1. Sistemas Operativos
Planificación de la CPU

2. 1 Introducción
• La planificación de la CPU es la base de los
sistemas operativos multiprogramados.
• Mediante la conmutación de la CPU entre
distintos procesos, el sistema operativo puede
hacer que la computadora sea más
productiva.

3. 1 Introducción
• Debemos considerar el problema de
seleccionar el mejor algoritmo para
un sistema particular.

4. 2 Conceptos básicos
• En un sistema monoprocesador, sólo puede
ejecutarse un proceso cada vez
• Cualquier otro proceso tendrá que esperar
hasta que la CPU quede libre y pueda volver a
planificarse.
• El objetivo de la multiprogramación es tener
continuamente varios procesos en
ejecución, con el fin de maximizar el uso de la
CPU.

5. 2 Conceptos básicos
• Un proceso se ejecuta hasta que tenga que
esperar, normalmente porque es necesario
completar alguna solicitud de E/S.
• La CPU permanecería entonces inactiva y todo
el tiempo de espera se desperdiciaría al no
realizar ningún trabajo útil.
• Con la multiprogramación, se usa ese tiempo
de forma productiva.

6. 2 Conceptos básicos
• Se mantienen varios procesos en
memoria a la vez.
• Cuando un proceso tiene que esperar, el
sistema operativo le retira el uso de la
CPU a ese proceso y se lo cede a otro
proceso.

7. 2 Conceptos básicos
• La CPU es uno de los principales
recursos de la computadora, así que
su correcta planificación resulta
crucial en el diseño del sistema
operativo.

8. 2 Conceptos básicos
THREADS (o hilos):
• En los sistemas operativos tradicionales, cada
proceso tiene su propio espacio de direcciones y un
único flujo (hilo) de control.
• Hay situaciones en las que es deseable contar con
múltiples hilos de control (threads) en el mismo
espacio de direcciones ejecutándose paralelamente
• Son como procesos separados (excepto que
comparten el mismo espacio de direcciones).

9. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
La ejecución de un proceso consta de:
• Un ciclo de ejecución en la CPU.
• Seguido de una espera de E/S

10. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• Los procesos alternan entre estos dos estados.
• La ejecución del proceso comienza con una
ráfaga de CPU.
• Esta va seguida de una ráfaga de E/S.
• A la cual sigue otra ráfaga de CPU, luego otra
ráfaga de E/S, etc.
• Finalmente, la ráfaga final de CPU concluye con
una solicitud al sistema para terminar la
ejecución.

11. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• La duración de las ráfagas de CPU
varían enormemente de un
proceso a otro y de una
computadora a otra.

12. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• Cuando la CPU queda inactiva, el
sistema operativo debe seleccionar uno
de los procesos que se encuentran en la
cola de procesos preparados para
ejecución.
• El planificador a corto plazo (o
planificador de la CPU) lleva a cabo esa
selección del proceso.

13. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• El planificador elige uno de los procesos
que están en memoria preparados para
ejecutarse y asigna la CPU.
• Todos los procesos de la cola de
procesos preparados se ponen en fila
esperando ejecutarse en la CPU.
• En las colas, generalmente, se
almacenan bloques de control de
proceso (PCB)

14. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S

15. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• El proceso (a), invierte la mayor parte de su
tiempo computando. se dice que es intensivo
en computación (CPU-bound).
• El proceso (b), invierte la mayor parte de su
tiempo esperando por la terminación de
operaciones de E/S. Se dice que es intensivo
en E/S (I/O-bound).

16. 3 Ciclo de ráfagas de CPU y de E/S
• A medida que las CPUs se hacen más
rápidas, los procesos tienden a ser más
intensivos en E/S.
• Este efecto se produce debido a que las
CPUs se están mejorando mucho más
rápido que los discos.

17. 4 Planificación apropiativa
• Puede ser necesario tomar
decisiones sobre planificación de
la CPU en las siguientes cuatro
circunstancias:

18. 4 Planificación apropiativa
1 - Cuando un proceso cambia del
estado de ejecución al estado de
espera.
• Por ejemplo, como resultado de una solicitud de
E/S.

19. 4 Planificación apropiativa
2 - Cuando un proceso cambia del
estado de ejecución al estado
preparado.
• Por ejemplo, cuando se produce una
interrupción.

20. 4 Planificación apropiativa
3 - Cuando un proceso cambia del
estado de espera al estado
preparado.
• Por ejemplo, al completarse una
operación de E/S.

21. 4 Planificación apropiativa
4 - Cuando un proceso termina.

22. 4 Planificación apropiativa
En las situaciones 1 y
4, tenemos solo una opción:
• debe seleccionarse un nuevo
proceso para su ejecución
(si existen procesos en la cola
de preparados)

23. 4 Planificación apropiativa
En las situaciones 2 y 3:
• existe la opción de planificar
un nuevo proceso o no.

24. 4 Planificación apropiativa
Cuando las decisiones de
planificación sólo se dan en las
circunstancias 1 y 4, decimos que el
esquema de planificación es sin
desalojo o cooperativo; en caso
contrario, se trata de un esquema
apropiativo.

25. 4 Planificación apropiativa
Planificación sin desalojo:
Una vez que se ha asignado la CPU a
un proceso, este se mantiene en la
CPU hasta que ésta es liberada, por
la terminación del proceso o bien por
la conmutación al estado de espera.

26. 4 Planificación apropiativa
Planificación apropiativa:
• Tiene un coste asociado con el
acceso a los datos compartidos.
• Afecta al diseño del kernel del
sistema operativo.
• Coste del cambio de contexto.

27. 5 Despachador
• El despachador es el módulo que
proporciona el control de la CPU a
los procesos seleccionados por el
planificador a corto plazo.

28. 5 Despachador
• El despachador debe ser lo más
rápido posible, ya que se invoca en
cada conmutación de proceso.
• El tiempo que tarda el despachador
en detener un proceso e iniciar la
ejecución de otro se conoce como
latencia de despacho.

29. 6 Criterios de planificación
• Los diferentes algoritmos de planificación
tienen distintas propiedades
• La elección de un algoritmo en particular
puede favorecer una clase de procesos
sobre otros.
• Para decidir qué algoritmo utilizar en una
situación particular, debemos considerar las
propiedades de los diversos algoritmos.

30. 6 Criterios de planificación
Criterios:
• Utilización de la CPU.
• Tasa de procesamiento.
• Tiempo de ejecución o retorno.
• Tiempo de espera.
• Tiempo de respuesta.

31. 6 Criterios de planificación
Utilización de la CPU.
• Deseamos mantener la CPU tan
ocupada como sea posible.
• La utilización de CPU se define en un
rango que va del 0% al 100 %.
• En un sistema real, debe variar entre el
40% (sistema ligeramente cargado) y el
90% (sistema intensamente utilizado).

32. 6 Criterios de planificación
Tasa de procesamiento.
• Es una medida de la cantidad de trabajo de
la CPU.
• Es el número de procesos que se
completan por unidad de tiempo.
• Para procesos de larga duración, este valor
puede ser de un proceso por hora; para
transacciones cortas, puede ser de 10
procesos por segundo.

33. 6 Criterios de planificación
Tiempo de ejecución o retorno.
• A un proceso individual, le importa cuánto tarda en
ejecutarse.
• Es el intervalo que va desde el instante en que se ordena su
ejecución hasta el instante en que se completa.
• Ese tiempo de ejecución es la suma de los períodos que el
proceso invierte en:
– esperar para cargarse en memoria
– esperar en la cola de preparados
– ejecutarse en la CPU
– realizar las operaciones de E/S.

34. 6 Criterios de planificación
Tiempo de espera.
• Es la suma de los períodos invertidos en
esperar en la cola de procesos preparados.
• El algoritmo de planificación de la CPU no
afecta a la cantidad de tiempo durante la
que un proceso se ejecuta o hace una
operación de E/S; afecta sólo al período de
tiempo que un proceso invierte en esperar
en la cola de procesos preparados.

35. 6 Criterios de planificación
Tiempo de respuesta.
• Es el tiempo que el proceso tarda en
empezar a responder, no el tiempo que
tarda en enviar a la salida toda la
información de respuesta.
• Generalmente, el tiempo de respuesta
está limitado por la velocidad del
dispositivo de salida.

36. 7 Algoritmos de planificación
Planificación de la CPU:
• Es decidir a qué proceso de la cola de
procesos preparados debe
asignársele la CPU.

37. 7.1 Planificación FCFS
FCFS
• First-come first-served.
• primero en llegar, primero en ser
servido.

38. 7.1 Planificación FCFS
• Es el algoritmo más simple de
planificación de la CPU.
• Con este esquema, se asigna primero
CPU al proceso que primero la
solicite.

39. 7.1 Planificación FCFS
• Es No Apropiativo o Cooperativo.
• Una vez que la CPU ha sido asignada
a un proceso, dicho proceso
conserva la CPU hasta que termina
su ejecución o éste realiza una E/S.

40. 7.1 Planificación FCFS
• El tiempo medio de espera con el
algoritmo FCFS es a menudo
bastante largo.

41. 7.1 Planificación FCFS
• Al alternarse con este algoritmo
procesos intensivos en CPU (ráfagas
largas de CPU y pocas E/S) con procesos
intensivos en E/S (ráfagas cortas de CPU
y muchas E/S), puede producirse el
llamado “efecto convoy”.

42. 7.2 Planificación SJF
SJF
• Shortest-job-first.
• El trabajo mas corto primero

43. 7.2 Planificación SJF
• Asocia a cada proceso la duración
de su siguiente ráfaga de CPU.
• Cuando la CPU está disponible, se
asigna al proceso que tiene la
siguiente ráfaga de CPU más corta.
• Si las siguientes ráfagas de CPU de
dos procesos son iguales, se usa
FCFS para romper el empate.

44. 7.2 Planificación SJF
• SJF es óptimo, en el sentido que
proporciona el tiempo medio de espera
mínimo para un conjunto de procesos
dado.
• Anteponer un proceso corto a uno largo
disminuye el tiempo de espera del proceso
corto en mayor medida de lo que
incrementa el tiempo de espera del proceso
largo.
• Así, el tiempo medio de espera disminuye.

45. 7.2 Planificación SJF
• La dificultad real del algoritmo SJF es
conocer la duración de la siguiente
solicitud de CPU.
• podemos no conocer la duración de la
siguiente ráfaga de CPU, pero podemos
predecir su valor, confiando en que la
siguiente ráfaga será similar en duración
a las anteriores.

46. 7.2 Planificación SJF
• Generalmente, para poder
predecir la siguiente ráfaga de
CPU se define:
τn+1 = α tn + (1 - α) τn

47. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• τn+1 es el valor predicho para la
siguiente ráfaga de CPU

48. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• tn es la duración de la n-ésima
ráfaga de CPU (última ráfaga
conocida)

49. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• τn es la duración promedio
histórica de las ráfagas de CPU.

50. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• α es un parámetro que controla el
peso relativo del historial reciente y
pasado de nuestra predicción.
• Siempre 0 ≤ α ≤ 1

51. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• Si α = 0, entonces τn+1 = τn y se toma en
cuenta el historial y las ráfagas recientes no
tienen efecto.
• si α = 1, entonces τn+1 = tn y sólo la ráfaga de
CPU más reciente importa.

52. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• Frecuentemente, α = ½, en cuyo
caso, el historial reciente y
pasado tienen el mismo peso.

53. 7.2 Planificación SJF
τn+1 = α tn + (1 - α) τn
• El valor inicial τ0 puede definirse como
una constante o como un promedio
global para todo el sistema.

54. 7.2 Planificación SJF
• El algoritmo SJF puede ser cooperativo o
apropiativo.
• La planificación SJF apropiativa a veces se
denomina planificación con selección
del proceso con tiempo restante más
corto (SRTJF - Shortest Remaining Time
Job First).

55. 7.3 Planificación por prioridades
• A cada proceso se le asocia una prioridad
y la CPU se asigna al proceso que tenga la
prioridad más alta.

56. 7.3 Planificación por prioridades
• La planificación por prioridades puede
ser apropiativa o cooperativa.
• Los procesos con la misma prioridad se
planifican en orden FCFS.

57. 7.3 Planificación por prioridades
• Generalmente, las prioridades se indican
mediante un rango de números
fijo, como por ejemplo de 0 a 7, o de 0 a
4095.

58. 7.3 Planificación por prioridades
• No existe un acuerdo general sobre si 0
es la prioridad más alta o la más baja.
• Algunos sistemas usan los números bajos
para representar una prioridad baja.
• Otros, emplean números bajos para
especificar una prioridad alta.

59. 7.3 Planificación por prioridades
• Las prioridades pueden definirse
interna o externamente.

60. 7.3 Planificación por prioridades
• Para calcular las prioridades de manera
interna se han usado en diversos
sistemas magnitudes tales como:
– los límites de tiempo
– los requisitos de memoria
– el número de archivos abiertos
– y la relación entre la ráfaga de E/S
promedio y la ráfaga de CPU promedio.

61. 7.3 Planificación por prioridades
• Las prioridades definidas externamente se
establece en función de criterios externos
al sistema operativo, como por ejemplo:
– la importancia del proceso
– el coste monetario de uso de la computadora
– el departamento que patrocina el trabajo
– otros factores, a menudo de carácter político.

62. 7.3 Planificación por prioridades
• Un problema importante de los algoritmos de
planificación por prioridades es el bloqueo
indefinido o muerte por inanición.
• Un proceso que está preparado para
ejecutarse pero está esperando a acceder a la
CPU puede considerarse bloqueado.
• Un algoritmo de planificación por prioridades
puede dejar a algunos procesos de baja
prioridad esperando indefinidamente.

63. 7.3 Planificación por prioridades
• Una solución al problema del bloqueo
indefinido de los procesos de baja prioridad
consiste en aplicar mecanismos de
envejecimiento.
• Esta técnica consiste en aumentar
gradualmente la prioridad de los procesos
que estén esperando en el sistema durante
mucho tiempo.

64. 7.4 Planificación por turnos
• Tambien conocida como:
Round Robin (RR)

65. 7.4 Planificación por turnos
• Es similar a la planificación
FCFS, pero se añade la técnica de
desalojo para conmutar entre
procesos.

66. 7.4 Planificación por turnos
• Se define una pequeña unidad de
tiempo, denominada cuanto de
tiempo (o quantum)
• Generalmente, el quantum se
encuentra en el rango
comprendido entre 10 y 100
milisegundos.

67. 7.4 Planificación por turnos
• El planificador de la CPU recorre
la cola de procesos
preparados, asignando la CPU a
cada proceso durante un
intervalo de tiempo de hasta 1
cuanto de tiempo.

68. 7.4 Planificación por turnos
• El tamaño del cuanto de tiempo
define la frecuencia de cambios
de contexto

69. 7.4 Planificación por turnos

70. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Se ha desarrollado para aquellas
situaciones en las que los procesos
pueden clasificarse fácilmente en
grupos diferentes.

71. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Una clasificación habitual consiste en
diferenciar entre procesos de primer
plano (interactivos) y procesos de
segundo plano (por lotes).

72. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Estos dos tipos de procesos tienen
requisitos diferentes de tiempo de
respuesta.
• Por tanto, pueden tener distintas
necesidades de planificación.

73. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Además, los procesos de primer
plano pueden tener prioridad
(definida externamente) sobre los
procesos de segundo plano.

74. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Un algoritmo de planificación
mediante colas multinivel divide la
cola de procesos preparados en
varias colas distintas.

75. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Los procesos se asignan
permanentemente a una
cola, generalmente en función de
alguna propiedad del proceso.
• Cada cola tiene su propio algoritmo
de planificación.

76. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Además, debe definirse una
planificación entre las colas, la cual
suele implementarse como una
planificación apropiativa y prioridad
fija.
• Por ejemplo, la cola de procesos de
primer plano puede tener prioridad
absoluta sobre la cola de procesos de
segundo plano.

77. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
• Otra posibilidad consiste en repartir
el tiempo entre las colas. En este
caso, cada cola obtiene una cierta
porción del tiempo de CPU, con la
que puede entonces planificar sus
distintos procesos.

78. 7.5 Planificación mediante colas
multinivel
Por ejemplo, en el caso de la colas de
procesos de primer plano y segundo
plano:
• La cola de primer plano puede disponer
del 80% del tiempo de CPU para
planificar por tumos sus procesos
• La cola de procesos de segundo plano
recibe el 20% del tiempo de CPU para
gestionar sus procesos mediante FCFS.

79. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas
• Este algoritmo de permite mover un proceso de
una cola a otra.
• La idea es separar los procesos en función de las
características de sus ráfagas de CPU.
• Si un proceso utiliza demasiado tiempo de CPU,
se pasa a una cola de prioridad más baja.
• Este esquema deja los procesos limitados por
E/S y los procesos interactivos en las colas de
prioridad más alta.

80. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas
• Por ejemplo, considere un planificador
de colas multinivel realimentadas con
tres colas numeradas de 0 a 2:
• En primer lugar, el planificador ejecuta
todos los procesos de la cola 0.
• Sólo cuando la cola 0 esté vacía
ejecutará procesos de la cola 1.

81. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas
• De forma similar, los procesos de la cola
2 solo se ejecutarán si las colas 0 y 1
están vacías.
• Un proceso que llegue a la cola 1
desalojará a un proceso de la cola 2 y
ese proceso de la cola 1 será, a su
vez, desalojado por un proceso que
llegue a la cola 0.

82. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas
• En general, un planificador mediante
colas multinivel realimentadas se
define mediante los parámetros
siguientes:

83. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas

84. 7.6 Planificación mediante colas
multinivel realimentadas
• El algoritmo de planificación de cada cola.
• El método usado para determinar cuándo pasar
un proceso a una cola de prioridad más alta.
• El método usado para determinar cuándo pasar
un proceso a una cola de prioridad más baja.
• El método usado para determinar en qué cola
se introducirá un proceso cuando haya que
darle servicio.