Sistemas de tiempo real
Sistemas de tiempo real

Sistema

Recibe eventos del entorno

Responder de acuerdo a un comportamiento determinado y en un tiempo determinado

Ing. Estela D'Agostino


Sistemas de tiempo real1
Sistemas de tiempo real

Componente de un sistema mayor

Sistemas empotrados o embebidos

Ing. Estela D'Agostino


Sistemas de tiempo real2
Sistemas de tiempo real

  • Resultados lógicos.

  • Tiempo en el que se producen esos resultados.

El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema

es significativo

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de los str 1
Características de los STR (1)

  • Complejos:

    • Algunos sistemas tienen millones de líneas de código

    • la variedad de funciones aumenta la complejidad incluso en

    • sistemas relativamente pequeños

  • Control concurrente de los distintos componentes del sistema:

    • los dispositivos físicos controlados funcionan al mismo tiempo

    • las tareas que los controlan actúan concurrentemente

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de los str 2
Características de los STR (2)

  • Fiable y seguro:

    • sistemas críticos: fallos con consecuencias graves

    • pérdida de vidas humanas

    • pérdidas económicas

    • daños medioambientales

  • Implementación eficiente:

    • Son críticos respecto al tiempo, lo que implica que una implementación eficiente es importante

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de los str 3
Características de los STR (3)

  • Interface con sistemas hardware:

    • Los sistemas embebidos requieren que el software esté preparado para su interacción con el mundo exterior

  • Funcionalidades de tiempo real:

    • acciones en intervalos de tiempo determinados

      – es fundamental que el comportamiento temporalde los STR sea determinista o, al menos, previsible

    • el sistema debe responder correctamente en todas las situaciones

    • en los sistemas de tiempo real estricto hay que prever el comportamiento en el peor casoposible

Ing. Estela D'Agostino


Otras c aracter sticas
Otras características

  • Los recursos están limitados

    – procesador, memoria, pantalla, etc.

  • Los dispositivos de entrada y salida son especiales

    para cada sistema

    – no hay teclado ni pantalla normales

  • El computador debe reaccionar a tiempo ante los

    cambios en el sistema físico.

    – una acción retrasada puede ser inútil o peligrosa

Ing. Estela D'Agostino


Tipos de sistemas de tiempo real
Tipos de sistemas de tiempo real

  • Estrictos (hard real time): las respuestas se deben producir en los tiempos especificados. (sistemas de control de vuelos)

  • Realmente estrictos: los tiempos de respuestas son muy breves: (sistema de guía de misiles)

  • No estrictos (soft real time): el tiempo es importante pero el sistema se degrada, aunque seguirá funcionando a pesar de que los tiempos no se cumplan estrictamente.(sistema de adquisición de datos).

Ing. Estela D'Agostino


Aplicaciones
Aplicaciones

  • Control de procesos.

  • Fabricación (control de producción).

  • Comunicación, mando y control.

    • Reserva de pasajes aéreos

    • Control de pacientes

    • Control de tráfico

La mayoría de estos sistemas son concurrentes

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de los str
Características de los STR

  • Complejos.

  • Control concurrente de distintos componentes del sistema

  • Fiable y seguro

  • Implementación eficiente

  • Interface con sistemas hardware

  • Funcionalidades de tiempo real

Ing. Estela D'Agostino


Concurrencia
Concurrencia

  • Son la notación y las técnicas de programación que expresan el paralelismo potencial

Un programa concurrente es un conjunto de procesos autónomos que se ejecutan en paralelo.

Ing. Estela D'Agostino


Procesos concurrentes
Procesos concurrentes

El trabajar con procesos concurrentesañade complejidad a la tarea deprogramar

¿cuáles son entonces los beneficios queaporta la programación concurrente?

Ing. Estela D'Agostino


Beneficios de la programaci n concurrente
Beneficios de la programaciónconcurrente

  • Mejor aprovechamiento de la CPU

  • Velocidad de ejecución

  • Solución de problemas de naturalezaconcurrente

    • Sistemas de control

    • Tecnologías web

    • Aplicaciones basadas en interfaces de usuarios

    • Simulación

    • SGDB

Ing. Estela D'Agostino


Proceso
Proceso

  • Es una instancia de ejecución de un programa.

  • Tiene un ciclo de vida, es decir pasa por distintos estados.

Ing. Estela D'Agostino


Ciclo de vida de un proceso

nacido

ejecución

terminado

No existente

No existente

Ciclo de vida de un proceso

listo

Ing. Estela D'Agostino


Finalizaci n de un proceso
Finalización de un proceso

  • Finaliza la ejecución de su cuerpo.

  • Ejecución de alguna sentencia de auto finalización.

  • Condición de error sin tratar.

  • Aborto por medio de la intervención de otro proceso.

  • Nunca: procesos que se ejecutan en bloques que no terminan.

  • Cuando ya no son necesarios.

Ing. Estela D'Agostino


Implementaci n de un conjunto de procesos
Implementación de un conjunto de procesos

  • Multiplexar sus ejecuciones en un único procesador (multiprogramación).

  • Multiplexar sus ejecuciones en un sistema multiprocesador con acceso a memoria compartida (multiprocesamiento)

  • Multiplexar sus ejecuciones en diversos procesadores que no comparten memoria (sistema distribuído)

Ing. Estela D'Agostino


Ejecuci n de un programa concurrente
Ejecución de un programa concurrente

Los procesos deben ser creados, distribuidos en los procesadores y finalizados. Estas actividades la realiza el nucleo de ejecución conocido como Run Time System Support (RTSS).

Se encarga de la creación, terminación y multiplexado de los procesos

Ing. Estela D'Agostino


Run time system support
Run Time System Support

  • Estructura software programada como parte de la aplicación (Modula-2).

  • Sistema software generado junto al código objeto del programa por el compilador. (Ada y Java).

  • Estructura hardware microcodificada en el procesador.

Ing. Estela D'Agostino


Ejecuci n de los procesos
Ejecución de los procesos

  • Todos los SO tiene formas de crear procesos.

  • Cada proceso se ejecuta en su propia maquina virtual.

  • Los SO modernos permiten crear hilos (procesos ligeros) dentro de la misma máquina virtual.

Ing. Estela D'Agostino


Quien provee los mecanismos de concurrencia
¿Quien provee los mecanismos de concurrencia?

  • Sistema operativo (SO de Tiempo real)

  • Lenguaje ( lenguaje que proporciona mecanismos para concurrencia)

Ing. Estela D'Agostino


Ventajas si el lenguaje proporciona los mecanismos de concurrencia
Ventajas si el lenguaje proporciona los mecanismos de concurrencia

  • Programas más legibles

  • Programas más portables

  • Si el sistema es embebido puede que no tenga un SO residente

Ing. Estela D'Agostino


Ventajas si el so proporciona la concurrencia
Ventajas si el SO proporciona la concurrencia concurrencia

  • El modelo de concurrencia es el mismo para todos los lenguajes.

  • Puede no ser fácil implementar el modelo de concurrencia sobre algún modelo de SO

Ing. Estela D'Agostino


Representaci n de procesos
Representación de procesos concurrencia

  • Depende del lenguaje:

    • Process Modula

    • Task Ada

    • Thread Java

Ing. Estela D'Agostino


Programaci n concurrente
Programación concurrente concurrencia

Los lenguajes concurrentes tiene elementos para:

  • Crear procesos concurrentes

  • Sincronizar procesos

  • Comunicar procesos

Ing. Estela D'Agostino


Comportamiento de procesos
Comportamiento de procesos concurrencia

  • Independientes: no se sincronizan ni comunican. (son muy raros)

  • Cooperativos: se comunican y sincronizan sus actividades.

  • Competitivos: compiten por recursos del sistema.

Ing. Estela D'Agostino


Sincronizar y comunicar
Sincronizar y Comunicar concurrencia

  • Sincronizar: Satisfacer las restricciones en el enlazado de las acciones de los distintos procesos.

  • Comunicar: pasar información de un proceso a otro.

Ing. Estela D'Agostino


Sincronizar y comunicar1
Sincronizar y Comunicar concurrencia

  • Variables compartidas: objetos a los que puede acceder más de un proceso

  • Paso de mensajes: intercambio explícito de datos entre dos procesos mediante el paso de un mensaje mediante alguna forma que brinda el SO o el propio lenguaje.

Ing. Estela D'Agostino


Variables compartidas
Variables compartidas concurrencia

Son objetos a los que puede acceder mas de un proceso.

La comunicación se logra accediendo a dichas variables cuando sea necesario

Trae problemas

Ing. Estela D'Agostino


Mensajes
Mensajes concurrencia

El intercambio de mensajes implica el paso explícito de datos entre un proceso y otro. Esto se realiza mediante algún mecanismo

Ing. Estela D'Agostino


Variables compartidas1
Variables compartidas concurrencia

Considere dos procesos que actualizan una variable compartida, X, mediante la sentencia: X:= X+1

  • Carga el valor de X en algún registro.

  • Incrementa el valor en el registro en 1.

  • Almacena el valor del registro de nuevo en X.

    Como ninguna de las tres operaciones es indivisible, dos procesos que actualicen la variable simultáneamente generarían un entrelazamiento que podría producir un resultado incorrecto.

Ing. Estela D'Agostino


Variables compartidas2
Variables compartidas concurrencia

  • Las partes de un proceso que tienen acceso a las variables compartidas han de ejecutarse indivisiblemente unas respecto a las otras.

  • Estas partes se denominan secciones críticas.

  • La protección requerida se conoce como exclusión mutua.

Ing. Estela D'Agostino


Variables compartidas concurrencia

  • Sección crítica: secuencia de instrucciones que debe ejecutarse sin perder el control, y afecta variables compartidas. Si un proceso esta ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar ejecutando código de su sección crítica

Ing. Estela D'Agostino


Sincronizaciones necesarias en la programaci n concurrente
Sincronizaciones necesarias en la programación concurrente concurrencia

  • Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que solo un proceso está haciendo algo en un instante determinado. Sincronización para proteger una sección crítica. Es necesario si dos procesos comparten variables.

  • Sincronización condicionada: necesaria cuando un proceso necesita realizar alguna acción, solo después que se haya cumplido una condición.

Ing. Estela D'Agostino


Sincronizaci n de condici n
Sincronización de condición concurrencia

Utilización de buferes: productor / consumidor

Son aquellos problemas en los queexiste un conjunto deprocesos que producen información que otros procesos consumen, siendo diferentes lasvelocidades de producción y consumo de la información. Este desajuste en lasvelocidades, hace necesario que se establezca una sincronización entre los procesos demanera que la información no se pierda ni se duplique, consumiéndose en el orden enque es producida.

Ing. Estela D'Agostino


Variables compartidas3
Variables compartidas concurrencia

  • Semáforos

  • Monitores tipos protegidos

  • Metodos sincronizados

Ing. Estela D'Agostino


Sem foros
Semáforos concurrencia

Introdujo Dikstra en 1968.

Permite resolver la mayoríade los problemas de sincronización entre procesos y forma parte del diseño de muchossistemas operativos y de lenguajes de programación concurrentes.

Ing. Estela D'Agostino


Sem foros binarios
Semáforos binarios concurrencia

Es un indicador de condición que registra si un recurso está disponible o no.

Solo puede tomar dos valores (semáforo binario):

1: recurso disponible

0: recurso no disponible

Se le asocia una cola de tareas.

Ing. Estela D'Agostino


Sem foros1
Semáforos concurrencia

Sólo se permiten tres operaciones sobre un semáforo:

  • inicializa (S: SemaforoBinario; v: integer)

    Poner el valor del semáforo S al valor de v (0 o 1)

    • espera (S) (wait(s))

    if S = 1 then (hacer lo que deba hacer) S := 0

    else suspender la tarea que hace la llamada y ponerlaen la cola de tareas

    • señal (S) (signal(s))

    if la cola de tareas está vacía then S := 1

    else reanudar la primera tarea de la cola de tareas

Ing. Estela D'Agostino


Sincronizaci n de condici n con sem foros
Sincronización de condición con semáforos concurrencia

El uso de wait y signal se da en dos procesos por separado. En uno se ejecuta wait y en el otro signal.

var S : semaforo (inicialmente en 0)

process p1

..........

wait(S); //espera hasta que S=1

..........

end p1;

process p2

..............

signal(S);

..........

end p2;

Ing. Estela D'Agostino


Exclusi n mutua con sem foros
Exclusión mutua con semáforos concurrencia

var mutex : semaforo; (inicialmente a 1)

process p2

loop

wait(mutex)

<seccion critica>

signal(mutex);

<seccion no critica>

end

endp 2;

var mutex : semaforo; (inicialmente a 1)

process p1

loop

wait(mutex) (mutex =1 entra seccion critica)

<seccion critica>

signal(mutex);

<seccion no critica>

end

endp 1;

wait: se usa como operación de bloqueo

signal: se usa como operación de desbloqueo

Ing. Estela D'Agostino


Sem foros para proteger un conjunto de recursos
Semáforos para proteger un conjunto de recursos concurrencia

En caso que exista un conjunto derecursos similares, se puede usar una versión más general de semáforo que lleve la cuentadel número de recursos disponibles. En este caso elsemáforo se inicializa con el númerototal derecursos disponibles (N) y las operaciones de espera y señal se diseñan de modoque se impida el acceso al recurso protegido por el semáforo cuando el valor de éste esmenor o igual que cero.

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de los sem foros
Características de los semáforos concurrencia

  • Los semáforos tienen algunas características que pueden generar incovenientes:

  • las variables compartidas son globales a todos los procesos.

  • las acciones que acceden y modifican dichas variables están diseminadas por los procesos.

  • para poder decir algo del estado de las variables compartidas, es necesario mirar todo el código.

  • la adición de un nuevo proceso puede requerir verificar que el uso de las variables compartidas es el adecuado.

Programas poco escalables

Ing. Estela D'Agostino


Cr ticas a los semaforos
Críticas a los semaforos concurrencia

  • Si el semáforo se ubico en un lugar erróneo falla y estamos en presencia de un sistema en tiempo real, falla el programa completo

No se garantiza la exclusión mutua

Posible solución : monitores

Ing. Estela D'Agostino


Monitores
Monitores concurrencia

Es un conjunto de procedimientos que proporciona el acceso conexclusión mutua a un recurso o conjunto de recursos (datos o dispositivos) compartidospor un grupo de procesos. Los procedimientos van encapsulados dentro de un móduloque tiene la propiedad especial de que sólo un proceso puede estar activo cada vez paraejecutar un procedimiento del monitor.

Ing. Estela D'Agostino


Caracter sticas de un monitor
Características de un monitor concurrencia

Es un TAD:

  • uso independiente de la implementación.

  • el usuario no conoce la implementación.

  • nada se sabe del orden en que se van a invocar acciones del monitor.

  • por lo que necesita una correcta especificación.

Ing. Estela D'Agostino


F uncionamiento de un monitor
F concurrenciauncionamiento de un monitor

Respecto a la sincronización:

  • la exclusión mutua se asegura por definición:

    • por lo tanto, sólo un proceso puede estar ejecutando acciones de un monitor en un momento dado.

    • aunque varios procesos pueden en ese momento ejecutar acciones que nada tengan que ver con el monitor

Ing. Estela D'Agostino


F uncionamiento de un monitor1
F concurrenciauncionamiento de un monitor

la sincronización condicionada:

  • cada proceso puede requerir una sincronización distinta, por lo que hay que programar cada caso.

  • para ello, se usarán las variables “condición”:

    • se usan para hacer esperar a un proceso hasta que determinada condición sobre el estado del monitor se “anuncie”

    • también para despertar a un proceso que estaba esperando por su causa

Ing. Estela D'Agostino


Monitores1
Monitores concurrencia

  • Existe necesidad de sincronización de condición.

  • Se maneja con dos operadores que se llaman wait y signal.

Ing. Estela D'Agostino


Monitores2
Monitores concurrencia

  • Un wait siempre bloquea y se ubica en una cola asociada a esa variable de condición.

  • Cuando un proceso bloqueado libera su bloqueo permitirá ingresar a otro proceso.

  • Cuando un proceso ejecuta una operación signal, liberará un proceso bloqueado.

Ing. Estela D'Agostino


Cr ticas a monitores
Críticas a monitores concurrencia

  • Solución elegante a problemas de exclusión mutua.

  • No soluciona bien las sincronizaciones de variables de condición.

Ing. Estela D'Agostino


M todos sincronizados
Métodos sincronizados concurrencia

  • Es el concepto de monitor implementado en el paradigma de Orientación a Objetos

  • Se utilizan en como Java, que tiene la concurrencia totalmente integrada.

Ing. Estela D'Agostino


M todos sincronizados1
Métodos sincronizados concurrencia

  • Los métodos se califican con el modificador synchronized.

  • Puede existir también synchronized a nivel de bloque.

Ing. Estela D'Agostino


Paso de mensajes
Paso de mensajes concurrencia

  • Se necesita un proceso emisor y uno receptor.

  • Información para intercambiar.

  • Operaciones básicas son:

    • Enviar (mensaje)

    • Recibir (mensaje)

Ing. Estela D'Agostino


Paso de mensajes1
Paso de mensajes concurrencia

  • Se debe establecer un enlace entre receptor y emisor:

    • Modelo de sincronización

    • Como nombrar los procesos

    • Estructura del mensaje

Ing. Estela D'Agostino


Modelo de sincronizaci n
Modelo de sincronización concurrencia

  • Sincronización implícita: un proceso no puede recibir un mensaje antes que el emisor lo haya emitido.

    • Asíncrona: el emisor continua sin saber si el mensaje llegó o no

    • Síncrona: el emisor continua solo cuando se recibió el mensaje

    • Invocación remota: el emisor continua sólo cuando se recibió una respuesta desde el receptor

Ing. Estela D'Agostino


Nombrado de procesos
Nombrado de procesos concurrencia

Simetría:

simétrico:si el emisor y el receptor se pueden nombrar entre sí

envía <msj> <proceso>

espera <msj> <proceso>

asimétrico:

espera <msj>

Dirección:

nombrado directo:

envía <msj> <proceso>

nombrado indirecto:

envía <msj> <buzón>

Ing. Estela D'Agostino


Estructura del mensaje
Estructura del mensaje concurrencia

  • Idealmente: cualquier objeto.

  • Cada lenguaje ha impuesto sus restricciones.

Ing. Estela D'Agostino


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