Операционные системы современных вычислительных комплексов

Режимы  использования ЭВМ.

1.2. Режимы работы  операционных систем

1.2.1. Режимы обработки  данных

     Различают однопрограммные и мультипрограммные  режимы обработки данных и, соответственно, работы ОС (рис.1.3).

      К однопрограммным режимам относятся:

• режим непосредственного доступа (РНД);
• пакетный однопрограммный режим (П1П).

      Мультипрограммными  режимами обработки данных являются:

• пакетный мультипрограммный режим (ПМП);
• режим разделения времени (РРВ).

1.2.1.1. Однопрограммные режимы обработки  данных

     Режим непосредственного доступа широко применялся в ЭВМ первого поколения и используется при работе с современными персональными компьютерами. Режим РНД характерен тем, что ЭВМ предоставляется только одному пользователю, который осуществляет взаимодействие с машиной посредством пульта управления (сейчас - клавиатура, мыши и дисплеи). Время решения каждой задачи в режиме РНД складывается из времени Т_ВВ ввода программы и данных в ЭВМ, времени Т_Р работы процессора над решением задачи, времени Т_ВУ обмена данными с внешними устройствами (включая вывод результатов в обработки), времени Т_ОП обслуживания ЭВМ и задачи оператором ЭВМ при ее подготовке к запуску и по окончании решения задачи:

      .

     Коэффициент загрузки процессора при одной задаче составляет

      .

     Полное  время решения N задач и коэффициент  загрузки:

     где i-номер задачи.

     В РНД наличие ОС не обязательно.

      Недостатками  режима РНД являются:

• аппаратура и программы ЭВМ используются не эффективно;
• велики затраты времени программиста на управление машиной;
• предъявляются высокие требования к подготовке пользователя как оператора вычислительной машины.

      Пакетный  однопрограммный  режим применяется в ВС, начиная с ЭВМ второго поколения. Несколько заданий для решения задач обработки собираются в один пакет, называемый пакет заданий (ПЗ). Пакет заданий оператор ЭВМ вводит в ЭВМ, где ПЗ сначала записывается во внешнюю память (магнитные диски, магнитные барабаны и т.п.). Затем операционная система машины последовательно считывает задания, входящие в ПЗ, и осуществляет выполнение необходимых в соответствиями с заданиями действий для решения задач пользователей. После завершения очередного задания происходит обращение к ОС, которая активирует начало выполнения следующего. После завершения последнего задания пакета оператор ЭВМ загружает в машину новый пакет заданий.

      Режим П1П обладает следующими положительными чертами:

• более высокая пропускная способность;
• отсутствие специальных требований к аппаратуре ЭВМ;
• возможна его реализация на любой ЭВМ.

      К недостаткам режима П1П относятся:

• необходимо наличие операционной системы;
• пользователь физически отделен от ЭВМ и решаемой им задачи;
• увеличивается реакция пользователя на полученные результаты решения;
• последовательный порядок выполнения заданий пакетов не позволяет увеличить загрузку оборудования вычислительной системы.

1.2.1.2. Многопрограммные режимы обработки  данных

      Пакетный  мультипрограммный  режим широко применяется в ЭВМ третьего и последующих поколений. ПМП является режимом классического мультипрограммирования, при котором в вычислительной системе находятся в обработке сразу несколько заданий. На входе в систему формируется набор пакетов заданий, которые оператор ЭВМ загружает в систему. После окончания ввода первого ПЗ операционная система начинает его обработку, не дожидаясь до ввода второго и последующих ПЗ. Задания, принадлежащие одному пакету, выполняются последовательно (т.е. в режиме П1П). Задания, принадлежащие разным пакетам, выполняются параллельно. Первым начинает выполняться первое задание первого пакета. По мере освобождения ресурсов ОС активизирует выполнение заданий из других пакетов в порядке их следования внутри ПЗ.

      Пакетный  мультипрограммный режим обеспечивает наивысшую пропускную способность вычислительной системы, что достигается при наличии в ЭВМ следующих аппаратных средств:

• автономно управляемые внешние устройства;
• развитая система прерывания программ;
• средства защиты памяти от взаимного влияния программ.

      Основным  недостатком режима ПМП является практически полное устранение пользователя из системы и, как следствие, отсутствие связи пользователя со своей задачей.

     Режим разделения времени существенно отличается от классического мультипрограммирования, реализованного в ПМП, и является в настоящее время основным режимом функционирования операционных систем. Главное в режиме разделения времени - это предоставление каждой задаче (или пользователю, работающему в диалоге с машиной) ресурсов ЭВМ на некоторый ограниченный интервал времени (квант). По истечении кванта времени данная программа свертывается операционной системой, развертывается следующая по очереди программа (или подключается следующий терминал пользователя), которой предоставляются ресурсы ЭВМ, и т.д.

1.2.2. Режимы и дисциплины обслуживания

     Порядок обслуживания заданий (заявок на работу) в операционных системах с мультипрограммированием, т.е. реализующих режимы ПМП или РРВ, определяются принятыми в них режимами обслуживания и дисциплинами обслуживания.

1.2.2.1. Режимы обслуживания

     Режимом обслуживания называется правило отбора заявок на обслуживание.

      Режимы  обслуживания делятся на три вида (рис.1.4):

1. режим одиночного отбора заявок:
2. режим группового отбора, когда на обслуживание отбирается вся очередь заявок определенного типа;
3. смешанный режим отбора, когда для одних классов заявок производится одиночный отбор, а для других групповой.

1.2.3.2. Дисциплины обслуживания

     Дисциплиной обслуживания называется правило отбора заявок на обслуживание при заданном режиме обслуживания.

      Для каждого из режимов обслуживания может быть применен один из следующих  видов дисциплин обслуживания (рис.1.5):

• бесприоритетное обслуживание;
• обслуживание с приоритетом;
• обслуживание по расписанию.

      Разновидности дисциплины бесприоритетного обслуживания:

1. ОПП - обслуживание в порядке поступления (“первый пришел - первый обслужен”, FIFO);
2. ООП - обслуживание в обратном порядке (“первый пришел - последний обслужен”, LIFO);
3. ОСП - обслуживание в случайном порядке.

      При бесприоритетном обслуживании считается, что все заявки имеют равное право на обслуживание.

      Если  требуется, чтобы заявки некоторого типа имели преимущества перед другими  на их обслуживание операционной системой, то применяется дисциплина обслуживания с приоритетами:

1. ДОП - дисциплина обслуживания с относительными приоритетами, когда приоритет заявки влияет только на ее место в очереди заявок на обслуживание;
2. ДАП - дисциплина с абсолютными приоритетами, когда высоко приоритетная заявка получает преимущества не только перед заявками, стоящими в очереди, но и перед заявкой, получающей обслуживание;
3. ДСП - дисциплина со смешанными приоритетами, при которой к одним группам заявок применяются относительные приоритеты, а к другим - абсолютные;
4. ДДП - дисциплина обслуживания с динамическими приоритетами, когда значение приоритетов заявок может изменяться (расти) по мере их нахождения в очереди, обеспечивая тем самым первоочередное обслуживание заявок, долго находящихся в системе.

      Дисциплина  обслуживания по расписанию обеспечивает заданный пользователем порядок обработки заданий независимо от очередности их поступления в систему. Она применяется в тех случаях, когда результаты решения одной задачи являются входными данными для другой.