Системы круиз-контроля и мониторинга

Размещено на http://allbest.ru

1. Анализ последовательности событий системы круиз-контроля

В качестве примера рассмотрим подсистему Круиз-Контроль из системы круиз-контроля и мониторинга. Для анализа будем использовать изображенную на рис.1 диаграмму последовательности событий, которая основана на диаграмме архитектуры задач. Предположим, что все задачи из подсистемы Мониторинг, а также задача Калибровка из подсистемы Круиз-Контроль имеют низкие приоритеты, так что на первом этапе их можно не принимать в расчет.

Вначале проанализируем случай, когда водитель переводит ручку круиз-контроля в положение «Разгон», инициируя тем самым автоматическое ускорение машины. В требованиях к системе записано, что система должна отреагировать на это действие в течение 250 мс. Последовательность внутренних событий, вызванных действием водителя, показана на диаграмме параллельной кооперации (рис.1).

Предположим, что подсистема Круиз-Контроль находится в состоянии Начальное. Ниже приведена цепочка событий, следующих за переводом ручки в положение «Разгон». С. обозначает время, необходимое для обработки i-ого события.

С1: От внешнего устройства Ручка Круиз-Контроля поступает прерывание Круиз-Контроля.

С2: Интерфейс Ручки Круиз-Контроля получает входную информацию «Разгон» от Ручки Круиз-Контроля.

С3: Интерфейс Ручки Круиз-Контроля отправляет сообщение, содержащее запрос объекту Круиз-Контроль.

С4: Объект Круиз-Контроль принимает сообщение, исполняет свою диаграмму состояний и изменяет состояние с Начальное на Разгон.

Рис.1. Последовательность событий в системе круиз-контроля после действия водителя

Предположим, что затраты на межзадачные коммуникации С_m постоянны. Тогда С₃, С₅ и С₇ равны С_m, так что полное время выполнения составит

С_e = С1 + C2 + С4 + С6 + С8 + 3С_m + 4С_x . (уравнение 1)

Чтобы определить время реакции системы, необходимо также принять во внимание другие задачи, которые способны выполняться, пока система обрабатывает внешнее событие. Посмотрим, какие еще задачи представлены на рис.1. Предположим, что задача Автодатчики (С₁₀) активизируется каждые 100 мс, поэтому в течение 250 мс она может отработать три раза. Задача Интерфейс Вала (С₁₁) выполняется при каждом обороте вала и потому в течение того же временного промежутка может быть активизирована до 25 раз (то есть каждые 10 мс) в предположении, что максимальная скорость вращения вала составляет 6000 об/мин.

Наконец, задача Путь и Скорость (С₁₂) активизируется четыре раза в секунду и, следовательно, будет запущена только единожды. Каждый раз, как управление получает новая задача, происходит два контекстных переключения, если предположить, что текущая задача вытесняется и продолжает работу после завершения прервавшей ее задачи. Таким образом, эти три задачи могут привести к 58 дополнительным переключениям.

Итак, общее время С_a, затраченное системой на три дополнительные задачи, с учетом накладных расходов составит

С_a = 3(С10 + 2С_x) + 25(С11 + 2С_x) + (С12 + 4С_x) (уравнение 2)

Полное время ЦП не должно превышать предельное время реакции, указанное в требованиях к системе. Это полное время равно

С_t = С_e + С_a (уравнение 3)

Прежде чем решать приведенные уравнения, нужно оценить каждый из временных параметров (табл.11.2). Так как ЦП рассчитан на работу в реальном времени, допустимо предположить, что время контекстного переключения составляет 0,5 мс.

Таблица 11.2.

Затраты процессорного времени в подсистеме Круиз-Контроль

Подстановка данных из табл.11.2 в уравнение 1 дает оценку С_e = 35 мс. Подстановка в уравнение 2 дает С_a = 79 мс. Следовательно, из уравнения 3 получаем оценку полного времени ЦП: С_t == 114 мс. Это намного меньше, чем 250 мс.

Можно поэкспериментировать с другими значениями параметров, чтобы проверить, насколько оценка времени реакции чувствительна к ошибкам.

Например, если окажется, что на контекстное переключение уходит 1 мс, а не 0,5 мс, то С_e возрастет до 37 мс, а С_a - до 108 мс. В результате полное время ЦП составит 145 мс, что на 31 мс больше первоначальной оценки, но все же далеко до предельных 250 мс.

2. Пример анализа производительности с применением теории планирования в реальном времени

В этом разделе мы опишем теорию планирования в реальном времени применительно к системе круиз-контроля и мониторинга. Сначала речь пойдет только о периодических задачах. А затем в полученные данные будут внесены поправки с учетом апериодических задач, активизируемых действиями водителя.

Проанализируем худший случай, когда от ЦП требуется больше всего времени: машина движется в режиме автоматического управления с максимальной скоростью вращения вала.

Пусть период j-ой периодической задачи равен Т_j, время ее выполнения С_j, а коэффициент использования ЦП U_j = С_j / Т_j. Во время, потребляемое каждой периодической задачей, включены затраты на два контекстных переключения. В табл.11.3 приведены характеристики всех периодических задач.

Таблица 11.3

Планирование в реальном времени для системы круиз-контроля и мониторинга: параметры периодических задач

Рассмотрим названные периодические задачи:

- Интерфейс Вала. Предполагается, что эта задача периодическая. На самом деле она апериодическая, так как активизируется прерыванием от вала. Однако прерывания поступают регулярно, при каждом обороте вала, так что задача ведет себя как периодическая.

Планируется худший случай, когда вал вращается со скоростью 6000 об/мин, то есть прерывания возникают каждые 10 мс, что составляет минимальный период эквивалентной периодической задачи. Поскольку период данной задачи самый короткий, то ей назначен наивысший приоритет.

Время выполнения составляет 2 мс с учетом затрат на два контекстных переключения по 0,5 мс каждое;

- Автодатчики. Период данной задачи равен 100 мс, а время выполнения с учетом контекстных переключений составляет 6 мс;

- Путь и Скорость. Период этой задачи 250 мс, а время выполнения - 11 мс;

- Калибровка. Период равен 500 мс, время выполнения - 5 мс;

- Корректировка Скорости. При активизации в режиме автоматического управления задача выполняется каждые 250 мс и вычисляет значение дросселя, на что уходит 15 мс;

- Интерфейс Дросселя. При активизации в режиме автоматического управления задача выполняется каждые 1000 мс и выводит новое положение дроссельной заслонки, на что уходит 6 мс;

- Интерфейс Кнопок Сброса Средних Показателей. Период равен 500 мс, время выполнения - 4 мс;

- Таймер Средних Показателей. Эта задача выполняется сравнительно редко, ее период составляет 1 с, а время ЦП - 20 мс. Она некритична по времени;

- Интерфейс Кнопки Сброса Обслуживания. Период равен 1с, время выполнения - 6 мс;

- Таймер Обслуживания. Эта задача выполняется еще реже, период равен 2 с, а время выполнения - 15 мс. Она также некритична по времени.

Частотно-монотонные приоритеты присваиваются задачам так, что более приоритетными оказываются задачи с меньшим периодом. Значит, самый высокий приоритет будет иметь задача Интерфейс Вала с периодом 10 мс. У двух задач - Интерфейс Дросселя и Автодатчики - период равен 100 мс.

Задача Автодатчики активна всегда, а задача Интерфейс Дросселя - только в режиме автоматического управления. Задаче Автодатчики назначен более высокий приоритет, поскольку от полученной ею входной информации (например, о нажатии тормоза) может зависеть воздействие на дроссель.

Две задачи имеют период 250 мс, больший приоритет назначен задаче Путь и Скорость, поскольку она вычисляет значение текущей скорости, используемой задачей Корректировка Скорости, если последняя активна. Самый низкий приоритет у задачи Таймер Обслуживания, которая имеет максимальный период.

Полный коэффициент использования ЦП, рассчитанный для 10 задач, равен 0,48, что намного ниже теоретически предельного значения 0,69, которое дает теорема о верхней границе коэффициента использования. Следовательно, если приоритеты назначать согласно алгоритму монотонных частот, то все задачи успеют завершиться в срок.

Отметим, что доступ к разделяемым хранилищам данных включает одну команду чтения или одну команду записи. Это настолько мало, что временем задержки из-за блокировки одной задачи другой допустимо пренебречь.

3. Анализ производительности по теории планирования в реальном времени и анализа последовательности событий

Рассмотрим случай, когда водитель инициирует внешнее событие, изменив положение ручки круиз-контроля или нажав на тормоз. Для этого придется проанализировать задачи, участвующие в обработке последовательности событий, а также периодические задачи. В первом решении мы заменим четыре задачи из последовательности событий на эквивалентную апериодическую задачу.

Эквивалентная апериодическая задача. Необходимо учесть влияние, которое оказывает дополнительная нагрузка, вызванная действиями водителя, на стационарную нагрузку, обусловленную периодическими задачами.

Рассмотрим, что происходит, когда водитель переводит ручку круиз-контроля в новое положение. При анализе последовательности событий и на соответствующей диаграмме показано, что в обработке события участвуют задачи Интерфейс Ручки Круиз-Контроля, Круиз-Контроль, Корректировка Скорости и Интерфейс Дросселя. Время ЦП, необходимое для обработки, задано уравнением 1. Хотя в цепочку событий вовлечены четыре задачи, они должны выполняться в строго определенной последовательности, так как каждая следующая активизируется сообщением от предыдущей.

Поэтому в первом приближении можно считать, что перечисленные задачи эквивалентны одной апериодической задаче, на выполнение которой уходит время C_e. C_e - это сумма времен выполнения четырех отдельных задач плюс затраты на межзадачные коммуникации и контекстное переключение. Эквивалентная апериодическая задача называется задачей последовательности событий.

Из теории планирования в реальном времени следует, что апериодическую задачу можно рассматривать как периодическую с периодом, равным минимальному интервалу между событиями.

Пусть период эквивалентной апериодической задачи равен Т_e. Предположим, что Т_e - это еще и максимальное время реакции на действия водителя. производительность водитель планирование апериодический

Например, если Т_e составляет 250 мс, то система должна отреагировать на нажатие тормоза или отключение круиз-контроля в течение 250 мс. Для эквивалентной периодической задачи последовательности событий будем считать, что водитель способен инициировать не более четырех внешних событий в секунду, это худший и крайне маловероятный случай. Тем не менее, если удастся доказать, что система может справиться и с такой ситуацией, уверенность в ее работоспособности многократно возрастет.

Первоначально задаче последовательности событий назначается естественный частотно-монотонный приоритет.

Поскольку у апериодичной задачи последовательности событий такой же период, что и у двух других периодических задач - Корректировка Скорости и Путь и Скорость, - то ей присваивается наивысший приоритет. Но у задач Интерфейс Вала, Интерфейс Дросселя и Автодатчики более короткие периоды, поэтому их частотно-монотонные приоритеты будут выше, чем у задачи последовательности событий. Параметры алгоритма планирования для данного случая, а также назначенные задачам приоритеты показаны в табл.11. 4 (случай 1).

После подстановки оценок времени ЦП из табл.11.2 в уравнение 1 (см. раздел 11.5) получаем, что время C_e выполнения эквивалентной задачи последовательности событий равно 35 мс.

Учитывая, что ее период T_e составляет 250 мс, коэффициент использования ЦП оказывается равным 0,14. Так как полный коэффициент использования ЦП периодическими задачами равен 0,48, то в сумме получаем коэффициент 0,62, что меньше предельного значения 0,69. Следовательно, задача последовательности событий удовлетворяет временным ограничениям; то же можно сказать обо всех периодических задачах.

Таблица 11.4

Планирование в реальном времени для системы круиз-контроля и мониторинга: параметры периодических задач и задачи последовательности событий

Отметим, что нажатие тормоза допустимо проанализировать так же, как и изменение положения ручки круиз-контроля. В обработке события от педали тормоза участвуют задачи Автодатчики, Круиз-Контроль, Корректировка Скорости и Интерфейс Дросселя, причем последние три задействованы и в обработке события от ручки круиз-контроля.

Из табл.11.2 видно, что оценка времени выполнения задачи Автодатчики (5 мс) такая же, как для задачи Интерфейс Ручки Круиз-Контроля.

Поэтому на обработку нажатия тормоза ЦП тратит столько же времени, сколько на обработку события от ручки круиз-контроля.

Хотя период задачи Автодатчики равен 100 мс, мы предполагаем, что водитель не в состоянии генерировать события с частотой больше чем четыре раза в секунду, будь то нажатия на педаль тормоза или манипулирование ручкой круиз-контроля. Значит, частота запуска задачи Автодатчики вполне достаточна для того, чтобы не пропустить ни одного события.

Итак, можно считать, что случай нажатия педали тормоза аналогичен изменению положения ручки круиз-контроля и их допустимо рассматривать одинаково. Стало быть, и результаты анализа последовательности событий будут идентичными.

Назначение других приоритетов. В первом решении было сделано одно допущение и одно приближение. Сначала рассмотрим допущение о том, что всем задачам можно назначить частотно-монотонные приоритеты. В таком случае имеется вероятность, что задача последовательности событий пропустит прерывание от ручки круиз-контроля, если будет дожидаться завершения задач Интерфейс Вала, Интерфейс Дросселя и Автодатчики.

Чтобы избежать этого, мы присвоим задаче последовательности событий приоритет ниже, чем задаче Интерфейс Вала, но выше, чем у задач Интерфейс Дросселя и Автодатчики.

Таким образом, приоритет задачи последовательности событий будет отличаться от частотно-монотонного; это показано в табл.11.4 (случай 2). Следовательно, нужно явно проверить, что каждая задача удовлетворяет своим временным ограничениям.

У двух задач с наивысшими приоритетами - Интерфейс Вала и задача последовательности событий - суммарный коэффициент использования ЦП равен 0,34, так что они без труда укладываются в срок.

Но уже две следующие задачи - Интерфейс Дросселя и Автодатчики - могут быть задержаны задачей последовательности событий. Необходимо провести анализ худшего случая с целью убедиться, что они успеют завершиться вовремя, учитывая при этом, что период каждой равен 100 мс.

Рассмотрим самую большую нагрузку на процессор в течение интервала длиной 100 мс: десять раз активизируется задача Интерфейс Вала, по одному разу - четыре задачи, участвующие в обработке последовательности событий, и по одному разу - задачи Интерфейс Дросселя и Автодатчики.

Задача Интерфейс Вала потребляет 10 Ч 2 = 20 мс. Четыре задачи, задействованные в обработке последовательности событий, требуют 35 мс. Для каждой из задач Интерфейс Дросселя и Автодатчики нужно еще по 6 мс. Всего ЦП затрачивает 67 мс, то есть меньше, чем период задач Интерфейс Дросселя и Автодатчики (100 мс). Таким образом, все задачи успевают завершиться в срок.

Отметим, что, хотя полный коэффициент использования ЦП составляет 62%, во время всплесков активности кратковременная нагрузка может быть гораздо больше.

Так, на рассмотренном выше интервале протяженностью 100 мс полный коэффициент использования тремя стационарными задачами и одной задачей последовательности событий равен 0,67, а значит, при этом все еще будут выполняться низкоприоритетные задачи.

Если в течение данного интервала активизируется еще и задача Путь и Скорость, то коэффициент использования поднимется до 0,78.

Но алгоритм планирования в реальном времени гарантирует, что все задачи будут удовлетворять временным ограничениям при любых кратковременных всплесках активности.

Детальный анализ апериодических задач. Для более полного анализа задачи круиз-контроля нужно по отдельности рассмотреть все задачи, участвующие в обработке последовательности событий.

Таблица 11.5

Планирование в реальном времени для системы круиз-контроля и мониторинга: параметры периодических и апериодических задач

Кроме того, время ЦП для задачи Интерфейс Ручки Круиз-Контроля равно С₁ + С₂. Все задачи, принимающие участие в обработке события, считаются периодическими с периодом, равным минимальному времени между событиями (250 мс). Единственное исключение - задача Интерфейс Дросселя, которая, кроме того, еще и выполняется каждые 100 мс.

Чтобы гарантировать своевременную реакцию на событие, задачам, которые участвуют в его обработке, следует по возможности назначить максимальный приоритет.

В частности, для обеспечения быстрой обработки внешнего прерывания первая задача в цепочке - Интерфейс Ручки Круиз-Контроля - получает приоритет, выше которого стоит лишь задача Интерфейс Вала. Поскольку этот приоритет выше, чему двух задач с более коротким периодом (Интерфейс Дросселя и Автодатчики), монотонность частот нарушена. Впрочем, остальным трем задачам в цепочке назначаются обычные частотно-монотонные приоритеты. Задача Интерфейс Дросселя, имеющая период 100 мс, получает четвертый по величине приоритет, а за ней оказывается задача Автодатчики с таким же периодом. Двум другим задачам - Круиз-Контроль и Корректировка Скорости - с одинаковым периодом по 250 мс назначаются следующие два приоритета.

Чтобы завершить анализ, необходимо применить обобщенную теорию планирования в реальном времени, которая требует явно проверить, что ни одна задача не выходит за свою верхнюю границу. Результаты показаны на рис.11.3.

Наивысший приоритет у задачи Интерфейс Вала с периодом 10 мс. Когда наступает время выполнения, она вытесняет все остальные задачи и работает в течение 2 мс, так что для нее временные ограничения заведомо удовлетворены. Задача Интерфейс Ручки Круиз-Контроля описывается вместе с остальными задачами в последовательности обработки события, поскольку важно, чтобы все четыре задачи успели завершиться за 250 мс.

Рассмотрим функционирование четырех задач на временном интервале Т_e протяженностью 250 мс. Как и прежде, наша цель - удостовериться, что они закончат выполнение до истечения 250 мс. Применим обобщенную теорему о верхней границе коэффициента использования ЦП, принимая во внимание следующие четыре фактора:

- время выполнения задач, участвующих в обработке события. Полное время выполнения всех четырех задач С_e = 35 мс, а Т_t = 250 мс. Коэффициент использования ЦП равен 0,14;

- время вытеснения более приоритетными задачами с периодами, меньшими 250 мс. Таких задач три. Задача Интерфейс Вала с периодом 10 мс может вытеснить любую задачу не более 25 раз и потребит 25 Ч 2 = 50 мс. Задачи Интерфейс Дросселя и Автодатчики с периодом 100 мс в состоянии вытеснить любую из остальных низкоприоритетных задач до трех раз и будут исполняться не дольше 3 (6 + 6) = 36 мс;

общее время вытеснения составляет 50 + 36 == 86;

суммарный коэффициент использования за счет вытеснения равен 0,2 + 0,06+0,06=0,32;

- вытеснение более приоритетными задачами с большими периодами. Таких задач нет;

- время блокировки задачами с более низким приоритетом. Таких задач нет.

Теперь мы можем определить общее затраченное время и полный коэффициент использования ЦП:

Общее затраченное время = общее время вытеснения + общее время выполнения = 86 + 35 - 121 <250.

Рис. 11.3. Система круиз-контроля и мониторинга

Полный коэффициент использования = коэффициент использования за счет вытеснения + коэффициент использования за счет выполнения = 0,32 + 0,14 = 0,46 < 0,69.

Полный коэффициент использования 0,46 меньше предельного значения 0,69, которое дает теорема о верхней границе коэффициента использования, поэтому все четыре задачи удовлетворяют временным ограничениям.

Чтобы выяснить, верно ли сказанное в отношении двух задач с периодом 100 мс, необходимо рассмотреть вытеснение и время выполнения на интервале протяженностью 100 мс:

- время выполнения обеих задач. Они рассматриваются вместе, так как имеют одинаковый период. Полное время выполнения составляет 6 + 6 = 12 мс. Коэффициент использования ЦП равен 0,06 + 0,06 =0,12;

- время вытеснения более приоритетными задачами с периодами, меньшими 100 мс. Есть только одна такая задача - Интерфейс Вала, которая может вытеснить остальные задачи не более 10 раз на 100-миллисекундном интервале и потребит при этом 10 Ч 2 = 20 мс? Коэффициент использования за счет вытеснения равен 0,06;

- вытеснение более приоритетными задачами с большими периодами. Единственная такая задача Интерфейс Ручки Круиз-Контроля способна вытеснить любую из двух задач только один раз и занять 6 мс. Коэффициент использования равен 0,06;

- время блокировки задачами с более низким приоритетом. Таких задач нет.

Сделаем вывод.

Суммарный коэффициент использования за счет вытеснения равен 0,2 + 0,06 = 0,26.

Полный коэффициент использования = коэффициент использования за счет вытеснения + коэффициент использования за счет выполнения = 0,26 + 0.12 = 0,38 < 0,69.

Следовательно, по теореме о верхней границе обе периодические задачи удовлетворяют временным ограничениям. Точно так же можно показать, что это справедливо и для низкоприоритетных задач. На временной диаграмме изображены две из них: Путь и Скорость и Калибровка.

4. Пересмотр проекта

Если первоначальный проект не отвечает требованиям, предъявляемым к эффективности, то его необходимо пересмотреть.

Для этого применяются критерии разбиения на задачи и критерии инверсии задач, в частности более слабые формы группировки задач (темпоральная инверсия) и другие виды инверсии: инверсия нескольких экземпляров задачи и инверсия последовательных задач.

Если бы в примере системы круиз-контроля были проблемы с производительностью, то прежде всего стоило бы подумать об инверсии последовательных задач.

Рассмотрим ситуацию, когда задача Круиз-Контроль посылает команду задаче Корректировка Скорости, которая, в свою очередь, отправляет сообщения задаче Интерфейс Дросселя.

Эти три задачи можно объединить, применив инверсию последовательных задач, то есть заменив их одной задачей Круиз-Контроль с пассивными объектами Корректировка Скорости и Интерфейс Дросселя. Таким образом были бы устранены накладные расходы на межзадачные коммуникации и контекстное переключение. Пусть время ЦП, потребляемое инвертированной задачей, равно С_v . получаем:

С_v = С₄ + C₆ + C₈ (уравнение 4)

Время, необходимое для выполнения двух задач в новой последовательности обработки события С_ee равно

C_ee = C₁ + C₂ + C_v + C_m + 2С_x (уравнение 5)

Интересно сравнить уравнение 5 (в последовательности только две задачи) с уравнением 1 (в последовательности четыре задачи); накладные расходы на обмен сообщениями уменьшились с 3С_m до С_m , а на контекстное переключение - с 4С_x до 2С_x . Воспользовавшись оценками времени, увидим, что полное время выполнения сократилось с 35 до 32 мс. Если бы накладные расходы были выше, экономия оказалась бы более существенной. Например, при С_m = 3 мс и С_x = 2 мс общее время выполнения апериодических задач уменьшится с 47 до 37 мс.

5. Оценка и измерение параметров производительности

Прежде чем приступать к анализу производительности, необходимо оценить или измерить различные временные параметры. Это независимые переменные. Оценки для зависимых переменных дает теория планирования в реальном времени.

Основное предположение, на котором базируется теория планирования в реальном времени, состоит в том, что все задачи находятся в оперативной памяти, поэтому время на подкачку страниц не тратится. Такого рода накладные расходы могли бы внести дополнительную неопределенность и задержки, нетерпимые в системах с жесткими временными ограничениями.

Ниже приведены параметры, которые нужно оценить для каждой задачи:

- период задачи Т_i, то есть частота ее выполнения. Для периодических задач период фиксирован. Для апериодических задач берется худший случай: минимальное время между последовательными внешними событиями, которые ее активизируют. Затем полученная величина экстраполируется на внутренние задачи, которые принимают участие в обработке данного события;

- время выполнения С_i, то есть потребляемое задачей время процессора. На этапе проектирования можно лишь приблизительно охарактеризовать эту величину. Оцените число строк исходного текста задачи и число команд в откомпилированном коде. Воспользуйтесь контрольными примерами, написанными на выбранном языке для работы на выбранном оборудовании под управлением выбранной операционной системы. Сравните результаты контрольного примера с его размером, чтобы получить оценку времени выполнения откомпилированного кода.

Следующие три показателя необходимо определить, выполняя измерения для контрольного примера, работающего в тех же условиях:

- затраты на контекстное переключение. Время, которое операционная система расходует на передачу ЦП от одной задачи к другой (см. главу 4);

- затраты на обработку прерываний. Время, предназначенное для обработки прерываний;

- затраты на межзадачные коммуникации и синхронизацию. Время, израсходованное на посылку сообщения или сигнализацию событию. Зависит от тех примитивов, которые применяет задача.

Эти параметры включаются в расчет времени ЦП, потребляемого задачей, как было показано в примерах выше.

Размещено на Allbest.ru