La
mayoría de los sistemas operativos utilizan una técnica de gestión del
procesador denominada multiprogramación, o una variante de ésta
llamada tiempo compartido. Los primeros sistemas operativos gestionaban
el procesador mediante otra técnica llamada monoprogramación (utilizada en los monitores de batch
de flujo único). En este apartado comentaremos el por qué se
evolucionó de la monoprogramación a la multiprogramación. Antes de
entrar en esta discusión vamos a ver cómo se realizan las operaciones
de entrada/salida (E/S), es decir, las operaciones que permiten la
comunicación con los dispositivos de E/S.
Realización de las operaciones de E/S
Para
facilitar el uso de los dispositivos, éstos se dividen en dos
componentes. La primera es la componente eléctrica, a la cual se le
llama controlador del dispositivo.
La segunda es la componente mecánica, y es a lo que se llama
propiamente dispositivo. Esta división permite un diseño más modular del
dispositivo, además de simplificar su uso, ya que la CPU casi siempre
trabaja con el controlador (más fácil de usar), que hace de interfaz
entre la CPU y el dispositivo.
El controlador contiene una serie de registros llamados puertos de entrada/salida.
Estos registros son accesibles (pueden ser leídos y modificados)
mediante la ejecución de instrucciones máquina. Las operaciones de E/S
se realizan a través de la carga y lectura de estos registros. Casi
todo controlador dispone de los siguientes registros:
*Registro de estado.
Indica la situación actual del dispositivo. Un bit del registro, al
que llamaremos bit de ocupación, indica si el dispositivo está ocupado
(el bit tendrá el valor uno) realizando una operación de E/S o si está
desocupado (el bit tendrá el valor cero), y, por tanto, preparado para
recibir una orden.
*Registro de órdenes.
En este registro se escribe la operación de E/S que se desea que
realice el dispositivo. Por ejemplo, en una cinta un código de 00 puede
indicar rebobinar la cinta, 01 leer de la cinta, 10 escribir en la
cinta, etc. El controlador se encarga de traducir estas órdenes en
órdenes comprensibles para el dispositivo.
Buffer. Un buffer es un almacén de información. El buffer
del controlador se utiliza para guardar temporalmente los datos
implicados en una operación de E/S. Por ejemplo, si se quiere escribir
en una impresora, se carga la información a escribir desde memoria
principal al buffer. Posteriormente, el controlador mandará dicha información desde el buffer a la impresora.
Pasemos ahora a introducir el concepto de monoprogramación.
En un sistema de monoprogramación todos los recursos del ordenador
-CPU, memoria, discos, impresoras, etc- se dedican a la ejecución de un
único programa. Este modo de trabajar lleva a una baja utilización de
los recursos del ordenador como se justifica a continuación. Cuando el
programa en ejecución realiza una operación de E/S se introduce la
orden precisa en el registro de órdenes. El controlador responde a esto
traduciendo esas órdenes al dispositivo, y poniendo a uno el bit de
ocupación para indicar que el dispositivo está ocupado realizando una
operación de E/S. Cuando termine la operación, el controlador pone a
cero este bit para indicar que la operación concluyó, y el dispositivo
está desocupado. Para saber cuándo termina la E/S, el programa, después
de mandar la orden, tiene que ejecutar un ciclo del siguiente estilo:
Leer el registro de estado
Mientras (el bit de ocupación esté a uno)
Leer el registro de estado
Fin Mientras
Figura 6.1 Utilización de los recursos con monoprogramación
Obsérvese
que esta forma de realizar las operaciones de E/S nos lleva a una
situación en la que en un momento dado se tiene que, o bien la CPU está
ejecutando instrucciones de un programa que no son de E/S, y los
dispositivos de E/S están ociosos, o bien un único dispositivo de E/S
está trabajando, mientras la CPU está en un ciclo comprobando si ha
finalizado la operación. Esto se ilustra en la figura 6.1, donde los
rectángulos rellenos a trazas representan el ciclo de comprobación.
Para dar una medida de la infrautilización de los recursos que conlleva
esta forma de realizar las E/S, piénsese que en el tiempo en que una
impresora imprime una línea, la CPU, en lugar de ejecutar el ciclo de
comprobación que aparece líneas más arriba, podría ejecutar millones de
instrucciones de otro programa. A esta forma de realizar la E/S de los
sistemas de monoprogramación se le llama E/S controlada por programa.
Para paliar la baja utilización de los recursos se desarrolló la multiprogramación. La multiprogramación se apoya en varios elementos del hardware: la interrupción, el DMA y el canal.
En un sistema multiprogramado la memoria principal alberga a más de un
programa de usuario. La CPU ejecuta instrucciones de un programa,
cuando el programa en ejecución (es decir, el que ocupa la CPU) realiza
una operación de E/S, emite ciertas órdenes al controlador (al igual
que en los sistemas monoprogramados);
pero en lugar de esperar a que termine la operación de E/S comprobando
el bit de ocupación, se pasa a ejecutar otro programa. Si este nuevo
programa realiza, a su vez, otra operación de E/S, se mandan las
órdenes oportunas al controlador, y pasa a ejecutarse otro programa.
Esto permite que varios dispositivos trabajen simultáneamente, además,
en la CPU no se tienen que ejecutar ciclos de comprobación del estado
de los dispositivos.
Esto
se ilustra en la figura 6.2, en ella P1, P2 y P3 representan programas
que residen en la memoria principal. Los rectángulos representan si el
recurso está siendo utilizado, salvo para P1, P2 y P3 que representan
si el programa ocupa la CPU. Al principio se está ejecutando P1, cuando
inicia una operación de E/S con la impresora se cede la CPU a P2. P2 se
ejecuta hasta que comienza una operación con el scanner,
entonces se cede la CPU a P3, éste se ejecuta hasta que utiliza la
impresora, momento en el cual se reanuda P1. Obsérvese que en este
ejemplo la CPU siempre está activa. No obstante, podría suceder que
todos los programas que residen en la memoria inicien una operación de
E/S y en un momento dado todos estén esperando la finalización de su
operación, esto conllevaría la no utilización de la CPU hasta que acabe
la operación de E/S de cualquiera de los programas.
Figura 6.2 Utilización de los recursos con multiprogramación
Cuando
un dispositivo acaba una operación de E/S debe de poder comunicárselo
al programa que espera su finalización, para que así, el programa pueda
proseguir su ejecución. Para indicar el fin de la operación el
controlador manda una interrupción a la CPU. Una interrupción no es más que una señal eléctrica que provoca que el contador del programa y la PSW del
programa en ejecución se salven en un lugar seguro de memoria, para, a
continuación, cargar el contador de programa con una dirección fija de
memoria donde reside un programa del sistema operativo que gestiona la
interrupción. Este programa ejecutará cierto código para indicar al
programa que esperaba la finalización de la operación de E/S que ésta
ya terminó. Una vez que este programa del sistema operativo acaba su
trabajo ejecuta una instrucción de retorno de interrupción, la cual
restaura el contador de programa y la PSW del programa interrumpido,
prosiguiéndose así su ejecución sin que éste sea consciente de que ha
sido interrumpido. A esta forma de realizar la E/S se le llama E/S controlada por interrupción.
Analicemos
ahora el DMA y el canal. Cuando un dispositivo realiza una operación
de E/S, por ejemplo, una lectura de una cinta, la información leída
pasa al buffer
del controlador. Después, el programa que inició la lectura ejecuta
ciertas instrucciones para copiar esta información desde el buffer
hacia la memoria principal. La copia se realiza mediante un ciclo,
copiando en cada iteración del ciclo un byte o una palabra desde el buffer del controlador a la memoria principal. En un controlador que disponga de DMA (acrónimo de Direct Memory Access, acceso directo a memoria) la copia del buffer
a memoria la realiza el propio controlador; para ello, el programa ha
de indicarle al controlador la dirección de memoria de inicio de la
copia y el número de bytes a copiar, esto lo hace en el momento de
darle la orden de E/S, metiendo esta información en algunos registros
del controlador. Pasemos ahora a ver lo que es un canal, un canal
es un pequeño procesador de E/S (es decir, un ordenador que sólo
entiende instrucciones de E/S), su utilidad es proporcionar DMA a
varios dispositivos, resultando más económico que tener un controlador
DMA por dispositivo.
Después de la aparición de la multiprogramación surgieron los ordenadores de acceso múltiple o multiusuario.
En ellos cada usuario dispone de un terminal, es decir, un teclado y
una pantalla conectados al ordenador. Los usuarios ejecutan programas
interactivos. Un programa interactivo es aquel que se comunica con el
usuario por medio de un terminal, el usuario le suministra información
al programa mediante el teclado, y recibe información del programa a
través de la pantalla. Los programas de los usuarios comparten los
recursos (CPU, memoria, discos, impresoras, etc) del ordenador. Estos
sistemas hacen uso de una variante de la multiprogramación llamada tiempo compartido.
Multiprocesamiento o multiproceso
es tradicionalmente conocido como el uso de múltiples procesos
concurrentes en un sistema en lugar de un único proceso en un instante
determinado. Como la multitarea que permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso.
El
multiproceso para tareas generales es, a menudo, bastante difícil de
conseguir debido a que puede haber varios programas manejando datos
internos (conocido como estado o contexto) a la vez. Los programas
típicamente se escriben asumiendo que sus datos son incorruptibles. Sin
embargo, si otra copia del programa se ejecuta en otro procesador, las
dos copias pueden interferir entre sí intentando ambas leer o escribir
su estado al mismo tiempo. Para evitar este problema se usa una variedad
de técnicas de programación incluyendo semáforos y otras comprobaciones y bloqueos que permiten a una sola copia del programa cambiar de forma exclusiva ciertos valores.
Las
computadoras que tienen mas de un CPU son llamadas multiproceso. Un
sistema operativo multiproceso coordina las operaciones de la
computadoras multiprocesadoras. Ya que cada CPU en una computadora de
multiproceso puede estar ejecutando una instrucci ón, el otro
procesador queda liberado para procesar otras instrucciones
simultáneamente. Al usar una computadora con capacidades de
multiproceso incrementamos su velocidad de respuesta y procesos. Casi
todas las computadoras que tienen capacidad de mu ltiproceso ofrecen una
gran ventaja.
Los
primeros Sistemas Operativos Multiproceso realizaban lo que se conoce
como: Multiproceso asimétrico: Una CPU principal retiene el control
global de la computadora, así como el de los otros procesadores. Esto
fue un primer paso hacia el multiproceso pero no fue la dirección ideal
a seguir ya que la CPU principal podía conv ertirse en un cuello de
botella. Multiproceso simétrico: En un sistema multiproceso simétrico,
no existe una CPU controladora única. La barrera a vencer al
implementar el multiproceso simétrico es que los SO tienen que ser
rediseñados o diseñados desde el principio para trabajar en u n
ambiente multiproceso. Las extensiones de Unix, que soportan
multiproceso asimétrico ya están disponibles y las extensiones
simétricas se están haciendo disponibles. Windows NT de Microsoft
soporta multiproceso simétrico.
Multicomputadora con base de en Buses:
Es un esquema sin memoria compartida [25, Tanenbaum].
Cada cpu tiene una conexión directa con su propia memoria local.
Un problema importante es la forma en que las cpu se comuniquen entre sí.
El
tráfico es solo entre una cpu y otra; el volumen de tráfico será varios
órdenes de magnitud menor que si se utilizara la red de interconexión
para el tráfico cpu - memoria.
Topológicamente es un esquema similar al del multiprocesador basado en un bus.
Consiste generalmente en una colección de estaciones de trabajo en una LAN (red de área local) (ver Figura 7.5 [25, Tanenbaum]).
Multicomputadoras con Conmutador:
Existen diversas topologías, las más comunes son la retícula y el hipercubo.
Las principales características de las retículas son:
- Son fáciles de comprender.
- Se basan en las tarjetas de circuitos impresos.
- Se adecúan a problemas con una naturaleza bidimensional inherente (teoría de gráficas, visión artificial, etc.) (ver Figura 7.6 [25, Tanenbaum]).
Las principales características del hipercubo son:
- Es un cubo “n” - dimensional.
- En un hipercubo de dimensión 4:
- Se puede considerar como dos cubos ordinarios, cada uno de ellos con 8 vértices y 12 aristas.
- Cada vértice es un cubo.
- Cada arista es una conexión entre 2 cpu.
- Se conectan los vértices correspondientes de cada uno de los cubos.
- En un hipercubo de dimensión 5:
- Se deberían añadir dos cubos conectados entre sí y conectar las aristas correspondientes en las dos mitades, y así sucesivamente.
- En un hipercubo de “n” dimensiones:
- Cada cpu tiene “n” conexiones con otras cpu.
- La complejidad del cableado aumenta en proporción logarítmica con el tamaño.
- Solo se conectan los procesadores vecinos más cercanos:
- Muchos mensajes deben realizar varios saltos antes de llegar a su destino.
- La trayectoria más grande crece en forma logarítmica con el tamaño:
- En la retícula crece como la raíz cuadrada del número de cpu.
- Con la tecnología actual ya se pueden producir hipercubos de 16.384 cpu (ver Figura 7.7 [25, Tanenbaum]).
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