ОРГАНИЗАЦИЯ МУЛЬТИПРОГРАММИРОВАНИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРАХ

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ ЭВМ В МУЛЬТИПРОГРАММНОМ РЕЖИМЕ

Многозадачностью (мультипрограммным режимом работы) называют такой способ организации работы системы, при которой в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких процессов обработки информации (задач). В этом режиме должна обеспечиваться взаимная защита программ и данных, относящихся к различным задачам, а также возможность перехода от выполнения одной задачи к другой (переключение задач).

Под задачей (процессом) понимается последовательность взаимосвязанных действий, ведущих к достижению некоторой цели. В вычислительной технике под задачей понимается конкретная сущность, которая тесно связана с архитектурой процессора и обладает своим виртуальным адресным пространством и состоянием. В более простом смысле будем полагать, что задача — программа, которая выполняется или ожидает выполнения, пока выполняется другая программа. Процесс может находиться в следующих состояниях:

  • • порождение — подготавливаются условия для первого исполнения на процессоре;
  • • активное состояние (счет) — программа исполняется на процессоре;
  • • ожидание — программа не исполняется по причине занятости какого-либо ресурса;
  • • готовность — программа не исполняется, но для исполнения предоставлены все необходимые в текущий момент ресурсы, кроме центрального процессора;
  • • окончание — нормальное или аварийное завершение программы, после которого процессор и другие ресурсы ей не предоставляются. Применительно к компьютерам в определение задачи обычно

включаются ресурсы, необходимые для достижения цели. Понятие «ресурс» строго не определено. Будем считать, что всякий потребляемый объект (независимо от формы его существования), обладающий некоторой практической ценностью для потребителя, является ресурсом. объем оперативной памяти, время счета на процессоре, дисковое пространство и т.д.

Основные черты мультипрограммного режима:

• в оперативной памяти находятся несколько программ в состояниях активности, ожидания или готовности;

  • • время работы процессора разделяется между программами, находящимися в памяти в состоянии готовности;
  • • параллельно с работой процессора происходит подготовка и обмен с несколькими внешними устройствами (ВУ). Мультипрограммирование предназначено для повышения пропускной способности вычислительной системы путем более равномерной и полной загрузки всего его оборудования, в первую очередь — процессора. При этом скорость работы самого процессора и номинальная производительность ЭВМ не зависят от использования мультипрограммирования.

Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и программную поддержку. Аппаратура, используемая при организации мультипрограммного режима, включает контроллеры ОЗУ и внешних устройств, которые могут работать параллельно с процессором, систему прерывания, аппаратные средства защиты программ и данных и т.д.

Программная составляющая содержит мультизадачную операционную систему, драйверы внешних устройств, обработчики прерываний и другие средства. Операционная система, реализуя мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе динамически) между параллельно выполняемыми программами ресурсы системы (время процессора, оперативную и внешнюю память, устройства ввода-вывода) с целью увеличения пропускной способности и с учетом ограничений на ресурсы и требований по срочности выполнения отдельных программ.

Эффективность работы мультипрограммной ЭВМ можно оценить количеством задач, выполненных в единицу времени (пропускная способность), и временем выполнения отдельной программы.

Большое значение при анализе работы ЭВМ имеет определение степени использования ее ресурсов. Для этого широко применяются следующие показатели (рис. 6.1):

к — коэффициент загрузки некоторого устройства q:

где Т — время занятости устройства q за общее время Тработы ЭВМ; Lq — средняя длина очереди запросов к устройству q:

где Lq. — длина очереди к устройству q на интервале времени At.

и '^Ati=T.

/=1

На рис. 6.1 показан некоторый гипотетический способ использования одного из ресурсов ЭВМ.

Б.1. Оценка показателей работы мультипрограммной ЭВМ

Рис. Б.1. Оценка показателей работы мультипрограммной ЭВМ

Для представленного на рис. 6.1 случая:

Помимо средней длины очереди, важна также и динамика изменения ее длины, так как оценки всех параметров проводятся на ограниченном интервале времени. По значениям kq, Lq и динамике значения Lq во времени можно определить наиболее дефицитный ресурс в системе — ее «узкое место».

Устранение этих «узких мест» может проводиться или за счет увеличения производительности соответствующего ресурса, или выбора такой комбинации задач, которая обеспечивала бы более равномерное использование всех ресурсов (например, одни задачи более активно используют процессор (счетные задачи), другие — жесткий диск (работа с базами данных), третьи — устройства ввода-вывода (вывод большого объема графической информации)).

Рассмотрим пример выполнения четырех программ в мультипрограммном режиме при коэффициенте мультипрограммирования, равном 2. Коэффициент мультипрограммирования (КМ) — число программ, обрабатываемых одновременно в мультипрограммном режиме.

Полагаем, что ЭВМ имеет три устройства, которые могут работать параллельно: центральный процессор (CPU), устройство ввода (IN) и устройство вывода (OUT), а программы проходят следующий цикл работы: счет 1 — ввод — счет 2 — вывод. Время выполнения соответствующих блоков программ даны в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Характеристики программ

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

Будем считать, что программы имеют относительный приоритет. То есть, во-первых, если на какой-либо ресурс при его освобождении одновременно претендует несколько программ, то он предоставляется наиболее приоритетной программе. Во-вторых, программа, занявшая ресурс, не освобождает его до истечения требуемого времени, даже если в этот период на ресурс станет претендовать программа, имеющая больший приоритет. Более приоритетной считаем программу с меньшим номером.

Очередь программ к процессору обозначим Ready, а общую очередь к внешним устройствам — Wait.

Полученная диаграмма выполнения программ представлена на рис. 6.2.

Б.2. Диаграмма выполнения программ в ЭВМ при Км = 2

Рис. Б.2. Диаграмма выполнения программ в ЭВМ при Км = 2

Построив аналогичную диаграмму работы ЭВМ для Км = 3, получим результаты, представленные в табл. 6.2 (Км = 1 соответствует однопрограммной работе ЭВМ, и результаты для этого случая могут быть получены расчетными методами).

Таблица 6.2

Характеристики работы ЭВМ при различных коэффициентах мультипрограммирования

Характеристика

К. = 1

К. = 2

К. = 3

Время выполнения программы Т,

9

10

10

т,

8

13

13

т„

11

11

19

Т,

8

11

12

Время выполнения всех программ

36

24

22

Пропускная способность (П)

0,11

0,17

0,18

Характеристика

Км = 1

Км = 2

Км = 3

^ПРИ

0,56

0,83

0,91

0,22

0,33

0,36

Aim_

0,22

0,33

0,36

Анализ показывает, что с увеличением коэффициента мультипрограммирования пропускная способность ЭВМ будет увеличиваться, стремясь к некоторому пределу, определяемому характеристиками ресурсов ЭВМ. В то же время каждая программа будет выполняться в общем случае более длительное время из-за необходимости ожидания освобождения ресурсов, занятых другими программами. При увеличении коэффициента мультипрограммирования изменение значений показателей эффективности зависит от того, в каком состоянии находится система: перегрузки или недогрузки. Если какие-либо ресурсы ЭВМ задействованы достаточно интенсивно, то добавление новой программы, активно использующей эти ресурсы, может дать прирост, но небольшой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >