Типы ОС

Пакетные операционные системы, системы разделения времени и системы реального времени (самостоятельная работа конспект).

Пакетные ОС.

Цель: повышение пропускной способности вычислительной системы Концепция мультипрограммирования: минимизация простоев процессора за счет его переключения на выполнение другой задачи.

Тип решаемых задач: в основном вычислительного характера, не требующие бы строго получения результатов.

Схема функционирования

Формируется пакет заданий, каждое из которых содержит требования к систем ным ресурсам. Из пакета формируется мультипрограммная смесь, т.е. множество задач для одновременного выполнения. Для этого выбираются задачи, предъявляю щие разные требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная нагрузка всех устройств вычислительной машины (например, в смеси должны при сутствовать задачи вычислительного характера задачи с интенсивным вводом-вы водом). Выбор очередного задания для выполнения зависит от складывающейся в системе ситуации - это должно быть «выгодное» с точки зрения загрузки задание.

Следствие: невозможно гарантировать выполнение конкретного задания в тече ние заданного периода времени.

Рассмотрим схему работы мультипрограммной пакетной ОС на примере совмеще ния во времени операций ввода-вывода и вычислений.

В целом общее время выполнения смеси задач в рассматриваемой системе мень ше, чем суммарное время их последовательного выполнения. Однако выполнение от дельной задачи может занять больше времени, чем при монопольном выделении ей процессора. Это происходит за счет того, что задача может быть готова к выполне нию (как задача А по истечении 4-х единиц времени. Переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой про исходит по инициативе активной задачи (например, при отказе от процессора из-за необходимости выполнения ввода-вывода). Поэтому существует высокая вероятность того, что одна задача может надолго занять процессор. Во многом в силу этого па кетные ОС не предназначены для работы в интерактивном режиме. Суть взаимо действия пользователя с машиной сводится к сдаче задания оператору и получении результата после выполнения всего пакета.

Такой режим повышает эффективность функционирования аппаратуры, но сни жает эффективность работы пользователя.

Системы разделения времени.

Цель: предоставление пользователю (пользователям) возможности интерактив ной работы одновременно с несколькими приложениями.

Концепция мультипрограммирования: разделение времени, или циклическое пооче редное выделение кванта процессорного времени каждому приложению.

Тип решаемых задач: задачи, ориентированные на решение в интерактивном ре жиме (периодически требующие участия пользователя).

Переключение процессора на выполнение очередной задачи осуществляется при нудительно операционной системой, но к выполнению принимается каждая запущен ная пользователем задача в порядке запуска.

В случае нескольких пользователей каждому из них предоставляется свой тер минал. Так как ни одна задача не занимает процессор надолго, время ожидания ответа системы в интерактивном режиме оказывается приемлемым, а если кван ты времени малы, то у всех пользователей складывается впечатление монополь ной работы на машине.

Пропускная способность системы меньше, чем при пакетной обработке, за счет «навязанной извне» очередности задач и затрат на переключение процессора. Тем не менее аппаратура загружается лучше, чем в однопрограммном режиме, так как процессор не простаивает во время ожидания сообщения пользователя, а может об рабатывать другие приложения.

Системы реального времени.

Цель: управление техническими объектами (станком, спутником, ядерным реак тором и т.п.) или процессами (доменным процессом и т.п.).

Концепция мультипрограммирования: выбор программы для выполнения по прерыва нию (исходя из текущего состояния объекта) или согласно расписанию плановых работ.

Тип решаемых задач: задачи управления в реальном режиме времени.

Общая схема функционирования

Мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее со ставленных программ. Выбор программы для выполнения осуществляется согласно складывающейся ситуации управления (см. выше).

Главный критерий функционирования - быстрый ответ системы - часто опреде ляет требования к классу процессора, обязанного опрашивать множество источни ков прерывания и быстро переключаться с задачи на задачу.

В таких системах не только не стремятся максимально загружать все устрой ства, но, напротив, предусматривают некоторый запас резервной мощности на случай пиковой нагрузки (например, аварии на атомной станции, когда ряд дат чиков сработает одновременно).

В чистом виде ни одна из приведенных классификаций не описывает современных ОС, но в то же время каждая из концепций мультипрограммирования в той или иной сте пени присутствует.

Исходя из того, что требует и что получает пользователь от современной ОС, можно сделать следующие утверждения.

Прежде всего, качественно изменились критерии эффективности использования вычислительной системы.

Для пользователей настольных ОС этим критерием в первую очередь является необходимость решения имеющегося класса задач максимально удобным для пользо вателя образом. Вопросы производительности в смысле оптимального использова ния аппаратных ресурсов рассматриваются в последнюю очередь. Специфика ре шаемых задач во многом определяет дисциплину их выполнения. Большинство за дач является не заданиями на вычисления с окончательным результатом, а инте рактивными процессами обработки данных (текстовый редактор; мультимедийные средства; графические редакторы; игры; работа в сети и т.д.). В общем случае заг рузка процессора невелика (порядка 1-2%) не из-за плохого планирования, а из-за отсутствия задач, требующих процессорного времени. Совмещение задач пресле дует цель не повышения производительности, а одновременного выполнения не скольких действий (за исключением ограниченных классов задач).

Для серверных ОС критерием эффективности является выполнение известного числа задач (которое зависит от посещаемости сервера) с минимальной нагрузкой на ресурсы- дисковую подсистему и процессор. Поскольку сервер не столько обрабатывает данные, сколько передает их, ввод-вывод играет важнейшую роль и именно он является объек том оптимизации, но сама специфика задач способствует этому. Спектр задач невелик, причем они повторяются (предоставление услуг Web-сервера, почтовой службы, файл-сервера и т.п.). Спланировать порядок выполнения заявок нельзя, но зато можно опти мизировать выполнение одинаковых задач, сохраняя их промежуточные результаты (хра нить в памяти, а не читать каждый раз с диска Web-страницы и т.п.).

Можно сказать, что от пакетных ОС частично унаследовано совмещение ввода-вы вода и процессорной обработки и выбор задач на выполнение самой системой согласно определяемым ею же приоритетам. Режим в чистом виде принадлежит истории.

Режим разделения времени присутствует безусловно во всех настольных и сервер ных ОС в усовершенствованном виде - выделение квантов времени задаче с учетом ее приоритета.

Суть режима реального времени остается той же. Кроме того, это понятие можно при менить и к настольным и серверным ОС. Время реакции системы, в зависимости от прило жения, может быть весьма критичным, например, при просмотре фильмов, прослушивании музыки, ожидании ответа сервера. Безусловно, это время зависит и от аппаратуры.

Схема выполнения задач, изображенная на рис. 2.1, является абстракцией, иллю стрирующей принцип разделения операций между устройствами. Здесь прежде всего существенно, что устройства ввода-вывода настолько медленны, что на время их работы можно занять процессор, а именно на загрузку процессора ориентирована система. Кроме того, не отображено процессорное время, затрачиваемое на органи зацию ввода вывода, ввиду его несопоставимости с длительностью ввода-вывода.

Для современных ОС эта схема может выглядеть примерно следующим образом (для наглядности процессы A и B конкретизированы).

Здесь для процессов A и B на временной оси отмечены моменты начала и конца выполнения различных операций, включая время ожидания задачей очередного кван та. Более широкие прямоугольники соответствуют большим квантам времени, а вели чина кванта определяется динамически изменяемым приоритетом задачи. Светлые пря моугольники соответствуют операциям, занимающим преимущественно процессор, а темные - операциям, занимающим преимущественно дисковую подсистему. Рисунок в представленном виде соответствует системе со старым, очень медленным накопите лем, не имеющим режима DMA (direct memory access, совокупность аппаратных возмож ностей, обеспечивающих работу с диском без участия процессора). В таком случае заг рузка процессора может доходить до 70%, например, при работе архиватора.

При использовании режима DMA ввод-вывод практически не загружает процессор (его загрузка составляет 3 - 5%), и затемненные прямоугольники-кванты должны быть по меньшей мере в десятки раз уже.