CONCURRENCIA' PLANIFICACIN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO REAL

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CONCURRENCIA. PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN
SISTEMAS EN TIEMPO REAL

• Juan Antonio Fernández Madrigal, 2004
• Departamento de Ingeniería de Sistemas y
  Automática
• Universidad de Málaga

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Planificación de Procesos en Sistemas en Tiempo
Real
Introducción
Hardware para Sistemas en T.R.
Tema II. Microprocesadores
Tema III. Interfaces
Tema IV. Interrupciones
Tema V. Redes
Software para Sistemas en T.R.
Tema VI. Planificación
Tema VII. Sistemas Operativos
Tema VIII. Programación
Juan Antonio Fernández Madrigal,
2003 Departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática Universidad de Málaga
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Planificación de Procesos en Sistemas en Tiempo
Real

• Teoría de la Planificación de Procesos de Tiempo
  Real
• Modelado de Procesos y Conceptos Generales
• Taxonomía de los Algoritmos de Planificación
• Planificadores por Prioridades
• Planificación con Prioridades Estáticas (RMS)
• Planificación con Prioridades Dinámicas (EDF)
• Conclusiones
• Bibliografía Básica y Bibliografía Original

Juan Antonio Fernández Madrigal,
2003 Departamento de Ingeniería de Sistemas y
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Teoría de la Planificación de Procesos de Tiempo
Real(Real-Time Scheduling Theory)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Propósito Satisfacer las restricciones
temporales de los procesos concurrentes de un
sistema informático en tiempo real.
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Periódicos o Síncronos
Esporádicos o Asíncronos
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
procesos periódicos
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
procesos esporádicos
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
reducción de esporádicos a periódicos
pa
ra0
ca
da
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
sincronización entre procesos
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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
conceptos generales

• Planificación asignación de tiempo de procesador
  a los procesos
• Factor de Uso del Procesador (U) tiempo durante
  el que el procesador está asignado a algún
  proceso, si se aplica cierta planificación
• Planificador algoritmo que genera una
  planificación
• Planificación Admisible planificación que
  respeta las restricciones temporales de los
  procesos
• Planificación Estable planificación admisible
  que respeta las restricciones temporales de los
  procesos más importantes (críticos) bajo
  sobrecarga transitoria
• Optimalidad de Planificadores un planificador es
  óptimo si, existiendo una planificación
  admisible, encuentra una planificación admisible
• Test de Planificabilidad algoritmo que permite
  saber si existe una planificación admisible para
  un conjunto de procesos

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Modelado de Procesos y Conceptos Generales
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
conceptos relativos a procesos concurrentes

• Hiperperíodo mínimo común múltiplo de los
  períodos de todos los procesos del sistema.
• Planificación Expulsiva (preemptive)
  planificación en la que un proceso puede quitarle
  a otro el recurso del procesador en cualquier
  momento
• Planificación No Expulsiva (non-preemptive)
  planificación en la que un proceso debe terminar
  su uso del procesador antes de cedérselo a otro
  (suele ser NP-hard)
• Relación de Precedencia relación entre dos
  procesos o subprocesos que implica que uno debe
  terminar su ejecución antes de que el otro
  comience

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Taxonomía de los Algoritmos de Planificación
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Planificación de Procesos de Tiempo Real
Monoprocesador
Multiprocesador / Distribuida
Estática (off-line)
Dinámica (on-line)
EDF / MLF
Computación imprecisa
MUF
Robado de Ciclos / Sobrecarga
RMS
(Liu y Layland, 1973)
(Liu y Layland, 1973)
Con esporádicos
Con inversión de prioridades
Compartiendo recursos
Con sobrecarga
Con precedencias
(Chetto et al., 1990)
(Sha et al., 1986)
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Planificadores por Prioridades
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• Prácticamente la totalidad de los planificadores
  actuales.
• Se le asigna una prioridad a cada proceso
  (off-line u on-line).
• En cada momento se ejecuta el proceso disponible
  de mayor prioridad.
• En los algoritmos que siguen, se supone
  planificación expulsiva.
• La planificación por prioridad reduce el número
  de planificaciones admisibles que pueden
  encontrarse, pero aún así la optimalidad está
  garantizada en ciertos casos.
• No es criterio válido para obtener una
  planificación admisible el otorgar mayor
  prioridad a los procesos más importantes.

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Planificadores por Prioridades
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• Ejemplo de asignación de prioridades por
  importancia

c18 r10 d124 p124 c220 r20 d244
p244
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• Requisitos procesos independientes y periódicos,
  ri0, planificación expulsiva, tiempos de
  respuesta (deadlines) iguales a los períodos
  (dipi).
• Algoritmo de asignación de prioridades tendrá
  más prioridad el proceso que tenga un período
  menor (asignación de prioridad monotónica en
  frecuencia).
• Optimalidad el algoritmo es óptimo.
• Test de planificabilidad el factor de uso del
  procesador debe ser menor o igual que el factor
  de uso garantizado del procesador.

lt
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c18 r10 d124 p124 c220 r20 d244
p244
U 8/2420/44 0.79 lt UG2 2(21/2-1) 0.83
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Planificación RMS estable (con sobrecarga)

• Objetivo bajo tiempos de cómputo medios, obtener
  tiempo real duro (hard) para todos los procesos.
  Bajo tiempos de cómputo máximos (sobrecarga),
  obtener tiempo real duro para procesos críticos y
  blando (soft) para procesos no críticos.

necesario

• Ucríticos lt UGncríticos
• Umtodos lt UGntodos
• máx(pi)críticos lt mín(pj)no-críticos

necesario
Se puede forzar

• Paso previo considerar críticos a procesos no
  críticos que violen III.

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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Forzado de la condición III de estabilidad

• Algoritmo de Transformación de Períodos
  modificar los períodos de algunos procesos sin
  modificar los procesos, hasta cumplir la
  condición III de estabilidad.
• Dos acciones posibles para modificar el sistema
  se repiten hasta que se cumpla la condición.

• Acción A ampliar el período de un proceso
  no-crítico. Se desglosa el proceso Pi en k
  procesos, cada uno con período kpi y con su
  primera activación desplazada.

• Acción B reducir el período de un proceso
  crítico. Se ejecuta el proceso Pi en k fases
  consecutivas, cada una con período pi /k.

• Bucle mientras haya algún proceso conflictivo
  (crítico con período mayor que un no-crítico, o
  viceversa), aplicarle la acción correspondiente.
  Si se violan las condiciones I ó II de
  estabilidad, deshacer el cambio.

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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c25 r20
cm22 d29 p29 c315 r30 cm35 d328
p328
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c25 r20
cm22 d29 p29 c315 r30 cm35 d328
p328
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c25 r20
cm22 d29 p29 c315 r30 cm35 d328
p328
No se puede incluir P2 como crítico no se cumple
la condición I (U1.1)

• Ucríticos lt UGncríticos 0.59 lt 1 se
  cumple
• Umtodos lt UGntodos 0.64 lt 0.78 se
  cumple
• máx(pi)críticos lt mín(pj)no-críticos 17 lt 9
  no se cumple

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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c25 r20
cm22 d29 p29 c315 r30 cm35 d328
p328

• Transformación de P2 se desglosa en 2 procesos
  P21 y P22 con

c215 r210 cm212 d2118 p2118 c225 r220
cm222 d2218 p2218 (Primera activación de
P22 en t9)
Cumple las tres condiciones de estabilidad
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c215 r210
cm212 d2118 p2118 c225 r220 cm222
d2218 p2218 (Primera activación de P22 en
t9) c315 r30 cm35 d328 p328
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c215 r210
cm212 d2118 p2118 c225 r220 cm222
d2218 p2218 (Primera activación de P22 en
t9) c315 r30 cm35 d328 p328
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c110 r10 cm14 d117 p117 c25 r20
cm22 d29 p29 c315 r30 cm35 d328
p328

• Transformación de P1 se secuencia en 2 fases,
  cada una con

Cumple las tres condiciones de estabilidad
c15 r10 cm12 d18.5 p18.5
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c15 r10 cm12 d18.5 p18.5 c25
r20 cm22 d29 p29 c315 r30
cm35 d328 p328
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Planificación con Prioridades Estáticas (Rate
Monotonic Scheduling RMS)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
c15 r10 cm12 d18.5 p18.5 c25
r20 cm22 d29 p29 c315 r30
cm35 d328 p328
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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• Requisitos procesos independientes y periódicos,
  ri0, planificación expulsiva, tiempos de
  respuesta (deadlines) iguales a los períodos
  (dipi).
• Algoritmo de asignación de prioridades tendrá
  más prioridad el proceso que tenga un tiempo
  límite menor (tiempo en el que cumplirá su
  próximo deadline)
• Optimalidad el algoritmo es óptimo. Buen
  comportamiento respecto al número de expulsiones
  (bajo), respecto a otros algoritmos.
• Test de planificabilidad el factor de uso del
  procesador debe ser menor o igual a 1 (Ult1).

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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Planificación EDF para procesos dependientes

• Objetivo producir una planificación admisible
  que respete las precedencias temporales de los
  procesos.
• Procedimiento algoritmo de Chetto et al. de
  revisión de los tiempos límite.
• Optimalidad sigue siendo óptimo si hay
  solución, encuentra una solución.
• Test de planificabilidad (Ult1) deja de ser
  válido si, aún existiendo solución con procesos
  independientes, no existiera solución en el caso
  de procesos dependientes, el algoritmo EDF con
  los tiempos límites revisados proporcionaría una
  planificación no admisible.

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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
Algoritmo de Chetto et al. de revisión de tiempos
límite

• Procedimiento transforma los tiempos límite para
  conseguir un sistema idéntico que cumpla las
  restricciones de precedencia.
• Fase I enumeración de todos los procesos a
  ejecutar, según el hiperperíodo.
• Fase II obtención del grafo de precedencia
  (GdP).
• Fase III obtención del orden topológico inverso
  de los procesos en el GdP.
• Fase IV obtención de los tiempos límite sin
  revisar (di)
• Fase V cálculo de tiempos límite revisados
  (dimín(di,míndk-ckPi?Pk))

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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
P1P11,P12 c114 c124 r10 d132
p132 P2P21,P22 ,P23 ,P24 c214 c224 c234
c244 r20 d264 p164 P3P31,P32 c318
c318 r30 d364 p364

• Fase I enumeración de todos los procesos a
  ejecutar, según el hiperperíodo.

P11(1), P12(1), P11(2), P12(2), P21(1), P22(1),
P23(1), P24(1), P31(1), P32(1)
Juan Antonio Fernández Madrigal,
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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
P1P11,P12 c114 c124 r10 d132
p132 P2P21,P22 ,P23 ,P24 c214 c224 c234
c244 r20 d264 p164 P3P31,P32 c318
c318 r30 d364 p364

• Fase II obtención del grafo de precedencia (GdP).

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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
P1P11,P12 c114 c124 r10 d132
p132 P2P21,P22 ,P23 ,P24 c214 c224 c234
c244 r20 d264 p164 P3P31,P32 c318
c318 r30 d364 p364

• Fase III obtención del orden topológico inverso
  de los procesos en el GdP.

P12(2)
, P24(1)
, P32(1)
, P11(2)
, P23(1)
, P12(1)
, P22(1)
, P31(1)
, P11(1)
, P12(1)
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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
P1P11,P12 c114 c124 r10 d132
p132 P2P21,P22 ,P23 ,P24 c214 c224 c234
c244 r20 d264 p164 P3P31,P32 c318
c318 r30 d364 p364

• Fase IV obtención de los tiempos límite sin
  revisar (dik.pi)

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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL
P1P11,P12 c114 c124 r10 d132
p132 P2P21,P22 ,P23 ,P24 c214 c224 c234
c244 r20 d264 p164 P3P31,P32 c318
c318 r30 d364 p364

• Fase V cálculo de tiempos límite revisados
  (dimín(di,míndk-ckPi?Pk))

mín(64)64
mín(64,64-4)60
mín(32,60-4)32
mín(32,32-4,56-4) 28
mín(64)64
mín(64,64-4)60
mín(64,60-4,64-8) 56
mín(32,32-4,56-4) 28
mín(64)64
mín(64,60-4,64-8) 56
P12(2)
, P24(1)
, P32(1)
, P11(2)
, P23(1)
, P12(1)
, P22(1)
, P31(1)
, P11(1)
, P12(1)
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Planificación con Prioridades Dinámicas
(Earliest Deadline First EDF)
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• Cronograma

U8/3216/6416/643/4
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Conclusiones
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• La planificación de tareas es de vital
  importancia en los sistemas en tiempo real.
• En general, el problema es complicado e incluso
  irresoluble en tiempo polinomial.
• Existen aproximaciones razonables que permiten
  obtener soluciones en casos cercanos a los
  prácticos.
• Los sistemas operativos y lenguajes de
  programación juegan un papel imprescindible en la
  planificación de tareas de tiempo real, pero
  actualmente sólo implementan planificación guiada
  por prioridades.
• La planificación de tiempo real es un área de
  gran desarrollo en los últimos años.

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Automática Universidad de Málaga
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Bibliografía Básica
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• BURNS A. y WELLINGS A. (2001). Real-Time Systems
  and Programming Languages, 3ª edición,
  Addison-Wesley, ISBN 0-201-72988-1. (CAPÍTULO 13)
• LIU J.W.S. (2000). Real-Time Systems". Prentice
  Hall, ISBN 0-13-099651-3 (CAPÍTULOS 4,6,12)
• DE LA PUENTE J.A. (1988). Planificación de la
  Ejecución de Procesos en Sistemas en Tiempo
  Real, Universidad Politécnica de Valencia,
  Apuntes.

Juan Antonio Fernández Madrigal,
2003 Departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática Universidad de Málaga
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Bibliografía Original
PLANIFICACIÓN DE PROCESOS EN SISTEMAS EN TIEMPO
REAL

• HILLIER F.S. y LIEBERMAN G. J. (1991).
  Introducción a la Investigación de Operaciones.
  Mc.Graw Hill Interamericana.
• STANKOVIC J.A. (1988). "Misconceptions About
  Real-Time Computing. A Serious Problem for
  Next-Generation Systems". IEEE Computer vol. 21,
  no. 10.
• RAMAMRITHAM K. y STANKOVIC J.A. (1994).
  "Scheduling Algorithms and Operating Systems
  Support for Real-Time Systems". Proceedings of
  the IEEE, vol. 82, no. 1
• XU J. y PARNAS D.L. (1993). "On Satisfying Timing
  Constraints in Hard-Real-Time Systems". IEEE
  Transactions on Software Engineering, vol. 19,
  no. 1, pp. 70-84
• GHOSH K., MUKHERJEE B., y SCHWAN K. (1994). "A
  Survey of Real-Time Operating Systems". Informe
  Técnico GIT-CC-93/18 del Instituto Tecnológico de
  Georgia.
• LIU C.L. y LAYLAND J.W. (1973). "Scheduling
  Algorithms for Multiprogramming in a
  Hard-Real-Time Environment". Journal of the
  Association for Computing Machinery, vol. 20, no.
  1, pp. 46-61.
• SHA L., LEHOCZKY J.P. y JENSEN E.D. (1986).
  "Solutions for Some Practical Problems in
  Prioritized Preemptive Scheduling". Proceedings
  of the IEEE Real-Time Systems Symposium.
• CHETTO H., SILLY M., BOUTENCHOUF T. (1990).
  "Dynamic Scheduling of Real-Time Tasks under
  Precedence Constraints". The Journal of Real-Time
  Systems, vol. 2, pp. 181-194.

Juan Antonio Fernández Madrigal,
2003 Departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática Universidad de Málaga