Caso práctico: ejecución concurrente y paralela
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En este caso práctico vamos a hacer de "Sistema Operativo" en la ejecución de tres procesos que vamos a llamar P1, P2 y P3.
Pero antes, un recordatorio: las CPU usan un reloj que genera ciclos de reloj, una frecuencia que emplean para realizar sus tareas como pueden ser las de ejecutar una instrucción, acceder a memoria, etc, de forma sincronizada.
De ahí que una de las cracterísticas de las CPU sea la frecuencia medida en múltiplos del Hz (Hertzio). Hoy en día ese múltiplo es el del GHz (Giga Hertzio). Por ejemplo, el Intel i5 1335U trabaja a una frecuencia de 3,30 GHZ (4,40 GHz en modo Turbo).
Recuerda que 1 GHz son 1 000 000 000 Hz. Eso significa, que la CPU Intel i5 1335U genera 3 300 000 000 ciclos cada segundo. Eso, a su vez, significa que si pudiera ejecutar una instrucción por ciclo, entonces, sería capaz de ejecutar 3 300 000 000 instrucciones por segundo.
En la práctica, cada instrucción de una CPU necesita de varios ciclos de reloj y, en función del tipo y complejidad de la instrucción, cada una necesitará más o menos ciclos.
Una frecuencia se puede representar por medio de una onda sinusoidal. En el siguiente diagrama puedes ver representadas 5 frecuencias (el diagrama se ha obtenido de la Wikipedia:
Figure 1: Ondas sinusoidales
La frecuencia representada en color rojo es la menor y la representada por el color rosa es la mayor. Así, en el contexto de las CPU, llamamos ciclo a cada una de las repeticiones que se ven en la onda sinusoidal.
Dependiendo de la frecuencia, cada ciclo tiene una duración determinada que ronda, hoy en día, los nanosegundos.
Las CPU sincronizan sus acciones aprovechando el momento en que la onda sinusoidal empieza a subir o bajar.
Entendido todo esto, podemos pasar al primero de los casos prácticos.
Ejecución concurrente
En un sistema de una sola CPU tenemos que ejecutar los tres procesos siguientes donde, como ves, se indica cuántos ciclos de procesador necesita cada uno (esto se puede calcular porque sabemos cuántos ciclos requiere cada instrucción y conocemos las instrucciones que tiene que ejecutar el proceso):
P1que necesita 130 ciclos de procesador.P2que necesita 80 ciclos de procesador.P3que necesita 150 ciclos de procesador.
Vamos a imaginar que el Sistema Operativo (a partir de ahora SO) usa una cola FIFO en la que asigna turnos de 30 ciclos a cada proceso, comenzando por el P1, siguiendo por el P2 y terminando por el P3. Además, el cambio de contexto supone al SO un uso de la CPU de 10 ciclos.
Dadas estas condiciones, vamos a responder a estas cuestiones:
- ¿Cuántos ciclos van a pasar hasta que termine el proceso
P1,P2yP3? - ¿Cuántos cambios de contexto ha hecho el SO?
- ¿Cuántos ciclos ha necesitado el SO en los cambios de contexto?
- ¿En total, cuántos ciclos de procesador se han necesitado para la ejecución de los tres procesos?
Podemos construir un diagrama en cuyo eje X tenemos el número de ciclos y en el eje Y tenemos los procesos:
Figure 2: Caso práctico resuelto: programacion concurrente
Las respuestas a las preguntas anteriores, una vez desarrollado el diagrama, son:
P1termina a los 420 ciclos;P2termina a los 300 ciclos; yP3termina a los 480 ciclos.- El SO ha tenido que hacer 12 cambios de contexto.
- El SO ha necesitado un total de 120 ciclos de CPU.
- La CPU ha necesitado 480 ciclos para completar la ejecución de los tres procesos.
Programación paralela (reto)
Imagina que, ahora, tenemos un sistema multiprocesador, con 3 CPU: CPU1, CPU2 y CPU3. Se van a ejecutar los mismos tres procesos P1, P2 y P3 del caso anterior. El SO es el mismo y necesita 10 ciclos para cambio de contexto. El único cambio es que ahora tenemos tres CPUs.
Dibuja el diagrama de ciclos de ejecución y responde a las mismas cuestiones:
- ¿Cuántos ciclos van a pasar hasta que termine el proceso
P1,P2yP3? - ¿Cuántos cambios de contexto ha hecho el SO?
- ¿Cuántos ciclos ha necesitado el SO en los cambios de contexto?
- ¿En total, cuántos ciclos de procesador se han necesitado para la ejecución de los tres procesos?