多处理机的任务分配和进程调度

处理机的进程调度

进程调度分类 按调度层次，分为 高级调度 中级调度 低级调度
按OS的类型，分为
批处理调度 分时调度 实时调度 多处理机调度
处理机的进程调度
选择调度方式和调度算法的若干准则 1.面向用户的准则 a.周转时间短：是批处理系统中衡量性能的一个重要 指标。分为两个具体指标：作业周转时间和进程周 转时间。 b.响应时间快：是分时系统中衡量性能的重要指标。 从提交一个请求开始到首次产生响应为止(显示出结 果)的一段时间间隔。 c.截至时间的保证：是实时系统中衡量性能的一个重 要指标。是指某任务必须从开始执行的最近时间， 或必须完成的最迟时间。 d.优先权准则：它是紧急作业得到及时处理的重要保 证。
处理机的进程调度
(时间片：s1<s2<s3<…) 新进程 进入
s1
最高优先权队列时间片
至CPU
次高优先权队列时间片
s2
至CPU
再次高优先权队列时间片
s3
至CPU
最低优先权队列时间片
sn
至CPU
处理机的进程调度
（2）多级反馈队列调度算法的性能 多级反馈队列调度算法具有较好的性能，能满足 各种类型用户的需要。 1.终端型用户：作业较小，可在第一队列的时间 片内完成。 2.短批处理型作业用户：大多数作业可在第一队 列的时间片内完成，稍长的也可在第二队列的时间 片内完成。 3.长批处理型作业用户：可依次在第一、二、… 、 n队列的时间片内完成。
多处理机-互连方式
总线仲裁算法： a.静态优先级算法：为每一个连到总线的部件分配固 定的优先级 b.固定时间片算法：把总线按固定大小时间片，轮流 提供给部件使用 c.动态优先级算法：让总线上各部件优先级可根据情 况按一定规则动态地改变 d.先来先服务算法：按接受到访问总线请求先后顺序 来响应
多处理机-互连方式
处理机的进程调度
2.短作业（进程）优先调度算法（SJF/SPF） 是指对短作业或者短进程优先调度的算法。 属于不可抢占策略 短作业优先(SJF)的调度算法，是从后备队列中选择 一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调 入内存运行。 短进程优先(SPF)调度算法，则是从就绪队列中选出 一估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它， 使它立即执行并一直执行到完成，或发生某事件而 被阻塞放弃处理机时，再重新调度。
多处理机的进程调度（线程调度）
(2)松散耦合MPS结构（异构型）
M1
I/O1
M2
I/O2
Mn
P1
P2
……
I/On
Pn
特点：各个处理机有自己的存储器和OS，它们之间通过通 道或通信线路实现互连。一般说，该结构里的所有处理机 可以不相同。 在多处理机系统中，进程调度与系统结构和OS的工 作模式均相关。
需要专门的指令或语句指 明程序中各程序段的并发 关系，并控制并发执行 实现指令、任务作业级的 并行 处理机数目不固定，复杂
结构灵活性
程序并行性
并行任务派生
进程同步 资源分配和任务 调度
多处理机的任务分配（任务调度）

NP问题 分布式内存多处理机上并行任务静态调度 一种基于A *算法的多处理机任务调度算法 一种多处理机任务分配的启发式算法 一种有优先约束的多处理机系统的任务分配方法
多处理机-互连方式
M1 M2 M3
Pn I/O1
Pn
I/O2
交叉开关形式
多处理机-互连方式
4.多端口存储器形式 如果每个存储器模块有多个访问端口，且将分布在 交叉开关矩阵中的控制、转换和优先级仲裁逻辑分 别移到相应存储器模块的接口中。
P1 P2
M1
M2
M3
M4
I/O1 四端口存储器形式的结构
多处理机的进程调度（线程调度）

进程分配方式
1.对称多处理机系统中的进程分配方式 在SMP系统中，所有的处理器都是相同的，因 而可把所有的处理器作为一个处理器池(Processor pool)，由调度程序或基于处理器的请求， 将任何一

多处理机

分类： 按照处理机间的连接程度:紧密耦合MP和松散耦合 MP 按照是否共享主存储器:共享存储器MP和分布式存 储器MP 按照处理机类型:同构MP和异构MP 按照处理机的个数：大规模并行处理机MPP和对称 多处理机SMP 另外，多向量处理机和机群系统也是多处理机
多处理机-互连方式

2.环形互连形式


总线形成环形互连；
令牌（Token）；


点点连接，物理参数容易控制；
适合于高带宽的光纤
多处理机-互连方式
P0 P1 P2 P3
P7
P6
P5
P4
级间采用环形互连的多处理机
多处理机-互连方式
3.交叉开关形式

包含一组纵横开关阵列； 是总线方式的极端； 交叉开关阵列复杂； 总线数=m+I+n, m:存储器模块数 n:处理机数 I:I/o设备数 一般:M>=I+N
I/O1
多处理机-互连方式
5.开关枢纽结构形式

把互连结构的开关设置在各个处理机或其接口内部， 组成分布式结构。

美国加州大学伯克利分校设计的树形多处理机XTREE
多处理机与并行处理机的比较
方 面 并行处理机SIMD
针对向量、数组处理而设 计的，有专用性，虽然处 理单元数多 16384 个，但 设置有限的、固定的
多处理机的进程调度（线程调度）
前面所讨论的是单CPU下的进程调度，对于多 CPU，一方面由于有多台处理机，可采用的调度策 略也随之增多，另一方面在调度目标上，要求的是
整个系统的运行效率的提高，即不能只保证单CPU
忙，而且在引入线程后，调度的基本单位已经是线 程了。因此，在多CPU的OS中，广泛采用了线程调 度机制，接下来主要介绍对线程的调度问题。
优先级调度算法又可分为：
非抢占的优先级调度法 可抢占的优先级调度法
处理机的进程调度
（2）优先权的类型 a.静态优先权：静态优先权是在创建进程时确定的， 在整个运行期间不再发生改变。
确定静态优先权的依据：
进程类型；进程对资源的需求；用户要求的优先权
静态优先权简单易行，系统开销小，但不精确。
b.动态优先权：动态优先权是基于某种原则，使进 程的优先权随时间而改变。
多处理机的进程调度（线程调度）
多处理机系统（MPS）的类型 1.紧密耦合MPS和松散耦合MPS (1)紧密耦合MPS结构（同构型）

P1
P2
P3
…
Pn I/O1
高 速 交 叉 开 关
M1
M2
M3
…
Mn
I/O2 . . .
特点：通过高速总线或高速交叉开关进行处理机之间的 互连，并共享存储器。一般说，该结构里的所有 处理机都是相同的。
实现操作级并行，并行性 存在指令内部 通过指令来反映数据间是 否并行计算，并由指令直 接启动多个处理单元并行 工作 实现指令内部对数据操作 的并行 处理单元数目固定，可利 用屏蔽手段，改变数目
多处理机
实现作业、任务、程序段 的并行，适应算法，结构 灵活多变，实现复杂的机 间互连，避免争用共享的 硬件资源 并行性还存在于指令外部， 表现于多个任务间的并行
处理机的进程调度
（2）时间片大小的确定 轮转法的性能取决于时间片大小的选择。 例：若一次切换时间为5毫秒，时间片长度选择为 20毫秒，则20％的CPU时间花费于进程调度程序。 为了改善CPU的利用率，可以增大时间片，比如说 为500毫秒，此时CPU利用率达99％之多，但每一进 程的响应时间也因之增大。若就绪队列中共有10个 进程，则每一进程需要等待5秒钟，才能在CPU上服 务一次。 通常来说，选择时间片为100毫秒左右比较适宜。 时间片选择有：固定时间片和可变时间片；与时 间片大小有关的因素有：系统响应时间、就绪进程 个数和CPU处理能力三个。
处理机的进程调度
5.多级反馈队列调度算法 （1）思路如下：把进程按优先级分组，优先级最高 的进程组中的进程每次在CPU上运行一个时间片t长
度；优先级次之的进程组的进程每次运行二个时间
片2t长度；优先级再次之的进程组的进程每次运行4 个时间片4t长度，以此类推，进程每次运行完它的时 间片后便降低一个优先级别，移至另一优先级的进 程组中。
处理机的进程调度
（3）高响应比优先调度算法 HRN原理：就是在每调度一个作业投入运行时，先 计算后备作业队列中每个作业的响应比，然后挑选
响应比最高者投入运行。
优点：该算法既照顾了短作业用户，同时也避免了 长作业用户无限期的等待，是 FCFS 和 SJ(P)F 两种 算法的较好折衷方案。 缺点：算法较为复杂，增加了系统开销(计算响应比)。
总线形式 环形互连形式 交叉开关形式 多端口存储器形式 开关枢纽结构形式
多处理机-互连方式
1.总线形式 多个处理机、存储器模块和外围设备通过接口与公 用总线相连，采用分时或多路转接技术传送。 结构简单，成本低，增减模块方便，但对总线的失 效敏感。

提高总线的系统效率： 采用优质高频同轴电缆，用光纤 采用多总线方式减少冲突概率
处理机的进程调度

调度算法 1.先来先服务算法（FCFS） 该算法总是把处理机分配给最先进入就绪队列的 进程，即：就绪队列按进入的先后顺序排队。 优点：实现简单 缺点：没有考虑进程的优先级 属于不可抢占策略
此算法是有利于长(大)作业(进程)，不利于短(小) 作业(进程)；有利于CPU繁忙的作业(进程)，不利于 I/O繁忙的作业(进程)。
处理机的进程调度
4.基于时间片的轮转调度算法 （1）基本原理： 轮转法是最简单又最公平的进程调度算法。主 要用于分时系统中作为其主调度算法。 属于可抢占策略 轮转法分配给每一进程在CPU上运行的时间长 度，称之为时间片。其基本原理是：诸进程以此时 间片为限制，轮流使用CPU。如果时间片到期时， 进程尚未完成运行，调度程序将剥夺它正在使用的 CPU，转让给另一进程使用；如果进程在使用完它 的某一时间片之前已经完成运行或已阻塞，CPU也 立即转让给另一进程使用。

处理机的进程调度
2.面向系统的准则 a.系统吞吐量大：是用于评价批处理系统的重要指标， 因而它是选择批处理系统的重要准则。
b.处理机利用率高：是大、中型计算机系统选择调度 算法的重要依据。但对单用户或实时系统，它不是 十分重要的准则了。
c.各类资源的平衡利用：也是大、中型计算机系统选择 调度算法的重要依据。对单用户或实时系统，它不 是十分重要的准则了。
处理机的进程调度
优点：该算法相对FCFS来说调度性能要好些，且能满 足大多数作业(均是短作业)用户的要求。 缺点：a.该算法对长作业不利 b.该算法未考虑作业的紧迫程度，因而不能保 证紧迫性作业（进程 ）及时得到处理。 c.该算法不一定能真正做到短作业优先调度。
处理机的进程调度
3.高优先权优先调度算法 （1）优先权调度算法的类型 基本原理是：对于进程调度，它总是把处理机分配 给就绪队列中具有最高优先权的进程；对于作业调 度，它总选择后备队列中若干具有高优先权的作业 进入内存。
处理机的进程调度（线程பைடு நூலகம்度）

处理机调度的基本概念 What---按什么原则分配CPU---进程调度算法 When---何时分配CPU ---进程调度时机 How---如何分配CPU ---进程调度过程 处理机调度目的：分配CPU 处理机调度方式：一级调度或二级调度 调度算法： FCFS、SPF(SJF)、时间片轮转、优 先权高者优先、多级反馈队列等不同的调度算法。
多处理机的任务分配和进程调度
目录
多处理机的相关介绍 多处理机的任务分配（简）
处理机的进程调度
多处理机的进程调度
多处理机
概念： 两个或两个以上处理机，通过高速互联网络连接起 来，在统一的操作系统管理下，实现指令及以上级 （任务级、作业级）并行。 特点: a.结构灵活 b.程序并行:属于操作一级的并行，性能比指令高 c.进程同步:不需要同步控制（并行处理机需要） d.多处理机工作时，根据多种条件分配资源，所以 所需要的资源变化复杂。
多处理机的进程调度（线程调度）
2.对称多处理机系统和非对称多处理机系统 (1)对称多处理机系统SMPS (Symmetric MultiProcessor System) 在系统中所包含的各处理器单元，在功能和结 构上都是相同的，当前的绝大多数MPS都属于SMPS。 例如，IBM公司的SR/6000 Model F50, 便是利用4片 Power PC处理器构成的。 (2) 非对称多处理机系统AMPS(Asymmetrical MultiProcessor System) 在系统中有多种类型的处理单元，它们的功能和 结构各不相同，其中只有一个主处理器，有多个从 处理器。