Понятия вычислительного процесса и ресурса

Понятие последовательного¹ вычислительного процесса, или просто процесса, является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Как поня­тие процесс является определенным видом абстракции, и мы будем придерживаться следующего неформального определения, приведенного в [47]. Последовательный процесс, иногда называемый задачей² (task), — это отдельная программа с ее дан­ными, выполняющаяся на последовательном процессоре. Напомним, что под последовательным мы понимаем такой процессор, в котором текущая команда выполняется после завершения предыдущей. В современных процессорах мы стал­киваемся с ситуациями, когда возможно параллельное выполнение нескольких команд. Это делается для повышения скорости вычислений. В этих процессорах параллелизм достигается двумя основными способами — организацией конвейер­ного механизма выполнения команды и созданием нескольких конвейеров. Одна­ко в подобных процессорах аппаратными решениями обязательно достигается ло­гическая последовательность в выполнении команд, предусмотренная программой. Необходимость этого объясняется в главе 7, посвященной организации параллель­ных вычислительных процессов.

Концепция процесса предполагает два аспекта: во-первых, он является носителем данных и, во-вторых, он собственно и выполняет операции, связанные с обработ­кой этих данных.

В качестве примеров процессов (задач) можно назвать прикладные программы пользователей, утилиты и другие системные обрабатывающие программы. Про­цессом может быть редактирование какого-либо текста, трансляция исходной про­граммы, ее компоновка, исполнение. Причем трансляция какой-нибудь исходной программы является одним процессом, а трансляция следующей исходной про­граммы — другим процессом, поскольку транслятор как объединение программ­ных модулей здесь выступает как одна и та же программа, но данные, которые он обрабатывает, являются разными.

¹ Слово «последовательный» в большинстве случаев опускается. Считается, что речь идет о вычисле­
ниях, осуществляемых на обычных «последовательных» процессорах, которые выполняют команду
за командой, а не параллельно несколько команд за один такт.

² В концепции, которая получила наибольшее распространение в 70-е годы, задача — это совокуп­
ность связанных между собой и образующих единое целое программных модулей и данных, требую­
щая ресурсов вычислительной системы для своей реализации. В последующие годы задачей стали
называть единицу работы, для выполнения которой предоставляется центральный процессор. Вы­
числительный процесс может включать в себя несколько задач.

26_____________________________________________ Глава 1. Основные понятия

Концепция процесса преследует цель выработать механизмы распределения и уп­равления ресурсами. Понятие ресурса, так же как и понятие процесса, является, пожалуй, основным при рассмотрении операционных систем. Терминресурс обыч­но применяется по отношению к многократно используемым, относительно ста­бильным и часто недостающим объектам, которые запрашиваются, задействуются и освобождаются в период их активности. Другими словами, ресурсом называется всякий объект, который может распределяться внутри системы.

Ресурсы могут быть разделяемыми, когда несколько процессов используют их одно­временно (в один и тот же момент времени) или параллельно (попеременно в тече­ние некоторого интервала времени), а могут быть и неделимыми (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Классификация ресурсов

При разработке первых систем ресурсами считались процессорное время, память, каналы ввода-вывода и периферийные устройства [22, 53]. Однако очень скоро понятие ресурса стало гораздо более универсальным и общим. Различного рода программные и информационные ресурсы также могут быть определены для сис­темы как объекты, которые могут разделяться и распределяться и доступ к кото­рым необходимо соответствующим образом контролировать. В настоящее время понятие ресурса превратилось в абстрактную структуру с целым рядом атрибутов, характеризующих способы доступа к этой структуре и ее физическое представле­ние в системе. Более того, помимо системных ресурсов, о которых мы сейчас гово­рили, ресурсами стали называть и такие объекты, как сообщения и синхросигна­лы, которыми обмениваются задачи.

В первых вычислительных системах любая программа могла выполняться только после полного завершения предыдущей. Поскольку эти первые вычислительные системы были построены в соответствии с принципами, изложенными в извест­ной работе Яноша Джона фон Неймана, все подсистемы и устройства компьютера управлялись исключительно центральным процессором. Центральный процессор осуществлял и выполнение вычислений, и управление операциями ввода-вывода данных. Соответственно, пока осуществлялся обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами, процессор не мог выполнять вычисления.

Понятия вычислительного процесса и ресурса_______________________________ 27

Введение в состав вычислительной машины специальных контроллеров позволи­ло совместить во времени (распараллелить) операции вывода полученных данных и последующие вычисления на центральном процессоре. Однако все равно процес­сор продолжал часто и долго простаивать, дожидаясь завершения очередной опера­ции ввода-вывода. Поэтому было предложено организовать так называемый муль­типрограммный, или мультизадачный, режим работы вычислительной системы.