Chapter 04 CPU Scheduling

อ.สุขสันต บัวฉิม

โปรแกรมวิชาคอมพิวเตอร คณะวิทยาศาสตร

มหาวิทยาลัยราชภัฏลําปาง

Operating System 1 อ.สุขสันต บัวฉิมหนา 2


เมือ่โปรแกรมหนึ่งตองรอ ระบบปฏิบตัิการจะเอาหนวยประมวลผล

กลางออกมาจากโปรแกรมนั้น และใหหนวยประมวลผลกลางแก

โปรแกรม อีกโปรแกรมหนึ่งแทน


ชวงที่โปรเซสทํางานอยูในซีพียู

ชวงที่โปรเซสหยุดเพื่อรับขอมูลจาก Input Device

หรือสงขอมูลออกไปใหกับ Output Device

Operating System 1 อ.สุขสันต บัวฉิมหนา 5 Operating System 1 อ.สุขสันต บัวฉิมหนา 6


เปนตัวที่ระบบใชในการเลือกกระบวนการจากแถวพรอม เพื่อให

ทํางานในหนวยประมวลผลกลาง


การใหสิทธิการจัดเวลาแบบแทรกกลางคัน (Preemptive Scheduling)

ระบบปฏิบัติการจะทําการตัดสินใจเลือกกระบวนการใดๆขึ้นอยูกับสถานะการณดังนี้

1. เมื่อมีการเปลี่ยนสถานะของโปรเซสจาก

สถานะทํางาน (Running) ไปเปนสถานะคอย (Wait)


สถานะทํางาน (Running) ไปเปนสถานะพรอม (Ready)


สถานะคอย (Wait) ไปเปนสถานะพรอม (Ready)

4. เมื่อโปรเซส เสร็จสิ้น

1, 4 = แทรกกลางคันได 2,3 =แทรกกลางคันไมได



กฏเกณฑหรือขอประเมินผลตางๆ ที่จะเปนตัวเปรียบเทยีบวาวิธีไหนดทีี่สุด

ประสิทธิผลการใชหนวยประมวลผลกลาง (CPU Utilization)

อัตราการใชงานของ CPU มีคาอยูระหวาง 0-100%

อัตราปริมาณงาน (Throughput)

จํานวนโปรเซสที่ทํางานเสร็จสมบูรณตอหนวยเวลา

วงรอบการทํางาน (Turnaround time)

เวลาทีโ่ปรเซสหนึ่งๆ ตองเสียไปในการทํางานทั้งหมด

เวลารอคอย (Waiting time)

ระยะเวลาที่แตละโปรเซสตองรอคอยอยูในแถวคอย

เวลาตอบสนอง (Respond time)

ระยะเวลาตั้งแตที่ผูใชงานสงงานใหระบบจนถงึเวลาที่ผลลัพธแรกปรากฏตอผูใช


การจัดเวลาแบบมากอนไดกอน (FCFS : First-Come First-Served)

การจัดเวลาแบบสั้นทาํกอน (SJF : Short – Job – First Scheduling)

การจัดเวลาตามลําดับความสําคัญ (Priority Scheduling)

การจดัเวลาแบบวนรอบ (RR : Round – Robin Scheduling)

การจัดเวลาแบบคิวหลายระดับ (Multilevel Queue Scheduling)


ใชเวลาในการรอคอยโดยเฉลี่ยมาก

Convey effect = หลายๆโปรเซสตองเสียเวลารอใหโปรเซสใหญ

เพียงโปรเซสเดียวทํางานจนเสร็จ


ถามีโปรเซสเขามาถึงคิวตามลําดับ P1, P2 และ P3

เวลาการคอยของ (Waiting time) P1 = 0, P2 = 24 และ P3 = 27

คาเฉลี่ยของการคอย (Average waiting time) (0+24+27)/3 = 17 วินาที

24

3

3

P1

P2

P3

ระยะเวลาที่ตองการซีพียู (Burst Time) (S)โปรเซส

P3P2P1

0 24 27 30


จงหาเวลาการคอย (Waiting time) และ คาเฉลี่ยเวลาของการคอย

(Average waiting time)

3

3

24

P1

P2

P3


5

3

20

1

P1

P2

P3

P4



เลือกโปรเซสที่ทํางานสั้นที่สุดกอน แตถามีหลายโปรเซสที่ใชเวลา

เทากันใหตัดสินโดย ใชวิธี FCFS กอน

ไมใหสิทธิแทรกกลางคัน

โปรเซสใหมตองรอจนโปรเซสเดิมเสร็จ

ใหสิทธิแทรกกลางคันได

โปรเซสใหมสามารถแทรกเขาไปทํางานแทนโปรเซสที่กําลังทํางาน

อยูได

ขอดี ใชเวลาในโดยเฉลีย่ของการรอคอยต่ํา

ขอเสยี ตองทราบเวลาการทํางานของแตละโปรเซส ที่แนนอน


ถามีโปรเซสเขามาถึงคิวตามลําดับ P1, P2 , P3 และ P4

เวลาการคอยของ (Waiting time) P4 = 0, P1 = 3 ,P3 = 9 และ P2=16

คาเฉลี่ยของการคอย (Average waiting time) (3+9+16)/4 = 7 วินาที

คาเฉลี่ยของการคอยแบบ FCFS เทากับ (6+14+21)/4 = 10.25 วินาที

6

8

7

3

P1

P2

P3

P4


P1 P2P3P4

0 9 16 243


ถามีโปรเซสเขามาถึงคิวตามลําดับเวลาที่มาถึง P1, P2 , P3 และ P4

เวลาการคอยของ P1 = 10-1 , P2 = 1-1 ,P3 = 17-2 และ P4=5-3

คาเฉลี่ยของการคอย (9+0+15+2)/4 = 26/4 = 6.5 วินาที

8

4

9

5

เวลาที่ใช

0

1

2

3

P1

P2

P3

P4

เวลาที่มาถึงโปรเซส

P3P2 P1P4P1

0 10 17 2651

เวลาที่ไดใชซีพียู

เวลาที่มาถึง


ถามีโปรเซสเขามาถึงคิวตามลําดับเวลาที่มาถึง P1, P2 , P3 และ P4

เวลาการคอยของ P1 = 0-0 , P2 = 8-1 ,P3 = 17-2 และ P4=12-3

คาเฉลี่ยของการคอย (0+7+15+9)/4 = 31/4 =7.75 วินาที

8

4

9

5


0

1

2

3

P1

P2

P3

P4


P3P2 P4P1

0 12 17 268


จงหาคาเฉลี่ยเวลาของการคอย (Average waiting time)

จงหาคาเฉลี่ยเวลาของการคอย แบบใหสิทธิ และแบบไมใหสิทธิ

1

8

6

10

4

P1

P2

P3

P4

P5


10

9

3

9

3


0

2

4

6

7

P1

P2

P3

P4

P5



ถาใหลําดับความสําคัญ เราจะสามารถจัดลําดับของโปรเซสไดดังนี้

คาเฉลี่ยของการคอย (6+0+16+18+1)/5 = 41/5 = 8.2 วินาที

3

1

3

4

2

ลําดับความสําคัญ

10

1

2

1

5

P1

P2

P3

P4

P5

เวลาที่ใชโปรเซส

P5 P4P1 P3P2

0 61 18 1916


แบบใหสิทธิแทรกกลางคันไดโปรเซสใหมที่มีลําดับความสําคัญสูงกวาสามารถแทรกเขาไปทํางานแทนโปรเซสที่มีลําดับความสําคัญต่ํากวาที่กําลังทํางานอยูได

แบบไมใหสิทธิแทรกกลางคันโปรเซสใหมที่มีลําดับความสําคัญสูงจะถูกนําไปตอที่หัวแถว

ขอเสียโปรเซสที่มีลําดับความสําคัญต่ําอาจไมมีโอกาศไดเขาไปใชซีพียูเลย ปญหาการแชเย็น (Starvation), การรอคอยชั่วนิรันดร (Indefinite blocking)

โปรเซสที่มีลําดับความสําคัญสูงเขามาเรื่อยๆ ทําใหโปรเซสที่มีลําดับความสําคัญต่ําไมมีโอกาสทาํงาน

วิธีแกปญหาการเพิ่มลําดับความสําคัญ (Aging) เมื่อเวลาผานไปชวงเวลาหนึ่ง


จงหาคาเฉลี่ยเวลาของการคอย (มาถึงพรอมกัน)

จงหาคาเฉลี่ยเวลาของการคอย แบบใหสิทธิ และแบบไมใหสิทธิ

2

3

1

3

4


10

9

3

9

3


0

2

4

6

7

P1

P2

P3

P4

P5


2

3

1

0


10

9

3

8

P1

P2

P3

P4



การจดัคิวแบบวนรอบ

ลักษณะเหมือน FCFS

มี Time Out เขามาเกี่ยวของเรียกวา ”เวลาควันตัม” (Quantum time)

แกปญหาการรอนาน ของโปรเซสที่ตองการทํางานนอยๆ


rwrwrwrwrwwP3

rwP2

rrrwrwrwrwrwwrP1

1413121110987654321วินาที

8

1

5


P1

P2

P3

โปรเซส

สมมุติวา เราใหควันตัมไทมม เทากับ 1 วินาที

เวลาการคอยของ P1 = 11-5 , P2 =1 ,P3 = 10-4

คาเฉลี่ยของการคอย (6+1+6)/3 = 13/3 = 4.99 วินาที

P3 P1P3 P1P3 P1 P1P1P1P3P1P3P2P1


8

1

5


P1

P2

P3

โปรเซส

ใหควันตัมไทมม เทากับ 4 วินาที

เวลาการคอยของ P1 = 9-4 , P2 =4 ,P3 = 13-4

คาเฉลี่ยของการคอย (5+4+9)/3 = 18/3 = 6 วินาที

P3P1P3P2P1

0 5 9 13 144

rwwwwrrrrwwwwwP3

rwwwwP2

rrrrwwwwwrrrrP1

1413121110987654321วินาที


ใหควันตัมไทมม เทากับ 4 วินาที

เวลาการคอยของ P1 = 10-4 , P2 = 4 ,P3 = 7

คาเฉลี่ยของการคอย (6+4+7)/3 = 17/3 =5.66 วินาที

24

3

3


P1

P2

P3

โปรเซส

P1P1P1P1P1P3P2P14 7 10 14 18 22 26 300

rrrwwwwwwwP3

rrrwwwwP2

rrrrwwwwwwrrrrP1

30...121110987654321วินาที


P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P3

0 20 37 57 77 97 117 121 134 154 162

53

17

68

24


P1

P2

P3

P4

โปรเซส


Process time = 10 Context switch

12

1

6 1

0

9

0

0

0

10

106

1051 42 3 6 97 8

Quantum time

เมื่อ Quantum Time นอย จะทําให Context Switch Time มากขึ้นทําให OS เสียเวลากับการสลับ โปรเซส


6

3

1

7


P1

P2

P3

P4

โปรเซส


จงหาคาเฉลี่ยเวลาของการคอย (Average waiting time)

1

8

6

10

4

P1

P2

P3

P4

P5


10

9

3

9

3

P1

P2

P3

P4

P5



แบงระดบัชั้นของงานอยางชัดเจน

งานที่เปนฟอรกราวนด (Foreground) หรือ อินเตอรแอ็กทีฟ (Interactive) กับงานที่เปนแบค็กราวนด (Background) หรือ แบ็ตซ (Batch)

ใหลาํดับความสําคัญแกแตละคิวแตกตางกันไป

แตละคิวไมจําเปนตองเปนคิวประเภทเดียวกัน

ภายในแตละคิวจะมีการจัดตารางเวลาการทํางานที่แตกตางกันออกไป

โปรเซสในแถวหนึ่งๆไมสามารถเปลี่ยนแถวไดอีก

โปรเซสอาจมีการปรับระดับความสําคัญดวยการเลื่อนไปมาระหวางคิวได

การมีคิวหลายคิว เพื่อประสิทธิภาพในการใช CPU


การจัดลาํดับความสําคัญแบบคงที่ (Fixed-priority preemptive

scheduling)

การจัดลําดับความสําคัญแบบเปลีย่นแปลงได (Variable-priority

preemptive scheduling) หรือ (Multilevel Feedback Queue Scheduling)


System processes queue

Interactive processes queue

Interactive editing processes queue

Batch processes queue

Student processes queue

ระดบัความสําคัญสูงสุด (Highest priority)

ระดับความสําคัญต่ําสุด (Lowest priority)



Quantum = 8

Quantum = 16

FCFS


ตัวอยางเชน ระบบที่มีแถวพรอม 3 แถว คอื แถวที่ 0, 1 และ 2 ตามลําดับ โดยตัวจัดตารางการทํางานจะเริ่มจัดใหกระบวนการที่อยูในแถวที่ 0 ทํางานจนเสร็จหมดทั้งแถวเสียกอน จากนั้นจึงจะเริ่มจัดใหกระบวนการที่อยูในแถวที่ 1 ไดเขารับการทํางานตอไป ในทํานองเดียวกนัการทํางานของกระบวนการในแถวที่ 2 เริ่มไดก็ตอเมื่อกระบวนการในแถวที่ 0 และที่ 1 ทํางานจนเสร็จหมดแลว และในขณะที่กระบวนการที่อยูในแถวที่ 2 กําลังทํางานอยู ถามีกระบวนการใหมเขามาในแถวที่ 1 กระบวนการที่กําลังทํางานอยูในแถวที่ 2 จะถูกแทรกกลางคัน หรือในขณะที่กระบวนการในแถวที ่1 กําลังทํางานอยูนั้น ไดมีกระบวนการใหมเขามาในแถวที่ 0 กระบวนการที่กําลังทํางานอยูในแถวที่ 1 ก็จะถูกแทรกกลางคัน


เชนเดียวกัน ถามีกระบวนการใหมเขามาในระบบ กระบวนการนั้นจะถูกจัดใหเขาทํางานในแถวที่ 0 แตถาไมอาจทํางานใหเสร็จสมบูรณไดภายใน 1 สวนแบงเวลาของแถวที่ 0 (ซึ่งมีคาเทากับ 8 มิลลิวินาที) กระบวนการนั้นจะถูกเลื่อน ลงไปตอขางทายของแถวที่ 1 และเมื่อกระบวนการในแถวที่ 0 ทํางานจนเสร็จหมดแลว ตัวจัดตารางการทํางานก็จะเริ่มมาจัดให กระบวนการที่อยูในแถวที่ 1 ไดทํางานตอไป โดยแถวที่ 1 นี ้(สวนแบงเวลามีคาเทากับ 16 มิลลวิินาที) ซึ่งถามีกระบวนการใดไมอาจทํางานใหเสร็จสมบูรณไดภายใน 1 สวนแบงเวลาที่กําหนด กระบวนการนั้นก็จะถูกนําไปตอทายของแถวที่ 2 ซึ่งเปนแถวสุดทายและมีการทํางานแบบมากอน-ไดกอน โดยกระบวนการทอียูในแถวสุดทายนี้จะไดทํางานก็ตอเมื่อ แถวที่ 0 และ 1 วางแลว


จํานวนของคิว

วิธีของการจัดเวลาของแตละคิว

หลักเกณฑในการตัดสินใจเพิ่มความสําคัญของโปรเซส

หลักเกณฑในการตัดสินใจลดความสําคัญของโปรเซส

หลักเกณฑในการตัดสินใจนําเอาโปรเซสที่ตองการครอบครองซีพียู

มาเขาในคิว



สิ่งที่ตองคํานึงเปนอันดับแรกคือ การแชรโหลดใหกบัซีพียู (Load sharing)

เพื่อใหซีพียูแตละตัวมีงานทํามากพอๆ กัน

จะจัดใหระบบคิวมีเพียงระบบเดียว

ขอระวัง

ตองระวังไมใหโปรเซสใชฐานขอมูลในเวลาเดียวกัน

ระวังไมใหซีพียูวางงานพรอมกัน อาจจะทําใหมีการดึงเอาโปรเซสเดียวกันได

วิธีแก (เรียกวา Master-slave structure)

ทําซีพียูใหมีระดับที่แตกตางกัน คอื ซีพียูตัวใดตัวหนึ่งเปนตัวควบคุมสั่งการตอ

ซีพียูอีกตัวหนึ่งถัดไปอีก 1 ตัว และตัวถัดไปก็ควบคุมตอไปเรื่อย ๆ


ตองการเวลาที่แนนอน ตายตัว โปรเซสจะไดรับเวลาจํานวนหนึ่งเพื่อ

ทํางานใหเสร็จ ตัวจัดตารางการทํางานจะใหสิทธิกระบวนการเพื่อ

รับประกันวากระบวนการจะทํางานเสร็จตามเวลา หรือไมก็ปฏิเสธ

การรองขอของกระบวนการนั้น ถามั่นใจวาจะทํางานไมเสร็จไดตาม

เวลา การทํางานแบบนี้ถูกเรียกวา การจองทรัพยากร (resource

reservation)


เปนระบบทีท่ํางานโดยไมตองมีเวลามาจํากัด นั่นหมายถึงจะมี

กระบวนการอยูกระบวนการหนึ่งมีศักดิ์สูงกวากระบวนการอื่น การ

ทํางานแบบ Soft Real-Time System อาจจะไมเหมาะกับ Time-Sharing

เพราะเกิดการลาชา (delay) หรือปญหาการแชเย็น (starvation) แต

เหมาะกับระบบทั่ว ๆ ไป ที่สนับสนุน multimedia กราฟฟก



Time

interrupt

processing

conflicts

dispatch latency

dispatch

real-time

process

execution

response interval

event


ใหมีการใช CPU สูงสุด โดยใหมีเวลาตอบสนองไมเกิน 1 วินาที

ใหมี Throughput สูงสุด โดยที่เวลาวนรอบเปน สัดสวนโดยตรง

อยางพอเหมาะกับเวลาที่ตองใช ในการรันทั้งหมด



มากอนไดกอน (FCFS)

งานสั้นไดทํากอน (SJF)

เวลาวนรอบ (RR) โดยมี เวลาควันตัม (Quantum time) = 10 วินาที

โปรเซสทั้ง 5 มาถึงระบบที่เวลา 0 วินาที


คาเฉลี่ยของการคอย (0+10+39+42+49)/5 = 140/5 = 28 วินาที

10

29

3

7

12

P1

P2

P3

P4

P5


P2 P5P3 P4P1

0 3910 49 6142



10

29

3

7

12

P1

P2

P3

P4

P5


P4 P2P1 P5P3

0 103 32 6120



10

29

3

7

12

P1

P2

P3

P4

P5


P4 P2P5P2 P2P3 P5P1

0 2010 52 6140 5023 30

52-10-10


ใชสูตรในการคํานวณ

n = จํานวนงานที่อยูในคิว (โปรเซส)

W = เวลารอคอยเฉลี่ยในคิว (หนวยเวลา)

λ = คาเฉลี่ยของเวลาที่งานใหมจะเขามาถึงคิว(โปรเซส / หนวยเวลา)


กําหนดใหกระบวนการมาถึงระบบโดยเฉลี่ย 7 กระบวนการ/วินาที และแถวคอยมีความยาวเฉลี่ย 14 กระบวนการ ใหหาเวลารอคอยเฉลี่ยของแตละกระบวนการ

วิธีทํา

λλ

∴


เขียนโปรแกรมตวัแบบของระบบคอมพิวเตอร

จําลองอุปกรณตางๆในระบบ

เสมือนมเีหตุการณจริงเกิดขึ้น

ใชตัวแปรตางๆแทนความจริงทําไดทั้งแบบสุมหรือเก็บขอมูลจากระบบ

จริง

ทําการเก็บสถิติตางๆของระบบ

นํามาวิเคราะหประสิทธิภาพของวิธีการจัดตารางแบบตางๆได


สรางอัลกอริทึมตางๆขึ้นมาจริงๆ เพื่อใชงานกับระบบจริง

ขอเสยี

คาใชจายสูงมาก

ใชเวลามาก

ใชแรงงานมาก


Documents

Chapter 04 CPU Scheduling