что такое мультипрограммная вычислительная система
Что такое мультипрограммная вычислительная система
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]]. При этом должна обеспечиваться взаимная защита программ и данных, относящихся к различным задачам, а также возможность перехода от выполнения одной задачи к другой (переключение задач).
Базовыми понятиями мультипрограммного режима функционирования ЭВМ являются процесс и ресурс [[12]]
Процесс может находиться в следующих состояниях:
Понятие ресурса строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом [12].
Основные черты мультипрограммного режима :
Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной системы путем более равномерной и полной 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:
Пусть работа некоторого устройства q характеризуется диаграммой, приведенной на рис. 12.1.
Рис. 12.1. Оценка основных показателей использования аппаратных ресурсов
Тогда рассмотренные выше показатели работы этого устройства будут следующими:
Рис. 12.2. Порядок выполнение программ в мультипрограммной ЭВМ при Км = 2
| Программа | CPU1 | IN | CPU2 | OUT |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 1 | 4 | 2 |
| 2 | 2 | 2 | 1 | 3 |
| 3 | 4 | 3 | 3 | 1 |
| 4 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Характеристика | Км = 1 | Км = 2 | Км = 3 |
|---|---|---|---|
| Время выполнения программы Т1 | 9 | 10 | 10 |
| Время выполнения программы Т2 | 8 | 13 | 13 |
| Время выполнения программы Т3 | 11 | 11 | 19 |
| Время выполнения программы Т4 | 8 | 11 | 12 |
| Время выполнения всех программ ( Т ) | 36 | 24 | 22 |
| Пропускная способность ( П ) | 0,11 | 0,17 | 0,18 |
| kCPU | 0,56 | 0,83 | 0,91 |
| kIN | 0,22 | 0,33 | 0,36 |
| kOUT | 0,22 | 0,33 | 0,36 |
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.
Рис. 12.3. Зависимость основных характеристик работы мультипрограммной ЭВМ от коэффициента мультипрограммирования
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.
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.
Рассмотрим две активности, P и Q :
| P | Q |
|---|---|
| y=x+2 | z=x-3 |
| f=y-4 | f=z+1 |
Набор из этих двух активностей является:
Пусть в вычислительную систему поступают пять процессов различной длительности по следующей схеме:
| Номер процесса | Момент поступления в систему | Время исполнения |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 4 |
| 2 | 1 | 3 |
| 3 | 4 | 5 |
| 4 | 3 | 2 |
| 5 | 0 | 9 |
Чему равно среднее время ожидания процесса (waiting time) при использовании вытесняющего алгоритма SJF? При вычислениях считать, что процессы не совершают операций ввода-вывода, временем переключения контекста пренебречь.
В вычислительной системе моделируется движение самосвалов от карьера к заводу и обратно по дороге со стареньким мостом. Движение по мосту может осуществляться в обоих направлениях, но на нем не может быть одновременно более трех машин, иначе он рухнет. Каждый самосвал представлен программистом процессом следующей структуры:
Semaphore mutex = 1; Semaphore not_full = 0; Shared int n_on_bridge = 0; Процесс i-й самосвал: While (1)
Что может произойти в результате такого моделирования?
Рассмотрим две активности, P и Q :
| P | Q |
|---|---|
| y=x+1 | z=x-3 |
| f=y-4 | f=z+1 |
Набор из этих двух активностей является:
Для некоторого процесса известна следующая строка запросов страниц памяти
7, 1, 2, 3, 2, 4, 2, 1, 0, 3, 7, 2, 1, 2, 7, 1, 7, 2, 3.
Сколько ситуаций отказа страницы (page fault) возникнет для данного процесса при использовании алгоритма замещения страниц FIFO (First Input First Output) и трех страничных кадрах?
Предположим, что в системе, где работают три пользователя, имеется 11 ресурсов, а потребность пользователей в ресурсах описывается следующей таблицей
| Максимальная потребность в ресурсах | Выделенное пользователям количество ресурсов | |
|---|---|---|
| Первый пользователь | 8 | 5 |
| Второй пользователь | 11 | 3 |
| Третий пользователь | 3 | 1 |
Это состояние является
Для некоторого процесса известна следующая строка запросов страниц памяти
7, 1, 2, 3, 2, 4, 2, 1, 0, 3, 7, 2, 1, 2, 7, 1, 7, 2, 3.
Сколько ситуаций отказа страницы (page fault) возникнет для данного процесса при использовании алгоритма замещения страниц LRU (the Least Recently Used) и трех страничных кадрах?
Пусть в вычислительную систему поступают пять процессов различной длительности по следующей схеме:
| Номер процесса | Момент поступления в систему | Время исполнения |
|---|---|---|
| 1 | 2 | 4 |
| 2 | 1 | 3 |
| 3 | 4 | 5 |
| 4 | 3 | 2 |
| 5 | 0 | 9 |
Чему равно среднее время ожидания процесса (waiting time) при использовании вытесняющего алгоритма SJF? При вычислениях считать, что процессы не совершают операций ввода-вывода, временем переключения контекста пренебречь.
В вычислительной системе моделируется движение самосвалов от карьера к заводу и обратно по дороге со стареньким мостом. Движение по мосту может осуществляться в обоих направлениях, но на нем не может быть одновременно более трех машин, иначе он рухнет. Каждый самосвал представлен программистом процессом следующей структуры:
Что может произойти в результате такого моделирования?
Для некоторого процесса известна следующая строка запросов страниц памяти
7, 1, 2, 3, 2, 4, 2, 1, 0, 3, 7, 2, 1, 2, 7, 1, 7, 2, 3.
Сколько ситуаций отказа страницы (page fault) возникнет для данного процесса при использовании алгоритма замещения страниц OPT (оптимальный алгоритм) и трех страничных кадрах?
В вычислительной системе со страничной организацией памяти и 32-х битовым адресом размер страницы составляет 8 Mбайт. Для некоторого процесса таблица страниц в этой системе имеет вид:
| Номер страницы | Адрес начала страницы |
|---|---|
| 1 | 0x00000000 |
| 2 | 0x02000000 |
| 5 | 0x06000000 |
| 6 | 0x10000000 |
Пусть в вычислительную систему поступают пять процессов различной длительности с разными приоритетами по следующей схеме:
| Номер процесса | Момент поступления в систему | Время исполнения | Приоритет |
|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 10 | 1 |
| 2 | 6 | 4 | 0 |
| 3 | 0 | 4 | 3 |
| 4 | 2 | 1 | 4 |
| 5 | 4 | 3 | 2 |
Чему равно среднее время между стартом процесса и его завершением (turnaround time) при использовании вытесняющего приоритетного планирования? При вычислениях считать, что процессы не совершают операций ввода-вывода, временем переключения контекста пренебречь. Наивысшим приоритетом является приоритет 0.
Что может произойти в результате такого моделирования?
Организация вычислительного процесса
5.1. Концепция процессов и потоков. Задание, процессы, потоки (нити), волокна
Задачей ОС является управление процессами и ресурсами компьютера или, точнее, организация рационального использования ресурсов в интересах наиболее эффективного выполнения процессов. Для решения этой задачи операционная система должна располагать информацией о текущем состоянии каждого процесса и ресурса. Универсальный подход к предоставлению такой информации заключается в создании и поддержке таблиц с информацией по каждому объекту управления.
Общее представление об этом можно получить из рис. 5.1, на котором показаны таблицы, поддерживаемые операционной системой: для памяти, устройств ввода-вывода, файлов (программ и данных) и процессов. Хотя детали таких таблиц в разных ОС могут отличаться, по сути, все они поддерживают информацию по этим четырем категориям. Располагающий одними и теми же аппаратными ресурсами, но управляемый различными ОС, компьютер может работать с разной степенью эффективности. Наибольшие сложности в управлении ресурсами компьютера возникают в мультипрограммных ОС.
Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX ). В некоторых современных ОС такое положение сохранилось, т.е. понятие » поток » полностью поглощается понятием «процесс».
Взаимосвязь между заданиями, процессами и потоками показана на рис. 5.2.
Таким образом, существует иерархия рабочих единиц операционной системы, которая применительно к Windows выглядит следующим образом (рис. 5.3).
Поэтому прежде чем переходить к рассмотрению современных принципов управления процессором, процессами и потоками, следует остановиться на основных принципах мультипрограммирования.
5.2. Мультипрограммирование. Формы многопрограммной работы
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов [11]. Максимальная пропускная способность компьютера достигается в этом случае минимизацией простоев его устройств и прежде всего процессора. Для достижения этой цели пакет заданий формируется так, чтобы получающаяся мультипрограммная смесь сбалансированно загружала все устройства машины. Например, в такой смеси желательно присутствие задач вычислительного характера и с интенсивным вводом-выводом. Однако в этом случае трудно гарантировать сроки выполнения того или иного задания.
В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении (рис. 5.4).
Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог (рис. 5.5) со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.
Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии.
В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование, троирование с мажоритарным элементом и др.).
Интересная форма мультипрограммной работы связана с мультипроцессорной обработкой. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системе с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы. Концепция мультипроцессирования не нова, она известна с 70-х годов, однако стала доступной в широком масштабе лишь в последнее десятилетие, особенно с появлением многопроцессорных ПК (часто в качестве серверов ЛВС ).
Мультипроцессорные системы часто характеризуют как симметричные и как несимметричные. Эти термины относятся, с одной стороны, к архитектуре вычислительной системы, а с другой – к способу организации вычислительного процесса.
Масштабирование в таких системах реализуется иначе, поскольку отсутствует требование единого корпуса. Система может состоять из нескольких устройств, каждое из которых содержит один или несколько процессоров. Масштабирование в данном случае называют горизонтальным, а мультипроцессорную систему – кластерной. В кластерной системе может быть реализовано только асимметричное мультипроцессирование с организацией вычислительного процесса по принципу «ведущий – ведомый». Этот наиболее простой способ может быть использован и в вычислительных системах с симметричной архитектурой. В таких системах ОС работает на одном процессоре, который называется ведущим и организует централизованное управление вычислительным процессом и распределением всех ресурсов системы.
Организация вычислительного процесса
5.1. Концепция процессов и потоков. Задание, процессы, потоки (нити), волокна
Задачей ОС является управление процессами и ресурсами компьютера или, точнее, организация рационального использования ресурсов в интересах наиболее эффективного выполнения процессов. Для решения этой задачи операционная система должна располагать информацией о текущем состоянии каждого процесса и ресурса. Универсальный подход к предоставлению такой информации заключается в создании и поддержке таблиц с информацией по каждому объекту управления.
Общее представление об этом можно получить из рис. 5.1, на котором показаны таблицы, поддерживаемые операционной системой: для памяти, устройств ввода-вывода, файлов (программ и данных) и процессов. Хотя детали таких таблиц в разных ОС могут отличаться, по сути, все они поддерживают информацию по этим четырем категориям. Располагающий одними и теми же аппаратными ресурсами, но управляемый различными ОС, компьютер может работать с разной степенью эффективности. Наибольшие сложности в управлении ресурсами компьютера возникают в мультипрограммных ОС.
Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX ). В некоторых современных ОС такое положение сохранилось, т.е. понятие » поток » полностью поглощается понятием «процесс».
Взаимосвязь между заданиями, процессами и потоками показана на рис. 5.2.
Таким образом, существует иерархия рабочих единиц операционной системы, которая применительно к Windows выглядит следующим образом (рис. 5.3).
Поэтому прежде чем переходить к рассмотрению современных принципов управления процессором, процессами и потоками, следует остановиться на основных принципах мультипрограммирования.
5.2. Мультипрограммирование. Формы многопрограммной работы
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов [11]. Максимальная пропускная способность компьютера достигается в этом случае минимизацией простоев его устройств и прежде всего процессора. Для достижения этой цели пакет заданий формируется так, чтобы получающаяся мультипрограммная смесь сбалансированно загружала все устройства машины. Например, в такой смеси желательно присутствие задач вычислительного характера и с интенсивным вводом-выводом. Однако в этом случае трудно гарантировать сроки выполнения того или иного задания.
В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении (рис. 5.4).
Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог (рис. 5.5) со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.
Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии.
В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование, троирование с мажоритарным элементом и др.).
Интересная форма мультипрограммной работы связана с мультипроцессорной обработкой. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системе с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы. Концепция мультипроцессирования не нова, она известна с 70-х годов, однако стала доступной в широком масштабе лишь в последнее десятилетие, особенно с появлением многопроцессорных ПК (часто в качестве серверов ЛВС ).
Мультипроцессорные системы часто характеризуют как симметричные и как несимметричные. Эти термины относятся, с одной стороны, к архитектуре вычислительной системы, а с другой – к способу организации вычислительного процесса.
Масштабирование в таких системах реализуется иначе, поскольку отсутствует требование единого корпуса. Система может состоять из нескольких устройств, каждое из которых содержит один или несколько процессоров. Масштабирование в данном случае называют горизонтальным, а мультипроцессорную систему – кластерной. В кластерной системе может быть реализовано только асимметричное мультипроцессирование с организацией вычислительного процесса по принципу «ведущий – ведомый». Этот наиболее простой способ может быть использован и в вычислительных системах с симметричной архитектурой. В таких системах ОС работает на одном процессоре, который называется ведущим и организует централизованное управление вычислительным процессом и распределением всех ресурсов системы.
Организация вычислительного процесса
5.1. Концепция процессов и потоков. Задание, процессы, потоки (нити), волокна
Задачей ОС является управление процессами и ресурсами компьютера или, точнее, организация рационального использования ресурсов в интересах наиболее эффективного выполнения процессов. Для решения этой задачи операционная система должна располагать информацией о текущем состоянии каждого процесса и ресурса. Универсальный подход к предоставлению такой информации заключается в создании и поддержке таблиц с информацией по каждому объекту управления.
Общее представление об этом можно получить из рис. 5.1, на котором показаны таблицы, поддерживаемые операционной системой: для памяти, устройств ввода-вывода, файлов (программ и данных) и процессов. Хотя детали таких таблиц в разных ОС могут отличаться, по сути, все они поддерживают информацию по этим четырем категориям. Располагающий одними и теми же аппаратными ресурсами, но управляемый различными ОС, компьютер может работать с разной степенью эффективности. Наибольшие сложности в управлении ресурсами компьютера возникают в мультипрограммных ОС.
Процессы рассматриваются операционной системой как заявки или контейнеры для всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Это важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд. Каждый процесс начинается с одного потока, но новые потоки могут создаваться (порождаться) процессом динамически. В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие «процесс» до середины 80-х годов (например, в ранних версиях UNIX ). В некоторых современных ОС такое положение сохранилось, т.е. понятие » поток » полностью поглощается понятием «процесс».
Взаимосвязь между заданиями, процессами и потоками показана на рис. 5.2.
Таким образом, существует иерархия рабочих единиц операционной системы, которая применительно к Windows выглядит следующим образом (рис. 5.3).
Поэтому прежде чем переходить к рассмотрению современных принципов управления процессором, процессами и потоками, следует остановиться на основных принципах мультипрограммирования.
5.2. Мультипрограммирование. Формы многопрограммной работы
Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов [11]. Максимальная пропускная способность компьютера достигается в этом случае минимизацией простоев его устройств и прежде всего процессора. Для достижения этой цели пакет заданий формируется так, чтобы получающаяся мультипрограммная смесь сбалансированно загружала все устройства машины. Например, в такой смеси желательно присутствие задач вычислительного характера и с интенсивным вводом-выводом. Однако в этом случае трудно гарантировать сроки выполнения того или иного задания.
В благоприятных случаях общее время выполнения смеси задач меньше, чем суммарное время их последовательного выполнения. При этом времени выполнения отдельной задачи может быть затрачено больше, чем при монопольном ее выполнении (рис. 5.4).
Всем приложениям попеременно выделяются кванты времени процессора, таким образом, пользователи, запустившие программы на выполнение, получают возможность поддерживать с ними диалог (рис. 5.5) со своего терминала. Если время кванта выбрано достаточно небольшим, то у всех пользователей складывается впечатление единоличной работы на машине.
Системы реального времени предназначены для управления техническими объектами (спутник, ракета, атомные электростанции, станок, научная установка и др.), технологическими процессами (гальваническая линия, доменный процесс и т.п.), системами обслуживания разного рода (резервирование авиабилетов, оплата покупок и счетов и др.). Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа управления объектом. В противном случае возможны нежелательные последствия вплоть до аварии.
В системе реального времени обычно закладывается запас вычислительной мощности на случай пиковой нагрузки, а также принимаются меры обеспечения высокой надежности работы системы (резервирование, дублирование, троирование с мажоритарным элементом и др.).
Интересная форма мультипрограммной работы связана с мультипроцессорной обработкой. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислительного процесса в системе с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, потоков) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы. Концепция мультипроцессирования не нова, она известна с 70-х годов, однако стала доступной в широком масштабе лишь в последнее десятилетие, особенно с появлением многопроцессорных ПК (часто в качестве серверов ЛВС ).
Мультипроцессорные системы часто характеризуют как симметричные и как несимметричные. Эти термины относятся, с одной стороны, к архитектуре вычислительной системы, а с другой – к способу организации вычислительного процесса.
Масштабирование в таких системах реализуется иначе, поскольку отсутствует требование единого корпуса. Система может состоять из нескольких устройств, каждое из которых содержит один или несколько процессоров. Масштабирование в данном случае называют горизонтальным, а мультипроцессорную систему – кластерной. В кластерной системе может быть реализовано только асимметричное мультипроцессирование с организацией вычислительного процесса по принципу «ведущий – ведомый». Этот наиболее простой способ может быть использован и в вычислительных системах с симметричной архитектурой. В таких системах ОС работает на одном процессоре, который называется ведущим и организует централизованное управление вычислительным процессом и распределением всех ресурсов системы.