Moniajo

Moniajon historia alkaa 1960-luvulta, jolloin osituskäyttöjärjestelmät kehitettiin yksittäisten, kalliiden suurtietokoneiden jakamiseksi.[5]

Varhaiset moniajojärjestelmät käyttivät yhteistyömoniajoa, jonka jälkeen kehitettiin keskeyttävä moniajo.[5] Yhteistyömoniajo riippui ohjelmien vapaaehtoisesta vuoron luovuttamisesta.[5] Keskeyttävässä moniajossa laitteistokeskeytys herättää osan ohjelmakoodia, joka pakottaa vuoron vaihtamiseen.[5]

Osituskäyttöön kehitettyjä järjestelmiä olivat muun muassa Compatible Time-Sharing System ja Dartmouth Time Sharing System, joita seurasivat käyttöjärjestelmät kuten Multics ja OS/360MFT.

Käyttöjärjestelmien vaatimukset vaihtelevat: sulautetuissa järjestelmissä ajetaan lähes aina reaaliaikaista käyttöjärjestelmää, jolla on tarkasti määritellyt kiinteät rajoitteet.[6] Reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän on vastattava määritellyissä rajoissa tai sen katsotaan epäonnistuneen toisin kuin osituskäyttöjärjestelmä, jossa nopea vasteaika on toivottavaa mutta ei pakollista, tai eräajokäyttöjärjestelmä jossa aikarajoja ei ole lainkaan.[6]

NUMA-muistiarkkitehtuurissa tietokone voidaan käsittää koostuvan eri etäisyyksillä olevista moniprosessointia tukevista ”soluista”, jotka on kytketty toisiinsa: eri soluissa olevien suorittimien ja muistin välillä on tietty määrä kaistaa ja etäisyys, joka määrittää muistin käytön nopeuden.[7]

Moniytimillisten suorittimien yleistyttyä moniprosessointia hyödyntävä vuoronnus on kiinnittänyt huomiota välimuistin paikallisuuden ja yhtenäisyyden käsittelyyn.[2]

Muita vaikuttavia parametreja ovat energian tarve sekä lämpörajoitukset.[8][9]

Useimmat oikeaa moniajoa tukevat järjestelmät käyttävät irrottavaa, ennakoivaa tai keskeyttävää (engl. pre-emptive) moniajoa.[10][11][12] Keskeyttävässä moniajossa laitteistokeskeytys herättää osan ohjelmakoodia, joka pakottaa vuoron vaihtamiseen.[5]

Tämän tyyppistä monia käyttävät Unix-tyyppiset käyttöjärjestelmät, mukaan lukien BSD-versiot ja Linux.[13] Linux tukee lisäksi ytimen itsensä keskeyttämistä.[14] FreeBSD:ssä on rajattu ytimen keskeyttäminen mutta suunnitelmissa on tehdä siitä täysin keskeytettävä.[15]

Mikrotietokoneissa tämän tyyppistä moniajoa ovat käyttäneet muun muassa AmigaOS Amiga-tietokoneissa (julkaistu 1985).[16][17]

Myös TRIPOS on käyttänyt irrottavaa moniajoa. IBM siirtyi OS/2:n Warp-versiossa tukemaan ennakoivaa moniajoa.[12]

Yhteistyömoniajo (engl. Cooperative multitasking, Non-preemptive multitasking) missä ohjelmat vapaaehtoisesti jakoivat suoritinaikaa toisille ohjelmille oli käytössä mm. RISC OS-käyttöjärjestelmässä ja Windows 95 -käyttöjärjestelmää edeltävät Windows-käyttöjärjestelmät.

OS X -käyttöjärjestelmää edeltävissä Mac OS -järjestelmissä oli myös yhteistyömoniajo.[17] Microsoft siirtyi ennakoivaan moniajoon Windows NT:ssä ja Apple OS X:ssä (BSD-ydin).

OS/2 oli osittain ennakoivaa moniajoa tukeva (Warp-versiot)[12], mutta osin rajattu yhteistyömoniajoon varhaisissa versioissa.

Varhaisissa tietokonejärjestelmissä oli niin kutsuttua moniohjelmointikäsittelyä (engl. multiprogramming), jossa toiselle ohjelmalle annetaan suoritusaikaa ennen ensimmäisen valmistumista.[18]

Näissä tietokone suorittaa yhtä ohjelmaa kunnes ohjelma pysähtyy odottamaan esimerkiksi laite-IO:ta ja vaihtaa silloin suoritettavaa ohjelmaa.[19]

Joissakin yhteyksissä moniohjelmoinnilla tarkoitetaan myös moniajoa ja eroa moderniin vastineeseen ei tehdä.[20]

Pääartikkeli: Reaaliaikainen käyttöjärjestelmä

Reaaliaikainen käyttöjärjestelmä perustuu takeeseen vasteajan noudattamisesta.[21] Tämän tyyppinen moniajo voi erota teknisesti merkittävästikin, jotta aikarajattu toiminta (engl. deadline) ei ylity missään tilanteessa.

Reaaliaikaisia käyttöjärjestelmiä ovat muun muassa QNX ja VxWorks.

Reaaliaikaiset järjestelmät voidaan jakaa kahteen: pehmeään (toivottu vasteaika) ja kovaan (vaadittu vasteaika).[22] Pehmeässä aikarajan ohittaminen voi olla merkittävä menetys mutta kovassa järjestelmässä epäonnistuminen on katastrofaalinen.[22] Kovan reaaliaikajärjestelmän vasteajat ovat tyypillisesti millisekunteja ja järjestelmän on vastattava ympäristön tapahtumiin.[22] Kovan reaaliaikajärjestelmän vuoronnusta voidaan käyttää myös pehmeään reaaliaikajärjestelmään.[22]

Kovan reaaliaikajärjestelmän vuoronnus voidaan jakaa dynaamiseen ja staattiseen: staattiseen ajoitukseen on tunnettava ennalta parametrit kuten suoritusajat ja aikarajat, mutta suorituksen aikainen kuormitus on pieni.[22]

Kaksi tyypillistä tapaa toteuttaa vuoronnus reaaliaikajärjestelmässä ovat tapahtumapohjainen (engl. event-driven) ja aikajakava (engl. time-sharing):[23]

• tapahtumapohjaisessa tehtäville jaetaan prioriteetit, joista korkeamman tason prioriteetilla olevat suoritetaan ensin
• aikajakavassa (myös nimellä Round-Robin -vuoronnus) suoritusvuoro kiertää listan mukaan, joka sallii jokaiselle tietyn ennalta määritellyn aikajakson (engl. time slice)

Reaaliaikaisessa järjestelmässä vuoronnus voi perustua kiinteän prioriteetin (fixed-priority) tai varhaisin aikaraja ensin (earliest-deadline first) malliin. Moniprosessointia tukevat järjestelmät voivat jakaa mallit globaaleihin, jossa tehtävät voivat käyttää kaikkia resursseja, sekä osioituihin, joissa tehtävät asetetaan kiinteästi tietyille suorittimille.[24]

Reaaliaikaisessa järjestelmässä luotetut sovellukset voivat kytkeä laitteistokeskeytykset pois päältä suojatun alueen käsittelyn ajaksi.[25]

Reaaliaikaisiin käyttöjärjestelmiin on kehitetty useita protokollia prioteettien inversio-ongelman välttämiseksi.[26] Näitä ovat muun muassa Priority Inheritance Protocol (PIP), Priority Ceiling Protocol (PCP) ja Stack Resource Policy (SRP).[26]

• Unix
• Multics