Chương 6 HỆ THỐNG QUẢN LÝ TẬP TIN
6.4 Quản lý đĩa
Cĩ 2 phương pháp để lưu trữ trên đĩa : lưu trữ theo kiểu liên tiếp các byte hay chia thành nhiều khối. Cách thứ nhất khơng hiệu quả khi truy xuất những tập tin cĩ kích thước lớn, do đĩ hầu hết các hệ thống tập tin đều dùng khối cĩ kích thước cố định.
6.4.1 Kích thước khối
Một vấn đề đặt ra kích thước khối phải bằng bao nhiêu là tối ưu. Điều này phụ thuộc vào tổ chức đĩa như số sector, track, số cylinder. Nếu dùng một cylinder cho 1 khối thì lãng phí tới 97% dung lượng đĩa. Nên mỗi tập tin lưu trên một số khối. Ví dụ một đĩa cĩ 32768 byte trên 1 track thì thời gian quay là 16.67 msec thời gian tìm kiếm trung bình là 30ms, do đĩ thời gian để đọc một khối là cĩ kích thước k byte là :
30 +8.3 + (k/32768)x16.67
Từ đĩ thống kê được kích thước khối thích hợp phải là <= 2K. Thơng thường khối cĩ kích thước là 512 B , 1 K hay 2K.
6.4.2 Các phương pháp quản lý khối trống
Phương pháp dùng bit vector
Khơng gian đĩa được chia thành các khối và đanh số theo thứ tự 0.. max. Mỗi khối đĩa sử dụng một bit để đánh dấu trạng thái. Khối đĩa đã sử dụng thì đánh dấu là 1, chưa sử dụng được đánh dấu là 0. Tập hợp các ký hiệu 0,1 lại thành bitvector hay bitmap. Trên bitvector cũng bắt đầu đánh số từ 0.. max để tương ứng khối đĩa, bít thứ k trên bit vector quản lý vùng trống của khối đĩa đã được đánh dấu thứ k. Do đĩ, cần sử dụng một khối riêng để lưu trữ bitvector để quản lý các khối trên đĩa.
Thí dụ: Giả sử một đĩa cĩ 32 khối,các khối 2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 25, 26, 27 là các khối đĩa tự do. Khi đĩ bitmap để quản lý khối tự do là như sau:
11000011000000111001111110001111
Phương pháp bitmap dễ cài đặt, dễ quản lý, dễ tìm kiếm nhưng những khối đĩa tự do tốn khơng gian lưu trữ bitmap.
Phương pháp liệt kê
Trong phương pháp này, hệ thống sử dụng một danh sách mĩc nối để liệt kê các khối đĩa tự do. Con trỏ đầu chỉ khối đĩa tự do đầu tiên mỗi khối cĩ một con trỏ để trỏ khối đĩa kế tiếp. Ưu điểm của phương pháp là tiết kiệm khơng gian nhớ nhưng làm tăng thời gian truy nhập dữ liệu.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Hình 6.4 Khơng gian trống trên đĩa từ
Con trỏ đầu danh
sách
Phương pháp lập nhĩm
Trong phương pháp này, hệ thống cho phép nhĩm các khối đĩa tự do liên tiếp thành một nhĩm. Khối đĩa tự do đầu tiên trong nhĩm lưu trữ dữ liệu địa chỉ của các khối đĩa tự do trong nhĩm. Khối đĩa tự do cuối cùng trong nhĩm lưu trữ địa chỉ của khối đĩa tự do đầu tiên của nhĩm tiếp theo.
Thí dụ : Theo hình 6.4 ta cĩ bảng quản lý khơng gian nhớ tự do như sau: Nhĩm Khối đầu Khối cuối
I 2(2,3,4,5) 5(8)
II 8(8,9,10,11,12,13) 13(17)
III 17(17,18) 18(25)
IV 25(25,26,27) 27(…)
Phương pháp đếm
Phương pháp đếm là biến đổi của phương pháp lập nhĩm. Trong phương pháp này, hệ thống lập danh sách quản lý địa chỉ của các khối đĩa tự do đầu tiên và số lượng các khối đĩa tự do liên tục kế tiếp các khối đĩa đĩ.
Thí dụ : Theo hình 6.4 ta cĩ bảng quản lý khơng gian nhớ tự do như sau: Danh sách Số lượng 2 4 8 6 17 2 25 3 6.5 ĐỘ AN TỒN CỦA HỆ THỐNG FILE
Dữ liệu trên hệ thống máy tính là vơ cùng quan trọng, khi hệ thống tập tin bị hỏng thì nĩ ảnh hưởng đến các phần mềm. Hư hỏng thiết bị là điều thường hay xảy ra, do đĩ ta phải cài đặt một số chức năng để bảo vệ dữ liệu.
Đĩa cứng thường cĩ những khối bị hỏng trong q trình sử dụng. Đĩa cứng cĩ dung lượng rất lớn khĩ kiểm tra được.
Cĩ hai giải pháp để quản lý khối đĩa bị hỏng: phần cứng và phần mềm. Phần cứng là dùng một sector để lưu giữ các khối đĩa bị hỏng. Khi bộ kiểm sốt thực hiệân lần đầu tiên, nĩ ghi lại danh sách những khối hỏng để cho sau này khơng truy cập tới các khối hỏng này nữa.Trong các hãng sản xuất đĩa cứng, nhà sản xuất thường cơng bố vùng bị hỏng trên mặt đĩa. Khi khối đĩa bị hỏng vì một lý do như vi rút giả lập hay các phần mềm chống sao chép để khơi phục các khối bị hỏng ta cĩ thể lưu các dữ liệu cần thiết và dùng các chương trình tiện ích để phục hồi như Format cấp thấp hay các chương trình của hãng Symatic.
Phương pháp phần mềm là dùng phần mềm để quản lý các khối hỏng. Kỹ thuật này loại trừ chúng ra khỏi các danh sách khối trống, và khơng được cấp phát lại khối này cho các tập tin.
6.5.2 Backup và phục hồi
Mặc dù cĩ chiến lược quản lý đĩa các khối bị hỏng nhưng cơng việc hết sức
quan trọng là phải backup dữ liệu phịng hờ các sự cố làm hỏng hệ thống tập tin xảy ra.
Tập tin của đĩa mềm thường sao chép qua các đĩa khác. Dữ liệu trên đĩa cứng được lưu trữ qua hệ thống băng từ , đĩa Zip , đĩa USB , CD ROM .. Việc lưu trữ trên đĩa cứng đặc biệt trên hệ thống máy chủ cĩ chiến lược lưu trữ theo ngày , hay quy định mức thời điểm lưu trữ. Việc lưu trữ theo 2 cơ chế tự động hay làm thủ cơng. Trong hệ thống lưu trữ lớn, việc lưu trữ cĩ thể thực hiện theo cơ chế soi gương. Trong đĩa cứng chia làm 2 phần : phần dữ liệu chính và phần backup. Nếu sao chép theo ngày thì quy định thời điểm khi máy tính rỗi (ban tối ) thì phần dữ liệu sẽ chép qua phần backup. Trong khi backup ta cần đánh các mốc thời điểm sao chép để phục hồi dữ liệu một cách kịp thời.
Backup dữ liệu 1 Disk 0 Backup dữ liệu 0 Disk 1 Dữ liệu 0 Dữ liệu 1 CPU Backup dữ liệu
Khi khơng cĩ hệ thống lưu trữ, nếu cĩ sự cố cần phục hồi ta cĩ thể dùng các phần mềm tiện ích về đĩa để sửa lỗi.
Trong hệ thống máy chủ, cịn cĩ một phương thức để phục hồi và đảm bảo an tồn dữ liệu là dùng hệ thống RAID ( Redundant Array of Independent Disks).
Cĩ các mức RAID như sau:
• RAID 0 : phân dữ liệu thành nhiều đĩa.
- Hiệu năng tuyệt vời , cài đặt dễ.
- Thích hợp với nhiều dữ liệu
- Giảm độ an tồn .
• RAID 1: dùng hệ thống soi gương trên nhiều đĩa
- Khơng gian đĩa tốn hai lần.
- Hiệu năng đọc tốt , viết chậm.
- Sửa chữa lỗi tốt
• RAID 3 : Phân dữ liệu trên các đĩa và phần kiểm tra được tổ chức riêng.
- Địi hỏi các đĩa hoạt động chính xác, đọc tốt,sửa chữa lỗi tốt.
- Hiệu năng xuất nhậïp thấp
• RAID 5: Cả phần dữ liệu và kiểm tra được phân bố trên các đĩa.
-Sửa chữa lỗi tốt
-Giá thành cao, địi hỏi thiết bị điều khiển đặc biệt.
-Hoạt động kém với những cập nhật nhỏ. A0 B0 C0 D0 A B C D E F G H A.parity B.parity C.parity D.parity RAID 3 A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3
Stripe 0 Stripe 1 Stripe 2 Stripe 3 Stripe 0,1,2,3 parity Parity
6.5.3 Tính khơng đổi hệ thống tập tin
Một vấn đề nữa là an tồn của dữ liệu đĩ là tính khơng đổi . Khi truy xuất một tập tin, trong q trình thực hiện, nếu cĩ xảy ra những sự cố làm ngưng hệ thống, lúc đĩ hàng loạt thơng tin chưa cập nhật kịp. Vì vậy mỗi lần khởi động hệ
A E I M B F J N C G K O D H L ... RAID 0 A B C D A B C D E F G H E F G H I J K L E F G H E F G H I J K L M N O P M N O P RAID 1 A0 A1 A2 A3 4 parity E F G H RAID 5 A Blocks Parity G. B0 B1 B2 3 parity B4 C0 C1 2 parity C3 C4 D0 1 parity D2 D3 D4 0 parity E1 E2 E3 E4
thống sẽ thực hiện việc kiểm tra trên hai phần khối và tập tin . Việc kiểm tra thực hiện khi phát hiện ra lỗi sẽ tiến hành sửa chữa trong trường hợp cụ thể:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 Khối đã sử dụng 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Khối chưa sử dụng Trạng thái bình thường 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 Khối đã sử dụng 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Khối chưasử dụng Mất khối 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 Khối đã sử dụng 0 0 1 0 2 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Khối chưa sử dụng Chồng khối trống 1 1 0 1 2 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 Khối đã sử dụng 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Khối chưa sử dụng Chồng khối dữ liệu
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Trình bày các phương pháp quản lý và cấp phát khơng gian nhớ tự do trên hệ điều hành.
2. Trình bày khái niệm về hệ file, các yêu cầu hệ file và các phương pháp tổ chức hệ file
3. Trình bày các nguyên tắc bảo đảm an tồn dữ liệu. 4. Trình bày chi tiết hệ thống đĩa RAID.
5. Giả sử vùng khơng gian nhớ của đĩa từ được mơ phỏng qua sơ đồ sau ( các khối sẫm màu là các block được sử dụng ).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 1 2 13 14 15 1 6 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
a. Mơ phỏng các phương pháp quản lý khơng gian nhớ tự do qua sơ đồø trên. b. Giả sử F1 cĩ kích thước 3 khối . Mơ phỏng các phương pháp cấp phát
Chương 7
HỆ THỐNG QUẢN LÝ NHẬP XUẤT
7.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG 7.1.1 Giao tiếp thiết bị 7.1.1 Giao tiếp thiết bị
Quản lý việc nhập/xuất của các thiết bị là một thành phần của hệ điều hành. Chức năng của các thiết bị ngoại vi là đảm bảo sự truyền thơng giữa các bộ phận của hệ thống. Ngồi các thiết bị cĩ tính bắt buộc như màn hình, bàn phím, máy in, thì hệ điều hành phải đảm bảo phương pháp tổ chức và truy nhập của các thiết bị bổ sung vĩi số lượng tuỳ ý. Các thiết bị này khác nhau về bản chất và nguyên lý hoạt động, hệ điều hành phải tìm cách quản lý điều khiển và khai thác các thiết bị đĩ một cách triệt để.
Hệ điều hành phải cung cấp một cách giao tiếp đơn giản, tiện dụng giữa thiết bị với các phần hệ thống đĩ là sự giao tiếp độc lập với thiết bị.
7.1.2 Kiến trúc chung nhập/xuất
Tổ chức chung của việc nhập/xuất bao gồm các thiết bị đặc biệt gọi là thiết bị lơ gíc dùng để điều khiển các thao tác vào/ra chứ khơng thực hiện thao tác này và các thiết bị nhập/xuất.
Thiết bị lơ gíc
Thiết bị lơ gíc cĩ nhiều lớp. Lớp dưới cùng là để giao tiếp với phần cứng, lớp trên cùng giao tiếp với người sử dụng. Nĩ đĩng một vai trị chun dụng cĩ nhiệm vụ kết nối với các kênh vào/ra. Mỗi kênh vào ra cĩ ngơn ngữ và hệ lệnh riêng. Chúng hoạt động độc lập với nhau, CPU độc lập với các thiết bị. Thiết bị lơ gíc cĩ khả năng kiểm sốt lỗi, điều khiển thiết bị, phần mềm hệ điều hành độc lập với thiết bị, phần mềm với mức người dùng.
Thiết bị xuất nhập
Thiết bị xuất nhập cĩ hai cách tiếp cận khác nhau:
- Phần cứng đĩ là các thiết bị đảm bảo vào/ra khi cĩ yêu cầu truy xuất thiết bị. Các kỹ sư quan tâm chế tạo thiết bị và những linh kiện bên trong.
- Phần mềm : khai thác những lệnh vào/ra cĩ liên quan thiết bị. Các thiết bị đĩ sẽ thực hiện nhứng chức năng gì khi cĩ u cầu truy xuất thiết bị, cùng hệ thống thơng báo lỗi của chúng.
7.1.3 Hệ thống quản lý nhập/xuất
Các lớp Chức năng nhập/ xuất
Tạo lời gọi nhập/xuất.
Đặt tên bảo vệ, tổ chức khối, bộ đệm, định vị. Thiết lập thanh ghi, kiểm tra, trạng thái.
Báo cho drive khi nhập/ xuất hồn tất. Thực hiện thao tác nhập/xuất.
7.1.4 Các loại thiết bị nhập/xuất
Các thiết bị nhập xuất cĩ thể chia thành 2 loại : thiết bị khối và tuần tự:
Thiết bị khối : là thiết bị mà thơng tin được lưu trữ trong những khối cĩ kích
thước cố định và được định vị địa chỉ. Kích thước khối thơng thường từ 128 byte – 1024 byte. Đặc điểm của thiết bị khối cĩ thể truy xuất (đọc hay viết) từng khối riêng biệt. Đĩa từ là một thiết bị khối.
Thiết bị tuần tự : Việc xuất/ nhập thơng tin dựa trên một chuỗi các bit.
Khơng thể địa chỉ hố được và tìm kiếm được. Màn hình và bàn phím, máy in, card mạng, chuột…
Việc phân chia các lớp trên khơng hồn tồn phù hợp với hai lớp trên như đồng hồ, bộ nhớ màn hình .. khơng thực hiện theo cơ chế tuần tự. Cĩ một chuẩn phân chia khác dựa theo các chỉ tiêu :
- Thiết bị ký tự hay khối.
- Truy cập tuần tự hay ngẫu nhiên.
- Truy cập đồng bộ hay khơng đồng bộ.
- Thiết bị chia sẻ hay tận hiến.
- Tốc độ truy xuất.
- Chế độ đọc-viết, chỉ đọc hay chỉ viết.
7.1.5 Các thành phần xuất/nhập
Thiết bị
Thiết bị được nối với hệ thống máy tính bằng cách gửi tín hiệu thơng qua cable
hay qua các thiết bị thu nhận khơng dây. Thiết bị được nối với máy tính thơng qua các cổng (port ). Dữ liệu thiết bị được chuyển qua port đưa vào CPU thơng qua hệ thống truyền thơng tin gọi là bus
Bus
Trong hệ thống máy tính thơng thường, cĩ một đường bus duy nhất để nối CPU, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập; đa số hệ thống cĩ một hay nhiều bus. Một thiết bị xuất nhập gồm cĩ hai phần: một phần chứa chủ yếu các mạch điện gọi là bộ điều khiển, phần cịn lại chứa chính thiết bị xuất nhập chẳng hạn như ổ đĩa. Bộ điều khiển thường được chứa trên một bo mạch được cắm vào một khe trống, ngồi trừ bộ điều khiển bắt buộc phải cĩ mà đơi khi được gắn luơn vào bo mạch
Xử lý của người dùng Phần mềm độc lập
thiết bị Điều khiển thiết bị
Kiểm sốt ngắt Phần cứng
chính. Bộ điều khiển cĩ thể dùng chung cho nhiều thiết bị ngoại vi. Trong hệ thống máy tính bộ điều khiển được tích hợp một chipset.
Bộ điều khiển
Cơng việc của bộ điều khiển là điều khiển thiết bị I/O của nĩ và quản lý việc truy nhập đường bus cho nĩ. Khi một chương trình cần đến dữ liệu từ đĩa chẳng hạn, nĩ đưa ra một lệnh cho bộ điều khiển đĩa, rồi bộ điều khiển đưa ra các yêu cầu tìm kiếm và những lệnh khác cho ổ đĩa. Khi đã được định vị đúng rãnh cung, ổ đĩa bắt đầu xuất hiện dưới dạng một dịng bit tuần tự cho bộ điều khiển. Cơng việc của bộ điều khiển khi ấy là tách dịng bit thành các đơn vị và ghi mỗi đơn vị vào bộ nhớ. Một bộ điều khiển đọc hoặc ghi dữ liệu ra bộ nhớ khơng cần sự can thiệp CPU gọi là truy nhập bộ nhớ trực tiếp (DMA) .
Một phương pháp khác để định vị địa chỉ khơng qua port, thì các thiết bị ngoại vi sẽ chiếm một vùng nhớ nào đĩ trơng khơng gian bộ nhớ, phần cịn lại dành cho các vi mạch nhớ. Quá trình này gọi là quá trình vào/ra ánh xạ bộ nhớ như như card màn hình.
Port I/O
Một port cĩ một địa chỉ truy xuất riêng và để định địa chỉ dữ liệu vào trong bộ nhớ. Port là nơi giao tiếp chung giữa dữ liệu do các thiết bị ngoại vi để chuyển đến theo các địa chỉ trên để đưa vào CPU thơng qua hệ thống bus.
Một port thơng thường bao gồm 4 thanh ghi bao gồm thanh ghi trạng thái,
thanh ghi điều khiển, thanh ghi data-in (dữ liệu vào), thanh ghi data-out (dữ liệu