Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành (handout): Chương 5 - Phạm Đăng Hải

Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành (handout): Chương 5 trang bị cho người học những kiến thức về quản lý vào ra trong hệ điều hành như: Nguyên tắc quản lý chung, dịch vụ vào ra của hệ thống, hệ thống vào ra đĩa. Mời các bạn cùng tham khảo.

Hệ điều hành Notes NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Phạm Đăng Hải haipd@soict.hust.edu.vn Bộ mơn Khoa học Máy tính Viện Công nghệ Thông tin & Truyền Thông Ngày 14 tháng năm 2020 c om / 43 an co Notes ng Chương 5: Quản lý vào u cu / 43 du on g th Chương Quản lý vào Notes (Nguồn: internet) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Notes Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ thống vào đĩa Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung Notes Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ thống vào đĩa du on g th an co Nội dung ng c om / 43 cu u / 43 Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Nguyên tắc quản lý chung Giới thiệu Ngắt xử lý ngắt / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Thiết bị vào Đa dạng, nhiều loại thiết bị, loại có nhiều kiểu khác Quan điểm kỹ thuật: thiết bị với VXL, motor, linh kiện khác Quan điểm lập trình: Giao diện phần mềm để nhận lệnh, thực trả kết Phân loại thiết bị ngoại vi Thiết bị khối (Đĩa từ, băng từ) Thơng tin lưu trữ có kích thước cố định địa riêng Có thể đọc ghi khối độc lập với khối khác Tồn thao tác định vị thông tin (seek) Thiết bị ký tự (Máy in, Bàn phím, chuột, ) Chấp nhận luồng ký tự, khơng có cấu trúc khối Khơng có thao tác định vị thông tin Loại khác: Đồng hồ Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes co Thiết bị điều khiển I Thiết bị ngoại vi (Tbnv ) đa dạng nhiều loại CPU hết ⇒ Không tồn tín hiệu riêng cho thiết bị an Processor khơng điều khiển trực tiếp thiết bị th TBNV nối với hệ thống qua thiết bị điều khiển (D.C Device controller -Bộ điều khiển thiết bị) Các mạch điện tử cắm khe cắm (slot) mainboard máy tính ng c om / 43 g Mỗi thiết bị điều khiển điều khiển 1,2,4, thiết bị ngoại vi on Tùy theo số giắc cắm có TBĐK Nếu giao diện điều khiển chuẩn (ANSI, IEEE, ISO, ) nối tới nhiều thiết bị khác Mỗi TBDK có ghi riêng để làm việc với CPU cu u / 43 du Dùng không gian địa đặc biệt cho ghi: cổng vào Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Thiết bị điều khiển II / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Thiết bị điều khiển III Giao diện TBĐK TBNV: Giao diện mức thấp Sector = 512bytes = 4096bits Bộ điều khiển đĩa phải đọc/ghi bit nhóm lại thành sector HĐH làm việc với TBĐK Thông qua ghi điều khiển thiết bị Các câu lệnh tham số đưa vào ghi điều khiển Khi lệnh điều khiển chấp nhận, CPU điều khiển hoạt động quay sang làm cơng việc khác Khi lệnh thực xong, điều khiển báo cho CPU tín hiệu ngắt CPU lấy KQ trạng thái thiết bị thông qua ghi điều khiển Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes co Trình điều khiển thiết bị (Device driver) Mức cao : Được truy nhập qua lời gọi hệ thống th Các trình điều khiển thiết bị thường chia làm mức an Là đoạn mã nhân hệ thống cho phép tương tác trực tiếp với phần cứng thiết bị Cung cấp giao diện chuẩn cho thiết bị vào khác ng c om 10 / 43 on Mức thấp: Được thực thủ tục ngắt g Cài đặt tập lời gọi chuẩn open(), close(), read(), write() Là giao diện nhân HĐH với trình điều khiển Luồng mức cao khởi động thiết bị thực vào/ra sau đặt luồng điều khiển tạm nghỉ du Đọc liệu đầu vào, đưa khối liệu Đánh thức luồng tạm nghỉ mức vào/ra kết thúc cu u 11 / 43 Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Chu kỳ yêu cầu vào 12 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Giao tiếp thiết bị ngoại vi với hệ điều hành Sau hệ điều hành gửi yêu cầu tbnv, HĐH cần phải biết Thiết bị ngoại vi hoàn thành yêu cầu vào Thiết bị ngoại vi gặp lỗi Có thể thực theo phương pháp Ngắt thăm dị Ngắt (I/O interrupts) Tbnv phát sinh tín hiệu ngắt để báo cho CPU biết IRQ: Đường dẫn vật lý đến quản lý ngắt Ánh xạ tín hiệu IRQ thành vector ngắt Gọi tới chương trình xử lý ngắt Thăm dị (pooling) HĐH chu kỳ kiểm tra ghi trạng thái thiết bị Lãng phí chu kỳ thăm dị thao tác vào khơng thường xun Các thiệt bị thời kết hợp phương pháp (VD Các thiết bị mạng băng thơng cao) Ngắt gói tin tới Thăm dị với gói tin vùng đệm rỗng Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.2 Ngắt xử lý ngắt co Nguyên tắc quản lý chung an Notes ng c om 13 / 43 Giới thiệu du on g th Ngắt xử lý ngắt cu u 14 / 43 Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.2 Ngắt xử lý ngắt Notes Khái niệm ngắt Ngắt phương tiện thiets bị khác hệ thống báo cho processor biết trạng thái Ngắt tượng dừng đột xuất chương trình để chuyển sang thực chương trình khác ứng với kiện xảy Ngắt >< chương trình !? 15 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.2 Ngắt xử lý ngắt Notes Phân loại ngắt Theo nguồn gốc Ngắt bên Ngắt bên Theo thiết bị Ngắt cứng Ngắt mềm Theo khả quản lý Ngắt che Ngắt không che Theo thời điểm ngắt Yêu cầu Báo cáo Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.2 Ngắt xử lý ngắt Notes Ghi nhận đặc trưng kiện gây ngắt vào ô nhớ cố định Ghi nhận trạng thái tiến trình bị ngắt Chuyển địa chương trình xử lý ngắt vào ghi trỏ lệnh Thực chương trình xử lý ngắt Khơi phục lại tiến trình bị ngắt th an co Xử lý ngắt ng c om 16 / 43 du on g Sử dụng bảng vector ngắt (IBM-PC) cu u 17 / 43 Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống Notes Nội dung Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ thống vào đĩa 18 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.1 Vùng đệm Notes Dịch vụ vào hệ thống Vùng đệm (Buffer) Quản lý lỗi vào Kỹ thuật SPOOL Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.1 Vùng đệm Notes co Khái niệm chung Đặc trưng thiết bị ngoại vi: hoạt động chậm an Kích hoạt thiết bị Chờ đợi thiết bị đạt trạng thái h/động thích hợp Chờ đợi thao tác vào thực th Đảm bảo hiệu hệ thống cần ng c om 19 / 43 Giảm số lượng thao tác vào ra, làm việc với khối liệu g Thực song song thao tác vào với thao tác khác on Thực trước phép truy nhập du Vùng đệm: Vùng nhớ trung gian, làm nơi lưu trữ thông tin thao tác vào cu u 20 / 43 Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.1 Vùng đệm Notes Phân loại vùng đệm Vùng đệm vào Có thể thự phép truy nhập liệu Ví dụ đọc đĩa Vùng đệm Thơng tin đưa vùng đệm, vùng đệm đầy đưa thiết bị 21 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.1 Vùng đệm Notes Phân loại vùng đệm Vùng đệm gắn với thiết bị Được xây dựng mở thiết bị/file Phục vụ riêng cho thiết bị bị xóa đóng thiết bị Thích hợp thiết bị có cấu trúc ghi vật lý khác Vùng đệm gắn với hệ thống Xây dựng khởi tạo hệ thống, không gắn với thiết bị cụ thể Tồn suốt trình hoạt động hệ thống Mở file/thiết bị ⇒ Gắn với vùng đệm có sẵn Khi đóng file/thiết bị⇒ vùng đệm trả hệ thống Thích hợp thiết bị có cấu trúc ghi vật lý chung Tránh việc tạo xóa vùng đệm nhiều lần Vùng đệm trở thành tài nguyên găng ⇒ phải điều độ Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.1 Vùng đệm Notes co Phân loại vùng đệm ng c om 22 / 43 Vùng đệm trung chuyển an Vùng đệm vào Vùng đệm th Vùng đệm xử lý Vùng đệm vòng tròn g Vùng đệm vào Vùng đệm du on Vùng đệm xử lý cu u 23 / 43 Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.2 Quản lý lỗi vào Notes Dịch vụ vào hệ thống Vùng đệm (Buffer) Quản lý lỗi vào Kỹ thuật SPOOL 24 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.2 Quản lý lỗi vào Notes Đặt vấn đề Lỗi xảy phận hệ thống Phần cứng: Intel 486? Phần mềm: Win 98 ? Thiết bị ngoại vi: Hay gặp lỗi tác động môi trường Xử lý lỗi ⇒ Trách nhiệm hệ thống Được quan tâm giai đoạn thiết kế, chế tạo Kiểm tra chẵn/lẻ Tổng kiểm tra Các phép kiểm tra phần cứng/phần mềm đảm nhiệm Yêu cầu sử dụng linh hoạt phép kiểm tra Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.2 Quản lý lỗi vào Notes co Xử lý lỗi Nếu lỗi ổn định ⇒Cố gắng khôi phục lại thông tin ban đầu g So sánh với thông tin gốc/So sánh tổng kiểm tra Kết báo cho hệ thống để có xử lý tương ứng ⇒Lặp lại thao tác/ Thông báo lỗi th Thiết bị điều khiển đọc lại kết vừa lưu trữ an Phát lỗi, hệ thống cố gắng khắc phục cách t/hiện lại nhiều lần Trường hợp lưu trữ, để đảm bảo chất lượng thông tin ng c om 25 / 43 on Thiết bị vào thường cung cấp mã trả (return code) du Phân tích đánh giá dựa mã nhận cu u 26 / 43 Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.3 Kỹ thuật SPOOL Notes Dịch vụ vào hệ thống Vùng đệm (Buffer) Quản lý lỗi vào Kỹ thuật SPOOL 27 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.3 Kỹ thuật SPOOL Notes Kỹ thuật SPOOL (Simultaneous peripheral operation on-line) Trên phương diện lập trình, thiết bị vào Trạm nhận yêu cầu từ chương trình thực Trả mã trạng thái để hệ thống phân tích Vậy dùng phần mềm mơ thiết bị vào Thiết bị vào coi tiến trình Được điều độ theo quy tắc quản lý tiến trình Mục đích Mơ q trình điều khiển, quản lý thiết bị ngoại vi Kiểm tra hoạt động thiết bị chế tạo Tạo hiệu ứng sử dụng song song cho thiết bị Chương 5: Quản lý vào Dịch vụ vào hệ thống 2.3 Kỹ thuật SPOOL Notes P2 th an P1 co Kỹ thuật SPOOL: Ví dụ máy in ảo ng c om 28 / 43 on g Printer daemon du Virtual printer cu u 29 / 43 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa Notes Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ thống vào đĩa 30 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.1 Cấu trúc đĩa từ Notes Hệ thống vào đĩa Cấu trúc đĩa từ Điều phối truy nhập đĩa Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.1 Cấu trúc đĩa từ Notes Khối logic đơn vị trao đổi nhỏ on Mơ hình hóa mảng chiều khối logic g th an co Cấu trúc ng c om 31 / 43 Ánh xạ liên tiếp khối logic tới sector đĩa Khối sector đầu mặt rãnh/Cylinder du Ánh xạ theo trật tự: Sector → Header → Track/Cylinder Ít phải dịch chuyển đầu từ đọc sector cu u 32 / 43 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.1 Cấu trúc đĩa từ Notes Vấn đề truy nhập đĩa Hệ điều hành có trách nhiệm sử dụng hiệu phần cứng Với đĩa: Thời gian truy nhập nhanh băng thơng cao Băng thơng tính dựa Tổng số bytes trao đổi Khoảng thời gian từ y/cầu dịch vụ đầu hoàn thành Thời gian truy nhập gồm phần Thời gian định vị (seek time) Thời gian dịch chuyển đầu từ tới cylinders chứa sector cần truy nhập Độ trễ quay (Rotational latency) Thời gian chờ đợi để đĩa quay tới sector cần truy nhập Mục đích: cực tiểu hóa thời gian định vị Thời gian định vị ≈khoảng cách dịch chuyển Hàng đợi yêu cầu Đĩa đ/khiển sẵn sàng, y/cầu truy nhập đc thực Đĩa/bộ đ/khiển chưa sẵn sàng, yêu cầu đc đặt hàng đợi Hoàn thành yêu cầu truy nhập đĩa, lựa chọn y/cầu nào? 33 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes Hệ thống vào đĩa Cấu trúc đĩa từ Điều phối truy nhập đĩa Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes co Các thuật toán SSTF: Shortest Seek Time First SCAN C-SCAN: Circular SCAN LOOK/C-LOOK g th FCFS:First Come First Served an Tồn số thuật toán điều phối dịch vụ cho yêu cầu vào đĩa ng c om 34 / 43 Giả thiết on Các yêu cầu truy nhập 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 du Đầu đọc cylinder 53 cu u 35 / 43 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes FCFS Truy nhập theo trật tự yêu cầu ⇒Không hiệu Yêu cầu truy nhập cylinder : 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 36 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes SSTF Chọn truy nhập có t/gian định vị từ vị trí nhỏ ⇒Có thể tồn y/c phải đợi vô hạn y/c x/hiện gần đầu đọc (tương tự SJF ) Yêu cầu truy nhập cylinder : 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→ 59 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes Yêu cầu truy nhập cylinder : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 14 37 53 65 67 98 15 122 124 183 199 th Đầu từ dich phía cylinder an Đầu từ dich chuyển từ cylinder đến cylinder quay ngược lại Phục vụ cho yêu cầu gặp đường co SCAN ng c om 37 / 43 23 14 31 24 du on g 65 59 cu u 38 / 43 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes C-SCAN Nguyên tắc: Xử lý cylinders danh sách nối vịng: Cylinder ngồi nối tiếp với cylinder Đầu từ d/chuyển từ cylinder đến cylinder Phục vụ cho yêu cầu gặp đường Khi tới Cylinder cùng, quay ngược lại Cylinder ngồi Khơng phục vụ cho u cầu gặp đường Nhận xét: Thu thời gian đợi đồng thuật toán SCAN Khi đầu đọc đạt tới phía đĩa (cylinders cùng, ), mật độ yêu cầu xuất phía bên lớn so với vị trí (do vừa qua) Các yêu cầu đợi lâu ⇒ Quay phía bên 39 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes C-SCAN: Ví dụ Yêu cầu truy nhập cylinder : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes Yêu cầu truy nhập cylinder : 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 du on g th an Phiên SCAN/C-SCAN: Đầu đọc khơng di chuyển tới cylinders ngồi/trong mà đến y/cầu xa phía quay lại co LOOK/ C-LOOK ng c om 40 / 43 cu u 41 / 43 Chương 5: Quản lý vào Hệ thống vào đĩa 3.2 Điều phối truy nhập đĩa Notes Vấn đề lựa chọn thuật toán SSTF: Phổ biến, hiệu FCFS SCAN/C-SCAN hoạt động tốt cho hệ thống có nhiều yêu cầu truy nhập đĩa Không gặp vấn đề "starrvation: chờ đợi lâu" Hiệu thuật toán phụ thuộc mạnh số lượng kiểu yêu cầu Yêu cầu truy xuất đĩa bị ảnh hưởng mạnh phương pháp phân phối đĩa cho file Phân phối liên tục: đưa y/cầu truy xuất lân cận Phân phối liên kết/ mục: gồm khối phân bố rộng rãi đĩa Thuật tốn điều phối truy nhập đĩa viết modul riêng biệt HĐH cho phép thay thuật toán khác cần thiết Cả SSTF LOOK lựa chọn hợp lý cho thuật toán mặc định 42 / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Notes Kết luận Nguyên tắc quản lý chung Giới thiệu Ngắt xử lý ngắt Dịch vụ vào hệ thống Vùng đệm (Buffer) Quản lý lỗi vào Kỹ thuật SPOOL Hệ thống vào đĩa Cấu trúc đĩa từ Điều phối truy nhập đĩa u du on g th an co Notes ng c om 43 / 43 cu Notes CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt .. .Chương 5: Quản lý vào Notes Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ thống vào đĩa Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung Notes Nguyên tắc quản lý chung Dịch vụ vào hệ thống Hệ. .. rỗng Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.2 Ngắt xử lý ngắt co Nguyên tắc quản lý chung an Notes ng c om 13 / 43 Giới thiệu du on g th Ngắt xử lý ngắt cu u 14 / 43 Chương 5: Quản lý. .. vào Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý chung 1.1 Giới thiệu Notes Thiết bị điều khiển II / 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 5: Quản lý vào Nguyên tắc quản lý