Emergence - Multiprogrammation

Multiprogrammation

constat :

accès aux périphériques (lents)

rentabiliser CPU d’abord, Canal ensuite

-> multiprogrammation - time slicing

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 1

Emergence - cas Lecture 1

Etude du cas LECTURE 1+ en RAM :

- programme et pile

- appel système (lecture)

+ le périphérique :

- commandé par le CPU

- pas d’accès à la RAM ni au CPU

- doit être scruté (polling) par le CPU (code)

+ le bus : permet de communiquer avec le périphérique(comandes,données,(état))

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 2

Emergence - cas Lecture 1

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 3

Emergence - cas Lecture 1Code utilisateur :

- registres <- numéro d’appel système, N, fichier,emplacement en RAM

- INT : réaliser l’appel système lecture

- un peu plus tard . . .

- exploiter les données lues en RAM

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 4

Emergence - cas Lecture 1Code Système - lecture appelé par INT :

- n°secteur <- f(position courante)

- commander le périphérique (lire, n°secteur)

- scruter périodiquement le status périphérique : polling(attente active du CPU)

- rappatrier les N données en RAM à l’adresse fournie

le code utilisateur reprend . . .

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 5

Emergence - cas Lecture 1Activité CPU-périphérique

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 6

Emergence - cas Lecture 1Constat :

-> utilisation inefficace du CPU

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 7

Emergence-Processeur Canal

Processeur Canal

idée :on va déléguer à un processeur externe (Canal) le pollinget le transfert en RAM

le processeur canal (DMA dans le monde PC)

- accède à la RAM !

- l’interruption du canal signale la fin de la lecture

-> le CPU est libéré au profit d’un autre processus

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 8

Emergence-Processeur Canal

en accédant à la RAM, le canal interfèreavec le fonctionnement du CPU

-> une synchronisation CPU/Canal est nécessaire ( réglerles accès à la RAM)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 9

Emergence - cas Lecture 2

Etude du cas LECTURE 2

les acteurs :

- code utilisateur qui demande la lecture par INT

- appel système qui commande périphérique et canal

- code de gestion de l’interruption Canal (fin de lecture)

- CPU

- processeur canal

- périphérique et son contrôleur

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 10

Emergence - cas Lecture 2

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 11

Emergence - cas Lecture 2le CPU ne gère plus polling et transfert de données

-> il attend . . .

... on va charger un deuxième programme en RAM pourl’occuper

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 12

Emergence - Multiprogrammation

Multiprogrammation

principe de la Multiprogrammation :

- plusieurs programmes sont chargés en mémoire en vued’une exécution entrelacée

lorsque un programme demande une lecture il est bloquéau profit d’un autre qui récupère le CPU

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 13

Emergence - Multiprogrammation

Processus

processus = "programme en mémoire"

terminologie introduite par Multics :

un processus s’exécute en mode privilégié lorsqu’onexécute du code système pour son compte

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 14

Emergence - Multiprogrammationplusieurs processus en mémoire et pour chacun :

- une valeur de IP

- une valeur de SP pour sa pile

- un état de registres du CPU (AX, BX, ...)

- un mode de fonctionnement du CPU (privilégié ou non)

- un état (élu, prêt, bloqué)

on parle du contexte d’un processus, on va le mémoriserdans la table des processus

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 15

Emergence - Multiprogrammationl’état d’un processus

- dans l’attente d’une fin de lecture : bloqué

- pourrait s’exécuter si il avait le processeur : prêt

- s’exécute (un seul) : l’élu

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 16

Emergence - cas Lecture 2

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 17

Emergence - Multiprogrammationplusieurs processus en RAM => nouveaux problèmes ;-|

1. protection d’accès à la mémoire (segmentation surintel) (cours 2ème année)

2. attribution du CPU-> ordonnanceur

3. partage de ressources-> problématique des interblocages

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 18

Emergence-ordonnanceur

ordonnanceur

Choisit un des processus et lui attribue le CPU

L’état des processus et la prochaine valeur de IP sont dansla table des processus

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 19

Emergence-cas Lecture 2demande de lecture en multiprogrammation :

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 20

Emergence-cas Lecture 2Scénario "Demande de lecture"

1. P1 demande une lecture par INT

- INT (pile<-IP et mode, mode<-privilégié, IP<-adresse de l’appel système)

2. Appel Système

- état P1 <– bloqué

- sauvegarde le contexte de P1 dans la table (IP et mode(depuis lapile),registres. . .)

- commande périphérique et canal

- IP < adresse de l’ordonnanceur

3. Ordonnanceur

- état P2 dans la table <– élu (seul prêt)

- charge les registres et le mode de P2 (depuis la table)

- IP <- IP de P2 depuis la table

4. P2 a la main, il continue à s’exécuter

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 21

Emergence-cas Lecture 2Qu’en est-il de la fin de lecture ?

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 22

Emergence-cas Lecture 2Scénario "fin de lecture"

1. le CANAL interromp le CPU (P2)

- pile<-IP et mode, mode<-privilégié, IP<-adresse gestion d’interruption

2. la routine de gestion de la fin de lecture

- état P2 <– prêt

- sauvegarde le contexte de P2 dans la table (IP et mode (depuis la pile),...)

- état P1 dans la table <– prêt car fin de lecture

- IP <- adresse de l’ordonnanceur

3. Ordonnanceur

- état P1 ou P2 dans la table <– élu

- charge les registres et le mode de l’élu

- IP <- IP de l’élu depuis la table

4. l’élu a la main

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 23

Emergence-Multiprogrammation

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 24

Emergence-MultiprogrammationUn processus rend la main lorsque il fait une lecture.

constat :

. les processus d’E/S rendent vite la main (gentils)

. les processus de calcul ne rendent jamais la main(consommateurs de CPU)

point fort - CPU bien rentabilisé

point faible - processeur canal non rentabilisé

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 25

Emergence - Time Slicing

Time Slicingtime slice = tranche de temps

-> permet un contrôle plus fin de l’enchaînement

-> permet de rentabiliser le Processeur Canal

principe :

- un processus garde le CPU pendant une tranche detemps de durée maximum t

- après on le lui retire au profit d’un autre

comment obliger un processus à rendre la main ?

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 26

Emergence - Time Slicingon utilise l’interruption horloge (mécanisme depréemption)

–> l’ordonnanceur est appelé par l’interruption horloge

–> permettra une exploitation intéractive (time sharing ) carminimise les temps de réponse

inconvénients : gérer les changements de contexte prenddu temps CPU

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 27

Emergence - Time Slicing

transitions d’état d’un processus

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 28

Emergence - Time Slicing

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 29

Emergence - Time Slicing

préemption

ordonnancement coopératif : un processus rend la mainspontanément (premiers windows)

ordonnancement non préemptif : un processus se bloque(E/S, ...) ou rend la main spontanément

ordonnancement préemptif : un processus se bloque (E/S,...) ou rend la main spontanément, ou son temps est écoulé(Windows NT, 2K, XP, linux depuis noyau 2.6,...)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 30

Emergence - Time SlicingUn ordonnanceur peut être non préemptif même enprésence d’interruptions horloge

Un ordonnanceur préemptif ne peut exister sansinterruptions horloge

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 31

Emergence - Time Slicingquand a lieu l’ordonnancement ?

1. demande d’E/S

2. fin d’E/S

3. interruption horloge (préemption)

4. nouveau processus

5. fin d’un processus

6. . . .

–> à la fin de chaque interruption / appel système (ensimplifiant)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 32

Emergence - Questions

1. si P est l’élu, alors IP pointe vers une des instructionsde P [V-F]

2. la multiprogrammation rentabilise le CPU [V-F]

3. combien de processus en mémoire ?

4. combien de prêts en même temps ?

5. combien de bloqués en même temps ?

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 33

Emergence-Questions

1. un processus peut passer de l’état prêt à bloqué[V-F]

2. un processus peut passer de l’état bloqué à élu[V-F]

3. quels avantage(s)/inconvénient(s) a le Time Slicing parrapport à la Multiprogrammation ?

4. donnez des cas où l’état d’un processus bascule

- de élu -> prêt

- de élu -> bloqué

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 34

Emergence - interblocages

gestion de ressources

plusieurs processus –> partage de la Mémoire, du CPU etaussi de ressources

exemples de ressources :mémoires de masse, imprimante, graveur, informations(enregistrement d’une BD), entrées de la table desprocessus...

Nous classons les ressources en

- partageables / non partageables

- préemptibles / non préemptibles

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 35

Emergence - interblocagesCes propriétés sont liées à la nature des ressources, maisaussi à la manière dont ces ressources sont gérées.

Exemple : une imprimante est par sa nature nonpartageable , mais elle devient partageable par l’utilisationd’un spooler d’impression.

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 36

Emergence - interblocages

- une ressource est dite non partageable si elle doit êtreallouée de manière exclusive à un processus

- une ressource est dite non préemptible si elle ne peutêtre retirée à un processus sans dégâts

- cas d’un graveur de CD ou d’une table traçante

- imaginons l’exécution alternée de deux processusaccédant à un graveur de CD.

- l’exécution de tels processus risque de poser quelquesdifficultés.

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 37

Emergence - interblocagesUne demande de ressource non partageable et nonpréemptible attribuée à un autre, bloque un processusjusque à "disponibilité de la ressource"

graveur, scanneur, . . .

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 38

Emergence - interblocages

interblocages

dans certaines situations plusieurs processus se bloquentmutuellement indéfiniment

ce que l’on nomme étreinte mortelle ou interblocage oudeadlock

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 39

Emergence - interblocagesSoit l’exemple d’une utilisation simultanée de deuxressources non partageables et non préemptiblescomme le scanneur et le graveur de CD, par deuxprocessus :

processus A :obtenir scanneurobtenir graveurscanner et graverrendre graveurrendre scanneur

processus B :obtenir graveurobtenir scanneurscanner et graverrendre scanneurrendre graveur

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 40

Emergence - interblocagesune séquence possible d’exécution :

1. le processus A obtient le scanneur

2. le processus B obtient le graveur

3. le processus A demande le graveur et ne peut l’obteniril est donc bloqué. Il possède déja le scanneur

4. le processus B demande le scanneur et est doncbloqué. Il possède déja le graveur.

Nous avons ainsi créé une situation d’interblocage. Lesprocessus intéressés sont bloqués de manièreirréversible (interblocage).

Nous pouvons illustrer cela par un graphe cyclique .

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 41

Emergence - interblocagesUne telle situation ne peut se présenter que dans le cassuivant :

- ressources non partageables

- ressources non préemptibles

- plusieurs de ces mêmes ressources sont nécessairessimultanément à plus d’un processus

il s’agit de conditions nécessaires non suffisantes

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 42

Emergence - interblocagesen effet :

- une ressource partageable ou préemptible peuttoujours être obtenue

- dans le cas d’utilisation d’une ressource unique leblocage est temporaire : le processus qui a la ressourcese termine et cède la ressource à l’autre.

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 43

Emergence - interblocages

interblocages - solutions ?

- ignorer (politique de l’autruche)

- ou bien

. détecter et reprendre (graphes)

. éviter

. prévenir

ces techniques ne sont pas sans coût

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 44

Emergence - interblocages

ignorer

certains OS comme linux et windows ignorent les situationsd’interblocage

est-ce suffisamment fréquent pour justifier la mise enoeuvre d’une gestion complexe ?

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 45

Emergence - interblocages

détecter-reprendre

- détecter

- on représente l’état de l’allocation/demande par ungraphe

- on détecte les cycles dans le graphe

- reprendre

- suppression de processus

- préemption sur la ressource

- technique de Rollback (point de reprise)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 46

Emergence - interblocages

éviter

Attributions réfléchies –> nécesite des informations sur lesattributions futures

Basé sur la notion d’état sûr

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 47

Emergence - interblocages

prévenir

- rendre partageable - cas du spooler et de sonrépertoire

- allocation en bloc - non optimal

- ordonner - ne fonctionne pas toujours (grand nombrede ressources)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 48

Emergence - interblocages

spooler

Le problème de l’accès à l’imprimante est résolu par unetechnique de prévention : le spool

aucun processus n’accède directement à l’imprimante àl’exception du spooler d’impression

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 49

Emergence - interblocagesspooler : processus dédié aux impressions

Les processus qui demandent des impressions écriventdans des fichiers temporaires déposés dans unrépertoire dédié au spooler

Ce dernier commande l’impression d’un fichier à la fois etévite ainsi le mélange des sorties.

Le spooler n’imprimera un fichier que si il est complet(fermé)

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 50

Emergence-Questions

1. un interblocage ralentit le processeur[V-F]

2. un interblocage ne peut être détecté par l’OS[V-F]

3. une ressource préemptible et non partageable peutoccasionner un interblocage[V-F]

– Systèmes d’exploitation 1ère année – – p. 51