Основные характеристики мультипрограммного режима работы ЭВМ

Мультипрограммным режимом работы (многозадачностью) называется такой способ организации работы системы, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких процессов обработки информации (задач) [4].

Мультипрограммирование позволяет повысить производительность работы ЭВМ за счет более эффективного использования ее ресурсов.

Базовыми понятиями мультипрограммного режима функционирования ЭВМ являются процесс и ресурс [12].

В строгом понимании п роцесс – это система действий, реализующая определенную функцию в вычислительной системе и оформленная так, что управляющая программа вычислительной системы может перераспределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мультипрограммирования. То есть процесс – это некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре.

Процесс может находиться в следующих состояниях:

а) порождение – подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре;

б) активное состояние – исполнение программы на центральном процессоре;

в) готовность (Ready – программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора;

г) исполнение программы на каком-либо другом устройстве компьютера;

д) ожидание (Wait) – программа не исполняется по причине занятости какого-либо ресурса;

е) окончание – нормальное или аварийное завершение исполнения программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются.

Время между порождением и окончанием процесса называется интервалом существования процесса.

Понятие ресурса строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом.

Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпаемыми и неисчерпаемыми. К исчерпаемым ресурсам относится центральный процессор. В качестве неисчерпаемого ресурса можно представить, например, память, выделяемую программе, если рассматривать ее как совокупность всех имеющихся в компьютере запоминающих устройств. В то же время, запоминающее устройство, состоящее только из оперативной памяти, представляет собой исчерпаемый ресурс.

Исчерпаемость ресурса, как правило, приводит к конфликтам среди потребителей этого ресурса. Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределятся между потребителями по каким-то правилам, в наибольшей степени их удовлетворяющим.

Основные черты мультипрограммного режима:

в оперативной памяти находятся несколько пользовательских программ в состояниях активности, ожидания или готовности;

время работы процессора разделяется между программами, находящимися в памяти в состоянии готовности;

параллельно с работой процессора происходит подготовка и обмен с несколькими устройствами ввода-вывода.

Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной системы путем более равномерной и плотной загрузки всего ее оборудования, в первую очередь процессора. При этом скорость работы самого процессора и номинальная производительность ЭВМ не зависят от мультипрограммирования.

Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и программную поддержку:

аппаратная:

контроллеры устройств ввода-вывода, которые могут работать параллельно с процессором;

система прерывания;

система защиты программ и данных и т. п.;

программная:

мультизадачная операционная система (ОС);

системные программы, управляющие работой устройств ввода-вывода и специализированных вычислительных средств компьютера.

Управляющая программа (ОС), реализуя мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе динамически) ресурсы сис­темы (время процессора, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода и т. д.) между параллельно выполняемыми программами, чтобы обеспечить увеличение пропускной способности компьютера с учетом ограничений на ресурсы и требований по срочности выполнения отдельных программ.

Производительность мультипрограммной ЭВМ оценивается количеством задач, выполненных в единицу времени (пропускная способность) и временем выполнения каждой программы Тi.

При анализе работы ЭВМ важно определить степень использования ее ресурсов. Для этого широко применяются следующие показатели:

k_q – коэффициент загрузки устройства; , где T_q – время занятости устройства q за общее время T работы ЭВМ; – средняя длина очереди запросов к устройству q, где – длина очереди к устройству q на интервале времени и .

Пусть работа некоторого устройства q характеризуется диаграммой, приведенной на рис.5.1.

; .

Помимо средней длины очереди важна также и динамика изменения текущей длины очереди.

По значениям k_q, L_q и динамике изменения L_q можно определить наиболее дефицитный ресурс в системе, ее " узкое место".

Устранить " узкие места" можно или увеличением производительности соответствующего ресурса, или выбором такой смеси задач, которая обеспечивала бы более равномерное использование всех ресурсов (например, одни задачи более активно используют процессор (счетные задачи), другие – жесткий диск (работа с базами данных), третьи – устройства ввода-вывода).

Работа мультипрограммной ЭВМ в большой степени зависит от коэффициента мультипрограммирования (Км) – количества программ, которое может одновременно обрабатываться в мультипрограммном режиме.

Пример выполнения программ в мультипрограммном режиме при Км=2 представлен на рис.5.2. Предполагается, что выполнение каждой программы включает следующую последовательность действий: счет1 – ввод – счет2 –вывод. Счет выполняется на процессоре (CPU), для ввода и вывода данных используются отдельные внешние устройства (IN и OUT).

Рис.5.2. Порядок выполнение программ в мультипрограммной ЭВМ при Км = 2

Времена выполнения соответствующих блоков программ заданы в табл.5.1.

Таблица 5.1

На графике помечены номера программ, которые в данный момент занимают тот или иной ресурс.

Если построить аналогичные графики для ЭВМ, работающей с различными коэффициентами мультипрограммирования, то получим следующие сравнительные характеристики работы ЭВМ для рассматриваемого пакета программ (табл.5.2).

Таблица 5.2

Под временем выполнения программы понимается время, прошедшее от начала выполнения программы или ее постановки в очередь к процессору, до ее завершения, а время выполнения всех программ определяется моментом завершения выполнения последней программы пакета.

При увеличении коэффициента мультипрограммирования изменение значений показателей эффективности зависит от того, в каком состоянии находится система: перегрузки или недогрузки. Если какие-либо ресурсы ЭВМ используются достаточно интенсивно, то до­бав­ление новой программы, активно использующей эти ресурсы, будет малоэффективным. Очевидно, что зависимость пропускной способности (П), времени выполнения каждой программы (Тi) и времени выполнения всего пакета программ (Т) от коэффициента мультипрограммирования будет иметь вид, представленный на рис.5.3.

В мультипрограммной ЭВМ ресурсы могут распределяться как на статической, так и на динамической основе. В первом случае ресурсы распределяются до момента порождения процесса и являются для него постоянными. Освобождение ресурсов, занятых каким-либо процессом, происходит только в момент окончания этого процесса.

При динамическом распределении ресурсы выделяются процессу по мере его развития.

Распределение на статической основе способствует наиболее быстрому развитию процессов в системе с момента их порождения. Распределение же ресурсов на динамической основе позволяет обеспечить эффективное использование ресурсов с точки зрения минимизации их простоев.

Схема статического распределения используется в том случае, когда необходимо гарантировать выполнение процесса с момента его порождения. В качестве недостатка этого подхода следует отметить возможность длительных задержек заявок на порождение процесса с момента поступления таких заявок в систему, так как необходимо ожидать освобождения всех требуемых заявке ресурсов и только при наличии их полного состава порождать процесс. Часто распределение ресурсов с использованием исключительно статического принципа приводит фактически к однопрограммному режиму работы.

При динамическом распределении стремление уменьшить простои ресурсов приводит к увеличению сложности системы распределения ресурсов и, как следствие, к увеличению системных затрат на управление процессами. Поэтому необходим компромисс между сложностью алгоритмов планирования распределения ресурсов и эффективностью выполнения пакета задач.

Ресурсы разделяются на физические и виртуальные.

Под физическим понимают ресурс, который реально существует и при распределении его между пользователями обладает всеми присущими ему физическими характеристиками.

Виртуальный ресурс – это некоторая модель, которая строится на базе физического ресурса, имеет расширенные функциональные возможности по отношению к физическому ресурсу, на базе которого он создан, или обладает некоторыми дополнительными свойствами, которых физический ресурс не имеет.

Например, расширенные функциональные возможности имеет виртуальная память, представляющаяся как запоминающее устройство, имеющее больший объем, чем физическая. Дополнительные свойства имеет виртуальный процессор, одновременно обрабатывающий несколько задач.