[科普中国]-资源分时系统

分时系统的实现方法

分时是计算机系统中的一个普遍概念，它可以理解为：两个或两个以上事件按时间划分轮流使用计算机系统中的某一资源。例如，CPU和通道同时使用内存，多台设备同时使用通道等。而分时系统中的分时概念则侧重于对CPU的分时使用问题，它是通过操作系统软件来实现的。

实现分时的基本方法是设立一个时间分享单位——时间片。时间片的长短视具体系统而定，可长可短。另外，在硬件方面设立一个中断时钟，它每经过一个时间片，便向CPU发一次中断。于是，CPU在一个用户程序执行了一个时间片时，便被中断，然后CPU转向操作系统程序。操作系统在对被中断的用户程序现场作必要的保护之后，转去执行另一个用户程序。这样，操作系统可以把CPU按时间片依次分配给系统中的每一个用户程序。由于系统中用户程序的数目是有限的，如果时间片的大小选取适当，则可以保证一个用户程序从放弃CPU到下一次再获得CPU，只经过较短的一段时间(例如2～3秒)。这样，从用户的感觉来看，好像是一个速度不太快的CPU在单独为自己服务。例如，若时间片为100毫秒，系统中有20个用户在分享CPU，若暂时忽略用户程序之间切换时运行操作系统的时间开销，则每个用户两次使用CPU之间的时间间隔为100毫秒×20=2秒。再假定CPU的运算速度为1000万次/秒，则对一个用户程序来说，等价的CPU速度为1 000/20=500万次/秒。1

分时系统的类型(1)单道分时系统

在单道分时系统中，主存中只驻留一道程序(作业)，其余作业都保存在辅存上。每当主存中的作业运行一个时问片后，便被调至辅存(称为调出)，再从辅存上选一道作业装入主存(称为调入)并运行一个时间片，依此方法使所有的作业都能在一规定的时间内轮流运行一个时间片，这样便能使所有的用户都能与自己的作业交互。由于单道分时系统只有一道作业驻留在主存中，在多道作业的轮流运行过程中，每道作业往往可能频繁地调进/调出多次，开销较大，故系统性能较差。

(2)具有“前台”和“后台”的分时系统

在单道批处理系统中，作业调进/调出时CPU空闲；主存中的作业在执行I/0操作时CPU也空闲。为了充分利用CPU而引入了“前台”和“后台”的概念。在具有前台、后台的系统中，主存被固定地划分为“前台区”和“后台区”两部分。“前台区”存放按时间片调进和调出的作业流，“后台区”存放批处理作业。仅当前台调进/调出，或前台已无作业可运行时，方才运行“后台区”中的作业。

(3)多道分时系统

在分时系统中引入多道程序设计技术后，可在主存中同时存放多道作业，每道程序无固定位置。当作业都较小时，主存中便可多装入几道作业，由系统把已具备运行条件的所有作业排成一个队列，使它们依次轮流地获得一个时间片来运行。由于切换时作业就在主存中，不要花费调进/调出的开销，故多道分时系统具有较好的系统性能。现代的分时系统都属于多道分时系统。2

分时系统的特性分时系统的以下4个主要特征：

(1)多路性。在一台主机上连接了若干个用户终端，从宏观上看，多个用户在同时工作，共享系统资源。但从微观上看，各终端程序却是在按时间片依次轮流使用CPU。多路性提高了系统资源利用率，节省了开支，促进了计算机的广泛应用。

(2)独立性。每个用户各占一台终端，彼此独立操作，互不干扰。从用户角度看，每个终端用户并不感到其他用户的存在，就像整个系统由自己独占一样。

(3)及时性。终端用户的请求能在允许的时间范围内得到响应，这个时间范围是衡量分时系统性能的一个重要指标，通常被规定为2—3秒。

(4)交互性。用户能与系统进行广泛的人机对话：用户从键盘输入命令，请求系统服务或控制作业的运行；系统能及时响应命令并显示结果。交互性是分时系统的一个重要特征。因此，分时系统也被称为交互系统。1

分时系统的响应时间响应时间是指从终端用户发出一条命令开始，到系统处理完这条命令并做出回答为止所需的最大时间间隔。分时系统的响应时间是衡量分时系统性能的一个重要指标，也是设计分时系统时应注意的一个重要问题。

影响响应时间的主要因素①系统开销：分时系统中的系统开销主要是指进程的调度和对换时间。进程的对换时间可表示为：

对换时间=外存的访问时间+信息的传输时间

其中，信息的传输时间等于信息的对换量除以信息的对换速度，即：

信息的传输时间=信息对换量/信息对换速度

可见，同样一批信息，内外存之间的信息对换速度越高，其传输时间就越短，从而可以减少响应时间。因此，应选择速度高的磁盘作为外部存储器。

②用户数目：若系统中有n个同时性用户，时间片为q，则每个用户轮转一次所需的时间n*q可近似地看做响应时间。可见，当q一定时，响应时间与用户数目成正比，这就限制了分时系统中的同时性用户的数目。

③时间片：当n一定时，响应时间正比于q。从这种意义上说，减少时间片的长度便可改善系统对用户的响应时间。但从另一方面来看，同样一个作业，时间片越小，完成它所需的时间片个数和对换次数就会越多，这无疑会增加系统开销，降低系统效率。

④信息对换量：根据前面的分析，信息的对换时间与信息对换量成正比，在同样的对换速度下，信息的对换量越少，信息的传输时间就越短。反之，对换时间就会越长。

改善响应时间的办法在上述影响响应时间的4个因素中，增加对换速度会受到硬件的限制，减少用户数目将影响系统性能，缩短时间片会降低系统效率。可行的办法是减少信息对换量。减少信息对换量可采用以下两种方法：

①重入码技术：所谓重入码是指被多个作业共享的代码。用重人码技术编制的文件可供多个终端用户共享，而不必让每个用户都自带副本，这样可减少信息对换量。

②虚拟存储技术：虚拟存储技术是一种能自动实现在较小内存中运行较大用户作业的内存管理技术。实现这种技术的主要方法是在外存保留作业的全部副本，而每次调入主存的仅是当前时间片所用到的部分。这样就可大大减少信息对换量。1