Giáo trình môn học nguyên lý hệ điều hành nghề quản trị mạng trình độ cao đẳng nghề (phần 1)

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mơn học: Ngun lý hệ điều hành NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGH (Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25/02/2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề) Hà Nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MÃ TÀI LIỆU: MH 10 LỜI GIỚI THIỆU Trong hệ thống kiến thức chuyên ngành trang bị cho sinh viên nghề Quản trị mạng máy tính, mơn học Nguyên lý hệ điều hành góp phần cung cấp nội dung liên quan đến việc mô tả phương pháp giải toán điều khiển hoạt động hệ thống máy tính Các nội dung trình bày tài liệu gồm chương: -Giới thiệu chung hệ điều hành - Điều khiển liệu - Điều khiển nhớ - Điều khiển CPU Tiến trình - Hệ điều hành đa xử lý Mặc dầu có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi khiếm khuyết, mong nhận đóng góp ý kiến độc giả để giáo trình hoàn thiện Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ biên Ths Nguyễn Văn Hưng CN Trương Văn Hiền M CL C L I GI I THI U CH NG 1:GI I THI U CHUNG V H I U HÀNH Khái ni m v h i u hành 1.1 Tài nguyên h th ng 1.2 Khái ni m h i u hành 10 Phân lo i h i u hành 11 2.1 Các thành ph n c a h i u hành 11 2.2 Phân lo i h i u hành 13 2.3 Tính ch t c b n c a h i u hành 15 2.4 Phân l p ch ng trình thành ph n i u n 16 2.5 Ch c n ng c b n c a h i u hành 17 2.6 Nhân c a h i u hành, t i h i u hành 20 S l c l ch s phát tri n c a H H 22 M c tiêu: n m c l ch s phát tri n h i u hành 22 CÂU H I VÀ BÀI T P 24 CH NG 2: I U KHI N D LI U 25 Các ph ng pháp t ch c truy nh p d li u 26 1.1 Các ph ng pháp t ch c d li u 26 1.2 Các ph ng pháp truy nh p d li u 28 1.3 Ch c n ng c a h th ng i u n d li u 29 B n ghi kh i 30 2.1 B n ghi lôgic b n ghi v t lý 30 2.2 K t kh i tách kh i 31 i u n buffer 33 3.1 Vai trò c a buffer 33 3.2 S d ng buffers 34 3.3 i u n buffer (vào d li u) 35 Quy trình i u n chung vào 37 4.1 Các kh i i u n d li u 37 4.2 Ví d v s chung i u n vào h i u hành 37 T ch c l u tr d li u b nh 38 M c tiêu: N m c cách th c t ch c l u tr d li u, ph ng pháp qu n lý b nh 38 5.1 Các khái ni m c b n 38 5.2 Các ph ng pháp qu n lý không gian t 39 5.3 Các ph ng pháp c p phát không gian t 41 5.4 L p l ch cho a 44 5.5 H file 44 CÂU H I VÀ BÀI T P 45 CH NG 3: I U KHI N B NH 47 Qu n lý b o v b nh 47 1.1 M t s khái ni m liên quan n b nh 47 1.2 Qu n lý phân ph i b nh V n b o v b nh 48 i u n b nh liên t c theo a toán 50 2.1 Chi n l c gi i h n t nh (c n c nh) 50 2.2 Chi n l c gi i h n ng (c n thay i) 51 2.3 Cách th c Overlay swapping 53 2.4 Các ph ng th c phân ph i vùng nh (first fit, best fit, worst fit) 55 i u n b nh gián o n 56 3.1 T ch c gián o n 56 3.2 Phân o n 58 3.3 Phân trang 62 3.4 K t h p phân o n phân trang 65 CÂU H I VÀ BÀI T P 67 CH NG 4: I U KHI N CPU, I U KHI N QUÁ TRÌNH 68 Các khái ni m c b n 68 1.1.Khái ni m trình 68 1.2 Quan h gi a trình 69 Tr ng thái c a trình 70 2.1.S không gian tr ng thái (SNAIL) 70 2.2 M t s kh i i u n trình 72 i u ph i trình 73 3.1 Nguyên t c chung 73 3.2 Các trình l p l ch (long term, short term) 73 Các thu t toán l p l ch 74 4.1 First Come First Served (FCFS) 74 4.2 Shortest Job First (SJF) 74 4.3 Shortest Remain Time (SRT) 76 4.4 Round Robin (RR) 77 4.5 Multi Level Queue (MLQ) 78 4.6 Multi Level Feedback Queues (MLFQ) 79 H th ng ng t 80 5.1 Khái ni m ng t 80 5.2 X lý ng t 81 Hi n t ng b t c 83 6.1 Khái niệm bế tắc 83 6.2 Các biện pháp phòng tránh bế tắc 84 6.3 Phát hi n b t c 84 6.4 X lý b t c 85 6.5 K t lu n chung v phòng tránh b t c 85 CÂU H I VÀ BÀI T P 87 CH NG 5: H I U HÀNH A X LÝ 88 H i u hành a x lý t p trung 89 1.1 H th ng a x lý 89 1.2 H i u hành a x lý t p trung 91 H i u hành a x lý phân tán 93 2.1 Gi i thi u h phân tán 93 2.2 c i m h phân tán 93 CÂU H I VÀ BÀI T P 94 TÀI LI U THAM KH O 96 NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Mã mơn học:MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí sau sinh viên học xong mơn học chung, trước môn học, mô đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: Là mơn học sở - Ý nghĩa vai trị: Đây mơn học sở ngành ngành liên quan đến công nghệ thông tin, cung cấp cho sinh viên kiến thức hệ điều hành để làm tản cho việc lập trình giải vấn đề cần thiết, tối ưu hóa hệ thống máy tính Mục tiêu mơn học: - Hiểu vai trị chức hệ điều hành hệ thống máy tính; - Biết giai đoạn phát triển hệ điều hành; - Hiểu nguyên lý thiết kế, thực hệ điều hành; - Hiểu cách giải vấn đề phát sinh hệ điều hành - Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an tồn cho người phương tiện học tập  Nội dung mơn học (danh sách chương mục ): Số TT Tên chương, mục Tổng Thời gian Lý Thực hành Kiểm I II III IV V số thuyết Tổng quan hệ điều hành Khái niệm hệ điều hành Phân loại hệ điều hành Sơ lược lịch sử phát triển HĐH 5 tra* (LT TH) 2 2 0 0 0 Điều khiển liệu 15 Các phương pháp tổ chức truy nhập liệu Bản ghi khối 1 Điều khiển buffer Quy trình chung điều khiển vào – Tổ chức lưu trữ liệu nhớ Điều khiển nhớ Quản lý bảo vệ nhớ Điều khiển nhớ liên tục theo đa toán Điều khiển nhớ gián đoạn Điều khiển CPU, Điều khiển trình Các khái niệm Trạng thái trình Điều phối q trình Các thuật tốn lập lịch Hệ thống ngắt Hiện tượng bế tắc Hệ điều hành đa xử lý Hệ điều hành đa xử lý tập trung Hệ điều hành đa xử lý phân tán Cộng 2 0 1 20 10 0 10 25 12 12 10 10 2 3 2 0 0 1 1 75 43 28 CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Mã chương: MH10-01 Mục tiêu: - Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; - Nắm khái niệm hệ điều hành, chức năng, phân loại thành phần hệ điều hành; - Thực thao tác an tồn với máy tính Khái niệm hệ điều hành Mục tiêu: Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; Nắm khái niệm hệ điều hành 1.1 Tài nguyên hệ thống Tài nguyên trung tâm máy tính tổng hợp từ ba thành tố, tài nguyên phần cứng, tài nguyên phần mềm tài nguyên nguồn nhân lực trung tâm máy tính Trong tài liệu giới thiệu trung tâm máy tính bất kỳ, số liệu thống kê phần cứng (số lượng chủng loại máy tính, hệ thống thiết bị ngoại vi, khả liên kết với môi trường ngồi v.v…) ln yếu tố quan tâm sớm thành tố dễ nhận biết sức mạnh trung tâm máy tính Tài nguyên phần mềm ý thông qua thông tin hệ điều hành sử dụng, phần mềm ứng dụng có sở tính tốn Hiện nay, trung tâm tính tốn mạnh, giá trị (tính theo tiền) thực tài nguyên phần mềm lại cao vượt trội nhiều so với giá trị tài nguyên phần cứng Tài nguyên nguồn nhân lực ý, số trường hợp, thành tố lại khó nhận biết khó đánh giá so hai loại tài nguyên nói Năng lực nguồn nhân lực hệ thống nhằm đảm bảo việc thực chức bảo trì, phục vụ phát triển hệ thống (kỹ sư hệ thống, kỹ thuật viên, thao tác viên v.v…) thực lại đánh giá nhiều so với phần cứng phần mềm Tuy nhiên, giáo trình này, hạn chế phạm vi tiếp cận công việc hệ điều hành hệ thống phần cứng có sẵn hệ điều hành cần phải hoạt động nhằm phát huy cao lực hệ thống phần cứng đề cập đến tài nguyên phần cứng (có thể kể tới phần tài nguyên phần mềm) định hướng tới vấn đề phát huy hiệu khai thác tài nguyên Để định hướng tới mục tiêu phát huy hiệu thành phần tài nguyên phần cứng, cần xem xét số đặc trưng đánh giá giá trị thành phần hệ thống phần cứng, hướng tới mục đích đưa chiến lược ưu tiên thích đáng (hoặc khả dụng) thành phần xây dựng hệ thống chương trình điều khiển hoạt động máy tính Theo cách tiếp cận hệ điều hành, tài nguyên điển hình thuộc phần cứng bao gồm: thiết bị xử lý trung tâm (CPU), nhớ trong, hệ thống vào – (kênh, thiết bị điều khiển thiết bị vào thiết bị vào ra, nhớ v.v…) CPU nhớ thuộc khu vực trung tâm hệ thống vào – thường xếp vào khu vực ngoại vi hệ thống máy tính Trong thiết bị nói trên, đáng ý phải kể đến CPU nhớ  Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit-CPU) Trước hết xem xét đặc trưng liên quan đến CPU Việc đánh giá tài nguyên CPU dựa đặc trưng này: tốc độ xử lý, độ dài từ máy, phương pháp thiết kế hệ lệnh máy CPU Tốc độ xử lý thông số thể mức độ làm việc nhanh chậm CPU dựa đơn vị biểu diễn tốc độ Tốc độ xử lý CPU thường tính theo tần số đồng hồ nhịp (với đơn vị MHz-triệu nhịp 32 khối với ghi điều liên quan đến vấn đề xác định ghi theo khối Việc tổ chức file vật dẫn theo khối công việc hệ điều hành (do chương trình phương pháp truy nhập đảm nhận) nói cần đảm bảo tính độc lập với chương trình người dùng việc đưa khối vào nhớ đưa liệu lên khối hệ điều hành đảm nhận Ta gọi q trình vào lý Sau hệ điều hành đưa khối vào nhớ trong, cần phải xác định ghi thời để chương trình người dùng xử lý Đó q trình tách khối Tách khối trình từ khối đưa ghi cần tìm có liên quan đến khối Q trình diễn sau hệ điều hành đọc khối từ vật dẫn vào nhớ trước chương trình người dùng xử lý ghi Tùy thuộc vào phương pháp truy nhập liệu mà tách khối hệ điều hành chương trình người dùng đảm nhận Sau chương trình người dùng chuẩn bị xong nội dung ghi, thơng tin ghi yêu cầu người dùng, cần đưa lên vật dẫn để lưu trữ lâu dài Như biết, hệ điều hành ghi thông tin lên thiết bị nhớ ngồi theo đơn vị khối, ghi nói phải xếp vào khối tương ứng (q trình gọi kết khối) Khi khối đầy đủ thơng tin xử lý hệ điều hành cần đặt khối có vào vị trí dành cho vật dẫn ngồi Về hình thức, kết khối trình ngược lại với trình tách khối Kết khối diễn sau chương trình người dùng chuẩn bị xong nội dung ghi đưa ghi vào khối để đưa thiết bị nhớ ngồi Chương trình người dùng xử lý liệu vùng nhớ theo quy định chương trình, gọi vùng làm việc Hệ điều hành đọc khối vào vùng nhớ trung gian gọi vùng đệm (buffer vào) trước liệu chương trình xử lý Sau chương trình xử lý liệu xong, ghi hoàn thiện kết khối vào vùng nhớ đệm (buffer ra) trước hệ điều hành đưa vật dẫn 33 Khối Khối Do hệ điều hành Buffer vào Bộ nhớ Vùng làm việc Buffer Hình 2.1 Sơ đồ tách khối / kết khối Sơ đồ hình 2.1 diễn tả sơ lược hai trình Trong sơ đồ này, giai đoạn đọc vật lý (khi vào) ghi vật lý (khi ra) chương trình phương pháp truy nhập phải đảm nhận chương trình người dùng đảm nhận tùy thuộc vào file liệu nói mở làm việc theo phương pháp truy nhập vào Theo sơ đồ đây, ta nhận thấy phương pháp tổ chức truy nhập liệu bao gồm số thành phần sau (mơdun chương trình phát triển thành nhóm mơdun chương trình): -Mơdun chương trình đảm bảo chức tổ chức lưu trữ định vị vật dẫn ngồi; -Mơdun chương trình đảm bảo vào/ra khối (bản ghi vật lý) khối xác định; -Môdun chương trình đảm bảo việc tách/kết khối theo ghi file xác định Điều khiển buffer Mục tiêu: Nắm giai đoạn HĐH thực điều khiển liệu phân công công việc chương trình hệ thống (thuộc HĐH) chương trình người dùng trình vào – liệu 3.1 Vai trị buffer Như trình bày mục 2.2, q trình vào – ln cần vùng nhớ trung gian làm nơi đặt nội dung ghi vật lý (khối) Tại vùng nhớ nói diễn trình tách khối (khi đọc liệu từ vào) hay kết khối (khi ghi liệu lên vật dẫn ngồi) Như vậy, buffer vùng nhớ lưu trữ tạm thời liệu, thuận tiện cho việc vào-ra Chương trình người dùng làm việc với nhiều file ngồi, tốc độ xử lý chương trình tốc độ đọc liệu chương trình 34 phương pháp truy nhập nhanh chậm khác nhiều trường hợp để hiệu việc vào – ,các buffer liên kết tạo thành xâu buffers Tùy thuộc vào chương trình người dùng viết ngơn ngữ lập trình nào, mà vùng nhớ đệm tạo chương trình dịch chương trình người dùng Nếu chương trình viết ngơn ngữ bậc cao chương trình dịch đảm nhận, cịn viết assembler chương trình người dùng phải đảm nhận Trong số hệ điều hành cịn có quy định số lượng cực đại buffer dùng hệ thống;mặt khác, thơng tin liên quan đến buffer nói đặt vào vùng nhớ định sẵn (liên hệ với dòng lệnh buffers = n CONFIG.SYS MS DOS) 3.2 Sử dụng buffers Có hai phương pháp điển hình sử dụng buffer: sử dụng buffer theo khẳng định sử dụng buffer theo đòi hỏi a.Buffer theo khẳng định Áp dụng cho file liệu mở để làm việc theo hai phương pháp truy nhập QSAM QISAM: theo hai phương pháp này, chương trình phương pháp truy nhập biết trước ghi cần xử lý mức độ tự động hóa cao, tốc độ nhanh Mức độ tự động hóa cao thể chỗ khâu tách khối, kết khối, đồng hóa, kiểm tra sai sót dều chương trình hệ thống đảm nhận, lệnh vào chương trình người dùng thực cơng việc đơn giản đạt tốc độ làm việc nhanh Lệnh vào chương trình người dùng (do chương trình dịch ra) làm cơng việc truyền liệu từ vùng nhớ (từ buffer) sang vùng làm việc (khi vào) theo hướng ngược lại (khi ra) Sử dụng buffer theo khẳng định tương ứng với cách thức truy nhập file Ngay lệnh mở file để đọc, khối file đọc vào nhớ ghi tách sẵn sàng đáp ứng yêu cầu chương trình người dùng Sau ghi xử lý xong (bao gồm trường hợp ghi tạo mới), vị trí hồn tồn biết, vậy, kết khối để chuẩn bị đưa nhớ b Buffer theo đòi hỏi Sử dụng buffer theo đòi hỏi dùng phương pháp truy nhập liệu Trong chế độ này, người dùng xác định chương trình chủ động làm việc với ghi hệ điều hành khơng thể tự động đọc (ghi) khối tương ứng vào (từ) nhớ Chỉ sau người sử dụng đưa yêu cầu làm việc với khối chương trình hệ thống vào vật lý với khối Mọi cơng việc tách khối, kết khối, kiểm tra tính 35 đắn thao tác vào ra, đồng hóa cơng việc chương trình người dùng phải đảm nhận Tuy mức độ tự động hóa thấp, song sử dụng buffer theo đòi hỏi, sử chủ động chương trình người dùng liệu lại cao cách thức sử dụng buffer theo khẳng định quan khơng bị hạn chế phạm vi sử dụng buffer theo khẳng định 3.3 Điều khiển buffer (vào liệu) Trong sơ đồ vào ra, giới thiệu vùng làm việc, vùng nhớ mà chương trình người dùng trực tiếp xử lý liệu Tuy nhiên, nội dung phần đây, buffer đóng vai trị vùng làm việc Điều khiển buffer cho biết cách thức mà sử dụng buffer Đối với buffer theo khẳng định tồn hai phương pháp sử dụng buffer: buffer đơn giản buffer trao đổi Buffer theo khẳng định làm việc với lệnh GET (khi vào) PUT (khi ra) Buffer theo đòi hỏi làm việc với lệnh READ (khi vào) WRITE (khi ra) đòi hỏi lệnh CHECK (kiểm tra kiện) WAIT (chờ đợi kiện) a Buffer đơn giản Trong buffer đơn giản, đoạn (tương ứng với đoạn làm việc: ghi lôgic) buffer kề cận liên quan tới file Trong buffer đơn giản, hệ thống sử dụng lệnh kênh buffer xâu buffer Bản ghi xử lý miền làm việc, buffer vào, buffer Phương pháp sử dụng buffer đơn giản lại chia số chế độ sử dụng chế độ gửi, chế độ liệu, chế độ dẫn  Chế độ gửi Khi vào: theo lệnh GET, ghi lôgic gửi từ buffer vào tới vùng làm việc để chương trình xử lý Động từ “gửi” dùng để tồn thực việc gửi liệu từ buffer vào tới vùng làm việc (buffer vào vùng làm việc hai vùng nhớ khác hồn tồn) Khi ra: theo lệnh PUT, ghi lơgic từ vùng làm việc chuyển tới buffer Tương tự vào liệu, trình chuyển liệu từ vùng làm việc tới buffer thực xảy  Chế độ liệu (chỉ áp dụng phương pháp QSAM) Đối với ghi có độ dài mở rộng (trong trường hợp ghi lôgic chưa nhiều ghi vật lý, ghi vật lý, ngồi thơng tin liệu thực lại có thêm thơng tin điều khiển liên quan đến liên kết ghi vật lý ghi lơgic đó) Q trình hoạt động chế độ 36 liệu tương tự chế độ gửi, ngoại trừ việc không truyền gửi thông tin liên quan đến việc mô tả ghi  Chế độ dẫn Không dùng miền làm việc: lấy buffer vào hay buffer làm vùng làm việc Theo lệnh GET, địa ghi lôgic buffer vào trao cho chương trình để buffer vào đóng vai trị vùng làm việc Như lệnh GET chuyển giao địa đoạn buffer vào cho chương trình người dùng để chương trình người dùng xử lý vùng có địa truyền (thực chất chương trình người dùng xử lý buffer vào) Theo lệnh PUT, ghi không gửi: địa vùng làm việc (chương trình vừa xử lý) trở thành địa đoạn buffer b Buffer trao đổi Trong buffer trao đổi, đoạn buffer khơng thiết kề cận nhau, ngồi tất đoạn liên kết với File khác Miền làm việc phải tương thích độ dài giới hạn buffer vào Buffer phải tương thích buffer vào kích cỡ giới hạn, điều cho phép thay đổi vai trị buffer vào, buffer vùng làm việc Buffer trao đổi có ba chế độ điều khiển buffer (gửi , liệu, dẫn) buffer đơn giản Ngoài ra, sử dụng buffer trao đổi cịn có chế độ đặt: chế độ đặt giống chế độ gửi Vai trò ba đối tượng vùng làm việc, buffer vào, buffer bình đẳng c Buffer theo địi hỏi Buffer theo đòi hỏi làm việc theo chế độ trực tiếp: trước lệnh READ, WRITE, phải thiết lập buffer rỗi xâu buffer Theo lệnh READ, khối từ nhớ (được xác định lệnh READ) tải vào buffer nói Để đồng hóa phải sử dụng lệnh CHECK WAIT chương trình người dùng người lập trình phải đảm bảo chương trình hoạt động quy d Một số ví dụ điều khiển Buffer GET chế độ gửi, PUT chế độ gửi (Hình 2.2) GE PUT ///////////// //////////// 37 Buffer Vùng làm Hình 2.2 Điều khiển buffer GET gửi (vào) PUT gửi (ra) Quy trình điều khiển chung vào Mục tiêu: Nắm quy trình điều khiển vào 4.1 Các khối điều khiển liệu Các chương trình hệ thống phải quản lý thông tin File làm việc hệ thống, cách thức truy nhập chúng, thơng tin vật dẫn ngồi chứa nội dung File Để thực chức mình, hệ thống xây dựng (hoặc địi hỏi) số khối điều khiển liệu Các khối điều khiển liệu điển hình giới thiệu Khối FCB (File Control Block): chứa thông tin quản lý làm việc File Trong số hệ điều hành thuật ngữ “thẻ File” có ý nghĩa thay tương đương Trong khối có thơng tin cụ thể File tương ứng: số lượng ghi, ghi thời, địa khối liên kết v.v… Khối DCB (Data Control Block): chương trình người dùng viết theo ngơn ngữ bậc cao chương tình dịch tạo DCB, cịn viết theo hợp ngữ chương trình người dùng tạo DCB Khối DCB chứa thông tin liên quan đến điều khiển vào ra: tổ chức File, phương pháp truy nhập, địa khối điều khiển liên quan v.v… Khối UCB (Unit Control Block): chứa thông tin thiết bị vào ra, vật dẫn ngồi tương ứng, giúp cho q trình điều khiển thiết bị Ngồi cịn có số khối mở rộng khác cho điều khiển liệu 4.2 Ví dụ sơ đồ chung điều khiển vào hệ điều hành Qua xem xét sơ đồ hình 2.3 thấy: Chương trình người dùng chương trình phương pháp truy nhập vùng nhở RAM (địa chúng tùy theo trạng thái máy trước chúng nạp vào) Các chương trình gọi ngắt vào ra, thân ngắt kết thúc ngắt đặt địa xác định Trong thân ngắt có chứa lệnh bắt đầu vào/ra(SIO: start Input/Output) Như biết điều khiển vào kênh đảm nhận kênh hoạt động theo hệ thống lệnh riêng (lệnh kênh) … … READ … … … … EXCP … … Chương trình Chương trình hệ điều Gọi ngắt hướng Hoàn thiện hướng tới supervisor … … SIO … … 38 (Trong sơ đồ trên, vùng nằm đường rời nét thuộc vùng nhớ cố định nhớ trong) Hình 2.3 Một ví dụ điều khiển vào – hệ điều hành OS Chi tiết q trình tóm tắt sau (xét máy theo hệ OS): -chuẩn bị chương trình kênh (dãy lệnh kênh) -xây dựng từ địa kênh (CAW: channel address Word) -gửi từ địa kênh nói vào địa quy định sẵn -đưa lệnh SIO tải chương trình kênh (theo kênh thiết bị tương ứng) -phân tích kết việc tải chương trình kênh -sau tải thành cơng chương trình kênh, CPU kênh làm việc song song -sau kết thúc (tốt hay không tốt) công việc vào ra, kênh đưa tín hiệu cho ngắt vào/ra Chương trình xử lý ngắt phân tích tín hiệu để biết thành cơng hay khơng dấu hiệu sai sót Chương trình người dùng, dựa vào kiểm tra kết vào/ra để xử lý: hồn thiện cơng việc tiếp tục; có sai sót tùy ngữ cảnh để xử lý Nếu rằng, thao tác vào khơng thể kết thúc chương trình chuyển sang trạng thái chờ đợi Tổ chức lưu trữ liệu nhớ Mục tiêu: Nắm cách thức tổ chức lưu trữ liệu, phương pháp quản lý nhớ 5.1 Các khái niệm Yêu cầu quản lý nhớ ngồi Khi cần lưu trữ chương trình liệu, hệ thống máy tính bắt buộc phải sử dụng nhớ (đĩa từ, băng từ, ) Nhiệm vụ hệ điều hình phải đảm bảo chức sau: Quản lý không gian nhớ tự nhớ ngồi (free space manage) Cấp phát khơng gian nhớ tự (allocation methods) Cung cấp khả định vị nhớ Lập lịch cho nhớ Cấu trúc vật lý đĩa từ 39 Đĩa từ bao gồm nhiều đĩa đặt đồng trục Mỗi mặt đĩa chia thành rãnh tròn đồng tâm gọi track, track chia thành cung gọi sector Trên mặt đĩa có đầu đọc ghi liệu Hệ điều hành xem đĩa mảng chiều mà thành phần khối đĩa (disk block) Mỗi khối đĩa ghi thông tin mặt đĩa, track, sector mà hệ điều hành định vị 5.2 Các phương pháp quản lý khơng gian tự Vì khơng gian trống giới hạn nên cần dùng lại không gian từ tập tin bị xoá cho tập tin Để giữ vết khơng gian đĩa trống, hệ thống trì danh sách khơng gian trống Danh sách không gian trống ghi lại tất khối đĩa trống Để tạo tập tin, tìm danh sách không gian trống lượng không gian u cầu cấp phát khơng gian tới tập tin Sau đó, khơng gian xố từ danh sách không gian trống Khi tập tin bị xố, khơng gian đĩa thêm vào danh sách khơng gian trống Mặc dù tên danh sách danh sách khơng gian trống không cài danh sách a) Bit vector Thường danh sách khơng gian trống cài đặt đồ bit (bit map) hay vector bit (bit vector) Mỗi khối biểu diễn bit Nếu khối trống, bit đặt 1, khối cấp phát bit đặt Thí dụ, xét đĩa khối 2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 25, 26, 27 trống khối lại cấp phát Bản đồ bit khơng gian trống là: 001111001111110001100000011100000… Lợi điểm tiếp cận tính tương đối đơn giản hiệu việc tìm khối trống đầu tiên, hay n khối trống đĩa Một lần nữa, thấy đặc điểm phần cứng định hướng chức phần mềm Tuy nhiên, vector bit khơng đủ trừ tồn vector giữ nhớ Giữ nhớ cho đĩa nhỏ hơn, máy vi tính khơng thể cho máy lớn Một đĩa 1.3 GB với khối 51 bytes cần đồ bit 332 KB để ghi lại khối trống Gom bốn khối vào nhóm giảm số xuống cịn 83 KB đĩa b) Danh sách liên kết 40 Hình 2.4 danh sách không gian trống liên kết đĩa Một tiếp cận khác để quản lý nhớ trống liên kết tất khối trống, giữ trỏ tới khối trống vị trí đặc biệt đĩa lưu nhớ Khối chứa trỏ tới khối đĩa trống tiếp theo, Trong thí dụ trên, giữ trỏ tới khối khối trống Khối chứa trỏ tới khối 3, khối tới khối 4,…(như hình X-10) Tuy nhiên, chế không hiệu để duyệt danh sách, phải đọc khối, yêu cầu thời gian nhập/xuất đáng kể Tuy nhiên, duyệt danh sách trống không hoạt động thường xuyên Thường thì, hệ điều hành cần khối trống cấp phát khối tới tập tin, khối danh sách trống dùng Phương pháp FAT kết hợp với đếm khối trống thành cấu trúc liệu cấp phát c) Nhóm Thay đổi tiếp cận danh sách trống để lưu địa n khối trống khối trống n-1 khối thật khối trống Khối cuối chứa địa n khối trống khác, …Sự quan trọng việc cài đặt địa số lượng lớn khối trống tìm thấy nhanh chóng, khơng giống tiếp cận danh sách liên kết chuẩn d) Bộ đếm Một tiếp cận khác đạt lợi điểm thực tế nhiều khối kề cấp phát giải phóng lúc, đặc biệt không gian cấp phát với giải thuật cấp phát kề hay thơng qua nhóm Do đó, thay giữ danh sách n địa đĩa trống, giữ địa khối trống số n khối kề trống theo sau khối Mỗi mục từ danh sách khơng gian trống sau chứa địa đĩa đếm 41 Mặc dù mục từ yêu cầu nhiều không gian địa đĩa đơn, toàn danh sách ngắn với điều kiện đếm lớn 5.3 Các phương pháp cấp phát khơng gian tự Tính tự nhiên truy xuất trực tiếp đĩa cho phép khả linh hoạt việc cài đặt tập tin Trong hầu hết trường hợp, nhiều tập tin lưu đĩa Vấn đề không gian cấp phát tới tập tin không gian đĩa sử dụng hiệu tập tin truy xuất nhanh chóng Ba phương pháp quan trọng cho việc cấp phát không gian đĩa sử dụng rộng rãi: cấp phát kề, liên kết mục Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm Một số hệ thống hỗ trợ ba Thông dụng hơn, hệ thống dùng phương pháp cụ thể cho tất tập tin a) Cấp phát kề Phương pháp cấp phát kề yêu cầu tập tin chiếm tập hợp khối kề đĩa Các địa đĩa định nghĩa thứ tự tuyến tính đĩa Với thứ tự này, giả sử công việc truy xuất đĩa, truy xuất khối b+1 sau khối b không yêu cầu di chuyển trước Khi di chuyển đầu đọc yêu cầu (từ cung từ cuối cylinder tới cung từ cylinder tiếp theo), di chuyển rãnh (track) Do đó, số lượng tìm kiếm đĩa u cầu cho truy xuất kề tới tập tin cấp phát nhỏ Cấp phát kề tập tin định nghĩa địa đĩa chiều dài (tính đơn vị khối) khối Nếu tập tin có n khối bắt đầu khối b chiếm khối b, b+1, b+2, ,b+n-1 Mục từ thư mục cho tập tin hiển thị địa khối bắt đầu chiều dài vùng cấp phát cho tập tin 42 Hình 2.5 danh sách không gian trống cấp phát kề b) Cấp phát liên kết Cấp phát liên kết giải vấn đề cấp phát kề Với cấp phát liên kết, tập tin danh sách khối đĩa liên kết; khối đĩa phân tán khắp nơi đĩa Thư mục chứa trỏ tới khối khối cuối tập tin Thí dụ, tập tin có khối bắt đầu khối số 9, tiếp tục khối 16, sau khối 1, khối 10 cuối khối 25 Mỗi khối chứa trỏ tới khối Các trỏ không làm sẳn dùng cho người dùng Hình 2.6 danh sách khơng gian trống cấp phát liên kết Một thay đổi quan trọng phương pháp cấp phát liên kết dùng bảng cấp phát tập tin (file allocation table-FAT) Điều đơn giản phương pháp cấp phát không gian đĩa hiệu dùng hệ điều hành MS-DOS OS/2 Một phần đĩa phần bắt đầu phân khu 43 thiết lập để chứa bảng Bảng có mục từ cho khối đĩa lập mục khối đĩa FAT dùng nhiều danh sách liên kết Mục từ thư mục chứa số khối khối tập tin Mục từ bảng lập mục số khối sau chứa số khối khối tập tin Chuỗi tiếp tục khối cuối cùng, có giá trị cuối tập tin đặc biệt mục từ bảng Các khối không dùng hiển thị giá trị bảng Cấp phát khối tới tập tin vấn đề đơn giản cho việc tìm mục từ bảng có giá trị thay giá trị kết thúc tập tin trước với địa khối Sau đó, số thay với giá trị kết thúc tập tin Một thí dụ minh hoạ cấu trúc FAT hình X-7 cho tập tin chứa khối đĩa 217, 618 339 Hình 2.7 Bảng cấp phát tập tin Cơ chế cấp phát FAT dẫn tới số lượng lớn tìm kiếm đầu đọc đĩa FAT khơng lưu trữ(cache) Đầu đọc đĩa phải di chuyển tới điểm bắt đầu phân khu để đọc FAT tìm vị trí khối sau di chuyển tới vị trí khối đĩa Trong trường hợp xấu nhất, hai di chuyển xảy cho khối đĩa Lợi điểm thời gian truy xuất ngẫu nhiên cải tiến đầu đọc đĩa tìm vị trí khối cách đọc thơng tin FAT c) Cấp phát lập mục Cấp phát liên kết giải việc phân mãnh vấn đề khai báo kích thước cấp phát kề Tuy nhiên, cấp phát liên kết không hỗ trợ truy xuất trực tiếp hiệu trỏ tới khối phân tán với khối qua đĩa cần lấy lại thứ tự Cấp phát lập mục giải vấn đề cách mang tất trỏ vào 44 vị trí: khối mục (index block) Mỗi tập tin có khối mục nó, khối mảng địa khối đĩa Mục từ thứ i khối mục tới khối i tập tin Thư mục chứa địa khối mục (như hình 2.8) Để đọc khối i, dùng trỏ mục từ khối mục để tìm đọc khối mong muốn Cơ chế tương tự chế phân trang Hình Cấp phát không gian đĩa lập mục 5.4 Lập lịch cho đĩa Khái niệm lập lịch cho đĩa Lập lịch cho đĩa xây dựng thuật toán dịch chuyển đầu từ đọc ghi cho thời gian truy nhập đĩa tối ưu Một số phương pháp lập lịch -FCFS -SSTF -Scan -C-Scan -Look -C-Look 5.5 Hệ file Dữ liệu xử lý máy tính bảo quản lâu dài băng từ, đĩa từ, đĩa quang v.v… liệu tập hợp lại cách có tổ chức thành file liệu theo mục đích sử dụng File chương trình người dùng, chương trình hệ điều hành, văn bản, tập 45 hợp liệu Trong số hệ điều hành, số thiết bị ngoại vi quan niệm file liệu Theo góc độ quan sát người dùng, liệu file lại tổ chức thành ghi lôgic (gọi tắt ghi), mà ghi lơgic byte cấu trúc liệu Bản ghi đơn vị liệu mà chương trình người dùng quan tâm đến xử lý theo nhịp làm việc: file tập hợp (được người dùng quan niệm dãy) ghi có tổ chức Thông thường, file tồn thứ tự ghi, thứ tự thể vị trí logic ghi với (chẳng hạn thứ tự đưa ghi vào file) CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Nêu phương pháp tổ chức truy nhập liệu Nêu chức hệ thống điều khiển liệu Khái niệm kết khối tách khối Nêu vai trò buffer Trình bày khối điều khiển liệu Trình bày phương pháp quản lý cấp phát khơng gian nhớ nhớ ngồi hệ điều hành Khái niệm file HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI Các phương pháp tổ chức : tổ kế tiếp, tổ chức số kế tiếp, tổ chức truy nhập trực tiếp, tổ thư viện, tổ chức theo nhớ ảo Các phương pháp truy nhập liệu: cách thức truy nhập tuần tự, cách thức truy nhập sở Chức hệ thống điều khiển liệu: Bảo quản liệu thiết bị ngoài, đảm bảo cách thức tổ chức khác liệu, thực phương pháp truy nhập khác tới liệu, catalog liệu thực việc tìm kiếm tự động hóa liệu theo tên kí hiệu mà không cần theo địa Kết khối diễn sau chương trình người dùng chuẩn bị xong nội dung ghi đưa ghi vào khối để đưa thiết bị nhớ 46 Tách khối trình từ khối đưa ghi cần tìm có liên quan đến khối Q trình diễn sau hệ điều hành đọc khối từ vật dẫn vào nhớ trước chương trình người dùng xử lý ghi Buffer vùng nhớ đệm trung gian lưu trữ tạm thời, thuận tiện cho việc vào –ra Có khối điều khiển: Khối FCB (File Control Block), Khối DCB (Data Control Block), Khối UCB (Unit Control Block) Các phương pháp quản lý không gian nhớ : quản lý bit vectơ (bitmap), quản lý danh sách móc nối Các phương pháp cấp phát không gian nhớ: cấp phát kề (liên tục), cấp phát liên kết, cấp phát số Xem phần khái niệm file