Режимы мультипрограммирования режим разделения времени

Мультипрограммирование или многозадачность (multitasking) – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются сразу несколько процессов (задач). В первых ВС любая программа могла выполняться только после завершения предыдущей. Центральный процессор при этом выполнял программу и осуществлял управление операциями ввода/вывода. Поэтому пока выполнялся обмен данными с внешним устройством, процессор простаивал, дожидаясь завершения операции ввода/вывода. Машинное время в то время стоило очень дорого, поэтому было предложено организовать так называемый мультизадачный режим работы ВС. Суть заключалась в том, что пока один процесс ожидает завершения операции ввода/вывода, другая программа может быть поставлена на выполнение. Мультипрограммирование позволяет повысить эффективность использования ресурсов ВС. При реализации мультизадачности существуют разные критерии эффективности: - пропускная способность – количество задач, выполняемых ВС в единицу времени; - удобство работы пользователей, заключающееся в их возможности работать в интерактивном режиме сразу с несколькими приложениями; - реактивность системы – способность системы выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском процесса и получением результата. В зависимости от выбранного критерия эффективности ОС делятся на системы пакетной обработки, системы разделения времени и системы реального времени. Некоторые операционные системы 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. §4.1.2.Мультипрограммирование в системах пакетной обработки. Системы пакетной обработки были разработаны в середине 1950-х годов и 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, что было следствием высокой стоимости машинного времени. Для достижения данной цели в системах пакетной обработки вначале формируется пакет заданий, предъявляющих различные требования к системным ресурсам. Далее из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения задачи выбираются так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины. Например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. При выполнении пакета заданий пока одна задача ожидает какого-либо события (завершения ввода-вывода, разблокирования файла, загрузки с диска недостающей страницы программы и т.п.), процессор не простаивает, как это происходит при последовательном выполнении программ, а выполняет другую задачу (рис. 4.1). Рис. 4.1. Диаграммы выполнения процессов А и В в однозадачном режиме (а) и многозадачном режиме (б) Общее время выполнения смеси задач оказывается меньше, чем их суммарное время последовательного выполнения. Однако выполнение отдельной задачи в мультипрограммном режиме может занять больше времени, чем при монопольном выделении процессора этой задаче. Действительно, при совместном использовании процессора в системе могут возникать ситуации, когда задача готова выполняться, но процессор занят выполнением другой задачи. В системах пакетной обработки переключение процессора с одной задачи на другую происходит по инициативе самой активной задачи. Поэтому существует высокая вероятность того, что одна задача может надолго занять процессор. Кроме того, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть выбирается " выгодное" задание. Следовательно, в ВС под управлением пакетных ОС невозможно гарантировать выполнение заданий в течение определенного периода времени. §4.1.3.Мультипрограммирование в системах разделения времени. Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки – изоляцию пользователя от процесса выполнения его задач. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно малым, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая " выгодна" системе. Кроме того, имеются дополнительные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Мультипрограммирование в системах реального времени. Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами (станок, спутник, научная экспериментальная установка) или технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.). Критерием эффективности для систем реального времени является их 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. 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. Если процессор должен опросить сотни потенциальных источников прерывания, то реакция системы будет слишком медленной. Время обработки прерывания в системах реального времени часто определяет требования к классу процессора даже при небольшой его загрузке. При проектировании ОС реального времени не стремятся максимально «загружать» все устройства ВС, а наоборот предусматривают некоторый запас мощности на случай пиковой загрузки, например, срабатывания множества датчиков в критической или аварийной ситуации.