Sistemas operativos administracion cpu

1Sistemas Operativos (IS11) – Tema 2
Procesos.
Planificación del Procesador.
Sistemas Operativos.
Tema 2.
Concepto de Proceso.
• Una definición sencilla: Programa en ejecución.
– El programa necesita una serie de recursos para su ejecución:
• Tiempo de la CPU.
• Memoria.
– Con el contenido del programa.
– Pila para datos temporales.
– Sección de datos con variables globales.
• Acceso a archivos y dispositivos E/S.
Proceso
RECURSOS
Programa
Pila Otros recursos
Ficheros abto.
Disponible E/S, etc
Datos
Código PC
+
CPU
Memoria
Ficheros
Dispositivos
Entidad pasiva Entidad activa

Concepto de Proceso.
• Para entender mejor el concepto de proceso:
– Los procesos tienen un carácter secuencial:
– Un proceso en su ejecución puede generar más de un
proceso (llamada fork).
– Dos procesos pueden asociarse al mismo programa.
• Proceso: Unidad de trabajo del sistema.
– En general, habrá más de un proceso ejecutándose
concurrentemente.
• Procesos de usuario y procesos del sistema.
• El sistema operativo se encargará de:
– La creación y eliminación de procesos.
– La planificación de procesos.
– La sincronización, comunicación y manejo de bloqueos mutuos
entre procesos.
Estado de un proceso.
• El estado de un proceso:
– Relacionado con su actividad del proceso en un cierto momento.
– Al ejecutarse irá cambiando de estado.
• Posibles estados de un proceso:
– En ejecución: Está usando el procesador.
– Bloqueado: No puede hacer nada porque está espera un evento
externo (esperando la conclusión de E/S).
– Listo: Está en memoria esperando turno para ejecutarse en la
CPU (espera asignación del procesador).

Estado de un proceso.
• Diagrama de transición de estados:
– 1.- Pasa a esperar un suceso
(E/S) y se bloquea.
– 2.- Expulsión de proceso
de la CPU
– 3.- El planificador elige
otro proceso.
– 4.- El suceso (E/S) que
esperaba el proceso acaba.
• En un instante: sólo un proceso en ejecución, los demás
estarán listos o en espera.
Proceso
Nuevo
En ejecución
Bloqueado
Listo
1 2
3
4
Proceso
Finalizado
Bloque de control del proceso (PCB)
• En el S.O.:
– Un proceso se representa por: Un Bloque de Control del
Proceso (PCB, Process Control Block).
• Es un conjunto de registros que almacena información
sobre el proceso:
– Estado del proceso: Nuevo, Listo, en Ejecución, Bloqueado.
– Contador del programa: Dirección siguiente instrucción a ejecutar.
– Registros de la CPU: Contenidos al final de la ultima ejecución
(contador de programa, puntero a pila, registros de datos, etc.).
– Información planificación CPU: prioridad, apuntadores a las colas,
algoritmo usado.
– Información contable y de identificación: Número de proceso,
tiempo real y de CPU utilizado.
– Información estado E/S: Solicitudes E/S pendientes, lista archivos
abiertos, etc.

Bloque de control del proceso (PCB)
• Se utiliza para poder ejecutar procesos concurrentes:
hay un cambio de contexto (se produce una interrupción
que debe atender el sistema operativo)
Concepto de hilo de ejecución: thread.
• 1) Varios procesos pueden cooperar para resolver una
misma tarea. Tendremos ejecución concurrente entre
procesos comunicados por memoria
• 2) Un programa podría realizar actividades concurrentes
(paralelismo dentro del proceso). Tendremos: Ejecución
concurrente de varios “hilos” dentro de un proceso.
• Cada hilo, thread o proceso ligero tiene su propio:
– Contador de programa, pila, registros y estado del proceso ligero
• Los procesos ligeros de un mismo proceso comparten la
información del proceso:
– Espacio de memoria, Variables globales, Archivos abiertos,
Procesos hijos, Temporizadores, Señales y semáforos,
Contabilidad

Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Proceso P
Proceso P
0
1
Inicio
Inicio
Fin
Fin
Concepto de planificación.
• Si hay dos procesos listos para ejecución ...
– ¿ Cual se ejecutará primero?
• El planificador (scheduler) del sistema operativo decide
cual.
• El planificador utiliza Algoritmo de planificación.
• Un ejemplo de planificación de procesos: P0 y P1 listos
• Una manera sencilla de planificación, sin
multiprogramación.
• Planificación con multiprogramación.
Inactivo,
E/S
Inactivo,
E/S
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Proceso P
Proceso P
0
1
Inicio
Inicio
Fin
FinEn espera
Inactivo
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo
E/S
Inactivo,
E/S
Inactivo
E/S
Inactivo,
E/S
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Rafaga
CPU.
Proceso P
Proceso P
0
1
Inicio
Inicio
Fin
Fin

• Colas de planificación:
– El S.O. usa una serie de colas para planificar los recursos
(Memoria, E/S, CPU etc.).
• Cola de trabajos:
– Procesos en almacenamiento secundario esperando memoria
principal.
• Cola de procesos listos:
– Procesos en memoria principal, listo y esperando su
ejecución (una lista ligada).
• Cola de dispositivos:
– Para cada dispositivo (disco, impresora, etc.) hay una cola de
procesos esperando utilizarlo.
• Se usan los PCB como elementos de las colas:
• ¿Puede haber un mismo PCB en más de una cola?
Inicio
Inicio
Inicio
Fin
Fin
Fin
Unidad 0
de disco
Cola de
procesos listos
Unidad 0
de terminal
PCB
PCB
PCB
PCB
PCB PCB
Registros
Registros
Registros
Registros
Registros Registros
7
3
5
2
4 6
......
...
...
...
...

• Un proceso cambia de cola a lo largo de su ejecución.
• Planificador:
– Elemento del sistema operativo que selecciona procesos en esas
colas.
• En lo que a ejecución de procesos respecta:
– Planificador a largo plazo (planificador de trabajos).
– Planificador a corto plazo (planificador de la CPU).
• Planificador de trabajos:
– Necesidad:
• Si hay muchos procesos ... algunos en almacenamiento
secundario.
– Cometido:
• Se encarga del intercambio entre memoria y
almacenamiento secundario. Controla el número de
procesos en memoria (grado de multiprogramación).
– Frecuencia:
• Se ejecuta con menor frecuencia que el planificador CPU
(cuando termina un proceso, etc.) ... puede ser más lento
– Eficiencia:
• Buena mezcla en memoria entre procesos limitados por la
CPU y por E/S

• Ejecución de un proceso: Ciclo de ráfagas CPU y E/S:
– En la ejecución de un proceso se alternan la ejecución en CPU
y la espera de E/S.
• Ráfaga CPU: Tiempo de ejecución en CPU entre dos E/S.
• Ráfaga E/S: Tiempo entre solicitud y terminación de E/S.
• Ejemplo gráfico de ejecución de proceso:
• Histograma típico de duración de ráfagas de CPU:
• Un proceso limitado por la E/S:
• Predomina la duración de ráfagas de E/S, (normalmente,
muchas ráfagas de CPU breves).
• Un proceso limitado por la CPU:
• Predomina la duración de ráfagas de CPU, (normalmente,
pocas ráfagas de CPU de larga duración).

• Planificador de la CPU: (planificador a corto plazo)
– Cometido: Selecciona un proceso listo y le asigna CPU, reparte el
tiempo de CPU entre procesos.
– Frecuencia: Mayor que la del planificador de trabajos ... debe ser más
rápido.
• Pueden efectuarse decisiones de planificación de la CPU:
1.- Proceso cambia de estado de ejecución a bloqueado (E/S).
2.- Cuando termina un proceso.
3.- Proceso cambia de estado de ejecución a listo (interrupción).
4.- Un proceso cambia de estado bloqueado a listo (acaba E/S).
• En 1 y 2 se debe seleccionar un nuevo proceso para
ejecución.
• En 3 y 4 puede o no hacerse:
– Sí: Esquema de planificación expulsiva o apropiativa.
– No: Esquema de planificación hasta terminación (no apropiativo).
• Cambio de contexto (cambio de proceso):
– Cambio del proceso en ejecución.
– Requiere:
• Guardar el estado del proceso que se estaba ejecutando
(PCB).
• Cargar el estado (PCB) guardado para el nuevo proceso que
se ejecutará.
– Su duración es un “gasto de tiempo” (típica de 1-100 microsg)
y depende de:
• La velocidad de la memoria.
• El número de registros.
• Existencia de instrucciones especiales (una sola instrucción
para cargar o almacenar todos los registros), Etc.

Algoritmos de planificación.
• Algoritmo de planificación:
– Decide el proceso de la cola de procesos listos al que se le
asigna CPU.
• Criterios para comparar algoritmos de planificación:
– Equidad: procesos usan la CPU de forma equitativa.
– Eficiencia (utilización de la CPU): 100% uso.
– Tiempo de retorno (o de trabajo global): tiempo que tarda en
ejecutarse un proceso concreto.
– Tiempo de respuesta: minimizar el tiempo de respuesta para
usuarios interactivos.
– Tiempo de espera: tiempo que un proceso espera en la cola de
procesos listos.
– Rendimiento (productividad): número de trabajos procesados
por unidad de tiempo.
Algoritmos de planificación.
• Objetivos:
– Maximizar eficiencia y rendimiento.
– Minimizar tiempo de retorno, espera y respuesta.
• Se pueden intentar optimizar los valores promedio,
máximos o mínimos.
• Para que todos los usuarios buen servicio podemos
minimizar el tiempo de respuesta.
• En los algoritmos que veremos calcularemos el tiempo
promedio de espera.

Orden de llegada (FCFS).
• FCFS (first-come, first-served):
– El primer proceso que entró en la cola de procesos listos es el
primero al que se le asigna CPU.
– Se implementa con una cola FIFO.
• El tiempo promedio de espera suele ser bastante largo:
– Ejemplo (efecto convoy):
• Un proceso A, limitado por CPU, se ejecuta y retiene la CPU.
• Los demás acabarán su E/S y pasan a la cola de listos.
• Cuando acaban, entra A y retiene de nuevo la CPU.
• Todos vuelven a esperar otra vez (ráfagas cortas CPU).
• Es un algoritmo del tipo ejecución hasta terminación.
Orden de llegada (FCFS).
• Ejemplo de cálculo de tiempos promedio(en msg):
• Tp se reduce (variable con orden llegada).
TP
( )0 24 27
3
17
TP
( )0 3 6
3
3
Gráfica de Gantt

Primero el trabajo más corto (SJF).
• SJF (shortest-job-first):
– Se asocia a cada proceso la longitud de su siguiente ráfaga de
CPU.
– Si CPU disponible se le asigna al proceso de menor longitud de
ráfaga. Si hay dos con igual longitud de ráfaga se usa FCFS.
• Ejemplo:
7
4
)16930(
P
T
• Es óptimo con el criterio del tiempo promedio de
espera. Se usa frecuentemente.
• Problema:
– ¿Como conocer la longitud de la siguiente ráfaga de CPU?
• Se intenta predecir longitud de siguiente ráfaga de CPU:
– Un método sencillo: el valor de la última ráfaga de CPU.
– Como Promedio exponencial de ráfagas anteriores:
T t T
T Valor previsto para n rafaga CPU
t Valor n rafaga CPU
n n n
n esima
n esima
1 1
0 1
( )

• La planificación SJF puede ser hasta terminación o
expulsiva:
– … Llega un proceso A a la cola p.l. con menor ráfaga CPU que
tiempo de ejecución de ráfaga le queda a B, proceso en
ejecución.
• Si se ejecuta A: planificación expulsiva.
• Si continua ejecución B: planificación hasta terminación.
• Ejemplo de planificación SJF expulsiva:
5,6
4
)35()217(0))110(0( 4321 PPPP
P
T

Prioridades generales.
• Se asigna una prioridad a cada proceso:
– El de menor prioridad se ejecuta en CPU (si hay dos de igual
prioridad FCFS).
• SJF es un caso particular: p=1/T.
• Se asigna números a la prioridad.
• Ejemplo:
Proceso
Duración
Ráfaga CPU
P
P
P
P
P
P
P
P P P
1
2
2
5
3
4
5
1 3 4
10
1
2
0 18 19
1
5
1 6 16
Prioridad
3
1
3
4
2
• Las prioridades pueden definirse:
– Factores externos al sistema: Importancia del proceso, del
usuario, etc.
– Factores internos al sistema: Requisitos de memoria, límites
de tiempo, número de archivos abiertos, etc.
• La planificación puede ser hasta terminación o
expulsiva.
• Problema: Bloqueo indefinido o inanición.
– Un proceso con muy baja prioridad puede llegar a no ejecutarse
nunca.
– Solución: Envejecimiento.
• Se aumenta la prioridad al aumentar el tiempo de espera en
la cola de procesos listos.

• Ejemplo prioridades planif. expulsiva y envejecimiento:
Turno rotativo (Round Robin).
• Turno rotativo (RR, Round Robin):
– La cola de procesos es circular (a nivel práctico se implementa
con una FIFO).
– El planificador la recorre y asigna un tiempo máximo de CPU
(Q cuanto de tiempo) a cada proceso .
• Un proceso puede abandonar la CPU:
– Libremente, si ráfaga de CPU < Q.
– Después de una interrupción, si ráfaga de CPU > Q.
• Características:
– Esquema de planificación expulsiva.
– Si hay n procesos en cola, tiempo espera máximo entre dos
ejecuciones (n-1)·Q.
– Tiempo promedio de espera bastante grande.
– Diseñado para sistemas de tiempo compartido (equidad).

Turno rotativo (Round Robin).
• Ejemplo:
• Rendimiento: Depende del tamaño del cuanto.
– Si Q>> se convierte en FCFS.
– Si Q<< se reparte el tiempo equitativamente (efecto cambio
contexto: ineficiencia).
– 80% ráfaga menores que Q.
TP
( ( ))
,
0 4 7 10 4
3
5 66
Colas multinivel con y sin realimentación.
• Los procesos pueden clasificarse en grupos:
– Primer plano (interactivos).
– Segundo plano (por lotes).
• Podemos usar colas distintas:
– Una para cada grupo, con prioridades distintas y algoritmos de
planificación distintos.
– Ejemplo: RR para primer plano, FCFS para segundo plano.
• Cada nuevo proceso se incluirá en una cola y
permanecerá en ella.
• Debe existir una planificación entre las colas.
– Ejemplo:
• Prioridad absoluta de la cola de primer plano sobre la de
segundo.
• Reparto de la CPU: 80 % primer plano, 20% segundo
plano.

• Ejemplo:
• Planificación de colas múltiples con realimentación:
– Además de incluir varias colas podemos permitir que los
procesos cambien de cola.
– Se puede, por ejemplo:
• Ir cambiando a los procesos interactivos o de ráfagas de
CPU cortas a colas de mayor prioridad.
• Cambiar los procesos de ráfagas CPU largas a las colas de
menor prioridad.
• Si un proceso espera demasiado en una cola se puede
mover a otra de mayor prioridad (envejecimiento, bloqueo
indefinido).

• Ejemplo:
• El planificador:
– Ejecuta primero los procesos cola 0, si vacía cola 1, si vacía cola 2.
– Proceso nuevo se coloca en cola 0.
– Si la duración de ráfaga de un proceso de la cola 0 es mayor que
Q=8, se pasa a cola 1.
– Si la duración de ráfaga de un proceso de cola 1 es mayor que
Q=24, se pasa a cola 2.
• Para definir un planificador de colas múltiples con
realimentación necesitamos:
– El número de colas.
– El algoritmo de planificación para cada cola.
– El método para saber cuando cambiar un proceso a otra cola de
mayor o menor prioridad.
– El método para determinar a que cola entra un proceso nuevo.

Planificación de varias CPUs.
• El problema de planificación es más complejo.
• Según el tipo de procesadores:
– Distintos (sistema heterogéneo):
• Cada procesador tiene su propia cola y algoritmo de
planificación.
– Idénticos (sistema homogéneo): Pueden compartir cargas.
• Una cola distinta para cada procesador:
– Unas más llenas que otras?.
• Una cola común:
– Cada procesador se planifica a sí mismo
(multiprocesamiento simétrico):
• Mira la cola común y selecciona un proceso.
• Problemas: Todos accediendo a la misma cola.
– Un procesador planifica a los demás (multiprocesamiento
asimétrico).
Evaluación de Algoritmos.
• ¿Cómo seleccionar un algoritmo en un sistema?
– Decidir un criterio o criterios a utilizar.
• Varios métodos de evaluación:
– Evaluación analítica:
• Obtención de una fórmula o un número que evalúe el
rendimiento.
• A partir de:
– El criterio.
– El algoritmo.
– La carga de trabajo del sistema.
• Modelado determinista:
– Se tome un carga de trabajo determinada.
• Modelado de colas:
– Se usa una distribución de ráfagas de CPU y E/S.
– Se usa otra de tiempos de llegada de procesos.
– Simulaciones.

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