Nghiên cứu tìm hiểu về quản lí thiết bị ngoại vi trong hđh windows

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Nhóm thực hiện : Nhóm 7 – Hệ thống thông tin 1-k8 Đề tài : Nghiên cứu tìm hiểu về quản lí thiết bị ngoa

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Nhóm thực hiện : Nhóm 7 – Hệ thống thông tin 1-k8

Đề tài : Nghiên cứu tìm hiểu về quản lí thiết bị ngoại vi trong HĐH Windows

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

1.Bùi Việt Hà

2 Trịnh Thị Ngọc Phượng 3.Nguyễn Trọng Hưng 4.Phạm Văn Trường 5.Bùi Văn Hiếu

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU

Từ khi bắt đầu kỉ nguyên công nghệ thông tin, máy tính dần đóng vai tròquan trọng trong cuộc sống của con người Nó giúp chúng ta thực hiện những côngviệc mà con người không làm được hoặc rất mất thời gian thực hiên Cũng từ đókhông ít các thiết bị lưu trữ, trích xuất dữ liệu, hiện thực hóa dữ liệu trên máy Vàcác thiết bị đó được gọi chung là các thiết bị ngoại vi Tuy nhiên qua mỗi thời kìphát triển các thiết bị này lại có sự khác biệt và ở mỗi hệ điều hành lại có sự quản líkhác nhau nhằm đạt được hiệu suất hoạt động cao nhất cho các thiết bị.Trong tàiliệu này, chúng em xin trình bày về việc quản lí các thiết bị ngoại vi trong hệ điềuhành Windows Bài viết này của chúng em còn nhiều thiếu sót mong thầy góp ýthêm

I.Tìm hiểu về thiết bị ngoại vi

Theo các bạn, thế nào là thiết bị ngoại vi?

Thực ra, “Thiết bị ngoại vi” là tên chung nói đến một số loại thiết bị bênngoài thùng máy được gắn kết với máy tính với tính năng nhập – xuất (vào – ra,viết tắt I-O) hoặc mở rộng khả năng lưu trữ (như một dạng bộ nhớ phụ)

Thiết bị ngoại vi của máy tính có thể là :

- Thiết bị cấu thành lên máy tính và không thể thiếu được ở một số loại máy tính

- Thiết bị có mục đích mở rộng tính năng hoặc khả năng của máy tính

Có rất nhiều thiết bị ngoại vi của máy tính, dưới đây liệt kê một số thiết bị ngoại vi mà Windows sever 2003 quản lý:

- Chuột (mouse), bàn phím (key board), camera, máy quét

- Màn hình (monitor), loa (speaker) , máy in (printer)

Các thiết bị khác:

- Card âm thanh, card mạng

- CD – ROM/ DVD, Ổ đĩa mềm, Ổ đĩa cứng

- Moderm,

Control Panel Windows sever 2003.

Device Manager Quản lý thiết bị

Màn hình hiển thị thiết bị quản lý đại diện cho cấu hình phần cứng của máy tính.Màn hình hiển thị thiết bị quản lý được tái tạo mỗi khi máy tính được bắt đầu vàbất cứ khi nào một sự thay đổi tác động đến cấu hình máy tính xảy ra, chẳng hạnnhư việc bổ sung một thiết bị mới trong khi hệ thống đang chạy.

Device Manager cho phép bạn làm như sau:

• Xác định xem phần cứng trên máy tính của bạn là làm việc đúng cách

• Thay đổi cài đặt cấu hình phần cứng

• Xác định các thiết bị điều khiển được tải cho từng thiết bị và có được thôngtin về mỗi thiết bị điều khiển

• Thay đổi cài đặt nâng cao và tài nguyên cho các thiết bị

• Cài đặt cập nhật trình điều khiển thiết bị

• Vô hiệu hoá, cho phép, và gỡ bỏ cài đặt các thiết bị

• Quay trở lại với phiên bản trước đó của driver

• In bản tóm tắt các thiết bị được cài đặt trên máy tính

• Thay đổi nguồn lực, chẳng hạn như yêu cầu ngắt (IRQs), giao cho các thiếtbị

Quản lý thiết bị có thể được sử dụng để kiểm tra tình trạng phần cứng và cậpnhật trình điều khiển thiết bị trên máy tính Thiết bị quản lý không thể được sửdụng để thay đổi cài đặt phân bổ nguồn lực, nguồn lực được phân bổ tự động bởi

hệ thống trong khi cài đặt phần cứng Để quản lý điều khiển thiết bị thông quaDevice Manager

Một số phần cứng không thể xử lý các tập tài nguyên năng động Tuy nhiên,các tập tài nguyên có thể được gán thông qua Device Manager

Quản lý thiết bị quản lý các thiết bị trên một máy tính địa phương mà thôi.Trên một máy tính từ xa, quản lý thiết bị chỉ hoạt động ở chế độ chỉ đọc

II Yêu cầu của quản lý thiết bị ngoại vi

Chức năng của các thiết bị ngoại vi là đảm nhiệm việc truyền thông tin qualại giữa các bộ phận của hệ thống Do đó, yêu cầu của Hệ điều hành là tìm phươngpháp tổ chức và truy nhập thông tin trên các thiết bị

Ngoài các thiết bị ngoại vi có tính chất bắt buộc (màn hình, bàn phím, chuột,máy in,… ) thì các hệ thống máy tính phải có khả năng kết nối với số lượng tùy ýcác thiết bị ngoại vi bổ sung Các thiết bị ngoại vi này có thể khác nhau về bản chấtvà nguyên lý hoạt động, vì vậy Hệ điều hành cần phải tìm cách quản lý, điều khiểnvà khai thác các thiết bị một cách có hiệu quả

CPU không làm việc trực tiếp với các thiết bị ngoại vi do đó cần phải tổchức các thiết bị sao cho CPU không phụ thuộc vào sự biến động của các thiết bị

III Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị ngoại vi

Nguyên tắc cơ bản để tổ chức và quản lý thiết bị ngoại vi dựa trên cơ sở:CPU chỉ điều khiển các thao tác vào/ ra chứ không trực tiếp thực hiện các thao tácnày Để đảm bảo được nguyên tắc này, các thiết bị không gắn trực tếp với CPU màgắn với các thiết bị đặc biệt – thiết bị điều khiển (Control Device) Một thiết bịđiều khiển có thể kết nối với nhiều thiết bị vào /ra

Thiết bị điều khiển đóng vai trò như một máy tính chuyên dụng có nhiệm vụ điềukhiển các thiết bị kết nối với nó và gọi là kênh vào/ra Mỗi kênh vào ra có ngônngữ ngôn ngữ và hệ lệnh riêng Chúng hoạt động độc lập với nhau, độc lập vớiCPU và độc lập với các thành phần khác trong hệ thống

Ví dụ: Để chuyển thông tin từ bộ nhớ trong ra ngoài và ngược lại, kênhnày phải truy nhập trực tiếp bộ nhớ theo một cơ chế đặc biệt, song song và độc

lập với CPU Cơ chế này được gọi là DMA (Direct Memory Access):

Truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA :

Đa số các loại thiết bị, đặc biệt là các thiết bị dạng khối, hỗ trợ cơ chế DMA(direct memory access) Để hiểu về cơ chế này, trước hết phải xem xét quá trìnhđọc đĩa mà không có DMA Trước tiên, bộ điều khiển đọc tuần tự các khối trênđĩa, từng bit từng bit cho tới khi toàn bộ khối được đưa vào buffer của bộ điềukhiển Sau đó máy tính thực hiện checksum để đảm bảo không có lỗi xảy ra Tiếp

theo bộ điều khiển tạo ra một ngắt để báo cho CPU biết CPU đến lấy dữ liệu trongbuffer chuyển về bộ nhớ chính bằng cách tạo một vòng lặp đọc lần lượt từng byte.Thao tác này làm lãng phí thời gian của CPU Do đó để tối ưu, người ta đưa ra cơchế DMA.

Cơ chế DMA giúp cho CPU không bị lãng phí thời gian Khi sử dụng, CPUgửi cho bộ điều khiển một số các thông số như địa chỉ trên đĩa của khối, địa chỉtrong bộ nhớ nơi định vị khối, số lượng byte dữ liệu để chuyển

Sau khi bộ điều khiển đã đọc toàn bộ dữ liệu từ thiết bị vào buffer của nó vàkiểm tra checksum Bộ điều khiển chuyển byte đầu tiên vào bộ nhớ chính tại địachỉ được mô tả bởi địa chỉ bộ nhớ DMA Sau đó nó tăng địa chỉ DMA và giảm sốbytes phải chuyển Quá trình này lập cho tới khi số bytes phải chuyển bằng 0, và

bộ điều khiển tạo một ngắt Như vậy không cần phải copy khối vào trong bộ nhớ,

nó đã hiện hữu trong bộ nhớ

Một đơn vị bị nhập xuất thường được chia làm hai thành phần chính là thànhphần cơ và thành phần điện tử Thành phần điện tử được gọi là bộ phận điều khiểnthiết bị hay bộ tương thích, trong các máy vi tính thường được gọi là card giao tiếp.Thành phần cơ chính là bản thân thiết bị

Một bộ phận điều khiển thường có bộ phận kết nối trên chúng để có thể gắnthiết bị lên đó Một bộ phận điều khiển có thể quản lý được hai, bốn hay thậm chítám thiết bị khác nhau Nếu giao tiếp giữa thiết bị và bộ phận điều khiển là cácchuẩn như ANSI, IEEE hay ISO thì nhà sản xuất thiết bị và bộ điều khiển phải tuântheo chuẩn đó, ví dụ : bộ điều khiển đĩa được theo chuẩn giao tiếp của IBM

Giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị là giao tiếp ở mức thấp.

Sự kết nối giữa CPU, bộ nhớ, bộ điều khiển và các thiết bị nhập xuất

Chức năng của bộ điều khiển là giao tiếp với hệ điều hành vì hệ điều hànhkhông thể truy xuất trực tiếp với thiết bị Việc thông tin thông qua hệ thống đườngtruyền gọi là bus

Công việc của bộ điều khiển là chuyển đổi dãy các bit tuần tự trong mộtkhối các byte và thực hiện sửa chửa nếu cần thiết Thông thường khối các byteđược tổ chức thành từng bit và đặt trong buffer của bộ điều khiển Sau khi thựchiện checksum nội dung của buffer sẽ được chuyển vào bộ nhớ chính Ví dụ : bộđiều khiển cho màn hình đọc các byte của ký tự để hiển thị trong bộ nhớ và tổ chứccác tín hiệu để điều khiển các tia của CRT để xuất trên màn ảnh bằng cách quét cáctia dọc và ngang Nếu không có bộ điều khiển, lập trình viên hệ điều hành phải tạothêm chương trình điều khiển tín hiệu analog cho đèn hình Với bộ điều khiển , hệđiều hành chỉ cần khởi động chúng với một số tham số như số ký tự trên một dòng,

số dòng trên màn hình và bộ điều khiển sẽ thực hiện điều khiển các tia

Mỗi bộ điều khiển có một số thanh ghi để liên lạc với CPU Trên một sốmáy tính, các thanh ghi này là một phần của bộ nhớ chính tại một địa chỉ xác địnhgọi là ánh xạ bộ nhớ nhập xuất Hệ máy PC dành ra một vùng địa chỉ đặc biệt gọilà địa chỉ nhập xuất và trong đó được chia làm nhiều đoạn, mỗi đoạn cho một loạithiết bị như sau :

Bộ điều khiểnnhập/xuất

Địa chỉ nhập/xuất Vectơ ngắt

Bàn phím 060 - 063 9RS232 phụ 2F8 - 2FF 11Đĩa cứng 320 - 32F 13

Màn hình mono 380 - 3BF Màn hình màu 3D0 - 3DF -Đĩa mềm 3F0 - 3F7 14RS232 chính 3F8 - 3FF 12

-Hệ điều hành thực hiện nhập xuất bằng cách ghi lệnh lên các thanh ghi của

bộ điều khiển Ví dụ : bộ điều khiển đĩa mềm của IBMPC chấp nhận 15 lệnh khácnhau như : READ, WRITE, SEEK, FORMAT, RECALIBRATE, một số lệnh cótham số và các tham số cũng được nạp vào thanh ghi Khi một lệnh đã được chấpnhận, CPU sẽ rời bộ điều khiển để thực hiện công việc khác

Sau khi thực hiện xong, bộ điều khiển phát sinh một ngắt để báo hiệu choCPU biết và đến lấy kết quả được lưu giữ trong các thanh ghi

Một hệ thống máy tính có thể có nhiều kênh vào /ra, mỗi kênh vào/ra lại cóthể có những kênh con của mình Để điều khiển hoạt động của các kênh, cần cócác chương trình điều khiển riêng gọi là các chương trình điều khiển kênh

Để hệ thống làm việc được với các kênh thì CPU phải hiểu được ngôn ngữkênh Ngôn ngữ kênh được nạp vào hệ thống khi nạp hệ điều hành hoặc ngay cảkhi Hệ điều hành đang hoạt động (Ngôn ngữ kênh thực chất là các trình điều khiểnkênh)

Điều khiển thiết bị (device drivers)

Tất cả các đoạn mã độc lập thiết bị đều được chuyển đến device drivers Mỗidevice drivers kiểm soát mỗi loại thiết bị, nhưng cũng có khi là một tập hợp cácthiết bị liên quan mật thiết với nhau

Device drivers phát ra các chỉ thị và kiểm tra xem chỉ thị đó có được thựchiện chính xác không Ví dụ, driver của đĩa là phần duy nhất của hệ điều hànhkiểm soát bộ điều khiển đĩa Nó quản lý sectors, tracks, cylinders, head, chuyểnđộng, interleave, và các thành phần khác giúp cho các thao tác đĩa được thực hiệntốt

Chức năng của device drivers là nhận những yêu cầu trừu tượng từ phầnmềm nhập/xuất độc lập thiết bị ở lớp trên, và giám sát yêu cầu này thực hiện Nếudriver đang rảnh, nó sẽ thực hiện ngay yêu cầu, ngược lại, yêu cầu đó sẽ được đưavào hàng đợi

Ví dụ, bước đầu tiên của yêu cầu nhập/xuất đĩa là chuyển từ trừu tượngthành cụ thể Driver của đĩa phải biết khối nào cần đọc, kiểm tra sự hoạt động củamotor đĩa, xác định vị trí của đầu đọc đã đúng chưa v.v…

Nghĩa là device drivers phải xác định được những thao tác nào của bộ điềukhiển phải thi hành và theo trình tự nào Một khi đã xác định được chỉ thị cho bộđiều khiển, nó bắt đầu thực hiện bằng cách chuyển lệnh vào thanh ghi của bộ điềukhiển thiết bị Bộ điều khiển có thể nhận một hay nhiều chỉ thị liên tiếp và sau đó

tự nó thực hiện không cần sự trợ giúp của hệ điều hành Trong khi lệnh thực hiện

Có hai trường hợp xảy ra : Một là device drivers phải chờ cho tới khi bộ điều khiểnthực hiện xong bằng cách tự khóa lại cho tới khi một ngắt phát sinh mở khóa cho

nó Hai là, hệ điều hành chấm dứt mà không chờ, vì vậy driver không cần thiếtphải khóa

Sau khi hệ điều hành hoàn tất việc kiểm tra lỗi và nếu mọi thứ đều ổn driver

sẽ chuyển dữ liệu cho phần mềm độc lập thiết bị Cuối cùng nó sẽ trả về thông tinvề trạng thái hay lỗi cho nơi gọi và nếu có một yêu cầu khác ở hàng đợi, nó sẽ thựchiện tiếp, nếu không nó sẽ khóa lại chờ đến yêu cầu tiếp theo

CPU điều khiển thao tác vào/ra thông qua các chương trình điều khiển kênhtương ứng với công việc cần thực hiên (Nguyên lý Marco Processor) Nguyên lýđiều khiển này cho phép trong lúc các thao tác vào/ra được thực hiện ở thiết bịngoại vi thì CPU vẫn hoạt động song song thực hiện tính toán và điều khiển chừngnào chưa cần tới kết quả vào/ra Khi có kết quả vào/ra,,,,, kênh sẽ phát tín hiệu ngắtbáo cho CPU biết Tùy theo hoàn cảnh cụ thể, tín hiệu ngắt được xử lý ngay hoặcđược lưu trữ lại để xử lý khi có điều khiện hoặc thậm chí có thể bị hủy bỏ nếu hệthống không còn quan tâm đến kết quả này

Kiểm soát ngắt:

Ngắt là một hiện tượng phức tạp Nó phải cần được che dấu sâu trong hệđiều hành, và một phần ít của hệ thống biết về chúng Cách tốt nhất để che dấuchúng là hệ điều hành có mọi tiến trình thực hiện thao tác nhập xuất cho tới khihoàn tất mới tạo ra một ngắt Tiến trình có thể tự khóa lại bằng cách thực hiện lệnhWAIT theo một biến điều kiện hoặc RECEIVE theo một thông điệp

Khi một ngắt xảy ra, hàm xử lý ngắt khởi tạo một tiến trình mới để xử lýngắt Nó sẽ thực hiện một tín hiệu trên biến điều kiện và gửi những thông điệp đếncho các tiến trình bị khóa Tổng quát, chức năng của ngắt là làm cho một tiến trìnhđang bị khóa được thi hành trở lại

Như vậy, ngắt vào/ra xuất hiện sau khi phép vào/ra được thực hiện xong chứ khôngphải trước khi pháp vào/ra được thực hiện Để đảm bảo hiệu suất xử lý cao, hệthống cần phải biết càng sớm càng tốt thời điểm kết thúc phép vào/ra Chính vìvậy, kênh sẽ báo cho hệ thống biết kết quả vào/ra vào thời điểm sớm nhất có thểđược và do đó một phép vào/ra có thể kết thúc ở nhiều mức, nhiều nơi khác nhaunhư: tại thiết bị điều khiển, tại thời điểm khi lệnh được chuyển đến thiết bị vào/ra,khi thiết bị vào/ra nhận được tín hiệu điều khiển hoặc sau khi phép vào/ra đượcthực hiện xong tại thiết bị ngoại vi.

Phương pháp tổ chức này cho phép gắn thêm thiết bị đồng thời đảm bảo cho

hệ thống không phụ thuộc cấu hình của thiết bị cụ thể, hệ thống có tính lưu độngcao (thay đổi thiết bị mà không cần thay đổi hệ thống, không cần sửa đổi cácchương trình ứng dụng)

IV Các kỹ thuật áp dụng trong quản lý thiết bị ngoại vi

1)Kỹ thuật vùng đệm

Trước hết, ta hãy tìm hiểu thêm về vùng đệm:

Vùng đệm là môt vùng nhớ trung gian dùng làm nới lưu trữ thông tin tạm thờitrong các thao tác vào/ra

Để thực hiện một thao tác vào/ra, hệ thống cần phải thực hiện các bước sau:

1. Kích hoạt thiết bị

2. Chờ thiết bị đạt trạng thái thích hợp

3. Chờ thao tác vào/ra được thực hiện

Việc chờ đợi cá thiết bị đạt trong thái thích hợp chiếm một thời gian khá lớntrong tổng thời gian thực hiện thao tác vào/ra Vì vậy, để đảm bảo tốc độ hoạt độngchung của toàn hệ thống, thao tác vào/ra cần phải sử dụng vùng đệm nhằm mụcđích:

1. Giảm số lượng các thao tác vào/ra vật lý

2. Cho phép thực hiện song song các thao tác vào/ra với các thao tác xử

lý thông tin khác nhau

3. Cho phép thực hiện trước các phép nhập dữ liệu