Режимы работы ЭВМ

Операционные системы предоставляют пользователям достаточно широкий спектр вычислительных услуг, упрощая процесс использования ЭВМ. Прежде всего это касается разнообразия режимов работы машин, обеспечиваемых ОС. Под режимом работы понимают принципы структурной и функциональной организации аппаратных и программных средств. В общем случае режимы использования ЭВМ делятся на однопрограммные и многопрограммные.

Однопрограммные режимы работы появились первыми. При их реализации все основные ресурсы ЭВМ (время работы процессора, оперативная память и др.) полностью отдаются в монопольное владение пользователя. Однопрограммный режим может иметь модификации: однопрограммный режим непосредственного доступа и однопрограммный режим косвенного доступа.

В режиме непосредственного доступа пользователь получает ЭВМ в полное распоряжение: он сам готовит ЭВМ к работе, загружает задания, инициирует их, наблюдает за
ходом решения и выводом результатов. По окончании работ одного пользователя все ресурсы ЭВМ передаются в распоряжение другого (рис. 22а). Этот тип режима характеризуется весьма низкой полезной загрузкой технических средств. К снижению производительности ЭВМ из-за простоев процессора приводят затраты времени на подготовку ЭВМ к работе (включение, проверка, загрузка ОС, ввод заданий и т.д.) и большое время реакции пользователя. По этим причинам режим практически не используется в универсальных ЭВМ. Напротив, в ПК этот режим используется как основной, поскольку в этих типах ЭВМ главным критерием эффективной работы считается обеспечение пользователю максимальных удобств.

Рис. 22. Однопрограммные режимы работы

а) режим непосредственного доступа
б) режим косвенного доступа

Ввод А В Ввод А В С В

Решение А В Решение А В В С

Вывод А В Вывод А В С

t t

а) б)

В режиме косвенного доступа пользователь не имеет прямого контакта с ЭВМ. Этот режим был предшественником многопрограммных режимов в ЭВМ высокой и средней производительности, он имел целью обеспечить более полную загрузку процессора за счет сокращения непроизводительных его простоев. В настоящее время он практически не используется, так как время работы процессоров в современных ЭВМ не является главным ресурсом системы, но принципы построения этого режима позволяют лучше уяснить сущность многопрограммной обработки. Суть режима состоит в следующем.

Из подготовленных заданий пользователей составляется пакет заданий. Процессор обслуживает программы пользователей строго в порядке их следования в пакете. Процесс выполнения очередной программы не прерывается до полного ее завершения. Только после этого процессор как ресурс отдается в монопольное владение следующей программе. Как видно, доступ пользователя к ресурсам ЭВМ осуществляется косвенно средствами ОС, организующими автоматический переход от обслуживания одного задания пользователя к другому. Благодаря этому режим часто называют последовательной пакетной обработкой. При нем обеспечивается параллельная работа устройств ввода-вывода и процессора (рис. 22б). Это позволяет значительно повысить производительность ЭВМ за счет сокращения простоев.

Режим косвенного доступа имеет существенный недостаток. Он не позволяет полностью исключить случаи простоя процессора или непроизводительного его использования. Всякий раз, когда очередная программа, вызванная в процессор, предварительно не обеспечена данными, процессор вынужден простаивать. При этом резко снижается эффективность использования ЭВМ. Этот случай отражен на рис. 22б на примере выполнения задания B. Неэффективно работает ЭВМ и тогда, когда обрабатываемые программы захватывают процессор на длительное время. В этих случаях остальные программы пакета остаются без обслуживания. Особо опасны ситуации, в которых текущая программа
не выходит на завершение (например, «испортилась» после сбоя во время решения или некорректно сформирована пользователем). В этом режиме у ЭВМ отсутствуют средства разрешения подобных конфликтов, и требуется вмешательство оператора.

Многопрограммный и многопользовательский режим работы компьютера позволяет одновременно обслуживать несколько программ как одного, так и нескольких пользователей. Реализация режима требует соблюдения следующих непременных условий:

· независимость подготовки заданий пользователями;

· разделение ресурсов ЭВМ в пространстве и времени;

· автоматическое управление 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 изначальная 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. Этот случай иллюстрируется на рисунке 23 при выполнении задания B.

Рис. 23. Многопрограммный режим пакетной обработки

Ввод А В С В

Решение А В С В С

Вывод А В С

t

Подобные прерывания и передачи управления могут многократно наслаиваться друг на друга. Это позволяет до минимума сократить непроизводительные простои процессора.

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. 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, t_кв (рис. 24).

Рис. 24. Режим разделения времени

1-я прогр. tкв tкв tкв

2-я прогр. tкв tкв

3-я прогр. tкв tкв

n-я прогр. tкв tкв t

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.

Условием прерывания текущей программы является либо истечение выделенного кванта времени, либо естественное завершение (окончание) решения, либо прерывания по вводу-выводу как при классическом мультипрограммировании. Для реализации режима разделения времени необходимо, чтобы ЭВМ имела в своем составе развитую систему измерения времени: интервальный таймер, таймер процессора, электронные часы и т.д. Это позволяет формировать группы программ с постоянным или переменным значением кванта времени t_кв. Разделение времени находит широкое применение при обслуживании компьютером сети абонентских пунктов.

Более сложной формой разделения времени является режим реального времени. Этот режим имеет специфические особенности:

· поток заявок от абонентов носит, как правило, случайный, непредсказуемый характер;

· потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к ним не допускаются, поскольку их не всегда можно восстановить;

· время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также время выдачи результатов i -й задачи должно удовлетворять жестким ограничениям вида

, (1)

где – время решения задачи;

– допустимое время решения.

На рис. 25 показана зависимость стоимости решения задачи от времени . При нарушении неравенства (1) стоимость решения резко падает до нуля; в отдельных системах она может стать и отрицательной, что показано пунктирной линией. Режим реального времени объединяет практически все системы, в которых компьютер используется в контуре управления.

Рис. 25. Зависимость стоимости решения от времени в системах реального времени

С

t

Специфические особенности режима реального времени требуют наиболее сложных операционных систем. Именно на базе этого режима строятся так называемые диалоговые системы, обеспечивающие многопользовательский режим: одновременную работу нескольких пользователей с ЭВМ. Диалоговые системы могут иметь различное содержание: системы, обслуживающие наборы данных; системы разработки документов, программ, схем, чертежей; системы выполнения программ в комплексе «человек-машина» и др. Диалоговый режим обслуживания предполагает использование дисплеев – устройств оперативного взаимодействия с ЭВМ. Они получили широкое распространение в различных информационных и автоматизированных системах управления.

Многозадачный и многопоточный режимы Windows. Начиная с Windows NT, все последующие версии поддерживают так называемые многозадачные и многопоточные режимы работы.

Многозадачный режим предполагает, что каждый из процессов (отдельных запущенных программ), активизированных в среде Windows, требует определенных ресурсов. В ранних версиях Windows многозадачность называлась кооперативной (Cooperative), или невытесняющей. Этот режим практически полностью соответствовал режиму косвенного доступа, то есть работа очередной программы монополизировала ресурсы системы и не прерывалась до ее окончания. При этом возникали случаи, когда отказ (зависание) одного из процессов парализовывал всю систему.

Версии Windows 2000 и старше поддерживают подлинную вытесняющую (Preemptive) многозадачность, что предполагает при необходимости перераспределение ресурсов (вытеснение), квантование времени при круговом циклическом обслуживании и управление выполнением задач с учетом их приоритетов. Взаимодействие активных задач возможно только через операционную среду с целью исключения взаимных помех.

Каждой активной задаче (DOS- или Windows-приложению) предоставляется так называемая виртуальная машина – собственная операционная система с возможностью ее конфигурирования и настройки. Отметим, что DOS-приложения способны обращаться к ресурсам ПК напрямую, и это может быть источником конфликтов в обеспечении защиты.

Базовые варианты Windows Server и Data Center поддерживают, кроме того, многопроцессорность и многопоточность, то есть позволяют распределять задачи между процессорами сервера (до 32 процессоров). Здесь предполагается симметричная многопроцессорная структура сервера, в которой все процессоры идентичны, равноправны и способны решать любые задачи. Например, в Windows 2000 можно реализовывать многопоточный режим обработки программ. Каждая независимая программа или ее отдельная параллельная ветвь – это отдельный поток или «нить». Аппаратная поддержка параллелизма позволяет сосредотачивать ресурсы компьютеров на выполнении наиболее приоритетных заданий и одновременно обслуживать сервером многочисленных пользователей.

Дата добавления: 2014-12-29