1.   مديريت پردازنده

مديريت پردازنده

مديريت پردازنده دو وظيفه مهم اوليه زير را دارد :

ايجاد اطمينان که هر پردازه و يا برنامه به ميزان مورد نياز پردازنده را برای تحقق عمليات خود ، اختيار خواهد کرد.

استفاده از بيشترين سيکل های پردازنده برای انجام عمليات

ساده ترين واحد نرم افزاری که سيستم عامل بمنظور زمانبندی پردازنده با آن درگير خواهد شد ، يک پردازه و يا يک Thread خواهد بود. موقتا" می توان يک پردازه را مشابه يک برنامه در نظر گرفت ، در چنين حالتی مفهوم فوق ( پردازه ) ، بيانگر يک تصوير واقعی از نحوه پردازش های مرتبط با سيستم عامل و سخت افزار نخواهد بود. برنامه های کامپيوتری ( نظير واژه پردازها ، بازيهای کامپيوتری و ...) در حقيقت خود يک پردازه می باشند ، ولی برنامه های فوق ممکن است از خدمات چندين پردازه ديگر استفاده نمايند. مثلا" ممکن است يک برنامه از پردازه ای بمنظور برقراری ارتباط با ساير دستگاههای موجود در کامپيوتر استفاده نمايد. پردازه های فراوان ديگری نيز وجود دارد که با توجه به ماهيت عمليات مربوطه ، بدون نياز به محرک خارجی ( نظير يک برنامه ) فعاليت های خود را انجام می دهند. يک پردازه ، نرم افزاری است که عمليات خاص و کنترل شده ای را انجام می دهد. کنترل يک پردازه ممکن است توسط کاربر ، ساير برنامه های کاربردی و يا سيستم عامل صورت پذيرد.

سيستم عامل با کنترل و زمانبندی مناسب پردازه ها زمينه استفاده از پردازنده را برای آنان ، فراهم می نمايد. در سيستم های " تک - کاره " ، سيستم زمانبندی بسيار روشن و مشخص است . در چنين مواردی، سيستم عامل امکان اجرای برنامه را فراهم و صرفا" در زمانيکه کاربر اطلاعاتی را وارد و يا سيستم با وقفه ای برخورد نمايد ، روند اجراء متوقف خواهد شد. وقفه ، سيگنال های خاص ارسالی توسط نرم افزار و يا سخت افزار برای پردازنده می باشند. در چنين مواردی منابع صادر کننده وقفه درخواست برقراری يک ارتباط زنده با پردازنده برای اخذ سرويس و يا ساير مسائل بوجود آمده ، را می نمايند. در برخی حالات سيستم عامل پردازه ها را با يک اولويت خاص زمانبندی می نمايد . در چنين حالتی هر يک از پردازه ها با توجه به اولويت نسبت داده شده به آنان ، قادر به استفاده از زمان پردازنده خواهند بود. در اينچنين موارد ، در صورت بروز وقفه ، پردازنده آنها را ناديده گرفته و تا زمان عدم تکميل عمليات مورد نظر توسط پردازنده ، فرصت پرداختن به وقفه ها وجود نخواهد داشت . بديهی است با توجه به نحوه برخورد پردازنده ( عدم توجه به وقفه ها ) ، در سريعترين زمان ممکن عمليات و فعاليت جاری پردازنده به اتمام خواهد رسيد. برخی از وقفه ها با توجه به اهميت خود ( نظير بروز اشکال در حافظه و يا ساير موارد مشابه ) ، قابل اغماص توسط پردازنده نبوده و می بايست صرفنظر از نوع و اهميت فعاليت جاری ، سريعا" به وقفه ارسالی پاسخ مناسب را ارائه گردد.

پردازنده ، با توجه به سياست های اعمال شده سيستم عامل و بر اساس يک الگوريتم خاص ، در اختيار پردازه های متفاوت قرار خواهد گرفت . در چنين مواردی پردازنده مشغول بوده و برای اجراء ، پردازه ای را در اختيار دارد. در زمانيکه پردازنده درگير يک پردازه است ، ممکن است وقفه هائی از منابع متفاوت نرم افزاری و يا سخت افزاری محقق گردد. در چنين وضعيتی با توجه به اهميت و جايگاه يک وقفه ، پردازنده برخی از آنها را ناديده گرفته و همچنان به فعاليت جاری خود ادامه داده و در برخی موارد با توجه به اهميت وقفه ، فعاليت جاری متوقف و سرويس دهی به وقفه آغاز خواهد شد.

در سيستم های عامل " تک - کاره " ، وجود وقفه ها و نحوه مديريت آنها در روند اجرای پردازه ها تاثير و پيچيدگی های خاص خود را از بعد مديريتی بدنبال خواهد داشت . در سيستم های عامل |"چند - کاره " عمليات بمراتب پيچيده تر خواهد بود. در چنين مواردی می بايست اين اعتقاد بوجود آيد که چندين فعاليت بطور همزمان در حال انجام است . عملا" پردازنده در هر لحظه قادر به انجام يک فعاليت است و بديهی است رسيدن به مرز اعتقادی فوق ( چندين فعاليت بطور همزمان ) مستلزم يک مديريت قوی و طی مراحل پيچيده ای خواهد بود. در چنين حالتی لازم است که پردازنده در مدت زمان يک ثانيه هزاران مرتبه از يک پردازه به پردازه ه ديگر سوئيچ تا امکان استفاده چندين پردازه از پردازنده را فراهم نمايد . در ادامه نحوه انجام عمليات فوق ، تشريح می گردد :

يک پردازه بخشی از حافظه RAM را اشغال خواهد کرد

پس از استفرار بيش از يک پردازه در حافظه ، پردازنده بر اساس يک زمانبندی خاص ، فرصت اجراء را به يکی از پردازه ها خواهد داد.

پردازنده ، بر اساس تعداد سيکل های خاصی پردازه را اجراء خواهد کرد .

پس ازاتمام تعداد سيکل های مربوطه ، پردازنده وضعيت پردازه ( مقاير ريجسترها و ...) را ذخيره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام می نمايد.

پردازنده در ادامه اطلاعات ذخيره شده در رابطه با پردازه ديگر را فعال ( ريجسترها و ...) و زمينه اجرای پردازه دوم فراهم می گردد.

پس ازاتمام تعداد سيکل های مربوطه ، پردازنده وضعيت پردازه ( مقاير ريجسترها و ...) را ذخيره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام و مجددا" پردازه اول جهت اجراء فعال خواهد گرديد.

تمام اطلاعات مورد نياز بمنظور مديريت يک پردازه در ساختمان داده ای خاص با نام PCB)Process Control Block) ، نگهداری می گردد. پردازنده در زمان سوئيچ بين پردازه ها ، از آخرين وضعيت هر پردازه با استفاده از اطلاعات ذخيره شده در PCB آگاهی پيدا کرده و در ادامه زمينه اجرای پردازه مورد نظر بر اساس تعداد سيکل های در نظر گرفته شده فراهم خواهد شد. برای هر پردازه يک PCB ايجاد و اطلاعات زير در آن ذخيره خواهد گرديد :

يک مشخصه عددی (ID) که نمايانگر پردازه خواهد بود .

اشاره گری که نشاندهنده آخرين محل اجرای پردازه است

محتويات ريجستر ها

وضعيت سوئيچ ها و متغيرهای مربوطه

اشاره گره هائی که حد بالا و پايين حافظه مورد نياز پردازه را مشخص خواهد کرد.

اولويت پردازه

وضعيت دستگاههای ورودی و خروجی مورد نياز پردازه

هر زمان که اطلاعات مربوط به پردازه ای تغيير يابد ، ( پردازه از حالت "آماده " تبديل به حالت "اجراء " و يا از حالت " اجراء " به حالت "انتظار" و يا "آماده " سوئيچ نمايد ) اطلاعات ذخيره شده در PCB استفاده و بهنگام خواهند شد.

عمليات جايگزينی پردازها، بدون نظارت و ارتباط مستقيم کاربر انجام و هر پردازه به ميزان کافی از زمان پردازنده برای اتمام عمليات خود استفاده خواهد کرد. در اين راستا ممکن است ، کاربری قصد اجرای تعداد بسيار زيادی از پردازه ها را بسورت همزمان داشته باشد. در چنين مواردی است ، پردازنده خود نيازمند استفاده از چندين سيکل زمانی برای ذخيره و بازيابی اطلاعات مربوط به هر يک از پردازه ها خواهد بود .در صورتيکه سيستم عامل با دقت طراحی نشده باشد و يا پردازه های زيادی فعاليت خود را آغاز کرده باشند ، مدت زمان زيادی از پردازنده صرف انجام عمليات سوئيچينگ بين پردازها شده و عملا" در روند اجرای پردازها اختلال ايجاد می گردد. وضعيت بوجود آمده فوق را Thrashing می گويند. در چنين مواردی کاربر می بايست نسبت به غيرفعال نمودن برخی از پردازه ها اقدام تا سيستم مجددا" در وضعيت طبيعی قرار گيرد.

يکی از روش هائی که طراحان سيستم عامل از آن استفاده تا امکان ( شانس) تحقق Thrashing را کاهش دهند ، کاهش نياز به پردازه های جديد برای انجام فعاليت های متفاوت است . برخی از سيستم های عامل ازيک " پردازه -lite " با نام Thread استفاده می نمايند. Thread از لحاظ کارآئی همانند يک پردازه معمولی رفتار نموده ولی نيازمند عمليات متفاوت ورودی و خروجی و يا ايجاد ساختمان داده PCB مشابه يک پردازه عادی نخواهد بود. يک پردازه ممکن است باعث اجرای چندين Threads و يا ساير پردازه های ديگر گردد. يک Thread نمی تواند باعث اجرای يک پردازه گردد.

تمام موارد اشاره شده در رابطه با زمانبندی با فرض وجود يک پردازنده مطرح گرديده است . در سيستم هائی که دارای دو و يا بيش از دو پردازنده می باشند ، سيستم عامل حجم عمليات مربوط به هر گردازنده را تنظيم و مناسب ترين روش اجراء برای يک پردازه در نظر گرفته شود . سيستم های عامل نامتقارن ، از يک پردازنده برای انجام عمليات مربوط به سيستم عامل استفاده و پردازه های مربوط به برنامه های کاربردی را بين ساير پردازه ها تقسيم می نمايند. سيستم های عامل متقارن ، عمليات مربوط به خود و عمليات مربوط به ساير پردازه ها را بين پردازه های موجود تقسيم می نمايند. در اين راستا سعی می گردد که توزيع عمليات برای هر يک از پردازه ها بصورت متعادل انجام گردد.