sistemas operativos 6 chp

8/18/2019 Sistemas Operativos 6 Chp

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Silberschatz, Galvin an d Gagne ©2013Operating System Concepts – 9 th Edition

Capítulo 6: Programación dela CPU


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6.2 Silberschatz, Galvin an d Gagne ©2013Operating System Concepts – 9 th Edition

Capítulo 6: Programación de la CPU

Conceptos básicosCriterios de programaciónProgramación de Algoritmosprogramación de subprocesosProgramación de procesador múltiple

Real-Time planicación de la CPUEjemplos de Sistemas OperativosEvaluación algoritmo


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objetivos

Para introducir la programación de la CPU, que es la base para lossistemas operativos multiprogramadosPara describir varios algoritmos de programación de la CPUPara discutir los c riterios de evaluación para la selección de unalgoritmo de programación de la CPU para un sistema particular

Para examinar los a lgoritmos de planicación de varios sistemasoperativos


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Conceptos básicos

la máxima utilización de la CPUobtenida con multiprogramaciónCPU-I O Ciclo / Ráfaga -Ejecución proceso consiste enuna ciclo de ejecución de CPU yE / S esperarráfaga de CPU seguido por Meráfaga de E / S

distribución ráfaga de CPU es deinterés principal


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-burst


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planificador de la CPU

Planicador de c orto plazo selecciona de entre los procesos en cola de

listos, y asigna la CPU a una de ellosCola puede ser ordenado de diversas maneras

las decisiones de programación de la CPU pueden tener lugar cuando unproceso:1. Cambia de correr a estado de espera2. Cambia de funcionamiento al estado lista3. Cambia de espera de listo4. termina

La programación de los puntos 1 y 4 es nonpreemptiveTodos los demás programación es con derecho preferente

Considere la posibilidad de acceso a los datos compartidosConsidere la posibilidad de preferencia, mientras que en el modo denúcleoConsidere la posibilidad de interrupciones que se producen durante lasactividades cruciales del sistema operativo


7/686.7 Silberschatz, Galvin an d Gagne ©2013Operating System Concepts – 9 th Edition

Transportista

módulo despachador da el control de la CPU al procesoseleccionado por el planicador de corto plazo; esto implica:

el cambio de contextoel cambio al modo de usuariosaltar a la ubicación correcta en el programa de usuariopara reiniciar dicho programa

latencia d e d espacho - Tiempo que toma al despachadordetener un proceso e iniciar otra ejecución



Criterios de programación

utilización de la C PU - Mantener la CPU tan ocupada como seaposiblerendimiento - # De procesos que completan su ejecución porunidad de tiempoEl tiempo de respuesta - Cantidad de tiempo para ejecutar unproceso particularTiempo de espera - Cantidad de tiempo que un proceso haestado esperando en la cola de preparadosTiempo de respuesta - Cantidad de tiempo que transcurredesde que se presentó una solicitud hasta que se produce laprimera respuesta, no salida (para el entorno de tiempocompartido)



programación del algoritmo

aprovechamiento máximo de la CPUrendimiento máximomin tiempo de respuestamin tiempo de esperael tiempo mínimo de respuesta



!e primer llegado" primer servido-#c$eduling %&C'

Proceso Tiempo quemado P 1 24 P 2 3 P 33 Supongamos que los procesos llegan en el orden: P 1 , P 2 , P 3El diagrama de Gantt para el horario es:

Tiempo de espera para P 1 = 0; P 2 = 24; P 3= 27Tiempo medio de espera: (0 + 24 + 27) / 3 = 17

P P P1 2 3

0 24 3027



&C Programación %Cont('

Supongamos que los procesos llegan en el orden: P 2 , P 3 , P 1 El diagrama de Gantt para el horario es:

Tiempo de espera para P 1= 6 ;P 2 = 0 ;P 3=3Tiempo medio de espera: (6 + 0 + 3) / 3 = 3Mucho mejor que caso anteriorefecto convoy - Corto proceso detrás proceso largo

Considere la posibilidad de que yo los procesos de E / S con destinoa vinculados a l a CPU y muchos

P1

0 3 6 30

P2

P3



- -Programación

Asociar con cada proceso la longitud de su siguiente ráfaga deCPU

Utilice estas longitudes para programar el proceso con eltiempo más corto

SJF es óptimo - da tiempo medio de espera mínimo para undeterminado conjunto de procesos

La dicultad es saber la longitud de la siguiente petición de laCPUSe puede pedir al usuario



+jemplo de #*&

Proceso Hora de llegada Tiempo quemado P 1 0.0 6 P 2 2.0 8 P 3 4.0 7 P 4 5.0 3

SJF gráco de programación

Tiempo medio de espera = (3 + 9 + 16 + 0) / 4 = 7

P3

0 3 24

P4

P1

169

P2



siguiente ráfaga de CPU

Sólo se puede estimar la longitud - debe ser similar a la anteriorA continuación, elija proceso con menor predicho siguienteráfaga de CPU

Se puede hacer mediante el uso de la longitud de las ráfagas de

CPU anteriores, utilizando el promedio exponencial

Comúnmente, α conjunto a ½versión preferente llamada más corto restante e n tiempo-primero

:Define 4.10, 3.

burst CPUnextthefor valuepredicted 2.burst CPUof len th actual 1.

≤≤

=

=

+

α α

τ 1n

thn nt

( ) .11 nnn t τ α α τ −+==



Predicción de la longitud de la siguiente ráfaga de CPU



+jemplos de promedio e ponencial

α = 0 τ n + 1 = τ norteLa historia reciente no cuenta

α = 1 τ n + 1 = α tnorte

Sólo el último recuento real de la CPU se echóSi ampliamos la fórmula, obtenemos:

τ norte +1 = T α norte + (1 - α ) α tnorte -1 + ... + ( 1 - α ) j α tnorte - j + ... + ( 1 - α ) norte +1 τ 0

Dado que tanto α y (1 - α ) son menos que o igual a 1, cadatérmino sucesivo tiene menos peso que su predecesor

j l d á i



+jemplo de más corta-restante-tiempo-primero

Ahora añadimos los conceptos de diferentes tiempos de llegada y d epreferencia al análisis Proceso UN arri Llegada Hora TTiempo quemado P 1 0 8 P 2 1 4

P 3 2 9 P 4 3 5Con derecho preferente Gráco Gantt SJF

Tiempo medio de espera = [(10-1) + (1-1) + (17-2) + 5-3)] / 4 = 26/4 =6.5 mseg

P4

0 1 26

P1

P2

10

P3

P1

5 17



prioridad de programación

Un número de prioridad (entero) se asocia con cada proceso

La CPU se asigna al proceso con la prioridad más alta (menorentero ≡ prioridad más a lta)

Con derecho preferentenonpreemptive

SJF es programación de prioridad donde la prioridad es la inversadel tiempo predicho siguiente ráfaga de CPU

Problema ≡ Inanición - Los procesos de baja prioridad no puedenejecutar

solución ≡ Envejecimiento - A medida que pasa el tiempoaumentar la prioridad del proceso



programación

Proceso Un arri Tiempo quemado T Prioridad P 1 10 3 P 2 1 1 P 3 2 4 P 4 1 5

P 55 2

Prioridad Gráco Gantt para la programación

tiempo de espera promedio = 8.2 ms

1

0 1 19

P1

P2

16

P4

P3

6 18

P



.ound .obin %..'

Cada proceso obtiene una pequeña unidad de tiempo de CPU(hora cuántico q), Por lo general 10 a 100 milisegundos.Después de transcurrido este tiempo, el proceso se adelantó y seañade al nal de la cola de listos.Si hay norte Los procesos e n la cola de listos y el cuanto detiempo es q, Entonces cada proceso obtiene 1 / norte del tiempo

de CPU en trozos de a lo sumo q unidades de tiempo a la vez.Ningún proceso espera más de ( norte -1) qunidades de tiempo.Temporizador interrumpe cada cuántica para programar elpróximo proceso deActuación

q grande ⇒ FIFOq⇒ pequeña qdebe ser grande con respecto al cambio decontexto, de lo contrario sobrecarga es demasiado alto



+jemplo de .. con Time /uantum 0 1

Proceso Tiempo quemadoP 124 P 2 3 P 33El diagrama de Gantt es:

Por lo general, un mayor cambio promedio que SJF, pero mejorrespuestaq debe ser grande en comparación con el tiempo de cambio de contextoq normalmente 10 ms a 100 m s, cambio de contexto



de conte to



Tiempo de respuesta varía con el tiempo /uantum

80% de las ráfagas deCPU debe ser más cortoque q


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multinivel cola

cola de listos s e divide en colas s eparadas, por ejemplo:

primer plano (interactivo)fondo (l ote)

Proceso de forma permanente en una cola dadaCada cola tiene su propio algoritmo de planicación:

primer plano - RRbackground - FCFSLa programación debe realizarse entre las colas:

programación de prioridad ja; (Es decir, servir a todos desde elprimer plano de fondo a continuación). Posibilidad de hambre.

rebanada de tiempo - cada cola para crear una cierta cantidadde tiempo de CPU que se puede programar entre sus procesos;es decir, el 80% a los conocimientos previos en RR20% a fondo en el orden de llegada


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Programación de colas multinivel


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Comentarios cola de multinivel

Un proceso puede moverse entre las distintas colas; elenvejecimiento puede ser implementado de esta maneraplanicador multinivel-feedback-cola denida por los s iguientesparámetros:

número de colas

algoritmos de planicación para cada colamétodo utilizado para determinar el momento de actualizar unproceso demétodo utilizado para determinar cuándo se debe degradar unproceso demétodo utilizado para determinar qué cola un proceso entrarácuando ese proceso requiere un servicio


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multinivel

Tres colas:Q0 - RR con cuanto de tiempo de 8milisegundosQ1 - RR tiempo de 16 milisegundos cuánticaQ2 - FCFS

programaciónUn nuevo trabajo entra en cola Q0 que sesirve FCFS

Cuando llega al CPU, trabajo recibe 8milisegundosSi no termina en 8 ms, el trabajo semueve a l a cola Q1

AQ1 trabajo está otra vez con FCFS yrecibe 16 milisegundos a dicionales

Si aún no se completa, hasta que seaapropiado y se trasladó a la cola Q2


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programación de subprocesos

Distinción entre el nivel de usuario y las discusiones a nivel del núcleoCuando las roscas compatibles, las discusiones programadas, no losprocesosMuchos-a-uno y muchos-a-muchos modelos, hilos de rosca horarios dela biblioteca de nivel de usuario se ejecutan en LWP

Conocido como alcance d el proceso de co ntención (PCS )ya que lacompetencia de programación es en el proceso deNormalmente hecho a través de prioridad establecido por elprogramador

hilo del núcleo programado en la CPU disponible es alcance sistema d econtención ( SCS )- La competencia entre todos los hilos en el sistema


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programación pt$read

API permite especicar cualquiera de PCS o SCS durante lacreación del hiloPTHREAD_SCOPE_PROCESS horarios hilos utilizandoPCS programaciónPTHREAD_SCOPE_SYSTEM horarios hilos utilizando SCSprogramación

Puede ser limitado por el sistema operativo - Linux y Mac OS Xsólo permiten PTHREAD_SCOPE_SYSTEM


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Pt$read Programación 3P4# include

#include

NUM_THREADS #define int !ain "int ar c$ char % ar & '() *

int i$ +!,ito de aplicaci-n pthread_t tid 'H/01S NUM(

attr pthread_attr_t

2 % 1,tener los atri,utos por defecto % 2

pthread_attr_init "3 attr)

2 % Se de,er+ consultar en el +!,ito actual % 2 si "pthread_attr_ etscope "3 attr$ 3 +!,ito de aplicaci-n)4 5 6)

fprintf "stderr$ 7No se puede o,tener la pro ra!aci-n de alcance 8n7)

else *

si "55 alcance 9THREAD_S:19E_9R1:ESS)

printf " 79THREAD_S:19E_9R1:ESS7)

else if "alcance 55 9THREAD_S:19E_S;STEM)printf " 79THREAD_S:19E_S;STEM7)

!+s fprintf "stderr$ 7 alor ile al alcance. 8 n7)

=


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Pt$read Programación 3P4

2 % Esta,lecer el al orit!o de planificaci-n de 9:S o S:S % 2

pthread_attr_setscope "3 attr$ 9THREAD_S:19E_S;STEM)2 % :rear los hilos % 2

for "i 5 6 i


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Programación de procesador m5ltiple

planicación de la CPU más complejo cuando varias CPU están

disponiblesHomogéneo procesadores dentro de un multiprocesadormultiprocesamiento asimétrico - Sólo un procesador accede a lasestructuras de datos del sistema, aliviando la necesidad deintercambio de datosEl multiprocesamiento simétrico (SMP )- Cada procesador es auto-programación, todos los procesos en cola de preparados común, ocada uno tiene su propia cola privada de los procesos listos

Actualmente, más comúnla a nidad del procesador - Proceso tiene anidad por elprocesador en el que se está ejecutando actualmente

anidad suaveanidad duro

Las variaciones incluyendo los c onjuntos d e p rocesadores


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U)3 2 CPU Programación

Tenga en cuenta que los algoritmos de memoria de colocacióntambién pueden considerar afinidad

ar as en a programac n e procesa or -


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ar as en a programac n e procesa or +8uilibrio de carga

Si SMP, la necesidad de mantener todas las CPU cargadospara la ecienciaBalanceo de carga los intentos de mantener la carga detrabajo distribuida uniformementela migración de em puje - Comprobaciones periódicas detrabajo se cargan en cada procesador, y si se encuentra tareaempuja desde la CPU sobrecargada con otras CPUsla m igración de a rrastre - Procesadores ociosos esperandotirones tarea de procesador ocupado


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n5cleos

tendencia reciente para colocar múltiples núcleos deprocesador en mismo chip físicoMás rápido y consume menos energíaMúltiples hilos por núcleo también está creciendo

Se aprovecha de la parada de memoria para avanzar enotro hilo, mientras que la memoria recuperar sucede


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#istema multin5cleo multi$ilo


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.eal-Time planificación de la CPU

Puede presentar desafíos obvios

sistemas d e tiempo real suaves -Se programará ninguna garantía encuanto al proceso cuando críticosen tiempo realLos sistemas d e tiempo real -Tarea debe ser reparado por su

plazoHay dos tipos de latencias afectanal rendimiento

1. Interrupción de latencia - tiempo desdela llegada de interrupción al inicio de larutina que interrumpen los s ervicios

2. Despacho de latencia - tiempo para elhorario para tomar proceso actual de laCPU y cambiar a otro


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Programación %Cont('

fase de latencia

conicto de expedición:1. Derecho preferente

de compra decualquier procesoque se ejecuta enmodo de núcleo

2. La liberación por elproceso de bajaprioridad de losrecursosnecesarios para losprocesos de altaprioridad


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Programación basada en prioridades

Para la programación en tiempo real, el planicador debe ser

compatible con la programación preventiva, basada en prioridadesPero sólo garantiza suave en tiempo real

Por tiempo real duro también debe proporcionar la capacidad paracumplir los plazosLos procesos tienen nuevas características: periódico cuáles

requieren de la CPU a intervalos constantesTiene tiempo de procesamiento t, fecha tope re, período p0 ≤ t ≤ re ≤ pTarifa de la tarea periódica es 1 / p


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7irtuali ación 2 Programación

horarios de software de virtualización de múltipleshuéspedes Onto CPU (s)Cada invitado haciendo su propia programación

Sin saber que doesn't poseen las CPUsPuede resultar en un tiempo de respuesta

Puede afectar los relojes de la hora del día en loshuéspedesPuede deshacer buenos esfuerzos algoritmo deplanicación de los huéspedes


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Programación tasa )ontonic

Se asigna una prioridad basada en la inversa de su periodo

períodos más cortos = mayor prioridad;

Los períodos más largos = prioridad más baja

P1 se le asigna una prioridad mayor que P 2 .

ncump m ento e p a os con una tasa e


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p p)onotónica Programación

a ec a m e m s emprana r mera


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a ec a m e m s emprana r meraProgramación %+!&'

Las prioridades se asignan de acuerdo a los plazos:

cuanto antes de la fecha límite, mayor es la prioridad;la tarde de la fecha límite, menor será la prioridad


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Compartir proporcional Programación

T se asignan cuotas entre todos los procesos en el sistema

Una aplicación recibe norte acciones cuando N


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Programación P9#4 en tiempo real

los estándar POSIX.1b

API proporciona funciones para la gestión en tiempo real traposrerecisa dos clases de planicación para las discusiones en tiemporeal:

n SCHED_FIFO - hilos se programan utilizando una estrategia FCFS conuna cola FIFO. No hay tiempo compartido de hilos de igual prioridad

n SCHED_RR - Similar a SCHED_FIFO excepto el tiempo compartido seproduce de hilos de igual prioridadDene dos funciones para obtener y establecer la política deprogramación:

n pthread_attr_getsched_policy(pthread_attr_t *attr,int

*política)n pthread_attr_setsched_política(pthread_attr_t

*attr,int política)

en empo rea e


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en empo rea eprogramación

# include

#include

NUM_THREADS #define int !ain "int ar c$ char % ar & '()

*

int i$ la pol?tica pthread_t_tid 'NUM_THREADS(

attr pthread_attr_t

2 % 1,tener los atri,utos por defecto % 2

pthread_attr_init "3 attr)

2 % 1,tener la pol?tica de planificaci-n actual % 2 si "pthread_attr_ etschedpolic3 "3 attr$ 3 la pol?tica)4 5 6)

fprintf "stderr$ 7No se puede o,tener la pol?tica. 8 n7)

else *

si "55 pol?tica S:HED_1THER) printf " 7S:HED_1THER 8 n7)

else if "pol?tica 55 S:HED_RR) printf " 7S:HED_RR 8 n7)else if "pol?tica 55 S:HED_C/C1) printf " 7S:HED_C/C1 8 n7)

=


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(


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Programación ,inu en la versión


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.endimiento #&C

i P ió %C t('


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,inu Programación %Cont('

programación en tiempo real de acuerdo con POSIX.1b

tareas e n tiempo real tienen prioridades e státicasEn tiempo real más el mapa normal en régimen de prioridad globalBuen valor de los mapas de -20 a 100 prioridad globalBuen valor de 19 se asigna a la prioridad 139

ió d @i d @


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programación de @indo@s

Windows utiliza la programación preventiva basada en

prioridadessubproceso de prioridad más a lta corre juntoTransportista es planicadorEl hilo se termina hasta que (1) bloques, (2) utiliza porciónde tiempo, (3) apropiado por mayor prioridad hilo

las discusiones en tiempo real pueden adelantarse entiempo no realesquema de prioridad de 32 nivelesvariable d e c lase es 1-15, clase en tiempo real es 16-31La prioridad 0 es el hilo de administración de memoriaCola para cada prioridadSi hay hilo de ejecución podrá, corre subproceso inactivo

l d i id d d Ai d @


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,as clases de prioridad de Aindo@s

Win32 API identica varias clases de prioridad a los que un proceso puede

pertenecer REALTIME_PRIORITY_CLASS, HIGH_PRIORITY_CLASS,ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS, NORMAL_PRIORITY_CLASS,BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS, IDLE_PRIORITY_CLASSTodos son variables, excepto TIEMPO REAL

Un hilo dentro de una clase de prioridad dada tiene una prioridad relativa

TIME_CRITICAL, MÁS ALTO, ABOVE_NORMAL, NORMAL, BELOW_NORMAL,BAJO, EN REPOSO

clase de prioridad y la prioridad que se combinan para dar prioridad numéricaprioridad de base es normal dentro de la claseSi expira cuántica, la prioridad baja, pero nunca por debajo de la base

l d i id d d Ai d @ %C t('


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,as clases de prioridad de Aindo@s %Cont('

Si se produce de espera, la prioridad aumentó en función de lo queestaba esperadoventana en primer plano 3x dada aumento de prioridadWindows 7 ha añadido programación en modo de usuario (UMS )

Las aplicaciones crean y administran las discusionesindependientes del núcleoPara gran número de hilos, mucho más ecienteUMS programadores provienen de bibliotecas lenguaje deprogramación como C ++ Tiempo de ejecución concurrente(ConcRT) Marco

P i id d d @i d @


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Prioridades de @indo@s

#olaris


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#olaris

La programación basada en prioridad

Seis clases disponibles El tiempo compartido (por defecto) (TS)Interactiva (IA)en tiempo real (RT)Sistema (SYS)De reparto justo (FSS)prioridad ja (PF)

subproceso dado puede estar en una clase a la vezCada clase tiene su propio algoritmo de planicación

El tiempo compartido es cola de retroalimentación de varios nivelescargable tabla congurable por el administrador de sistemas

Tabla de despac$o de #olaris


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Tabla de despac$o de #olaris

g ió d # l i


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programación de #olaris

P g ió d # l i %C t('


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Programación de #olaris %Cont('

Programador convierte prioridades especícas de clase en una

prioridad global hilos porHilo con mayor prioridad pasa al ladoSe ejecuta hasta que (1) bloques, (2) utiliza porción detiempo, (3) apropiado por mayor prioridad hiloVarios subprocesos al mismo prioridad seleccionados a travésde RR

+valuación algoritmo


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+valuación algoritmo

¿Cómo seleccionar el algoritmo de CPU-programación para unsistema operativo?Determinar los c riterios, a continuación, evaluar los a lgoritmosmodelado determinista

Tipo de evaluación analíticaToma una carga de trabajo particular predeterminada y dene elrendimiento de cada algoritmo para que la carga de trabajo

Considere 5 procesos que lleguen a tiempo 0:

l ió d i i


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+valuación determinista

Para cada algoritmo, calcular el tiempo medio de espera mínimoSencillo y rápido, pero requiere los números exactos de entrada, seaplica únicamente a las entradas

FCS es 28ms:

No preferente USF es 13ms:

RR es 23 ms:

) d l d l


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)odelos de colas

Describe la llegada de los procesos, y la CPU y E / S irrumpe

probabilísticamenteComúnmente exponencial, y descrito por mediaCalcula la media utilización de rendimiento, tiempo deespera, etc.

sistema informático descrito como la red de servidores, cada unocon cola de procesos en espera

Conocer las tasas de llegada y las tarifas de serviciosCalcula la utilización, la longitud media de la cola, el tiempopromedio de espera, etc.

P 8 B &ó l


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Pe8ueBo s &órmula

norte = Longitud media de la cola

W = Tiempo medio de espera en la colaλ = Tasa media de llegada a la colaPequeño'Ley s - en estado estacionario, dejando procesa la coladebe ser igual a los procesos de llegar, por lo tanto: norte =λ incógnita W

Válido para cualquier algoritmo de planicación y distribuciónde la llegada

Por ejemplo, si una media de 7 procesos llegar por segundo, ynormalmente 14 procesos en la cola, el tiempo promedio deespera entonces por proceso = 2 segundos

i l i


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simulaciones

modelos de colas limitadossimulaciones más preciso

modelo programada del sistema informáticoReloj es una variableRecopilar estadísticas que indican rendimiento de los a lgoritmos

Datos a l a unidad de simulación conseguida a través delGenerador de números aleatorios de acuerdo a las probabilidadesDistribuciones dene matemáticamente o empíricamenteTraza cintas s ecuencias de registro de eventos reales en sistemasreales

va uac n e a c e u ers por#imulación


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#imulación

4mplementación


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4mplementación

simulaciones incluso tienen una precisión limitada

Sólo aplicar nuevo planicador y la prueba en sistemas realesAlto costo, de alto riesgoambientes varían

La mayoría de los programadores exibles pueden ser modicadospor el lugar o por sistemaO API para modicar las prioridadesPero una vez más entornos varían


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&inal del capítulo 6

sistemas operativos 6 chp

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