Режимы работы компьютеров, обеспечиваемые ОС

Этот материал нужен для последующего уяснения функций и классификации ОС.

Все известные режимы работы компьютеров можно свести в две группы: однопрограммные и мультипрограммные. В их число входят: однопрограммный, однопрограммный пакетный, мультипрограммный пакетный, реального времени, разделения времени, многозадачный [1-6]. Рассмотрим их в порядке развития и естественного усложнения ОС.

Однопрограммный режим. В каждый момент времени компьютер используется для решения только одной прикладной задачи по соответствующей программе. При этом часто простаивает процессор во время выполнения операций ввода-вывода или работы пользователя по подготовке следующей программы. И возникает парадокс: при увеличении быстродействия процессора в 50 раз за счет неизменного низкого быстродействия УВВ общая производительность увеличится примерно в 2 раза, а процент загрузки процессора уменьшится. Эта особенность человеко-машинных систем интересна тем, что в рассмотренном режиме увеличение быстродействия процессора не оправдано. Здесь мощная, развитая ОС, в принципе, даже не нужна, так как нет проблем распределения ресурсов [10].

Однопрограммный пакетный режим обеспечивает автоматический переход от программы к программе. Его особенности:

· образуется пакет из отдельных программ и данных, после чего формируется задание на его обработку с использованием специализированного формализованного языка управления заданиями (ЯУЗ), содержащее требования к системным ресурсам;

· есть управляющая программа (монитор), которая последовательно запускает программы пакета на решение, вводя исходные данные и выводя результаты или передавая их следующей программе;

· с момента завершения одного пакета до образования следующего процессор компьютера простаивает.

Пример. Пусть требуется решить 3 задачи по программам A, B и C, имеющим следующие временные характеристики в условных единицах «Счет – Обмен – Счет» – A: 4 – 9 – 5, B: 3 – 12 – 2, C: 2 – 7 – 3, как показано на рис.1.1, где область выше оси времени t – участок счета, ниже – участок обмена [10]. Тогда время решения задачи t_A=18 (условных единиц), t_B=17, t_C=12, а общее время работы пакета t_ABC= 47.

Рис.1.1. Характеристики задач A, B и C

Ранние системы пакетной обработки явились прообразом современных ОС, так как стали первыми системными программами, предназначенными не для обработки данных, а для управления вычислительным процессом.

Общим недостатком однопрограммных режимов является простой процессора при выполнении операций ввода-вывода (отсутствие данных, ожидание ввода пользователя и т.п.). Естественным выходом из положения, ведущим к повышению эффективности использования процессора, является его переключение на выполнение другой задачи, готовой к решению. Так появилось мультипрограммирование – способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера одновременно находится несколько программ или заданий, попеременно выполняющихся на одном процессоре и резко увеличивающих процент его загрузки [2,10].

Мультипрограммный пакетный режим отличается тем, что

· в ОП находится несколько равноприоритетных пользовательских программ в виде пакетных заданий, готовых решению (обслуживанию процессором и ожидающих его освобождения). Из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь – множество одновременно выполняемых задач;

· время работы процессора распределяется между этими программами так, что они образуют очередь к процессору и поочередно решаются на нем;

· при этом каждая активная (выполняющаяся) программа «монополизирует» процессор, освобождая его, только когда он станет ей совсем или временно не нужен;

· параллельно с работой процессора в системе может происходить ввод-вывод – обмен с несколькими УВВ.

Пример. Пусть в ОП одновременно находятся программы A, B и C (рис.1.1). Построив диаграммы работы программ и загрузки процессора (рис.1.2), можно выявить интересные особенности мультипрограммного пакетного режима:

· по сравнению с ранее рассмотренными режимами в данном режиме пропускная способность процессора возрастает, причем с ростом коэффициента мультипрограммирования (числа обрабатываемых программ), так как вероятность простоя процессора падает;

· общее время выполнения задач смеси по сравнению с предыдущим режимом уменьшается;

· время выполнения отдельного задания может увеличиться на время ожидания освобождения процессора, например, для программы B или C, когда их обмен закончен, но процессор занят (рис.1.2). Однако в пакетном режиме это почти незаметно визуально;

· нет гарантии выполнения конкретного задания в течение определенного периода или к определенному моменту времени.

Рис.1.2. Диаграммы работы программ и загрузки процессора в мультипрограммном пакетном режиме

В мультипрограммную смесь лучше включать задания, предъявляющие разные требования к ресурсам и требующие разной интенсивности вычислений и ввода-вывода, чтобы обеспечить сбалансированную загрузку процессора и УВВ.

В данном режиме можно обрабатывать и пакетные задания, формируемые и загружаемые удаленно со своих терминалов всеми пользователями. Так появились первые многотерминальные ОС – системы удаленного ввода заданий [1,10].

Программы и задания, в принципе, могут иметь разные приоритеты, что требует усложнения системы равноприоритетных очередей готовых к выполнению программ.

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и оценкой критерия эффективности таких систем является максимальная пропускная способность (максимум числа задач, решаемых в единицу времени).

Режим реального времени(РВ) характеризуется тем, что

· компьютер средствами ОС осуществляет контроль и управление внешними объектами в темпе поступления данных от каждого объекта управления;

· природа объекта управления может накладывать определенные временные ограничения на обработку таких данных (управление станком или спутником, плавкой стали, стрельбой по нескольким движущимся целям, контроль критического состояния больного). Во всех случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена определенная программа управления объектом, иначе может произойти нежелательное событие.

В режиме РВ требуется:

· мгновенный (без задержек) запуск задачи на решение. Значит, место расположения файла задачи должно быть известно заранее, а все необходимые ресурсы выделены или свободны;

· быстрая (без «чужих» прерываний) отработка важной задачи в соответствии с ее специально установленным высоким приоритетом;

· гарантии, что задача будет отработана до требуемого срока.

А если таких задач много, усложняется организация, так как могут потребоваться круговая (карусельная) диспетчеризация и динамическое периодическое изменение приоритетов отдельных задач.

Таким образом, критерием эффективности здесь является способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (и управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство – реактивностью. Требования ко времени реакции зависят от специфики управляемого объекта: для контроллера робота – менее 1 мс, при моделировании полета – 40 мс.

В системах РВ мультипрограммная смесь представляет фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется по прерываниям от объекта или по плановому расписанию. Способность аппаратуры компьютера и ОС к быстрому ответу зависит в основном от скорости переключения с одной задачи на другую и, в частности, от скорости обработки сигналов прерывания.

Разработчики ОС РВ не стремятся максимально загружать все устройства, наоборот обычно закладывают запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки [2].

Режим разделения времени(РДВ, time sharing)реализуется следующим образом [2-5]:

· в схему по мультиплексированию (разделению) процессора среди готовых к исполнению программ вводится детерминизм (жесткая определенность, ограничение): каждой программе, готовой к исполнению, планируется для исполнения на процессоре фиксированный, заранее известный интервал времени – квант (интервал мультиплексирования), например, Δt_m=0,2c;

· исполняемая программа может не успеть выполниться к моменту окончания кванта. Тогда ее выполнение принудительно прерывается, она переводится в состояние готовности (что равносильно помещению ее в конец очереди готовых к исполнению программ);

· из начала этой очереди извлекается другая программа, получает тот же квант Δt_m и т.д.

Такое циклическое мультиплексирование процессора, основанное на детерминированной схеме прерываний программ, гарантирует «справедливость» обслуживания пользователей без монополизации процессора.

Если t_i^раб » Δt_m для i-программы, то она будет получать процессор в среднем через период Δt^раб=n*Δt_m, где n – длина очереди.

Это обстоятельство позволило строить на основе метода разделения времени диалоговые многопользовательские режимы работы ЭВМ с помощью дисплеев. Так, если n = 10, то Δt^раб= 10 * 200мс = 2 с. Такие задержки сравнимы с реактивностью человека (1–3 с.) и не являются ощутимыми. Заметим, что на каждом Δt_m ОС выполняет функции обычной мультипрограммной пакетной ОС.

Пример. Рассмотрим варианты выполнения программ A, B и C (см. рис.1.1) в режиме РДВ. Диаграммы работы программ и загрузки процессора для Δt_m = 1 (в условных единицах) представлены на рис.1.3,а, для Δt_m = 2 – на рис.1.3,б.

Рис.1.3. Диаграммы работы программ и загрузки процессора в режиме РДВ

В табл.1 представлены значения времени решения задач A, B, C и смеси при работе в различных рассмотренных режимах.

В реальных условиях отдельные кванты могут использоваться не полностью, часть времени может тратиться на ввод-вывод данных, число готовых к выполнению программ может динамически меняться. Все это усложняет организацию режима РДВ.

Таблица 1

Пропускная способность процессора в режиме РДВ ниже, чем в мультипрограммном пакетном. Ее снижают более частые переключения процессора с задачи на задачу, а также то, что на выполнение принимается любая задача, а не та, которая выполняется параллельно с УВВ. Поэтому критерием эффективности здесь является удобство и эффективность работы пользователя, а не пропускная способность [2, 10].

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения в аппаратуру компьютера важных изменений. При разделении ресурсов компьютера между программами необходимо обеспечить быстрое переключение процессора с одной программы на другую, а также надежно защитить коды и данные одной программы от случайной или преднамеренной порчи другой программой. Для этого в процессорах появились:

· привилегированный и пользовательский режимы работы;

· специальные регистры для быстрого переключения с одной программы на другую;

· средства защиты областей памяти;

· развитая система прерываний.

В привилегированном режиме работают программные модули ОС, а процессор может выполнять все команды, в том числе те, которые обеспечивают распределение и защиту ресурсов компьютера. Программам же, работающим в пользовательском режиме, некоторые команды процессора недоступны. Таким образом, только ОС может управлять аппаратными средствами и играть роль монитора и арбитра для пользовательских программ, которые выполняются в (непривилегированном) пользовательском режиме.

Система прерываний позволяет синхронизировать работу различных устройств компьютера, работающих параллельно и асинхронно, например, каналы ввода-вывода, дисковые накопители, принтеры. Аппаратная поддержка ОС стала неотъемлемым свойством всевозможных компьютерных систем, включая ПК [1-11].

Многозадачный режим: одновременное, параллельное существование и выполнение нескольких задач (заданий, процессов, потоков) с развитыми средствами переключения с одной задачи на другую. Реализованы различные варианты многозадачного режима, основанные на режимах РДВ и мультипрограммном пакетном:

· с вытесняющей многозадачностью (pre-emptive, time-sliced, истинной, независимой), основанной на квантовании времени;

· с кооперативной многозадачностью (cooperative, совместной, не вытесняющей);

· многопоточный режим (multi-threaded, с внутренней вытесняющей многозадачностью).

Таким образом, для поддержки различных форм и режимов организации вычислительного процесса на компьютерах требуются различные ОС. Каждый тип ОС имеет специфические внутренние механизмы и особые области применения. Некоторые ОС могут поддерживать одновременно несколько режимов, например, одна часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, другая – в режиме РВ или РДВ [2].

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 809; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!