Bài giảng Hệ điều hành - Nguyễn Thị Thùy Linh

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 đƣợc dịch vụ nghèo nàn hay nó cho dịch vụ 
ƣu tiên đối với các yêu cầu trì ho n nhạy cảm. Thí dụ, các yêu cầu từ hệ thống con bộ 
nhớ ảo có thể lấy độ ƣu 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 lƣu trữ 
trong bộ nhớ chính hay trên đĩa, với các kỹ thuật đƣợc gọi là vùng đệm, vùng lƣu trữ 
và vùng chứa. 
5.5.2. Vùng đệm 
 Vùng đệm là một vùng bộ nhớ lƣu trữ dữ liệu trong khi chúng đƣợc chuyển giữa 
hai thiết bị hay giữa thiết bị và ứng dụng. Vùng đệm đƣợc thực hiện với 3 lý do. 
  Thứ nh t là đối phó với việc không tƣơng thích về tốc độ giữa ngƣời sản xuất 
 và ngƣời tiêu dùng của d ng dữ liệu. 
  Thứ hai cho việc sử dụng vùng là làm thích ứng giữa các thiết bị có kích 
 thƣớc truyền dữ liệu khác nhau. 
  Thứ ba cho việc dùng vùng đệm là hỗ trợ ngữ nghĩa sao ch p cho nhập/xuất 
 ứng dụng. 
5.5.3. Vùng lưu trữ 
 Vùng lƣu trữ cache là một vùng bộ nhớ nhanh quản lý các bản sao dữ liệu. Truy 
xuất tới một bản sao đƣợc lƣu trữ hiệu quả hơn truy xuất tới bản gốc. Ví dụ, các chỉ thị 
của quá trình hiện đang chạy đƣợc lƣu trên đĩa, đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ vật lý và 
đƣợc sao ch p một lần nữa trong vùng lƣu trữ phụ và chính. Sự khác nhau giữa vùng 
đệm là vùng lƣu trữ là vùng đệm có thể giữ chỉ bản sao của thành phần dữ liệu đ có, 
ngƣợc lại một vùng lƣu trữ giữ vừa đủ một bản sao trên thiết bị lƣu trữ nhanh hơn của 
một thành phần nằm ở một nơi nào khác.Vùng lƣu trữ và vùng đệm có chức năng khác 
nhau nhƣng đôi khi một vùng bộ nhớ có thể đƣợc dùng cho cả hai mục đích. 
 303 
5.5.4. Vùng chứa 
 Một vùng chứa spool là một vùng đệm giữ dữ liệu xuất cho một thiết bị nhƣ 
máy in mà không thể chấp nhận các d ng dữ liệu đan xen nhau. Mặc dù một máy in có 
thể phục vụ chỉ một công việc tại một thời điểm, nhƣng nhiều ứng dụng muốn in đồng 
thời mà không có dữ liệu xuất của chúng đan xen với nhau. Hệ điều hành giải quyết 
vấn đề này bằng cách ngăn chặn tất cả dữ liệu xuất tới máy in. Dữ liệu xuất của mỗi 
ứng dụng đƣợc chứa trong một tập tin riêng. Khi một ứng dụng kết thúc việc in, hệ 
thống vùng chứa xếp tập tin chứa tƣơng ứng cho dữ liệu xuất tới máy in. Hệ thống 
vùng chứa ch p các tập tin đƣợc xếp hàng tới máy in một tập tin tại một thời điểm. 
Trong một hệ điều hành, vùng chứa đƣợc quản lý bởi một quá trình hệ thống chạy ở 
chế độ nền. Trong một số hệ điều hành khác, nó đƣợc quản lý bởi luồng nhân. Trong 
mỗi trƣờng hợp, hệ điều hành cung cấp một giao diện điều khiển cho ph p ngƣời dùng 
và ngƣời quản trị hệ thống hiển thị hàng đợi để xóa các công việc không mong muốn 
trƣớc khi các công việc đó in, để tạm dừng việc in trong khi máy in đƣợc phục vụ,.. 
5.5.5. Quản lý lỗi 
 Một hệ điều hành sử dụng bộ nhớ bảo vệ có thể chống lại nhiều lỗi phần cứng và 
ứng dụng vì thế một lỗi toàn hệ thống không là kết quả của mỗi sự trục trặc cơ học thứ 
yếu. Các thiết bị và truyền nhập/xuất có thể bị lỗi trong nhiều cách, có thể là các lý do 
tạm thời nhƣ mạng trở nên quá tải, hay các lý do thƣờng xuyên nhƣ trình điều khiển đĩa 
bị lỗi. Các hệ điều hành thƣờng trả giá cho tính hiệu quả vì các lỗi tạm thời. 
 Ví dụ, lỗi đọc đĩa read dẫn đến cố gắng làm lại read và lỗi gởi dữ liệu trên 
mạng send dẫn tới việc gởi lại resend nếu giao thức đƣợc xác định rõ. Tuy nhiên, 
nếu một thành phần quan trọng bị lỗi thƣờng xuyên thì hệ điều hành không nghĩ đến 
việc phục hồi. 
 Nhƣ một qui tắc thông thƣờng, một lời gọi hệ thống nhập/xuất trả về 1 bit của 
thông tin về trạng thái của lời gọi, biểu thị thành công hay thất bại. Trong hệ điều hành 
UNIX, một biến nguyên có tên errno đƣợc dùng để trả về một m lỗi-một trong 100 
giá trị-hiển thị tính tự nhiên của lỗi ví dụ: đối số vƣợt quá giới hạn, lỗi con trỏ, tập tin 
không thể mở,.. . Ngƣợc lại, một số phần cứng cung cấp thông tin lỗi đƣợc mô tả chi 
tiết mặc dù nhiều hệ điều hành hiện tại không đƣợc thiết kế để truyền đạt thông tin này 
tới ứng dụng. 
 304 
5.5.6. Cấu tr c dữ liệu nhân 
 Nhân cần giữ thông tin trạng thái về việc dùng các thành phần nhập/xuất. Nó thực 
hiện nhƣ thế thông qua một d y các cấu trúc dữ liệu trong nhân nhƣ bảng tập tin đang 
mở. Nhân dùng nhiều cấu trúc tƣơng 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 sẵn 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 ví dụ, một modem không thể tìm seek 
  Cấp phát không gian hệ thống tập tin 
  Cấp phát thiết bị 
  Vùng đệm, vùng lƣu 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 đƣợc cung cấp bởi các trình điều khiển thiết bị. 
5.6. CHUYỂN NHẬP/XUẤT TỚI HOẠT ĐỘNG PHẦN CỨNG 
 Phần trƣớc chúng ta mô tả việc bắt tay giữa một trình điều khiển thiết bị và bộ 
điều khiển thiết bị, nhƣng 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 nhƣ thế nào. 
 Ví dụ: Một ứng dụng muốn đọc một tập tin từ đĩa. Nó 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 thƣ mục 
hệ thống tập tin để lấy không gian cấp phát của tập tin. 
 Các hệ điều hành hiện đại đạt đƣợc khả năng linh hoạt cao từ nhiều giai đoạn của 
bảng tra cứu trong đƣờng 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 d các bus phần cứng để xác định 
 305 
thiết bị nào hiện diện và sau đó hệ thống nạp các trình điều khiển cần thiết ngay lập tức 
hay khi đƣợc 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, 
nhƣ trong Hình 5.6. Hình này đề nghị rằng một thao tác nhập/xuất yêu cầu nhiều bƣớc 
và tiêu tốn số lƣợng lớn chu kỳ CPU. 
 1) Một quá trình phát ra một lời gọi hệ thống read tới bộ mô tả tập tin đ đƣợc 
 mở trƣớc đó. 
 2) M lời gọi hệ thống trong nhân kiểm tra tính đúng đắn của các tham số. Trong 
 trƣờng hợp nhập, nếu dữ liệu đ có sẵn trong vùng đệm thì dữ liệu đƣợc trả về 
 tới quá trình và yêu cầu nhập/xuất đƣợc hoàn thành. 
 3) Ngƣợc lại, nhập/xuất vật lý cần đƣợc thực hiện để mà quá trình đƣợc xóa từ 
 hàng đợi thực thi và đƣợc đặt vào hàng đợi chờ thiết bị, và yêu cầu nhập/xuất 
 đƣợc lập thời biểu. Cuối cùng, hệ con nhập/xuất gởi yêu cầu tới trình điều khiển 
 thiết bị. Phụ thuộc vào hệ điều hành, yêu cầu đƣợc gởi bằng lời gọi thủ tục con 
 hay bằng thông điệp trong nhân. 
 4) Trình điều khiển thiết bị cấp phát vùng đệm nhân để nhận dữ liệu và lập thời 
 biểu nhập/xuất. Cuối cùng, trình điều khiển gởi lệnh tới bộ điều khiển thiết bị 
 bằng cách viết vào thanh ghi điều khiển của thiết bị. 
 5) Trình điều khiển thiết bị thao tác trên phần cứng thiết bị để thực hiện truyền 
 dữ liệu. 
 6) Trình điều khiển có thể thăm d trạng thái và dữ liệu hay thiết lập truyền DMA 
 vào bộ nhớ nhân. Chúng ta thừa nhận rằng truyền đƣợc quản lý bởi bộ điều 
 khiển DMA sinh ra một ngắt khi việc truyền hoàn thành. 
 7) Bộ quản lý ngắt tƣơng ứng nhận ngắt bằng bằng vector ngắt, lƣu bất cứ dữ liệu 
 cần thiết, báo hiệu trình điều khiển thiết bị và trả về từ ngắt. 
 8) Trình điều khiển thiết bị nhận tín hiệu, xác định yêu cầu nhập/xuất hoàn thành, 
 xác định trạng thái yêu cầu và báo hiệu cho hệ con nhập/xuất nhân rằng yêu cầu 
 đ hoàn thành. 
 9) Nhân truyền dữ liệu hay trả về m tới không gian địa chỉ của quá trình đƣợc yêu 
 cầu và di chuyển quá trình từ hàng đợi chờ tới hàng đợi sẵn sàng. Di chuyển 
 quá trình tới hàng đợi sẵn sàng không làm nghẽn quá trình. Khi bộ định thời 
 306 
 biểu gán quá trình tới CPU, quá trình tiếp tục thực thi tại thời điểm hoàn thành 
 của lời gọi hệ thống. 
 Hình 5.6. Chu trình sống của y u cầu nh p/xu t28 
28 Nguy n Phú Trƣờng, Giáo trình hệ điều hành, ĐH Cần Thơ, 2005, Tr.251 
 307 
5.7. N NG LỰC 
 Nhập/xuất là một yếu tố quan trọng trong năng lực hệ thống. Nó đặt nhiều yêu 
cầu trên CPU để thực thi m 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 lƣu 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 sao ch p giữa vùng đệm nhân và không gian dữ liệu ứng dụng. 
Ch p 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 công việc tƣơng 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 đƣợc 
lập trình có thể hiệu quả hơn nhập/xuất hƣớng ngắt 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. 
 Có nhiều nguyên tắc để cải tiến tính hiệu quả của nhập/xuất: 
  Cắt giảm số lƣợng chuyển ngữ cảnh 
  Cắt giảm số lần dữ liệu phải đƣợc ch p vào bộ nhớ trong khi truyền giữa 
 thiết bị và ứng dụng. 
  Cắt giảm tần số xuất hiện ngắt bằng cách dùng sự truyền lớn, bộ điều khiển 
 thông tin và vùng chứa nếu chờ đợi bận có thể là nhỏ nhất . 
  Gia tăng tính đồng hành dùng các bộ điều khiển tri thức DMA hay các kênh 
 để giảm gánh nặng ch p dữ liệu đơn giản từ CPU. 
  Di chuyển các hàm xử lý cơ bản vào phần cứng, để cho ph p họat động của 
 chúng trong các bộ điều khiển thiết bị đồng hành với các thao tác CPU và 
 bus. 
  Cân bằng CPU, hệ con bộ nhớ, bus và năng lực nhập/xuất vì quá tải trong 
 một vùng bất kỳ sẽ gây rảnh rỗi trong vùng khác. 
 Ở đây các chức năng nhập/xuất nên đƣợc cài đặt: trong phần cứng thiết bị, trong 
trình điều khiển thiết bị hay trong phần mềm ứng dụng? Chúng ta quan sát tiến trình 
đƣợc mô tả trong Hình 5.7. 
 308 
 Hình 5.7. Tiến trình mô t chức năng thiết bị 
 Khởi đầu, chúng ta cài đặt giải thuật nhập/xuất thử nghiệm tại cấp ứng dụng vì 
m ứng dụng là linh hoạt và những lỗi ứng dụng là chƣa chắc gây ra sự sụp đổ hệ 
thống. Ngoài ra, bằng phát triển m tại cấp ứng dụng, chúng ta tránh yêu cầu khởi động 
hay nạp lại trình điều khiển thiết bị sau mọi thay đổi tới m . 
 Tuy nhiên, cài đặt cấp ứng dụng có thể không đủ vì chi phí chuyển ngữ cảnh và vì 
ứng dụng không thể lấy lợi điểm của những cấu trúc dữ liệu nhân bên trong và chức 
năng nhân nhƣ truyền thông điệp hữu hiệu trong nhân, luồng và khóa . 
 Khi một giải thuật cấp ứng dụng chứng minh tính giá trị của nó, chúng ta có thể 
cài đặt lại nó trong nhân. Điều này có thể cải tiến năng lực nhƣng nỗ lực phát triển có 
thử thách nhiều hơn vì nhân hệ điều hành lớn, phần mềm hệ thống phức tạp. Ngoài ra, 
việc cài đặt trong nhân phải đƣợc gỡ rối toàn bộ để tránh hƣ hỏng dữ liệu và sụp đổ hệ 
thống. 
 Năng lực cao nhất có thể đạt đƣợc bởi cài đặt chuyên dụng trong phần cứng, 
trong thiết bị hay trong bộ điều khiển. Sự bất lợi của việc cài đặt phần cứng gồm khó 
 309 
khăn và chi phí của việc tạo những cải tiến xa hơn hay sửa lỗi, thời gian phát triển tăng 
và khả năng linh hoạt giảm. 
5.8. TÓM TẮT 
 Các thành phần phần cứng cơ bản đƣợc 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 đƣợc thực hiện bởi CPU khi nhập/xuất đƣợc lập trình, hay đƣợc 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 đƣợc thiết kế để quản lý nhiều chủng 
loại cơ bản của phần cứng, sockets mạng và bộ đếm thời gian đến đƣợc 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 trƣớc thiết bị. Một dịch vụ 
khác là dịch tên, để tạo nối kết giữa các thiết bị phần cứng và tên tập tin tƣợng trƣng 
đƣợc 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 ch p dữ liệu giữa vùng 
đệm nhân và không gian ứng dụng. 
 310 
Câu hỏi ôn tập 
 1. Tổ chức của hệ thống quản lý I/O nhƣ thế nào ? 
 2. Có bao nhiêu loại thiết bị I/O? Với mỗi loại cho ví dụ cụ thể. 
 3. Vai tr của bộ điều khiển thiết bị là gì? 
 4. Cơ chế hoạt động DMA nhƣ thế nào? 
 5. Có thể thực hiện I/O mà không sử dụng điều khiển thiết bị không? Tại 
 sao? 
Câu hỏi trắc nghiệm 
 1. t ốn quản lý I/O của u n l : 
 a. Một cơ chế trên mọi thiết bị tin học c. Bàn phím 
 b. Một phần của hệ điều hành d. Máy in 
 2. t ốn quản lý I/O của một u n bao ồm : 
 a. Phần cứng I/O và phần mềm I/O c. Kiểm soát ngắt 
 b. DMA d. a, b, c đều sai. 
 3. DMA l v ết tắt của : 
 a. Direct Management Access c. Direct Memory Access 
 b. Direct Memory Application d. Direct Mainboard Access 
TÀI LIỆU TH M KHẢO 
 [1] Nguyễn Kim Tuấn, Giáo trình Hệ điều hành, Đại học Huế, 2004. 
 [2] Nguyễn Ph Trường, Giáo trình Hệ điều hành, Đại học Cần Thơ, 2005. 
 311 
 TÀI LIỆU TH M KHẢO 
[1] Trần Hạnh Nhi, Giáo trình hệ điều hành nâng cao, Đại học Khoa học Tự 
 nhiên TP.HCM, 2004. 
[2] [Lê Khắc Nhiên n, Hoàng Kiếm], Giáo trình Nh p môn hệ điều hành, Đại 
 học Khoa học Tự nhiên, TP.HCM 2004. 
[3] Nguyễn Kim Tuấn, Giáo trình Hệ điều hành, Đại học Huế, 2004. 
[4] Nguyễn Ph Trường, Giáo trình Hệ điều hành, Đại học Cần Thơ, 2005. 
[5] Jean Bacon & Tim Harris, Operating Systems, Addison-Wesley, 2003. 
[6] Silberschatz, Galvin, Gagne, Operating System Concepts, John Wiley & Sons, 
 2003. 
 312