Назначение операционной системы

   При мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не сможет быть выполнен быстрее, чем бы он был выполнен при однопрограммном  режиме.

  ОС  поддерживает мультипрограммирование и старается эффективно использовать ресурсы, путем организации к  ним очередей запроса, которые составляются тем или иным способом. Это требование достигается содержанием в памяти более одного процесса ожидающего процессор  и более одного процесса готового использовать другие ресурсы. Общая  схема выделения ресурсов такова: при необходимости использовать какой либо ресурс, ОЗУ, устройство ввода/вывода процесс обращается к супервизору ОС. Супервизор ОС – центральный управляющий модуль ОС, который может состоять из нескольких модулей например супервизор ввода/вывода, супервизор прерываний, супервизор программ, диспетчер задач и т. п.

  Задача  посредством специальных вызовов  команд или директив сообщает о своем  требовании супервизору ОС, при  этом указывается вид ресурса и если надо его объем. Директива обращения к ОС передает ей управление, переводя процессор в привилегированный режим работы (если такой существует).

  Не  все ОС имеют 2 режима работы. Режимы работы бывают привилегированными (режим  супервизора), пользовательскими, режим  эмуляции.

  Ресурс  может быть выдан задаче по ее запросу  если:

  1 Ресурс свободен и в системе  нет запросов от задач более  высокого приоритета к этому  ресурсу.

  2 Текущий запрос и ранее полуученый  запросы допускают совместное  использование ресурса.

  3 Ресурс используется задачей  более низкого приоритета и  может быть временно отобран.

  Получив запрос, ОС либо удовлетворяет его  и возвращает управление задаче, выдавшей сей запрос, либо, если ресурс занят, ставит задачу в очередь к ресурсу. Переводя задачу в состояние ожидания (блокируя) очередь к ресурсу может быть организованна несколькими способами. Но чаще всего с помощью специальной структуры. После окончания работы с ресурсом задача опять с помощью специального вызова супервизора сообщает ОС об отказе от ресурса. Или ОС забирает ресурс сама, если управление возвращается к супервизору после выполнения какой либо системной функции. Супервизор ОС, получив управление, по этому обращению освобождает ресурс и проверяет имеется ли очередь к освободившемуся ресурсу. Если очередь есть, то в зависимости от принятой дисциплины обслуживания и приоритетов заявок он выводит из состояния ожидания задачу ждущую ресурс и переводит её в состояние готовности к выполнению, после этого управление либо передается этой задаче, либо возвращается к той, которая только что освободила ресурс. При выдаче запроса на ресурс задача может указать хочет ли она владеть ресурсом монопольно или допускает совместное использование с другими задачами. Например, с файлом можно работать монопольно, а можно работать и нескольким задачам. Если в системе имеется некоторая совокупность ресурсов, то упорядочить их использование можно на основе определенной стратегии. Эта стратегия подразумевает четкую формулировку целей следуя которой, можно добиться эффективного распределения ресурсов.

Многопрограммный  режим работы ЭВМ позволяет одновременно обслуживать несколько программ пользователей. Реализация режима требует соблюдения следующих непременных условий:

• независимости  подготовки заданий пользователями;

• разделения ресурсов ЭВМ в пространстве и  времени;

• автоматического  управления вычислениями.

Независимость подготовки заданий пользователями обеспечивается развитыми средствами САП. Используя имеющиеся языки  программирования, пользователи не должны учитывать ситуации, в которых  может произойти одновременное  их обращение к одним и тем  же ресурсам ЭВМ. Они могут использовать даже одинаковые идентификаторы, обращаться к одним и тем же библиотекам  программ и массивам данных, задействовать  одни и те же устройства и т.д. Очереди  к общим ресурсам должны обслуживаться  средствами ОС, не создавая взаимных помех  пользователям.

Разделение  ресурсов ЭВМ между программами  пользователей обеспечивается аппаратно-программными средствами системы. Программы управления заданиями ОС определяют виды требуемых  ресурсов в заданиях пользователей  и регламентируют их использование. Перспективное планирование при  этом отсутствует, так как заранее  определить динамику последующих вычислений практически невозможно. Отдельные виды ресурсов, например области оперативной и внешней памяти, допускают одновременное их использование программами пользователей. В этом случае пространство адресов памяти разбивается на непересекающиеся зоны или разделы. "Охрану границ" этих зон обеспечивают схемы защиты памяти - аппаратурные и программные средства ЭВМ.

Некоторые виды ресурсов допускают только последовательное их использование программами пользователей, например, в однопроцессорной ЭВМ  время работы единственного процессора является неразделяемым ресурсом. Его  использование предполагает упорядочение потока заявок и поочередное его  использование программами. В современных  ЭВМ упорядочение потока заявок обеспечивается на основе их приоритетов, где приоритет - некоторая априорная характеристика заявки, определяющая ее место в  очереди на обслуживание. Формирование очередей обеспечивают программные  компоненты ОС. Обслуживание очередей заявок выполняется с использованием системы прерываний и приоритетов. Последняя выделяет из группы одновременно поступающих заявок одну, наиболее приоритетную.

Автоматическое  управление вычислительным процессом  в многопрограммном режиме выполняется  центральной программой управления задачами. Сущность управления сводится к управлению ресурсами. При этом ОС составляет таблицы управления, выделяет ресурсы, запускает их в  работу и корректирует таблицы.

Различные формы многопрограммных (мультипрограммных) режимов работы различаются в основном значимостью различного рода ресурсов и правилами перехода от обслуживания одной программы пользователя к другой. Эти правила отличаются условиями прерывания текущей программы и условиями выбора новой программы из очереди, которой передается управление.

Различают следующие виды многопрограммной работы: классическое мультипрограммирование, режим разделения времени, режим  реального времени и целый  ряд производных от них.

Режим классического мультипрограммирования, или пакетной обработки, применительно к однопроцессорным ЭВМ является основой для построения всех других видов многопрограммной работы. Режим имеет целью обеспечить минимальное время обработки пакета заданий и максимально загрузить процессор.

Пакет заданий  упорядочивается в соответствии с приоритетами заданий, и обслуживание программ ведется в порядке очередности. Обычно процессор обслуживает наиболее приоритетную программу. Как только ее решение завершается, процессор  переключается на следующую по приоритетности программу. В этом режим во многом похож на режим косвенного доступа. В режиме мультипрограммирования имеется существенное отличие. Если при обслуживании наиболее приоритетной программы создается ситуация, что вычисления не могут быть продолжены (например, требуется ввести дополнительные данные), то прерывание обслуживания сопровождается передачей управления следующей по приоритетности программе. Но как только условия, препятствующие продолжению наиболее приоритетной задачи, отпадут, процессор вновь возвращается к продолжению решения ранее прерванной программы. Суть пакетного режима заключается в том, что ЭВМ обрабатывает предварительно сформированный пакет задач без вмешательства пользователя в процесс обработки.

Пакетный режим используется, как правило, на высокопроизводительных ЭВМ. Основное требование к организации вычислительного процесса на компьютере, работающем в пакетном режиме, - это минимизация времени решения всего пакета задач за счет эффективной загрузки оборудования ЭВМ.

При пакетном режиме основным показателем эффективности служит пропускная способность ЭВМ - число задач, выполненных в единицу времени.

Количественная  оценка выигрыша при мультипрограммной  работе по сравнению с однопрограммным  использованием ЭВМ представляется в виде коэффициента увеличения пропускной способности:

k_ПС = T_ОПР/T_МПР

где Т_ОПР и Т_МПР - время выполнения пакета задач при однопрограммном и мультипрограммном режиме работы соответственно.

В рассмотренном  в лекции 12 примере работы мультипрограммной  ЭВМ k_ПС = 36/24 = 1,5 при Км = 2 и k_ПС = 36/22   1,64 при Км = 3.

Увеличение пропускной способности ЭВМ достигается  надлежащим планированием поступления  задач пакета на обработку в составе  мультипрограммной смеси задач, а также оптимальным назначением  приоритетов задачам в этих смесях, основывающемся на представлениях разработчиков  о важности учета тех или иных аспектов функционирования ЭВМ и  свойств каждой задачи входного пакета.

Основные  этапы обработки  пакета задач:

1. Подготовка программ к счету. При этом каждая программа пакета может быть разработана отдельным программистом.
2. Передача программ и исходных данных на ЭВМ, которая будет обрабатывать их в пакетном режиме.
3. Формирование пакета задач из переданных программ по одному из эвристических алгоритмов.
4. Обработка пакета задач на мультипрограммной ЭВМ.

Особенности пакетного режима работы:

1. Пользователь отстранен от непосредственного доступа к ЭВМ.
2. Результаты работы пользователь получает через определенное (иногда достаточно большое) время одновременно для всех задач пакета.
3. Увеличивается время отладки программ.
4. Существенно возрастает пропускная способность ЭВМ по сравнению с последовательным решением задач пакета.

Таким образом, пакетный режим наиболее эффективен при обработке больших отлаженных программ. 

Из вышеизложенного  следует, что в однопроцессорных ЭВМ многопрограммность является кажущейся, так как процессор предоставляется программам в непересекающиеся интервалы времени. Уменьшение времени обслуживания обеспечивается также за счет параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода.

В качестве недостатка надо отметить, что в  режиме мультипрограммирования улучшение  качества обслуживания пользователей  по сравнению с косвенным доступом не предусматривается. Здесь также  отдельные программы могут надолго  монополизировать процессор, блокируя тем самым программы других пользователей.

Режим разделения времени является более развитой формой многопрограммной работы ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического мультипрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором каждая программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий интервал времени - время кванта-т.

Назначение - обслуживание конечного числа пользователей с приемлемым для каждого пользователя временем ответа на их запросы.

 
Рис. 13.6. Организация работы ЭВМ в режиме разделения времени

Основные  характеристики:

1. Многотерминальная многопользовательская система.
2. Любой пользователь со своего терминала может обратиться к любым ресурсам ЭВМ.
3. У пользователя создается впечатление, что он один работает на ЭВМ.

Реализация.

Время работы машины разделяется на кванты t_k.

Каждый квант  выделяется для соответствующего терминала. Терминалы могут быть активными  и пассивными: активный реально включен  в обслуживание (за ним работает пользователь), пассивный - нет (квант  не выделяется). После обслуживания всех терминалов последовательность квантов  повторяется.

Единого способа  выбора времени кванта не существует. Иногда оно выбирается по количеству команд, которое должна выполнить  ЭВМ за это время.

В основе реализации режима разделения времени лежит одноочередная дисциплина обслуживания пользователей. 

После завершения очередного цикла процесс  выделения квантов повторяется. Это создает у пользователей  впечатление кажущейся одновременности  выполнения их программ. Если пользователю к тому же предоставляются средства прямого доступа для вывода результатов  решения, то это впечатление еще  более усиливается, так как результаты выдаются в ходе вычислений по программе, не ожидая завершения обслуживания всех программ группы или пакета в целом.