3.7. Режимы работы компьютеров

Режим работы компьютера определяется порядком прохождения задач через компьютер и в первую очередь – количеством задач, параллельно обрабатываемых компьютером. Синонимом термина режим работы компьютера является режим обработки задач.

Однопрограммный режим. Решение задач может быть организовано следующим образом. Программа загружается в основную память компьютера, после чего компьютер начинает исполнять эту программу до получения команды на прекращение счета. Режим работы, при котором компьютер в любой момент времени выполняет только одну программу, называется однопрограммным. Состояния в которых может пребывать задача, выполняемая в однопрограммном режиме, представлены на рис. 3.8. Основными являются состояния счета и ввода – вывода. В состоянии счета процессор выполняет последовательность команд программы до тех пор, пока не появится команда, предписывающая ввод – вывод данных. В состоянии ввода – вывода работает некоторое внешнее устройство, а процессор простаивает в ожидании момента окончания ввода – вывода. По окончании операции ввода – вывода процессор продолжает счет и так до тех пор, пока процесс вычислений, предписанный программой, не будет завершен. После этого в компьютер может быть загружена очередная программа.

На рис. 3.9 приведена временная диаграмма работы устройств компьютера в однопрограммном режиме. Из диаграммы видно, что в любой момент времени работает только одно устройство компьютера, а остальные простаивают в ожидании окончания предшествующего этапа обработки. Если учесть, что внешние устройства имеют, как правило, невысокое быстродействие, однопрограммный режим используется исключительно в компьютерах специального применения, решающих простые задачи.

Мультипрограммный режим. Для уменьшения простоев устройств в память компьютера можно загрузить сразу несколько программ и выполнять их параллельно, совмещая во времени счет по одним программам с выполнением операций ввода – вывода для других программ. Режим работы компьютера, при котором обеспечивается параллельное выполнение нескольких программ путем совмещения во времени работы процессора и внешних устройств, называется мультипрограммным. На рис.3.10 представлена временная диаграмма выполнения трех программ A, B, C в мультипрограммном режиме. В данном случае за каждой из программ А, В, С закреплено отдельное внешнее устройство ВУ₁, ВУ₂, ВУ₃ соответственно, но все программы используют одно общее устройство – процессор. Когда в программе А, обрабатываемой процессором, встречается команда ввода – вывода, процессор инициирует операцию ввода - вывода в устройстве ВУ₁ и переключается на выполнение программы В, ожидающей момента освобождения процессора. По окончании этапа счета по программе В процессор переключается на выполнение программы С. Процессор простаивает только в том случае, если все программы, обрабатываемые в мультипрограммном режиме, находятся в состоянии ввода – вывода. С увеличением числа одновременно обрабатываемых программ увеличивается вероятность того, что для каждого устройства в любой момент времени найдется работа, вследствие чего производительность компьютера возрастает.

Процесс решения задачи в мультипрограммном режиме протекает в соответствии с рис. 3.11. Причиной возникновения задачи является задание, которое содержит сведения о программе решения задачи и данных, обрабатываемых программой. Задание вводится в компьютер и, определяя программу и данные, позволяет установить потребность задачи в ресурсах компьютера: емкости основной и внешней памяти и типах устройств ввода – вывода. В момент окончания обработки ранее начатой задачи затребованные ресурсы могут быть предоставлены очередной задаче. После обеспечения задачи ресурсами программа загружается в выделенную для нее область основной памяти и становится готовой к выполнению. В процессе обработки задача может находиться в четырех состояниях. В состоянии ожидания счета задача находится до момента освобождения процессора, который может быть занят обработкой других задач. Когда процессор освобождается, задача переходит в состояние счета – процессорной обработки, в котором она пребывает до получения команды ввода – вывода. В общем случае для ввода – вывода может использоваться внешнее устройство, которое обслуживает несколько параллельно обрабатываемых задач. По этой причине операция ввода – вывода не может быть начата немедленно, и задача должна ожидать момента освобождения внешнего устройства, занятого обслуживанием других задач. По окончании ввода – вывода задача вновь переходит в состояние ожидания счета. Этот процесс продолжается до команды на прекращение счета, по которой обработка задачи заканчивается, предоставленные задаче машинные ресурсы освобождаются и передаются очередной задаче, формируемой по введенному в компьютер заданию на обработку.

Эффективность мультипрограммирования. Как правило, все компьютеры для решения научно-технических и коммерческих задач работают в мультипрограммном режиме. Из сравнения рис. 3.8 и 3.11 видно, что время обработки задачи в мультипрограммном режиме больше, чем в однопрограммном режиме. Это связано с процессом ожидания моментов освобождения процессора и внешних устройств при мультипрограммной обработке. Таким образом, мультипрограммирование приводит к увеличению производительности компьютера – количества задач, обрабатываемых за единицу времени, но одновременно с этим увеличивается время пребывания задач в компьютере – время от момента поступления задания на обработку до момента окончания обработки. Производительность и время пребывания задач U зависят от числа одновременно обрабатываемых задач M – коэффициента мультипрограммирования. Характер зависимостей (M) и U(M) представлен на рис. 3.12. В однопрограммном режиме (М = 1) производительность и время пребывания имеют минимальные значения: =₁, U=U₁. С увеличением числа параллельно обрабатываемых задач M производительность стремится к максимальному значению _max, определяемому количеством устройств в компьютере и их быстродействием. При этом время пребывания задач в компьютере неограниченно возрастает.

При использовании компьютера стремятся максимально уменьшить стоимость обработки данных. Эта цель равносильна уменьшению цены производительности компьютера Е = S /, где S – стоимость компьютера. Чтобы уменьшить Е, необходимо увеличить производительность , что достигается за счет увеличения загрузки устройств, т.е. уменьшения их простоя. Чтобы уменьшить простои оборудования, используется следующий способ организации работы компьютера. Во внешнюю память компьютера водится большое число заданий – пакет задач, который постоянно пополняется новыми задачами. Из пакета выбираются и загружаются в основную память М задач, которые начинают обрабатываться в мультипрограммном режиме. Когда обработка одной задачи заканчивается, на ее место загружается очередная задача из пакета. Режим работы компьютера, при котором в очереди на обработку находится большое число задач, достаточное для загрузки компьютера работой, называется режимом пакетной обработки задач.

Как было отмечено, цель пакетной обработки – уменьшение стоимости обработки задач. Рассмотрим, как влияет коэффициент мультипрограммирования M на стоимость обработки задач. С увеличением М производительность Λ возрастает, стремясь к предельному значению Λ_max (рис. 3.13). Чтобы увеличить коэффициент мультипрограммирования M, необходимо оснастить компьютер памятью, достаточной для размещения в ней M программ. Увеличение емкости памяти приводит к росту стоимости S компьютера. В общем случае цена производительности Ε=S/Λ изменяется с увеличением M, как показано на рис. 3.13. При некотором коэффициенте мультипрограммирования M=M₀ цена производительности S/Λ принимает минимальное значение. Оптимальное значение M₀ коэффициента мультипрограммирования зависит от класса задач, обрабатываемых компьютером.