PDF de programación - Bloque I: Principios de sistemas operativos

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Bloque I: Principios de sistemas
operativos
Tema 1. Principios básicos de los sistemas operativos
Tema 2. Concurrencia
Tema 3. Ficheros
Tema 4. Sincronización y programación dirigida por eventos
Tema 5. Planificación y despacho
Tema 6. Sistemas de tiempo real y sistemas empotrados
Tema 7. Gestión de memoria
Tema 8. Gestión de dispositivos de entrada-salida

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Notas:

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Tema 6. Sistemas de tiempo real y sistemas empotrados

• Concepto de sistema de tiempo real
• Concepto y características de sistemas empotrados
• Políticas de planificación para tiempo real
• Protocolos de sincronización de tiempo real
• Análisis de sistemas de tiempo real
• Relojes y temporizadores POSIX

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1. Concepto de sistema de tiempo real
Un sistema de tiempo real es una combinación de uno o varios
computadores, dispositivos hardware de entrada/salida, y
software de propósito especial, en la que:
• hay una fuerte interacción con el entorno
• el entorno cambia con el tiempo
• el sistema controla o reacciona de forma simultánea a diferentes

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aspectos del entorno

Como resultado:
• se imponen requerimientos temporales sobre el software
• el software es de naturaleza concurrente

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Elementos de un sistema de tiempo
real

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Comuni-
caciones

Otros

Computadores

I/O

Digital

Computador

I/O

Analógica

Entorno Externo

Software de Real-Time

Task

Task

Task

OS

Task

Reloj

Otras
I/O

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Definición de sistema de tiempo real
“En las aplicaciones de tiempo real, el funcionamiento correcto no
sólo depende de los resultados del cálculo, sino también del
instante en el que se generan estos resultados.”
Algunos requerimientos de tiempo real frecuentes:
• Realizar actividades periódicas:

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- solicitadas a intervalos periódicos
- deben completar un trabajo antes de un plazo

• Responder a eventos aperiódicos:
- solicitados a intervalos irregulares
- en algunos casos, completar el trabajo antes de un plazo
- alcanzar un requerimiento de tiempo de respuesta promedio

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¿Qué es importante en sistemas de
tiempo real?
Los criterios para tiempo real difieren de los de sistemas de tiempo
compartido

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Tiempo Compartido

Sist. de Tiempo Real

Capacidad

Potencia de cálculo

Respuesta Temporal Rápida respuesta en pro-

Sobrecarga

medio
Reparto Equitativo

Planificabilidad
Respuesta de peor caso
garantizada
Estabilidad

• Planificabilidad: habilidad para cumplir todos los plazos
• Respuesta de peor caso: no basta el caso promedio
• Estabilidad: en una sobrecarga, se deben de cumplir al menos

los plazos de todas las tareas críticas

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Sistemas operativos de tiempo real
En el pasado, muchos sistemas de tiempo real no necesitaban
sistema operativo.
Hoy en día, muchas aplicaciones requieren servicios de sistema
operativo tales como:

- programación concurrente, redes de comunicación, sistema de

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ficheros, etc.

El comportamiento temporal de un programa depende fuertemente
del comportamiento del sistema operativo.
Definición de tiempo real en sistemas operativos, según POSIX:
“La habilidad del sistema operativo para proporcionar el nivel de
servicio requerido con un tiempo de respuesta acotado.”

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2. Concepto y características de
sistemas empotrados
Un computador (y su software) se considera empotrado si:
• es un componente integral de un sistema mayor,
• se usa para controlar, monitorizar o procesar la información de

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ese sistema,

• y usa dispositivos hardware especiales
La mayoría de los sistemas de tiempo real son empotrados
Al revés no; por ejemplo, en estos sistemas no importa el tiempo
de respuesta de peor caso:
• llave electrónica
• muñeco que reacciona al entorno con gestos y sonidos

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3. Políticas de planificación para
tiempo real
Planificadores en tiempo de compilación:

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- conocidos como ejecutivos cíclicos (ver “la solución cíclica”, en el

capítulo 2)

- predecibilidad mediante un plan estático
-
- difícil de mantener

la estructura lógica depende de los requisitos temporales

Planificadores en tiempo de ejecución:

- Basados en prioridades
- Expulsores o no, prioridades fijas o dinámicas
- Predecibilidad mediante métodos analíticos
- Separan la estructura lógica de los requisitos temporales

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Planificación por prioridades fijas
La planificación expulsora por prioridades fijas es la más popular:
• El comportamiento temporal es más fácil de entender y predecir
• El tratamiento ante sobrecargas es fácil de prever
• Existen técnicas analíticas completas
• Requerido por estándares de sistemas operativos y lenguajes

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concurrentes

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4. Sincronización de tiempo real:
Inversión de prioridad

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:{...P(S1)...V(S1)...}
:{...P(S1)...V(S1)...}

intenta tomar S1 (se bloquea)

S1 tomado

S1 liberado

Leyenda

S1 tomado

Ejecutando

Bloqueado

B

(H)

(M)

(L)

B

S1 tomado

S1 liberado

Tiempo

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Protocolos de sincronización
Los protocolos de sincronización de tiempo real evitan la
inversión de prioridad no acotada
Los más importantes:
• Herencia de prioridad
• Techo de prioridad inmediato (o protección por prioridad)
Ambos hacen que la inversión de prioridad, o retraso que una
tarea sufre a causa de tareas de prioridad inferior:
• sea función de la duración de una o varias secciones críticas
• no sea función de la duración de tareas completas

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Techo de prioridad inmediato

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:{...P(S1)...V(S1)...}
:{...P(S1)...V(S1)...}

(H)





(L)

Se activa





Se activa

S1 tomado

S1 liberado

Tiempo

Legend

S1 tomado

Ejecutando

Bloqueado

B

Techo de prioridad
de un recurso:

la mayor prioridad
de las tareas que lo
usan

Regla:

la sección crítica se
ejecuta al techo de
prioridad

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Herencia de prioridad

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:{...P(S1)...V(S1)...}
:{...P(S1)...V(S1)...}

Intenta tomar S1

S1 tomado S1 liberado

Se activa



Se activa

S1 tomado

S1 liberado

(H)





(L)

Tiempo

Leyenda

S1 tomado

Ejecutando

Bloqueado

B

Regla:

las tareas heredan
las prioridades de
aquellas tareas que
bloquean

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Protocolos de sincronización en POSIX
Atributos de inicialización de mutexes (adicionales a pshared):
• protocol: protocolo utilizado

- PTHREAD_PRIO_NONE: no hay herencia de prioridad
- PTHREAD_PRIO_INHERIT: herencia de prioridad
- PTHREAD_PRIO_PROTECT: protección de prioridad (techo de

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prioridad inmediato)

• prioceiling: techo de prioridad

- valor entero; se puede modificar en ejecución
- se usa para la protección de prioridad

Estos atributos se almacenan en el objeto de atributos

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Atributos de planificación de los
mutex

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#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_getprotocol
(const pthread_mutexattr_t *attr,
int *protocol);

int pthread_mutexattr_setprotocol
(pthread_mutexattr_t *attr,
int protocol);

int pthread_mutexattr_getprioceiling
(const pthread_mutexattr_t *attr,
int *prioceiling);

int pthread_mutexattr_setprioceiling
(pthread_mutexattr_t *attr,
int prioceiling);

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5. Análisis de sistemas de tiempo real
El análisis “Rate Monotonic” (RMA) es una teoría para analizar el
comportamiento temporal de aplicaciones de tiempo real basadas
en prioridades fijas
Proporciona directrices para hacer asignación óptima de
prioridades
Aporta tests de utilización, que nos permiten hacernos una idea
aproximada sobre el cumplimiento de los plazos
Permite obtener los tiempos de respuesta exactos de las tareas
Ayuda a identificar “cuellos de botella”, para mejorar el diseño

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Principios básicos del RMA
Dos conceptos ayudan a construir la situación de peor caso en el
caso de tareas periódicas independientes:
• Instante crítico. El tiempo de respuesta de peor caso de todas

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las tareas se obtiene si las activamos todas a la vez

• Basta comprobar el