Hệ điều hành - Chương 3: Quản lý nhập xuất - Trần Công Án

Hệ Điều Hành Chương 3. 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 các loại thiết bị nhập xuất và các mô hình tổ chức, quản lý và cách thức truy xuất các thiết bị nhập xuất. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 2 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Nội Dung Các khái niệm cơ bản Mô 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 3 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Các khái niệm cơ bản TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 4 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Các Khái Niệm Cơ Bản I Chức năng chính của máy tính là nhập/xuất và tính toán. I Nhập (input): đọc/nhận dữ liệu từ thiết bị nhập vào. I Xuất (output): ghi/xuất dữ liệu ra thiết bị xuất. I I/O Port: điểm nối kết với thiết bị I/O với máy tính. I Bus: kênh vận chuyển dữ liệu giữa các thiết bị. I Controller: bộ điều khiển thiết bị, điều khiển các thiết bị I/O. I CPU gửi chỉ thị điều khiển đến controller bằng 2 phương pháp: I Chỉ thị I/O trực tiếp: ghi vào các thanh ghi của controller. I Ánh xạ qua bộ nhớ: ghi vào vùng nhớ được ánh xạ. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 5 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Cấu Trúc Bus Của Một Hệ Thống Máy Tính expansion bus PCI bus disk disk disk disk disk disk disk disk SCSI controller SC SI b u s cache memory processor bridge/memory controller monitor IDE disk controller expansion businterface graphics controller keyboard parallel port serial port TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 6 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Các loại thiết bị nhập xuất Các Loại Thiết Bị Nhập Xuất I Các thiết bị I/O dạng khối (block): I Nhập/Xuất dữ liệu theo đơn vị khối (VD: 512 bytes – 32KB ). I Ví dụ: các ổ đĩa HDD, FDD, CDROM,... I Có thể sử dụng phương pháp ánh xạ bộ nhớ. I Các thiết bị dạng ký tự: (character): I Nhập/Xuất dữ liệu theo từng byte ký tự. I Ví dụ: bàn phím, chuột, các cổng tuần tự (serial ports),... TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 7 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Đặc tính của các thiết bị nhập xuất Đặc Tính Các Loại Thiết Bị Nhập Xuất I Tốc độ thiết bị: truyền dữ liệu, tìm kiếm, trì hoãn,. . . I Dung lượng lưu trữ, thời gian truy xuất một đơn vị dữ liệu. I Loại thiết bị: nhập, xuất, hay cả hai. I Đơn vị truyền dữ liệu: khối hay ký tự. I Trạng thái của thiết bị: lệnh đã hoàn thành, dữ liệu sẵn dùng, lỗi,. . . I Chế độ chia sẻ: chia sẻ hay tận hiến. I Chế độ truyền dữ liệu: đồng bộ hay bất đồng bộ. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 8 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Các khái niệm cơ bản Đặc tính của các thiết bị nhập xuất Đặc Tính Của Một Số Loại Thiết Bị aspect variation example terminal disk modem CD-ROM tape keyboard tape keyboard CD-ROM graphics controller disk data-transfer mode access method transfer schedule sharing I/O direction character block sequential random synchronous asynchronous dedicated sharable read only write only read–write latency seek time transfer rate delay between operations device speed TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 9 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Mô 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 Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Bộ điều khiển thiết bị nhập xuất Bộ Điều Khiển Thiết Bị (Controller) I CPU điều khiển các thiết bị thông qua bộ điều khiển thiết bị. I Mỗi controller có thể điều khiển nhiều thiết bị. I Mỗi cổng I/O có các thanh ghi cổng I/O (data in/out, status, control), cho phép CPU gửi lệnh và tham số điều khiển đến thiết bị. I Khi một lệnh được controller chấp nhận, CPU có thể thực hiện các công việc khác mà không cần chờ các thiết bị. I Khi thiết bị thực hiện xong yêu cầu, controller sẽ báo hiệu cho CPU bằng một tín hiệu ngắt (interrupt). I CPU lấy kết quả của thao tác I/O thông qua các thanh ghi cổng I/O. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 11 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Bộ điều khiển thiết bị nhập xuất Một Số Địa Chỉ Cổng I/O I/O address range (hexadecimal) 000–00F 020–021 040–043 200–20F 2F8–2FF 320–32F 378–37F 3D0–3DF 3F0–3F7 3F8–3FF device DMA controller interrupt controller timer game controller serial port (secondary) hard-disk controller parallel port graphics controller diskette-drive controller serial port (primary) TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 12 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Bộ điều khiển thiết bị nhập xuất Chu Kỳ I/O Dựa Trên Ngắt device driver initiates I/O CPU receiving interrupt, transfers control to interrupt handler CPU resumes processing of interrupted task CPU 1 I/O controller CPU executing checks for interrupts between instructions 5 interrupt handler processes data, returns from interrupt initiates I/O 3 2 4 7 input ready, output complete, or error generates interrupt signal 6 TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 13 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Cơ chế nhập xuất Cơ Chế Nhập Xuất I Có 3 cơ chế nhập xuất: 1. Xuất nhập theo chương trình 2. Xuất nhập theo cơ chế ngắt 3. Truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA) TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 14 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Cơ chế nhập xuất Cơ Chế Nhập Xuất Theo Chương Trình I CPU sẽ kiểm tra định kỳ việc thực hiện yêu cầu I/O của thiết bị sau khi đưa ra yêu cầu I/O. I Trình điều khiển thiết bị không sử dụng ngắt để báo hiệu cho CPU. I CPU có thể phải chờ và kiểm tra lại. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 15 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Cơ chế nhập xuất Cơ Chế Nhập Xuất Theo Ngắt I CPU trở lại làm việc ngay sau khi đưa ra yêu cầu I/O. I Trình đ/khiển t/bị sẽ phát ra ngắt để báo hiệu cho CPU khi hoàn thành. TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 16 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Mô hình tổ chức & Quản lý việc nhập xuất Cơ chế nhập xuất Truy Xuất Bộ Nhớ Trực Tiếp DMA IDE disk controller DMA/bus/ interrupt controller buffer x memoryCPU memory bus PCI bus cache CPU 5. DMA controller transfers bytes to buffer X, increasing memory address and decreasing C until C $ 0 1. device driver is told to transfer disk data to buffer at address X 2. device driver tells disk controller to transfer C bytes from disk to buffer at address X 6. when C $ 0, DMA interrupts CPU to signal transfer completion 3. disk controller initiates DMA transfer 4. disk controller sends each byte to DMA controllerdisk disk disk disk TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 17 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 18 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Giao diện ứng dụng I/O Giao Diện Ứng Dụng I/O I Các lời gọi hệ thống thu gọn các hành xử (behaviors) của thiết bị theo một số ít dạng tổng quát, che đi các khác biệt của phần cứng khác nhau. I Lớp trình điều khiển thiết bị sẽ che dấu sự khác biệt giữa các bộ điều khiển thiết bị ra khỏi nhân của hệ điều hành. I Các thiết bị I/O trong hệ thống khác nhau theo theo nhiều tiêu chí: I Luồng ký tự (character stream) hay khối (block) I Truy xuất tuần tự (sequential) hay ngẫu nhiên (random) I Đồng bộ (synchronous) hay bất đồng bộ (asynchronous) I Chia sẻ (sharable) hay tận hiến (dedicated) I Đọc (read), ghi (write) hay cả hai TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 19 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Giao diện ứng dụng I/O Kiến trúc nhân I/O kernel ha rd wa re so ftw a re SCSI device driver keyboard device driver mouse device driver • • • • • • • • • PCI bus device driver floppy device driver ATAPI device driver SCSI device controller keyboard device controller mouse device controller PCI bus device controller floppy device controller ATAPI device controller SCSI devices keyboard mouse PCI bus floppy- disk drives ATAPI devices (disks, tapes, drives) kernel I/O subsystem TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 20 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Giao diện ứng dụng I/O Thiết bị dạng khối và ký tự I Thiết bị dạng khối: bao gồm các ổ đĩa I Đơn vị đọc/ghi là khối (block) I Các lệnh bao gồm: read, write, seek I Vào/Ra: thô (raw I/O) hay thông quan hệ thống tập tin I Có thể sử dụng kỹ thuật memory-mapped file I Thiết bị dạng ký tự: bao gồm bàn phím, chuột, cổng tuần tự I Đơn vị đọc/ghi: byte I Các lệnh bao gồm: get, put I Các thư viện hàm có thể hỗ trợ đọc/ghi theo hàng (line) TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 21 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Giao diện ứng dụng I/O Nhập/Xuất Nghẽn và Không Nghẽn I Lời gọi I/O nghẽn (I/O blocking call) I Tiến trình sẽ bị nghẽn sẽ bị treo sau khi thực hiện lời gọi I/O cho đến khi thao tác I/O hoàn thành I Dễ hiểu và dễ sử dụng I Lời gọi I/O không nghẽn (I/O non-blocking call) I Tiến trình sẽ tiếp tục thực thi sau khi phát ra lời gọi I/O I Tiến trình sẽ kiểm tra việc hoàn thành của thao tác I/O bằng cách thăm dò (polling) trạng thái của thiết bị I Một biến thể của lời gọi I/O không nghẽn là lời gọi I/O dị bộ (asynchronous): tiến trình sẽ được báo hiệu khi thao tác I/O hoàn thành thông qua các biến chia sẻ, các trigger hay các 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 con I/O trong nhân (Kernel I/O subsystem) Hệ Thống Con I/O Trong Nhân I Cung cấp các dịch vụ liên quan đến I/O I Định thời (scheduling) I Một số yêu cầu I/O được xếp trong hàng đợi của từng thiết bị I Có nhiều chiến lược: công bằng hay ưu tiên I Trữ đệm (buffering): lưu dữ liệu trong bộ nhớ khi chuyển dữ liệu giữa các thiết bị I Để đối phó với sự bất đối xứng về tốc độ giữa các thiết bị I Để đối phó với sự bất tương xứng về kích thước đơn vị truyền nhận. VD: khi truyền nhận dữ liệu qua mạng, một message có thể được chia thành nhiều gói ⇒ bên nhận cần có bộ đệm để “trữ” các 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 con I/O trong nhân (Kernel I/O subsystem) Hệ Thống Con I/O Trong Nhân I Trữ tạm (caching): bộ nhớ truy xuất nhanh, dùng để lưu bản sao của dữ liệu I Mục đích: tăng hiệu năng I Thường kết hợp với một giải thuật “dự đoán” I Spooling: là bộ đệm lưu trữ tạm dữ liệu xuất đến thiết bị I Được sử dụng trong trường hợp thiết bị chỉ có thể phục vụ 1 yêu cầu tại 1 thời điểm I Ví dụ, hệ thống spooling của máy in lưu trữ các tài liệu đang được 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 ra đĩa Hệ Thống Vào Ra Đĩa Cấu trúc một đĩa từ track t sector s spindle cylinder c platter arm read-write head arm assembly 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 ra đĩa Vấn Đề Truy Cập Đĩa I Vai trò của hệ điều hành là tăng hiệu năng sử dụng phần cứng: I Tăng băng thông: lượng dữ liệu đọc/ghi trên một đơn vị thời gian I Giảm thời gian truy cập đĩa I Thời gian truy cập = thời gian định vị + độ trễ quay I Thời gian định vị (seek time): thời gian dịch chuyển đầu đọc tới cylinder chứa sector cần đọc I Độ trễ quay (rotational latency): thời gian chờ đợi tại track chứa sector cần đọc cho đến khi sector xuất hiện dưới 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 ra đĩa Điều Phối Truy Cập Đĩa I Một số thuật toán điều phối truy cập đĩa: I FCFS (First Come First Served) I SSTF (Shortest Seek Time First) I SCAN I LOOK I Các ví dụ dựa trên giả thuyết: I Các yêu cầu truy cập các sector tại các cylinder: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67 I Đầu đọc đang ở 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 ra đĩa FCFS - First Come First Served Yêu cầu đến trước sẽ được phục vụ trước (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 45 85 146 85 108 110 59 2 ∑ = 630 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 ra đĩa SSTF - Shortest Seek Time First Chọn truy cập có thời gian định vị nhỏ nhất tính từ vị trí hiện tại (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 12 2 30 23 84 24 2 59 ∑ = 236 53→37→14→65→67→ . . . TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 29 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào ra đĩa SCAN Đầu đọc dich chuyển từ cylinder ngoài cùng đến cylinder trong cùng và quay ngược lại. Phục vụ cho các yêu cầu gặp trên đường đi (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 199 Đầu đọc đang dịch về phía cylinder 0 15 23 14 65 2 31 24 2 59 ∑ = ??? TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 30 [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất Cài đặt hệ thống quản lý nhập xuất Hệ thống vào ra đĩa LOOK Một sự cải tiến của SCAN: Đầu đọc không di chuyển tới các cylinders ngoài/trong cùng mà chỉ đến các y/cầu xa nhất về 2 phía rồi quay lại ngay (98, 183, 37, 122, 14, 124, 65,67) 0 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 hiện nhập xuất Các Chương Trình Thực Hiện Nhập Xuất I Chương trình người dùng: thực hiện yêu cầu I/O thông qua các giao diện (lời gọi hệ thống) của thành phần quản lý thiết bị I/O của HĐH. I Trình điều khiển thiết bị I/O độc lập (I/O subsystem của HĐH): cung cấp giao diện đồng nhất cho các thiết bị I/O. I Trình điều khiển thiết bị (device driver): cung cấp một tập giao diện cho phép tương tác với từng thiết bị I/O (cung cấp bởi nhà sx t/bị) I Mức cao: được truy cập thông qua các lời gọi hệ thống, cài đặt một số lệnh chuẩn như open(), close(), read(), write(), . . . I Mức thấp: được thực hiện như một 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 I Hệ thống quản lý nhập xuất được chia thành 5 lớp: 1. Tiến trình người dùng: thực hiện các yêu cầu I/O, định dạng nhập xuất. 2. Trình điều khiển thiết bị I/O độc lập của HĐH: đặt tên, bảo vệ, tổ chức khối, bộ đệm,. . . 3. Trình điều khiển thiết bị mức cao: thiết lập các giá trị thanh ghi, kiểm tra trạng thái thiết bị,... 4. Trình điều khiển thiết bị mức thấp: kích hoạt ngắt khi thao tác I/O hoàn thành. 5. Phần cứng (bộ điều khiển thiết bị, thiết bị): thực hiện 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 send request to device driver, block process if appropriate monitor device, interrupt when I/O completed process request, issue commands to controller, configure controller to block until interrupted request I/O system call no yes I/O completed, input data available, or output completed user process kernel I/O subsystem kernel I/O subsystem device driver device controller time interrupt handler transfer data (if appropriate) to process, return completion or error code determine which I/O completed, indicate state change to I/O subsystem receive interrupt, store data in device-driver buffer if input, signal to unblock device driver I/O completed, generate interrupt return from system call interrupt device-controller commands can already satisfy request? thiết bị phần cứng device driver mức thấp device driver mức cao trình đkhiển thiết bị độc lập chương trình người dùng TS. Trần Công Án [TT005] Ch3. Quản lý nhập xuất 35