Режимы работы ЭВМ и формы обслуживания пользователей
В современных ЭВМ могут быть обеспечены различные режимы работы, т.е. различные способы выполнения программ. При этом каждому режиму соответствует организованное определенным образом взаимодействие технических и программных средств ЭВМ. Эти режимы подразделяются на однопрограммные и многопрограммные (мультипрограммные).
171
В однопрограммном режиме все ресурсы ЭВМ (время работы процессора, емкость памяти и др.) используются для выполнения одной программы. При этом пользователь имеет прямой и непосредственный доступ ко всем техническим и программным средствам ЭВМ. С точки зрения загрузки отдельных устройств ЭВМ данный режим является наименее эффективным, так как при выполнении только одной программы устройства ЭВМ работают с неодинаковой нагрузкой, а некоторые из них вообще простаивают значительную часть машинного времени.
Более эффективным с этой точки зрения является многопрограммный (многозадачный) режим, обеспечивающий возможность запуска и параллельного выполнения нескольких программ (задач) одновременно. При таком режиме в каждый момент времени процессор выполняет команду только одной программы. Однако всякий раз, когда выполнение этой программы приостанавливается, например из - за необходимости произвести операцию ввода - вывода, процессор переходит к выполнению другой программы; не закончив ее (возможно, по той же причине), он может перейти к выполнению третьей и т.д., сохраняя при этом возможность вернуться к незаконченным программам и продолжить их выполнение. Операционная система распределяет ограниченные ресурсы ЭВМ между параллельно выполняемыми программами. При этом часть программ находится в состоянии ожидания необходимых ресурсов, другая часть - в состоянии готовности, когда программам предоставлены все ресурсы, кроме процессорного времени, и только одна программа находится в активном состоянии, т.е. обрабатывается процессором. Моменты и очередность переключения программ организуются операционной системой таким образом, чтобы обеспечить более плотную загрузку оборудования, повысить пропускную способность ЭВМ, хотя при этом время выполнения отдельных программ может даже увеличиться по сравнению с однопрограммным режимом.
На рис. 8. 5 приведена временная диаграмма работ центрального процессора ЦП при выполнении программ 1 и 2 в однопрограммном и многопрограммном режимах.
172
Рис. 8.5. Временная диаграмма работы центрального процессорав однопрограммном (а) и многопрограммном (б) режимах
В однопрограммном режиме программы 1 и 2 выполняются последовательно одна за другой. По ходу их выполнения ЦП вынужден многократно приостанавливать свою работу из - за необходимости обмена данными с периферийными устройствами ПУ1 и ПУ2. В многопрограммном режиме таких остановок нет, и общее время выполнения обеих программ сокращается, хотя для отдельной программы оно может увеличиться по сравнению с однопрограммным режимом.
Следует также отметить, что мультипрограммная обработка данных может быть инициирована не только командами процессора, но и запросами периферийных устройств, требующих прерывания текущей программы для выполнения операций ввода - вывода по другим программам.
В персональных ЭВМ с магистральной структурой построения имеется контроллер прерываний, который на приоритетной основе определяет, какому из периферийных устройств выделяется системная магистраль для обмена данными. Наивысший абсолютный приоритет имеют запросы прямого доступа к ОП. Уровень приоритета микропроцессора может изменяться программно. Однако всегда запрос прямого доступа к памяти вызывает в процессоре прерывание операции обмена данными с ОП. Приоритеты периферийных устройств фиксированы по определенным уровням, а в рамках каждого уровня они устанавливаются в зависимости от порядка
173
подключения этих устройств к линии запросов прерываний. В любом случае фиксированные приоритеты периферийных устройств конкурируют между собой, а также с приоритетом микропроцессора.
Мультипрограммный режим позволяет в значительной степени преодолеть несоответствие в быстродействии электронного оборудования процессора и электромеханического оборудования периферийных устройств, так как при этом независимо от процессора, обрабатывающего одну из программ, периферийными устройствами выполняются процедуры ввода - вывода по другим программам.
Современным развитием режима многопрограммной обработки данных стал режим многопоточности, при котором задача (программа) разбивается на несколько подзадач, решаемых независимо друг от друга. При этом под потоком здесь понимается отдельная подзадача, являющаяся частью общей задачи. Каждый поток самостоятельно претендует на процессорное время. Операционная система отслеживает процесс выполнения потока и в случае его остановки по тем или иным причинам автоматически загружает новый поток, управляет ресурсами и систематически распределяет время между потоками с учетом их приоритетов.
Операционные системы, организуя различные режимы работы ЭВМ, обеспечивают также разнообразные формы (режимы) обслуживания пользователей, среди которых можно выделить режим пакетной обработки, режим разделения времени, диалоговый режим и режим реального времени.
В режиме пакетной обработки пользователи не имеют непосредственного доступа к ресурсам ЭВМ. Подготовленные ими программы группируются в пакеты, а затем обрабатываются последовательно или по заранее составленному расписанию в мультипрограммном режиме.
Режим разделения времени обеспечивает прямой и независимый доступ пользователей к ресурсам ЭВМ. Впервые данный режим стал применяться в ЭВМ третьего поколения, работающих в мультипрограммном режиме и обеспечивающих практически одновременный и независимый доступ многочисленных пользователей к ресурсам ЭВМ (так называемый мультидоступ). Мультидоступ предполагает наличие у пользователей своего терминала, например дисплея, с помощью которого он может независимо от других пользователей обратиться к ЭВМ с запросами на обработку своих программ и получить результаты этой обработки.
Прямой и независимый доступ пользователей к ресурсам ЭВМ обеспечивается разделением времени при выполнении их запросов. Операционная система выделяет каждому пользователю строго ограниченный квант машинного времени. В течение таких циклически повторяющихся интервалов времени осуществляется обработка программ (запросов) пользователей.
В идеальном случае интервал времени между включениями в работу одной и той же программы не должен превышать обычное время реакции человека. Тогда пользователь, управляющий своей программой,
174
не будет ощущать прерывистого характера ее выполнения, и у него создается полная иллюзия работы в индивидуальном режиме.
Порядок распределения между пользователями ресурсов ЭВМ устанавливается дисциплиной квантованного обслуживания. В простейшем случае используется одна, а в общем случае несколько очередей обслуживания.
При одноочередной дисциплине обслуживания (рис. 8.6) вновь поступающие запросы (программы) ставятся в конец очереди. Для обслуживания выбирается программа из начала очереди и ей выделяется квант процессорного времени. Если за это время программа успеет завершиться, то результат выдается пользователю, а процессор переходит к обработке следующей из очереди программы. Если за выделенный квант времени программа не закончится, то ее обработка прерывается, она поступает в конец очереди и осуществляется переход к обработке следующей из очереди программы.
Рис. 8.6. Мультипрограммная ЭВМ с одноочередной дисциплинойобслуживания пользователей
При многоочередной дисциплине обслуживания организуется несколько очередей, имеющих различный приоритет. Вновь поступающий запрос устанавливается в конец очереди с наивысшим приоритетом. Если в течение выделенного кванта времени обработка данной программы не закончилась, то она переходит в конец очереди с более низким приоритетом. Такая дисциплина обеспечивает квантованное обслуживание пользователей до полного завершения обработки их программ и выдачи результатов на соответствующие терминалы.
175
Диалоговый режим обслуживания реализует взаимодействие пользователя с ЭВМ исходя не только из имеющихся у нее ресурсов, а главным образом из необходимости обеспечить такой темп взаимодействия, который позволял бы пользователю воспринимать и анализировать результаты обработки данных и на этой основе своевременно принимать необходимое решение.Диалоговый режим создает для пользователя максимальные удобства.
Режим реального времени обеспечивает такую скорость вычислительного процесса, которая соответствует скорости процессов, протекающих в реальном времени вне ЭВМ. Данный режим необходим при использовании ЭВМ для автоматизации научных экспериментов, при испытаниях сложных объектов, контроле и управлении различными технологическими процессами. Вычислительный процесс при этом должен быть организован таким образом, чтобы результаты обработки можно было своевременно использовать для воздействия на реально протекающий процесс в том или ином объекте управления.
176
171 :: 172 :: 173 :: 174 :: 175 :: 176 :: Содержание
