3.3.5 HIGHEST RESPONSE RATIO NEXT JOB SCHEDULING (HNR)

Algoritmo apropiativo parecido al SRT consistente en calcular el Reponse Ratio (Ratio de respuesta) para asignar la CPU a procesos más viejos. (Para evitar la inanición).
Características:
• Es muy productivo pero se sobrecarga el sistema.

• Ofrece un buen tiempo de respuesta.

• Equilibra los procesos, aunque da prioridad a los procesos más cortos.

• Evita la inanición (los procesos que envejecen serán ejecutados).
Las prioridades, que son dinámicas, se calculan según la siguiente fórmula, donde pr es la “prioridad”, te es el “tiempo de espera” y ts es el “tiempo de servicio”:
• Elige proceso listo con valor mayor de R
• Tiene en cuenta edad del proceso
• Debe estimarse el tiempo se servicio previamente: en base a historia pasada o valor dado por usuario o administrador.
• R= w + s

R= tasa de respuesta
w= tiempo consumido esperando al procesador
s = tiempo de servicio esperado
Que corrige algunas deficiencias de SJF, particularmente el retraso excesivo de trabajos largos y el favoritismo excesivo para los trabajos cortos. HRN es un disciplina de planificación no apropiativa en la cual la prioridad de cada proceso no sólo se calcula en función del tiempo de servicio, sino también del tiempo que ha esperado para ser atendido. Cuando un trabajo obtiene el procesador, se ejecuta hasta terminar. Las prioridades dinámicas en HRN se calculan de acuerdo con la siguiente expresión: Prioridad = (tiempo de espera + tiempo de servicio) / tiempo de servicio Como el tiempo de servicio aparece en el denominador, los procesos cortos tendrán preferencia. Pero como el tiempo de espera aparece en el numerador, los procesos largos que han esperado también tendrán un trato favorable. Obsérvese que la suma tiempo de espera + tiempo de servicio es el tiempo de respuesta del sistema para el proceso si éste se inicia de inmediato.
Para cada proceso, basado en el tiempo que va a ocupar el procesador(s) y el tiempo que lleva esperando para ocuparlo (w), Se calcula w+s/s, una vez echo esto el proceso que tenga un valor mayor será asignado al procesador. Este algoritmo es bastante bueno, por que además de dar preferencia a los procesos cortos también tiene en cuenta el envejecimiento de los procesos para evitar así la “inanición”. Cuando el proceso actual termina o se bloquea, se elige el proceso listo con un mayor valor de R.
La decisión de planificación se basa en una estimación del tiempo de retorno normalizado.
Este método es atractivo porque tiene en cuenta la edad del proceso. Aunque se favorece a los trabajos más cortos (un denominador menor produce una razón mayor), el envejecimiento de un proceso sin que haya sido servido incrementa el valor de la razón, de forma que los procesos más largos puedan pasar, en competición con los más cortos. El tiempo esperado de servicio debe estimarse antes de emplear la técnica de la mayor tasa de respuesta.

3.4 MULTIPROCESAMIENTO PROCESADOR

MULTIPROCESAMIENTO
Generalidades de Multiprocesadores.
Un multiprocesador se define como una computadora que contiene dos o más unidades de procesamiento que trabajan sobre una memoria común bajo un control integrado.
Si el sistema de multiprocesamiento posee procesadores de aproximadamente igual capacidad, estamos en presencia de multiprocesamiento simétrico; en el otro caso hablamos de multiprocesamiento asimétrico.
Si un procesador falla, los restantes continúan operando, lo cual no es automático y requiere de un diseño cuidadoso.
Un procesador que falla habrá de informarlo a los demás de alguna manera, para que se hagan cargo de su trabajo .
Los procesadores en funcionamiento deben poder detectar el fallo de un procesador
Determinado. El Sistema Operativo debe percibir que ha fallado un procesador determinado y ya no podrá asignarlo y también debe ajustar sus estrategias de asignación de recursos para evitar la sobrecarga del sistema que está degradado.
Distribución de Ciclos
Una “estructura de ciclos o de repetición” implica la repetición de una serie de proposiciones (cuerpo del ciclo) hasta que ocurre alguna condición de terminación, por ejemplo:
For i = 1 to 3
Do
El procesador secuencial realizará en secuencia lo siguiente:
En un sistema de multiprocesamiento con tres procesadores disponibles se podrían
Ejecutar concurrentemente.
Reducción de la Altura del Arbol
Utilizando las propiedades asociativa, conmutativa y distributiva de la aritmética, los
Compiladores pueden:
1. Detectar el paralelismo implícito en expresiones algebraicas.
2. Producir un código objeto para multiprocesadores que indique las operaciones que se pueden realizar simultáneamente.
3. Reordenar expresiones para que sean más apropiadas para la computación en paralelo.

3.5 CONCEPTOS BASICOS MULTIPROCESAMIENTO

Dos factores clave para la extensión de los Multiprocesadores
1. Flexibilidad: El mismo sistema puede usarse para un único usuario incrementado el rendimiento en la ejecución de una única aplicación o para varios usuarios y aplicaciones en un entorno compartido.
2. Coste-rendimiento: Actualmente estos sistemas se basan en procesadores comerciales, por lo que su coste se ha reducido drásticamente. La inversión más fuerte se hace en la memoria y la red de interconexión.
Como su nombre indica son aquellos sistemas operativos que están montados sobre ordenadores que están compuestos por más de un procesador, supongamos un PC que en vez de tener un Pentium, tuviera dos o más Pentium conectados entre si dentro de la misma placa base, esto sería un sistema multiprocesador.
CLASIFICACION POR USO DE LOS RECURSOS
Sistemas monoprogramados: Son los que solo permiten la ejecución de un programa en el sistema, se instalan en la memoria y permanecen allí hasta que termine su ejecución. Sistemas multiprogramados: Son aquellos que se basan en las técnicas de multiprogramación, existen dos tipos:
• Multitarea apropiativa (preemptive): Se utiliza en sistemas operativos cuya gestión es quitar el control del microprocesador al programa que lo tiene.
• Multitarea cooperativa: El programa tiene el control del microprocesador, el sistema operativo no puede decidir quien usa el microprocesador.
Sistemas de multiprocesamiento: Formado por varios microprocesadores. Depende del tipo de trabajo y los objetivos que debe cumplir cada sistema para dar el mejor servicio al usuario, se clasifican en:
Procesamiento por lotes (batch): Cada programa realiza un conjunto de pasos secuenciales relacionados entre si
Multiprocesamiento
Medios de multiprocesamiento que tienen más de un procesador que opera en la misma memoria pero ejecuta procesos simultáneamente. En un sistema de multiprocesamiento procesadores múltiples son empleados a ejecutado más de una actividad en el tiempo, siempre que la informática masiva deba ser realizada con regularidad.

3.6 PARALELISMO MULTIPROCESAMIENTO

PARALELISMO
Funcionamiento
El paralelismo consiste en ejecutar más instrucciones en menos tiempo, aunque las instrucciones sigan tardando lo mismo en ejecutarse, mediante un simple truco, aunque algo difícil de explicar en detalle. Intentémoslo.
un microprocesador ejecuta instrucciones de código máquina.
Estas instrucciones le dicen como tiene que ir modificando diferentes posiciones de memoria, y como debe ir modificando el flujo de ejecución. Se tiende a pensar, erróneamente, que un procesador con un reloj a 200 MHz (200 millones de ciclos por segundo) ejecuta 200 millones de estas operaciones por segundo. Esto no es así, por una sencilla razón. Una instrucción no se ejecuta en un solo ciclo de reloj, salvo alguna rara excepción. De hecho, algunas instrucciones tardan bastantes más ciclos, llegando algunas a necesitar 50 o más ciclos para completarse. En cambio, las más rápidas se ejecutan en tan sólo 3 o 4 ciclos de reloj. Aquí es donde entra el paralelismo para solucionar este problema. Se puede dividir cualquier instrucción en fases más o menos comunes a todas:
-fetch (carga de la instrucción desde la memoria al procesador)
-decodificación (identificación de qué instrucción nos hemos encontrado)
-carga de operandos
-operación en sí
-escritura de resultados
Este esquema, expresamente simplificado, nos da una idea de las fases que todo microprocesador tiene. Vamos a suponer un microprocesador ideal donde todas las operaciones que se pueden ejecutar en él tardan 15 ciclos, correspondientes a tres ciclos por cada una de las 5 fases que hemos descrito. Si ejecutáramos tres de estas operaciones sin ningún tipo de paralelismo, tardaríamos 45 ciclos, según el siguiente esquema:
instr.1:111222333444555
instr.2:_________111222333444555
instr. 3:________111222333444555
Ahora supongamos que somos capaces de dividir el microprocesador en circuitos separados capaces cada uno de trabajar independientemente y ejecutar cada una de las 5 fases anteriores. Si logramos que sean independientes, cuando la instrucción uno ha acabado ya la fase de fetch y pasa a la decodificación, deja libre el módulo que se encarga del fetch, donde puede ir ya ejecutándose la segunda instrucción. De esta forma, logramos paralelizar las instrucciones.
instr.1111222333444555
instr.2:___111222333444555
instr. 3:______111222333444555
Resultado: las tres instrucciones, por separado, siguen ejecutándose en el mismo tiempo, pero en conjunto ya no tardan 45 ciclos, sino solo 21 ciclos. Más de un 45% de incremento en el rendimiento. De esta forma es como algunos procesadores muy paralelizados logran ejecutar, en promedio, más de una instrucción por ciclo de reloj, aunque estas instrucciones tarden, por sí mismas, más de un ciclo en ejecutarse.
En la realidad, como siempre, no todo es tan fácil y hay muchos problemas al diseñar un procesador con paralelismo. Por citar algunos de los problemas más comunes, hay veces que una instrucción no se puede ejecutar ya que requiere un dato que quizás calculaba la operación anterior (cosa muy habitual). Claro, si ante este problema detuviéramos la anterior instrucción, bloquearía el procesador y se acabaría el paralelismo hasta que acabara la primera instrucción y con ella se pudiera reanudar la segunda. Para evitar estos problemas se recurre a cortocircuitos, o lo que es lo mismo, se comunican diferentes fases del microprocesador internamente para pasarse antes los datos. Esto, sin embargo, también nos da otros problemas, ya mucho más complicados, como el encontrarnos con que hay que decidir que datos son los correctos en cada momento. En estos problemas ya no entraremos, y se podrían resumir en que el procesador ha de decidir como paralelizar las instrucciones. Bien, todo lo que hemos visto sobre el paralelismo involucra única y exclusivamente al microprocesador en sí, y más bien a su diseño. El software que se ejecuta sobre él ignora totalmente si hay paralelismo o no. Esto es el paralelismo implícito.
Por el contrario, Intel implementa una solución que de hecho ya deriva de ideas de principios de los años 80. En el paralelismo explícito, el procesador ya no es el que decide cómo paralelizar las instrucciones, sino que es el compilador del software el que ha empaquetado las instrucciones para que el microprocesador pueda ejecutarlas paralelamente sin tantos problemas. De hecho, esta manera es mucho más eficiente, porque el compilador tiene todo el tiempo del mundo para decidir cómo paralelizar y por supuesto, la lógica que puede aplicar es infinitamente más potente que la que podemos encontrar implementada en cualquier microprocesador. Esto también redunda en una simplificación de la circuitería de control del microprocesador, lo que permite acelerar aún más las instrucciones. Además, queda libre más espacio para incluir aún más registros y hacer los buses internos más anchos, lo que permite ejecutar aún más instrucciones en paralelo.
Paralelismo en software Definamos como paralelismo en software como la ejecución de un programa sin tomar en cuenta el hardware con que va ser ejecutado. El paralelismo en software es considerado como el caso ideal de la ejecución de las instrucciones que forman parte de un programa, ya que no toma en cuenta las limitantes del hardware con que el mismo va ser ejecutado.
Paralelismo en hardware Definamos como paralelismo en hardware como la ejecución de un programa tomando en consideración el hardware con que va a ser ejecutado.
El diagrama de paralelismo en Software representa el caso ideal con que dicho programa puede ser ejecutado. Nótese que la ejecución de las 8 instrucciones se realiza solamente en tres ciclos de máquina. Por otro lado podemos observar las limitantes que genera la ejecución de este mismo programa con un hardware en particular (procesador Superescalar con capacidad de ejecutar un acceso a la memoria y una operación aritmética simultáneamente) obteniendo 6 ciclos de maquina para ejecutar el programa.
Tomando como base este ejemplo, la ejecución paralela de las instrucciones de un programa se mide mediante el parámetro conocido como Promedio de Ejecución Paralela de instrucciones (PEP). Este parámetro se define como la relación entre el número de instrucciones del programa y el número de ciclos de máquina realizados en su ejecución. Su expresión matemática es:
PEP = No. de Instrucciones / No. de Ciclos de Máquina
Por consiguiente, el promedio de ejecución paralela de instrucciones en software para este ejemplo es: 8/3 = 2,667 y el promedio de ejecución paralela de instrucciones en hardware es: 8/6 = 1,333.
El desarrollo de hardware y software es un proceso integral que busca soluciones que permitan satisfacer cada vez más las condiciones de paralelismo con el fin de incrementar el promedio de ejecución paralela de instrucciones. Para lograr este objetivo es necesario detectar y resolver las dependencias entre instrucciones. El proceso de detección y resolución de dependencias entre instrucciones se conoce como el proceso de planificación de instrucciones. Cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por el compilador se dice que la planificación de instrucciones es estática. Y cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por hardware (Ejemplo: microprocesador) se dice que la planificación de instrucciones es dinámica. La planificación de instrucciones en los microprocesadores súper escalares es un proceso de planificación de instrucciones estático y dinámico.

3.7 SISTEMAS MULTIPROCESAMIENTO

SISTEMAS MULTIPROCESAMIENTO INTRODUCCION
A pesar de las grandes mejoras acaecidas en monoprocesadores para algunas aplicaciones no es suficiente.
– La solución pueden ser los sistemas multiprocesadores:
o Solución más sencilla, natural y con mejor coste-prestaciones.
o Las mejoras en microprocesadores cada vez son más complejas: cada avance implica crecer en complejidad, potencia y superficie.
o Lenta pero clara mejora en el software, que permite explotar el paralelismo.
– Las arquitecturas actuales son muy diversas: hay más investigación que resultados definitivos.
– Hablaremos de multiprocesadores de pequeña y median escala
Dos factores clave para la extensión de los Multiprocesadores
1. Flexibilidad: El mismo sistema puede usarse para un único usuario incrementado el rendimiento en la ejecución de una única aplicación o para varios usuarios y aplicaciones en un entorno compartido.
2. Coste-rendimiento: Actualmente estos sistemas se basan en procesadores comerciales, por lo que su coste se ha reducido drásticamente. La inversión más fuerte se hace en la memoria y la red de interconexión.
Como su nombre indica son aquellos sistemas operativos que están montados sobre ordenadores que están compuestos por más de un procesador, supongamos un PC que en vez de tener un Pentium, tuviera dos o más Pentium conectados entre si dentro de la misma placa base, esto sería un sistema multiprocesador.

3.8 ORGANIZACION DEL MULTIPROCESADOR

El problema clave es determinar los medios de conexión de los procesadores múltiples y los procesadores de Entrada / Salida a las unidades de almacenamiento.
Los multiprocesadores se caracterizan por los siguientes aspectos:
• Un multiprocesador contiene dos o más procesadores con capacidades aproximadamente comparables.
• Todos los procesadores comparten el acceso a un almacenamiento común y a canales de Entrada / Salida, unidades de control y dispositivos.
• Todo está controlado por un Sistema Operativo que proporciona interacción entre procesadores y sus programas en los niveles de trabajo, tarea, paso, archivo y elementos de datos.
Las organizaciones más comunes son las siguientes:
• Tiempo compartido o bus común (conductor común).
• Matriz de barras cruzadas e interruptores.
• Almacenamiento de interconexión múltiple.
Tiempo Compartido o Bus Común (o Conductor Común)
Usa un solo camino de comunicación entre todas las unidades funcionales
El bus común es en esencia una unidad pasiva.
Un procesador o procesador de Entrada / Salida que desee transferir datos debe efectuar los siguientes pasos:
1. Verificar la disponibilidad del conductor y de la unidad de destino.
2. Informar a la unidad de destino de lo que se va a hacer con los datos.
3. Iniciar la transferencia de datos.

3.9 Sistemas Operativos del Multiprocesador

Las capacidades funcionales de los Sistema Operativo de multiprogramación y de multiprocesadores incluyen lo siguiente:
• Asignación y administración de recursos.
• Protección de tablas y conjuntos de datos.
• Prevención contra el ínter bloqueo del sistema.
• Terminación anormal.
• Equilibrio de cargas de Entrada / Salida.
• Equilibrio de carga del procesador.
• Reconfiguración.
Las tres últimas son especialmente importantes en Sistemas Operativos de multiprocesadores, donde es fundamental explotar el paralelismo en el hardware y en los programas y hacerlo automáticamente. Las organizaciones básicas de los Sistemas Operativos para multiprocesadores son las siguientes:
• Maestro / satélite.
• Ejecutivo separado para cada procesador.
• Tratamiento simétrico (o anónimo) para todos los procesadores.
• Maestro / Satélite - Es la organización más fácil de implementar.
No logra la utilización óptima del hardware dado que sólo el procesador maestro puede ejecutar el Sistema Operativo y el procesador satélite sólo puede ejecutar programas del usuario.
Las interrupciones generadas por los procesos en ejecución en los procesadores satélites que precisan atención del Sistema Operativo deben ser atendidas por el procesador maestro y por ello pueden generarse largas colas de requerimientos pendientes.
• Ejecutivos Separados - Cada procesador tiene su propio Sistema Operativo y responde a interrupciones de los usuarios que operan en ese procesador.
Existen tablas de control con información global de todo el sistema (por ejemplo, lista de procesadores conocidos por el Sistema Operativo) a las que se debe acceder utilizando exclusión mutua.
Es más confiable que la organización maestro / satélite.
Cada procesador controla sus propios recursos dedicados.
La reconfiguración de los dispositivos de Entrada / Salida puede implicar el cambio de dispositivos a diferentes procesadores con distintos Sistemas Operativos.
La contención sobre las tablas del Sistema Operativo es mínima.
Los procesadores no cooperan en la ejecución de un proceso individual, que habrá sido asignado a uno de ellos.
• Tratamiento Simétrico - Es la organización más complicada de implementar y también la más poderosa y confiable.
El Sistema Operativo administra un grupo de procesadores idénticos, donde cualquiera puede utilizar cualquier dispositivo de Entrada / Salida y cualquiera puede referenciar a cualquier unidad de almacenamiento.
El Sistema Operativo precisa código reentrarte y exclusión mutua.
Es posible equilibrar la carga de trabajo más precisamente que en las otras organizaciones.
Adquieren significativa importancia el hardware y el software para resolución de conflictos.
Todos los procesadores pueden cooperar en la ejecución de un proceso determinado.