(Ebook) bài giảng hệ điều hành

HỆ ðIỀU HÀNH 6/17/2009 Operating System Tài liệu tham khaûo He:
Slide b ài gi ảng giảng http://fit.hcmup.edu.vn/~haits  ://www.box.net/shared/2v0t4sqeot  http http://www.box.net/shared/2v0t4sqeot
Lê Kh ắc Nhiên Ân áo tr ình ““Hệ Hệ ều hhành ành Khắc Ân,, gi giáo trình điều bbản”, ản”, ðHKHTN TPHCM
Tr ần H ạnh Nhi áo tr ình ““Hệ Hệ ñi ều hhành ành Trần Hạnh Nhi,, gi giáo trình điều nâng cao ”, ðHKHTN TPHCM cao”,   6/17/2009 Operating System * Tổng quan hệ thống máy tính Kiến trúc máy tính gồm phần chính: + HSA (Kiến trúc hệ thống phần cứng) + ISA (Kiến trúc lệnh) 6/17/2009 Operating System Kiến trúc máy tính * Các thành phần hệ thống máy tính: + HSA (Kiến trúc hệ thống phần cứng) Để hoạt động, bắt buộc phải có: • - Hệ thống xử lý • - Hệ thống lưu trữ • - Hệ thống nhập xuất 6/17/2009 Operating System Hệ thống lưu trữ Kiến trúc máy tính  Bộ nhớ (RAM, ROM, Registers, Cache, Port)  Bộ nhớ (HD, FD, CD, DVD, USB disk, ) 6/17/2009 Operating System Kiến trúc máy tính * Các thành phần hệ thống máy tính: + HSA (Kiến trúc hệ thống phần cứng) + ISA (Kiến trúc lệnh) • - Kiểu liệu • - Tập ghi • - Tập lệnh 6/17/2009 Operating System Hệ thống xử lý HSA CPU Các chip xử lý khác Bộ nhớ Hệ thống lưu trữ (RAM, ROM, Thanh ghi, Cache, ) Bộ nhớ (HD, FD, CD, DVD, USB disk, ) Hệ thống nhập xuất (Bàn phím, hình, chuột, loa, micro, modem, máy in, ) Kiểu Dữ Liệu Tập Thanh Ghi ISA Tập Lệnh 6/17/2009 Operating System * Các hệ thống số - Hệ nhị phân (cơ số 2): Hình thức thể hiện: 01001b, 11111001b, 11100b - Hệ thập phân (cơ số 10): Hình thức thể hiện: 9, 249, 28d, - Hệ thập lục phân (cơ số 16): Hình thức thể hiện: 9h, 0F9h, 1Ch, 6/17/2009 Operating System * Các kiểu liệu máy tính - bit: đơn vị lưu trữ nhỏ - Byte: đơn vị truy xuất chương trình - Word: đơn vị truy xuất máy tính (có kích thước phụ thuộc vào CPU & lưu ngược theo đơn vị Byte – xem ví dụ) - Chuỗi ký tự: lưu trữ theo thứ tự bình thường - Số BCD: lưu trữ chữ số số thập phân (hoặc nửa) Byte 6/17/2009 Operating System * Tổ chức liệu nhớ - Byte: đơn vị truy xuất nhớ phần mềm (gồm bit - bit phải bit & bit trái bit 7) - Word: đơn vị truy xuất phần cứng (có kích thước phụ thuộc vào CPU) kiểu liệu phần mềm (có kích thước phụ thuộc vào phần mềm tương ứng) - Chuỗi ký tự: lưu trữ theo thứ tự bình thường - Số nguyên: lưu ngược theo đơn vị Byte (khảo sát ví dụ cụ thể) 6/17/2009 Operating System 10 * Tổ chức ghi: + Khái niệm ghi: - Là vùng nhớ nhỏ lưu liệu chip xử lý - Có tốc độ truy xuất nhanh & tần suất sử dụng cao + Kích thước ghi: Tính theo đơn vị bit – tùy thuộc chức chip Các ghi CPU 8bit có kích thước 8bit, CPU 16bit có kích thước 16bit, CPU 32bit có kích thước 32bit đồng thời có ghi CPU 16 bit + Số lượng ghi: Thường ít, tùy thuộc mức độ xử lý & thiết kế chip CPU Intel 16 bit có 14 ghi, phân thành nhóm 6/17/2009 Operating System 11 * Tổ chức ghi CPU 16 bit: + Nhóm ghi đoạn (Segment register): - CS (Code Segment): lưu số segment chứa CT ngôn ngữ máy - DS (Data Segment): lưu số segment chứa liệu CT - ES (Extra Segment): lưu số segment chứa liệu bổ sung CT - SS (Stack Segment): lưu số segment chứa ngăn xếp CT (Trên CPU 32bit có thêm ghi FS, GS có chức tương tự ES) CT muốn truy xuất vùng nhớ phải đưa số segment vùng nhớ vào ghi đoạn 6/17/2009 Operating System 12 * Tổ chức ghi CPU 16 bit: + Nhóm ghi trỏ & mục (Pointer & Index Reg.) - IP (Instruction Pointer): löu offset ô nhớ chứa lệnh - BP (Base Pointer): lưu offset ô nhớ cần truy xuất - SP (Stack Pointer): lưu offset đỉnh ngăn xếp - SI (Source Index): lưu offset vùng nhớ nguồn cần đọc lên - DI (Destination Index): lưu offset vùng nhớ đích cần ghi xuống Mỗi ghi nhóm phải kèm với ghi nhóm ghi đoạn biểu thị vùng nhớ /ô nhớ cần truy xuất 6/17/2009 Operating System 13 * Tổ chức ghi CPU 16 bit: + Nhóm ghi đa dụng (General Register) - AX (Accumulator Register): lưu liệu số, giá trị mặc định, … - BX (Base Register): đóng vai trò số mảng,, lưu liệu - CX (Count Register): dùng để định số lần lặp - DX (Data Register): lưu liệu /kết tính toán (~AX) Mỗi ghi nhóm cho phép sử dụng đến Byte, cách thay chữ ‘X’ thành chữ ‘H’ để Byte cao, ‘L’ để Byte thấp (AH, BL, CL) 6/17/2009 Xem có thêm ghi Operating System 14 * Tổ chức ghi CPU 16 bit: + Thanh ghi cờ (Flag Register) Không có tên, bit cờ, biểu diễn trạng trái lệnh vừa thực hiện, đặt trạng trái cho lệnh thực 6/17/2009 Operating System 15 * Hệ thống ngắt (Interrupt): + Khái niệm: - Là chương trình (thủ tục /hàm) có sẵn máy - Các hàm ngắt sẵn ROM BIOS mà Hệ Điều Hành bổ sung thêm - Hàm ngắt tên mà thay vào số (0 FF) - Mỗi hàm ngắt lại chứa bên nhiều hàm - Tham số in./output hàm ngắt truyền qua ghi 6/17/2009 Operating System 16 * Hệ thống ngắt (Interrupt): + Phân loại: Ngắt cứng Ngắt Ngắt Ngắt mềm Ngắt người dùng tạo Ngắt hệ thống Ngắt Ngắt BIOS HĐH 6/17/2009 Operating System 17 * Hệ thống ngắt (Interrupt): + Chương trình ngắt: Thường gồm nhiều đoạn chương trình bên trong, đoạn thực công việc cụ thể đó, số đoạn thể AH Khi thân hàm ngắt có dạng (mã giả): switch (AH) { case 0: // haøm break; case 1: // haøm break; case N: // haøm N break; 6/17/2009 Operating System 18 } Một Số Thiết Bị ðĩa mềm
ðĩa cứng
Card hình
6/17/2009 Operating System 19 * Tổ chức liệu đóa từ + Cấu trúc vật lý : - Hình tròn, gồm nhiều mặt, mặt có nhiều đường tròn đồng tâm, đường tròn có cung tròn, thông thường cung chứa 4096 điểm từ (=4096bit = 512 byte) - Mỗi mặt có tương ứng đầu đọc để đọc ghi liệu - Mỗi lần đọc /ghi cung tròn (512 B) - Các cung tròn, đường tròn & đầu đọc (hoặc mặt) có từ gốc tương ứng sector, track (hoặc cylinder) & head - Mỗi lần truy xuất (đọc ghi đóa) thực N sector liên tiếp (N>=1) 6/17/2009 Operating System 20 Sự khác thiết bị I/O (3) • ðộ phức tạp để kiểm sốt: – Máy in so với đĩa • ðơn vị truyền – Có thể truyền theo byte khối (có thể bit) • Biểu diễn liệu – Cơ chế mã hóa • Phát sinh lỗi – Thiết bị khác xử lý lỗi phát sinh khác Kỹ thuật xử lý I/O • Programmed I/O – Tiến trình phải busy-waiting cho thao tác nhập xuất hồn thành • Interrupt-driven I/O – Phát sinh lệnh I/O – Bộ xử lý tiếp tục thực thi thị khác – Module I/O gởi ngắt ñến xử lý hoàn thành thao tác I/O 10 Kỹ thuật quản lý I/O (2) • Direct Memory Access (DMA) – Module DMA ñiều khiển việc chuyển ñổi liệu nhớ thiết bị I/O – Bộ xử lý bị ngắt toàn khối ñã ñược chuyển 11 Lịch sử phát triển quản lý I/O • Bộ xử lý trực tiếp điều khiển thiết bị ngoại vi • Bộ điều khiển (Controller) hay module I/O module ñược thêm vào – Bộ xử lý dùng programmed I/O khơng có hỗ trợ ngắt – Bộ xử lý không cần phải quản lý chi tiết thiết bị ngoại vi 12 Lịch sử phát triển quản lý I/O • Bộ điều khiển module I/O module có hỗ trợ ngắt – Bộ xử lý khơng cần phải bỏ thời gian chờ thao tác I/O thi hành • Direct Memory Access – Khối liệu chuyển vào nhớ mà không cần xử lý xử lý – Bộ xử lý liên quan vào lúc bắt ñầu lúc kết thúc chuyển khối 13 Lịch sử phát triển quản lý I/O • Module I/O xử lý riêng biệt – Có tập lệnh chun biệt • Bộ xử lý I/O – Module I/O có nhớ riêng 14 Các vấn đề thiết kế liên quan đến HðH • Tính hiệu – Hầu hết thiết bị I/O ñều chậm so với nhớ • Sử dụng chế đa chương cho phép vài tiến trình chờ I/O tiến trình khác thi hành – Cơ chế swapping • Bản chất thao tác nhập/xuất 15 Các vấn ñề thiết kế liên quan ñến HðH • Tính tổng quát – Mong muốn xử lý tất thiết bị I/O giống – Che giấu hầu hết chi tiết thiết bị nhận xuất ñể tiến trình (mức cao) xem thiết bị vài chức thông dụng read, write, open, close, lock, unlock 16 Mơ hình lơgic chức nhập xuất • Giao tiếp đơn giản (thiết bị ngoại vi cục bộ) – Logical I/O – Device I/O – Scheduling and Control • Giao tiếp thơng quan cổng kết nối – Communication architecture – Device I/O – Scheduling and Control 17 Mơ hình lơgic chức nhập xuất • Hệ thống tập tin – Directory management – File system – Physical organization – Device I/O – Scheduling and Control 18 Kỹ thuật vùng đệm nhật/xuất • Lý – Các tiến trình phải chờ hồn thành I/O trước xử lý tiếp – Thao tác I/O phải tốn nhớ 20 Kỹ thuật vùng đệm nhật/xuất (2) • Các thiết bị I/O có hai dạng hỗ trợ nhập/xuất bản: – Hướng khối (block – oriented) – Hướng dịng (stream – oriented) • Block-oriented – Thơng tin lưu khối có kích thước cho trước – ðơn vị chuyển khối / lần – Dùng cho đĩa • Stream-oriented – Truyền thơng tin dòng byte – Dùng cho thiết bị ñầu cuối, máy in, chuột, cổng giao tiếp,… 21 Single Buffer • HðH dành riêng vùng đệm nhớ cho thao tác I/O • Block-oriented – Dữ liệu vào ñược chuyển vào vùng ñệm theo ñơn vị khối – Khối chuyển đến cho tiến trình người dùng cần – Khối khác chuyển vào vùng đệm, tiến trình xử lý khối trước • Stream-oriented – Như khối với ñơn vị dòng Một dòng ñược kết thúc dấu CF 22 I/O Buffering 23 Double Buffer • Dùng hai vùng đệm thay • Một tiến trình chuyển liệu vào vùng ñệm hệ ñiều hành truyền thông tin thao tác vùng đệm cịn lại 24 Circular Buffer • Nhiều hai vùng ñệm • Trong trường hợp thao tác nhập xuất gắn liền với tiến trình 25 I/O Buffering 26 Nhắc lại cấu trúc đĩa • Các thành phần ñĩa – – – – – – – platters surfaces tracks sectors cylinders arm heads track sector surface cylinder platter arm head 27 Các tham số liên quan đến hiệu truy xuất đĩa • ðể đọc hay ghi, ñầu ñĩa phải di chuyển ñến track sector tương ứng • Seek time – Thời gian dùng ñể ñịnh vị ñầu ñĩa ñến track mong muốn • Rotational delay rotational latency – Thời gian dùng ñể di chuyển đầu đĩa đến sector tương ứng (vị trí ñầu tiên sector) • Transfer time – Thời gian chuyển liệu (từ vào nhớ chính) 28 Thời gian thi hành tác vụ I/O 29 Tham số hiệu đĩa • Access time = seek time + rotational delay – Thời gian ñể ñặt ñầu ñĩa vị trí để đọc ghi • Dữ liệu chuyển đầu đĩa nằm vị trí sector 30 Chính sách lập lịch đĩa • Mấu chốt Seek time – Vì sao? • Với đĩa số u cầu I/O • Cần có chế xử lý yêu cầu thích hợp  tăng hiệu xử lý I/O 31 Chính sách lập lịch đĩa (2) • First-in, first-out (FIFO) – Xử lý yêu cầu cách – Cơng cho tất tiến trình – Nếu nhiều tiến trình xác suất xem ngẫu nhiên 32 Chính sách lập lịch đĩa (3) • Có ưu tiên – Mục tiêu khơng phải tối ưu ñĩa mà ñể phục vụ cho mục tiêu khác – Các cơng việc có thời gian thi hành ngắn có độ ưu tiên cao – Khả tương tác cao 33 Chính sách lập lịch đĩa (4) • Last-in, first-out – Tốt cho hệ thống xử lý giao dịch (transaction processing system) • Thiết bị ñược giao cho người dùng gần ñây  đầu đọc di chuyển – Có thể xảy tình trạng đói (starvation) 34 Chính sách lập lịch đĩa (5) • First Come, First Service – Phương pháp dễ lập trình khơng cung cấp dịch vụ tốt – Ví dụ: cần phải đọc khối theo thứ tự sau 98 183 37 122 14 75 đầu đọc vị trí 59 – ðầu ñọc ñi qua khối 59 98 183 37 122 12 75 35 Chính sách lập lịch đĩa (6) • Shortest Service Time First (SSTF) – Chọn u cầu I/O mà địi hỏi di chuyển đầu đĩa từ vị trí – Ln ln cho seek time nhỏ – Ví dụ: cần ñọc khối 98 183 37 122 14 124 65 67 Giả sử ñầu ñọc ñang vị trí 53 – ðầu đọc qua khối 53 65 67 37 98 122 124 183 36 Chính sách lập lịch đĩa (7) • SCAN – ðầu ñọc di chuyển theo hướng ñịnh Ví dụ cần ñọc khối 98 183 37 122 14 124 65 67 Giả sử ñầu ñọc vị trí 53 – ðầu đọc qua khối 53 37 14 65 67 98 122 124 183 (theo SCAN định hướng 0) 37 Chính sách lập lịch đĩa (7) • C-SCAN – Như SCAN, giới hạn di chuyển theo chiều – Quay vị trí bắt đầu đụng track xa nhất, khơng cần phải tiếp tục – Ví dụ cần ñọc khối 98 183 37 122 14 124 65 67 Giả sử đầu đọc vị trí 53 – ðầu ñọc qua khối 53 65 67 98 122 124 183 199 14 37 38