avaliação de desempenho de algoritmos de escalonamento de tempo real para o ambiente do

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA
COMPUTAÇÃO
Rafael Luiz Cancian
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE ALGORITMOS DE
ESCALONAMENTO DE TEMPO REAL PARA O
AMBIENTE DO MULTICOMPUTADOR CRUX.
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação - Universidade
Federa] de Santa Catarina, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciência
da Computação.
Professor Orientador: Luis Fernando Friedrich, Dr
Florianópolis, agosto de 2001.
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE ALGORITMOS DE
ESCALONAMENTO DE TEMPO REAL PARA O AMBIENTE
DO MULTICOMPUTADOR CRUX.
Rafael Luiz Cancian
Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de Mestre em Ciência da
Computação Área de Concentração Computação Paralela e aprovada em sua forma final pelo
Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação
, Lj/is Fernando Friedrich, Dr
)rientador, INE - UFSC
11er, Dr
'Coordenador do Curso PGCC
Banca Examinadora
Prof. Paup José de Freitas Filho, Dr,
INE - UFSC
rof. Rômulo Silva de Oliveira, Dr
DAS - UFSC
Prof. Thadeu Botteri Corso. Dr
INE - UFSC
"Não acredite em qualquer coisa simplesmente porque você escutou.
Não acredite em qualquer coisa simplesmente porque foi dito e
fofocado por muitos. Não acredite em qualquer coisa simplesmente
porque foi encontrado escrito em seus livros religiosos. Não acredite
em qualquer coisa meramente na autoridade de seus professores e
anciãos. Não acredite em tradições porque elas foram passadas abaixo
por gerações. Mas após observação e análise, quando você descobre
que qualquer coisa concorda com a razão e é condutivo ao bem e
benefício de um e todos, então aceite e viva para isso."
Siddartha Gautama (o Buda)
Dedicatória
Aos meus pais Sérgio Gabriel e Kacilda Yara e ao meu irmão Felipe Augusto.
Agradecimentos
À Universidade Federal de Santa Catarina.
Aos professores e funcionários do Curso de Pós-Graduação em Ciência da Computação.
Ao meu orientador, L. F. Friedrich, e demais membros da banca pela ajuda fornecida.
Aos meus sempre amigos Humberto A. Carvalho, Jorge A. Cruz e Patrícia M. Siqueira.
i
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................vi
LISTA DE TABELAS..........................................................................................................ix
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS........................................................................xii
RESUMO...............................................................................................................................xiv
ABSTRACT............................................................................................................................xv
1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA...........................................................................01
2. SISTEMAS DISTRIBUÍDOS.........................................................................................05
2.1. Introdução....................................................................................................................05
2.2. Características................................................................................................................06
2.3. Classificação...................................................................................................................07
2.3.1. Quanto ao Modo de Interação.....................................................................................07
2.3.2. Quanto ao Modo de Processamento............................................................................09
2.4. Redes de Interconexão...............................................................................................10
2.4.1. Topologias Estáticas....................................................................................................12
2.4.2. Topologias Dinâmicas..................................................................................................13
2.5. Resumo.............................................................................................................................14
3. SISTEMAS DE TEMPO REAL.....................................................................................16
3.1. Introdução...................................................................................................................16
3.2. Características.............................................................................................................17
3.3. Classificação..................................................................................................................19
3.4. Sistema Operacional de Tempo Real......................................................................19
3.4.1. Introdução......................................................................................................................19
3.4.2. Processos........................................................................................................................21
3.4.3. Comunicação.................................................................................................................21
3.4.4. Sincronização.................................................................................................................22
3.5. Resumo..............................................................................................................................23
4. ESCALONAMENTO DE TEMPO REAL..................................................................25
4.1. Introdução.......................................................................................................................25
4.2. Classificação dos Algoritmos de Escalonamento.....................................................26
4.3. Caracterização das Tarefas de Tempo Real.............................................................26
4.4. Precedência de Tarefas e Alocação de Recursos....................................................28
4.5. Algoritmos de Escalonamento de Tempo Real........................................................30
4.5.1. Taxa Monotônica (RM - Rate Monotonic)................................................................30
4.5.2. Menor Deadline Primeiro (EDF - Earliest Deadline First)....................................33
4.5.3. Deadline Monotônica (MD - Monotonic Deadline).................................................35
4.5.4. Escalonamento em Background (BS - Background Scheduling)............................36
4.5.5. Servidor Pooling (PS - Pooling Server)....................................................................37
4.5.6. Servidor Deferrable (DS - Deferrable Server).........................................................39
4.5.7. Servidor Esporádico (SS - Sporadic Server).............................................................40
4.5.8. Menor Deadline Primeiro Robusto (RED - Robust Earliest Deadline First).......43
4.5.9. Servidor Esporádico Dinâmico (DSS - Dinamic Sporadic Server) ........................47
4.5.10. Servidor de Largura de Banda Constante (CBS - Constant Bandwidth Server) ..49
4.5.11. Reserva de Banda Adaptativa (ABR - Adaptative Bandwidth Reservation)........52
5. SIMULAÇÃO DIGITAL.................................................................................................54
5.1. Introdução.....................................................................................................................54
5.2. Vantagens e Desvantagens.........................................................................................54
5.3. Classificação.................................................................................................................56
5.4. Análise Estatística.......................................................................................................57
5.5. Ferramentas de Simulação...........................................................................................62
5.5.1. GHOST.........................................................................................................................62
5.5.2. Arena..............................................................................................................................64
6. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO...............................................................................67
6.1. Introdução.....................................................................................................................67
6.2. Métricas de Desempenho..............................................................................................70
6.3. Carga de Trabalho......................................................................................................74
6.3.1. Benchmarks....................................................................................................................76
6.4. Projeto Experimental................................................................................................78
6.4.1. Projeto Fatorial 2k.........................................................................................................82
6.4.2. Projeto Fatorial 2kr........................................................................................................83
7. O AMBIENTE MULTICOMPUTADOR CRUX ......................................................85
iv
7.1. Arquitetura CRUX........................................................................................................85
7.2. O sistema operacional a-CRUX...................................................................................87
8. METODOLOGIA DE PESQUISA...............................................................................89
8.1. Introdução.......................................................................................................................89
8.2. Projeto de Avaliação de Desempenho........................................................................89
8.2.1. Definição dos Objetivos do Sistema...........................................................................89
8.2.2. Relação dos Serviços e Saídas.....................................................................................90
8.2.3. Seleção das Métricas.....................................................................................................91
8.2.4. Relação dos Parâmetros................................................................................................91
8.2.5. Seleção dos Fatores.......................................................................................................92
8.2.6. Técnica de Avaliação...................................................................................................92
8.2.7. Seleção da Carga de Trabalho.....................................................................................93
8.2.8. Projeto de Experimentos..............................................................................................94
8.2.9. Análise e Interpretação dos Resultados......................................................................95
8.2.10. Apresentação dos Resultados....................................................................................96
9. DESENVOLVIMENTO DO MODELO DE SIMULAÇÃO...................................97
9.1. Introdução.......................................................................................................................97
9.2. Descrição do Comportamento do Modelo................................................................99
9.2.1. Comportamento Geral...................................................................................................99
9.2.2. Comportamento de Atividades Hard Real-Time.....................................................102
9.2.3. Comportamento de Atividades Soft Real-Time VBR................................................105
V
9.2.4. Comportamento de Atividades Soft Real-Time CBR................................................112
9.2.5. Comportamento dos Elementos do Sistema................................................................117
9.3. Parâmetros do Modelo.................................................................................................119
9.4. Descrição da Interface VBA.........................................................................................120
9.5. Verificação e Validação do Modelo............................................................................122
10. ANÁLISE DOS RESULTADOS.................................................................................125
10.1. Introdução.....................................................................................................................125
10.1. Primeiro Conjunto de Experimentos.......................................................................125
10.1.1. Análise do Tempo de Resposta soft VBR..................................................................127
10.1.2. Análise da Variação de Execução soft CBR.............................................................128
10.1.3. Análise do Tempo de Conexão.................................................................................129
9.1. Segundo Conjunto de Experimentos..........................................................................131
10.2.1. Análise do Tempo de Resposta soft VBR.................................................................133
10.2.2. Análise da Variação de Execução soft CBR.............................................................141
10.2.3. Análise do Tempo de Conexão.................................................................................149
11. CONCLUSÕES...............................................................................................................156
12. CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................................................159
13. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA............................................................................161