Betriebssysteme it-akademie Bayern z/os und OS/390 Lehrgang 2008 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm G. Spruth Teil 6 Scheduling

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1 Betriebssysteme it-akademie Bayern z/os und OS/390 Lehrgang 2008 Prof. Dr.-Ing. Wilhelm G. Spruth Teil 6 Scheduling copyright W. G. Spruth,

2 Hardware Extern E/A Programm System- Fehler Aufruf Unterbrechungssteuerung Virtuelle E/A Prozess File Zeitgeber Speicher- Geräte Verwaltung System Debug, Verwaltung Steuerung andere Zeitscheiben - Scheduler nächster Prozess Struktur des Überwachers Der Ufruf des Überwachers (Supervisor, Kernel) erfplgt grundsätzlich über Unterbrechungen. Je nach Art der Unterbrechung werden unterschiedliche Komponenten des Überwachers aufgerufen. Der Scheduler (Zeitscheibensteuerung) sucht den nächsten auszuführenden Prozess aus. bs 0424 ww6 wgs 09-05

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4 Prozessleitblock Task Control Block (TCB) Ein Prozess wird durch einen Prozessleitblock (PLB) beschrieben. Der Prozessleitblock enthält wichtige Funktionen für die Ausführung eines Prozesses. z/os verwendet die Bezeichnung Task Control Block (TCB) Andere Architekturen verwenden Process Control Block (PCB). Zu jedem Zeitpunkt beansprochen in der Regel viele Prozesse Platz im Hauptspeicher und könnten ausgeführt werden. In einem Rechner mit einer CPU verarbeitet die CPU aber nur einen Prozess. In einem Mehrfachrechner mit n CPUs können gleichzeitig n Prozesse ausgeführt werden.

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6 Transaktion beendet laufend (3 CPUs) schedule/ dispatch E/A Start Transaktion ausführbar wartend Zustand von Prozessen Jede Linie entspricht einem Prozess, dargestellt durch seinen Prozessleitblock. ar 1451 ww6 wgs 11-05

7 Prozess Modell es 0355 ww6 wgs 07-02

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9 Benutzer login Benutzer Dateneingabe Prozess Status aktiv inaktiv Generierung eines Benutzer Prozesses Zeit TSO TSO TCAS User User andere Prozesse z/os Überwacher Ein z/os Subsystem, der TSO Terminal Control Access Space Prozess (TCAS) ist permanent aktiv. Er wartet darauf, dass sich TSO Benutzer einloggen. Jedesmal wenn sich ein Benutzer unter TSO einlogged, generiert TCAS für ihn einen eigenen Prozess in einem eigenen virtuellen Adressenraum. Dieser Prozess ist die meiste Zeit inaktiv. Wenn eine Eingabe des TSO Benutzers erfolgt, wird der Prozess kurzfristig aktiv. Die Eingabe Nachricht wird verarbeitet, und der Prozess wird wieder inaktiv.

10 logon schedule/ dispatch laufend (3 CPUs) E/A logout ausführbar wartend inaktive Prozesse aktive Prozesse ar 1451 ww6 wgs 11-05

11 Inaktiver Prozess Sitzung - Session

12 Prozess Status Inaktiv Aktiv Prozeß wartet auf SYSIN Dateneingabe. Prozeß wird durch SYSIN Daten aktiviert und durch SYSOUT Ausgabe deaktiviert. Laufend/Running Aktiver Prozeß, der über die CPU verfügt. Wartend/Waiting Aktiver Prozeß, der darauf wartet, Betriebsmittel zugeteilt zu bekommen. Ausführbar/Ready Aktiver Prozeß, der über alle benötigten Betriebsmittel (z.b. E/A) verfügt. wgs 06 92

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15 Ein/Auslagerung (Swapping) Die Benutzer 1 und 2 (bis n) werden quasiparallel bearbeitet.

16 Auslagern von Prozessen

17 Auslagern von Prozessen Aktive Prozesse verfügen entweder über (genügend) Rahmen im Hauptspeicher (Multiprogramming Set), oder sind auf einen externen Seitenspeicher ausgelagert. Von den Prozessen des Multiprogramming Set ist einer im Status "laufend" (hat die Vefügungsgewalt über die Zentraleinheit, angenommen 1 CPU), während die übrigen "wartend" oder "ausführbar" sind. In einem multiprogrammierten System wechselt die Verfügungsgewalt über die Zentraleinheit zwischen den Prozessen des Multiprogramming Set. Hat einer von ihnen seine Zeitscheibe aufgebraucht, so wird er aus dem Multiprogramming Set entfernt und in den Status "ausgelagert" versetzt (er verliert einen Teil oder alle seine Rahmen).Dafür kann ein anderer (z.b. ausgelagerter) Prozess jetzt Teil des Multiprogramming Sets werden.

18 Aufgabe des Schedulers Auswahl eines Prozesses aus einer Liste mehrerer ausführbaren Prozesse, mit der Zielsetzung, diesen Prozeß in den Zustand laufend zu überführen. Bei Mehrfachrechnern gleichzeitige Zuordnung einer verfügbaren CPU. Aufgabe des Dispatchers Zuständig für die Zustandsüberführung ausführbar laufend wgs 03 92

19 Mehrplatzrechner Mehrere Benutzer an mehreren Bildschirm- Datenstationen eines Mehrplatzrechners benutzen gleichzeitig eine einzige Zentraleinheit. Die Anwendungsprogramme mehrerer Benutzer belegen gleichzeitig Platz im Hauptspeicher. Die Zentraleinheit bedient in jedem Augenblick nur einen Benutzer. Die Zentraleinheit wechselt häufig (z.b. alle 0,01 Sekunden) von einem Benutzer zu einem anderen.

20 Unterschiedliche Verarbeitungsdauer Stapelverarbeitung versus interaktive Verarbeitung

21 Scheduling Alternativen 1. Der laufende Prozess verfügt über die Zentraleinheit entweder bis zum Abschluss, oder bis er auf ein Ereignis warten muß, z.b. Abschluss einer EIA Operation (event driven, run-to-completion scheduling). 2. Die CPU Zeit wird zwischen mehreren ausführbaren Prozessen kommutiert. Jeder Prozess bekommt ein definiertes Quantum CPU Zeit (Zeitscheibe, time slice) zugeteilt. Nach Ablauf der Zeitscheibe findet ein Prozesswechsel statt. Die Ausführungszeit eines Prozesses kann sich über mehrere Zeitscheiben erstrecken (preemptive scheduling). Stapelverarbeitungssysteme benutzen Alternative 1 Interaktive Systeme verwenden meistens Alternative 2 (Zeitscheibensteuerung). Beispiele: interaktiven Systeme wie TSO, z/vm, UNIX. Manche interaktiven Systeme führen nur vorgefertigte Benutzerprogramme mit garantiert kurzer Laufzeit aus (Transaktionssysteme). Sie brauchen keine Zeitscheibensteuerung. Beispiel: Amadeus Flugplatzreservierungssystem (TPF). wgs 07-92

22 Round-Robin Zeitscheibenalgorithmus

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24 Zeitscheibensteuerung (Feinstruktur) mehrerer Prozesse in zwei TSO Regions

25 Angenommen 1 CPU. In dem folgenden Beispiel sind jeweils 6 Prozesse ausgelagert, während sich drei Prozesse jeweils in den Zuständen laufend (max 1 Prozess), wartend oder ausführbar befinden.

26 A B C D E F G H I Zeit Multiprogramming Set Angenommen eine einzige CPU. Man kann gleichzeitig mehreren (drei in diesem Beispiel) Prozessen eine Zeitscheibe zuteilen. Während der Dauer der Zeitscheibe kann ein Prozess ausgeführt werden; die beiden anderen Prozesse sind wartend (auf I/O) oder ausführbar. Man bezeichnet diese drei Prozesse als den Multiprogramming Set. Die Prozesse des Multiprogramming Set (z.b. A, B und C) beanspruchen Resourcen, z.b. Platz im Hauptspeicher, während die restlichen Prozesse D bis I ausgelagert sind und keine Resourcen beanspruchen.

27 A B C D E F G H I Zeit Multiprogramming Set Die Zeitscheiben für die drei Prozesse müssen nicht gleichzeitig beginnen; sie können gestaggered werden, so dass immer drei Prozesse gleichzeitig ausführbar, wartend oder laufend sind.

28 Multiprogrammierung innerhalb von Zeitscheiben Dargestellt ist, wie immer einer von den drei Prozessen im Zustand laufend ist (die CPU nutzt).

29 Zeitdienste

30 Zeitdienste (Timer) Werden systemintern benötigt zur: Verwaltung von Datum und Uhrzeit (Kalender). Bestimmung von Zeiten beim Zeitscheiben- Scheduling. Werden auch vielfach von Anwendungs- Programmen benötigt, wie z. B.: Anhalten des Programmablaufs für gewisse Zeitdauer. Warten auf Ressourcen, wie z. B. auf eine Semaphore,freien Speicher oder auf Ereignisse. Zeitgeber (Timer) Zähler, der in Takten heruntergezählt wird (minus 1). Programm lädt einen bestimmten Wert in den Zeitgeber. Wenn Zeitgeber den Wert Null erreicht, erfolgt eine Unterbrechung (Zeitgeber - Unterbrechung, Timer Interrupt). wgs 04-89

31 System z Zeitgeber Register CPU Clock ( TOD Clock ) Enthält Zeitintervall, das seit Mitternacht, dem 1. Januar 1900, verstrichen ist. CPU Timer wird mit einem beliebigen Wert geladen, und ab dann in vorgegebenen Zeitintervallen herunter gezählt. Eine (externe) Unterbrechung erfolgt, wenn der Wert null erreicht wird. Clock Comparator Mehrfache Prozesse können Unterbrechungen zu vorgegebenen Tageszeiten fordern. Je ein Timer Queue Element pro Prozess in einer nach Terminen geordneten Liste im Hauptspeicher. Das oberste Element befindet sich im Clock Comparator Register. Wenn Inhalt = CPU Clock Register, dann (externe) Unterbrechung. wgs 06-93

32 Time of Day Clock CPU Clock (TOD Clock) 104 Bit Register The TOD clock nominally is incremented by adding a one in bit position 51 every μs. Value 0 defined as January 1, 1900, 00: 00: 00 UTC STORE CLOCK (STCK) instruction returns first 64 bits 1 TOD Clock/System Format der System z TOD Clock

33 Clock Comparator 64 Bit Register The clock comparator has the same format as bits 0-63 of the TOD clock (bit 51 = 1 microsecond). Continuously compared to TOD clock. The clock comparator provides a means of causing an interruption when the TOD-clock value exceeds a value specified by the program. If TOD clock passes the clock comparator value, an external interrupt is generated Good for real- time measurements Set with SET CLOCK COMPARATOR (SCKC), read with STORE CLOCK COMPARATOR (STCKC) In a configuration with more than one CPU, each CPU has a separate clock comparator.

34 CPU Timer The CPU timer is a binary counter with a format which is the same as that of bits 0-63 of the TOD clock, except that bit 0 is considered a sign bit. The CPU timer nominally is decremented by sub-tracting a one in bit position 51 every micro-second. When the CPU timer is < 0, an external interrupt is generated Stopped when CPU stops Set with SET CPU TIMER (SPT), read with STORE CPU TIMER (STPT) The CPU timer provides a means for measuring elapsed CPU time and for causing an interruption when a specified amount of time has elapsed. In a configuration with more than one CPU, each CPU has a separate CPU timer.

35 Timer Stepping On a real running system, TOD clock and CPU timer are stepped at the same rate. On a virtual system, the CPU timer is stepped only when the virtual system is dispatched, so it may appear to step slower than the TOD clock. Assume (on z/ VM) clock comparator is set to TOD clock + 5 seconds, CPU timer is set to 2 seconds. You don t know in advance who expires first.

36 CPU Timer und Intervall Timer Der CPU Timer ist Bestandteil der Hardware. Er ist ein Zähler-Register, das mit einem Wert geladen werden kann, und in regelmäßigen Zeitabsänden herunter gezählt wird. Wenn der Wert 0 erreicht wird, erfolgt eine Zeitgeber Unterbrechung Der Intervall Timer ist ein Wort im Hauptspeicher. Je ein Intervall Timer pro zweitscheibengesteuerter Prozess. * Intervall, z.b. 3 * Intervall, z.b. 4 * Intervall, z.b. 6 * Intervallz. B. 2 * Intervall, z.b. 1

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40 Ablauffolge Algorithmus Scheduling Algorithm Antwortzeit - Durchsatz Prioritäten Schnell ausführbar wgs 04-89

41 Mehrfache Prozess - Warteschlangen ( Multilevel Queues ) 1. Systemprozesse 2. Interaktive Prozesse 3. Stapelprozesse Zwei Möglichkeiten: In Priorität ausführen. Zeit der Zentraleinheit zwischen Interaktiven - und Stapel - Prozessen aufteilen. Systemprozesse - Priorität 1, oberste Priorität Priorität 1, mittlere Priorität Priorität 1, untere Priorität Interaktive Prozesse Priorität 2 Stapelprozesse Priorität 3 wgs 531 wgs 04-89

42 Mehrfache Prozess Warteschlangen ( Multilevel Queues ) Die Prozesse (bzw. deren TCBs) in den einzelnen Warteschlangen mit unterschiedlicher Priorität ausführen

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45 In einem Round-Robin- Scheduler mit Prioritäten kommen die Prozesse mit der höchsten Priorität (0) reihum an die CPU. Erst wenn sie alle beendet oder stillgelegt sind, kommen auch jene mit niedriger Priorität (5) zum Zuge.

46 Prozessor - Zuteilung (Scheduling) Die Algorithmen sind beeinflußt von CTSS und Multics Grundmechanismus ist "Round Robin mit Multilevel Feedback" Zeitscheibenverfahren Entzug der CPU bei Zeitscheibenende Übergang in Warteschlange mit niedriger Priorität

47 Exponentieller Zeitscheibenalgorithmus

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49 Histogramm von Prozesslaufzeiten Ein Prozeß behält solange die CPU. bis er selbst entscheidet sie freizugeben (z. B. I/O wait) oder der Prozeß beendet ist. Zu beachten ist, daß die Ausführung jedes Processes in mehrere Prozeß-Schritten erfolgt, die z. B. durch I/O wait (besonders Plattenspeicher I/O) voneinander getrennt sind.

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51 Shortest-Job-First SJF Der Prozeß mit der kürzesten CPU Belegung bekommt den Prozessor zugeteilt SJF ist optimal bezüglich der durchschnittlichen Wartezeit bei einer gegebenen Menge von ausführbaren Prozessen. Problem: Nicht immer sind die CPU Belegungszeiten der Prozeß-Schritte im voraus bekannt.

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54 Address Space Queues An address space can be in any one of four queues: IN-READY - In real storage and waiting to be dispatched IN-WAIT - In real storage but waiting for some event to complete OUT-READY - Ready to execute but swapped out OUT-WAIT - Swapped out and waiting for some event to complete Only IN-READY work will be selected for dispatching.

55 Produktive Arbeit (im Gegensatz zu systeminterner Verwaltung) wird nach den folgenden beiden Dispatchable Units (DU) unterschieden: SRBs - Arbeit höchster Priorität, Routinen in Key 0, Supervisor State (PSW!). Globale SRBs werden unabhängig vom Adreßraum dispatched, lokale SRBs unterliegen der Adreßraum (A/S)-Priorität. TCBs - gewöhnliche Arbeit im System. Prozessorzeit wird den TCBs stets nur nach Address Space (A/S)-Priorität zugeteilt. Je nach A/S-Typ (STC, TSO, Batch) und darüber hinaus je nach Anwendung besteht eine typische TCB- Struktur. Der jeweils aktuelle Prozessorzustand (Register, PSW) liegt zu Beginn bzw. nach einem Interrupt im TCB und dem zugehörigen Top-RB bereit. Der z/os-dispatcher weist den Prozessoren Arbeit nach folgender Regel zu: 1.Globale SRBs 2.Loop über eine ASCB-Ready Queue a) Lokale SRBs b) TCBs

56 Wie kommt Arbeit ins System? TCB-Work wird durch ATTACH erzeugt; mit POST wird angezeigt, daß diese Arbeit dispatchable ist. Das WAIT-Makro definiert ein Ereignis (einen ECB), das abgewartet werden muß; die Task ist vom Dispatcher nicht auswählbar. Der eigentliche Dispatch besteht aus Load Multiple (LM)- und Load PSW (LPSW)-Instruktionen für den zu bedienenden Prozessor. PSW- und Registerstände werden aus den Sicherungen für die jeweilige Dispatchible Unit abgeleitet.

57 Dispatching Reihenfolge von TCBs innerhalb von virtuellen Adressenräumen

58 single Process 3 Address Spaces Kernel Multiple Address Spaces Virtual storage is created by multi- level lookup tables (e.g. segment- and page tables) in storage that describe the virtual- to- real address translation. This process is called dynamic address translation (DAT). A process may own multiple address spaces that may be accessed at the same time. The base pointers to these tables are kept in control registers named Address Space Control Elements (ASCE, usually control registers CR1, CR7, and CR13). Alternatively they can be described by access registers.

59 Dispatching The dispatching queues are chains of control blocks representing address spaces and units of work. The ASCB ready queue is a chain of the Address Space Control Blocks (ASCBs) of those address spaces which are swapped in and contain at least one TCB or SRB which is ready to execute (i.e. not awaiting the completion of any other event). The ASCBs are chained together in priority order - i.e. the ASCB with the highest dispatching priority is at the front of the chain. Each address space then has its own chain of ready SRBs and/or TCBs, pointed to from its ASCB. Whenever an event completes which changes the status of an address space, the relevant z/os function updates the dispatching queues to reflect it.

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