Procesador.





Procesos y Administración del Procesador

  1.    Introducción y Definiciones Sobre Procesos
  2.    Estados de Procesos
  3.    Procesamiento de Interrupciones
  4.    El Núcleo del Sistema Operativo
  5.    Planificación de Procesos
  6.    Niveles de Planificación del Procesador
  7.    Objetivos de la Planificación
  8.    Criterios de Planificación
  9.    Planificación Apropiativa Versus No Apropiativa
  10.    Temporizador de Intervalos o Reloj de Interrupción
  11.    Prioridades
  12.    Tipos de Planificación
    1.    Planificación a Plazo Fijo
    2.    Planificación Garantizada
    3.    Planificación del Primero en Entrar Primero en Salir (FIFO)
    4.    Planificación de Asignación en Rueda (RR: Round Robin)
    5.    Tamaño del Cuanto o Quantum
    6.    Planificación del Trabajo Más Corto Primero (SJF)
    7.    Planificación del Tiempo Restante Más Corto (SRT)
    8.    Planificación el Siguiente con Relación de Respuesta Máxima (HRN)
    9.    Planificación por Prioridad
    10.    Colas de Retroalimentación de Niveles Múltiples
    11.    Política Versus Mecanismo de Planificación
    12.    Planificación de Dos Niveles
  13.    Multiprocesamiento
    1.    Introducción
    2.    Confiabilidad
    3.    Explotación del Paralelismo
    4.    Paralelismo Masivo
    5.    Metas de los Sistemas de Multiprocesamiento
    6.    Detección Automática del Paralelismo
    7.    Distribución de Ciclos
    8.    Reducción de la Altura del Árbol
  14.    Organización del Hardware del Multiprocesador
    1.    Tiempo Compartido o Bus Común (o Conductor Común)
    2.    Matriz de Barras Cruzadas e Interruptores
    3.    Almacenamiento de Interconexión Múltiple
  15.    Grados de Acoplamiento en Multiprocesamiento
    1.    Organización Maestro / Satélite
  16.    Sistema Operativo de Multiprocesadores
    1.    Maestro / Satélite
    2.    Ejecutivos Separados
    3.    Tratamiento Simétrico
  17.    Rendimiento del Sistema de Multiprocesamiento
  18.    Recuperación de Errores
  19.    Multiprocesamiento Simétrico (MPS)
  20.    Tendencias de los Multiprocesadores
  21.    Fin
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]:
 

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:
 


El objetivo es aumentar el paralelismo en la ejecución.

El modelo de procesos posee las siguientes características:
 

Multiprogramación de cuatro programas.


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:

Solo un programa está activo en un momento dado.
Un proceso puede estar en ejecución, bloqueado o listo.


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Estados de Procesos

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]:
 


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:
 


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:
 


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.

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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:
 


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]:
 

Tipo de Interrupción Descripción
SVC Llamada al Sistema Operativo
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:
 


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:
 


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:
 


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El Núcleo del Sistema Operativo

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:
 


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Planificación de Procesos

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:
 


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Niveles de Planificación del Procesador

Se consideran tres niveles importantes de planificación, los que se detallan a continuación (ver Figura 2.4 [7, Deitel]):
 


Los distintos Sistemas Operativos utilizan varias Políticas de Planificación, que se instrumentan mediante Mecanismos de Planificación.

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Objetivos de la Planificación

Los objetivos de la planificación del procesador son los siguientes e involucran a los conceptos detallados seguidamente [7, Deitel]:
 


Muchas de estas metas se encuentran en conflicto entre sí, por lo que la planificación se convierte en un problema complejo.

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Criterios de Planificación

Para realizar los objetivos de la planificación, un mecanismo de planificación debe considerar lo siguiente [7, Deitel]:


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Planificación Apropiativa Versus No Apropiativa

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:

Las principales características de la planificación no apropiativa son las siguientes: 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.

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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:

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].

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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:

Las principales características de las prioridades dinámicas son las siguientes: 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.

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Tipos de Planificación

Planificación a Plazo Fijo

Ciertos trabajos se planifican para ser terminados en un tiempo específico o plazo fijo. Es una planificación compleja debido a los siguientes factores:


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Planificación Garantizada

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.

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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:


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Planificación de Asignación en Rueda (RR: Round Robin)

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:

  1. La cpu es apropiada.
  2. La cpu es otorgada al siguiente proceso en espera.
  3. 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.

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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.

El cuanto óptimo varía de un sistema a otro y con la carga, siendo un valor de referencia 100 mseg (cien milisegundos).

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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.

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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.

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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”:

Prioridad

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Planificación por Prioridad

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:

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.

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Colas de Retroalimentación de Niveles Múltiples

Proporcionan una estructura para lograr los siguientes objetivos:

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].

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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.

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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]:


Tipos de planificación del procesador.

El esquema operativo de un planificador de dos niveles es como sigue:

  1. Se carga en la memoria principal cierto subconjunto de los procesos ejecutables.
  2. El planificador se restringe a ellos durante cierto tiempo.
  3. Periódicamente se llama a un planificador de nivel superior para efectuar las siguientes tareas:
    1. Eliminar de la memoria los procesos que hayan permanecido en ella el tiempo suficiente.
    2. Cargar a memoria los procesos que hayan estado en disco demasiado tiempo.
  4. El planificador de nivel inferior se restringe de nuevo a los procesos ejecutables que se encuentren en la memoria.
  5. 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: El planificador de nivel superior podría utilizar cualquiera de los métodos de planificación analizados.

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Multiprocesamiento

Introducción

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.

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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.

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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:

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.

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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?.

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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.

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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:

Las principales características del paralelismo implícito son las que se detallan a continuación:


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Distribución de Ciclos

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

;

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.

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Reducción de la Altura del Arbol

Utilizando las propiedades asociativa, conmutativa y distributiva de la aritmética, los compiladores pueden:

  1. Detectar el paralelismo implícito en expresiones algebraicas.
  2. Producir un código objeto para multiprocesadores que indique las operaciones que se pueden realizar simultáneamente.
  3. 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]).

Idea simplificada de la organización de un multiprocesador.

Reducción de la altura del árbol por asociatividad.

Reducción de la altura del árbol por conmutatividad.

Reducción de la altura del árbol por distributividad.

REGLA DE “NUNCA ESPERAR”: Es mejor darle a un procesador una tarea que puede llegar a no ser utilizada, que tenerlo ocioso.

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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:

Las organizaciones más comunes son las siguientes: Inicio:    Fin:

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]).

Organización de multiprocesador de tiempo compartido de bus común.

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:

  1. Verificar la disponibilidad del conductor y de la unidad de destino.
  2. Informar a la unidad de destino de lo que se va a hacer con los datos.
  3. 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:


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Matriz de Barras Cruzadas e Interruptores

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]).

Organización del multiprocesador por matriz de barras cruzadas e interruptores.

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Almacenamiento de Interconexión Múltiple

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]).

Organización del multiprocesador por sistema de memoria de interconexión múltiple.

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]).

Organización de multiprocesador por sistema de memoria de interconexión múltipel con memorias privadas.

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Grados de Acoplamiento en Multiprocesamiento

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].

Multiprocesamiento ligeramente acoplado.

Multiprocesamiento rígidamente acoplado.


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.

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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.

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Sistema Operativo de Multiprocesadores

Las capacidades funcionales de los Sistema Operativo de multiprogramación y de multiprocesadores incluyen lo siguiente:

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:

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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.

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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.

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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.

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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:

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.

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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:

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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]).

Ejemplo de implementación de multiprocesamiento simétrico.

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.

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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:

Existen estudios de tendencias en arquitectura de computadoras que apuntan a los poliprocesadores, es decir, sistemas que combinan el multiprocesamiento, simétrico y asimétrico, para crear una jerarquía de procesadores dentro de un sistema.

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Autor: lrmdavid@exa.unne.edu.ar

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