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Une infrastructure modulaire de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel David Decotigny Projet ACES.

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1 Une infrastructure modulaire de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel David Decotigny Projet ACES

2 2/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique qCritères et méthodes dévaluation qInfrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel qUne extension : famille dordonnanceurs personnalisable qExpérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps qConclusions et perspectives

3 3/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Introduction (1/3) Systèmes temps-réel nCorrection fonctionnelle nRespect des contraintes temporelles Temps = donnée physique mesurable Contraintes de temps Échéances temporelles, retard au démarrage maximal, … nTypes de systèmes temps-réel Temps-réel strict : garanties strictes Temps-réel souple : garanties relatives (probabilistes)

4 4/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Introduction (2/3) Modèle de système qNiveau logiciel nApplication Plusieurs tâches nSupport dexécution Gestion de ressources Interaction avec lenvironnement qNiveau matériel nProcesseur nEnvironnement nRéseau

5 5/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Introduction (3/3) Notions dordonnancement temps-réel qDéroulement de lexécution de lapplication qDécisions darbitrage du processeur nOrdonnancement Défini hors-ligne Défini en-ligne À plan dynamique À priorité statique (RM/DM), dynamique (EDF, LLF) nRepose sur un modèle de tâche Caractéristiques : loi dactivation, temps dexécution pire-cas Contraintes de temps Nécessité dévaluer le comportement et les garanties offertes

6 6/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique Critères et méthodes dévaluation qInfrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel qUne extension : famille dordonnanceurs personnalisable qExpérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps qConclusions et perspectives

7 7/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Critères dévaluation qVerdict dordonnançabilité : existence et détermination dun ordonnancement faisable nTemps-réel strict qMesures quantitatives sur le comportement effectif nTemps-réel souple ou strict Taux de respect des contraintes temporelles Distribution des retards au démarrage

8 8/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Méthodes dévaluation (1/3) qMéthodes analytiques nPrincipe En entrée : modèle abstrait + formalisme associé Identifier les configuration(s) possible(s) nObjectif Verdict dordonnançabilité Caractéristiques stochastiques Intérêts Tôt dans le processus de développement Sûreté Limitations Données en entrée toutes connues sûres Modèles simples : risque de non représentativité

9 9/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Méthodes dévaluation (2/3) qExécution réelle instrumentée nPrincipe En entrée : implantation complète Mesures quantitatives à laide de sondes nObjectifs Confronter les mesures aux spécifications Intérêt Représentativité des mesures Limitations Tard dans le processus de développement Résultats non sûrs Sonde : « Effet sonde » Sonde matérielle : surcoût inutile à la fabrication

10 10/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Méthodes dévaluation (3/3) qSimulation nPrincipe En entrée : modèle abstrait ou concret du système Mesures quantitatives nObjectifs Confronter les mesures aux spécifications Intérêts Tôt ou tard dans le preocessus de développement Pas deffet sonde Limitation Résultats non sûrs Précautions à prendre Pertinence de la simulation sur les modèles concrets

11 11/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Objectifs qÉvaluer le comportement temporel de systèmes complexes qPermettre les évaluations tout au long du processus de développement nModèles abstraits nModèles concrets / réutilisation de code Choix de la méthode dévaluation par simulation Précaution : assurer un haut degré de pertinence

12 12/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique qCritères et méthodes dévaluation Infrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel qUne extension : famille dordonnanceurs personnalisable qExpérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps qConclusions et perspectives

13 13/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Ce quon attend dun simulateur qCapacités de personnalisation nles tâches de lapplication nles services du support dexécution nlordonnanceur et le modèle de tâches associé qPertinence du comportement temporel simulé nPrise en compte des durées dexécution des éléments du système

14 14/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Limitations des simulateurs existants qSimulateurs à événements discrets généraux nDifficulté dassurer la pertinence du comportement temporel simulé nSimulation adaptée à un domaine différent qSimulateurs dordonnancement nCapacités de personnalisation limitées nPertinence du comportement temporel simulé limitée Simulateurs de systèmes complets nCapacités de personnalisation limitées nPriorité aux problèmes de synchronisation nProblèmes defficacité

15 15/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Vue densemble du simulateur réalisé (1/3) qInfrastructure modulaire qModule central : simulation de système temps-réel nCapacités de personnalisation à tous niveaux nFidélité des comportements temporels simulés nPrécision temporelle de simulation indépendante de la perception du temps par le système nEfficacité de simulation qSimulation de systèmes distribués nSimulation des pertes et altérations de messages sur le réseau nReproduction des dérives dhorloges Artisst is a Real-Time System Simulation Tool

16 16/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Vue densemble du simulateur (2/3) Analyse statistique Chronogramme Enregistreur de traces INTERRUPT_RAISED SUSPEND_TASK_EXECUTION INTERRUPT_ENTER INTERRUPT_LEAVE RESUME_TASK_EXECUTION INTERRUPT_RAISED SUSPEND_TASK_EXECUTION INTERRUPT_ENTER 0 Observations Système à évaluer Lecteur de traces INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED INTERRUPT_RAISED 3 Générateur d'événements Environnement

17 17/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Support dexécution Vue densemble du simulateur (3/3) Interruption s Clock ISR Traitants dinterruptions Tâche Tâches Ordonnanceur

18 18/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Enregistreur de traces INTERRUPT_RAISED SUSPEND_TASK_EXECUTION INTERRUPT_ENTER INTERRUPT_LEAVE RESUME_TASK_EXECUTION INTERRUPT_RAISED SUSPEND_TASK_EXECUTION INTERRUPT_ENTER 0 Propriétés du simulateur (1/4) Modularité Environnement qAutres modules possibles Chronogramme qCircuit personnalisable Analyse statistique Générateur d'événements Système à évaluer qModules par défaut personnalisables Messages

19 19/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Propriétés du simulateur (2/4) Modularité qPossibilité de connecter les systèmes simulés en réseau nDiffusion totale sans perte ni délai par un module central nSimulation du routage et des pertes/délais à chaque nœud

20 20/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel spawn_taskcancel_taskget_datechange_date OS basique Propriétés du simulateur (3/4) Personnalisation du système simulé Interruption s Take_resource res->ref++; API OS Perso... cur_task = next_task;... Ordonnanceur Modèle de tâche Tâches compute_fft(data1, result1); t = spawn_task(task_entry); compute_fft(data2, result2);... Traitants dinterruptions change_date(); activate_task();... Tâche 0 Clock ISR

21 21/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel spawn_taskcancel_taskget_datechange_date OS basique Interruption s Take_resource res->ref++; API OS Perso Tâches Traitants dinterruptions Tâche 0 Clock ISR change_date(); activate_task();... cur_task = next_task;... Ordonnanceur compute_fft(data1, result1); t = spawn_task(task_entry); compute_fft(data2, result2);... hold_cpu(sec(3)); hold_cpu(sec(2)); hold_cpu(sec(4)); Propriétés du simulateur (4/4) Fidélité des comportements temporels simulés hold_cpu(ms(2)); hold_cpu(ms(2)); hold_cpu(ms(30));

22 22/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique qCritères et méthodes dévaluation qInfrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel Une extension : famille dordonnanceurs personnalisable qExpérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps qConclusions et perspectives

23 23/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Famille dordonnanceurs dynamiques (1/3) Introduction qContexte nAucune tâche garantie hors-ligne nTâches activées Indépendantes qPrincipe général des ordonnanceurs dynamiques nTest dacceptation Sélectionner les tâches à intégrer au système, refuser les autres nOrdonnancement Garantir le respect des échéances des tâches acceptées On connaît le temps dexécution au pire (WCET) de chaque tâche Chaque tâche possède une contrainte déchéance Aucune hypothèse sur les lois dactivation

24 24/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Famille dordonnanceurs dynamiques (2/3) Principe qPrincipe du test dacceptation nSuppose un ordonnancement à priorité nRepose sur le calcul du temps processeur disponible pour chaque tâche ???? Priorités Refusée Acceptée qObservation : 2 propriétés sur les priorités suffisent nPriorités relatives indépendantes du temps nPriorités relatives indépendantes de linsertion et de la suppression de tâches

25 25/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Famille dordonnanceurs dynamiques (3/3) Propriétés de lapproche Unifie une grande partie des algorithmes de garantie à priorité classiques (DM, RM, EDF, … et même Fifo) Généralise une approche systématique pour : Test dordonnancement Ordonnancement avec repêchage Ordonnancement avec politiques de rejet Famille dordonnanceurs génériques spécialisable par 1, 2 ou 3 fonctions de comparaison des priorités

26 26/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique qCritères et méthodes dévaluation qInfrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel qUne extension : famille dordonnanceurs personnalisable Expérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps qConclusions et perspectives

27 27/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Prise en compte de la granularité dhorloge (1/4) Problématique : perception du temps Prendre cette approximation en compte dans les décisions liées au temps nDates « temps-système » internes au système Approximation locale discontinue du temps-réel qDans les systèmes réels, deux échelles de temps : nDates temps-réel Difficilement accessibles par le système Temps-réel Temps mesuré qHypothèses classiques en ordonnancement nMesures exactes des dates et durées

28 28/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Prise en compte de la granularité dhorloge (2/4) Règles de prise en compte définies qObjectif nConserver la sûreté des tests dacceptation Se placer dans les cas pessimistes qGrandeurs affectées nDates Date de fin de tâche pessimiste Date déchéance dans léchelle de temps système nDurées Temps dexécution pire cas restant à exécuter par une tâche Temps non utilisé par une tâche

29 29/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Prise en compte de la granularité dhorloge (3/4) Évaluation de limpact : dispositif expérimental qSimulation avec Artisst nUtilisation des ordonnanceurs dynamiques de la famille présentée nCharge synthétique avec durée dexécution des tâches variable nMesure du taux dacceptation en fonction de la granularité dhorloge système des paramètres de la charge Charge individuelle moyenne : ratio WCET / échéance relative Facteur de recouvrement : ratio échéance relative / délai dinter-arrivée moyen Sans ou avec coûts système : traitant dinterruption, ordonnanceur, activation de tâche (distribution uniforme sur [0, 0.5ms])

30 30/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Prise en compte de la granularité dhorloge (4/4) Évaluation de limpact : résultats nImpact dautant plus fort que la charge individuelle moyenne est élevée nInfluence de la charge individuelle moyenne prépondérante nImpact dautant plus faible que la charge globale augmente nCoûts OS négligeables à grosse granularité prépondérants quand ils sont comparables à la granularité dhorloge EDF charge granularité (ms) Taux de garantie (%) Recouvrement = 1 Sans coûts OS Recouvrement = 3 Sans coûts OS Recouvrement = 3 Avec coûts OS

31 31/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Plan de lexposé qContexte et problématique qCritères et méthodes dévaluation qInfrastructure extensible pour lévaluation de systèmes temps-réel qUne extension : famille dordonnanceurs personnalisable qExpérimentations : mesure de linfluence de la perception du temps Conclusions et perspectives

32 32/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Conclusions et perspectives (1/3) qBilan nInfrastructure de simulation Modulaire, personnalisable et extensible Fidélité de prise en compte des coûts dexécution Décorrélation des échelles de temps-réel et système nFamille dordonnanceurs à acceptation dynamique Unification des affectations de priorités classiques Algorithmes généraux indépendants des affectations de priorité nRègles de prise en compte de la granularité dhorloge système Intégrées dans les ordonnanceurs fournis Impact évalué sur 3 séries de 18 configurations avec Artisst

33 33/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Conclusions et perspectives (2/3) qDisponibilité dArtisst : licence LGPL n3 types de modules en entrée, 4 types de modules en sortie nModule de simulation de systèmes temps-réel bien éprouvé n9 types dordonnanceurs temps-réel fournis nValidation sur des systèmes centralisés et distribués avec ou sans partage de ressources (aucun protocole daccès) (temporaire)

34 34/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Conclusions et perspectives (3/3) qPerspectives nInclure le support des tâches dépendantes en centralisé et distribué nProposer un mécanisme de composition dordonnanceurs Approche déjà entamée dans Artisst nÉvaluer linfluence de linterface de programmation de différents OS Services de réveil de tâches, … nCouvrir tout le processus de développement Récupération automatique du paramètre de hold_cpu()

35 35/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel

36 36/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Introduction (4/4) Problématique qQuand tous les comportements temporels nDu système (exécution des tâches, support dexécution, …) et nDe ses interactions avec lenvironnement (lois dactivations, …) sont totalement caractérisés Il peut exister des conditions de faisabilité associées à un ordonnancement Exemples : (EDF, LLF), (RM) qSinon : Moins de contraintes moins de garanties Nécessité d évaluer le comportement et les garanties offertes

37 37/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Motivations et objectifs (2/2) qObjectifs nProposition dune infrastructure de simulation Extensible et personnalisable Accent mis sur la pertinence des comportements de lenvironnement et du système reproduits nValidation de sa faculté de personnalisation Intégration de plusieurs ordonnanceurs / modèles de tâches Proposition dune famille générique dordonnanceurs nUtilisation du simulateur pour létude de linfluence de la précision de perception du temps sur les décisions dordonnancement Établissement de règles analytiques pour sa prise en compte dans les ordonnanceurs réalisés Mesures sur les comportements résultants

38 38/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Ce quon attend dun simulateur (1/2) qPertinence de la simulation de lenvironnement nPouvoir faire interagir le système avec une grande variété de composantes de lenvironnement simulé qPertinence de lévaluation du système nPertinence du modèle simulé Abstrait & concret : facilité de personnalisation des éléments du système Modèles de tâches, Services du support dexécution (dont lordonnanceur) Concret : rester le plus proche possible de limplantation concrète Réutilisation du code de limplantation nPertinence du comportement temporel simulé Prise en compte des durées dexécution des éléments du système

39 39/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Ce quon attend dun simulateur (2/2) Pertinence de simulation par réutilisation de code compute_fft(data1, result1); t = spawn_task(task_entry); compute_fft(data2, result2);... Simulation dun temps doccupation du CPU Tâche T La simulation doccupation du temps CPU doit tenir compte des préemptions Tâche T Tâche U nLe processeur est une ressource préemptible :

40 40/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Simulateurs existants (1/2) Grandes classes de simulateurs qÀ temps continu nRésolution déquations différentielles qÀ événements discrets Temps simulé Wait(3) 1245

41 41/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Simulateurs existants (2/2) Limitations Limitation des simulateurs à événements discrets généraux [Csim,ADEVS,OMNET++,Hyperformix workbench,OPNet,QNap] nDifficulté à assurer la pertinence du comportement temporel simulé nSimulation adaptée à un domaine différent (files dattentes, …) Limitations des simulateurs dordonnancement [PERTS,Simulateur ULB, Retis RTSim/Ghost,Timewiz] nDifficulté à assurer la pertinence du modèle simulé nDifficulté à assurer la pertinence du comportement temporel simulé nSimulation par quanta de temps Limitations des simulateurs de systèmes complets [Rialto,TAPS,OSE Softkernel,VxSim,Carbonkernel,CMU Sew] nDifficulté à assurer la pertinence du modèle simulé nSattachent davantage aux problèmes de synchronisation quau comportement temporel nProblèmes defficacité

42 42/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Caractéristiques du simulateur proposé (4/7) Comportement du matériel et de lOS basique qGestion des interruptions nNotion de priorité nMasquage possible : Temporaire, local à la tâche Définitif, global au système simulé qPar défaut, le système dexploitation simulé & lordonnanceur sont totalement préemptibles

43 43/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Caractéristiques du simulateur proposé (3/5) Capacités de personnalisation 1 * RTOS Ordonnanceur Tâche Modèle de tâche Statut dexécution Contexte dexécution Temps simulé occupé Ressources utilisées Caractéristiques courantes : Loi dactivation de la tâche, paramètres temporels (WCET) Personnalisabl e Extensible

44 44/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Caractéristiques du simulateur proposé (4/5) Ordonnanceurs fournis par défaut q9 familles dordonnanceurs par défaut qOrdonnanceurs à priorité nGarantis hors-ligne : ordonnanceurs classiques du domaine nGarantis en-ligne : famille dordonnanceurs avec acceptation dynamique, ordonnanceurs par serveurs ou à réquisition de temps libre qAutres ordonnanceurs à garantie nAu dessus dune politique à partage de temps nAvec fonctionnement en mode dégradé qAutres ordonnanceurs sans garantie nOrdonnanceurs « au mieux » par prévision des caractéristiques temporelles (boucle de rétroaction)

45 45/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Famille dordonnanceurs dynamiques (3/4) qHypothèse forte : priorités conservatives nPriorités relatives indépendantes du temps nPriorités relatives indépendantes de linsertion et de la suppression de tâches qDéfinition dun algorithme de garantie paramétrable nFondé sur le calcul du temps processeur disponible pour chaque tâche : temps résiduel nParamétrable par une fonction de comparaison de priorité conservative Regroupe les affectations de priorités classiques (EDF, RM/DM, …) Priorités

46 46/35 Une infrastructure de simulation pour lévaluation de performances de systèmes temps-réel Prise en compte de la granularité dhorloge Règles de prise en compte définies Échéance relative D = 4 WCET C = 2.5 qExemple qDate déchéance pessimiste Date de début au plus tôt D = 4 qTemps résiduel pessimiste Date de fin pessimiste Date de début au plus tard C = 2.5 qRessources récupérées pessimistes Majorant du temps utilisé ceil(1.2) = 2 q Évaluation pessimiste du temps résiduel Minorant du temps utilisé à chaque instant q Objectif nConserver la sûreté des tests dacceptation Se placer dans les cas les plus pessimistes


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