УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОРАМИ И ЗАДАНИЯМИ В ОДНОПРОЦЕССОРНОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ
Подсистемы управления процессорами и заданиями в ОС выполняют сходные функции: планирование загрузки процессоров и планирование загрузки вычислительных комплексов, имеют сходные механизмы планирования, работающие на разных уровнях - процессов и заданий пользователя соответственно.
В однопроцессорной ЭВМ подсистема управления процессорами выполняет единственную функцию - диспетчирования процессов, то есть планирует загрузку ЦП.
Подсистема управления заданиями управляет прохождением заданий в ВС и выполняет следующие функции:
1.Предоставление языковых средств управления работами в вычислительной системе (Job Control Language (JCL) в ОС ЕС ЭВМ, Shell в UNIX).
2.Ввод и интерпретация заданий/команд.
3.Выделение и освобождение необходимых ресурсов.
4.Планирование заданий на выполнение.
5.Сбор и предоставление информации о состоянии заданий.
В однопроцессорном вычислительном комплексе существует три основных уровня планирования:
1.Планирование на верхнем уровне или планирование заданий.
На этом уровне осуществляется выбор заданий пользователем для выполнения и их запуск. Выбранные задания становятся готовыми процессами. Эту работу выполняет системный компонент - планировщик заданий.
2.Планирование на нижнем уровне или диспетчирование процессов.
Здесь осуществляется выбор готового процесса для выполнения, то есть предоставление ему ЦП. Выбранный процесс становится активным. Эту работу выполняет системный компонент - диспетчер.
3.Планирование на промежуточном уровне.
На данном уровне определяется, каким процессам будет разрешено состязаться за захват ЦП, то есть быть готовыми, и какие процессы будут кратковременно приостановлены (задержаны) для оптимизации загрузки системы. Промежуточное планирование управляет текущей производительностью вычислительной системы.
В соответствии с тремя уровнями планирования, из которых два обязательны, существует двух и трехуровневые системы планирования.
Типичная двухуровневая система планирования представлена на рис.8.1.
Современной тенденцией развития вычислительной техники является построение вычислительных комплексов, содержащих несколько ЦП, называемых мультипроцессорными вычислительными системами. Мультипроцессорная обработка – это способ организации вычислений в системах с несколькими процессорами, при котором несколько задач (процессов, нитей) могут одновременно выполняться на разных процессорах системы.
Целью построения мультипроцессорных вычислительных систем является:
-
повышение производительности вычислительных систем;
- повышение надежности и коэффициента готовности вычислительной системы.
Существует два вида мультипроцессорных вычислительных систем:
1. Мультипроцессорные вычислительные системы со слабо связанными процессорами, называемые многомашинными комплексами, которые предусматривают соединение двух или более вычислительных машин при помощи канала связи и/или внешней памяти (рис.9.1).
Рис. 9.1. Системы со слабо связанными процессорами
2. Мультипроцессорные системы с сильно связанными процессорами, называющиеся многопроцессорными вычислительными комплексами, которые имеют единую ОП, коллективно используемую несколькими ЦП (рис.9.2).
Рис.9.2. Мультипроцессорная система
Мультипроцессорная организация системы приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.
Например, необходимо планировать процессы не для одного, а для нескольких процессоров, что гораздо сложнее. Сложности возрастают при возрастании количества конфликтов по обращению к устройствам ввода/вывода, данным общей памяти и совместно используемым программам. Все эти проблемы должны решать ОС путем синхронизации, ведения очередей, планирования процессов.
Итак, в отличие от однопроцессорных ОС, подсистемы управления процессами и заданиями должны выполнять следующие основные функции:
- организацию взаимодействия центральных процессоров (синхронизация);
- управление загрузкой процессоров (диспетчирование).
Рис.8.1. Двухуровневая процедура планирования
Двухуровневая процедура вводится в системах с ограниченным мультипрограммированием, что определяется ограниченными ресурсами и производительностью вычислительной системы. Это основная схема для ВС с реальной ОП без поддержки систем реального времени (СРВ).
В вычислительных системах с ВП, допускающих неограниченный уровень мультипрограммирования и СРВ, требующих высокой реактивности системы, используется трехуровневая система планирования, представленная на рис.8.2.
Рис. 8.2. Трехуровневая система планирования
Эффективное планирование заданий и процессов является сложной проблемой, поскольку должно учитываться много противоречивых требований, таких, как:
-
cправедливость;
- максимальная пропускная способность;
- приемлемое время ответа для максимального числа интерактивных пользователей;
- предсказуемость (задание должно выполняться примерно за одно время независимо от загрузки вычислительной системы);
- минимум накладных расходов на выполнение планирования;
- сбалансированность использования ресурсов;
- исключение бесконечного откладывания;
- учет приоритетов;
- отдавать предпочтение процессам, занимающим ключевые ресурсы;
- плавная деградация при увеличении нагрузок.
Для того чтобы реализовать перечисленные требования, механизм планирования должен знать и учитывать следующие факторы:
- является ли процесс обменным (активно использующим операции ввода/вывода) или вычислительным (активно использующим процессор);
- является ли процесс пакетным или диалоговым;
- уровень реактивности интерактивного процесса;
- приоритетность процесса;
- частоту прерываний по отсутствию нужной страницы;
- частоту прерывания с низкого приоритета на высокий;
- длительность периода ожиданий ЦП процесса;
- суммарное использование времени ЦП и оценочное время, необходимое для завершения.
Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на приоритетах, и алгоритмы, основанные на квантовании.
В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если::
1)процесс завершился и покинул систему;
2)произошла ошибка;
3)процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ4
4)исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.
Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение, в соответствии с определенным правилом, выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени.
Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании.
По - разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).
Многие современные системы планирования основываются на системе приоритетов, которая воплощается в соответствующих дисциплинах планирования. Приоритет - это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.
Приоритеты подразделяются на статические, назначаемые извне системы администрацией ВЦ, и динамические, присваиваемые системой автоматически в соответствии с поведением, потребностями в ресурсах и прочими характеристиками процессов.
Начальные значения динамических приоритетов обычно устанавливаются на основе статического, но действуют в течение короткого времени. Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.
В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По-разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.
Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.
Для установления значений приоритетов заданий и процессов используются следующие дисциплины планирования и их различные комбинации:
1. Планирование по сроку завершения, гарантирующее выполнение задания в назначенное время. Это сложная проблема в мультипрограммных системах, поскольку пользователь должен точно указать все требуемые ресурсы. Необходимо активное управление ресурсами, что связано с высокими накладными расходами. Недостаток: несправедливо к другим пользователям (протекционизм).
2. Планирование по принципу FIFO, где ЦП предоставляется процессам в порядке готовности, и они выполняются до завершения или блокировки. Это самая простая дисциплина планирования - фактически без переключения ЦП. Формально - справедливый принцип, но фактически не справедлив, так как длинные задания заставляют ждать короткие. Менее важные - заставляют ждать более важные. Характеризуется небольшим колебанием времени выполнения и большей предсказуемостью, нежели другие дисциплины. Используется только в пакетных системах, обычно в комбинации с другими дисциплинами и не гарантирует реактивности системы.
3. Циклическое, или круговое планирование, где каждому готовому процессу в цикле представляется квант времени. По истечении кванта времени процесс переходит в конец очереди готовых процессов. При блокировке квант теряется. Эффективно для СРВ, так как гарантирует приемлемое время ответа для всех интерактивных пользователей. Основная проблема выбора - оптимальный размер кванта. Стараются выбрать такой размер, чтобы большинство рядовых запросов обслуживалось за один квант.
4. Планирование по принципу - "кратчайшее задание - первым" или "по наименьшему оставшемуся времени выполнения". Максимальный приоритет назначается процессу либо заданию с минимальным оценочным временем до завершения. Недостаток: время ожидания на большие задания растет; большие издержки на регистрацию истекшего времени обслуживания.
Достоинство: сокращение очередей заданий и ожидающих процессов; стремится к минимальному времени ожиданий для заданий.
5. Планирование по времени нахождения в системе, в которой приоритет есть функция времени обслуживания и времени ожидания.
Приоритет =
Приоритет отдает меньшее предпочтение коротким заданиям и без предубеждения относится к длинным. Чем реже процесс получает ЦП, тем выше его приоритет. Задания с вводом/выводом повышают приоритет.
6. Сеть многоуровневых очередей с обратными связями (рис.8.3), которая имеет следующие достоинства:
- определяет характер процессов и разделяет на соответствующие категории;
- отдает предпочтение коротким процессам;
- отдает предпочтение обменным процессам с хорошим коэффициентом использования устройств ввода/вывода. Это наиболее совершенный и сложный механизм планирования.
Рис. 8.3. Сеть многоуровневых очередей
Сеть представляет собой упорядоченную структуру очередей готовых процессов, работающих с различными дисциплинами обслуживания. Каждый процесс входит в сеть очередей с конца верхней очереди и перемещается по FIFO пока не получит ЦП. Процесс выполняется. Если в течение кванта процесс запросил выполнение операции ввода/вывода, то он после завершения операции будет установлен в очередь готовых процессов текущего уровня. Если в течение выделенного кванта времени процесс не завершился, то он устанавливется в очередь готовых процессов следующего уровня, у которого понижен приоритет и увеличен квант времени. Таким образом, чем больше время работы процесса, тем больший квант времени выделяется, но меньше приоритет, что приводит к получению ЦП реже, но на более длительный период.
Таким образом, сеть многоуровневых очередей - это адаптивный механизм планирования, который реагирует на изменение поведения системы.
В ОС OS/2, UNIX приоритеты устанавливаются с помощью класса приоритета и уровня приоритета в классе.Есть три класса приоритета и 32 различных уровня приоритета для класса.
Существует три класса приоритета:
критический или высокий - для программ управления процессом или связью с другими компьютерами;
обыкновенный - для большинства программ пользователя;
запасной или низкий - задачи и процессы из этого класса выполняются, если в очереди нет критических или обыкновенных задач.
Существует несколько способов взаимодействия ЦП:
1. Вычислительный комплекс и ОС с подчиненными процессорами
- асимметричное мультипроцессирование (один главный процессор и несколько подчиненных).
2. Вычислительный комплекс и ОС с равноправными процессорами.
3. Вычислительный комплекс и ОС с симметричной организацией - симметричное мультипроцессирование.
В мультипроцессорных системах с подчиненными процессорами один ЦП является главным, остальные - подчиненными (ведущий - ведомые). Это самая простая организация не намного сложнее однопроцессорной системы. Операционная система выполняется только на главном процессоре. Этот ЦП осуществляет ввод-вывод и управляет загрузкой подчиненных процессоров. Подчиненные процессоры выполняют только программы пользователя. Узкое место - главный процессор. Он должен иметь большую мощность (производительность), чем подчиненные процессоры, чтобы последние не простаивали.
В мультипроцессорной системе с равноправными процессорами каждый ЦП имеет собственную ОС и управляет собственными ресурсами и устройствами ввода/вывода по типу многомашинных комплексов. В такой организации для управления всей системы существуют таблицы с глобальной системной информацией, доступ к которой строго контролируется методом взаимного исключения. Каждый ЦП берет из общей операции задание и выполняет его до завершения. Во время исполнения взаимодействие между ЦП не предусматривается. Данную систему характеризует высокая надежность, но не достаточно высокий уровень распараллеливания.
Симметричная организация мультипроцессорной системы наиболее сложна и эффективна. Здесь все ЦП - идентичны. Каждый из них может управлять работой любого периферийного устройства и обращаться к любому устройству памяти. В таких системах в общей области памяти существует две очереди: очередь готовых процессов и очередь готовых процессоров.
В любой момент времени любой готовый процесс может выполняться на любом готовом процессоре.
Процессы во время своего исполнения мигрируют между ЦП. ОС также перемещается по процессорам, но в каждый момент времени может находиться только на одном процессоре.
Симметричное мультипроцессирование реализуется общей для всех процессоров ОС. Все процессы равноправно участвуют в управлении вычислительным процессом и в выполнении прикладных задач. Например, сигнал прерывания от устройства, на которое выводит данные прикладной процесс, выполняемый на некотором процессоре, может быть обработан совсем другим процессором.
Разные процессоры могут в какой-то момент времени выполнять как разные, так и одинаковые модули общей ОС. Для этого программные модули ОС должны обладать свойством повторной входимости – реентерабельности. ОС полностью децентрализована. Освободившийся процессор сам запускает планировщик задач, который выбирает из общей системной очереди задачу для выполнения. Все ресурсы выделяются для задачи по мере потребности и не закрепляются за процессором. При таком подходе все процессоры работают с одной и той же динамически выравниваемой загрузкой. В решении одной задачи могут участвовать сразу несколько процессоров, если она допускает распараллеливание, например, путем предоставления нескольких нитей (потоков для WINDOWS NT фирмы Microsoft, UNIX - SOLARIS компании Sun, базирующийся на UNIX System V Release 4).
Достоинства этой организации:
- высокая надежность (отказ одного из ЦП исключает его из очереди готовых процессоров);
- сбалансированная загрузка ЦП;
- лучшее использование ресурсов.
Недостаток - возрастает число конфликтов по системному обслуживанию, так как ОС имеется только в одном экземпляре.
Фирма COMPAQ, сотрудничая с NOVELL, выпустила OS-NETWARE from COMPAQ.
SCO UNIX оптимизирована под серверы COMPAQ и поддерживает многопроцессорность с помощью утилиты SCO MPX, которая эффективно использует симметричную многопроцессорную архитектуру.
Рассмотрим архитектуру двухпроцессорной вычислительной системы фирмы COMPAQ. В основу решения положены два принципа:
- пропускная способность шины должна превышать сумму пропускных способностей всех подключенных к ней компонент;
- как следствие, компонента, готовая передать данные, не должна ждать.
Первое - за счет наращивания разрядности шин. Второе - за счет кэширования. Первоначально IBM PC/XT/AT имели один 8/16 - разрядный канал передачи данных, к которому посредством шины подключались все основные компоненты системы: процессор, память, устройство ввода/вывода (рис. 9.3)
Рис.9.3 Архитектура однопроцессорной системы
По сути, канал представляет собой расширение шины процессора, и повышение производительности канала за счет применения новых, более быстродействующих процессоров оказалось невозможным из-за сохранения совместимости с существующими устройствами, рассчитанными на работу с 8 МГц шиной ISA. Шина стала «узким местом» и ограничивала скорость доступа ЦП к памяти.
