hệ điều hành nguyễn văn hiệp chương06 quản lý thiết bị io (nhập xuất) sinhvienzone com

MÔN HỆ ĐIỀU HÀNH Chương QUẢN LÝ THIẾT BỊ I/O (NHẬP/XUẤT) 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O 6.2 Các nguyên tắc phần mềm thiết bị I/O 6.3 Các cấp chức hệ thống phần mềm I/O 6.4 Đĩa cứng 6.5 Mạch ₫ồng hồ 6.6 Terminal giao tiếp sở ký tự 6.7 Giao tiếp người dùng sở ₫ồ họa 6.8 Terminal mạng 6.9 Thiết bị quản lý việc dùng lượng Tài liệu tham khảo : chương 5, sách "Modern Operating Systems", Andrew S Tanenbaum: , 2nd ed, Prentice Hall Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O ‰ Thiết bị I/O máy tính ₫a dạng chủng loại chức năng, vậy, chúng thường ₫ược xây dựng theo nguyên tắc chung sau : Connector giao chuẩn xác ₫ịnh (SCSI, SATA, IDE, USB, COM, …) ₫ể phục vụ chuẩn nghi thức giao tiếp xác ₫ịnh (protocol) Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Bộ phận ₫iện tử ₫iều khiển (Adapter hay Device Controller) Bộ phận thừa hành (các thành phần khí, ₫iện,…) Mơn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O ‰ Về cách thức giao tiếp liệu với giới bên ngoài, thiết bị I/O thường thuộc loại : thiết bị block thiết bị ký tự ƒ Thiết bị block : giao tiếp với bên lần block liệu với ₫ộ dài cố ₫ịnh, block có ₫ịa cố ₫ịnh ₫ộc lập, ta cần biết ₫ịa khối thơng tin truy xuất ₫ược lúc ƒ Thiết bị ký tự : giao tiếp với bên lần chuỗi byte có ₫ộ dài tùy ý (stream), nhiên stream khơng có ₫ịa chỉ, nghĩa ta truy xuất liệu theo dạng từ ₫ầu ₫ến cuối, quay lại khứ ₫ược Đa số thiết bị I/O mà ta dùng với máy tính ₫ều thuộc loại thiết bị ký tự (bàn phím, chuột, card mạng, scanner, printer,…) Khoa Cơng nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O ‰ Cũng có vài ngoại lệ : ƒ Thiết bị clock : khơng có liệu, kích hoạt tín hiệu ngắt quảng theo chu kỳ xác ₫ịnh trước ƒ Màn hình có nội dung hiển thị nằm RAM Máy tính cần dùng lệnh máy truy xuất vùng RAM tương ứng, hình hiển thị kết bị hiệu chỉnh Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O Các thiết bị I/O có tốc ₫ộ giao tiếp khác tùy tính chất sử dụng chúng Khoa Cơng nghệ Thơng tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O ‰ Thiết bị I/O giao tiếp với thiết bị khác Để máy tính giao tiếp với thiết bị I/O, người ta thường dùng phận tương thích với phận ₫iều khiển thiết bị, ta gọi phận bên máy tính device controller : CPU RAM Device Controller Bộ phận ₫iện tử ₫iều khiển (Adapter hay Device Controller) Bộ phận thừa hành (các thành phần khí, ₫iện,…) Bus Khoa Cơng nghệ Thơng tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn Các ghi I/O Mỗi device controller ₫ều có nhớ chứa thơng tin hoạt ₫ộng, ta gọi ô nhớ ghi (register) Dựa vào nội dung mà ghi chứa, có loại ghi : ƒ Thanh ghi lệnh : ghi chứa mã lệnh chức mà CPU ghi vào ₫ể bắt controller thực Chiều di chuyển thông tin ghi từ CPU ₫ến controller (OUT) ƒ Thanh ghi trạng thái : ghi chứa bit thông tin miêu tả trạng thái hành thiết bị I/O tương ứng (bận, rãnh,…) Chiều di chuyển thông tin ghi từ controller CPU (IN) ƒ Thanh ghi liệu xuất : chứa liệu mà CPU muốn xuất thiết bị I/O Chiều di chuyển thông tin ghi từ CPU ₫ến controller (OUT) ƒ Thanh ghi liệu nhập : chứa liệu mà thiết bị I/O gởi máy tính Chiều di chuyển thơng tin ghi từ controller CPU (IN) Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn Các ghi I/O Mỗi ghi cần có ₫ịa truy xuất Có phương pháp gán ₫ịa cho ghi controller : ƒ Địa I/O : máy có loại ₫ịa khác : ₫ịa ô nhớ dành ₫ể truy xuất ô nhớ RAM, ₫ịa I/O dành truy xuất ghi mạch controller Thí dụ lệnh mov al, [f5] ₫ọc nội dung ô nhớ RAM ₫ịa F5H vào ghi al CPU, lệnh in al, f5 ₫ọc nội dung ghi controller ₫ó mà có ₫ịa (port) F5H ƒ Địa memory-mapped I/O : máy có loại ₫ịa loại lệnh ₫ể truy xuất ô nhớ, ghi I/O phải ₫ược thiết kế cho chiếm ₫ịa ô nhớ xác ₫ịnh, muốn truy xuất ghi I/O, CPU dùng lệnh truy xuất ô nhớ bình thường Thí dụ lệnh mov al, [f5] ₫ọc nội dung ô nhớ RAM hay ghi I/O ₫ịa F5H tùy thuộc vào ₫ịa ₫ang ₫ược dùng cho phần tử Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn Các ghi I/O ƒ Dùng hổn hợp loại ₫ịa I/O ₫ịa memory-mapped I/O : máy có loại ₫ịa khác : ₫ịa ô nhớ dành ₫ể truy xuất ô nhớ RAM, ₫ịa I/O dành truy xuất ghi mạch controller Tùy theo tính chất sử dụng ghi, ta dùng ₫ịa I/O (port) hay ₫ịa memory ₫ể truy xuất dùng loại lệnh tương ứng ₫ể truy xuất cần thiết Khoa Cơng nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb.com/sinhvienzonevn Kỹ thuật DMA Mỗi lần cần di chuyển liệu từ thiết bị I/O (₫ang nằm ghi data in controller), CPU phải thực lệnh máy liên tiếp : Lệnh in (hay mov) ₫ể di chuyển liệu từ controller vào ghi CPU Lệnh mov ₫ể di chuyển liệu từ ghi CPU ô nhớ RAM xác ₫ịnh Việc di chuyển liệu máy tính thiết bị I/O chưa ₫ược hiệu phải di chuyển qua phần tử trung gian (CPU) Để khắc phục nược ₫iểm này, ta sử dụng kỹ thuật DMA (Direct Memory Access) Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Device Controller CPU RAM Bus Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 10 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.6 Terminal giao tiếp sở ký tự Terminal mạch ₫iều khiển bên máy tính dùng chuẩn giao tiếp RS232 (COM1, COM2) ₫ể giao tiếp nhau, tín hiệu ₫ược truyền/nhận bit theo theo gian Mỗi lần ký tự ASCII (1byte) cần truyền, controller ₫ổi ký tự thành bit gởi bit terminal Terminal máy tính thiết bị ₫ộc lập Terminal thường có khả hiển thị ₫ược 25 hàng, hàng 80 ký tự Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 31 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.7 Giao tiếp người dùng sở ₫ồ họa Màn hình ₫ồ họa có khả hiển thị c*r pixel (1024*768) Thông tin ₫iều khiển hiển thị pixel dài n bit (24bit = byte cho chế ₫ộ TrueColor) Ma trận thông tin hiển thị cho c*r pixel ₫ược lưu nhớ “Video RAM”, CPU truy xuất trực tiếp ô nhớ video RAM y truy xuất ô nhớ RAM chứa chương trình liệu ⇒ việc cập nhật thơng tin hiển thị ₫ồ họa nhanh chóng, chiếu phim full HD Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 32 https://fb.com/sinhvienzonevn 160 nhớ Màn hình chế ₫ộ văn B000:0 B000:1 B000:2 B000:3 B000:A0 B000:A1 B000:A2 B000:A3 ‘A’ xA ‘B’ xB … AB 12 ‘1’ x1 ‘2’ x2 … Màn hình văn Video RAM Khoa Cơng nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 33 https://fb.com/sinhvienzonevn Màn hình chế ₫ộ ₫ồ họa Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 34 https://fb.com/sinhvienzonevn Màn hình chế ₫ộ ₫ồ họa Hàm API Windows BitBlt() cho phép copy vùng bitmap gốc sang vùng vẽ : a Trước hàm BitBlt thực thi b Sau hàm BitBit thực thi Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 35 https://fb.com/sinhvienzonevn Màn hình chế ₫ộ ₫ồ họa Thường dùng font outline ₫ể miêu tả ₫ường viền ký tự ₫ược hiển thị chế ₫ộ ₫ồ họa Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 36 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.8 Terminal mạng X-Terminal thiết bị ₫ầu cuối có khả hiển thị ₫ồ họa với tốc ₫ộ cao, ₫ược nối kết với máy tính thơng qua kỹ thuật mạng máy tính Khoa Cơng nghệ Thơng tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 37 https://fb.com/sinhvienzonevn Các Terminal mạng làm việc với máy tính Kiến trúc hệ thống terminal SLIM (Stateless Low-level Interface Machine) Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 38 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.9 Thiết bị quản lý việc dùng lượng Máy ENIAC gồm 18.000 ₫èn ₫iện tử, tốn 140.000w ₫iện ⇒ tốn ₫iện Máy PC dùng transistor nên tốn ₫iện, khoảng 400w, ₫ó máy dùng khoảng 85%, lãng phí 15% (60w) Tuy nhiên tỉ máy PC ₫ồng thời chạy toàn giới, người ₫ã lãng phí 60 tỉ Watt = 60.000 Mega Watts = công suất phát 60 nhà máy ₫iện ngun tử có qui mơ trung bình ⇒ lãng phí ₫iện Máy laptop thiết bị di ₫ộng dùng pin charge, ₫ể hạn chế trọng lượng máy, ta phải hạn chế kích thước trọng lượng pin ⇒ thời gian cung cấp lượng pin hạn chế (vài ba hoạt ₫ộng) Hơn lượng pin ₫ược nạp từ lượng ₫iện, ₫ó cần hạn chế việc sử dụng lượng thành phần hoạt ₫ộng máy xuống Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 39 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.9 Thiết bị quản lý việc dùng lượng ƒ ƒ ƒ Ngoài việc chế tạo thiết bị phần cứng cho chúng sử dụng ₫iện năng, vai trò HĐH ứng dụng quan trọng việc giảm thiểu việc tiêu tốn ₫iện Về phần cứng (CPU, memory, thiết bị I/O), chúng ₫ược thiết kế chế tạo cho nhiều trạng thái khác : On : ₫ang hoạt ₫ộng ⇒ tốn lượng Sleeping : ngủ chờ ⇒ tốn lượng Hibernating : ngủ ₫ơng ⇒ tốn lượng nữa, muốn quay on, tiêu tốn lượng thời gian từ sleeping on Off : tắt ⇒ không tiêu tốn lượng Nhiệm vụ HĐH ứng dụng ₫iều khiển thiết bị phần cứng ₫ể chúng trạng thái phù hợp theo thời gian cho tổng chi phí tiêu thụ lượng nhỏ Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 40 https://fb.com/sinhvienzonevn 6.9 Thiết bị quản lý việc dùng lượng ƒ ƒ ƒ Ngoài việc chế tạo thiết bị phần cứng cho chúng sử dụng ₫iện năng, vai trò HĐH ứng dụng quan trọng việc giảm thiểu việc tiêu tốn ₫iện Về phần cứng (CPU, memory, thiết bị I/O), chúng ₫ược thiết kế chế tạo cho nhiều trạng thái khác : On : ₫ang hoạt ₫ộng ⇒ tốn lượng Sleeping : ngủ chờ ⇒ tốn lượng Hibernating : ngủ ₫ơng ⇒ tốn lượng nữa, muốn quay on, tiêu tốn lượng thời gian từ sleeping on Off : tắt ⇒ không tiêu tốn lượng Nhiệm vụ HĐH ứng dụng ₫iều khiển thiết bị phần cứng ₫ể chúng trạng thái phù hợp theo thời gian cho tổng chi phí tiêu thụ lượng nhỏ Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 41 https://fb.com/sinhvienzonevn Tiết kiệm lượng cho hình ƒ ƒ Tắt hình sau thời gian nội dung khơng biến ₫ộng, người dùng thiết lập khoảng thời gian cho hợp lý Chia hình nhiều zone ₫ộc lập, thời ₫iểm ₫ó, có cửa sổ nhỏ ₫ang tác ₫ộng làm việc với người dùng, máy tắt zone khác Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 42 https://fb.com/sinhvienzonevn Tiết kiệm lượng cho ₫ĩa cứng ƒ ƒ ƒ Khi quay, ₫ộng quay ₫ĩa tiêu tốn nhiều ₫iện Do ₫ó nên tắt ₫ộng quay khơng cần thiết, thí dụ sau khoảng thời gian khơng truy xuất ₫ĩa, người dùng thiết lập khoảng thời gian cho hợp lý Lưu ý cần truy xuất lại, ₫ộng phải ₫ược khởi ₫ộng lại chờ thời gian ₫ể tốc ₫ộ ổn ₫ịnh, ₫iều tiêu tốn ₫iện thời gian chờ nhiều Có thể dùng Cache lớn ₫ể hạ thấp tần suất truy xuất ₫ĩa, nhờ ₫ó việc tắt ₫ộng quay thuận lợi có ích nhiều Có thể thơng báo cho ứng dụng biết trạng thái “tắt ₫ộng quay” cho ứng dụng ₫ể ứng dụng delay việc truy xuất ₫ĩa Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 43 https://fb.com/sinhvienzonevn Tiết kiệm lượng cho CPU ƒ ƒ Khi CPU trạng thái rãnh (hoặc chờ I/O khơng có process ₫ể chạy), nên chuyển trạng thái sleep Giảm tần số chạy CPU ₫ể giảm mức tiêu thụ ₫iện Các ứng có deadline biết trước : o thí dụ trình xem phim cần ₫ọc/giải mã hiển thị 25 frame/s, tức thời gian xử lý frame ảnh 40ms Nhưng CPU nhanh, cần 20ms ₫ể xử lý xong frame Trong trường hợp này, ta giảm tốc ₫ộ chạy CPU xuống lần ₫ể giảm mức tiêu hao lượng lần o Hoặc người dùng nhập liệu với tốc ₫ộ 1ký tự/s, ứng dụng cần 100ms xử lý xong việc nhập ký tự Trong trường hợp này, ta giảm tốc ₫ộ chạy CPU xuống 10 lần ₫ể giảm mức tiêu hao lượng 100 lần Khoa Công nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 44 https://fb.com/sinhvienzonevn Tiết kiệm lượng cho RAM ƒ ƒ Khi không cần thiết, giải phóng nội dung Cache off Khi không cần thiết, lưu nội dung RAM lên ₫ĩa off (Hibernation) Khoa Cơng nghệ Thơng tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone.com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 45 https://fb.com/sinhvienzonevn ... SinhVienZone. com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide 12 https://fb .com/ sinhvienzonevn 6.2 Các nguyên tắc phần mềm thiết bị I/O ƒ Độc lập thiết bị : ứng dụng truy xuất thiết bị nào,... nghệ Thông tin Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone. com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb .com/ sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O ‰ Thiết. .. ĐH Bách Khoa Tp.HCM SinhVienZone. com Môn : Hệ ₫iều hành Chương : Quản lý thiết bị I/O Slide https://fb .com/ sinhvienzonevn 6.1 Các nguyên tắc phần cứng thiết bị I/O Các thiết bị I/O có tốc ₫ộ giao