Processor Management (single processor with single-threaded process) บทที่ 4 Processor Management (single processor with single-threaded process)

ประเด็นเกี่ยวกับ Single processing มี processor เดียว (single core) ทำงานได้ทีละคำสั่ง (ระดับภาษาเครื่อง) มีหลายงานที่รันอยู่พร้อมกัน (multitasking) การที่ OS รันอยู่ก็ต้องใช้ CPU เหมือนกัน ให้ทุกกลุ่มปรึกษากัน และนำเสนอแนวคิดว่า ถ้ามีสิ่งของอยู่ชิ้นหนึ่ง ไม่สามารถแบ่งแยกได้ ไม่สามารถใช้ร่วมกันได้ แต่มีผู้ต้องการใช้หลายคน จะมีวิธีแบ่งอย่างไร จึงจะได้ใช้ทุกคน ทุกกลุ่มเสนอแนวคิด ปรับปรุงเป็นการจัดสรร CPU เปรียบเทียบข้อแตกต่างกับการจัดสรร memory

Process state (การเรียกชื่อ state ต่างๆอาจต่างกันไปตามผู้แต่งหนังสือ น เมื่อมีการเริ่มต้น process ใหม่ process ยังไม่พร้อมจะทำงานทันที ต้องผ่านกระบวนการบางอย่างเสียก่อน (เช่นเตรียมทรัพยากรและข้อมูล) เมื่อ process พร้อมจะทำงาน ก็อาจไม่สามารถทำงานได้ทันที เพราะ CPU ไม่ว่าง (แล้วทำยังไงดี กลับไปเริ่มต้นใหม่ดีไหม ?กลุ่ม ... ตอบ) เมื่อ process ได้เริ่มทำงาน (ได้ใช้ CPU แล้ว) ควรให้ทำงานไปจนจบหรือไม่ (กลุ่ม ... ตอบ) ถ้า process ทำคำสั่ง I/O เช่นรับข้อมูลจาก keyboard ต้องรอจนกว่าจะได้ข้อมูล จึงจะทำคำสั่งต่อไปได้ process ดังกล่าวควรจะครอบครอง CPU ต่อหรือไม่ ถ้าไม่ควรทำอย่างไร (กลุ่ม ... ตอบ)

Job and Process Status Hold Admitted Finished Interrupt Exit Ready Running Scheduler dispatch I/O or event completion I/O or event wait Waiting Handled by Process Scheduler Handled by Job Scheduler

เมื่อ CPU ว่าง process ใดที่จะได้รัน จากแผนภาพมีเพียงเส้นจาก ready เท่านั้นที่มายัง running Process ที่อยู่ในสถานะ ready เท่านั้นจึงจะมีสิทธิได้รัน Process ในสถานะ ready มีอยู่ process เดียวหรือเปล่า ? จากแผนภาพเส้นที่มา ready มี 3 เส้น มีโอกาสที่จะมาจากทั้ง 3 ทาง ในแต่ละเส้นทาง มีโอกาสที่จะมีหลาย process เข้ามาขณะ CPU ไม่ว่าง เมื่อมีหลาย process อยู่ในสถานะ ready จะเลือก process ใดมารัน ให้ทุกกลุ่มปรึกษาและเสนอความเห็น

เมื่อมีการเปลี่ยน process ทำงาน ถ้า process ที่กำลังครอบครอง CPU ทำงานเสร็จสิ้น CPU ก็จะว่างให้ process อื่นมาทำงานได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ แต่ถ้า process ที่ครอบครอง CPU ยังทำงานไม่จบ จำเป็นต้องกลับมาใช้ CPU ใหม่ หากเอา process ดังกล่าวออกไปอยู่สถานะอื่นเฉยๆย่อมมีปัญหา เพราะเมื่อกลับมาทำงานต่อ จะต้องกลับมาทำงานต่อที่คำสั่งต่อเนื่องจากเดิม ข้อมูลที่อยู่ระหว่างประมวลผลโดย CPU ก็จะต้องเหมือนเดิม ดังนั้นจำเป็นต้องเก็บข้อมูลไว้เพื่อที่จะกลับมาทำงานต่อได้ถูกต้อง ข้อมูลสำคัญที่ต้องเก็บไว้ได้แก่ program counter, register content และอื่นๆ ซึ่งจะเก็บไว้ใน PCB ซึ่งจะถูกนำกลับมาไว้ในที่เดิมเมื่อ process กลับมาทำงานอีกครั้ง กระบวนการนี้เรียกว่า Context Switching

Process Control Block (PCB) Process Control Block (PCB) -- data structure that contains basic info about the job Process identification Process status (HOLD, READY, RUNNING, WAITING) Process state (process status word, register contents, main memory info, resources, process priority) Accounting (CPU time, total amount of time, I/O operations, number input records read, etc.) Understanding Operating Systems

PCBs and Queuing PCB of job created when Job Scheduler accepts it updated as job goes from beginning to termination. Queues use PCBs to track jobs. PCBs, not jobs, are linked to form queues. E.g., PCBs for every ready job are linked on READY queue; all PCBs for jobs just entering system are linked on HOLD queue. Queues must be managed by process scheduling policies and algorithms. Understanding Operating Systems

Process Scheduling Algorithms First Come First Served (FCFS) Shortest Job Next (SJN) Priority Scheduling Shortest Remaining Time (SRT) Round Robin Multiple Level Queues Understanding Operating Systems

First Come First Served (FCFS) Non-preemptive. Handles jobs according to their arrival time -- the earlier they arrive, the sooner they’re served. Simple algorithm to implement -- uses a FIFO queue. Good for batch systems; not so good for interactive ones. Turnaround time is unpredictable. Understanding Operating Systems

FCFS Example Process CPU Burst (Turnaround Time) A 15 milliseconds B 2 milliseconds C 1 millisecond If they arrive in order of A, B, and C. What does the time line look like? What’s the average turnaround time? Understanding Operating Systems

Shortest Job Next (SJN) Non-preemptive. Handles jobs based on length of their CPU cycle time. Use lengths to schedule process with shortest time. Optimal – gives minimum average waiting time for a given set of processes. optimal only when all of jobs are available at same time and the CPU estimates are available and accurate. Doesn’t work in interactive systems because users don’t estimate in advance CPU time required to run their jobs. Understanding Operating Systems

Priority Scheduling Non-preemptive. Gives preferential treatment to important jobs. Programs with highest priority are processed first. Aren’t interrupted until CPU cycles are completed or a natural wait occurs. If 2+ jobs with equal priority are in READY queue, processor is allocated to one that arrived first (first come first served within priority). Many different methods of assigning priorities by system administrator or by Processor Manager. Understanding Operating Systems

Shortest Remaining Time (SRT) Preemptive version of the SJN algorithm. Processor allocated to job closest to completion. This job can be preempted if a newer job in READY queue has a “time to completion” that's shorter. Can’t be implemented in interactive system -- requires advance knowledge of CPU time required to finish each job. SRT involves more overhead than SJN. OS monitors CPU time for all jobs in READY queue and performs “context switching”. Understanding Operating Systems

Round Robin Preemptive. Used extensively in interactive systems because it’s easy to implement. Isn’t based on job characteristics but on a predetermined slice of time that’s given to each job. Ensures CPU is equally shared among all active processes and isn’t monopolized by any one job. Time slice is called a time quantum size crucial to system performance (100 ms to 1-2 secs) Understanding Operating Systems

If Job’s CPU Cycle < Time Quantum If job’s last CPU cycle & job is finished, then all resources allocated to it are released & completed job is returned to user. If CPU cycle was interrupted by I/O request, then info about the job is saved in its PCB & it is linked at end of the appropriate I/O queue. Later, when I/O request has been satisfied, it is returned to end of READY queue to await allocation of CPU. Understanding Operating Systems

Time Slices Should Be ... Long enough to allow 80 % of CPU cycles to run to completion. At least 100 times longer than time required to perform one context switch. Flexible -- depends on the system. Understanding Operating Systems

Multiple Level Queues Not a separate scheduling algorithm. Works in conjunction with several other schemes where jobs can be grouped according to a common characteristic. Examples: Priority-based system with different queues for each priority level. Put all CPU-bound jobs in 1 queue and all I/O-bound jobs in another. Alternately select jobs from each queue to keep system balanced. Put batch jobs “background queue” & interactive jobs in a “foreground queue”; treat foreground queue more favorably than background queue. Understanding Operating Systems

Policies To Service Multi-level Queues No movement between queues. Move jobs from queue to queue. Move jobs from queue to queue and increasing time quantums for “lower” queues. Give special treatment to jobs that have been in system for a long time (aging). Understanding Operating Systems

ผลของแต่ละ algorithm จะเห็นว่าแต่ละ algorithm ก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป ผลกระทบต่อ process แต่ละแบบก็แตกต่างกันด้วย ดังนั้นการเลือกใช้ algorithm ใด จะเป็น preemptive หรือ non-preemptive การตั้งค่าเวลาของ time quantum ย่อมขึ้นอยู่กับนโยบายในการออกแบบ OS ว่าต้องการออกแบบ OS ให้เป็นแบบใด เหมาะกับงานแบบใดโดยเฉพาะหรือไม่ CPU-bound jobs I/O-bound jobs Interactive jobs Background jobs Real time jobs Transactions Processing jobs

Process Scheduling Policy Maximize throughput by running as many jobs as possible in a given amount of time. Maximize CPU efficiency by keeping CPU busy 100 % of time. Ensure fairness for all jobs by giving everyone an equal amount of CPU and I/O time. Minimize response time by quickly turning around interactive requests. Minimize turnaround time by moving entire jobs in/out of system quickly. Minimize waiting time by moving jobs out of READY queue as quickly as possible.

Interrupts There are instances when a job claims CPU for a very long time before issuing an I/O request. builds up READY queue & empties I/O queues. Creates an unacceptable imbalance in the system. Process Scheduler uses a timing mechanism to periodically interrupts running processes when a predetermined slice of time has expired. suspends all activity on the currently running job and reschedules it into the READY queue. Understanding Operating Systems

Cache Memory Cache memory -- quickly accessible memory that’s designed to alleviate speed differences between a very fast CPU and slower main memory. Stores copy of frequently used data in an easily accessible memory area instead of main memory.

Types of Interrupts Page interrupts to accommodate job requests. Time quantum expiration. I/O interrupts when issue READ or WRITE command. Internal interrupts (synchronous interrupts) result from arithmetic operation or job instruction currently being processed. Illegal arithmetic operations (e.g., divide by 0). Illegal job instructions (e.g., attempts to access protected storage locations). Understanding Operating Systems

Interrupt Handler Describe & store type of interrupt (passed to user as error message). Save state of interrupted process (value of program counter, mode specification, and contents of all registers). Process the interrupt Send error message & state of interrupted process to user. Halt program execution Release any resources allocated to job are released Job exits the system. Processor resumes normal operation. Understanding Operating Systems