2.2Режимы работы электронных вычислительных машин (организация вычислительных процессов)
Режим работы ЭВМ – это порядок прохождения задач (заданий) через ЭВМ. Кем обеспечивается? Управляющими программами ОС (это одна из основных функций всякой ОС). Какие бывают режимы работы? Два типа – однозадачный (однопрограммный) и мультизадачный (мультипрограммный).
В однопрограммном режиме аппаратура ЭВМ выполняет одну пользовательскую программу под управлением и с использованием программ ОС. Т.е. практически это двухпрограммный режим: пользовательская программа плюс программа ОС. Но поскольку программы ОС являются сервисными, обслуживающими запросы пользователя, такой режим называют однопрограммным (однозадачным). Работу ЭВМ в этом режиме можно проиллюстрировать следующей временной диаграммой (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1
Основное достоинство однопрограммного режима – минимальное время ответа на запросы пользователя. Почему минимальное? Потому что все ресурсы ЭВМ (и аппаратные, и программные) находятся в распоряжении пользователя – нет конкуренции за ресурсы. Пользователь монопольно владеет всеми ресурсами.
Основной недостаток однопрограммного режима – неэффективное использование оборудования, в частности, процессора: как видно из временной диаграммы, большую часть времени процессор простаивает. Почему большую? Дело в том, что быстродействие ПУ, с помощью которых осуществляется ввод/вывод информации, обычно существенно ниже быстродействия процессора и памяти. В результате простоев процессора производительность ЭВМ минимальна. В силу этого недостатка однопрограммный режим используется лишь в дешевых ЭВМ класса микро-ЭВМ, в персональных ЭВМ, в частности.
В более мощных, дорогих ЭВМ однозадачный режим не применяется. В них с целью повышения эффективности использования дорогого оборудования применяется мультипрограммный режим. В этом режиме, кроме программ ОС, в ОП компьютера располагаются и (по очереди) выполняются несколько (в общем случае М) программ пользователей. Цель – увеличение загрузки ЦП и, как следствие, производительности ЭВМ. Работу ЭВМ в мультипрограммном режиме можно проиллюстрировать временной диаграммой (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2
Как говорят в метрической теории ВС, мультипрограммный режим минимизирует т.н. цену производительности I (впервые это понятие использовал В.М. Глушков): I=S/Λ, где S – стоимость ЭВМ, Λ – производительность ВК (количество задач в единицу времени). Зависимость I, S, Λ от уровня мультипрограммирования М представлена на рисунке 2.3. Здесь Мопт – оптимальный уровень мультипрограммирования, зависит от многих факторов: класса решаемых задач, быстродействия устройств ВК, емкости памяти, структуры ВК и др.
Рисунок 2.3
Определение
значения Мопт,
при котором
цена производительности принимает
минимальное значение, - задача сложная,
это теоретическая проблема. Практически
(экспериментально) установлено, что для
средних по вычислительной мощности ЭВМ
оптимальный уровень мультипрограммирования
Мопт
лежит в пределах от 4 до 8, для больших –
в пределах от 8 до 16.
Основное достоинство мультизадачного режима – минимизация цены производительности. Основной недостаток – увеличение времени ответа (по сравнению с однопрограммным режимом), особенно большое для коротких по времени программ. Как быть? Простейший выход (способ) – квантование процессорного времени – дает преимущество коротким программам.