Introducción y Definiciones Sobre Procesos
El concepto central de cualquier Sistema Operativo es
el de proceso: una abstracción de un programa en ejecución también
llamada tarea.
No hay un acuerdo universal sobre una definición de
proceso, pero sí algunas definiciones aceptadas [7, Deitel]:
- Un
programa que se está ejecutando.
- Una
actividad asincrónica.
- El emplazamiento
del control de un procedimiento que está siendo ejecutado.
- Aquello
que se manifiesta por la existencia en el Sistema Operativo de un bloque
de control de proceso.
- Aquella
entidad a la cual son asignados los procesadores.
- La
unidad despachable.
En sistemas de multiprogramación la
cpu alterna de programa en programa, en un esquema de seudo paralelismo ,
es decir que la cpu ejecuta en cierto instante un solo programa, intercambiando
muy rápidamente entre uno y otro.
El paralelismo real de hardware se
da en las siguientes situaciones:
- En
ejecución de instrucciones de programa con más de un procesador de
instrucciones en uso simultáneamente.
- Con
la superposición de ejecución de instrucciones de programa con la
ejecución de una o más operaciones de entrada / salida.
El objetivo es aumentar el paralelismo en la ejecución.
El modelo de procesos posee las
siguientes características:
- Todo
el software ejecutable, inclusive el Sistema Operativo, se organiza en
varios procesos secuenciales o procesos.
- Un
proceso incluye al programa en ejecución y a los valores activos del
contador, registros y variables del mismo.
- Conceptualmente
cada proceso tiene su propia cpu virtual.
- Si
la cpu alterna entre los procesos, la velocidad a la que ejecuta un
proceso no será uniforme, por lo que es necesario aclarar lo siguiente:
- Que
los procesos no deben programarse con hipótesis implícitas acerca del
tiempo.
- Que
normalmente la mayoría de los procesos no son afectados por la
multiprogramación subyacente de la cpu o las velocidades relativas de
procesos distintos.
- Un
proceso es una actividad de un cierto tipo, que tiene un programa,
entrada, salida y estado.
- Un
solo procesador puede ser compartido entre varios procesos con
cierto “algoritmo de planificación” , el cual determina
cuándo detener el trabajo en un proceso y dar servicio a otro distinto
(ver Figura 2.1 [23, Tanenbaum]).
En cuanto a las jerarquías de procesos es necesario señalar que los Sistemas Operativos deben disponer de una forma de crear y destruir procesos cuando se requiera durante la operación, teniendo además presente que los procesos pueden generar procesos hijos mediante llamadas al Sistema Operativo, pudiendo darse ejecución en paralelo.
Respecto de los estados del proceso deben
efectuarse las siguientes consideraciones:
- Cada
proceso es una entidad independiente pero frecuentemente debe interactuar
con otros procesos (ver Figura 2.2 [23, Tanenbaum]).
- Los
procesos pueden bloquearse en su ejecución porque:
- Desde
el punto de vista lógico no puede continuar porque espera datos que aún
no están disponibles.
- El
Sistema Operativo asignó la cpu a otro proceso.
- Los
estados [23, Tanenbaum] que puede tener un proceso son (ver Figura 2.3 [23, Tanenbaum]):
- En
ejecución: utiliza la cpu
en el instante dado.
- Listo: ejecutable, se detiene en forma temporal
para que se ejecute otro proceso.
- Bloqueado: no se puede ejecutar debido a
la ocurrencia de algún evento externo.
- Son
posibles cuatro transiciones entre estos estados.
Durante su existencia un
proceso pasa por una serie de estados discretos, siendo varias las
circunstancias que pueden hacer que el mismo cambie de estado.
Debido a ello se puede
establecer una “Lista de Listos” para los procesos “listos” y
una “Lista de Bloqueados” para los “bloqueados”.
La “Lista de
Listos” se mantiene en orden prioritario y la “Lista de
Bloqueados” está desordenada, ya que los procesos se desbloquean en el
orden en que tienen lugar los eventos que están esperando.
Al admitirse un trabajo
en el sistema se crea un proceso equivalente y es insertado en la última parte
de la “Lista de Listos”.
La asignación de la cpu
al primer proceso de la “Lista de Listos” se denomina “Despacho”,
que es ejecutado por una entidad del Sistema Operativo llamada“Despachador”.
El “Bloqueo” es
la única transición de estado iniciada por el propio proceso del usuario,
puesto que las otras transiciones son iniciadas por entidades ajenas al
proceso.
La manifestación de un
proceso en un Sistema Operativo es un “Bloque de Control de
Proceso” (PCB) con información que incluye [7, Deitel]:
- Estado actual del proceso.
- Identificación única del proceso.
- Prioridad del proceso.
- Apuntadores para localizar la memoria del
proceso.
- Apuntadores para asignar recursos.
- Área para preservar registros.
Cuando el Sistema Operativo cambia la atención de la cpu entre los procesos, utiliza las áreas de preservación del PCB para mantener la información que necesita para reiniciar el proceso cuando consiga de nuevo la cpu.
Los sistemas que
administran los procesos deben poder crear, destruir, suspender, reanudar,
cambiar la prioridad, bloquear, despertar y despachar un proceso.
La “creación” de
un proceso significa:
- Dar nombre al proceso.
- Insertar un proceso en la lista del sistema de
procesos conocidos.
- Determinar la prioridad inicial del proceso.
- Crear el bloque de control del proceso.
- Asignar los recursos iniciales del proceso.
Un proceso puede “crear un nuevo proceso”, en cuyo caso el proceso creador se denomina “proceso padre” y el proceso creado “proceso hijo” y se obtiene una “estructura jerárquica de procesos”.
La “destrucción” de
un proceso implica:
- Borrarlo del sistema.
- Devolver sus recursos al sistema.
- Purgarlo de todas las listas o tablas del
sistema.
- Borrar su bloque de control de procesos.
Un proceso “suspendido” no puede proseguir hasta que otro proceso lo reanude.
Reanudar (reactivar) un
proceso implica reiniciarlo en el punto donde fue suspendido.
La “destrucción” de
un proceso puede o no significar la destrucción de los procesos hijos, según el
Sistema Operativo.
Generalmente se
denomina “Tabla de Procesos” al conjunto de información
de control sobre los distintos procesos.
Procesamiento de
Interrupciones
Una “interrupción” es un
evento que altera la secuencia en que el procesador ejecuta las instrucciones;
es un hecho generado por el hardware del computador [7, Deitel].
Cuando ocurre una
interrupción, el Sistema Operativo:
- Obtiene el control.
- Salva el estado del proceso interrumpido,
generalmente en su bloque de control de procesos.
- Analiza la interrupción.
- Transfiere el control a la rutina apropiada para
la manipulación de la interrupción.
Una interrupción puede ser iniciada por un proceso en estado de ejecución o por un evento que puede o no estar relacionado con un proceso en ejecución.
Generalmente las interrupciones se
pueden clasificar por tipos según el siguiente detalle (ver
Tabla 2.1 [7, Deitel]:
- “SVC (llamada al supervisor)”: es una petición
generada por el usuario para un servicio particular del sistema, por
ejemplo, realización de Entrada / Salida u obtención de más memoria.
- “Entrada / Salida”: son iniciadas
por el hardware de Entrada / Salida, indicando a la cpu que ha cambiado el
estado de un canal o dispositivo, por ejemplo, finalización de Entrada /
Salida u ocurrencia de un error.
- “Externas”: son causadas
por distintos eventos, por ejemplo, expiración de un cuanto en un reloj de
interrupción o recepción de una señal de otro procesador en un sistema
multiprocesador.
- “De reinicio”: ocurren al
presionar la “tecla de reinicio” o cuando llega una instrucción de
reinicio de otro procesador en un sistema multiprocesador.
- “De verificación de programa”: son causadas
por errores producidos durante la ejecución de procesos, por ejemplo:
- Un intento de dividir por cero.
- Un intento de un proceso de usuario de ejecutar
una instrucción privilegiada.
- Un intento de ejecutar un código de operación
inválido.
- “De verificación de máquina”: son
ocasionadas por un mal funcionamiento del hardware.
|
Tipo de
Interrupción
|
Descripción
|
|
SVC
|
Llamada al Sistema
Operativo
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|
Entrada / Salida
|
Cambio de estado de un
canal o dispositivo
|
|
Externa
|
Evento externo al
sistema
|
|
De Reinicio
|
Reinicio del
procesamiento
|
|
De Verificación de
Programa
|
Errores de procesos
|
|
De Verificación de
Máquina
|
Errores de hardware
|
|
Tabla 2.1: Tipos de
interrupciones.
|
|
El Sistema Operativo
incluye rutinas llamadas “Manipuladores de Interrupciones (IH)” para
procesar cada tipo diferente de interrupción.
Cuando se produce una interrupción el Sistema Operativo efectúa las siguientes acciones:
Cuando se produce una interrupción el Sistema Operativo efectúa las siguientes acciones:
- Salva el estado del proceso interrumpido.
- Dirige el control al manipulador de
interrupciones adecuado.
- Se aplica la técnica de “Cambio de
Contexto” .
Los Sistemas Operativos instrumentan información de control que puede aparecer como las “Palabras de Estado de Programa (PSW)”, las cuales controlan el orden de ejecución de las instrucciones y contienen información sobre el estado del proceso.
Existen tres tipos de
PSW, que son la “actual”, la “nueva” y la “vieja”.
La “PSW Actual” almacena
la dirección de la próxima instrucción que será ejecutada e indica los tipos de
instrucciones actualmente “habilitadas” e inhabilitadas”.
En un sistema
uniprocesador existe:
- Solo una PSW actual.
- Seis PSW nuevas (una para cada tipo de
interrupción).
- Seis PSW viejas (una para cada tipo de interrupción).
La PSW nueva para un tipo de interrupción dado contiene la dirección en el
hardware donde reside el manipulador de interrupciones para este tipo
específico.
Cuando ocurre una
interrupción para la cual el procesador no está inhabilitado, ocurren las
siguientes acciones:
- El hardware cambia las PSW en los casos
siguientes:
- Al almacenar la PSW actual en la PSW vieja, para
este tipo de interrupción.
- Al almacenar la PSW nueva en la PSW actual, para
este tipo de interrupción.
- Luego de este “intercambio de PSW”:
- La PSW actual contiene la dirección del
manipulador de interrupción adecuado.
- El manipulador de interrupciones procesa la
interrupción.
- Luego de procesar la interrupción, la cpu es
enviada al:
- Proceso que estaba en ejecución en el momento
de la interrupción, o al
- Proceso de listo de más alta prioridad.
- La acción precedente depende de si el proceso de
interrupción es:
- “Apropiativo”: obtiene la
cpu solo si no hay procesos de listos.
- “No apropiativo”: obtiene de nuevo la cpu.
El “núcleo” del
Sistema Operativo controla todas las operaciones que implican procesos y
representa solo una pequeña porción del código de todo el Sistema Operativo
pero es de amplio uso [7, Deitel].
Generalmente permanece
en el almacenamiento primario.
El proceso de
interrupciones se incluye en el núcleo ya que debe ser rápido (especialmente en
sistemas multiusuario), para optimizar el uso de los recursos del sistema y
proveer tiempos de respuesta aceptables a los usuarios interactivos.
El núcleo inhabilita
las interrupciones mientras responde a una interrupción. Las interrupciones son
habilitadas de nuevo después de completar el proceso de una interrupción.
El núcleo del
Sistema Operativo generalmente realiza las siguientes funciones:
- Manipulación de interrupciones.
- Creación y destrucción de procesos.
- Cambio de estados de procesos.
- Despacho.
- Suspensión y reanudación de procesos.
- Sincronización de procesos.
- Comunicación entre procesos.
- Manipulación de bloques de control de proceso.
- Soporte de las actividades de Entrada / Salida.
- Soporte de la asignación y desasignación de
almacenamiento.
- Soporte del sistema de archivos.
- Soporte de un mecanismo de llamada / regreso al
procedimiento.
- Soporte de ciertas funciones contables (estadísticas) del sistema.
Cuando más de un proceso
es ejecutable desde el punto de vista lógico, el Sistema Operativo debe decidir
cuál de ellos debe ejecutarse en primer término.
El Planificador es
la porción del Sistema Operativo que decide y el Algoritmo de
Planificación es el utilizado.
Los principales “criterios” respecto
de un buen algoritmo de planificación [23, Tanenbaum] son la equidad, la eficacia, el tiempo de
respuesta, el tiempo de regreso y el rendimiento (ver Tabla 2.2 [23, Tanenbaum]).
|
Criterio
|
Descripción
|
|
Equidad
|
Garantizar que cada
proceso obtiene su proporción justa de la cpu
|
|
Eficacia
|
Mantener ocupada la
cpu el ciento por ciento del tiempo
|
|
Tiempo de respuesta
|
Minimizar el tiempo de
respuesta para los usuarios interactivos
|
|
Tiempo de
regreso
|
Minimizar el tiempo
que deben esperar los usuarios por lotes (batch) para obtener sus resultados
|
|
Rendimiento
|
Maximizar el número de
tareas procesadas por hora
|
|
Tabla 2.2:
Criterios de un buen algoritmo de planificación.
|
|
Algunas de estas metas
son contradictorias, por ejemplo, minimizar el tiempo de respuesta para los
usuarios interactivos significaría no ejecutar las tareas batch.
Cada proceso es único e
impredecible, es decir que pueden requerir intensivamente operaciones de
Entrada / Salida o intensivamente cpu; el planificador del Sistema Operativo no
tiene la certeza de cuánto tiempo transcurrirá hasta que un proceso se bloquee,
ya sea por una operación de Entrada / Salida o por otra razón .
Para evitar que un
proceso se apropie de la cpu un tiempo excesivo, los equipos poseen un
dispositivo que provoca una interrupción en forma periódica, por ejemplo 60 hz,
o sea sesenta veces por segundo.
En cada interrupción del
reloj el Sistema Operativo decide si el proceso que se está ejecutando continúa
o si el proceso agotó su tiempo de cpu y debe suspenderse y ceder la cpu a otro
proceso.
Los principales
conceptos relacionados con Planificación del Procesador son
los siguiente:
- Planificación apropiativa: es la
estrategia de permitir que procesos ejecutables (desde el punto de vista
lógico) sean suspendidos temporalmente.
- Planificación no apropiativa: es la
estrategia de permitir la ejecución de un proceso hasta terminar.
- Planificación del procesador: determinar cuándo deben asignarse los procesadores y a qué procesos, lo cual es responsabilidad del Sistema Operativo.
Se consideran tres
niveles importantes de planificación, los que se detallan a continuación (ver
Figura 2.4 [7, Deitel]):
- Planificación de alto nivel:
- También se denomina Planificación de trabajos.
- Determina a qué trabajos se les va a permitir
competir activamente por los recursos del sistema, lo cual se denomina
Planificación de admisión.
- Planificación de nivel intermedio:
- Determina a qué procesos se les puede permitir
competir por la cpu.
- Responde a fluctuaciones a corto plazo en la
carga del sistema y efectúa “suspensiones” y “activaciones”
(“reanudaciones”) de procesos.
- Debe ayudar a alcanzar ciertas metas en el
rendimiento total del sistema.
- Planificación de bajo nivel:
- Determina a qué proceso listo se le asigna la
cpu cuando esta queda disponible y asigna la cpu al mismo, es decir que
“despacha” la cpu al proceso.
- La efectúa el Despachador del Sistema Operativo, el que opera muchas veces por segundo y reside siempre en el almacenamiento primario.
Los distintos Sistemas Operativos utilizan varias Políticas de
Planificación, que se instrumentan mediante Mecanismos de
Planificación.
Los objetivos de la
planificación del procesador son los siguientes e involucran a los conceptos
detallados seguidamente [7, Deitel]:
- Ser justa:
- Todos los procesos son tratados de igual manera.
- Ningún proceso es postergado indefinidamente.
- Maximizar la capacidad de ejecución:
- Maximizar el número de procesos servidos por
unidad de tiempo.
- Maximizar el número de usuarios interactivos que
reciban unos tiempos de respuesta aceptables:
- En un máximo de unos segundos.
- Ser predecible:
- Un trabajo dado debe ejecutarse aproximadamente
en la misma cantidad de tiempo independientemente de la carga del
sistema.
- Minimizar la sobrecarga:
- No suele considerarse un objetivo muy
importante.
- Equilibrar el uso de recursos:
- Favorecer a los procesos que utilizarán recursos
infrautilizados.
- Equilibrar respuesta y utilización:
- La mejor manera de garantizar buenos tiempos de
respuesta es disponer de los recursos suficientes cuando se necesitan,
pero la utilización total de recursos podrá ser pobre.
- Evitar la postergación indefinida:
- Se utiliza la estrategia del “envejecimiento” .
- Mientras un proceso espera por un recurso su
prioridad debe aumentar, así la prioridad llegará a ser tan alta que el
proceso recibirá el recurso esperado.
- Asegurar la prioridad:
- Los mecanismos de planificación deben favorecer
a los procesos con prioridades más altas.
- Dar preferencia a los procesos que mantienen
recursos claves:
- Un proceso de baja prioridad podría mantener un
recurso clave, que puede ser requerido por un proceso de más alta
prioridad.
- Si el recurso es no apropiativo, el mecanismo de
planificación debe otorgar al proceso un tratamiento mejor del que le
correspondería normalmente, puesto que es necesario liberar rápidamente
el recurso clave.
- Dar mejor tratamiento a los procesos que muestren
un “comportamiento deseable”:
- Un ejemplo de comportamiento deseable es una
tasa baja de paginación.
- Degradarse suavemente con cargas pesadas:
- Un mecanismo de planificación no debe colapsar
con el peso de una exigente carga del sistema.
- Se debe evitar una carga excesiva mediante las
siguientes acciones:
- No permitiendo que se creen nuevos procesos
cuando la carga ya es pesada.
- Dando servicio a la carga más pesada al
proporcionar un nivel moderadamente reducido de servicio a todos los
procesos.
Muchas de estas metas se encuentran en conflicto entre sí, por lo que la planificación se convierte en un problema complejo.
Criterios de
Planificación
Para realizar los
objetivos de la planificación, un mecanismo de planificación debe considerar lo
siguiente [7, Deitel]:
- La limitación de un proceso a las operaciones de
Entrada / Salida: cuando un proceso consigue la cpu, ¿la utiliza solo
brevemente antes de generar una petición de Entrada / Salida?.
- La limitación de un proceso a la cpu: cuando un
proceso obtiene la cpu, ¿tiende a usarla hasta que expira su tiempo?.
- Si un proceso es por lote (batch) o interactivo:
los usuarios interactivos deben recibir inmediato servicio para garantizar
buenos tiempos de respuesta.
- ¿Qué urgencia tiene una respuesta rápida?: por
ejemplo, un proceso de tiempo real de un sistema de control que supervise
una refinería de combustible requiere una respuesta rápida, más rápida que
la respuesta requerida por un proceso en lotes (batch) que deberá
entregarse al día siguiente.
- La prioridad de un proceso: a mayor prioridad
mejor tratamiento.
- Frecuentemente un proceso genera fallos
(carencias) de página:
- Probablemente los procesos que generan pocos
fallos de página hayan acumulado sus “conjuntos de trabajo” en el
almacenamiento principal.
- Los procesos que experimentan gran cantidad de
fallos de página aún no han establecido sus conjuntos de trabajo.
- Un criterio indica favorecer a los procesos que
han establecido sus conjuntos de trabajo.
- Otro criterio indica favorecer a los procesos
con una tasa alta de fallos de página ya que rápidamente generarán una
petición de Entrada / Salida.
- Frecuentemente un proceso ha sido apropiado por
otro de más alta prioridad, lo cual significa lo siguiente:
- A menudo los procesos apropiados deben recibir
un tratamiento menos favorable.
- Cada vez que el Sistema Operativo asume la
sobrecarga para hacer ejecutar este proceso, el corto tiempo de ejecución
antes de la apropiación no justifica la sobrecarga de hacer ejecutar al
proceso en primer lugar.
- ¿Cuánto tiempo de ejecución real ha recibido el
proceso?: un criterio considera que debe ser favorecido un proceso que ha
recibido muy poco tiempo de cpu.
- ¿Cuánto tiempo adicional va a necesitar el proceso para terminar?: los tiempos promedio de espera pueden reducirse priorizando los procesos que requieren de un tiempo de ejecución mínimo para su terminación, pero pocas veces es posible conocer la cantidad de tiempo adicional que cada proceso necesita para terminar.
Las Disciplinas de
Planificación pueden ser Apropiativas o No
Apropiativas (ver Tabla 2.3 [23, Tanenbaum]).
|
Disciplina
|
Descripción
|
|
“Apropiativa”
|
Una vez que se le ha
otorgado la cpu a un proceso, le puede ser retirada
|
|
“No Apropiativa”
|
Una vez que se le ha
otorgado la cpu a un proceso, no le puede ser retirada
|
|
Tabla 2.3:
Disciplinas de planificación del procesador.
|
|
Las principales
características de la planificación apropiativa son las
siguientes:
- Es útil cuando los procesos de alta prioridad
requieren atención rápida.
- Es importante para garantizar buenos tiempos de
respuesta en sistemas interactivos de tiempo compartido.
- Tiene su costo en recursos, ya que el intercambio
de contexto implica sobrecarga y además requiere mantener muchos procesos
en el almacenamiento principal, en espera de la cpu, lo que también
implica sobrecarga.
Las principales
características de la planificación no apropiativa son las
siguientes:
- Significa que los trabajos “largos” hacen esperar
a los trabajos “cortos”.
- Logra más equidad en el tratamiento de los
procesos.
- Logra hacer más predecibles los tiempos de
respuesta puesto que los trabajos nuevos de prioridad alta no pueden
desplazar a los trabajos en espera.
El diseño de un
mecanismo apropiativo hace necesario considerar las arbitrariedades de casi
cualquier esquema de prioridades, en razón de que muchas veces las propias
prioridades no son asignadas de forma significativa [25, Tanenbaum].
El mecanismo debería ser
sencillo pero efectivo y significativo.
Temporizador de
Intervalos o Reloj de Interrupción
El proceso al cual está
asignada la cpu se dice que está en ejecución y puede ser un proceso de Sistema
Operativo o de usuario.
El Sistema Operativo
dispone de mecanismos para quitarle la cpu a un proceso de usuario para evitar
que monopolice el sistema.
El Sistema Operativo
posee un “reloj de interrupción” o “temporizador de
intervalos” para generar una interrupción, en algún tiempo futuro
específico o después de un transcurso de tiempo en el futuro; la cpu es
entonces despachada hacia el siguiente proceso [7, Deitel].
Un proceso retiene el
control de la cpu hasta que ocurra alguna de las siguientes situaciones:
- La libera voluntariamente.
- El reloj la interrumpe.
- Alguna otra interrupción atrae la atención de la
cpu.
Si el reloj interrumpe
un proceso de usuario, la interrupción causa la ejecución del Sistema
Operativo, el que decide cuál será el proceso que obtendrá la cpu.
El reloj de interrupción
ayuda a garantizar tiempos de respuesta razonables a usuarios interactivos, ya
que evita que el sistema se “cuelgue” a un solo usuario en un ciclo infinito y
permite que los procesos respondan a “eventos dependientes del tiempo”.
Asimismo, los procesos
que necesitan una ejecución periódica dependen del reloj de interrupción [22, Tanenbaum].
Prioridades
Las prioridades pueden
ser de distinto tipo (ver Tabla 2.4 [7, Deitel]).
|
Tipos de
prioridades
|
|
Asignadas
automáticamente por el sistema
|
|
Asignadas desde el
exterior
|
|
Dinámicas
|
|
Estáticas
|
|
Asignadas
racionalmente
|
|
Asignadas
arbitrariamente
|
|
Tabla 2.4: Tipos de
prioridades.
|
En el caso de
prioridades asignadas arbitrariamente, un mecanismo del sistema necesita
distinguir entre procesos sin importarle cuál es el más importante.
Las principales
características de las prioridades estáticas son las
siguientes:
- No cambian.
- Los mecanismos de implementación son sencillos.
- Implican una sobrecarga relativamente baja.
- No responden a cambios en el ambiente (contexto)
que harían deseable ajustar alguna prioridad.
Las principales
características de las prioridades dinámicas son las
siguientes:
- Responden al cambio.
- La prioridad inicial asignada a un proceso puede
durar poco tiempo, luego se la reajusta a un mejor valor.
- Los mecanismos de implementación son más
complicados que para prioridades estáticas.
- Implican una sobrecarga mayor que para esquemas
estáticos.
Respecto de las prioridades
adquiridas, se hace referencia al tratamiento especial que en situaciones
excepcionales requiere un cierto proceso, lo que puede significar restar
recursos a los demás procesos.
Tipos de
Planificación
Ciertos trabajos se
planifican para ser terminados en un tiempo específico o plazo fijo. Es una
planificación compleja debido a los siguientes factores:
- El usuario debe suministrar anticipadamente una
lista precisa de recursos necesarios para el proceso, pero generalmente no
se dispone de dicha información.
- La ejecución del trabajo de plazo fijo no debe
producir una grave degradación del servicio a otros usuarios.
- El sistema debe planificar cuidadosamente sus
necesidades de recursos hasta el plazo fijo, lo que se puede complicar con
las demandas de recursos de nuevos procesos que ingresen al sistema.
- La concurrencia de varios procesos de plazo fijo
(activos a la vez) puede requerir métodos sofisticados de optimización.
- La administración intensiva de recursos puede generar una considerable sobrecarga adicional.
Se establecen
compromisos de desempeño con el proceso del usuario, por ejemplo, si
existen “n” procesos en el sistema, el proceso del usuario
recibirá cerca del“1 / n” de la potencia de la cpu.
El sistema debe tener un
registro del tiempo de cpu que cada proceso ha tenido desde su entrada al
sistema y del tiempo transcurrido desde esa entrada.
Con los datos anteriores
y el registro de procesos en curso de ejecución, el sistema calcula y determina
qué procesos están más alejados por defecto de la relación“1 / n” prometida
y prioriza los procesos que han recibido menos cpu de la prometida.
Planificación del
Primero en Entrar Primero en Salir (FIFO)
Es muy simple, los
procesos se despachan de acuerdo con su tiempo de llegada a la cola de listos.
Una vez que el proceso
obtiene la cpu, se ejecuta hasta terminar, ya que es una disciplina “no apropiativa”.
Puede ocasionar que
procesos largos hagan esperar a procesos cortos y que procesos no importantes
hagan esperar a procesos importantes.
Es más predecible que
otros esquemas.
No puede garantizar
buenos tiempos de respuesta interactivos.
Suele utilizarse
integrado a otros esquemas, por ejemplo, de la siguiente manera:
- Los procesos se despachan con algún esquema de
prioridad.
- Los procesos con igual prioridad se despachan
“FIFO”.
Los procesos se
despachan en “FIFO” y disponen de una cantidad limitada de tiempo de cpu,
llamada “división de tiempo” o “cuanto”.
Si un proceso no termina
antes de expirar su tiempo de cpu ocurren las siguientes acciones:
- La cpu es apropiada.
- La cpu es otorgada al siguiente proceso en
espera.
- El proceso apropiado es situado al final de la
lista de listos.
Es efectiva en ambientes
de tiempo compartido.
La sobrecarga de la
apropiación se mantiene baja mediante mecanismos eficientes de intercambio de contexto
y con suficiente memoria principal para los procesos.
Tamaño del Cuanto o
Quantum
La determinación del
tamaño del cuanto es decisiva para la operación efectiva de un sistema
computacional [7, Deitel].
Los interrogantes son:
¿cuanto pequeño o grande?, ¿cuanto fijo o variable? y ¿cuanto igual para todos
los procesos de usuarios o determinado por separado para cada uno de ellos?.
Si el cuanto se hace muy
grande, cada proceso recibe todo el tiempo necesario para llegar a su
terminación, por lo cual la asignación en rueda (“RR”) degenera en “FIFO”.
Si el cuanto se hace muy
pequeño, la sobrecarga del intercambio de contexto se convierte en un factor
dominante y el rendimiento del sistema se degrada, puesto que la mayor parte
del tiempo de cpu se invierte en el intercambio del procesador (cambio de
contexto) y los procesos de usuario disponen de muy poco tiempo de cpu.
El cuanto debe ser lo
suficientemente grande como para permitir que la gran mayoría de las peticiones
interactivas requieran de menos tiempo que la duración del cuanto, es decir que
el tiempo transcurrido desde el otorgamiento de la cpu a un proceso hasta que
genera una petición de Entrada / Salida debe ser menor que el cuanto
establecido, de esta forma, ocurrida la petición la cpu pasa a otro proceso y
como el cuanto es mayor que el tiempo transcurrido hasta la petición de Entrada
/ Salida, los procesos trabajan al máximo de velocidad, se minimiza la
sobrecarga de apropiación y se maximiza la utilización de la
Entrada / Salida.
Entrada / Salida.
El cuanto óptimo varía
de un sistema a otro y con la carga, siendo un valor de referencia 100 mseg
(cien milisegundos).
Planificación del Trabajo
Más Corto Primero (SJF)
Es una disciplina no
apropiativa y por lo tanto no recomendable en ambientes de tiempo compartido.
El proceso en espera con
el menor tiempo estimado de ejecución hasta su terminación es el siguiente en
ejecutarse.
Los tiempos promedio de
espera son menores que con “FIFO”.
Los tiempos de espera
son menos predecibles que en “FIFO”.
Favorece a los procesos
cortos en detrimento de los largos.
Tiende a reducir el
número de procesos en espera y el número de procesos que esperan detrás de
procesos largos.
Requiere un conocimiento
preciso del tiempo de ejecución de un proceso, lo que generalmente se
desconoce.
Se pueden estimar los
tiempos en base a series de valores anteriores.
Planificación del
Tiempo Restante Más Corto (SRT)
Es la contraparte
apropiativa del SJF.
Es útil en sistemas de
tiempo compartido.
El proceso con el tiempo
estimado de ejecución menor para …nalizar es el siguiente en ser ejecutado.
Un proceso en ejecución
puede ser apropiado por un nuevo proceso con un tiempo estimado de ejecución
menor.
Tiene mayor sobrecarga
que la planificación SJF.
Debe mantener un
registro del tiempo de servicio transcurrido del proceso en ejecución, lo que
aumenta la sobrecarga.
Los trabajos largos
tienen un promedio y una varianza de los tiempos de espera aún mayor que en
SJF.
La apropiación de un
proceso a punto de terminar por otro de menor duración recién llegado podría
significar un mayor tiempo de cambio de contexto (administración del
procesador) que el tiempo de finalización del primero.
Al diseñarse los
Sistemas Operativos se debe considerar cuidadosamente la sobrecarga de los
mecanismos de administración de recursos comparándola con los beneficios
esperados.
Planificación el
Siguiente con Relación de Respuesta Máxima (HRN)
Corrige algunas de las
debilidades del SJF, tales como el exceso de perjuicio hacia los procesos
(trabajos) largos y el exceso de favoritismo hacia los nuevos trabajos cortos.
Es una disciplina no
apropiativa.
La prioridad de cada
proceso está en función no sólo del tiempo de servicio del trabajo, sino que
también influye la cantidad de tiempo que el trabajo ha estado esperando ser
servido.
Cuando un proceso ha
obtenido la cpu, corre hasta terminar.
Las prioridades, que son
dinámicas, se calculan según la siguiente fórmula, donde pr es
la “prioridad”, te es el “tiempo
de espera” y ts es el “tiempo de
servicio”:
Considera factores
externos al proceso [23, Tanenbaum].
Las ideas centrales son
que cada proceso tiene asociada una prioridad y que el proceso ejecutable con
máxima prioridad es el que tiene el permiso de ejecución.
Los procesos de alta
prioridad podrían ejecutar indefinidamente, ya que el planificador del sistema
puede disminuir la prioridad del proceso en ejecución en cada interrupción del
reloj.
Las prioridades también
pueden ser asignadas dinámicamente por el sistema para lograr ciertas metas
relacionadas con el procesador o la Entrada / Salida.
Los procesos limitados
por la Entrada / Salida (requerimientos intensivos de Entrada / Salida) ocupan
mucho de su tiempo en espera de operaciones de Entrada / Salida, por lo tanto:
- Deben tener prioridad para usar la cpu y efectuar
la siguiente petición de Entrada / Salida, ya que se ejecutará (la
operación de Entrada / Salida) en paralelo con otro proceso que utilice la
cpu.
- Si deben esperar mucho tiempo a la cpu estarán
ocupando memoria por un tiempo innecesario.
Un algoritmo sencillo
consiste en establecer que la prioridad sea “1 / f”, donde “f” es
la fracción del último cuanto utilizado por el proceso.
Un proceso que utilice 2
mseg (dos milisegundos) de su cuanto de 100 mseg (cien milisegundos) tendrá
prioridad 50 (cincuenta).
Un proceso que se
ejecutó 50 mseg antes del bloqueo tendrá prioridad 2.
Un proceso que utilizó
todo el cuanto tendrá prioridad 1.
Frecuentemente los
procesos se agrupan en “Clases de Prioridad”, en cuyo caso se
utiliza la Planificación con Prioridades entre las clases y con Round Robin
(RR) dentro de cada clase. Si las prioridades no se reajustan en algún momento,
los procesos de las clases de prioridad mínima podrían demorarse
indefinidamente.
Colas de
Retroalimentación de Niveles Múltiples
Proporcionan una
estructura para lograr los siguientes objetivos:
- Favorecer trabajos cortos.
- Favorecer trabajos limitados por la Entrada /
Salida para optimizar el uso de los dispositivos de Entrada / Salida.
- Determinar la naturaleza de un trabajo lo más
rápido posible y planificar el trabajo (proceso) en consecuencia.
Un nuevo proceso entra
en la red de línea de espera al final de la cola superior.
Se mueve por esta cola
“FIFO” hasta obtener la cpu.
Si el trabajo termina o
abandona la cpu para esperar por la terminación de una operación de Entrada /
Salida o la terminación de algún otro suceso, el trabajo abandona la red de
línea de espera.
Si su cuanto expira
antes de abandonar la cpu voluntariamente, el proceso se coloca en la parte
trasera de la cola del siguiente nivel inferior.
El trabajo recibe
servicio al llegar a la cabeza de esta cola si la primera está vacía.
Mientras el proceso
continúe consumiendo totalmente su cuanto en cada nivel, continuará moviéndose
hacia el final de las colas inferiores.
Generalmente hay una
cola en la parte más profunda a través de la cual el proceso circula en
asignación de rueda hasta que termina.
Existen esquemas en los
que el cuanto otorgado al proceso aumenta a medida que el proceso se mueve
hacia las colas de los niveles inferiores, en tal caso, cuanto más tiempo haya
estado el proceso en la red de línea de espera, mayor será su cuanto cada vez
que obtiene la cpu y no podrá obtener la cpu muy a menudo debido a la mayor
prioridad de los procesos de las colas superiores.
Un proceso situado en
una cola dada no podrá ser ejecutado hasta que las colas de los niveles
superiores estén vacías.
Un proceso en ejecución
es apropiado por un proceso que llegue a una cola superior.
Es un mecanismo
adaptable, es decir que se adapta a cargas variables.
A los efectos de una
revisión gráfica de lo enunciado precedentemente, ver la figura 2.5 [7, Deitel].
Política Versus
Mecanismo de Planificación
Puede ocurrir que haya
procesos con muchos procesos hijos ejecutándose bajo su control, por ejemplo,
un proceso en un DBMS con procesos hijos atendiendo funciones específicas,
tales como, análisis de interrogantes, acceso a discos, etc.
Es posible que el
proceso principal (padre) pueda identificar la importancia (o criticidad) de
sus procesos hijos, pero los planificadores analizados no aceptan datos de los
procesos de usuario relativos a decisiones de planificación.
La solución es separar
el mecanismo de planificación de la política de
planificación, para ello se parametriza el algoritmo de planificación y los
parámetros pueden ser determinados por medio de procesos del usuario; así el
mecanismo está en el núcleo del Sistema Operativo pero la política queda
establecida por un proceso del usuario.
Planificación de Dos
Niveles
Los esquemas analizados
hasta ahora suponen que todos los procesos ejecutables están en la memoria
principal.
Si la memoria principal
es insuficiente, ocurrirá lo siguiente [23, Tanenbaum]:
- Habrá procesos ejecutables que se mantengan en
disco.
- Habrá importantes implicaciones para la
planificación, tales como las siguientes:
- El tiempo de alternancia entre procesos para
traer y procesar un proceso del disco es considerablemente mayor que el
tiempo para un proceso que ya está en la memoria principal.
- Es más eficiente el intercambio de los procesos
con un planificador de dos niveles.
El esquema operativo de
un planificador de dos niveles es como sigue:
- Se carga en la memoria principal cierto
subconjunto de los procesos ejecutables.
- El planificador se restringe a ellos durante
cierto tiempo.
- Periódicamente se llama a un planificador de
nivel superior para efectuar las siguientes tareas:
- Eliminar de la memoria los procesos que hayan
permanecido en ella el tiempo suficiente.
- Cargar a memoria los procesos que hayan estado
en disco demasiado tiempo.
- El planificador de nivel inferior se restringe de
nuevo a los procesos ejecutables que se encuentren en la memoria.
- El planificador de nivel superior se encarga de
desplazar los procesos de memoria a disco y viceversa.
Los criterios que podría
utilizar el planificador de nivel superior para tomar sus decisiones son los
que se indican a continuación:
- ¿Cuánto tiempo ha transcurrido desde el último
intercambio del proceso?.
- ¿Cuánto tiempo de cpu ha utilizado recientemente
el proceso?.
- ¿Qué tan grande es el proceso? (generalmente los
procesos pequeños no causan tantos problemas en este sentido).
- ¿Qué tan alta es la prioridad del proceso?.
El planificador de nivel
superior podría utilizar cualquiera de los métodos de planificación analizados.
Multiprocesamiento
Es una tendencia
significativa en el campo de la computación.
Consiste en configurar
un sistema de computación con varios procesadores .
No es un enfoque nuevo
pero sí posee grandes perspectivas en función del desarrollo de los
microprocesadores.
Se podrían concebir
sistemas construidos por cientos o miles de microprocesadores.
Confiabilidad
Si un procesador falla,
los restantes continúan operando, lo cual no es automático y requiere de un
diseño cuidadoso.
Un procesador que falla
habrá de informarlo a los demás de alguna manera, para que se hagan cargo de su
trabajo.
Los procesadores en
funcionamiento deben poder detectar el fallo de un procesador determinado.
El Sistema Operativo
debe percibir que ha fallado un procesador determinado y ya no podrá asignarlo
y también debe ajustar sus estrategias de asignación de recursos para evitar la
sobrecarga del sistema que está degradado.
Explotación del Paralelismo
La mayoría de los sistemas de multiprocesamiento
tienen como meta principal el incremento de la capacidad de ejecución.
La programación sigue siendo esencialmente secuencial
y generalmente no se explota la concurrencia.
Las principales razones son las siguientes:
- Las
personas piensan en forma secuencial.
- Ningún
lenguaje humano proporciona la expresión adecuada de paralelismo, pero
existen lenguajes de computación con soporte de concurrencia (por ejemplo,
Ada, Pascal Concurrente, etc.).
- Ni
el multiprocesamiento ha sido usado con amplitud para explotar el
paralelismo.
- El
hardware tradicional del computador está orientado hacia la operación
secuencial.
- Es
muy difícil depurar programas en paralelo.
Los multiprocesadores no se utilizan a menudo para
explotar el paralelismo ya que es muy escaso el software que explote el
paralelismo.
Lo deseable es que los Sistemas Operativos y
compiladores puedan detectar e implementar el paralelismo automáticamente.
Paralelismo Masivo
Se debe disponer de suficientes procesadores como para
que todas las operaciones que puedan ser ejecutadas en paralelo puedan ser
asignadas a procesadores separados [14, Pino y Marrone].
Esto ofrece una forma de ejecutar un programa en el
menor tiempo posible.
La cuestión central es, disponiendo del paralelismo
masivo, ¿cuál es el tiempo mínimo requerido para ejecutar un algoritmo
determinado?.
Metas de los Sistemas de Multiprocesamiento
Las metas de los sistemas de multiprocesamiento
generalmente son la confiabilidad y la disponibilidad muy altas, como así
también el incremento del poder de computación.
El diseño modular proporciona una flexibilidad importante
y facilita la expansión de la capacidad.
Detección Automática del Paralelismo
Los multiprocesadores hacen posible la explotación del
paralelismo.
Los sistemas de computación obtienen los beneficios
del procesamiento concurrente más por la “multiprogramación” de
varios procesos y menos por la explotación del “paralelismo” dentro
de un solo proceso.
La detección del paralelismo es un problema complejo y
la puede efectuar el programador, el traductor del lenguaje, el hardware o el Sistema
Operativo.
El paralelismo dentro de los programas puede ser “explícito” o “implícito”.
Las principales características del paralelismo
explícito son las que se detallan a continuación:
- Es
indicado de forma específica por un programador mediante una “construcción
de concurrencia” como la siguiente:
cobegin;
proposición 1;
................
proposición n;
................
proposición n;
coend;
- Se
pueden utilizar procesadores separados para ejecutar cada una de las
proposiciones.
- Es
susceptible de errores de programación difíciles de detectar y depurar.
- El
programador puede omitir tratar situaciones donde sería aplicable el
paralelismo.
Las principales características del paralelismo
implícito son las que se detallan a continuación:
- La
verdadera esperanza está en la detección automática del paralelismo
implícito.
- Es
el paralelismo intrínseco del algoritmo pero no establecido explícitamente
por el programador.
- Los compiladores explotan el paralelismo implícito mediante las técnicas de “distribución de ciclos” y de “reducción de la altura del árbol”.
Una “estructura de ciclos o de repetición” implica la
repetición de una serie de proposiciones (cuerpo del ciclo) hasta que ocurre
alguna condición de terminación, por ejemplo:
For i = 1 to 3
Do
Do
;
El procesador secuencial realizará en secuencia lo
siguiente:
En un sistema de multiprocesamiento con tres
procesadores disponibles se podrían ejecutar concurrentemente.
Un compilador que detecte automáticamente el
paralelismo implícito puede convertir el ciclo del ejemplo 2.2 en lo siguiente:
cobegin;
coend;
Esta técnica se denomina distribución de
ciclos.
Reducción de la Altura del Arbol
Utilizando las propiedades asociativa, conmutativa y
distributiva de la aritmética, los compiladores pueden:
- Detectar
el paralelismo implícito en expresiones algebraicas.
- Producir
un código objeto para multiprocesadores que indique las operaciones que se
pueden realizar simultáneamente.
- Reordenar
expresiones para que sean más apropiadas para la computación en paralelo.
Se invierten más tiempo y recursos durante la
compilación para reducir el tiempo de ejecución, es decir que se busca
optimización en el momento de la compilación para lograr ejecución en tiempo
mínimo, lo que es aplicable especialmente cuando los sistemas pasan a
producción, no tanto cuando están en desarrollo (ver Figura 2.6, Figura 2.7,
Figura 2.8 y Figura 2.9 [7, Deitel]).
REGLA DE “NUNCA ESPERAR”: Es mejor darle a un
procesador una tarea que puede llegar a no ser utilizada, que tenerlo ocioso.
Organización del Hardware del Multiprocesador
El problema clave es determinar los medios de conexión
de los procesadores múltiples y los procesadores de Entrada / Salida a las
unidades de almacenamiento [7, Deitel].
Los multiprocesadores se caracterizan por los
siguientes aspectos:
- Un
multiprocesador contiene dos o más procesadores con capacidades
aproximadamente comparables.
- Todos
los procesadores comparten el acceso a un almacenamiento común y a canales
de Entrada / Salida, unidades de control y dispositivos.
- Todo
está controlado por un Sistema Operativo que proporciona interacción entre
procesadores y sus programas en los niveles de trabajo, tarea, paso,
archivo y elementos de datos.
Las organizaciones más comunes son las siguientes:
- Tiempo
compartido o bus común (conductor común).
- Matriz
de barras cruzadas e interruptores.
- Almacenamiento
de interconexión múltiple.
Tiempo Compartido o Bus Común (o Conductor Común)
Usa un solo camino de comunicación entre todas las
unidades funcionales (ver Figura 2.10 [7, Deitel]).
El bus común es en esencia una unidad pasiva.
Un procesador o procesador de Entrada / Salida que
desee transferir datos debe efectuar los siguientes pasos:
- Verificar
la disponibilidad del conductor y de la unidad de destino.
- Informar
a la unidad de destino de lo que se va a hacer con los datos.
- Iniciar
la transferencia de datos.
Las unidades receptoras deben poder reconocer qué
mensajes del bus son enviados hacia ellas y seguir y confirmar las señales de
control recibidas de la unidad emisora.
Es una organización económica, simple y flexible pero
con una sola vía de comunicación, por lo cual:
- El
sistema falla totalmente si falla el bus.
- La
tasa neta de transmisiones está limitada por la tasa neta de transmisión
del conductor.
- La contención por el uso del bus en un sistema sobrecargado puede ocasionar una seria degradación.
En este caso existe un camino diferente para cada
unidad de almacenamiento, por lo cual las referencias a dos unidades diferentes
de almacenamiento no son bloqueantes sino simultáneas y la multiplicidad de
caminos de transmisión puede proporcionar tasas de transferencia muy altas (ver
Figura 2.11 [7, Deitel]).
Se obtiene al sacar las lógicas de control, de
conmutación y de arbitraje de prioridades fuera del interruptor de barras
cruzadas y se las coloca en la interfaz de cada unidad de almacenamiento (ver
Figura 2.12 [7, Deitel]).
Cada unidad funcional puede acceder a cada unidad de
almacenamiento, pero sólo en una “conexión de almacenamiento” específica, es
decir que hay una conexión de almacenamiento por unidad funcional.
El conexionado es más complejo que en los otros
esquemas.
Se puede restringir el acceso a las unidades de
almacenamiento para que no todas las unidades de procesamiento las accedan, en
tal caso habrá unidades de almacenamiento “privadas” de determinados
procesadores (ver Figura 2.13 [7, Deitel]).
Los grados de acoplamiento en multiprocesamiento
pueden clasificarse de ligeramente acoplados (ver Figura 2.14 [7, Deitel])
o rígidamente acoplados (ver Figura 2.15 [7, Deitel]),
según las características que se detallan en la Tabla 2.5 [7, Deitel].
|
Grados de acoplamiento en multiprocesamiento
|
Descripción
|
|
Ligeramente acoplado
|
Incluye la conexión de dos o más sistemas
independientes por medio de un enlace de comunicación.
Cada sistema tiene su propio Sistema Operativo y
almacenamiento.
Los sistemas pueden funcionar independientemente y
se comunican cuando sea necesario.
Los sistemas separados pueden acceder a los archivos
de los otros e intercambiar tareas a procesadores menos cargados.
|
|
Rígidamente acoplado
|
Utiliza un solo almacenamiento compartido por varios
procesadores.
Emplea un solo Sistema Operativo que controla todos los
procesadores y el hardware del sistema.
|
|
Tabla 2.5: Grados de acoplamiento en
multiprocesamiento.
|
|
Organización Maestro / Satélite
Un procesador está diseñado como el “maestro” y los
otros como “satélites”.
El procesador “maestro” es de propósito general y
realiza operaciones de Entrada / Salida y computaciones.
Los procesadores “satélites” sólo realizan
computaciones.
Los procesos limitados por computación pueden
ejecutarse con efectividad en los satélites.
Los procesos limitados por la Entrada / Salida
ejecutados en los satélites generan frecuentes llamadas de servicios al
procesador maestro, pudiendo resultar ineficientes.
Si falla un satélite se pierde capacidad computacional
pero el sistema no falla.
Si falla el maestro el sistema falla al no poder
efectuar operaciones de Entrada / Salida, por lo que un satélite debería asumir
las funciones del maestro previo cambio de los periféricos y reinicio del
sistema.
En el multiprocesamiento simétrico todos pueden hacer
Entrada / Salida.
Sistema Operativo de Multiprocesadores
Las capacidades funcionales de los Sistema Operativo
de multiprogramación y de multiprocesadores incluyen lo siguiente:
- Asignación
y administración de recursos.
- Protección
de tablas y conjuntos de datos.
- Prevención
contra el interbloqueo del sistema.
- Terminación
anormal.
- Equilibrio
de cargas de Entrada / Salida.
- Equilibrio
de carga del procesador.
- Reconfiguración.
Las tres últimas son especialmente importantes en
Sistemas Operativos de multiprocesadores, donde es fundamental explotar el
paralelismo en el hardware y en los programas y hacerlo automáticamente.
Las organizaciones básicas de los Sistemas Operativos
para multiprocesadores son las siguientes:
- Maestro
/ satélite.
- Ejecutivo
separado para cada procesador.
- Tratamiento
simétrico (o anónimo) para todos los procesadores.
Maestro / Satélite
Es la organización más fácil de implementar.
No logra la utilización óptima del hardware dado que
sólo el procesador maestro puede ejecutar el Sistema Operativo y el procesador
satélite sólo puede ejecutar programas del usuario.
Las interrupciones generadas por los procesos en
ejecución en los procesadores satélites que precisan atención del Sistema
Operativo deben ser atendidas por el procesador maestro y por ello pueden
generarse largas colas de requerimientos pendientes.
Ejecutivos Separados
Cada procesador tiene su propio Sistema Operativo y
responde a interrupciones de los usuarios que operan en ese procesador.
Existen tablas de control con información global de
todo el sistema (por ejemplo, lista de procesadores conocidos por el Sistema
Operativo) a las que se debe acceder utilizando exclusión mutua.
Es más confiable que la organización maestro /
satélite.
Cada procesador controla sus propios recursos
dedicados.
La reconfiguración de los dispositivos de Entrada /
Salida puede implicar el cambio de dispositivos a diferentes procesadores con
distintos Sistemas Operativos.
La contención sobre las tablas del Sistema Operativo
es mínima.
Los procesadores no cooperan en la ejecución de un
proceso individual, que habrá sido asignado a uno de ellos.
Tratamiento Simétrico
Es la organización más complicada de implementar y
también la más poderosa y confiable.
El Sistema Operativo administra un grupo de
procesadores idénticos, donde cualquiera puede utilizar cualquier dispositivo
de Entrada / Salida y cualquiera puede referenciar a cualquier unidad de
almacenamiento.
El Sistema Operativo precisa código reentrante y
exclusión mutua.
Es posible equilibrar la carga de trabajo más
precisamente que en las otras organizaciones.
Adquieren significativa importancia el hardware y el
software para resolución de conflictos.
Todos los procesadores pueden cooperar en la ejecución
de un proceso determinado.
El procesador ejecutivo es el
responsable (uno sólo) en un momento dado de las tablas y funciones del
sistema; así se evitan los conflictos sobre la información global.
Rendimiento del Sistema de Multiprocesamiento
Aún con multiprocesamiento completamente simétrico, la
adición de un nuevo procesador no hará que la capacidad de ejecución del
sistema aumente según la capacidad del nuevo procesador, siendo las causas las
siguientes:
- Hay
sobrecarga adicional del Sistema Operativo.
- Se
incrementa la contención por recursos del sistema.
- Hay
retrasos del hardware en el intercambio y en el encaminamiento de las
transmisiones entre un número mayor de componentes.
Al incrementar el número de procesadores “n” similares
en un multiprocesador, el incremento de la productividad no es lineal y tiende
a disminuir cuando “n”crece.
Recuperación de Errores
Una de las capacidades más importantes de los Sistemas
Operativos de multiprocesadores es la de soportar fallas de hardware en
procesadores individuales y continuar su operación.
Debe existir el soporte correspondiente en el Sistema
Operativo.
Las técnicas de recuperación de errores incluyen los
siguientes aspectos:
- Los
datos críticos (del sistema y de usuario) deben mantenerse en copias
múltiples y en bancos de almacenamiento separados.
- El
Sistema Operativo debe ejecutar efectivamente con la configuración máxima
y con subconjuntos ante fallas.
- Debe
haber capacidad de detección y corrección de errores de hardware sin
interferir con la eficiencia operacional del sistema.
- Se
debe utilizar la capacidad ociosa del procesador para tratar de detectar
posibles fallos antes de que se produzcan.
- El
Sistema Operativo debe dirigir un procesador operativo para que tome el control
de un proceso que se estaba ejecutando en un procesador que falla.
Multiprocesamiento Simétrico (MPS)
Cada procesador posee capacidades funcionales
completas.
Los dispositivos de Entrada / Salida pueden ser
conectados a cada uno de los procesadores (ver Figura 2.16 [7, Deitel]).
Todas las llamadas al supervisor pueden ser ejecutadas
en todos los procesadores, inclusive las de Entrada / Salida.
Si un programa en ejecución en un procesador pide una
operación de Entrada / Salida en un dispositivo conectado a un procesador
diferente, el procesador puede continuar ejecutando el trabajo y la Entrada /
Salida se coloca en una cola para su iniciación por el procesador apropiado.
Se considera procesador ejecutante al
que está ejecutando un proceso determinado.
Se considera procesador propietario al
que está conectado a los diferentes dispositivos utilizados por el proceso.
Es más eficiente que la organización maestro /
satélite, ya que los requerimientos de Entrada / Salida se encolan y no
sobrecargan con intercambio de contexto y a que en la organización maestro /
satélite las peticiones de Entrada / Salida en el satélite provocan un
intercambio de contexto en el maestro.
Cada procesador puede ejecutar el planificador para
buscar el siguiente trabajo a ejecutar, de forma que un proceso determinado se
ejecuta en diferentes procesadores en distintos momentos; además, el MPS
utiliza una sola cola de trabajos y cada procesador puede seleccionar trabajos
de ella, con lo cual se equilibra la carga entre los procesadores.
Para minimizar la contención en el despacho de
procesos, los relojes de los procesadores tienen oblicuidad, debido a ello las
interrupciones de reloj ocurren en diferentes momentos.
Tendencias de los Multiprocesadores
Todo indica que el uso de los multiprocesadores se
incrementará considerablemente en el futuro [7, Deitel].
Las principales razones son las siguientes:
- La
confiabilidad requerida es cada vez mayor.
- La
reducción de costos consecuencia de los avances en microelectrónica.
- El
previsible desarrollo de lenguajes que permitan a los usuarios expresar el
paralelismo explícitamente.
- El
progreso en la detección automática del paralelismo .
- El
hecho de que se estaría llegando a los límites del uniprocesador debido a
la compactación de componentes, es decir que se estaría próximo a los
límites de longitud y de proximidad de los “caminos electromagnéticos”
(longitud del recorrido de la señal electromagnética); alcanzados los
límites mencionados, la única posibilidad de incrementar capacidad de
cómputo es mediante multiprocesamiento.
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