PDF de programación - Administración de Interrupciones en Sistemas Operativos de Tiempo Real

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS

AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Departamento de Computación

Administración de

Interrupciones en Sistemas
Operativos de Tiempo Real

Tesis que presenta

Luis Eduardo Leyva del Foyo

Para obtener el Grado de

Doctor en Ciencias:

En la Especialidad de

Ingeniería Eléctrica

Codirectores de la Tesis:

Dr. Pedro Mejía Álvarez

Dr. Dionisio de Niz

México, D.F:

Febrero 2008

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Administración de Interrupciones en Sistemas Operativos de Tiempo Real

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DEDICATORIA

A mi hija Zoita,
para que siempre luche por sus sueños sin hacer concesión en sus valores.

A mi papá Luis,
que por sus valores, siempre será para mí el ejemplo a imitar.

A mi mamá María Antonia,
que me ha dado amor infinito.

A mi novia Liliana,
por esperarme.

A la memoria de mi abuela Aglae,
ejemplo de fuerza y valor.

Luis Eduardo Leyva del Foyo

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Administración de Interrupciones en Sistemas Operativos de Tiempo Real

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AGRADECIMIENTOS

A mis asesores, en especial al Dr. Pedro Mejía Álvarez por aceptarme como su
estudiante, por su invaluable apoyo y por su preocupación constante por dar
solución a todas las dificultades que enfrentamos para la consecución de estos
estudios de doctorado. Todo ello, a pesar de las innumerables dificultades que
derivaron de las restricciones que impuso a mi
las
reglamentaciones de mi Universidad y mi país. Sin eso, este trabajo hubiese sido
imposible. A él y al Dr. Dionisio de Niz por la confianza que siempre tuvieron en mi
trabajo, por
introducirme exitosamente en el camino de las publicaciones
científicas de alto nivel y por la paciencia, dedicación y maestría con que lo
hicieron. Sin ellos,
los resultados científicos que exhibimos hoy serían
impensables.

régimen de estudios,

La validación de las ideas presentadas en este trabajo, necesitó de un
extraordinario esfuerzo de programación en la realización de un micro-núcleo
experimental. En este empeño conté con la ayuda de varios de mis estudiantes
del Grupo Científico de Programación de Sistemas del Dpto. de Computación de la
Universidad de Oriente. En especial quiero agradecer al Lic. William Martínez por
las innumerables horas, días y meses que compartimos en la programación del
componente de administración de interrupciones y la depuración del núcleo en
general, al MSc. Alain Tamayo por la programación del Administrador de Memoria,
al Lic. Pablo Rafael López por la ayuda en la programación del componente de
comunicación y sincronización, al Lic. Antonio Díaz Tula, al Lic. Germán Mendoza,
al Lic. Luís Enrique Rodríguez y al Lic. Yunior Pupo por su ayuda en la
programación de otras partes del sistema.

Quiero dar un agradecimiento muy especial a mis padres, María Antonia y Luis
Leyva, aunque no son especialistas en computación, nos brindaron a mi y a mis
estudiantes un apoyo invaluable durante las largas horas de programación del
núcleo. Tarea que se llevó a cabo casi en su totalidad en mi casa y bajo su
atención. Sin su apoyo y atención este trabajo no hubiese sido posible. Les
agradezco a ellos la ayuda y el amor que siempre me han dado, la educación y los
valores que me han transmitido y sin los cuales el
logro actual hubiese sido
imposible.

Agradezco además a mi hija Zoe Leyva por la comprensión que ha tenido de la
necesidad de los muchos meses de separación cuando he estado en México y de
las horas de trabajo programando frente a una computadora mientras estoy en
Cuba.

Luis Eduardo Leyva del Foyo

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Agradezco a mi hermana Rosa María Leyva, por su apoyo a mi carrera y en
especial porque, a pesar de sus muchas responsabilidades profesionales y
familiares, se encuentre aquí para apoyarme durante la defensa de esta tesis y
representando a toda mi familia, a la que le es imposible estar. A mis primas Mapy
y Gaby, a mi tía Motin y mi familia en general .

A mi gran amigo el MsC. Rolando Menchaca Méndez, por hacer posible el
encuentro con mi asesor el Dr. Pedro Mejía Álvarez en primer lugar y por
ofrecerme, de forma desinteresada su casa durante mis estancias en México. Al
Dr. Felipe Rolando Menchaca García y su esposa Reina, por acogerme en su
familia. Su ayuda fue determinante para que mis estancias en México fuesen
posibles.

Al Dr. Bárbaro Ferro del Tecnológico de Monterrey por su invaluable amistad y su
apoyo durante todo el desarrollo de mis estudios y mi estancia en México en
general. Estas estancias no estuvieron ausentes de problemas de salud.
Agradezco a los Doctores Alejandro Benhumea (Odontólogo) y Mariano
Sotomayor (Urólogo) por su invaluable ayuda medica.

Al Dr. Carlos Coello Coello porque, a pesar de estar alejado de su área de
investigación y pese a sus múltiples ocupaciones científicas y administrativas,
siempre se dio el tiempo para seguir mi trabajo. Por la comprensión que mostró
ante las dificultades que enfrentamos y su apoyo para superarlas desde su
posición como Jefe del Dpto. de Computación del CINVESTAV.

Al Dr. Hugo Cesar Coyote del CIC-IPN, por permitirse el tiempo de revisar mí
trabajo y asistir al seminario de investigación de doctorado a pesar de sus
responsabilidades administrativas. Tanto a él como al Dr. Héctor Benítez del
IIMAS-UNAM y al Dr. Daniel Mosse de la Universidad de Pittsburg por aceptar ser
sinodales de este trabajo. A todos ellos y al Dr. José Guadalupe Rodríguez y el Dr.
Matías Alvarado por sus valiosos comentarios como sinodales.

A la Dra. Xiaoou Lee, al Dr. Jorge Buenabad, a la Dra. Ana María, al Dr. Adriano
de Luca, y al Dr. Sergio Chiapa por su apoyo durante mis estancias en el Dpto. de
Computación del CINVESTAV. Al Dr. Alberto Soria, del Dpto. de Control por su
apoyo académico y administrativo. Al CONACyT por su apoyo económico. Al
CINVESTAV como institución, y a todo su personal, en especial al Dr. Santiago
Domínguez por su apoyo como Administrador de la Red. Al Ing. Antonio López
Morales Jefe de Relaciones Publicas del CINVESTAV por su apoyo en la
tramitación de las visas. A la Secretaria Flor, por su apoyo diario, a ella y a Sofy
por su apoyo en los trámites administrativos. A mis compañeros de estudio del
Dpto. de computación del CINVESTAV.

A Hector Carmenaty, por su ejemplo de integridad y de amistad y por el valioso
apoyo para el
logro de estos estudios. A todos aquellos que en Cuba de una
forma u otra han ayudado a que pudiera lograr este Doctorado en un centro como
el CINVESTAV.

Administración de Interrupciones en Sistemas Operativos de Tiempo Real

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Agradezco además a la Universidad de Oriente y en general a todos los
profesores que han contribuido a mi educación en Cuba y en México.

Luis Eduardo Leyva del Foyo

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RESUMEN

Los requerimientos de diseño de las aplicaciones de tiempo real son
radicalmente diferentes de aquellos de las aplicaciones de propósito
general (cómputo científico y de escritorio en entornos de red). Esto
demanda de sistemas operativos de tiempo real con características y
mecanismos específicos para este segmento de la computación. En
particular, en un sistema operativo de tiempo real es necesario poder
predecir en todo momento qué actividad está ejecutando el procesador y
por cuanto tiempo lo hace. Con este propósito la comunidad de tiempo real
ha diseñado una arquitectura de software en donde las actividades a llevar
a cabo por las aplicaciones (tareas) se activan por tiempos determinados y
según esquemas de planificación predecibles. Sin embargo, en los
sistemas operativos de tiempo real actuales,
la comunicación entre los
dispositivos externos y el procesador no ha cambiado y se sigue dando a
través de señales emitidas por el hardware (denominadas interrupciones)
que interrumpen a las aplicaciones de forma impredecible para ejecutar
rutinas de servicio de interrupción (ISR -- “Interrupt Service Routine”). Este
mecanismo, diseñado décadas atrás para los sistemas operativos de
propósito general,
los
requerimientos de predecibilidad temporal y confiabilidad que demanda el
cómputo en tiempo real.

introduce grandes dificultades para satisfacer

En este trabajo se hace un análisis de las dificultades que presenta el
modelo de manejo de interrupciones actualmente en uso en los sistemas
operativos de tiempo real. Para dar solución a estas dificultades, se
propone un nuevo modelo consistente en una unificación total de todos los
tipos de actividades en el sistema (ISRs y Tareas) bajo un esquema común
de planificación y sincronización. El análisis de la factibilidad de este
modelo integrado pone de manifiesto bajo qué circunstancias es superior al
modelo tradicional. Adicionalmente se presenta el diseño de un subsistema
de administración de interrupciones de bajo nivel que soporta el modelo
integrado y que puede ser configurado para usar diferentes modos de
operación sobre las arquitecturas de hardware convencionales. El modelo
ha sido implementado dentro del núcleo de un sistema operativo
experimental desarrollado como parte de este trabajo y que ha permitido
mostrar la viabilidad de su realización; así como, la obtención de evidencias
experimentales de sus ventajas.

Luis Eduardo Leyva del Foyo

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ABSTACT

The design requirements of real-time applications are radically different from
those of general purpose systems. This difference in turn demands of real-
time operating systems characteristics and specific mechanisms for this
computing segment. Despite this, the mechanisms for handling interruptions
of actual real-time operating systems are not more than adjustments to the
mechanisms designed decades ago for general purpose operating systems.
As a result, real-time operating systems nowadays face great difficulties
to meet the requirements of temporal predictability and reliability of these
applications.

This thesis provides an analysis of
the challenges posed by the
interrupt management model currently used in actual real-time operating
systems. To provide a solution to these difficulties, we proposed a new
model which unifies all ty