Tehnici de exploatare a calculatoarelor

Tehnici de exploatare a calculatoarelor

Tehnica de exploatare a unui sistem de calcul se refera la modalitatile utilizate de sistemul de operare pentru planificarea executiei programelor si pentru gestionarea resurselor solicitate.

Deoarece sistemele de operare prezinta mari diferente de la o categorie la alta de sisteme de calcul pe care sunt folosite, utilizatorul trebuie sa fie in masura sa selecteze acel sistem care satisface cel mai bine cerintele sale de utilizare. Alegerea unui sistem de operare depinde, printre altele, si de:

metodele de lucru folosite pentru alocarea memoriei (monoprogramare, multiprogramare);

tehnicile aplicate in planificarea executarii lucrarilor (interactive, neinteractive).

Monoprogramarea

Monoprogramarea reprezinta o tehnica de exploatare pentru sistemele seriale, obiectivul ei fiind automatizarea lansarii in executie a lucrarilor (programelor). Ea presupune organizarea si executia secventiala a lucrarilor pe un sistem de calcul. Planificarea lucrarilor se realizeaza strict secvential intr-o ordine prestabilita, in loturi de lucrari. Lansarea in executie a unei lucrari se face, in cadrul lotului din care face parte, secvential, adica respectand conditiile:

• o lucrare se lanseaza in executie numai dupa incheierea executiei lucrarii care o precede;
• ordinea de lansare in executie a lucrarilor este strict ordinea in care se afla lucrarile in lotul de lucrari;
• la un moment dat, toate resursele sistemului sunt puse la dispozitia lucrarii aflate in executie.

Acest mod de organizare a prelucrarilor se numeste prelucrare batch (pe loturi), iar sistemele de operare care utilizeaza aceasta tehnica de exploatare se numesc sisteme de operare batch (BPS - Batch Processing Systems).

Lansarea in executie a lucrarilor din lotul de lucrari se face automat, sub controlul componentei sistemului de operare numita monitor de inlantuiri.

Dezavantajele acestei tehnici sunt reprezentate de timpul mare de raspuns al sistemului (toti utilizatorii primesc rezultatul prelucrarilor numai dupa executarea intregului lot) si eficienta scazuta in utilizarea resurselor sistemului (toate resursele sunt afectate, pe rand, cate unei singure lucrari in executie).

Monoprogramarea, in context mono-utilizator, este modalitatea curenta de lucru a sistemului de operare pentru calculatoarele personale. Sistemul de operare asigura in acest caz o gestiune sumara a lucrarilor, pregatirea memoriei, incarcarea programelor, tratarea intreruperilor etc. Protectia datelor este relativ simpla pentru ca nu exista decat un singur program al utilizatorului prin care se scrie sau se citesc fisierele.

Multiprogramarea

Multiprogramarea (multiprogramming) reprezinta modul de exploatare a unui sistem de calcul care permite existenta simultana in memoria interna a mai multor programe care se executa concurent, in partitii fixe de memorie , cu restrictia ca ele sa nu foloseasca in acelasi timp aceeasi resursa. Obiectivul urmarit in cadrul multiprogramarii consta in maximizarea volumului de lucrari care trec prin sistem si minimizarea timpului petrecut de o lucrare in sistem.

Timpul de inactivitate al unitatii centrale, impus de perioadele de asteptare, este redus substantial daca in memoria interna ar putea coexista simultan mai multe programe ce solicita unitatea centrala atunci cand aceasta asteapta terminarea unei operatii de intrare/iesire pentru lucrarea curenta in executie. Executia mai multor programe in multiprogramare pare simultana (se simuleaza n procesoare pe un singur procesor) desi, de fapt, la un moment dat este activ un singur program.

In multiprogramare sistemul de operare trebuie sa asigure administrarea cererilor de I/E si planificarea firelor de asteptare pentru programele concurente. De asemenea, este necesar un mecanism de  protectie intre lucrari care sa permita executia unei lucrari, fara afectarea celorlalte existente in memoria interna, precum si o gestiune eficienta a resurselor fizice si logice solicitate de lucrarile in executie.

Sistemele de calcul care utilizeaza tehnica multiprogramarii sunt prevazute cu o componenta a sistemului de operare numita monitor de planificare a lucrarilor care alege, dintr-un grup de programe, in ordinea sosirilor, pe acelea potrivit carora timpul neocupat al unitatii centrale sa fie minim.

La sistemele de operare pentru microcalculatoare multiprogramarea se refera la facilitatea de lucru multitasking.

Multiprelucrarea

Daca n programe se gasesc in acelasi timp in memoria interna si partajeaza resursele sistemului de calcul, atunci sistemul este exploatat in multiprogramare; daca in multiprogramare se folosesc n procesoare, atunci sistemul este exploatat in multiprelucrare. Se poate astfel aprecia ca multiprogramarea este un concept software, iar multiprelucrarea un concept hardware.

Un sistem de calcul este exploatat in multiprelucrare daca cel putin doua unitati centrale de prelucrare lucreaza in paralel. De remarcat ca in cadrul sistemelor exploatate in multiprelucrare, unitatea centrala de prelucrare poate executa instructiunile unui singur program, dar si instructiuni din programe diferite.

Sistemele master/slave sunt sisteme care lucreaza prin tehnica multiprelucrarii. Unul dintre obiectivele multiprelucarii este acela de a degreva o unitate centrala de prelucrare de task-uri specifice ca: tabelari de date, editari de texte si intretinerea colectiilor de date (fisiere, baze de date). Pentru a realiza acest deziderat, la o unitate centrala de prelucrare poate fi cuplata o alta unitate centrala de prelucrare destinata coordonarii activitatilor din sistem (master). Masterul coordoneaza toate operatiunile de I/E, in timp ce slave-ul executa operatii complexe; in acest caz master-ul este referit ca front-end processor, avand rolul de interfata intre slave si dispozitivele de I/E. Tot masterul se poate utiliza ca interfata intre slave si colectii voluminoase de date existente in memoria externa, situatie in care este referit ca back-end processor, fiind responsabil de intretinerea bazei de date.

Legaturile dintre memoria interna si unitatea centrala de prelucrare se pot realiza in urmatoarele variante:

legatura matriciala prin intermediul unui sistem de comunicatie prin care cererile neonorate sunt plasate intr-un fir de asteptare gestionate prin componentele hardware si software;

legatura prin canale multiple cand procesoarele partajeaza o cale unica pentru fiecare modul de memorie;

legatura printr-un singur canal folosit partajat, acesta constituind interfata dintre toate unitatile centrale de prelucrare si memoria interna.

Prelucrari SPOOLING

Prelucrarea spooling (Simultaneous Peripheral Operations On-line) reprezinta un mod eficient de exploatare a sistemelor de calcul seriale, bazat pe principiul separarii operatiilor de intrare de operatiile de iesire si de restul prelucrarilor si pe executarea lor in paralel. Executarea lucrarilor se face in multiprogramare.

Aceasta tehnica consta in organizarea de zone tampon de memorie (buffers) pentru realizarea de dispozitive periferice de intrare/iesire virtuale care permit introducerea de lucrari inainte ca acestea sa fie executate, redarea rezultatelor la imprimanta in timpul executiei altor lucrari, planificarea executiei lucrarilor pe baza unui sistem de prioritati prestabilite, fara a se tine seama de ordinea de sosire.

Pentru utilizarea tehnicii SPOOLING este nevoie de o memorie externa de capacitate mare, direct adresabila, unde sa fie organizate perifericele virtuale.

Efectele utilizarii tehnicii SPOOLING sunt:

• cresterea randamentului de exploatare a unui sistem serial cu 40-50%, in primul rand prin scaderea timpilor de asteptare ai UCP
• cresterea randamentului de utilizare a echipamentelor I/O; acestea sunt utilizate in reprize, dar intr-o repriza sunt utilizate la capacitatea maxima.

De exemplu, tehnica SPOOLING se poate folosi sub Windows pentru listarile la imprimanta, utilizand comanda Print care poate fi executata in paralel cu alte lucrari in executie, conform tehnicii de exploatare in multiprogramare.

Prelucrari in timp real

Sistemele de operare in timp real sunt sisteme care permit sa se urmareasca si sa se controleze evenimente din mediul extern sistemului de calcul, in momentul producerii acestora, preluand datele de intrare de la locul producerii lor si furnizand informatii de iesire la locul desfasurarii evenimentelor. Avantajul utilizarii unui sistem in timp real este capacitatea sa de a furniza la timp informatii intr-un mediu de date care se modifica foarte rapid. Obiectivul principal al sistemelor in timp real este ca timpul de raspuns al sistemului sa fie suficient de scurt in raport cu procesul real care produce datele furnizate sistemului de calcul.

Exemple:

supravegherea unui sistem radar; supravegherea sistemului energetic, a unei instalatii chimice, timpul de raspuns trebuind sa fie la nivelul milisecundelor;

supravegherea unui furnal sau cuptor de tratamente termice, timpul de raspuns trebuie sa fie de 1‑2 secunde;

gestiunea in timp real a stocurilor de materiale, timpul de raspuns este cuprins intre 20‑30 secunde.

Sistemele in timp real sunt sisteme interactive multiuser. Ele trebuie sa realizeze prelucrarea concomitenta a intrarilor primite de la un mare numar de dispozitive de intrare. Prelucrarea fiecarei intrari se face prin generarea in sistem a unui proces.

Sistemele in timp real se pot clasifica in :

a) Sisteme in-line (sisteme de proces) - sunt sisteme in timp real cu ajutorul carora se realizeaza urmarirea unui proces (un proces de fabricatie, o reactie chimica, etc.). Timpul de raspuns se masoara in secunde.

b) Sisteme tranzactionale - sunt sisteme in timp real orientate pentru prelucrarea unui volum mare de date de aceeasi natura (de exemplu: evidenta vanzarilor intr-un mare magazin, eliberarea biletelor cu locuri rezervate, etc.). Datele sunt primite de sistemul de calcul de la terminale prin intermediul unor mesaje cu format fix, numite tranzactii. Timpul de raspuns se masoara in minute.

Exemplu : sistemele tranzactionale sunt utilizate pentru sisteme informatice bancare, pentru sisteme de urmarire operativa a productiei, sisteme de rezervare a locurilor la societati de transport aerian, feroviar, etc.

Sisteme de lucru multiutilizator

In sistemele multiutilizator mai multi utilizatori folosesc in acelasi timp acelasi calculator. Putem distinge mai multe situatii: sistem multiutilizator cu program comun, sistem time‑sharing, sistem multiutilizator cu multiprelucrare.

Sistemul multiutilizator cu program comun (multi-terminal sau multi-posturi) permite ca mai multi utilizatori, instalati la terminale diferite, sa execute acelasi program (de exemplu consultarea bazelor de date in retelele locale de calculatoare, sistemele de rezervare a locurilor in avion).

Sistemul de operare are ca preocupare principala asigurarea accesului si securitatii datelor partajate intre diferiti utilizatori. De exemplu, se blocheaza accesul la un fisier de zboruri in timp ce de la un terminal se face o rezervare.

Exploatarea in time-sharing (cu 'partajarea timpului') porneste de la un obiectiv asemanator cu exploatarea in multiprogramare: executarea concurenta a proceselor, cu partajarea resurselor sistemului de calcul, de aceasta data in cazul sistemelor interactive, multiuser. Obiectivul este reducerea timpului de raspuns al sistemului, pentru servirea cererilor cat mai multor utilizatori.

Tehnica de divizare a timpului (time-sharing) se bazeaza pe principiile divizarii timpului si partajarii resurselor intre mai multi utilizatori independenti. Se stabileste o cuanta de timp pentru fiecare utilizator, in care acesta dispune de toate resursele sistemului. In acest context, fiecare utilizator are impresia ca sistemul ii apartine in intregime. La originea sistemelor sta, in esenta, diferenta dintre timpul de gandire si de reactie al utilizatorului (relativ mare) si timpul afectat operatiunilor de intrare/iesire. Aceasta diferenta este folosita de sistemul de calcul pentru a executa alte programe aflate in stare "gata".

Unitatea centrala este partajata pe baza de cerere, planificarea executiei urmarind obtinerea unui timp de raspuns minim. Lucrarile nu au prioritati prestabilite, astfel ca acestea trebuie sa fie executate dinamic.

Sistemul de operare in regim de time-sharing trebuie sa raspunda urmatoarelor obiective:

sa asigure protectia datelor fiecarui utilizator, evitand distrugeri accidentale sau voluntare prin programele altor utilizatori;

sa asigure o repartizare echitabila a resurselor intre diferiti utilizatori astfel incat executia fiecarui program sa fie posibila.

In sistemele de operare time-sharing, gestiunea lucrarilor si gestiunea fisierelor devine foarte complexa. Asigurarea protectiei datelor (identificarea utilizatorilor, accesul la fisiere) sporeste considerabil complexita­tea sistemului de operare.

Un sistem in time-sharing este sistemul de operare Unix.

Tehnica de prelucrare concurenta (parallel processes) ofera posibilitatea lansarii in executie a mai multor programe, asigurand un timp de raspuns redus si utilizarea eficienta a echipamentelor prin executarea pe scara larga a activitatilor concurente intre unitatea centrala si dispozitivele periferice, distribuirea si utilizarea simultana a datelor de mai multe programe in executie, comunicarea intre programele in executie.