Дисциплина обслуживания при наличии приоритетов. Такая дисциплина строится на основе рассмотренной выше многоочередной дисциплины. На рис.6. приводится ее условная схема.

Рис.6. Схема приоритетной многоочередной дисциплины обслуживания

Поступающая в систему новая заявка попадает в одну из N очередей в соответствии с имеющимся приоритетом, определяющимся параметрами обслуживаемых процессов. Первыми обслуживаются заявки из очереди с меньшим номером как имеющие более высокий приоритет. Возможны две стратегии поведения системы по отношению к новым заявкам.

а) Обслуживание с абсолютным приоритетом. Если во время обслуживания заявки из очереди i (1 < i  N) в систему поступает более приоритетная заявка, например, в очередь i-1, то обслуживание i-го уровня прерывается и система переходит к обслуживанию поступившей заявки. После окончания ее обслуживания происходит дообслуживание прерванной заявки i-го уровня. Здесь еще больше сокращается время ожидания обслуживания для высокоприоритетных заявок за счет ухудшения обслуживания низкоприоритетных. В то же время усложняется логика системы, возникает проблема прерывания, появляются накладные расходы. При достаточной интенсивности прерываний расходы могут стать ощутимыми. Возникает также дополнительная проблема выработки некоторого правила о дообслуживании прерванных процессов – когда выделять им вновь ресурс, учитывать ли, что он уже какое-то время использовался?

б) Обслуживание с относительным приоритетом. Заявка, входящая в систему, не вызывает прерывания обслуживаемой в данный момент заявки, даже если последняя имеет меньший приоритет. Только после окончания обслуживания текущей заявки начнется обслуживание более приоритетной поступившей заявки.

Применение рассмотренных дисциплин обслуживания очередей на практике связано с рядом дополнительных проблем. При распределении сразу нескольких ресурсов для каждого из них должна быть разработана стратегия распределения, согласованная со стратегиями распределения других ресурсов. Дело осложняется также необходимостью анализа возможности возникновения тупиковых ситуаций, проверки полномочий процессов на использование тех или иных ресурсов и т.д.

Следует заметить, что существуют и другие дисциплины обслуживания очередей, особенно в отношении статического и динамического распределения оперативной памяти.

4.5. СИСТЕМА ПРЕРЫВАНИЙ

Ситуация, которая возникает в результате воздействия какого-то независимого события, приводящего к временному прекращению выполнения последовательности команд одной программы с целью выполнения последовательности команд другой программы, называется прерыванием. Управление процессами в многозадачном режиме работы ЭВМ основано на использовании механизма прерываний. Прерывания необходимы, например, при обслуживании очередей запросов на распределение ресурсов, при проведении синхронизации между параллельными процессами и т.д. Программа может быть прервана из-за отсутствия в оперативной памяти данных, подлежащих обработке, или может быть прервана программой с более высоким приоритетом. Причиной прерывания может быть неисправность в работе аппаратуры, обнаруженная системой диагностики.

В зависимости от системной причины можно выделить прерывания первого и второго рода.

В случае прерывания первого рода процесс сам является «виновником» прерывания, т.е. процесс, находящийся в активном состоянии, вызывает прерывание самого себя. Это происходит в следующих ситуациях:

1) возникает потребность получить некоторый ресурс, отказаться от него либо выполнить над ресурсом какие-либо действия;

2) процесс выполняет какие-либо действия в отношении другого процесса, например, порождает или уничтожает его.

При таких прерываниях процесс в явной форме выражает требование к ОС на прерывание самого себя. Это реализуется в форме команд, представленных в пользовательской программе. При их выполнении происходит переключение ЦП с обслуживания программы на работу ОС, которая подготавливает и обеспечивает выполнение соответствующего прерывания. К прерываниям первого рода относятся также внутренние прерывания, связанные с работой ЦП (арифметическое переполнение, исчезновение порядка в операциях с плавающей точкой, обращение к защищенной области оперативной памяти и т.д.). В этом случае «виновником» прерывания также является сам процесс, хотя явный запрос на прерывание отсутствует.

Системной причиной прерывания второго рода является необходимость синхронизации параллельных процессов. Процессы, подчиненные ОС, в случае их окончания или в других ситуациях вырабатывают сигнал прерывания, что приводит к прекращению обслуживания ЦП других активных процессов «без их ведома».

При обработке прерывания нужно выполнить следующую последовательность действий:

1) восприятие запроса на прерывание;

2) запоминание состояния прерванного процесса (значение счетчика команд, содержимое регистров общего назначения, режим работы ЦП и т.д.);

3) передача управления программе обработки прерываний, для чего в счетчик команд заносится адрес, уникальный для каждого типа прерывания;

4) обработка прерывания;

5) восстановление нормальной работы.

В большинстве ЭВМ этапы 1-3 реализуется аппаратно, а этапы 4-5 - операционной системой.

Рассмотрим изменения состояний центрального процессора, связанные с возникновением и обработкой прерываний (рис.7). ЦП может функционировать в одном из четырех независимых состояний: P1 – выполнение прикладных программ, P2 – обработка прерываний, P3 – анализ прерываний, P4 – обработка прерываний от схем контроля машины. В состоянии P1 выполняются программы пользователя, выполнение любого прерывания допустимо. В состоянии P2 выполняется программа соответствующего обработчика прерываний, так же как и в предыдущем состоянии допустимо любое прерывание. В состоянии P3 система определяет тип прерывания и соответствующую программу его обработки. Переключение в состояние P3 из состояний P1 и P2 происходит всегда автоматически при возникновении любого прерывания, кроме прерываний от схем контроля машины. Переключение ЦП из состояния P3 в состояние P1 или P2 происходит по командам управления. В состоянии P3 все прерывания, кроме прерываний от схем контроля, запрещены. Процессор автоматически переключается в состояние P4 из любого состояния (P1, P2, P3) при появлении прерывания от схем контроля машины. Из состояния P4 нельзя вернуться ни в какое другое состояние без принятия мер по устранению сбойной ситуации.

Рис. 7. Характер переходов процессора между допустимыми состояниями, обусловленных возникновением и обработкой прерываний

В зависимости от характера прерываний можно выделить пять уровней:

• прерывания от систем контроля и диагностики, связанные с неисправностями в аппаратуре;

• прерывание при обращении к ОС с целью получения каких-либо услуг;

• программные или внутренние прерывания, связанные с ошибками в ЦП при выполнении программы;

• внешние прерывания, обусловленные прерыванием программы оператором, по сигналу из линии связи и т.д.;

• прерывания от устройств ввода-вывода, инициированные внешними процессами.

Для каждого уровня прерываний в ОС имеются системные программы обработки прерываний. Нередко поступает сразу несколько запросов на прерывания, при этом они выстраиваются в очередь в соответствии со своими приоритетами. Порядок поступления запросов строго определен:

1) прерывания от схем контроля;

2) программные прерывания или прерывания при обращении к ОС (не могут появляться одновременно);

3) внешние прерывания;

4) прерывания от устройств ввода-вывода.

Обработка прерываний происходит в порядке, обратном его поступлению и соответствует их важности: ввод-вывод, внешние, программные и обращения к ОС. Прерывания от схем контроля идут вне очереди и блокируют обработку всех других прерываний.

Прерывания производятся всегда после того, как выполнение текущей команды закончилось, а выполнение следующей не началось. При машинных сбоях этот порядок может быть нарушен.

Прерывания поступают на обработку, если процессор не замаскирован по отношению к данному типу прерываний. Маскирование – это запрет на прерывания. Если прерывания замаскировано и поступил запрос на него, то он либо ждет, пока сможет быть воспринят, либо теряется. Замаскированными могут быть прерывания от устройств ввода-вывода, внешние прерывания, часть программных прерываний и прерывания от схем контроля.

Замаскированные прерывания от устройств ввода-вывода и внешних прерываний хранятся до тех пор, пока ЦП не сможет их воспринять, а замаскированные программные прерывания от схем контроля теряются.

Информация, необходимая для обработки прерываний, запоминается в специальной области памяти в виде регистра и слова-состояния программы (ССП). Регистр прерываний представляет собой слово, каждый бит которого соответствует единственной причине прерывания.

Слово состояния программы хранит информацию о состоянии процессора для последующего анализа, восстановления нормального продолжения прерванной программы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите принципы построения ОС и дайте их краткую характеристику.

2. Что такое процесс и чем он отличается от программы? Каковы допустимые состояния процесса?

3. Как осуществляется классификация процессов? Приведите примеры.

4. Поясните понятие ресурса. Дайте классификацию ресурсов и приведите примеры.

5. В чем состоит концепция виртуализации? Приведите примеры виртуальных ресурсов.

6. Какие основные бесприоритетные дисциплины используются при обслуживании очередей процессов?

7. Как устроена дисциплина приоритетного обслуживания очереди процессов?

8. Что такое прерывания, и каковы их причины? Какова последовательность действий по обработке прерываний?

9. Приведите классификацию прерываний по уровням. Каким образом порядок обслуживания прерываний зависит от их уровня?