bài giảng nguyên lý hệ điều hành - ths. nguyễn đức thuần

nguyên lý hỆ ĐIỀU HÀNH n a u c u h T N D g ThS Nguyễn Đức Thuần Bộ môn Hệ Thống Thông Tin Đ.H THUỶ SẢN Chương 0: Cấu trúc hệ thống máy tính n a u c u h T D g N Cơ chế vận hành hệ thống Một hệ thống thông thường gồm CPU điều khiển thiết bị (BĐKTB - device controller) Các tác vụ CPU BĐKTB thực thi song hành tranh chấp nhớ chia sẻ qua điều khiển đồng memory controller Mỗi BĐKTB phụ trách loại thiết bị cụ thể (video adapter, disk drive, ) Mỗi BĐKTB có buffer riêng CPU chuyển liệu từ nhớ đến buffer riêng BĐKTB ngược lại Dữ liệu tác vụ I/O chuyển từ thiết bị đến buffer riêng BĐKTB tương ứng Mỗi kết thúc tác vụ I/O, BĐKTB thông báo cho CPU cách gây ngắt (interrupts) n a u c u h T D g N Ngaét (interrupts) Ngắt (interrupt) chế cho phép tạm ngưng công việc CPU xử lý để phục vụ yêu cầu khác Khi có ngắt xảy ra, quyền điều khiển chuyển giao cho trình phục vụ ngắt (interrupt service routine) thông qua bảng vector ngắt Các đặc điểm chế ngắt : n a u h T – tăng hiệu suất xử lý công việc – đặc biệt tác vụ I/O – ngắt thường phát khởi thiết bị phần cứng – thực theo chế bất đồng (asynchronously) với process bị ngắt c u D g Trap: ngắt mềm, phát khởi lỗi user yêu cầu Ví dụ: N – Lỗi chia cho (divided-by-zero), memory page fault… Hầu hết OS interrupt-driven operating systems Chu trình thực lệnh n a u c u h T D g N Chu trình lệnh với ngắt quãng n a u c u D g h T CPU kiểm tra ngắt sau lệnh – polling – vectored interrupt system Nếu ngắt, bắt đầu chu kỳ lệnh Nếu có ngắt chờ, tạm ngưng lưu trạng thái chương trình thực thi (Program Check, Program Status Word, ghi liệu, ), chuyển qua thực thi trình điều khiển xử lý ngắt (interrupt handler) N I/O structure Hai phương thức thực I/O Sau bắt đầu tác vụ I/O, quyền điều khiển trả tác vụ I/O hoàn tất n a u – CPU phải chờ đến tác vụ I/O hoàn tất – Trong thời điểm, có nhiều tác vụ I/O thực hiện, không xử lý đồng thời nhiều yêu cầu I/O c u h T Sau bắt đầu tác vụ I/O, quyền điều khiển trả mà không cần chờ hoàn tất tác vụ I/O D g – CPU thực thi lệnh mà chờ đến tác vụ I/O hoàn tất – Trong thời điểm, có nhiều tác vụ I/O thực đồng thời N Hai phương thức I/O Synchronous I/O Asynchronous I/O n a u c u h T D g N Các kỹ thuật thực I/O Programmed I/O (PIO) – Không dùng ngắt, CPU phải chờ tác vụ I/O hoàn tất n a u Interrupt-driven I/O h T – CPU tiếp tục thực thi suốt trình xảy I/O, tác vụ I/O hoàn tất phát ngắt báo hiệu cho CPU c u D g Direct Memory Access (DMA) – Một khối liệu chuyển trực tiếp nhớ thiết bị I/O mà không cần qua CPU N – Thường sử dụng cho thiết bị I/O có tốc độ cao Storage structure Bộ nhớ (main memory): CPU truy cập trực tiếp ghi (registers) nhớ RAM n a u Bộ nhớ phụ (secondary storage): hệ thống lưu trữ thông tin bền vững (nonvolatile storage) Đóa từ (magnetic disks) c u h T – Bề mặt đóa chia thành rãnh (tracks), rãnh chia nhỏ thành cung từ (sectors) D g N – Cylinder: tập track tạo thành hình trụ – Disk controller: điều khiển trình giao tiếp CPU đóa 10 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Lập lịch LOOK – Giống C-SCAN chuyển đến khối xa hướng khơng đến cuối Ví dụ đầu đọc khối 53, cần đọc khối theo thứ tự 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Đầu đọc qua khối 53, 65, 67, 98, 122, 124, 183, 14, 37 – Thích hợp cho hệ thống truy xuất liệu khối lượng lớn n a u c u h T D g N 201 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Quản lý lỗi – Lỗi lập trình: tìm khơng thấy cylinder, sector, head, địa buffer Xử lý kiểm tra tham số, thông báo lỗi – Lỗi checksum tạm thời: gây bụi đầu đọc – Lỗi checksum thường trực: đĩa hư vật lý khối – Lỗi tìm kiếm: seek đầu đọc sai địa – Lỗi điều khiển: điều khiển từ chối thi hành lệnh n a u c u h T D g N 202 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • RAM disk – RAM disk dùng phần nhớ để lưu trữ khối liệu – RAM disk chia làm nhiều khối tùy theo dung lượng yêu cầu cấp phát Mỗi khối có kích thước với khối đĩa – Khi nhận thị đọc/ghi khối, driver tìm nhớ RAM disk vị trí khối, thực đọc/ghi vùng nhớ – RAM disk truy xuất nhanh đĩa vật lý – HĐH phải lưu liệu vào đĩa cứng trước người dùng shutdown 203 n a u c u N D g h T Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Interleave – Khoảng cách sector dùng để đồng chức đọc/ghi liệu đĩa – Interleave xác định trình format đĩa c u n a u h T VD: đĩa có 17 sector/track, interleave=4, sơ đồ sector sau: 1, 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3, 16, 12, 8, 4, 17, 13, 9, Lần 1: 1, 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3, 16, 12, 8, 4, 17, 13, 9, Lần 2: 1, 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3, 16, 12, 8, 4, 17, 13, 9, Lần 3: 1, 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3, 16, 12, 8, 4, 17, 13, 9, Lần 4: 1, 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3, 16, 12, 8, 4, 17, 13, 9, D g N 204 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Cài đặt hệ thống nhập xuất chuẩn (terminal) – Terminal hệ thống nhập xuất (chỉ có bàn phím, hình điều hợp liệu vào ra) – Terminal chuyển liệu Một máy tính liên lạc với nhiều terminal – HĐH chia terminal thành loại: RS-232 ánh xạ nhớ – RS-232: hard-copy, glasstty, Intelligent, blit – Ánh xạ nhớ: ký tự, bit n a u c u h T D g N 205 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Các terminal RS-232 – Thiết bị giao tiếp theo bit với bàn phím, hình – Connector 25 pins: mass, receiver, sender, 22 reserved pins – Data package: start bit-data to be tranfered-end bit(s) – Tốc độ chuyển:1200, 2400, 4800, 9600 bps (bit per second) – Sử dụng chuyển UART gắn card giao tiếp – Hard-copy/glassttys: nhập ký tự từ bàn phím, chuyển cho máy tính, xuất máy in/màn hình – Terminal Intelligent: gửi ký tự ASCII ESC sau ký tự khác để di chuyển trỏ hình – Blit: xử lý mạnh với hình độ phân giải 1024x800 n a u c u h T D g N 206 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Các terminal ánh xạ nhớ – Giao tiếp với máy tính video RAM (không dùng cổng serial) – Chip điều khiển video card lấy thơng tin từ video RAM, tạo tín hiệu video để điều khiển hình – Màn hình tạo tia điện tử quét từ xuống – Bộ điều khiển tín hiệu xác định điểm (pixel) sáng hay tối (đối với hình mono), màu (màn hình màu) – Text mode (mono $B000, màu $B800): 2000 ký tự byte (thuộc tính-chữ), box 9x14, bố trí 25 dịng, 80 cột Graphic mode ($A000): độ phân giải 320x200, 640x480, 800x600, 1027x768 pixels n a u c u h T D g N 207 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Phần mềm nhập cho terminal – Dữ liệu nhập từ bàn phím, chuyển cho ứng dụng – Khi có phím nhấn, ngắt bàn phím báo cho điều khiển biết có ký tự nhập lưu trữ buffer nhớ Bộ điều khiển ánh xạ lại mã ASCII ký tự phím nhấn – Có dạng buffer bàn phím: pool buffer, structred buffer – Một số terminal cần phần mềm echoing điều khiển hiển thị ký tự gõ: mật khẩu, tab, backspace, line feed, carriage return n a u c u h T D g N 208 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Phần mềm xuất cho terminal – Mỗi loại terminal sử dụng phần mềm xuất khác – Terminal RS-232 sử dụng pool buffer chứa liệu xuất: ký tự xuất theo tín hiệu ngắt – Terminal ánh xạ: ký tự xuất lần từ video RAM Các ký tự đặc biệt (backspace, bell, cr, lf ) cập nhật cho phù hợp – Các chức phần mềm soạn thảo hình terminal: di chuyển trỏ, chèn xóa ký tự/dịng, cuộn hình lên xuống, tạo hiệu ứng (tương phản, gạch dưới, nhấp nháy ), tạo/hủy/di chuyển/quản trị cửa sổ n a u c u h T D g N 209 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Cài đặt đồng hồ (timer) – Timer thiết bị phần cứng đặc biệt, không thuộc thiết bị khối (vd đĩa) hay thiết bị (vd bàn phím, hình) – Chức timer • Kiểm sốt thời gian ngày • Phân chia thời gian chia xẻ cho tiến trình sử dụng CPU – Phần mềm đồng hồ hoạt động device driver n a u c u h T D g N 210 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Phần cứng đồng hồ: – Dạng 1: sử dụng điện 110/220v, tạo ngắt theo chu kỳ hiệu điện 50/60 MHz – Dạng 2: dao động thạch anh, đếm ghi • Dưới tác dụng dòng diện, tinh thể thạch anh tạo dao động 5-100 MHz, chuyển cho đếm • Bộ đếm giảm dần sau dao động, tạo ngắt Counter=0 Bộ ghi nạp lại giá trị cho đếm • Khi ngắt đồng hồ kích hoạt, HĐH thực trình xử lý ngắt n a u c u h T D g N 211 Chương 6: Quản lý xuất /nhập Phần mềm đồng hồ – Phần cứng đồng hồ tạo ngắt theo khoảng thời gian đặn – Phần mềm (driver) đồng hồ có nhiệm vụ: Quản lí thời gian ngày Không cho phép tiến trình chạy lâu thời gian cho pheùp Điều phối kế họach sử dụng CPU Cung cấp watchdog timer cho hệ thống n a u c u h T D g N 212 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Quản lý thời gian ngày – Tăng đếm sau nhịp đồng hồ – Vấn đề lưu ý : Kích thước đếm – Các loại đếm: • Bộ đếm nhịp 32 bits: dao động 60MHz bị tràn sau năm • Bộ đếm 64 bits: tốn • Bộ đếm giây 32 bits: 232 lưu 136 năm • Bộ đếm nhịp liên hệ với thời gian khởi động hệ thống n a u c u h T D g N 213 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Quản lý thời gian chạy tiến trình – Khi tiến trình bắt đầu, lập lịch khởi tạo giá trị cho đếm – Giá trị giảm dần sau ngắt đồng hồ – Counter=0, thời gian chạy tiến trình kết thúc Bộ điều khiển đồng hồ yêu cầu lập lịch thiết lập giá trị cho tiến trình khác • Điều phối kế họach sử dụng CPU – Sử dụng timer cục cho tiến trình – Khởi tạo, kích hoạt timer tiến trình bắt đầu – Dừng timer tiến trình kết thúc n a u c u h T D g N 214 Chương 6: Quản lý xuất /nhập • Cung cấp watchdog timer – Một số thiết bị nhập xuất cần đo thời gian đạt đến trạng thái sẵn sàng hoạt động VD: Sau 500 ms từ lúc khởi động, ổ đĩa mềm đạt tốc độ cần thiết cho tác vụ truy xuất – Watchdog timer đếm thời gian cho thiết bị nhập xuất VD: Không tắt motor ổ đĩa mềm, chờ thao tác nhập xuất Q thời gian khơng có yêu cầu truy xuất, tắt motor n a u c u h T D g N 215 ... điều hành Phân loại hệ điều hành Cấu trúc hệ điều hành Lịch sử phát triển hệ điều hành c u n a u h T D g N 16 Chương 1:Tổng quan Hệ điều hành • Khái niệm hệ điều hành – Các thành phần cộng tác Hệ. .. 1:Tổng quan Hệ điều hành 1.3.1 Các thành phần hệ thống gồm: - Quản lý tiến trình – Quản lý nhớ – Quản lý nhớ phụ – Quản lý hệ thống nhập xuất – Quản lý hệ thống tập tin – Hệ thống bảo vệ – Hệ thống... quan Hệ điều hành • Phân loại hệ điều hành – Hệ thống xử lý theo lô (batch) đơn giản – Hệ thống xử lý theo lô đa chương – Hệ thống chia xẻ thời gian – Hệ thống song song – Hệ thống phân tán – Hệ