Tema 2: Gestión de la CPU

Transcripción

1 Tema 2: Gestión de la CPU Yolanda Blanco Fernández

2 Programas vs Procesos Programa: datos e instrucciones. Un proceso es un programa en ejecución: datos, instrucciones, recursos y estado. El SO carga el programa en memoria para su ejecución: las instrucciones van accediendo a los datos que necesiten y guardando resultados en la zona de memoria asignada. MEMORIA PROGRAMA SISTEMA OPERATIVO Instrucciones Instrucciones Datos Datos

3 Concepto de Multiprogramación El objetivo es aprovechar los tiempos muertos de la CPU para ejecutar otros programas, consiguiendo con ello un mejor aprovechamiento de los recursos del ordenador (gracias al incremento de uso del procesador). Crea la falsa apariencia de ejecución simultánea de varios programas: en cada instante sólo podrá ejecutarse un programa en la CPU, pero como los restantes están realizando operaciones de E/S sobre los dispositivos, el usuario tendrá la sensación de que todos están en ejecución.

4 Gestión de Ejecución de Programas El SO crea las estructuras necesarias para gestionar todos los recursos necesarios durante la ejecución de los programas cargados en memoria. Estos datos se reúnen en el Bloque de Control del Sistema (SCB): Lista de descriptores de los procesos. Puntero al descriptor del proceso que ocupa actualmente la CPU (proceso en ejecución). Puntero a la cola de descriptores de los procesos que están esperando para poder usar el procesador (procesos preparados). Puntero a la cola de descriptores de los procesos que no están usando la CPU, y que están esperando a que se produzca algún evento, como la finalización de una operación de E/S (procesos en espera)). Puntero a la cola de descriptores de los procesos que no están usando la CPU por no estar activos pero que, ante una orden de activación, podrían seguir ejecutándose (interrupciones).

5 Estado del Proceso Nuevo: El proceso está siendo creado. En ejecución: Se están ejecutando las instrucciones. En espera: El proceso está esperando a que se produzca un suceso (fin de operación E/S o recepción de señal). Preparado: El proceso está a la espera de que le asignen a un procesador. Terminado: Ha terminado la ejecución del proceso. nuevo admitido interrupción terminado salida preparado en ejecución terminación de operacióne/s en espera en espera de suceso o de operación E/S

6 Información del Proceso Se almacena en el Bloque de Control del Proceso (PCB): Identificador del proceso (PID). Tipo de proceso. Privilegios. Prioridad. Estado CPU. Contador de programa. Registros. Estado del proceso. Recursos. Mapa de memoria donde se haya cargado el proceso. Ficheros abiertos. Jerarquía de procesos: proceso padre y procesos hijos. Objetivo: Preservar la información del proceso en el caso de que su ejecución tenga que ser temporalmente suspendida (cambio de contexto).

7 Prioridades Mecanismo que permite definir la urgencia con la que debe ejecutarse un proceso (la prioridad que tiene frente a otros procesos). Número entero: típicamente si P rioridad (A) > P rioridad (B) A es más prioritario que B. Tipos de prioridades: Asignadas por el SO. Asignadas por el propietario. Estáticas: no pueden ser modificadas durante la ejecución del proceso. Nunca en sistemas de tiempo real. Dinámicas: Un proceso puede modificar su prioridad para poder atender adecuadamente a todos los eventos que se produzcan.

8 Interrupciones Señal del HW ante un evento ajeno a la ejecución normal del proceso. Tras tratar la interrupción, el SO debe recuperar la ejecución del proceso en el punto en el que estaba antes de la misma.

9 Cambio de Contexto Se produce cuando se requiere la atención de algún servicio del SO (interrupción, llamada al SO, ejecución de instrucción privilegiada, etc). El SO salva el estado del proceso en su PCB, o lo restaura desde los datos almacenados en dicho bloque para continuar su ejecución en la CPU. Llamada al SO o interrupción Salva el estado del proceso Cambio de contexto Ejecución del SO Repone el estado del proceso Cambio de contexto

10 Cambio de Proceso Proceso A Proceso B Llamada al SO o interrupción Salva el estado del proceso A Repone el estado del proceso B Ejecución del SO Salva el estado del proceso B Ejecución del SO Repone el estado del proceso A

11 Planificación de Procesos Multiprogramación: tener en ejecución varios procesos al mismo tiempo para maximizar utilización de CPU. Sistemas de tiempo compartido: conmutar rápidamente la CPU entre los procesos en memoria de forma que los usuarios puedan interactuar con los programas en ejecución. Planificador de CPU: decide cuál de los procesos cargados en memoria pasará a ejecutarse en la CPU. El planificador no le da a cada proceso el tiempo de CPU que precisa de forma consecutiva ráfaga de CPU. Sucesión de ráfagas de CPU y operaciones E/S. Agenda de contenidos: 1. Colas de planificación. 2. Tipos de planificadores. 3. Criterios de planificación. 4. Algoritmos de planificación.

12 Colas de Planificación Cola de trabajos: almacena los procesos que entran en el sistema. Cola de procesos preparados: lista enlazada de los PCBs de los procesos que están cargados en memoria esperando a ocupar la CPU. Cola del dispositivo: lista enlazada de PCBs de los procesos que están esperando para poder acceder al dispositivo.

13 Tipos de Planificadores Planificador a largo plazo o planificador de trabajos: Qué trabajos se cargan en memoria para ser ejecutados en CPU? Controla el grado de multiprogramación del sistema. Alcanzar equilibrio entre procesos limitados por E/S (muchas operaciones de E/S y pocos cálculos) y procesos limitados por la CPU (muchos cálculos y operaciones E/S esporádicas). Planificador a corto plazo o planificador de CPU: Cuál de los procesos cargados en memoria se ejecutará en CPU? Con apropiación (un proceso puede desalojar a otro de la CPU) o sin apropiación (el proceso que ocupa la CPU no puede ser desalojado hasta terminar su ejecución o conmutar a estado de espera). Mayor frecuencia de ejecución que el planificador de trabajos. Planificador a medio plazo: Intercambio: Elimina procesos de la memoria (dejando de contender por la CPU) para luego volver a cargarlos. Para mejorar la combinación de procesos E/S y limitados por CPU o por restricciones de la memoria del sistema.

14 Criterios para elegir un Algoritmo de Planificación Tiempo de servicio: tiempo de carga en memoria + tiempo de espera en cola de procesos preparados + tiempo en CPU + tiempo consumido en operaciones E/S Tiempo de ejecución: tiempo en CPU + tiempo consumido en operaciones E/S Tiempo de procesador: tiempo de ejecución en CPU Tiempo de espera: tiempo en cola de procesos preparados + tiempo consumido en operaciones de E/S Rendimiento: tiempo de CPU de todos los procesos tiempo total de CPU Eficiencia: Número de procesos ejecutados por unidad de tiempo.

15 Algoritmos de Planificación FCFS (First-Come, First-Served) RR (Round-Robin) SJF (Shortest-Job-First) Planificadores por prioridades Planificación mediante colas multinivel Planificación mediante colas multinivel realimentadas

16 FCFS: First-Come, First-Served Se asigna en primer lugar la CPU al proceso que primero la solicite. Cuando un proceso entra en la cola de procesos preparados, su PCB se coloca al final de la cola FIFO. Cuando la CPU queda libre, se asigna el procesador al proceso cuyo PCB está al principio de la cola (y se elimina de la misma). Tiempo medio de espera en cola varía significativamente si la duración de las ráfagas de CPU de los procesos es muy variable. Produce efecto convoy: Procesos intensivos en E/S están esperando a que un proceso con ráfaga de CPU larga deje libre el procesador. Consecuencias: Utilización de CPU y dispositivos de E/S menor que la que se conseguiría si se permitiera a los procesos más cortos ejecutarse primero. Es un algoritmo colaborativo (sin apropiación) Inapropiado para sistemas de tiempo compartido.

17 SJF: Shortest-Job-First El algoritmo asocia a cada proceso la duración de su siguiente ráfaga de CPU. El planificador asigna la CPU al proceso (de la cola de procesos preparados) que tiene menor ráfaga de CPU. En caso de empate, se resuelve mediante FCFS. SJF proporciona el tiempo medio de espera mínimo para un conjunto de procesos. SJF puede ser apropiativo o colaborativo. SJF con apropiación se llama SRT (Shortest-Remaining-Time): apropiación cuando la ráfaga de CPU del proceso que acaba de llegar es menor que el tiempo de ejecución que le queda al que ocupa el procesador. Problema: cómo conocer la duración de la siguiente ráfaga de CPU del proceso? En planificador a largo plazo en un sistema por lotes, se usa como duración de la ráfaga el límite de tiempo del proceso que especifique el usuario en el momento de enviar el trabajo. En planificador a corto plazo se predice la duración de la siguiente ráfaga (porque no hay forma de conocerla).

18 SJF: Mecanismo de predicción de la siguiente ráfaga de CPU Se asigna la CPU al proceso que tenga la siguiente ráfaga de CPU predicha más corta. Se predice el valor de la siguiente ráfaga asumiendo que su duración será similar a la de las ráfagas anteriores. La siguiente ráfaga se predice como la media exponencial de las duraciones medias de las anteriores ráfagas de CPU. Sean t n la duración de la n-ésima ráfaga de CPU y τ n+1 el valor predicho para la siguiente ráfaga del proceso. Para α [0, 1], se tiene que: τ n+1 = α t n + (1 α) τ n (1) t n contiene la información más reciente y τ n el historial pasado. Si α = 0: τ n+1 = τ n el historial reciente no tiene efecto. Si α = 1: τ n+1 = t n sólo la ráfaga de CPU más reciente importa (historial obsoleto).

19 RR: Round-Robin o Planificación por Turnos Algoritmo con apropiación diseñado especialmente para sistemas de tiempo compartido. Los procesos nuevos se añaden al final de la cola (FIFO) de procesos preparados. El planificador toma el primer proceso de la cola y se asigna la CPU durante un quantum de tiempo (típicamente entre 10 y 100 ms). Si la ráfaga del proceso es menor que el quantum el proceso libera voluntariamente la CPU. Si la ráfaga es mayor que el quantum interrupción al SO, cambio de contexto y el proceso se coloca al final de la cola de procesos preparados. Si hay n procesos en la cola de procesos preparados y el quantum es q, cada proceso obtiene 1 n del tiempo de CPU en partes de como máximo q unidades de tiempo. Cada proceso no tiene que esperar más de (n 1) q unidades de tiempo hasta obtener su siguiente turno.

20 RR: Dimensionando el Quantum Si quantum muy largo RR degenera en FCFS. Si quantum muy corto compartición del procesador (impresión de que cada proceso tiene su propio procesador ejecutándose 1 n de la velocidad del procesador real). El quantum conviene que sea grande con respecto al tiempo requerido por un cambio de contexto (si el quantum es corto, los procesos no acaban de ejecutarse en la CPU y se ralentiza la ejecución debido a cambios de contexto). Si quantum excesivamente corto vapuleo: el rendimiento de CPU se reduce mucho porque sólo se hacen cambios de contexto (trabajo no útil). El tiempo medio de ejecución mejora si la mayor parte de los procesos terminan su siguiente ráfaga de CPU en un quantum. Regla práctica: 80% de las ráfagas de CPU deben ser más cortas que el quantum de tiempo.

21 Planificación por prioridades A cada proceso se le asigna una prioridad y el planificador asigna la CPU al proceso más prioritario. Ejemplos: FCFS (orden de llegada) y SJF (duración siguiente ráfaga de CPU). Típicamente se expresa mediante rango de números fijos. No hay consenso sobre si el mayor número corresponde a la mayor o a la menor prioridad. Las prioridades pueden definirse interna o externamente: Prioridades internas = f(requisitos de memoria, número de archivos abiertos, relación entre ráfaga promedio E/S y ráfaga promedio CPU, etc) Prioridades externas = f(criterios externos al SO) Puede ser sin apropiación o con apropiación (un proceso expulsa de la CPU a otro si es más prioritario). Problema: bloqueo indefinido o inanición los procesos menos prioritarios pueden esperar indefinidamente. Solución: envejecimiento aumentar progresivamente las prioridades de los procesos que llevan más tiempo esperando por CPU.

22 Planificación mediante colas multinivel Consiste en separar los procesos según su naturaleza/tipo (por ejemplo, interactivos vs. por lotes). La cola de procesos preparados se divide en varias colas (niveles) con algoritmos de planificación diferentes. Requiere un algoritmo de planificación entre colas: De qué cola se extraen procesos en primer lugar? Típicamente con apropiación y prioridad fija. Otra posibilidad: repartir el tiempo de CPU entre las colas (80% vs 20%). prioridad más alta Procesos del sistema Procesos interactivos prioridad más baja Procesos por lotes

23 Planificación mediante Colas Multinivel Realimentadas Permite mover los procesos de una cola a otra. Consiste en separar los procesos según las características de sus ráfagas de CPU (si uso de CPU es excesivo cola menos prioritaria). Mecanismo de envejecimiento implícito para evitar el bloqueo indefinido. Parámetros a definir: Número de colas. Algoritmo de planificación de cada cola. Mecanismo para determinar cuándo mover un proceso a una cola más prioritaria. Mecanismo para determinar cuándo mover un proceso a una cola menos prioritaria. Mecanismo para determinar en qué cola se colocará un proceso mientras espera por la CPU. Es el algoritmo de planificación de CPU más flexible más complejo.

24 Ejemplo de Planificación mediante Colas Multinivel Realimentadas cola 0 Quantum = 8 cola 1 Quantum = 16 cola 2 FCFS Se ejecutan los procesos de cola 2 sólo si cola 0 y 1 están vacías. Procesos de cola 0 desalojan a procesos de cola 1 y 2. Prioridad a procesos cortos (ráfaga 8ms) y semicortos (ráfaga 24ms). Los procesos largos (ráfaga > 24ms) usan ciclos de CPU no usados por los cortos y semicortos.

25 Evaluación de los Algoritmos de Planificación Elección del criterio: Conocer los tipos de trabajos a realizar. Conocer los parámetros modificables. Definir el objetivo del sistema. Evaluación formal: Evaluación analítica: Prestaciones del algoritmo = f(carga, parámetros del sistema). Difícil de realizar. Modelación determinista: Resultados exactos para una configuración de trabajos dada. Difícil de extrapolar. Modelos de colas: Permite evaluar las longitudes de las colas. Evaluación por simulación.