Giáo trình Hệ điều hành Giáo dục từ xa - Chương 11: Quản lý hệ thống nhập/xuất - Nguyễn Phú Trường

Nội dung text: Giáo trình Hệ điều hành Giáo dục từ xa - Chương 11: Quản lý hệ thống nhập/xuất - Nguyễn Phú Trường

1. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 IV Phần cứng nhập/xuất Các máy tính điều hành nhiều loại thiết bị. Hầu hết chúng thuộc các chủng loại phổ biến như thiết bị lưu trữ (đĩa, băng từ), thiết bị truyền (card mạng, modem) và thiết bị giao diện người dùng (màn hình, bàn phím, chuột), Mặc dù có sự đa dạng về các thiết bị nhập/xuất, nhưng chúng ta chỉ cần hiểu một vài khái niệm như các thiết bị được gán như thế nào và phần mềm có thể điều khiển phần cứng như thế nào. Một thiết bị giao tiếp với một hệ thống máy tính bằng cách gởi các tín hiệu qua dây cáp hay thậm chí qua không khí. Các thiết bị giao tiếp với máy bằng một điểm nối kết (cổng-port) như cổng tuần tự. Nếu một hay nhiều thiết bị dùng một tập hợp dây dẫn, nối kết được gọi là bus. Một bus là một tập hợp dây dẫn và giao thức được định nghĩa chặt chẽ để xác định tập hợp thông điệp có thể được gởi qua dây. Trong thuật ngữ điện tử, các thông điệp được truyền bởi các mẫu điện thế điện tử được áp dụng tới các dây dẫn với thời gian được xác định. Khi thiết bị A có một cáp gán vào thiết bị B, thiết bị B có một cáp gán vào thiết bị C và thiết bị C gán vào một cổng máy tính, sự sắp xếp này được gọi là chuỗi nối tiếp. Một chuỗi nối tiếp thường điều hành như một bus. IV.1 Thăm dò Giao thức hoàn chỉnh cho việc giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển rất phức tạp nhưng ký hiệu bắt tay (handshaking) là đơn giản. Chúng ta giải thích bắt tay bằng thí dụ sau. Chúng ta giả sử rằng 2 bits được dùng để hợp tác trong mối quan hệ người sản xuất-người tiêu thụ giữa bộ điều khiển và máy chủ. Bộ điều khiển hiển thị trạng thái của nó thông qua bit bận (busy bit) trong thanh ghi trạng thái. Bộ điều khiển đặt bit bận khi nó đang làm việc và xoá bit bận khi nó sẳn sàng nhận lệnh tiếp theo. Máy tính ra tín hiệu mong muốn bằng bit sẳn sàng nhận lệnh (command-ready bit) trong thanh ghi lệnh. Máy tính thiết lập bit sẳn sàng nhận lệnh khi một lệnh sẳn dùng cho bộ điều khiển thực thi. Thí dụ, máy tính viết dữ liệu xuất thông qua một cổng, hợp tác với bộ điều khiển bằng cách bắt tay như sau: 1. Máy tính lặp lại việc đọc bit bận cho tới khi bit này bị xoá 2. Máy tính thiết lập bit viết trong thanh ghi lệnh và viết một byte vào thanh ghi dữ liệu xuất 3. Máy tính đặt bit sẳn sàng nhận lệnh 4. Khi bộ điều khiển nhận thấy rằng bit sẳn sàng nhận lệnh được đặt, nó đặt bit bận 5. Bộ điều khiển đọc thanh ghi lệnh và thấy lệnh viết. Nó đọc thanh ghi xuất dữ liệu để lấy một byte và thực hiện nhập/xuất tới thiết bị. 6. Bộ điều khiển xoá bit sẳn sàng nhận lệnh, xoá bit lỗi trong thanh ghi trạng thái để hiển thị rằng thiết bị nhập/xuất thành công, và xoá bit bận để hiển thị rằng nó được kết thúc. Vòng lặp này được lặp cho mỗi byte. Trong bước 1, máy tính là chờ đợi bận hay thăm dò. Nó ở trong một vòng lặp, đọc thanh ghi trạng thái cho đến khi bit bận được xoá. Nếu bộ điều khiển và thiết bị nhanh thì phương pháp này là một phương pháp phù hợp. Nhưng nếu chờ lâu máy chủ chuyển sang một tác vụ khác. Sau đó, máy tính làm thế nào để biết khi nào bộ điều khiển rảnh? Đối với một số thiết bị, máy tính phải phục vụ thiết bị nhanh chóng hoặc Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 243
2. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Hình 0-2 Các bước trong việc truyền dữ liệu của DMA Để khởi tạo một thao tác chuyển DMA, máy tính viết một khối lệnh DMA vào bộ nhớ. Khối này chứa một con trỏ chỉ tới nguồn chuyển, một con trỏ chỉ tới đích chuyển và đếm số lượng byte được chuyển. CPU viết địa chỉ của khối lệnh này tới bộ điều khiển DMA, sau đó CPU tiếp tục làm công việc khác. Bộ điều khiển DMA xử lý để điều hành bus bộ nhớ trực tiếp, đặt các địa chỉ trên bus để thực hiện việc chuyển mà không có sự trợ giúp của CPU. Một bộ điều khiển DMA đơn giản là một thành phần chuẩn trong PCs, và bảng nhập/xuất bus chính (bus-mastering I/O boards) để PC thường chứa phần cứng DMA tốc độ cao. Quá trình này được mô tả trong hình XI-2. V Giao diện nhập/xuất ứng dụng Trong phần này, chúng ta thảo luận các kỹ thuật cấu trúc và các giao diện cho hệ điều hành cho phép các thiết bị nhập/xuất được đối xử trong cách chuẩn, không đổi. Thí dụ, chúng ta giải thích một ứng dụng có thể mở một tập tin trên đĩa mà không biết loại đĩa đó là gì và các đĩa mới và các thiết bị khác có thể được thêm tới máy tính như thế nào mà không làm hệ điều hành bị gián đoạn. Như những vấn đề công nghệ phần mềm phức tạp khác, tiếp cận ở đây liên quan đến tính trừu tượng, bao gói và phân tầng phần mềm. Đặc biệt, chúng ta có thể trừu tượng sự khác nhau chi tiết trong các thiết bị nhập/xuất bằng cách xác định một vài loại thông dụng. Mỗi loại thông dụng được truy xuất thông qua một tập hợp hàm chuẩn-một giao diện. Sự khác biệt này được bao gói trong module nhân được gọi là trình điều khiển thiết bị (device driver) mà qui định bên trong được áp đặt cho mỗi thiết bị, nhưng được nhập vào một trong những giao diện chuẩn. Hình XI-3 hiển thị cách các thành phần liên quan nhập/xuất của nhân được cấu trúc trong các tầng phần mềm. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 245
3. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 • Dòng ký tự hay khối: các thiết bị dòng ký tự chuyển từng byte một, ngược lại một thiết bị khối chuyển đơn vị là khối byte. • Truy xuất tuần tự và ngẫu nhiên: thiết bị tuần tự chuyển dữ liệu theo một thứ tự cố định được định nghĩa bởi thiết bị, ngược lại người dùng của một thiết bị truy xuất ngẫu nhiên có thể chỉ dẫn thiết bị để tìm bất cứ vị trí lưu trữ dữ liệu sẳn có. • Đồng bộ và bất đồng bộ: một thiết bị đồng bộ là một thiết bị thực hiện việc chuyển dữ liệu với số lần đáp ứng có thể đoán trước. Một thiết bị bất đồng bộ hiển thị số lần đáp ứng không đều đặn hay không thể đoán trước. • Có thể chia sẻ hay tận hiến: một thiết bị có thể chia sẻ được dùng đồng hành bởi nhiều quá trình hay luồng; một thiết bị tận hiến thì không thể. • Tốc độ thao tác: tốc độ thiết bị trải dài từ một vài byte trên giây tới một vài gigabyte trên giây. • Đọc-viết, chỉ đọc, hay chỉ viết: một số thiết bị thực hiện cả hai nhập, xuất, nhưng một số thiết bị khác hỗ trợ chỉ một hướng dữ liệu VI Hệ thống con nhập/xuất của nhân (kernel I/O subsytem) Nhân cung cấp nhiều dịch vụ liên quan đến nhập/xuất. Một vài dịch vụ-định thời biểu, vùng đệm (buffering), vùng lưu trữ (cache), đặt trước thiết bị, quản lý lỗi- được cung cấp bởi hệ thống con nhập/xuất của nhân và xây dựng trên phần cứng và cơ sở hạ tầng trình điều khiển thiết bị. VI.1 Định thời biểu nhập/xuất Định thời biểu cho tập hợp các yêu cầu nhập xuất có nghĩa là xác định một thứ tự tốt để thực thi chúng. Thứ tự các ứng dụng phát ra lời gọi hệ thống rất hiếm khi là một chọn lựa tốt nhất. Định thời biểu có thể cải tiến năng toàn bộ lực hệ thống, có thể chia sẻ truy xuất thiết bị đồng đều giữa các quá trình và có thể giảm thời gian chờ đợi trung bình cho nhập/xuất hoàn thành. . Người phát triển hệ điều hành cài đặt bộ định thời biểu bằng cách duy trì một hàng đợi cho mỗi thiết bị. Khi một ứng dụng phát ra một lời gọi hệ thống nhập/xuất nghẽn, yêu cầu được đặt vào hàng đợi cho thiết bị đó. Bộ định thời biểu nhập/xuất sắp xếp lại thứ tự của hàng đợi để cải tiến toàn bộ tính hiệu quả hệ thống và thời gian đáp ứng trung bình dựa theo kinh nghiệm bởi ứng dụng. Hệ điều hành cũng cố gắng giữ bình đẳng để mà không ứng dụng nào nhận được dịch vụ nghèo nàn hay nó cho dịch vụ ưu tiên đối với các yêu cầu trì hoãn nhạy cảm. Thí dụ, các yêu cầu từ hệ thống con bộ nhớ ảo có thể lấy độ ưu tiên qua các yêu cầu của ứng dụng. Một cách mà hệ thống con nhập/xuất cải tiến tính hiệu quả của máy tính là bằng cách định thời biểu các hoạt động nhập/xuất. Một cách khác là dùng không gian lưu trữ trong bộ nhớ chính hay trên đĩa, với các kỹ thuật được gọi là vùng đệm, vùng lưu trữ và vùng chứa. VI.2 Vùng đệm Vùng đệm là một vùng bộ nhớ lưu trữ dữ liệu trong khi chúng được chuyển giữa hai thiết bị hay giữa thiết bị và ứng dụng. Vùng đệm được thực hiện với 3 lý do. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 247
4. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 100 giá trị-hiển thị tính tự nhiên của lỗi (thí dụ: đối số vượt quá giới hạn, lỗi con trỏ, tập tin không thể mở, ). Ngược lại, một số phần cứng cung cấp thông tin lỗi được mô tả chi tiết mặc dù nhiều hệ điều hành hiện tại không được thiết kế để truyền đạt thông tin này tới ứng dụng. VI.6 Cấu trúc dữ liệu nhân Nhân cần giữ thông tin trạng thái về việc dùng các thành phần nhập/xuất. Nó thực hiện như thế thông qua một dãy các cấu trúc dữ liệu trong nhân như bảng tập tin đang mở. Nhân dùng nhiều cấu trúc tương tự để ghi vết các nối kết mạng, giao tiếp thiết bị dạng ký tự và các hoạt động nhập/xuất khác. Tóm lại, hệ thống con nhập/xuất điều phối tập hợp dịch vụ mở rộng sẳn có đối với ứng dụng và những phần khác của nhân. Hệ thống con nhập/xuất điều khiển • Quản lý không gian tên cho các tập tin và các thiết bị • Điều khiển truy xuất tới các tập tin và các thiết bị • Điều khiển hoạt động (thí dụ, một modem không thể tìm seek()) • Cấp phát không gian hệ thống tập tin • Cấp phát thiết bị • Vùng đệm, vùng lưu trữ và vùng chứa • Định thời biểu nhập/xuất • Điều khiển trạng thái thiết bị, quản lý lỗi, và phục hồi lỗi • Cấu hình và khởi tạo trình điều khiển thiết bị Cấp cao hơn của hệ thống con nhập/xuất truy xuất thiết bị qua giao diện đồng nhất được cung cấp bởi các trình điều khiển thiết bị VII Chuyển nhập/xuất tới hoạt động phần cứng Phần trước chúng ta mô tả việc bắt tay giữa một trình điều khiển thiết bị và bộ điều khiển thiết bị, nhưng chúng ta không giải thích cách hệ điều hành nối kết yêu cầu ứng dụng tới tập hợp dây mạng hay một sector đĩa xác định như thế nào. Chúng ta hãy xem xét một thí dụ đọc một tập tin từ đĩa. Ứng dụng tham chiếu tới dữ liệu bằng tên tập tin. Trong một đĩa, hệ thống tập tin ánh xạ từ tên tập tin thông qua các thư mục hệ thống tập tin để lấy không gian cấp phát của tập tin. Các hệ điều hành hiện đại đạt được khả năng linh hoạt cao từ nhiều giai đoạn của bảng tra cứu trong đường dẫn giữa yêu cầu và bộ điều khiển thiết bị vật lý. Các cơ chế truyền yêu cầu giữa ứng dụng và trình điều khiển là phổ biến. Do đó, chúng ta có thể giới thiệu các thiết bị mới và trình điều khiển vào máy tính mà không biên dịch lại nhân. Thật vậy, một số hệ điều hành có khả năng nạp trình điều khiển thiết bị theo yêu cầu. Tại thời điểm khởi động, hệ thống đầu tiên thăm dò các bus phần cứng để xác định thiết bị nào hiện diện và sau đó hệ thống nạp các trình điều khiển cần thiết ngay lập tức hay khi được yêu cầu bởi một yêu cầu nhập/xuất đầu tiên. Bây giờ chúng ta mô tả chu trình sống điển hình của một yêu cầu đọc bị nghẽn, như trong hình XI-5. Hình này đề nghị rằng một thao tác nhập/xuất yêu cầu nhiều bước và tiêu tốn số lượng lớn chu kỳ CPU. 1) Một quá trình phát ra một lời gọi hệ thống read() tới bộ mô tả tập tin đã được mở trước đó. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 249
5. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Hình 0-5 Chu trình sống của yêu cầu nhập/xuất VIII Năng lực Nhập/xuất là một yếu tố quan trọng trong năng lực hệ thống. Nó đặt nhiều yêu cầu trên CPU để thực thi mã trình điều khiển thiết bị và định thời biểu quá trình công bằng và hiệu quả khi các quá trình này nghẽn và không nghẽn. Chuyển đổi ngữ cảnh chú trọng đến CPU và vùng lưu trữ phần cứng. Nhập/xuất cũng hiển thị tính không hiệu quả trong các cơ chế quản lý ngắt trong nhân, và nhập/xuất tải xuống bus bộ nhớ trong suốt thời gian chép giữa vùng đệm nhân và không gian dữ liệu ứng dụng. Chép một cách hợp lý tất cả yêu cầu này là một trong những quan tâm chính của kiến trúc máy tính. Mặc dù các máy tính hiện đại có thể quản lý hàng ngàn ngắt trên giây, quản lý ngắt là một tác vụ tương đối đắt: mỗi ngắt gây cho hệ thống thực hiện một thay đổi trạng thái, để thực thi bộ quản lý ngắt và sau đó phục hồi trạng thái. Nhập/xuất được lập trình có thể hiệu quả hơn nhập/xuất hướng ngắt (interrupt-driven I/O) nếu số chu kỳ tiêu tốn cho việc chờ đợi bận là không quá mức. Hoàn thành một thao tác nhập/xuất không nghẽn một quá trình dẫn đến toàn bộ chi phí của việc chuyển đổi ngữ cảnh. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 251
6. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 gồm khó khăn và chi phí của việc tạo những cải tiến xa hơn hay sửa lỗi, thời gian phát triển tăng (tháng hơn là ngày) và khả năng linh hoạt giảm. IX Tóm tắt Các thành phần phần cứng cơ bản được nạp vào nhập/xuất là các bus, các bộ điều khiển thiết bị, và chính các thiết bị. Công việc chuyển dữ liệu giữa thiết bị và bộ nhớ chính được thực hiện bởi CPU khi nhập/xuất được lập trình, hay được chuyển tải tới bộ điều khiển DMA. Module nhân điều khiển một thiết bị là một trình điều khiển thiết bị. Giao diện lời gọi hệ thống cung cấp tới ứng dụng được thiết kế để quản lý nhiều chủng loại cơ bản của phần cứng, sockets mạng và bộ đếm thời gian đến được lập trình. Hệ con nhập/xuất của nhân cung cấp nhiều dịch vụ. Các dịch vụ này là định thời biểu nhập/xuất, vùng đệm, vùng chứa, quản lý lỗi và đặt trước thiết bị. Một dịch vụ khác là dịch tên, để tạo nối kết giữa các thiết bị phần cứng và tên tập tin tượng trưng được dùng bởi ứng dụng. Nó liên quan nhiều cấp ánh xạ mà dịch từ tên chuỗi ký tự tới một trình điều khiển thiết bị xác định và địa chỉ thiết bị và sau đó tới địa chỉ vật lý của cổng nhập/xuất hay bộ điều khiển bus Các lời gọi hệ thống nhập/xuất tính chi phí theo thuật ngữ tiêu tốn CPU vì nhiều lớp phần mềm giữa thiết bị vật lý và ứng dụng. Các lớp này ngụ ý chi phí chuyển ngữ cảnh để đi qua phạm vi bảo vệ của nhân, của tín hiệu và bộ quản lý ngắt để phục vụ các thiết bị nhập/xuất, và của tải trên CPU và hệ thống bộ nhớ để chép dữ liệu giữa vùng đệm nhân và không gian ứng dụng. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 253