การจัดการโปรเซสเซอร์ (CPU Scheduling)

1. การจัดการโปรเซสเซอร์

2. การจั ด เวลาซี พี ยู
♦ การจักเวลา CPU เป็ นหลักกาทางานหนึงของ OS ที่ทา
่
ให้ คอมพิวเตอร์ มีความสามารถในการรับโปรแกรมได้
หลายๆๆโปรแกรมในเวลาเดียวกัน
♦ เหตุการณ์ที่ซีพียเู ปลี่ยนจากการทางานหนึงไปยังอีกงาน
่
หนึงเรี ยกว่า การเปลี่ยนสถานะ (context
่
switching)

3. การจั ด เวลาซี พี ยู
ต่ อ
เปาหมาย
้
 ใช้ งานซีพียได้ อย่างเต็มประสิทธิภาพ
ู
สิ่งที่ต้องคานึก
 ในระบบโปรเซสเซอร์ เดียวซีพียจะทางานได้ ครังละ 1 งาน
ู
้
 ถ้ ามีหลายๆ งานจะต้ องเกิดการขอ

4. การทางานของระบบในโปรแกรมเดี ย ว
 ต้ องทางานอย่างไม่ซบซ้ อน
ั
 การทางานทีละโปรแกรมจนเสร็จกระบวนการ
 ทางานตัวเองจนเสร็จ หรื อจนกระทังมีการรออะไรบางอย่าง เช่น
่
I/O
 การรอนี ้ทาให้ ซีพียเู กิดการว่างงานอยูเ่ ฉย

5. การทางานของระบบหลายโปรแกรม
 เสมือนกับหลายโปรแกรมดาเนินไปพร้ อมกัน
 จะไม่ยอมให้ ซีพียเุ กิดการรอ
 โปรเซสใดมีการรอการใช้ อปกรณ์ I/O จะมีการนาออกไปจาก
ุ
ซีพียและนาโปรเซสใหม่เข้ าไปใช้ งานในซีพียแทน
ู
ู

6. การทางานของ CPU

7. ตั ว จั ด การเวลาซี พี ยู
เมื่อใดก็ตามที่ซีพียวาง ระบบปฏิบติการจะต้ องเข้ ามา
ู่
ั
เลือกโปรเซสตัวใดตัวหนึงที่คอยอยูในคิวเข้ ามาใช้ งานซีพียู การ
่
่
เลือกโปรเซสเพ่อเข้ ามาใช้ ซีพียนี ้ จะถูกจัดการด้ วยส่วนที่เรี ยกว่า
ู
ตัวจัดคิวระยะสัน
้
ตัวจัดการ
เวลานี ้จะเลือกโปรเซสที่อยูในหน่วยความจาที่พร้ อมในการเอ็กซิ
่
คิวต์ที่สด เพื่อให้ ครอบครองเวลาซีพียและทรัพยากรที่เกี่ยวข้ อง
ุ
ู
กับโปรเซสนัน
้

8. การให้ สิ ท ธิ ก ารจั ด เวลา
การตัดสินใจของซีพียในการเลือกเอ็กซิคิวต์โปรเซสใด ๆ ขึ ้นอยูกบสถานการณ์
ู
่ ั
ดังนี ้
เมื่อมีการเปลี่ยนสถานะของโปรเซสจากสถานะรัน
ไปเป็ นสถานะ
คอย
เช่น ในสภาวะที่คอยอินพุต เอาต์พต หรื อการคอยให้ โปรเซสลูก
ุ
เสร็จสิ ้นไปก่อน เป็ นต้ น
เมื่อมีการเปลี่ยนสถานะของโปรเซสจากสถานะรัน
ไปเป็ นสถานะ
พร้ อม
เช่น เมื่อมีอินเทอร์ รัพท์เกิดขึ ้น เป็ นต้ น
เมื่อมีการเปลี่ยนสถานะของโปรเซสจากสถานะคอย
ไปเป็ นสถานะ
พร้ อม
เช่น เมื่อการรอคอยอินพุต เอาต์พตเสร็จสิ ้นไปแล้ ว
ุ
เมื่อโปรเซสเสร็จสิ ้นไปแล้ ว

9. ซี พี ยู จ ะมี ก ารสู ญ เสี ย เวลาสาหรั บ งานหลั ก ๆ
งาน คื อ
เก็บค่ารี จิสเตอร์ และสถานะของเครื่ องไว้ ใน
ของ
โปรเซสที่กาลังจะปลดปล่อยซีพียู
คัดเลือกโปรเซสในสถานะพร้ อม เพื่อให้ มาครอบครองซีพียู
โหลดค่ารี จิสเตอร์ และสถานะของเครื่ องจาก
ของ
โปรเซสใหม่

10. อั ล กอริ ทึ ม ของการจั ด เวลา
คอมโพเนนท์ที่สาคัญอีกตัวหนึงที่เกี่ยวข้ องกับฟั งก์ชนในการ
่
ั
จัดเวลาซีพียก็คือ สิ่งที่เรี ยกว่า
ู
ซึงเป็ นโมดูลที่ทาหน้ าที่
่
ควบคุมการ
ครอบครองเวลาซีพียของโปรเซส ฟั งก์ชนนี ้ประกอบด้ วย
ู
ั
การย้ าย
การย้ ายไป
กระโดดไปยังตาแหน่งที่เหมาะสมของโปรแกรม เพื่อที่จะเริ มรัน
โปรแกรมนันใหม่อีกครัง
้
้

11. ตั ว จั ด คิ ว ระยะสั ้น
(SHORT-TERM SCHEDULER)
การคัดเลือกหาโปรเซสที่จะเข้ าไปอยูในสถานะรันเมื่อ
่
ซีพียวางนัน ถือได้ วาเป็ นการจัดสรรซีพียให้ กบโปรเซสต่าง ๆ
ู่ ้
่
ู ั
ซึงเป็ นหน้ าที่ของ OS ส่วนของ OS ที่มีหน้ าที่จดสรร
่
ั
ซีพียเู รี ยกว่า ตัวจัดคิวระยะสัน (Short-term
้
scheduler)

12. ตั ว จั ด คิ ว ระยะสั ้น
(SHORT-TERM SCHEDULER)
การจัดคิวระยะสันมีดงนี ้
้ ั
การจัดเวลาแบบมาก่อนได้ ก่อน
การจัดเวลาแบบงานสันทาก่อน
้
การจัดเวลาตามลาดับความสาคัญ
การจัดเวลาแบบวนรอบ
การจัดเวลาแบบคิวหลายระดับ

13. การจั ด เวลาแบบมาก่ อนได้ ก่ อน
(FCFS : FIRST-COME FIRST-SERVED)
 เป็ นวิธีการที่งายที่สด
่
ุ
 ซึงมีหลักการคือ โปรเซสใดที่ร้องขอใช้ ซีพียก่อน
่
ู
 ได้ รับการจัดสรรให้ ครอบครองเวลาซีพียก่อนซึงการสร้ าง
ู
่
อัลกอริ ทมนี ้ใช้ หลักการของคิวมาก่อนได้ ก่อน (
ึ
 เมื่อมีโปรเซสใดเข้ ามาอยูในคิวแบบนี ้
่
ของงานจะถูกเชื่อม
ไว้ กบหางของคิว เมื่อใดที่ซีพียวางลง โปรเซสใดที่มี
ั
ู่
อยูที่
่
หัวของคิวก็จะถูกนาออกมาจากคิวให้ เข้ าครอบครองเวลาซีพียู
ได้ เลย

14. การจั ด เวลาแบบมาก่ อนได้ ก่ อน
(FCFS : FIRST-COME FIRST-SERVED)…ต่ อ
ข้ อดีคือ การจัดคิวทาได้ ไม่ยงยากซับซ้ อน
ุ่
ตัวอย่ าง การจัดคิวเมื่อมี 3 โปรเซส (A,B,C) ต้ องการใช้ CPU
โปรเซส
ลาดับการ
เข้ าคิว
A
B
C
1
2
3
เวลาที่ต้องการ เวลาที่รออยู่ใน
คิว (วินาที)
cpu
(วินาที)
15
0
1
15
10
16
เวลาเฉลี่ยในการรอ =(11+1+11)/3 = 7.67 วินาที
เวลาที่โปรเซส
ทางานเสร็จ
(วินาที)
0+15=15
15+1=16
16+10=26

15. การจั ด เวลาแบบมาก่ อนได้ ก่ อน
(FCFS : FIRST-COME FIRST-SERVED)…ต่ อ
ถึงแม้ วาลาดับเข้ ามาในคิวอาจจะเป็ น A,B,C แต่การใช้ หลักการ
่
ของการจัดลาดับความสาคัญ จะจัดคิวออกมาในลักษณะดังนี ้
A
B
15
C
16
โปรเซส A ต้ องการรอเวลาในการประมวลผล = 0 วินาที
โปรเซส B ต้ องการรอเวลาในการประมวลผล = 15 วินาที
โปรเซส C ต้ องการรอเวลาในการประมวลผล = 16 วินาที
เวลาเฉลี่ยในการรอ = (0+15+16)/3=10.33 วินาที
26

16. การจั ด เวลาแบบมาก่ อนได้ ก่ อน
(FCFS : FIRST-COME FIRST-SERVED)…ต่ อ
จากตัวอย่างจะพบว่าการจัดแบบ FCFS เป็ นผลเสียอย่างมากกับ
โปรเซส B ต้ องการเวลาในการทางานเพียง 1 วินาที แต่ต้องรอให้ โปรเซส A
ซึงเข้ ามาก่อนทางานเสร็จ
่
เวลาเฉลี่ยในการรอ =(15+16)/3=10.33 วินาที
ทาให้ การทางานของโปรเซส B นันใช้ เวลา 16 วินาทีจงจะเสร็จสิ ้นเทียบ
้
ึ
เวลาในการทางานคือ 1/16*100 = 6%
สาหรับเวลาในการรอคือ 100-6 = 94% ซึงจะเห็นว่าโปรเซส B ต้ อง
่
เสียเวลารอนานมาก

17. งานสั ้น ทาก่ อน
(SHORTEST-JOB FIRST SCHEDULING : SJF )
เป็ นอัลกอริทมมาก่อนบริการก่อนนัน พบว่า ค่าเฉลี่ยของ
ึ
้
เวลาครบวงงาน และค่าเฉลี่ยของเวลารอมีคาสูง โดยเฉพาะกรณีที่
่
ในคิวพร้ อมมีโปรเซสที่ต้องการใช้ ซีพียเู ป็ นเวลาที่แตกต่างกัน
อัลกอริทมของงานสัน
ึ
้
ทาก่อนจะพยายามลดค่าเฉลี่ยของเวลาครบวงงาน และ
ค่าเฉลี่ยของเวลารอ โดยกาหนดให้ โปรเซสที่ต้องการใช้ ซีพียเู ป็ น
ระยะเวลาน้ อยได้ เข้ าใช้ ซีพียก่อนโปรเซสที่ต้องการใช้ ซีพียเู ป็ น
ู
ระยะเวลานาน

18. งานสั ้น ทาก่ อน
(SHORTEST-JOB FIRST SCHEDULING : SJF )…ต่ อ
ตัวอย่ างที่ 1 พิจารณาระบบที่ประกอบด้ วยโปรเซส P1, P2, P3 และ
P4 โดยที่ทกโปรเซสถูกรับเข้ ามาในระบบพร้ อมกัน
ุ
โปรเซส
P1
P2
P3
P4
เวลาที่ต้องการใช้ ซีพียู
6
8
7
3

19. งานสั ้น ทาก่ อน
(SHORTEST-JOB FIRST SCHEDULING : SJF )… ต่ อ




จาก Gantt Chart จะเห็นว่า
โปรเซส P1 ต้ องรอเป็ นเวลา 3 หน่วยเวลา
โปรเซส P2 ต้ องรอเป็ นเวลา 16 หน่วยเวลา
โปรเซส P3 ต้ องรอเป็ นเวลา 9 หน่วยเวลา
โปรเซส P4 ต้ องรอเป็ นเวลา 0 หน่วยเวลา
ค่าเฉลี่ยของเวลาที่ใช้ ในการรอ คือ (3+16+9+0)/4 = 7 หน่วยเวลา

20. ลาดั บ ความสาคั ญ
(PRIORIT Y SCHEDULING)
เป็ นวิธีจดลาดับการใช้ ซีพียโดยกาหนดลาดับความสาคัญ (Priority) ให้
ั
ู
แต่ละโปรเซส โดยระบบจะต้ องกาหนดว่า
 ให้ ตวเลขที่มีคาน้ อยที่สด แสดงถึงลาดับความสาคัญน้ อยที่สด
ั
่
ุ
ุ
 ให้ ตวเลขที่มีคามากที่สด แสดงถึงลาดับความสาคัญมากที่สด
ั
่
ุ
ุ
 ให้ ตวเลขที่มีคาน้ อยที่สด แสดงถึงลาดับความสาคัญมากที่สด
ั
่
ุ
ุ
 ให้ ตวเลขที่มีคามากที่สด แสดงถึงลาดับความสาคัญน้ อยที่สด
ั
่
ุ
ุ

21. ลาดั บ ความสาคั ญ
(PRIORIT Y SCHEDULING)…ต่ อ
โปรเซส
P1
P2
P3
P4
P5
เวลาที่ต้องการใช้ ซีพียู
6
8
7
3
5
ลาดับสาคัญ
3
1
3
4
2

22. ลาดั บ ความสาคั ญ
(PRIORIT Y SCHEDULING)…ต่ อ
เมื่อกาหนดให้ ตัวเลขที่มีคาน้ อยที่สดมีลาดับความสาคัญสูงที่สดการจัดลาดับ
่
ุ
ุ
ของซีพียจะเป็ นไปตามลาดับค่าความสาคัญ คือ P2, P5, P1, P3, P4
ู
การจัดลาดับของซีพียจะเป็ นไปตามลาดับค่าความสาคัญ คือ P2, P5, P1, P3,
ู
P4
Aging คือ การกาหนดให้ มีการเพิ่มค่าของลาดับความสาคัญของทุกโปรเซส
ในระบบเป็ นระยะ

23. การจั ด เวลาแบบวนรอบ
(RR : ROUND-ROBIN SCHEDULING)
การสร้ างระบบการทางานแบบวนรอบ เราจะทาคิวที่พร้ อมทางาน
เป็ นแบบมาก่อนได้ ก่อนไว้ สาหรับเก็บโปรเซส
ต่าง ๆ โปรเซสที่เข้ ามาใหม่จะถูกนามาต่อไว้ ที่หางของคิว ตัวจัด
เวลาจะเลือกเอาโปรเซสที่อยูตรงหัวคิวออกมา แล้ วกาหนดให้
่
หยุดการให้ เวลาซีพียหลังจากนัน ควอนตัม แล้ วนา
ู
้
โปรเซสออกไปต่อที่หางคิว ถ้ าหากว่าโปรแกรมยังไม่สิ ้นสุดการ
ทางาน โปรเซสบางโปรเซสอาจต้ องการใช้ ซีพียน้อยกว่า
ู
ควอนตัม ก็จะออกจากการครอบครองซีพียู เพื่อให้ โปรเซสอื่นที่อยู่
หัวคิวเข้ ามาทางานต่อไป

24. การจั ด เวลาแบบวนรอบ
(RR : ROUND-ROBIN SCHEDULING)…ต่ อ
ตัวอย่ าง การจัดคิวแบบ RR เมื่อมี 3 โปรเซส (A,B,C) ต้ องการใช้ CPU โดยมี
เวลาควัมตันเป็ น 1 วินาที
โปรเซส ลาดับการ เวลาที่ต้องการ เวลาที่รออยู่ใน เวลาที่โปรเซส
เข้ าคิว
คิว (วินาที)
ทางานเสร็จ
cpu
(วินาที)
(วินาที)
A
1
15
11
15+11=26
B
2
1
1
1+1=2
C
3
10
11
10+11=21
เวลาเฉลี่ยในการรอ = (11+1+11)/3 = 7.57 วินาที

25. การจั ด เวลาแบบวนรอบ
(RR : ROUND-ROBIN SCHEDULING)…ต่ อ
A B C A C A C A C A C A C A C A C A C A C A A A A A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

26. การจั ด เวลาแบบวนรอบ
(RR : ROUND-ROBIN SCHEDULING)
จากตัวอย่างจะเห็นว่าการทางานแบบ RR จะเป็ นประโยชน์ตอ
่
โปรเซส B หรื อโปรเซสที่ต้องการเวลาในการใช้ CPU น้ อยแต่เข้ าคิวมาทีหลัง
ในทางตรงกันข้ ามจะเกิดผลเสียต่อโปรเซส A หรื อโปรเซสที่ต้องการ
เวลาในการใช้ CPU มากประสิทธิภาพของการวนรบขึ ้นอยูกบการกาหนด
่ ั
ขนาดของควันตัมเป็ นอย่างยิง
่
ถ้ าขนาดของควันตัมใหญ่หรื อนานเกินไป ประสิทธิภาพของการวนรอบ
ก็จะใกล้ เคียงกับแบบมาก่อนได้ ก่อน
ถ้ าขนาดของควันตัมเล็กเกินไป ระยะเวลาที่ใช้ ในการทางานของระบบ
(throughput) ก็จะช้ าลง

27. ตั ว อย่ า ง
จงหาค่าเฉลี่ยทัง้ 3 วิธี คือ FCFS,SJF และ RR เวลาควอนตัม = 10
โปรเซส
เวลา
A
B
C
D
E
10
29
3
7
12

28. เฉลย
A
0
B
10
C
20 23
D
E
30
RR
เวลาในการรอ
A=0
B=10
C=20
D=10+10+3=23
E=10+10+3+7=30
(0+10+20+23+30)/5
=16.6
B
40
E
50 52
B
61
เวลาเฉลี่ยในการทางานเสร็จ
A=0+10=10
B=10+29=39
C=20+3=23
D=23+7=30
E=30+12=42
10+39+23+30+42/5
=28.8

29. การจั ด ตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชั ้น
(MULTILEVEL QUEUE SCHEDULING)
ถูกสร้ างขึ ้นมาเพื่อใช้ กบสถานการณ์ที่สามารถจัดแบ่งกระบวนการที่
ั
เข้ ามาทางานในระบบออกเป็ นกลุม หรื อประเภทที่แตกต่างกันได้ เช่น เราอาจ
่
แบ่งกระบวนการที่เข้ ามาทางานในระบบออกเป็ นกลุม หรื อประเภทที่แตกต่าง
่
กันได้ เช่น เราอาจแบ่งกระบวนการออกเป็ น 2 ประเภทขันต้ น คือ
้
กระบวนการที่ทางานแบบโต้ ตอบ (interactive) และกระบวนการที่
ทางานแบบกลุม (batch) ซึงการทางานของกระบวนการ 2 ประเภทนี ้
่
่
ต้ องการเวลาในการโต้ ตอบแตกต่างกัน และความต้ องการในการจัดตาราง
การทางานก็ตางกันด้ วย นอกจากนันแล้ วกระบวนการที่ทางานแบบโต้ ตอบ
่
้
จะมีลาดับสาคัญกว่ากระบวนการที่ทางานแบบกลุม
่

30. การจั ด ตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชั ้น
(MULTILEVEL QUEUE SCHEDULING)…ต่ อ
ขันตอนวิธีในการจัดตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชันนี ้ เริ่มจากการจัด
้
้
แถวพร้ อมของระบบออกเป็ นหลาย ๆ แถวแยกจากกัน ดังแสดงในรูป

31. การจั ด ตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชั ้น
(MULTILEVEL QUEUE SCHEDULING)…ต่ อ
และกระบวนการที่เข้ าสูระบบก็จะถูกกาหนดให้ เข้ าแถวที่แน่นอนตายตัว เพื่อเข้ า
่
ไปใช้ หน่วยประมวลผลกลาง ภายในแถวพร้ อมแต่ละแถวก็จะมีการจัดตารางการทางาน
ของแต่ละแถวต่างหาก ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่แบ่งแถวพร้ อมออกเป็ น 2 แถว สาหรับ
กระบวนการที่ทางานแบบโต้ ตอบ และกระบวนการที่ทางานแบบกลุม โดยที่ภายในแถว
่
พร้ อมของการทางานแบบโต้ ตอบอาจมีการจัดตารางการทางานแบบเวียนเทียน และแถว
พร้ อมของการทางานแบบกลุมอาจมีการจัดตารางการทางานแบบมาก่อน-ได้ ก่อน
่
นอกจากนันก็จะต้ องมีการจัดตารางการทางานระหว่างแถวพร้ อมเหล่านันด้ วย
้
้
โดยทัวไป จะใช้ การจัดตารางการทางานแบบศักดิ์สงได้ ก่อน ชนิดที่ให้ แทรกกลางคันได้ เช่น
่
ู
แถวสาหรับกระบวนการที่ทางานแบบโต้ ตอบ จะมีศกดิ์สงกว่าแถวสาหรับกระบวนการที่
ั ู
ทางานแบบกลุม
่

32. การจั ด ตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชั ้น
(MULTILEVEL QUEUE SCHEDULING)…ต่ อ
สมมติวาในระบบมีแถวพร้ อมอยู่ 5 แถว ดังนี ้
่





งานของระบบ (system processes)
งานแบบโต้ ตอบ (interactive processes)
งานแก้ ไขข้ อมูล (interactive edition processes)
งานแบบกลุม (batch processes)
่
งานของนักศึกษา (student processes)

33. การจั ด ตารางการทางานแบบแถวคอยหลายชั ้น
(MULTILEVEL QUEUE SCHEDULING)…ต่ อ
โดยแถวบนจะมีศกดิ์สงกว่าแถวล่าง ดังนัน กระบวนการที่ทางานแบบกลุม
ั ู
้
่
จะสามารถทางานได้ ตอเมื่อกระบวนการที่อยูในแถวพร้ อมของงานระบบ , งาน
่
่
โต้ ตอบ และ งานแก้ ไขข้ อมูล ได้ ทางานจนเสร็จสมบูรณ์แล้ ว และในกรณีที่มี
กระบวนการใหม่เข้ ามาสูแถวพร้ อมของงานแก้ ไขข้ อมูล ในขณะที่กระบวนการแบบ
่
กลุมกาลังทางานอยู่ กระบวนการที่ทางานแบบกลุมจะถูกแทรกกลางคันทันที หรื อ
่
่
อาจจัดแบ่งเวลาของหน่วยประมวลผลให้ แต่ละแถว โดยที่แต่ละแถวก็จะไปจัดแบ่งปั น
เวลาที่ได้ รับกันเอง เช่น แถวพร้ อมของการทางานแบบโต้ ตอบอาจจะได้ รับช่วงเวลาใน
การใช้ งานหน่วยประมวลผลกลางถึง 80 % ในขณะที่แถวพร้ อมของการทางานแบบ
กลุมจะได้ รับช่วงเวลาดังกล่าวเพียง 20 %
่