Изучение характерных критериев эффективности вычислительных систем. Мультипрограммирование в системах пакетной обработки, разделения и реального времени. Минимизация простоев всех устройств компьютера, повышение эффективности использования процессора.
Аннотация к работе
В зависимости от выбранного критерия эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. Для этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит по инициативе самой активной задачи, например, когда она отказывается от процессора изза необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки данных, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру - оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат.Повышение быстродействия процессоров, увеличение объемов памяти и состава разнообразных устройств ввода-вывода информации обусловили неравномерную загрузку отдельных устройств ЦВМ. Например, арифметическое устройство не работает, пока не закончится обмен информацией оперативной памяти с памятью на магнитных лентах или с устройством ввода - вывода данных. Кроме того, неравномерность загрузки устройств определяется и характером решаемых задач, например одни задачи требуют ввода большого числа данных и малого объема вычислений, другие - наоборот.
Введение
мультипрограммирование компьютер процессор вычислительный
Мультипрограммирование, или многозадачность (multitasking), - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько программ. Эти программы совместно используют не только процессор, но и другие ресурсы компьютера: оперативную и внешнюю память, устройства ввода - вывода, данные. Наиболее характерными критериями эффективности вычислительных систем являются: 1. Пропускная способность - количество задач, выполняемых вычислительной системой в единицу времени.
2. Удобство работы пользователей, заключающееся в том, что они имеют возможность интерактивно работать одновременно с несколькими приложениями на одной машине.
3. Реактивность системы - способность системы выдерживать заранее заданные (возможно, очень короткие) интервалы времени между запуском программы и получением результата.
В зависимости от выбранного критерия эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени.
1. Мультипрограммирование в системах пакетной обработки
При использовании мультипрограммирования для повышения пропускной способности компьютера главной целью являются минимизация простоев всех устройств компьютера, и, прежде всего центрального процессора. Такие простои могут возникать изза приостановки задачи по ее внутренним причинам, связанным, например, с ожиданием ввода данных для обработки. Данные могут храниться на диске или же поступать от пользователя, работающего за терминалом. При возникновении такого рода блокировки выполняемой задачи естественным решением, ведущим к повышению эффективности использования процессора, является переключение процессора на выполнение другой задачи, у которой есть данные для обработки. Такая концепция мультипрограммирования положена в основу так называемых пакетных систем. Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение максимального числа задач в единицу времени. Для этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляются разные требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины.
Выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается выгодное задание. Следовательно, в вычислительных системах, работающих под управлением пакетных ОС, невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени.
В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит по инициативе самой активной задачи, например, когда она отказывается от процессора изза необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому существует высокая вероятность того, что одна задача может надолго занять процессор и выполнение интерактивных задач станет невозможным. Взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки данных, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру - оператору, а в конце дня после выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой порядок повышает эффективность функционирования аппаратуры, но снижает эффективность работы пользователя.
2. Мультипрограммирование в системах разделения времени
Повышение удобства и эффективности работы пользователя является целью другого способа мультипрограммирования - разделения времени. В системах разделения времени пользователям (или одному пользователю) предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. Для этого каждое приложение должно регулярно получать возможность «общения» с пользователем. Эта проблема решается за счет того, что ОС принудительно периодически приостанавливает приложения, не дожидаясь, когда они добровольно освободят процессор. Всем приложениям попеременно выделяется квант процессорного времени, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог.
Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя - программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю в этом случае предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. У всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину.
Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, та как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая «выгодна» системе. Мультипрограммное выполнение интерактивных приложений повышает пропускную способность компьютера (не в такой степени, как пакетные системы). Аппаратура загружается лучше, поскольку в то время, пока одно приложение ждет сообщение пользователя, другие приложения могут обрабатываться процессором.
3. Мультипрограммирование в системах реального времени
Еще одна разновидность мультипрограммирования используется в системах реального времени, предназначенных для управления от компьютера различными техническими объектами (например, станком, спутником) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная управляющая объектом программа. В противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности здесь является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.
В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям (исходя из текущего состояния объекта) или в соответствии с расписанием плановых работ.
Вывод
Мультипрограммирование многопрограммная работа, метод одновременного выполнения на ЦВМ нескольких программ, относящихся к различным задачам. Повышение быстродействия процессоров, увеличение объемов памяти и состава разнообразных устройств ввода-вывода информации обусловили неравномерную загрузку отдельных устройств ЦВМ. Например, арифметическое устройство не работает, пока не закончится обмен информацией оперативной памяти с памятью на магнитных лентах или с устройством ввода - вывода данных. Когда работает процессор, простаивают внешние устройства, ожидая окончания обработки данных или получения информации для вывода. Кроме того, неравномерность загрузки устройств определяется и характером решаемых задач, например одни задачи требуют ввода большого числа данных и малого объема вычислений, другие - наоборот. М. обеспечивает максимальную загрузку отдельных устройств и совмещение их работы во времени, что повышает общую производительность ЦВМ. При многопрограммной работе в памяти ЦВМ одновременно находятся программы нескольких задач. Если возникает задержка при выполнении одной из программ, например изза поиска на магнитной ленте участка, где хранятся исходные данные, то выполнение ее прерывается и осуществляется переход к диспетчер-программе, которая передает управление следующей программе. Вся информация, необходимая для продолжения выполнения прерванной программы, сохраняется в памяти ЦВМ. Новая программа будет выполняться до тех пор, пока не потребуется обращение к одному из внешних устройств или не будет устранена причина задержки ранее выполнявшейся программы. Переключение с программы на программу может производиться автоматически или оператором с пульта управления ЦВМ, когда израсходовано отведенное для решения задачи время, при возникновении ошибок в вычислениях или обнаружении неисправностей в ЦВМ.
Список литературы
1. Сетевое операционные системы В.Г. Олифер, Н.А Олифер, -Питер, 2007.