Bài giảng hệ điều hành chương 3 TS trần công án

Hệ Điều Hành Chương Quản Lý Nhập Xuất Giảng viên TS Trần Công Án tcan@cit.ctu.edu.vn Khoa Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông Đại học Cần Thơ 2018 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Mục Tiêu Giúp sinh viên hiểu rõ loại thiết bị nhập xuất mơ hình tổ chức, quản lý cách thức truy xuất thiết bị nhập xuất TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Nội Dung Các khái niệm Mơ hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Các khái niệm TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Các Khái Niệm Cơ Bản Chức máy tính nhập/xuất tính tốn Nhập (input): đọc/nhận liệu từ thiết bị nhập vào Xuất (output): ghi/xuất liệu thiết bị xuất I/O Port: điểm nối kết với thiết bị I/O với máy tính Bus: kênh vận chuyển liệu thiết bị Controller: điều khiển thiết bị, điều khiển thiết bị I/O CPU gửi thị điều khiển đến controller phương pháp: Chỉ thị I/O trực tiếp: ghi vào ghi controller Ánh xạ qua nhớ: ghi vào vùng nhớ ánh xạ TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Cấu Trúc Bus Của Một Hệ Thống Máy Tính disk SCSI bus monitor disk processor disk disk cache graphics controller bridge/memory controller memory SCSI controller PCI bus IDE disk controller TS Trần Công Án disk disk disk disk expansion bus interface keyboard expansion bus parallel port [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất serial port [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Các loại thiết bị nhập xuất Các Loại Thiết Bị Nhập Xuất Các thiết bị I/O dạng khối (block): Nhập/Xuất liệu theo đơn vị khối (VD: 512 bytes – 32KB ) Ví dụ: ổ đĩa HDD, FDD, CDROM, Có thể sử dụng phương pháp ánh xạ nhớ Các thiết bị dạng ký tự: (character): Nhập/Xuất liệu theo byte ký tự Ví dụ: bàn phím, chuột, cổng (serial ports), TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Đặc tính thiết bị nhập xuất Đặc Tính Các Loại Thiết Bị Nhập Xuất Tốc độ thiết bị: truyền liệu, tìm kiếm, trì hỗn, Dung lượng lưu trữ, thời gian truy xuất đơn vị liệu Loại thiết bị: nhập, xuất, hay hai Đơn vị truyền liệu: khối hay ký tự Trạng thái thiết bị: lệnh hoàn thành, liệu sẵn dùng, lỗi, Chế độ chia sẻ: chia sẻ hay tận hiến Chế độ truyền liệu: đồng hay bất đồng TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Các khái niệm Đặc tính thiết bị nhập xuất Đặc Tính Của Một Số Loại Thiết Bị aspect variation example data-transfer mode character block terminal disk access method sequential random modem CD-ROM transfer schedule synchronous asynchronous tape keyboard sharing dedicated sharable tape keyboard device speed I/O direction TS Trần Công Án latency seek time transfer rate delay between operations read only write only read–write [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất CD-ROM graphics controller disk [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Mơ hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Mơ hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 10 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Giao diện ứng dụng I/O Nhập/Xuất Nghẽn Không Nghẽn Lời gọi I/O nghẽn (I/O blocking call) Tiến trình bị nghẽn bị treo sau thực lời gọi I/O thao tác I/O hoàn thành Dễ hiểu dễ sử dụng Lời gọi I/O không nghẽn (I/O non-blocking call) Tiến trình tiếp tục thực thi sau phát lời gọi I/O Tiến trình kiểm tra việc hoàn thành thao tác I/O cách thăm dò (polling) trạng thái thiết bị Một biến thể lời gọi I/O không nghẽn lời gọi I/O dị (asynchronous): tiến trình báo hiệu thao tác I/O hồn thành thơng qua biến chia sẻ, trigger hay hàm callback TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 22 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống I/O nhân (Kernel I/O subsystem) Hệ Thống Con I/O Trong Nhân Cung cấp dịch vụ liên quan đến I/O Định thời (scheduling) Một số yêu cầu I/O xếp hàng đợi thiết bị Có nhiều chiến lược: cơng hay ưu tiên Trữ đệm (buffering): lưu liệu nhớ chuyển liệu thiết bị Để đối phó với bất đối xứng tốc độ thiết bị Để đối phó với bất tương xứng kích thước đơn vị truyền nhận VD: truyền nhận liệu qua mạng, message chia thành nhiều gói ⇒ bên nhận cần có đệm để “trữ” gói TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 23 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống I/O nhân (Kernel I/O subsystem) Hệ Thống Con I/O Trong Nhân Trữ tạm (caching): nhớ truy xuất nhanh, dùng để lưu liệu Mục đích: tăng hiệu Thường kết hợp với giải thuật “dự đoán” Spooling: đệm lưu trữ tạm liệu xuất đến thiết bị Được sử dụng trường hợp thiết bị phục vụ yêu cầu thời điểm Ví dụ, hệ thống spooling máy in lưu trữ tài liệu yêu cầu in TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 24 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa Hệ Thống Vào Ra Đĩa Cấu trúc đĩa từ track t spindle arm assembly sector s read-write head cylinder c platter arm rotation TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 25 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa Vấn Đề Truy Cập Đĩa Vai trò hệ điều hành tăng hiệu sử dụng phần cứng: Tăng băng thông: lượng liệu đọc/ghi đơn vị thời gian Giảm thời gian truy cập đĩa Thời gian truy cập = thời gian định vị + độ trễ quay Thời gian định vị (seek time): thời gian dịch chuyển đầu đọc tới cylinder chứa sector cần đọc Độ trễ quay (rotational latency): thời gian chờ đợi track chứa sector cần đọc sector xuất đầu đọc ⇒ Để giảm thời gian truy cập: cực tiểu hóa thời gian định vị TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 26 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa Điều Phối Truy Cập Đĩa Một số thuật toán điều phối truy cập đĩa: FCFS (First Come First Served) SSTF (Shortest Seek Time First) SCAN LOOK Các ví dụ dựa giả thuyết: Các yêu cầu truy cập sector cylinder: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67 Đầu đọc cylinder 53 TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 27 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa FCFS - First Come First Served Yêu cầu đến trước phục vụ trước (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 45 85 146 85 108 110 = 630 59 TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 28 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa SSTF - Shortest Seek Time First Chọn truy cập có thời gian định vị nhỏ tính từ vị trí (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 12 30 = 236 23 84 24 53→37→14→65→67→ TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 59 29 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa SCAN Đầu đọc dich chuyển từ cylinder đến cylinder quay ngược lại Phục vụ cho yêu cầu gặp đường (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 14 37 53 65 67 98 15 122 124 183 199 Đầu đọc dịch phía cylinder 23 14 65 = ??? 31 24 TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 59 30 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào đĩa LOOK Một cải tiến SCAN: Đầu đọc không di chuyển tới cylinders ngoài/trong mà đến y/cầu xa phía quay lại (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 = ??? / TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 31 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 32 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất Các chương trình thực nhập xuất Các Chương Trình Thực Hiện Nhập Xuất Chương trình người dùng: thực yêu cầu I/O thông qua giao diện (lời gọi hệ thống) thành phần quản lý thiết bị I/O HĐH Trình điều khiển thiết bị I/O độc lập (I/O subsystem HĐH): cung cấp giao diện đồng cho thiết bị I/O Trình điều khiển thiết bị (device driver): cung cấp tập giao diện cho phép tương tác với thiết bị I/O (cung cấp nhà sx t/bị) Mức cao: truy cập thông qua lời gọi hệ thống, cài đặt số lệnh chuẩn open(), close(), read(), write(), Mức thấp: thực thủ tục ngắt (interrupt) TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 33 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất Tổ chức hệ thống nhập xuất Tổ Chức Hệ Thống Nhập Xuất Hệ thống quản lý nhập xuất chia thành lớp: Tiến trình người dùng: thực yêu cầu I/O, định dạng nhập xuất Trình điều khiển thiết bị I/O độc lập HĐH: đặt tên, bảo vệ, tổ chức khối, đệm, Trình điều khiển thiết bị mức cao: thiết lập giá trị ghi, kiểm tra trạng thái thiết bị, Trình điều khiển thiết bị mức thấp: kích hoạt ngắt thao tác I/O hoàn thành Phần cứng (bộ điều khiển thiết bị, thiết bị): thực thao tác I/O TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 34 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất Tổ chức hệ thống nhập xuất Chu Kỳ I/O Dựa Trên Ngắt chương trình người dùng trình đkhiển thiết bị độc lập request I/O I/O completed, input data available, or output completed user process system call can already satisfy request? return from system call kernel I/O subsystem yes transfer data (if appropriate) to process, return completion or error code no send request to device driver, block process if appropriate kernel I/O subsystem device driver mức cao process request, issue commands to controller, configure controller to block until interrupted device driver determine which I/O completed, indicate state change to I/O subsystem device driver mức thấp device-controller commands interrupt handler receive interrupt, store data in device-driver buffer if input, signal to unblock device driver interrupt thiết bị phần cứng monitor device, interrupt when I/O completed device controller I/O completed, generate interrupt time TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 35 ... controller 040–0 43 timer TS Trần Công Án 200–20F game controller 2F8–2FF serial port (secondary) 32 0? ?32 F hard-disk controller 37 8? ?37 F parallel port 3D0–3DF graphics controller 3F0–3F7 diskette-drive controller... đường (98, 1 83, 37 , 122, 14, 124, 65,67) 14 37 53 65 67 98 15 122 124 1 83 199 Đầu đọc dịch phía cylinder 23 14 65 = ??? 31 24 TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 59 30 [TT005] Ch3 Quản lý... 122 124 1 83 199 = ??? / TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất 31 [TT005] Ch3 Quản lý nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất Truy xuất hệ thống nhập xuất TS Trần Công Án [TT005] Ch3 Quản