Средства мультипрограммирования

Режимы работы электронных вычислительных машин (организация вычислительных процессов)

Режим работы ЭВМ – это порядок прохождения задач (заданий) через ЭВМ. Кем обеспечивается? Управляющими программами ОС (это одна из основных функций всякой ОС). Какие бывают режимы работы? Два типа – однозадачный (однопрограммный) и мультизадачный (мультипрограммный).

В однопрограммном режиме аппаратура ЭВМ выполняет одну пользовательскую программу под управлением и с использованием программ ОС. Т.е. практически это двухпрограммный режим: пользовательская программа плюс программа ОС. Но поскольку программы ОС являются сервисными, обслуживающими запросы пользователя, такой режим называют однопрограммным (однозадачным). Работу ЭВМ в этом режиме можно проиллюстрировать следующей временной диаграммой (рисунок 2.1).

Основное достоинство однопрограммного режима – минимальное время ответа на запросы пользователя. Почему минимальное? Потому что все ресурсы ЭВМ (и аппаратные, и программные) находятся в распоряжении пользователя – нет конкуренции за ресурсы. Пользователь монопольно владеет всеми ресурсами.

Основной недостаток однопрограммного режима – неэффективное использование оборудования, в частности, процессора: как видно из временной диаграммы, большую часть времени процессор простаивает. Почему большую? Дело в том, что быстродействие ПУ, с помощью которых осуществляется ввод/вывод информации, обычно существенно ниже быстродействия процессора и памяти. В результате простоев процессора производительность ЭВМ минимальна. В силу этого недостатка однопрограммный режим используется лишь в дешевых ЭВМ класса микро-ЭВМ, в персональных ЭВМ, в частности.

В более мощных, дорогих ЭВМ однозадачный режим не применяется. В них с целью повышения эффективности использования дорогого оборудования применяется мультипрограммный режим. В этом режиме, кроме программ ОС, в ОП компьютера располагаются и (по очереди) выполняются несколько (в общем случае М) программ пользователей. Цель – увеличение загрузки ЦП и, как следствие, производительности ЭВМ. Работу ЭВМ в мультипрограммном режиме можно проиллюстрировать временной диаграммой (рисунок 2.2).

Как говорят в метрической теории ВС, мультипрограммный режим минимизирует т.н. цену производительности I (впервые это понятие использовал В.М. Глушков): I=S/Λ, где S – стоимость ЭВМ, Λ – производительность ВК (количество задач в единицу времени). Зависимость I, S, Λ от уровня мультипрограммирования М представлена на рисунке 2.3. Здесь М_опт – оптимальный уровень мультипрограммирования, зависит от многих факторов: класса решаемых задач, быстродействия устройств ВК, емкости памяти, структуры ВК и др.

Определение значения М_опт, при котором цена производительности принимает минимальное значение, - задача сложная, это теоретическая проблема. Практически (экспериментально) установлено, что для средних по вычислительной мощности ЭВМ оптимальный уровень мультипрограммирования М_опт лежит в пределах от 4 до 8, для больших – в пределах от 8 до 16.

Основное достоинство мультизадачного режима – минимизация цены производительности. Основной недостаток – увеличение времени ответа (по сравнению с однопрограммным режимом), особенно большое для коротких по времени программ. Как быть? Простейший выход (способ) – квантование процессорного времени – дает преимущество коротким программам.

Режим мультипрограммирования предъявляет особые, специальные требования к организации ВК. Для их реализации в состав ЭВМ вводятся специальные средства – т.н. средства мультипрограммирования. Какие?

1. Средства, обеспечивающие заданный режим мультипрограммирования – это управляющие программы ОС. Именно они обеспечивают требуемый порядок прохождения задач через ЭВМ. Именно они образуют основную часть – ядро ОС. Именно программы ОС обеспечивают выделение требуемых программе ресурсов ВК - памяти, устройств и т.п., а также слежение за границами областей памяти, выделенных программе. В общем случае управляющие программы ОС обеспечивают взаимодействие между аппаратурой ВК и многочисленными программами пользователей. Названия управляющих программ: супервизор, монитор, диспетчер, планировщик и др.

2. ООП увеличенной емкости, т.к. для размещения М задач требуется больше места в ОП (в М раз больше). Организацию ООП рассмотрим в специальной главе.

3. Средства, обеспечивающие одновременную (параллельную) работу ЦП и средств ввода/вывода информации в ОП. Эти средства будем рассматривать в последующих главах, посвященных структурной организации ЭВМ, организации ввода/вывода информации.

4. Система прерываний ЭВМ предназначена для быстрой реакции на различные ситуации (события), возникающие внутри машины и вне ее. Быстрая реакция на события обеспечивается путем прерывания процесса выполнения текущей программы и перехода к выполнению программы, обслуживающей данную причину прерывания. По завершению обслуживания, естественно, осуществляется возврат к прерванной программе и ее продолжению с того места, в котором она была прервана.

5. Средства защиты информации, хранимой в памяти ЭВМ, от несанкционированного доступа к ней со стороны других программ (пользователей). Эти средства должны обеспечивать: 1) секретность информации (при чтении) и сохранность (неизменность) – при записи.

В этой главе мы рассмотрим только два средства - систему прерываний и защиты памяти.

Дата добавления: 2014-01-11