Многозадачность

2002 v.0.4
8. Многозадачность, ядро RTOS

«Виртуальная

машина»:
Многозадачность
Надежная синхронизация

Задача_1

Задача_N

. . .

Приложение

API

Аппаратная платформа

«Объект»
(Внешняя среда)

Задача – работа, выполняемая машиной; задаче соответствует статическая программа, описывающая поведение машины
Приложение – совокупность задач, конкурирующих за ресурс (процессор, память, ввод/вывод)
API (Application Program Interface) – функции операционной системы, доступные из прикладной программы (сервисы операционной системы)

2002 v.0.4


Вызов сервиса
Создать_задачу(…)

Программа ‘Х’

Описание
действия,

выполняемых
задачей

Создание дескриптора

Приложение

«Виртуальная машина» (Операционная система)

адрес ‘X’

адрес стека

Дескриптор задачи (ТСВ)

Динамическое создание задачи

2002 v.0.4



return


x:
Системный стек
Процедура обработки прерывания
«Основная»

программа

Событие i

Восстановление контекста, возврат из прерывания

Контекст «основной программы»
в точке x

x

Адрес P

Обработка прерывания

Вектор прерывания i-го события

Запоминание контекста, передача управления по адресу Р

Регистр указателя стека (SP)

Р:

return - инструкция возврата из процедуры обработки прерывания, автоматически восстанавливает контекст

2002 v.0.4
Обработчик прерывания – при

каждом событии активизируется с адреса Р
Активизация задачи – должна производится с той точки, где она была приостановлена
Идея реализации переключения - по событию, требующему активизации новой задачи, обработчик прерывания:
обеспечивает запоминание контекста текущей задачи в ее стеке
из дескриптора новой задачи «достает» адрес стека
делает этот стек текущим
осуществляет возврат в соответствии с контекстом из нового стека

Переключение задач

2002 v.0.4


Задача А
Задача B
x1:

x0:
y0:

События
s2
SP
s1:
s2:
Стек A
Стек

B

Переключение задач, пример

y1:

адрес программы ‘А’

адрес стека s1

адрес программы ‘В’

адрес стека s2

ТСВ А

ТСВ В

адрес возврата x1

Контекст А
в точке x1

адрес возврата у0

Контекст В
в точке у0

*

**

(Обработчики прерываний на рисунке не показаны)

2002 v.0.4
Событие * :
Контекст задачи

(в том числе адрес возврата x1) помещается в «активный» стек A
Из ТСВ задачи В выбирается адрес стека s2 и помещается в регистр процессора SP – стек задачи В становится «активным»
Передача управления по адресу возврата из нового «активного» стека B - (y0)
Действия задачи B
Событие **:
Контекст задачи (в том числе адрес возврата y1) помещается в «активный» стек B
Из ТСВ задачи А выбирается адрес стека s1 и помещается в регистр процессора SP – «активным» становится стек задачи А
Передача управления по адресу (x1) из нового «активного» стека А с восстановлением контекста
Действия задачи А

Переключение задач, пример (2)

2002 v.0.4
Инициирование переключения
События вызывают прерывания
Аппаратные

(interrupt)
сигналы от аппаратуры – готовность АЦП, таймер, нажатие кнопки на функцианальной клавиатуре ...
программные (trap)
обращение к функциям, реализующим API (системные вызовы) – создание задачи, завершение задачи, приостановка задачи, вызов семафорной операции ....

Прерывания инициируют переключение задач

2002 v.0.4
Таймер
Обработчик прерывания

t
t

Дисциплины переключения (диспетчеризация

задач)

Time-slicing

Задача 1

t

Задача 2

t

Вытеснение (preempting)

Событие

Обработчик прерывания

t

t

Задача 1

t

Задача 2

t

При ограничениях жесткого реального времени не применяется !

2002 v.0.4


Диспетчеризация задач
Диспетчеризация -

выбор следующей выполняемой задачи из набора задач, готовых к выполнению
Критерий выбора – приоритет задачи
Приоритет задачи – целое число, характеризующее важность задачи на данный момент времени; устанавливается разработчиком системы на этапе проектирования, может изменяться системой в процессе работы в зависимости от текущих условий

адрес ‘X’

адрес стека

приоритет

Дескриптор задачи (TCB)

2002 v.0.4

create_task
suspend_task
create_timer
...
Управление задачами
Системные вызовы

(trap)

case of

Внешние прерывания

Прерывания от таймера

Возврат в задачу

Обработка
аппаратных
прерываний

Таймерные
сервисы

Ядро операционной системы

2002 v.0.4
Состояния задачи
Blocked
Ready
Running
создание задачи
активизация
вытеснение
ресурс занят
ресурс

освободился

адрес ‘X’

адрес стека

приоритет

состояние

TCB

2002 v.0.4
Управление задачами
ОЧЕРЕДЬ ГОТОВЫХ
(Ready tasks)





ПЛАНИРОВЩИК
(Scheduler)

ИСПОЛНЯЕМАЯ
ЗАДАЧА
(Running

task)

Q1

Q2

Qn

ОЧЕРЕДИ БЛОКИРОВАННЫХ
(Blocked tasks)

ДИСПЕТЧЕР
(Dispatcher)

RQ

2002 v.0.4
Планирование (scheduling) – определение

порядка выполнения задач в соответствии с заданным правилом (алгоритмом планирования)
Диспетчеризация (dispatching) – выбор следующей выполняемой задачи из набора задач, готовых к выполнению; активизация задач, готовых к выполнению в соответствии с их очередностью

Планирование и диспетчеризация задач