Модуль 6. Управление процессорами

Тема 11. Управление процессорами и заданиями в однопроцессорном вычислительном комплексе. Алгоритмы планирования процессов

Эти две подсистемы ОС выполняют сходные функции: планирование загрузки процессоров и планирование загрузки вычислительных комплексов, имеют сходные механизмы планирования, работающие на разных уровнях - процессов и заданий пользователя соответственно.

В однопроцессорной ЭВМ подсистема управления процессорами выполняет единственную функцию: диспетчирования процессов, то есть планирует загрузку ЦП.

Система управления заданиями управляет прохождением заданий в ВС и выполняет следующие функции:

1.Предоставление языковых средств управления работами в вычислительной системе (Job Control Language (JCL) в ОС ЕС ЭВМ , Shell в UNIX).

2.Ввод и интерпретация заданий/команд.

3.Выделение и освобождение необходимых ресурсов.

4.Планирование заданий на выполнение.

5.Сбор и предоставление информации о состоянии заданий.

В однопроцессорном вычислительном комплексе существует три основных уровня планирования:

1.Планирование на верхнем уровне или планирование заданий.

На этом уровне осуществляется выбор заданий пользователем для выполнения и их запуск. Выбранные задания становятся готовыми процессами. Эту работу выполняет системный компонент - планировщик заданий.

2.Планирование на нижнем уровне или диспетчирование процессов.

Здесь осуществляется выбор готового процесса для выполнения, то есть предоставления ему ЦП. Выбранный процесс становится активным. Эту работу выполняет системный компонент - диспетчер.

3.Планирование на промежуточном уровне.

На данном уровне определяется, каким процессам будет разрешено состязаться за захват ЦП, то есть быть готовыми, и какие процессы будут кратковременно приостановлены (задержаны) для оптимизации загрузки системы. Промежуточное планирование управляет текущей производительностью вычислительной системы.

В соответствии с тремя уровнями планирования, из которых два обязательны, существует двух и трехуровневые системы планирования.

Типичная двухуровневая система планирования имеет следующий вид:

Рисунок 1.  Двухуровневая процедура планирования

Двухуровневая процедура вводится в системах с ограниченным мультипрограммированием, что определяется ограниченными ресурсами и производительностью вычислительной системы. Это основная схема для ВС с реальной ОП без поддержки систем реального времени (СРВ).

В вычислительных системах с ВП, допускающих неограниченный уровень мультипрограммирования и СРВ, требующих высокую реактивность системы, используется трехуровневая система планирования, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2. Трехуровневая система планирования

Эффективное планирование заданий и процессов является сложной проблемой, поскольку должно учитываться много противоречивых требований, таких как:

• cправедливость;

• максимальная пропускная способность;

• приемлемое время ответа для максимального числа интерактивных пользователей;

• предсказуемость (задание должно выполняться примерно за одно время независимо от загрузки вычислительной системы);

• минимум накладных расходов на выполнение планирования;

• сбалансированность использования ресурсов;

• исключение бесконечного откладывания;

• учет приоритетов;

• отдавать предпочтение процессам, занимающие ключевые ресурсы;

• плавно деградировать при увеличении нагрузок.

Для того чтобы реализовать перечисленные требования, механизм планирования должен знать и учитывать следующие факторы:

• является ли процесс обменным (активно использующим операции ввода/вывода) или вычислительным (активно использующим процессор);

• является ли процесс пакетным или диалоговым;

• уровень реактивности интерактивного процесса;

• приоритетность процесса;

• частота прерываний по отсутствию нужной страницы;

• частота прерывания с низкого приоритета на высокий;

• длительность периода ожиданий ЦП процесса;

• суммарное использование времени ЦП и оценочное время, необходимое для завершения.

Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на приоритетах, и алгоритмы, основанные на квантовании.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

1. процесс завершился и покинул систему,

2. произошла ошибка,

3. процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,

4. исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).

Многие современные системы планирования основывается на системе приоритетов, которая воплощается в соответствующих дисциплинах планирования. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритеты подразделяются на статические, назначаемые извне системы администрацией ВЦ, и динамические, присваиваемые системой автоматически в соответствии с поведением, потребностями в ресурсах и прочими характеристиками процессов.

Начальные значения динамических приоритетов обычно устанавливаются на основе статического, но действуют в течение короткого времени. Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По-разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.

Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

Для установления значений приоритетов заданий и процессов используются следующие дисциплины планирования и их различные комбинации.

1. Планирование по сроку завершения, гарантирующее выполнение задания в назначенное время. Это сложная проблема в мультипрограммных системах, поскольку пользователь должен точно указать все требуемые ресурсы. Необходимо активное управление ресурсами, что связано с высокими накладными расходами. Недостаток: несправедливо к другим пользователям (протекционизм).

2. Планирование по принципу FIFO, где ЦП предоставляется процессам в порядке готовности, и они выполняются до завершения или блокировки. Это самая простая дисциплина планирования фактически без переключения ЦП. Формально - справедливый принцип, но фактически не справедлив, так как длинные задания заставляют ждать короткие. Менее важные - заставляют ждать более важные. Характеризуется небольшим колебанием времени выполнения и большей предсказуемостью, нежели другие дисциплины. Используется только в пакетных системах, не гарантирует реактивности системы и обычно в комбинации с другими дисциплинами.

3. Циклическое или круговое планирование, где каждому готовому процессу в цикле представляется квант времени. По истечении кванта времени процесс переходит в конец очереди готовых процессов. При блокировке квант теряется. Эффективно для СРВ, так как гарантирует приемлемое время ответа для всех интерактивных пользователей. Основная проблема выбора - оптимальный размер кванта. Стараются выбрать такой размер, чтобы большинство рядовых запросов обслуживались за один квант.

4. Планирование по принципу - "кратчайшее задание - первым" или "по наименьшему оставшемуся времени выполнения". Максимальный приоритет назначается процессу, либо заданию с минимальным оценочным временем до завершения. Недостаток: время ожидания на большие задания растет; большие издержки на регистрацию истекшего времени обслуживания. Достоинство: сокращение очередей заданий и ожидающих процессов; стремится к минимальному времени ожиданий для заданий.

5. Планирование по времени нахождения в системе, в которой приоритет есть функция времени обслуживания и времени ожидания.

Приоритет =

Приоритет отдает меньшее предпочтение коротким заданиям и без предубеждения относится к длинным. Чем реже процесс получает ЦП, тем выше его приоритет. Задания с вводом/выводом повышают приоритет.

Сеть многоуровневых очередей с обратными связями (рисунок 3), которая имеет следующие достоинства:

• определяет характер процессов и разделяет на соответствующие категории;

• отдает предпочтение коротким процессам;

• отдает предпочтение обменным процессам с хорошим коэффициентом использования устройств ввода/вывода. Это наиболее совершенный и сложный механизм планирования.

Рисунок 3.  Сеть многоуровневых очередей

Сеть представляет собой упорядоченную структуру очередей готовых процессов, работающих с различными дисциплинами обслуживания. Каждый процесс входит в сеть очередей с конца верхней очереди и перемещается по FIFO пока не получит ЦП. Процесс выполняется. Если в течение кванта процесс запросил выполнение операции ввода/вывода, то он после завершения операции будет установлен в очередь готовых процессов текущего уровня. Если в течение выделенного кванта времени процесс не завершился, то он устанавливется в очередь готовых процессов следующего уровня, у которого понижен приоритет и увеличен квант времени. Таким образом, чем больше время работы процесса, тем больший квант времени выделяется, но меньше приоритет, что приводит к получению ЦП реже, но на более длительный период.

Таким образом, сеть многоуровневых очередей - это адаптивный механизм планирования, который реагирует на изменение поведения системы.

В ОС OS/2, UNIX приоритеты устанавливаются с помощью класса приоритета и уровня приоритета в классе. Есть три класса приоритета и 32 различных уровня приоритета для класса.

Классы бывают:

Критический или высокий - для программ управления процессом или связью с другими компьютерами;

Обыкновенный - для большинства программ пользователя;

Запасной или низкий - задачи и процессы из этого класса выполняются, если в очереди нет критических или обыкновенных задач.

Модуль 6. Управление процессорами

Тема 12. Управление процессорами и заданиями в мультипроцессорном вычислительном комплексе

Два вида мультипроцессорных авчислительных систем

Мультипроцессорные системы   с подчиненными процессорами

Мультипроцессорные системы с равноправными процессорами

Решение фирмы Сompaq

Современной тенденцией развития вычислительной техники является построение вычислительных комплексов, содержащих несколько ЦП, называемых мультипроцессорными вычислительными системами. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислений в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, нитей) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.

Целью построения мультипроцессорных вычислительных систем является:

• повышение производительности вычислительных систем;

• повышение надежности и коэффициента готовности вычислительной системы.

Существует два вида мультипроцессорных вычислительных систем:

1. Мультипроцессорная вычислительная система со слабо связанными процессорами, называемая многомашинными комплексами, которые предусматривают соединение двух или более вычислительных машин при помощи канала связи и/или внешней памяти.

2. Мультипроцессорные системы с сильно связанными процессорами, называющиеся многопроцессорными вычислительными комплексами, которые имеют единую ОП, коллективно используемую несколькими ЦП.

Рисунок 9.1. Системы со слабо связанными процессорами.

Мультипроцессорная организация системы приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

Например, необходимо планировать процессы не для одного, а для нескольких процессоров, что гораздо сложнее. Сложности возрастают при росте конфликтов по обращению к устройствам ввода/вывода, данным общей памяти и совместно используемым программам. Все эти проблемы должны решать ОС путем синхронизации, ведения очередей, планирования процессов.

Итак, в отличие от однопроцессорных ОС, подсистемы управления процессами и заданиями должны выполнять следующие основные функции:

• организация взаимодействия центральных процессоров (синхронизация);

• управление загрузкой процессоров (диспетчирование);

Существует несколько способов взаимодействия ЦП:

1. Вычислительный комплекс и ОС с подчиненными процессорами - асимметричное мультипроцессирование (один главный процессор и несколько подчиненных).

2. Вычислительный комплекс и ОС с равноправными процессорами.

3. Вычислительный комплекс и ОС с симметричной организацией - симметричное мультипроцессирование.

В мультипроцессорных системах с подчиненными процессорами один ЦП является главным, остальные - подчиненными (ведущий - ведомые). Это самая простая организация не намного сложнее однопроцессорной системы. Операционная система выполняется только на главном процессоре. Этот ЦП осуществляет ввод/вывод и управляет загрузкой подчиненных процессоров. Подчиненные процессоры выполняют только программы пользователя. Узкое место - главный процессор. Он должен иметь большую мощность (производительность), чем подчиненные процессоры, чтобы последние не простаивали.