Disciplina: Sistemas Operacionais

Parte – 3:Escalonamento de CPU, Conceitos básicos cr itérios de escalonamento, escalonamento em múltiplos

processadores e Alocação de Memória.

Prof. Wagner Santos C. de Jesuswsantoscj@gmail.com

Curso: Análise e Desenvolvimento de Sistemas

Escalonamento de CPU

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Conceito Escalonamento de CPU

O escalonamento de CPU é a base dos sistemasoperacionais multiprogramados. Alternando CPUentre os processos, o sistema operacional podetornar o computador mais produtivo (Gagne, 2016).

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Memória Principal

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Unidade Logica e

Aritmética

Unidade Central de Processamento - CPU

Controle

Memória

EntradaSaída

Mundo Externo

Para Mundo Externo

Ciclo de burst CPU-E/S

O sucesso do escalonamento da CPU depende dapropriedade observada nos processos: A execução de umprocesso começa com um burst (surto ) de CPU, que éseguido por um burst de E/S .

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burst de CPU

burst de E/S

burst de CPU

:

Burst CPU

Burst final termina comuma requisição dosistema para terminar aexecução.

Alternando a sequencia de bursts CPU-E/S

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load storeadd storeRead do arquivo

espera pela E/S burst de E/S

burst de CPU

store IncrementIndexwrite para arquivo

burst de CPU

espera pela E/S burst de E/S

load storeadd storeRead do arquivo

burst de CPU

espera pela E/S burst de E/S

Histograma dos temposde burst da CPU

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Fre

quên

cia

Duração do burst (milissegundos)

Escalonamento Preemptivo

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Conceito de Preemptivo

Preempção é o ato de interromper temporariamente umatarefa sendo resolvida por um sistema computacional,sem precisar de sua cooperação, e com a intenção deretomar a tarefa depois.

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As decisões de escalonamento de CPU podem ocorrer sob quatro circunstâncias:

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1 – Atividade ProcessoEspera

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Executando(Running)

Esperando(Waiting)

E/SQuando um processo passa do estadoexecutando para o estado esperando.Exemplo Resultado de uma requisiçãode entrada de saída. Ou pelo término deum dos processos filho.

2 – Atividade ProcessoPronto

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Pronto(Ready)

Executando(Running)

Interrupção

Quando um processo passa do estado executando para oestado pronto. Ex. Quando ocorre uma interrupção.

3 – Atividade ProcessoEsperando

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término E/S

Pronto(Ready)

Esperando(Waiting)

Quando um processo passa doestado esperando para o estadopronto. Ex. Termino de uma E/S.

4 – Atividade Processo Termino

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Executando(Running)

Terminado(Terminated)

Quando um processo termina.

Definição de Preempção

Quando o escalonamento ocorre somente sob ascircunstancias 1 e 4, denomina-se não preemptivo.

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Executando(Running)

Esperando(Waiting)

E/S

Terminado(Terminated)

Modulo despachante

Consiste em ser um módulo que dá o controle da CPU aoprocesso selecionado pelo escalonador de curto prazo.Essa função envolve o seguinte:

• Trocar de contexto.• Trocar para o modo usuário.• Desviar para o local apropriado no programa do usuário

para reiniciar esse programa.

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Critérios de Escalonamento

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Critérios de Escalonagem

A escolha das caraterísticas que serão usadas para acomparação pode fazer diferença substancial na escolha doalgoritmo considerado melhor. Os critérios incluem osseguintes:

• Utilização da CPU• Throughput (vazão) – taxa de transferência• Turnaround time (tempo de retorno)• Tempo de espera• Tempo de resposta

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Utilização da CPU

Utilização da CPU pode variar de 0% a 100%.

40% - Sistema pouco carregado.até 90% - Para um sistema muito carregado.

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Throughput (vazão)

Se a CPU estiver ocupada:

Para processos longos, essa taxa pode ser um processo porhora;Para transações curtas poderá ser 10 processos por segundo.

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Turnaround time

Vem a ser o intervalo desde a submissão até otérmino do processo.

• Esperando para entrar na memória,• Esperando na fila de pronto,• Executando na CPU e realizando E/S.

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Tempo de espera

O algoritmo de escalonamento de CPU não afeta aquantidade de tempo durante a qual o processo éexecutado ou realiza E/S.

Afetando apenas a quantidade de tempo em que umprocesso gasta esperando na fila de pronto.

O tempo de espera é a soma dos períodos gastosaguardando na fila de espera.

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Tempo de resposta

Essa medida vem a ser o tempo gasto para começar aresponder, e não o tempo gasto para saída da resposta. Otempo de resposta é limitado pela velocidade dodispositivo de saída.

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Algoritmos de Escalonamento

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Escalonamento

O escalonamento de CPU trata do problema de decidirqual dos processos na fila de prontos (ready queue) deveser entregue à CPU.

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P1 P2 P3

Representado por um Diagrama de GANTT

Escolanamento First Come, First Served

FCFS(Primeiro que chega será Servido)

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FCFS

É o algoritmo de escalonamento de CPU que sefuncionamento consiste em primeiro a chegar, primeiroa ser atendido. Utiliza o conceito de fila FIFO (First Inpute Fist Output).

Entretanto, o tempo de espera médio sob a políticaFCFS normalmente é muito longo.

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FCFSConsidere o seguinte conjunto de processos que chegamno instante 0, com quantidade de tempo de burst de CPUindicada em milissegundos:

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Processo Tempo de burst

P1 24

P2 3

P3 3

P1 P2 P3

0 24 27 30

O tempo médio espera do é de (0+24+27)/3 = 17 milissegundos.

Escolanamento Shortest-job-First - SJF(Menor Tarefa Primeiro)

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Escalonamento SJF

Esse algoritmo associa a cada processo o tamanho dopróximo burst de CPU do processo. Quando a CPU estiverdisponível ele será alocado ao processo que possui omenor próximo burst de CPU. Se próximo burt de CPU dedois processos forem iguais, o escalonamento FCFS seráusado no desempate.

30

SJF

31

Processo Tempo de burst

P1 6

P2 8

P3 7

P4 3

P4 P1 P3 P2

0 3 9 16 24

Tempo de espera médio (3+16+9+0)/4 = 7 Milissegundos

Shortest Remaining Time(Tempo restante

mais curto)32

Escalonamento SRTF

Na entrada de um novo processo, o algoritmo deescalonamento avalia seu tempo de execução incluindo ojob em execução, caso a estimativa de seu tempo deexecução seja menor que o do processo concorrentementeem execução, ocorre a substituição do processo emexecução pelo recém chegado, de duração mais curta, ouseja, ocorre a preempção do processo em execução.

33

SRTF

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Processo Tempo de chegada Tempo de burst

P1 0 8

P2 1 4

P3 2 9

P4 3 5

P1 P2 P4 P1 P3

0 1 5 10 18 27

Simulação de Fila de Processos - SJF

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Comunicação em Sistemas Cliente

Servidor

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Comunicação entre Processos

• IPC (Inter-Process Communication) – Usado para troca de dados entre processos locais.

• RPC (Remote Procedure Calls) – Usado para trocade dados entre processos remotos.

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RPC (Remote Procedure Calls)

Foi projetado como meio de separar o mecanismo dechamada de procedimento para uso entre sistemas comconexões de rede. Em vários aspectos, ela ésemelhante ao mecanismo de IPC (Inter-ProcessCommunication), é o grupo de mecanismos quepermite aos processos transferirem informação entre si.

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A tecnologia cliente /servidor é uma arquitetura na qual oprocessamento da informação é dividido em módulos ouprocessos distintos. Um processo é responsável pelamanutenção da informação (servidores) e outrosresponsáveis pela obtenção dos dados (os clientes).

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ProcessoServiço

ProcessoRequisição

Chamadas de procedimentosLocal

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Cliente Servidor

Porta de comunicação com cliente

Porta de conexão

Porta de comunicação com servidor

Objeto de seção compartilhado(<= 256 bytes)

Requisição de conexão Descritor

Descritor

Descritor

Atividade de ProcessoCliente Servidor

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Aplicação Servidor Aplicação ClienteInicia antes Inicia depois

Não precisa saber qual cliente irá se conectar Precisa saber a qual servidor se conectar

Espera passivamente um tempo indeterminadopelo contato do cliente

Inicia o contato quando a comunicação énecessária

Comunica-se com o cliente enviando e recebendodados

Comunica-se com o servidor enviando erecebendo dados

Continua executando após atender um cliente,esperando pelo próximo

Pode encerrar após interagir com o servidor

Alocação de Memória

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Swapping

Um processo precisa estar na memória para ser executado.Contudo, um processo pode ter de ser swapping(troca)temporariamente entre a memória e um backing store(armazenamento de apoio), para depois ser trazido de voltapara a memória, para continuar a execução.

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SistemaOperacional

Espaçodo usuário

ProcessoP1

ProcessoP2

Armazenamento de apoio (backing store)

2

1Swap out

(retira)

Swap in(insere)

Disco

Alocação de memória contígua

A memória é dividida em duas partições:

• Uma para o Sistema Operacional Residente.• Uma outra para o Processos de Usuário.

44Contigua – Próximas (Adjacente)

Proteção e mapeamentode memória

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CPU <

Registrador de limite

Registrador de relocação

memória

Interceptação: Erro de endereçamento

Endereçológico sim

não

Endereçofísico

+

Alocação de memoria

Podemos alocar os Sistema Operacional:

• Memoria Baixa (Vetor de Interrupção) - RAM Ondese coloca o Sistema Operacional

• Memoria Alta (Dados enviados pelos processos).Registradores (CPU)

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47

Diagrama de classificação daMemória RAM

Fragmentação de Memória

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Fragmentação externa

À medida que os processos são carregados eremovidos da memória, o espaço de memória livre érepartido em pequenas partes. A fragmentação externaexiste quando há espaço de memória total suficiente parasatisfazer uma requisição, mas os espaços disponíveis nãosão contíguos.

49

Ocupado-1 Ocupado-2

Problemas da Fragmentação

Considere um esquema de alocação de múltiplaspartições, com buraco de 18.464 bytes. Com o próximoprocesso requisitando 18.462 bytes

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Processo-1 Processo-2

18.464 bytes 18.462 bytes2 bytes

Solução da Fragmentação

Uma solução para o problema da fragmentação externa éa compactação. Consiste em redistribuir o conteúdo damemória de modo a colocar toda a memória livre junta, emum grande bloco.

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Contra Ponto Compactação

Contudo a compactação nem sempre é possível nemsempre é possível. Se a realocação for estática e for feitaem tempo de montagem ou carga, a compactação nãopoderá ser feita; a compactação somente poderá serefetuada se a realocação for dinâmica e feita em tempode execução.

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Conceito de Paginação

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Paginação

Vem a ser um esquema de gerencia de memoriaque permite que espaço de endereços físicos de umprocesso seja não contíguo. A paginação evita afragmentação externa e a necessidade de compactação.Resolvendo também o ajuste de trecho de memoria detamanho variado.

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Métodos de Paginação

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O método para implementação da paginação envolvedividir a memória física em blocos de tamanho fixo,chamados quadros, e dividir a memória lógica em blocosdo mesmo tamanho, chamados páginas.

QuadroPágina

Memoria FísicaMemoria lógica

CPU RAM

Definição de página

• Tamanho da página e do quadro é definido pelo hardware.

• O tamanho de uma página é uma potência de 2, variando de 512 bytes e 16 MB por página.

• Onde 2m é o tamanho do endereço lógico.• 2n Tamanho da página (bytes).

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p dNúmero de página Deslocamento de página

m n

bits de alta ordem bits de baixa ordem

Suporte do Hardware para paginação

Cada endereço gerado pela CPU é divido em duaspartes:

• Um número de página (p)• Deslocamento de página (d)

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O número de página é usado como um índice para atabela de página

Hardware de Paginação

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CPU p d f d

Endereçológico

Endereçofísico

___

___

f

____

____

p

Tabela de página

f

Memória física

f000....0000

f1111....1111