J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 1

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1 Ewaluacja systemów czasu rzeczywistego

Kryteria jako

ściowe stopniowalne oceny systemów czasu

rzeczywistego.

•

Bezpiecze

ństwo (ang. Safety)

•

Dyspozycyjno

ść – (ang. Dependability)

•

Przewidywalno

ść, nawet w przypadku wystąpienia błędów –

(ang. Behavioural predictability, even in error situations)

•

Prostota – (ang. simplicity - the simpler the better)

•

Niezawodno

ść - (ang. Reliability)

•

Odporno

ść – (ang. Robustness)

•

Tolerowanie b

łędów - (ang. Fault tolerance)

•

W

łasność stopniowej degradacji w przypadku wystąpienia

niesprawno

ści - (ang. Graceful degradation upon malfunctions)

•

Przeno

śność – (ang. Portability)

•

Elastyczno

śc – (ang. Flexibility)

Kryteria jako

ściowe binarne oceny systemów czasu rzeczywistego.

•

Spe

łnienie ograniczeń czasowych – (ang. ability to meet all

deadlines)

•

Brak nieograniczonych w czasie opó

źnień i czasów wykonania

– (ang. no unbounded delays nor arbitrarily long executions)

•

Licencje bezpiecze

ństwa – (ang. safety license)

•

Poprawno

ść funkcjonalna – (ang. functional correctness)

•

Deterministyczne zachowanie – (ang. deterministic behaviour)

•

Spe

łnienie ograniczeń fizycznych – (ang. physical constraints

met)

•

Zapobieganie zakleszczeniom – (ang. deadlocks prevented)

Kryteria ilo

ściowe oceny systemów czasu rzeczywistego.

•

Najd

łuższy czas odpowiedzi na zdarzenie – (ang. Worst-case

response times to occurring events)

•

Najd

łuższy czas wykrycia i skorygowania błędów – (ang. Worst-

case time to detect and correct errors)

•

Średni czas między uszkodzeniami - MTBF,

•

Rezerwa mocy przetwarzania

•

Koszt

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 2

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1 Ilo

ściowe miary efektywności systemów operacyjnych

czasu rzeczywistego

Prezentowane dalej wyniki dotycz

ą systemów:

•

QNX6 Neutrino

•

Linux PREEMPT_RT

Linux PREEMPT_RT

Linux PREEMPT_RT jest projektem rozwijanym przez Ingo
Molnar’a (RedHat) oraz Thomas’a Gleixner’a. Jest to

łatka która

modyfikuje j

ądro Linux’a, w taki sposób aby stało się w pełni

wyw

łaszczane. Dokonano tego poprzez zamianę „spinlocków” w

j

ądrze na wywłaszczane „rtmuteksy”, przez co sekcje krytyczne

staja si

ę wywłaszczane. Wprowadza także obsługę Timerów

POSIX o wysokiej rozdzielczo

ści. Dzięki temu otrzymano

rygorystyczny system czasu rzeczywistego.

Testy wykonane na procesorze Intel Pentium IV Mobile o
cz

ęstotliwości 2 GHz.

1.1.1 Czas opó

źnienia przerwania

Czas opó

źnienia przerwania (ang. Interrupt Latency) jest to czas

pomi

ędzy wystąpieniem przerwania a wykonaniem pierwszej

instrukcji procedury obs

ługi tego przerwania (ang. Interrupt Service

Routine – ISR).

P1

ISR - Procedura

obslugi przerwania

Przerwanie

Start ISR

ISR

Interrupt

Latency

P1

Kontynuacj

a procesu

P1

Stop ISR

Rys. 1-1 Ilustracja czasu obs

ługi przerwania

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 3

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

Czas opó

źnienia przerwania zależy od następujących czynników:

1. Zablokowania przerwa

ń - przerwania w procesorze mogą być

chwilowo zablokowane przez inny w

ątek lub handler w celu

ochrony sekcji krytycznych.

2. Obs

ługi innych przerwań - kontroler przerwań może nie

dopu

ścić do przyjęcia przerwania gdyż przerwanie o wyższym

priorytecie jest w trakcie obs

ługi

Czas opó

źnienia przerwania zależy od aktualnego stanu systemu.

Przerwania w danym momencie czasu mog

ą być zablokowane lub

te

ż nie. W związku z tym definiuje się maksymalny czas

opó

źnienia przerwania.

Maksymalny czas opó

źnienia przerwania (ang. worst case

interrupt latency)

Maksymalny czas opó

źnienia przerwania to czas opóźnienia

przerwania otrzymany dla najmniej korzystnego przypadku.

W systemie operacyjnym czasu rzeczywistego najd

łuższy

czas w którym przerwania pozostaj

ą zablokowane powinien być

jak najkrótszy.

Rys. 1-2 Czas opó

źnienia przerwania dla różnych systemów

czasu rzeczywistego (Pentium 200 MHz) wg. Dedicated Systems

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 4

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

Przypadek

Maksymalny czas

[µs]

Średni czas [µs]

System nie

obci

ążony

14,807

12,339

System obci

ążony

17,194

14,640

Rys. 1-3 Czas reakcji na przerwanie systemu QNX6 Neutrino -
praca dypl.

Łukasz Biały

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Numer próbki

C

z

as

[ µ

s

]

Rys. 1-4 Czas reakcji na przerwanie systemie QNX 6 Neutrino bez
obci

ążenia - praca dypl. Łukasz Biały

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 5

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Numer próbki

C

z

a

s

[

µ

s

]

Rys. 1-5 Czas reakcji na przerwanie systemie QNX 6 Neutrino pod
obci

ążeniem - praca dypl. Łukasz Biały

Rys. 1-6 Histogram czasu reakcji na przerwanie w systemie QNX6
Neutrino – praca dypl.

Łukasz Biały

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 6

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.2 Czas prze

łączania kontekstu

Czas prze

łączania zadań (ang. task switch time) jest to czas, w

którym system operacyjny jest w stanie prze

łączyć aktualnie

wykonywane zadanie na inne zadanie w systemie o tym samym
priorytecie. Na ten czas sk

łada się czas potrzebny na zachowanie

kontekstu procesu bie

żącego P1 i odtworzenie kontekstu procesu

P2 podlegaj

ącego zaszeregowaniu.

D

ługość czasu przełączania zadań uzależniona jest od:

•

z

łożoności struktur danych opisujących zadania

•

efektywno

ści procedur zmieniających kontekst zadań.

Poniewa

ż pomiar dokonywany jest dla zadań o równym

priorytecie, wymaga si

ę aby system realizował odpowiedni

algorytm szeregowania, który przydziela

ć będzie czas procesora

pomi

ędzy zadania o najwyższym priorytecie. Przykładem takiego

algorytmu jest FIFO (ang. First In First Out) lub algorytm
karuzelowy RR.

P1

Context

Switching

Latency

P2

Wznowienie

procesu P2

Zawieszenie

procesu P1

Rys. 1-7 Ilustracja czasu prze

łączenia kontekstu

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 7

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

Rys. 1-8 Czas prze

łączenia kontekstu dla różnych systemów

czasu rzeczywistego (Pentium 200 MHz) – wg. Dedicated Systems

System

Ilo

ść

w

ątków

Maksymalny

czas [µs]

Średni czas[µs]

2

7,527

0,722

10

9,149

0,734

QNX 6 Neutrino

128

10,737

0,745

2

45,906

2,234

10

46,244

2,270

PREEMPT_RT

128

47,802

2,286

Tab. 1-1 Wyniki pomiarów czasu prze

łączania wątków – praca

dypl.

Łukasz Biały

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 8

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.3 Czas wyw

łaszczania

Czas wyw

łaszczania (ang. preemption time) jest to średni czas

potrzebny na wyw

łaszczenie zadania o niższym priorytecie, przez

zadanie o wy

ższym priorytecie.

Rys. 1-9 Ilustracja czasu wyw

łaszczenia tp procesu T1 o niższym

priorytecie przez proces T2 o priorytecie wy

ższym

Na czas ten sk

łada się:

1. Czas opó

źnienia przerwania

2. Podj

ęcie decyzji szeregującej

3. Czas zachowanie kontekstu procesu bie

żącego i

przywrócenia kontekstu procesu wyw

łaszczającego

1.1.4 Opó

źnienie szeregowania (ang. Scheduling Latency)

Opó

źnienie szeregowania (ang. scheduling latency)

Opó

źnienie szeregowania jest czasem który upływa pomiędzy

wykonaniem ostatniej instrukcji procedury obs

ługi przerwania a

wykonaniem pierwszej instrukcji przerwanego w

ątku lub też

nast

ępnego gotowego wątku w kolejce.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 9

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

W tym czasie system wykonuje nast

ępujące czynności:

1. Szeregowanie w

ątków.

2. Wznowienie przerwanego lub te

ż innego wątku.

P1

ISR - Procedura

obslugi

przerwania

Przerwanie

ISR

P2

Wznowienie

procesu P2

decyzja

szereguj

ąca

Zawiadomienie

Czas szeregowania

Rys. 1-10 Ilustracja czasu szeregowania

Procesor

Opó

źnienie

przerwania

[

µ

s]

Opó

źnienie

szeregowania

[

µ

s]

166 MHz Pentium

4.3

3.1

100 MHz Pentium

4.4

3.9

100 MHz 486DX4

5.6

8

33 MHz 386EX

22.5

26

Tabela 1-1 Niektóre parametry czasowe systemu QNX6 Neutrino

1.1.5 Czas utworzenia i ko

ńczenia nowego zadania

Czas utworzenia nowego zadania (ang. Task creation and

termination

) to

czas potrzebny do stworzenia nowego zadania oraz

do usuni

ęcia istniejącego zadania. Są to dwie bardzo istotne

operacje dla wielozadaniowego systemu czasu rzeczywistego.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 10

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

System

Maksymalny czas

[µs]

Średni czas[µs]

QNX 6 Neutrino

72,254

56,144

PREEMPT_RT

497,243

61,995

Tab. 1-2 Czas tworzenia i usuwania w

ątków

1.1.6 Czas inicjalizacji systemu

Czas inicjalizacji systemu (ang.

Initialisation time

) to czas

mierzony od momentu uruchomienia systemu do momentu

uzyskania przez system operacyjny pe

łnej funkcjonalności. W

przypadku awarii, restartu system powinien by

ć gotowy do pracy

tak szybko jak to tylko mo

żliwe.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 11

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.7 Czas prze

łączenia semafora

Czas prze

łączenia semafora (ang. Semaphore shuffling time) to

średni czas pomiędzy zwolnieniem semafora przez aktualnie
wykonywane zadanie, a uruchomieniem pierwszej instrukcji
zadania oczekuj

ącego na ten semafor. Czas

ten zale

ży głównie od sposobu implementacji mechanizmu

semaforów w danym systemie operacyjnym. W systemie czasu
rzeczywistego, gdzie wiele aplikacji korzysta ze wspólnych
zasobów, krótki czas operacji semaforowych jest bardzo wa

żnym

czynnikiem.

Rys. 1-11 Ilustracja czasu prze

łączenia semafora

System

Obci

ążenie

Maksymalny
czas [µs]

Średni czas[µs]

NIE

7,862

1,021

QNX 6 Neutrino TAK

10,653

1,049

PREEMPT_RT

NIE

53,135

10,167

Tab. 1-3 Wyniki pomiarów czasu operacji semaforowych - praca
dypl.

Łukasz Biały

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 12

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.8 Czas likwidacji inwersji priorytetów (ang. deadlock breaking

time)

Sytuacj

ę, w której zadanie o wyższym priorytecie wywłaszczy

zadanie o ni

ższym priorytecie, które przetrzymuje zasób

wymagany przez zadanie o wy

ższym priorytecie, nazywamy

inwersj

ą priorytetów. Czas likwidacji inwersji jest to średni czas, w

którym system sobie poradzi z inwersj

ą.

W3
odblokowanie

w

ątek W1

priorytet 1

w

ątek W2

priorytet 2

w

ątek W3

priorytet 3

zablokowany

T

Czas

t5

t1

t2

W3 mutex_lock()

t3

W2 wyw

łaszcza

W1

t4

W1 mutex_lock()

t0

1

W1 wznowiony

3

1

2

W2 blokuje si

ę

1

W1 mutex_unlock()

3

W3 mutex_unlock()

t6

t7

t8

Z1

Z2

Z3

priorytet 1 < priorytet 2 < priorytet 3

Rys. 1-12 Ilustracja czasu T likwidacji inwersji priorytetów

Czas likwidacji zakleszczenia to czas pomi

ędzy zażądaniem

zasobu przez w

ątek o najwyższym priorytecie a jego otrzymaniem.

Zale

ży on od jakości mechanizmu zapobiegania inwersji

priorytetów.

1.1.9 Przepustowo

ść komunikacji międzyzadaniowej

Przepustowo

ść komunikacji międzyzadaniowej (ang. Datagram

throughput ) to ilo

ść bajtów na sekundę, jakie mogą zostać

przes

łane pomiędzy dwoma zadaniami przy pomocy komunikatów

(ang. Message passing).

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 13

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.2 Testy

Testy (ang. benchmark) to programy lub zestawy programów

1

,

które zosta

ły wybrane lub zaprojektowane w celu testowania i/lub

pomiaru wydajno

ści obliczeniowej systemów informatycznych.

Powinny one pomaga

ć podczas projektowania systemu lub w

podj

ęciu decyzji o zakupie danego systemu informatycznego.

Kelvin Obenland podzieli

ł zestaw kryteriów porównawczych,

istotnych dla systemów zgodnych z POSIX, na dwie kategorie.

•

Testy które mierz

ą determinizm danego systemu operacyjnego,

•

Testy które mierz

ą opóźnienia szczególnie ważnych operacji

Pierwsza kategoria oprogramowania mierzy czas odpowiedzi

systemu, rozstrzyga czy w

ątki działają w sposób przewidywalny.

Druga kategoria mierzy czas zmiany kontekstu pomi

ędzy wątkami

i procesami. Mierzy przepustowo

ść danych pomiędzy procesami i

w

ątkami oraz opóźnienie sygnałów POSIX.

Szerzej znane s

ą następujące testy:

•

Oszacowanie trójwymiarowe

•

Rhealstones

•

MiBench

•

Hardstones

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 14

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.10

Oszacowanie trójwymiarowe

Bierze si

ę pod uwagę:

•

MIPS1 - Liczba milionów operacji na sekund

ę

•

MIPS2 - Liczba milionów przerwa

ń na sekundę

•

NIOPS - Liczba milionów operacji we/wy na sekund

ę

Wynik = (MIPS1 * MIPS2 * NIOPS)

1/3

1.1.11

Rhealstone

Rhealstone jest zestawem sze

ściu programów napisanych w

j

ęzyku C. Każdy z nich mierzy czas operacji charakterystycznej dla

systemów czasu rzeczywistego:

1. Czas prze

łączenia zadań - task-switch time,

2.

Czas wyw

łaszczenia - preemption time,

3.

Czas opó

źnienia przerwania - interrupt latency ,

4.

Czas prze

łączenia semafora - semaphore-shuffle time,

5.

Czas likwidacji zakleszczenia - deadlock-break time,

6.

Opó

źnienie przesyłania komunikatów - intertask message

latency.

Z otrzymanych czasów obliczana jest warto

ść średnia na

podstawie wzoru

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 15

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

(

)

6

/

6

5

4

3

2

1

t

t

t

t

t

t

t

+

+

+

+

+

=

Czasy wyra

żone są w sekundach. Tak zwaną wartość Rhealstone

definiujemy jako odwrotno

ść wyliczonej średniej

t

1

Im wi

ększa jest wartość tym system szybszy.

Wady testu Rhealstones:

•

Mierzy warto

ści średnie a nie dla najgorszego przypadku.

•

Wynik jest sum

ą ważoną składników, nie ma jednoznacznych

ustale

ń co do wag.

1.1.12

MiBench

MiBench jest zestawem 35 aplikacji typowych dla systemów

wbudowanych. Zosta

ły one podzielone na sześć zestawów, z

których ka

żdy celuje w specyficzny obszar systemów

wbudowanych:

•

sterowania motoryzacyjnego i przemys

łowego,

•

urz

ądzeń konsumenckich,

•

automatyki biurowej,

•

sieciowy,

•

bezpiecze

ństwa,

•

telekomunikacyjny.

Źródła wszystkich programów dostępne są w standardowym

j

ęzyku C. Dzięki temu kod jest w pełni przenośny i może zostać

skompilowany prawie na ka

żdej platformie. Dostępne są również

dedykowane zbiory danych do poszczególnych testów. Do

testowania systemów rygorystycznych nadaje si

ę jedynie pierwszy

zestaw.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 16

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

1.1.13

Hartstone

Test Hartstone zosta

ł zaprojektowany w celu sprawdzenia

wymogów czasowych rygorystycznych systemów czasu

rzeczywistego. Ca

łość napisana w języku ADA na uniwersytecie

Carnegie Mellon. Nazwa testu pochodzi od angielskiego

okre

ślenia systemów rygorystycznych „HArd Real-Time” .

Hartstone, zosta

ł określony jako duża liczba małych procesów z

dok

ładnie określonym obciążeniem procesora jak i terminami

zako

ńczenia. Zostały one podzielone na pięć serii testowych

sk

ładających się z kilku eksperymentów. Każda seria uruchamia

inne procesy:

1. Cykliczne zadania, harmoniczne cz

ęstotliwości,

2. Cykliczne zadania, nieharmoniczne cz

ęstotliwości,

3. Cykliczne zadania, harmoniczne cz

ęstotliwości z niecyklicznym

przetwarzaniem,

4. Cykliczne zadania, harmoniczne cz

ęstotliwości z

synchronizacj

ą,

5. Cykliczne zadania, harmoniczne cz

ęstotliwości z niecyklicznym

przetwarzaniem i synchronizacj

ą

Dla ka

żdej serii został określony „zestaw podstawowych

zada

ń”, ze ściśle określonym obciążeniem obliczeniowym,

ograniczeniami czasowymi oraz d

ługością okresu. Przy każdej

nast

ępnej iteracji, zmieniane są parametry lub zwiększane jest

obci

ążenie procesora. Raz uruchomiony test działa, dopóki nie

zostanie przekroczony który

ś z terminów albo przewidziany czas

odpowiedzi. Wynikiem poszczególnej serii testów, jest zestaw

parametrów, dla których program zako

ńczył swoje działanie oraz

najwy

ższe zarejestrowane obciążenie obliczeniowe.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com

J. U

łasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 17

Miary-efektywno

ści-RTS1.doc

Dok

ładna interpretacja tak otrzymanych wyników pozwala na

ocen

ę całej platformy, zarówno sprzętu jaki i oprogramowania

systemowego, przydatno

ści do użytku z aplikacjami czasu

rzeczywistego. Podczas gdy Hartstone zosta

ł zaprojektowany

z my

ślą o pojedynczo-procesorowych systemach. W późniejszym

czasie zosta

ł rozszerzony o możliwość pomiaru systemów

rozproszonych.

1.2

Żródła

[1] Roman Gumzej, Wolfgang A. Halay; Real Time Systems

Quality of Service, wyd Springer 2010.

[2]

Łukasz Biały, Praca dyplomowa, Politechnika Wrocławska

2010.

PDF created with pdfFactory trial version

www.pdffactory.com