Лекция: Режимы работы компьютеров
Режим работыкомпьютера определяется порядком прохождения задач через компьютер и в первую очередь – количеством задач, параллельно обрабатываемых компьютером. Синонимом термина режим работы компьютера является режим обработки задач.
Однопрограммный режим.Решение задач может быть организовано следующим образом. Программа загружается в основную память компьютера, после чего компьютер начинает исполнять эту программу до получения команды на прекращение счета. Режим работы, при котором компьютер в любой момент времени выполняет только одну программу, называется однопрограммным. Состояния в которых может пребывать задача, выполняемая в однопрограммном режиме, представлены на рис. 3.8. Основными являются состояния счета и ввода – вывода. В состоянии счета процессор выполняет последовательность команд программы до тех пор, пока не появится команда, предписывающая ввод – вывод данных. В состоянии ввода – вывода работает некоторое внешнее устройство, а процессор простаивает в ожидании момента окончания ввода – вывода. По окончании операции ввода – вывода процессор продолжает счет и так до тех пор, пока процесс вычислений, предписанный программой, не будет завершен. После этого в компьютер может быть загружена очередная программа.
На рис. 3.9 приведена временная диаграмма работы устройств компьютера в однопрограммном режиме. Из диаграммы видно, что в любой момент времени работает только одно устройство компьютера, а остальные простаивают в ожидании окончания предшествующего этапа обработки. Если учесть, что внешние устройства имеют, как правило, невысокое быстродействие, однопрограммный режим используется исключительно в компьютерах специального применения, решающих простые задачи.
Мультипрограммный режим. Для уменьшения простоев устройств в память компьютера можно загрузить сразу несколько программ и выполнять их параллельно, совмещая во времени счет по одним программам с выполнением операций ввода – вывода для других программ. Режим работы компьютера, при котором обеспечивается параллельное выполнение нескольких программ путем совмещения во времени работы процессора и внешних устройств, называется мультипрограммным. На рис.3.10 представлена временная диаграмма выполнения трех программ A, B, C в мультипрограммном режиме. В данном случае за каждой из программ А, В, С закреплено отдельное внешнее устройство ВУ1, ВУ2, ВУ3 соответственно, но все программы используют одно общее устройство – процессор. Когда в программе А, обрабатываемой процессором, встречается команда ввода – вывода, процессор инициирует операцию ввода — вывода в устройстве ВУ1 и переключается на выполнение программы В, ожидающей момента освобождения процессора. По окончании этапа счета по программе В процессор переключается на выполнение программы С. Процессор простаивает только в том случае, если все программы, обрабатываемые в мультипрограммном режиме, находятся в состоянии ввода – вывода. С увеличением числа одновременно обрабатываемых программ увеличивается вероятность того, что для каждого устройства в любой момент времени найдется работа, вследствие чего производительность компьютера возрастает.
Процесс решения задачи в мультипрограммном режиме протекает в соответствии с рис. 3.11. Причиной возникновения задачи является задание, которое содержит сведения о программе решения задачи и данных, обрабатываемых программой. Задание вводится в компьютер и, определяя программу и данные, позволяет установить потребность задачи в ресурсах компьютера: емкости основной и внешней памяти и типах устройств ввода – вывода. В момент окончания обработки ранее начатой задачи затребованные ресурсы могут быть предоставлены очередной задаче. После обеспечения задачи ресурсами программа загружается в выделенную для нее область основной памяти и становится готовой к выполнению. В процессе обработки задача может находиться в четырех состояниях. В состоянии ожидания счета задача находится до момента освобождения процессора, который может быть занят обработкой других задач. Когда процессор освобождается, задача переходит в состояние счета – процессорной обработки, в котором она пребывает до получения команды ввода – вывода. В общем случае для ввода – вывода может использоваться внешнее устройство, которое обслуживает несколько параллельно обрабатываемых задач. По этой причине операция ввода – вывода не может быть начата немедленно, и задача должна ожидать момента освобождения внешнего устройства, занятого обслуживанием других задач. По окончании ввода – вывода задача вновь переходит в состояние ожидания счета. Этот процесс продолжается до команды на прекращение счета, по которой обработка задачи заканчивается, предоставленные задаче машинные ресурсы освобождаются и передаются очередной задаче, формируемой по введенному в компьютер заданию на обработку.
Эффективность мультипрограммирования.Как правило, все компьютеры для решения научно-технических и коммерческих задач работают в мультипрограммном режиме. Из сравнения рис. 3.8 и 3.11 видно, что время обработки задачи в мультипрограммном режиме больше, чем в однопрограммном режиме. Это связано с процессом ожидания моментов освобождения процессора и внешних устройств при мультипрограммной обработке. Таким образом, мультипрограммирование приводит к увеличению производительности компьютера – количества задач, обрабатываемых за единицу времени, но одновременно с этим увеличивается время пребывания задач в компьютере – время от момента поступления задания на обработку до момента окончания обработки. Производительность и время пребывания задач U зависят от числа одновременно обрабатываемых задач M – коэффициента мультипрограммирования. Характер зависимостей (M) и U(M) представлен на рис. 3.12. В однопрограммном режиме (М = 1) производительность и время пребывания имеют минимальные значения: = 1, U=U1. С увеличением числа параллельно обрабатываемых задач M производительность стремится к максимальному значению max, определяемому количеством устройств в компьютере и их быстродействием. При этом время пребывания задач в компьютере неограниченно возрастает.
При использовании компьютера стремятся максимально уменьшить стоимость обработки данных. Эта цель равносильна уменьшению цены производительности компьютера Е = S / , где S – стоимость компьютера. Чтобы уменьшитьЕ, необходимо увеличить производительность, что достигается за счет увеличения загрузки устройств, т.е. уменьшения их простоя. Чтобы уменьшить простои оборудования, используется следующий способ организации работы компьютера. Во внешнюю память компьютера водится большое число заданий – пакет задач, который постоянно пополняется новыми задачами. Из пакета выбираются и загружаются в основную памятьМ задач, которые начинают обрабатываться в мультипрограммном режиме. Когда обработка одной задачи заканчивается, на ее место загружается очередная задача из пакета. Режим работы компьютера, при котором в очереди на обработку находится большое число задач, достаточное для загрузки компьютера работой, называется режимом пакетной обработки задач.
Как было отмечено, цель пакетной обработки – уменьшение стоимости обработки задач. Рассмотрим, как влияет коэффициент мультипрограммирования M на стоимость обработки задач. С увеличением М производительность Λ возрастает, стремясь к предельному значению Λmax (рис. 3.13). Чтобы увеличить коэффициент мультипрограммирования M, необходимо оснастить компьютер памятью, достаточной для размещения в ней M программ. Увеличение емкости памяти приводит к росту стоимости S компьютера. В общем случае цена производительности Ε=S/Λ изменяется с увеличением M, как показано на рис. 3.13. При некотором коэффициенте мультипрограммирования M=M0 цена производительности S/Λ принимает минимальное значение. Оптимальное значение M0 коэффициента мультипрограммирования зависит от класса задач, обрабатываемых компьютером.