#факты | Как операционная система распределяет время процессора?

6 Августа 2013 в 19:00, Олег Довбня 2 747 просмотров 5

Операционная система

Какой бы ни была операционная система, перед ней стоит целый комплекс задач. И нам понадобится не раз возвращаться к этой теме, чтобы рассмотреть их все хотя бы в самых общих чертах. Темой нашего сегодняшнего повествования станет распределение операционной системой времени центрального процессора между различными задачами. Сегодня мы получим ответ на вопрос, который рано или поздно возникает у каждого любознательного пользователя: как операционная система распределяет время процессора для решения нескольких задач одновременно? Ведь под красочными обоями рабочего стола таится неутомимая труженица, способная день и ночь решать поставленные перед ней пользователем задачи. За ее плечами нелегкий груз забот, но обычно она несет его с легкостью, кроме некоторых ситуаций, когда пользователь требует от своей помощницы невозможного.

Операционные системы

Все выполняемые операционной системой задачи можно сгруппировать по шести категориям:

  1. Управление процессором (Processor management)
  2. Управление памятью (Memory management)
  3. Управление устройством (Device management)
  4. Управление накопителем (Storage management)
  5. Интерфейс приложения (Application interface)
  6. Интерфейс пользователя (User interface)

Читатели могут отметить, что современная операционная система умеет много такого, что не вмещается ни в одну из этих шести групп. И будут правы. Разработчики операционных систем оснащают их множеством вспомогательных утилит и дополнительных функций. Но эти шесть категорий, которые нам предстоит рассмотреть, составляют саму суть того, что положено делать операционной системе.

Управление процессором

Операционная система

Управление процессором компьютера сводится к решению двух, теснейшим образом связанных между собою проблем:

  • Обеспечение каждого программного процесса и приложения достаточным для корректного функционирования временем процессора
  • Использование циклов процессора в том объеме, который реально необходим для работы

Основной единицей программного обеспечения, которой операционная система выделяет процессорное время, является процесс или поток (тред). Это зависит от конкретной операционной системы.

Можно даже сказать, что операционная система склонна воспринимать процесс в качестве приложения. Но это упрощение не описывает всей сложности взаимодействия процессов с операционной системой и аппаратным обеспечением компьютера. Процессом является любое приложение: текстовый редактор, электронная таблица или игра. Но приложение может вести к запуску дополнительных процессов, обеспечивающих взаимодействие с устройствами или другими компьютерами.

Когда операционная система работает, в ней запущено множество процессов, которые даже не дают вам знать о своем существовании. Например, в Windows XP или UNIX работают десятки фоновых процессов. В список их задач входят: обеспечение работы сети, управление памятью компьютера и его дисками, проверка системы на вирусы. Разумеется, этим круг их задач не исчерпывается.

Процессом называется программное обеспечение, выполняющее некую работу. Каждый процесс должен кем-то или чем-то контролироваться: операционной системой, другим приложением или непосредственно пользователем.

Операционная система управляет скорее процессами, чем приложениями и именно их она ставит в расписание центрального процессора. В однозадачных операционных системах это расписание линейно. Операционная система позволяет приложению запуститься, прерывая его выполнение только на те промежутки времени, которые требуются пользователю на ввод данных или другие прерывания.

Прерываниями называют специальные сигналы, исходящие от аппаратного и программного обеспечения. Они происходят тогда, когда та или иная часть компьютера неожиданно требует к себе внимания со стороны центрального процессора. Порой операционная система определяет приоритет процессов и маскирует некоторые прерывания. То есть она игнорирует прерывания от некоторых источников, позволяя процессору сначала справиться с уже выполняемой им работой.

Но некоторые прерывания крайне важны и не игнорируются. Речь идет о проблемах памяти и ошибках. Эти прерывания называют немаскируемыми и они обрабатываются немедленно, вне зависимости от того, над какими задачами в данный момент работает процессор. В качестве наиболее яркого (но, разумеется, не единственного) примера немаскируемого прерывания можно привести прерывание по прекращению подачи питания. Нетрудно понять, что такое прерывание всегда ведет к прекращению работы процессора по весьма уважительной причине.

Прерывания усложняют работу даже однозадачной операционной системы. Каждодневный труд многозадачной операционной системы еще сложнее. Сегодня операционная система должна выполнять приложения таким образом, чтобы для вас это выглядело в качестве событий, происходящих одновременно. Современные многоядерные процессоры и многопроцессорные компьютеры, разумеется, очень работоспособны, но каждое ядро процессора до сих пор может выполнять лишь одну задачу в один момент времени.

Чтобы создавалось впечатление одновременно происходящих событий, операционной системе приходится переключаться между процессами тысячи раз за одну только секунду. Теперь рассмотрим то, как все это происходит в реальности:

  • Процесс занимает определенный объем в оперативной памяти (ОЗУ, RAM). Он также может использовать регистры, стеки и очереди в рамках памяти процессора и операционной системы
  • Когда два процесса выполняются одновременно в многозадачном режиме, операционная система выделяет одной программе определенное количество исполнительных циклов процессора
  • После выполнения этой последовательности циклов, операционная система копирует состояние всех регистров, стеков и очередей, использованных в ходе работы над выполнением процесса и отмечает точку, в которой выполнение процесса было приостановлено
  • Затем загружает все регистры, стеки и очереди, используемые вторым процессом и позволяет процессору уделить ему некоторое количество циклов
  • Когда все это уже произошло, она вновь копирует состояние всех регистров, стеков и очередей, использованных второй программой и в очередной раз загружает первую программу

Управляющий блок процесса

Операционная система

Вся информация, необходимая для отслеживания процесса, содержится в пакете данных, именуемом управляющим блоком процесса (process control block). Таким образом состояние процесса не теряется при переключении между задачами. В общем случае, управляющий блок процесса содержит:

  • Номер-идентификатор (ID), идентифицирующий данный процесс
  • Указатели и положения программы и ее данных на момент последней обработки процесса
  • Контент регистра
  • Состояния различных признаков и переключателей
  • Список открытых процессом файлов
  • Приоритет процесса
  • Статус всех необходимых данному процессу устройств ввода и вывода

Каждый процесс характеризуется связанным с ним статусом (состоянием). Многие процессы в определенных ситуациях не требуют времени центрального процессора. К примеру, процесс может находиться в состоянии ожидания нажатия пользователем клавиши. В этом состоянии процесс называют приостановленным (suspended). Когда поступает информация о нажатии клавиши, операционная система меняет его статус. В данном конкретном примере речь идет о том, что статус ожидания сменяется статусом исполнения. Для продолжения выполнения процесса используется информация из его управляющего блока.

Подкачка процессов не требует непосредственного вмешательства пользователя. Каждый процесс получает в свое распоряжение достаточно циклов процессора, чтобы выполнить свою задачу за разумный промежуток времени. Проблемы наступают, когда пользователь начинает одновременно работать со слишком большим числом процессов. Операционная система и сама требует определенного количества циклов процессора на сохранение всех регистров и очередей и переключение между задачами. Операционная система не идеальна, и может случиться так, что она начнет использовать большую часть отведенных ей циклов процессора на переключение между процессами, а не на их запуск. Это называется пробуксовкой и обычно требует вмешательства пользователя. Ему необходимо завершить некоторые процессы и навести порядок в работе системы.

Все рассмотренное нами выше касается тех случаев, когда компьютер располагает всего одним процессором. На машинах, располагающих двумя и более процессорами, операционной системе приходится распределять между ними свою рабочую нагрузку. И при этом стараться поддержать баланс между потребностями процессов и количеством доступных циклов разных процессоров. Асимметричные операционные системы выделяют один из процессоров под свои собственные нужды, а процессы приложений распределяют между остальными. Симметричные операционные системы распределяют свои нужды между несколькими процессорами даже в тех случаях, если никаких других задач больше не запущено.

В дальнейшем нам предстоит поговорить еще о пяти категориях задач, которые постоянно «держит в уме» самая обычная операционная система любого компьютера.

Продолжение следует…

По материалам computer.howstuffworks.com

#факты | Как операционная система распределяет время процессора?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

5 комментариев

  1. molebnydiman

    Позновательно и БУКАВ НЕМНОГА

  2. Тапок

    "когда процессор располагает всего одним процессором" xD

    • h1rako

      ДА, сам не заметил =) Но зато суть поддержана. Можно было бы написать так: "Когда процессор располагает всего одним кристаллом и подключенными к нему кешами" Но надо будет разъяснять, что есть первое и второе...

  3. Макс Ментол

    Красивые картинки)) полное отсутствие тематической связи...

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.