Giáo trình Hệ điều hành - Chương 11: Quản lý hệ thống nhập/xuất

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

QUẢN LÝ HỆ THỐNG NHẬP/XUẤT

I Mục đích

Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau:

• Hiểu các cơ sở của phần cứng nhập/xuất

• Hiểu các dịch vụ nhập/xuất được cung cấp bởi hệ điều hành

• Hiểu cách hệ điều hành làm cầu nối giữa giao diện phần cứng và giao diện ứng

dụng

• Biết các khía cạnh năng lực của nhập/xuất và các nguyên lý thiết kế hệ điều

hành để cải tiến năng lực nhập/xuất

II Giới thiệu

Vai trò của hệ điều hành trong nhập/xuất máy tính là quản lý và điều khiển các

thao tác nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất. Trong chương này chúng ta sẽ mô tả các

khái niệm cơ bản của phần cứng nhập/xuất. Kế đến chúng ta sẽ thảo luận các dịch vụ

nhập/xuất được cung cấp bởi hệ điều hành và hiện thân của các dịch vụ này trong giao

diện ứng dụng nhập/xuất. Sau đó, chúng ta giải thích hệ điều hành làm cầu nối giữa

giao diện phần cứng và giao diện ứng dụng như thế nào. Cuối cùng, chúng ta thảo

luận các khía cạnh năng lực của nhập/xuất và các nguyên lý thiết kế hệ điều hành để

cải tiến năng lực nhập/xuất.

III Các khái niệm cơ bản

Điều khiển các thiết bị được nối kết tới máy tính là mối quan tâm chủ yếu của

người thiết kế hệ điều hành. Vì các thiết bị nhập/xuất rất khác nhau về chức năng và

tốc độ (xem xét chuột, đĩa cứng, và CD-ROM) nên sự đa dạng về phương pháp là cần

thiết để điều khiển chúng. Các phương pháp này hình thành một hệ thống nhập/xuất

con (I/O subsystem) của nhân, tách rời phần còn lại của nhân từ sự phức tạp của việc

quản lý các thiết bị nhập/xuất.

Công nghệ thiết bị nhập/xuất thể hiện hai xu hướng trái ngược nhau. Xu hướng

thứ nhất, chúng ta tăng sự chuẩn hoá phần mềm và giao diện phần cứng. Xu hướng

này giúp chúng ta hợp tác những thế hệ thiết bị được cải tiến vào các máy tính và hệ

điều hành đã có. Xu hướng thứ hai, chúng ta tăng sự đa dạng của các thiết bị

nhập/xuất. Thiết bị mới là rất khác với các thiết bị trước đó đã tạo ra một trở ngại để

hợp nhất chúng vào máy tính và hệ điều hành của chúng ta. Trở ngại này được giải

quyết bởi sự kết hợp kỹ thuật phần cứng và phần mềm. Các thành phần phần cứng

nhập/xuất cơ bản như cổng, bus và bộ điều khiển thiết bị chứa trong một dãy rộng các

thiết bị nhập/xuất. Để đóng gói các chi tiết và sự khác biệt của các thiết bị khác nhau,

nhân của hệ điều hành được chỉ dẫn để dùng các modules trình điều khiển thiết bị.

Các trình điều khiển thiết bị (device driver) hiện diện một giao diện truy xuất thiết bị

đồng nhất tới hệ thống con nhập/xuất, như các lời gọi hệ thống cung cấp một giao

diện chuẩn giữa ứng dụng và hệ điều hành.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 242

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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

dữ liệu sẽ bị mất. Thí dụ, khi dữ liệu đang truyền vào cổng tuần tự từ bàn phím, một

vùng đệm nhỏ trên bộ điều khiển sẽ tràn và dữ liệu sẽ bị mất nếu máy tính chờ quá lâu

trước khi trả về các bytes được đọc.

Trong nhiều kiến trúc máy tính, 3 chu kỳ lệnh CPU đủ để thăm dò một thiết bị:

read một thanh ghi thiết bị, thực hiện phép tính luận lý and để lấy bit trạng thái và

tách ra (branch) nếu khác 0. Rõ ràng, thao tác thăm dò cơ bản là đủ. Nhưng thăm dò

trở nên không đủ khi được lặp lại nhiều lần, hiếm khi tìm một thiết bị sẳn sàng phục

vụ trong lần thăm dò đầu tiên, trong khi cần dùng CPU để xử lý cho các công việc

khác. Trong trường hợp như thế, sẽ hiệu quả hơn để sắp xếp bộ điều khiển phần cứng

thông báo cho CPU khi nào thiết bị sẳn sàng phục vụ hơn là yêu cầu CPU lặp lại việc

thăm dò cho việc hoàn thành nhập/xuất. Cơ chế phần cứng cho phép một thiết bị

thông báo tới CPU được gọi là ngắt (interrupt).

IV.2 Ngắt

Hình 0-1 Chu kỳ nhập/xuất hướng ngắt

Cơ chế ngắt cơ bản làm việc như sau: phần cứng CPU có một dây dẫn được

gọi là dòng yêu cầu ngắt (interrup-request line) mà CPU cảm ứng sau khi thực thi

mỗi chỉ thị. Khi một CPU phát hiện một bộ điều khiển xác nhận một tín hiệu trên

dòng yêu cầu ngắt thì CPU lưu một lượng nhỏ trạng thái như giá trị hiện hành của con

trỏ lệnh, và nhảy tới thủ tục của bộ quản lý ngắt (interrupt-handler) tại địa chỉ cố

định trong bộ nhớ. Bộ quản lý ngắt xác định nguyên nhân gây ra ngắt, thực hiện xử lý

cần thiết, thực thi chỉ thị return from interrupt để trả về CPU trạng thái thực thi trước

khi ngắt. Chúng ta nói rằng bộ điều khiển thiết bị sinh ra một ngắt bằng cách xác định

tín hiệu trên dòng yêu cầu ngắt và bộ quản lý xoá ngắt bằng cách phục vụ thiết bị.

Hình XI-1 tóm tắt chu kỳ nhập/xuất hướng ngắt (interrupt-driven I/O cycle)

IV.3 Truy xuất bộ nhớ trực tiếp

Đối với một thiết bị thực hiện việc truyền lớn như ổ đĩa, nó sẽ lãng phí khi dùng

bộ vi xử lý để theo dõi các bit trạng thái và đẩy dữ liệu vào thanh ghi điều khiển từng

byte một. Nhiều máy tính muốn giảm đi gánh nặng cho CPU bằng cách chuyển một

số công việc này tới một bộ điều khiển có mục đích đặc biệt được gọi là bộ điều

khiển truy xuất bộ nhớ trực tiếp (direct memory-access-DMA).

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 244

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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Hình 0-3 Cấu trúc của nhân nhập/xuất

Mục đích của tầng chứa trình điều khiển thiết bị là che đậy sự khác biệt giữa

các bộ điều khiển thiết bị từ hệ con nhập/xuất của nhân, nhiều lời gọi hệ thống

nhập/xuất đóng gói các hành vi của thiết bị trong một vài lớp phát sinh để che đậy sự

khác biệt từ các ứng dụng. Thực hiện hệ thống con nhập/xuất độc lập với phần cứng

đơn giản hóa công việc của người phát triển hệ điều hành. Nó cũng đem lại sự thuận

lợi cho các nhà sản xuất phần cứng. Họ thiết kế các thiết bị mới tương thích với giao

diện bộ điều khiển chủ đã có (như SCSI-2) hay họ viết các trình điều khiển thiết bị để

giao tiếp phần cứng mới đối với các hệ điều hành phổ biến. Do đó, các thiết bị ngoại

vi mới có thể được gán tới một máy tính mà không phải chờ nhà cung cấp hệ điều

hành phát triển thêm mã.

Tuy nhiên, đối với một số nhà sản xuất thiết bị phần cứng, mỗi loại hệ điều

hành có chuẩn riêng của nó cho giao diện trình điều khiển thiết bị. Một thiết bị được

cho có thể mang nhiều trình điều khiển-thí dụ, trình điều khiển cho MS-DOS,

Windows 95/98, Windows NT/2000 và Solaris. Các thiết bị khác nhau trong nhiều

hướng như được hiển thị trong hình XI-4.

Hình 0-4 Các đặc điểm của các thiết bị nhập/xuất

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 246

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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

• Lý do thứ nhất là đối phó với việc không tương thích về tốc độ giữa người sản

xuất và người tiêu dùng của dòng dữ liệu.

• Lý do thứ hai cho việc sử dụng vùng là làm thích ứng giữa các thiết bị có kích

thước truyền dữ liệu khác nhau.

• Lý do thứ ba cho việc dùng vùng đệm là hỗ trợ ngữ nghĩa sao chép cho

nhập/xuất ứng dụng.

VI.3 Vùng lưu trữ

Vùng lưu trữ (cache) là một vùng bộ nhớ nhanh quản lý các bản sao dữ liệu.

Truy xuất tới một bản sao được lưu trữ hiệu quả hơn truy xuất tới bản gốc. Thí dụ, các

chỉ thị của quá trình hiện đang chạy được lưu trên đĩa, được lưu trữ trong bộ nhớ vật

lý và được sao chép một lần nữa trong vùng lưu trữ phụ và chính. Sự khác nhau giữa

vùng đệm là vùng lưu trữ là vùng đệm có thể giữ chỉ bản sao của thành phần dữ liệu

đã có, ngược lại một vùng lưu trữ giữ vừa đủ một bản sao trên thiết bị lưu trữ nhanh

hơn của một thành phần nằm ở một nơi nào khác.Vùng lưu trữ và vùng đệm có chức

năng khác nhau nhưng đôi khi một vùng bộ nhớ có thể được dùng cho cả hai mục

đích.

VI.4 Vùng chứa và đặt trước thiết bị

Một vùng chứa (spool) là một vùng đệm giữ dữ liệu xuất cho một thiết bị như

máy in mà không thể chấp nhận các dòng dữ liệu đan xen nhau. Mặc dù một máy in

có thể phục vụ chỉ một công việc tại một thời điểm, nhưng 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 được chứa trong một tập tin riêng. Khi một ứng dụng kết thúc việc in,

hệ thống vùng chứa xếp tập tin chứa tương ứng cho dữ liệu xuất tới máy in. Hệ thống

vùng chứa chép các tập tin được xếp hàng tới máy in một tập tin tại một thời điểm.

Trong một hệ điều hành, vùng chứa được quản lý bởi một quá trình hệ thống chạy ở

chế độ nền. Trong một số hệ điều hành khác, nó được quản lý bởi luồng nhân. Trong

mỗi trường hợp, hệ điều hành cung cấp một giao diện điều khiển cho phép người

dùng và người quản trị hệ thống hiển thị hàng đợi để xóa các công việc không mong

muốn trước khi các công việc đó in, để tạm dừng việc in trong khi máy in được phục

vụ,..

VI.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 như mạng trở nên quá tải, hay các lý do thường xuyên như trình điều

khiển đĩa bị lỗi. Các hệ điều hành thường trả giá cho tính hiệu quả vì các lỗi tạm thời.

Thí 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 được xác định rõ. Tuy nhiên,

nếu một thành phần quan trọng bị lỗi thường xuyên thì hệ điều hành không nghĩ đến

việc phục hồi.

Như một qui tắc thông thường, 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 được dùng để trả về một mã lỗi- một trong

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 248

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

VIIChuyển 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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

2) Mã lời gọi hệ thống trong nhân kiểm tra tính đúng đắn của các tham số. Trong

trường hợp nhập, nếu dữ liệu đã có sẳn trong vùng đệm thì dữ liệu được trả về

tới quá trình và yêu cầu nhập/xuất được hoàn thành.

3) Ngược lại, nhập/xuất vật lý cần được thực hiện để mà quá trình được xóa từ

hàng đợi thực thi và được đặt vào hàng đợi chờ cho thiết bị, và yêu cầu

nhập/xuất được 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 được 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 dò trạng thái và dữ liệu hay thiết lập truyền

DMA vào bộ nhớ nhân. Chúng ta thừa nhận rằng truyền được quản lý bởi bộ

điều khiển DMA sinh ra một ngắt khi việc truyền hoàn thành.

7) Bộ quản lý ngắt tương ứng nhận ngắt bằng bằng vector ngắt, lưu 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 đã hoàn thành.

9) Nhân truyền dữ liệu hay trả về mã tới không gian địa chỉ của quá trình được

yêu cầu và di chuyển quá trình từ hàng đợi chờ tới hàng đợi sẳn sàng.

10) Di chuyển quá trình tới hàng đợi sẳn sàng không làm nghẽn quá trình. Khi bộ

định thời biểu gán quá trình tới CPU, quá trình tiếp tục thực thi tại thời điểm

hoàn thành của lời gọi hệ thống.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 250

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

VIIINăng 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

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Chúng ta có thể tận dụng nhiều nguyên tắc để cải tiến tính hiệu quả của

nhập/xuất:

• Cắt giảm số lượng chuyển ngữ cảnh

• Cắt giảm số lần dữ liệu phải được chép 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 (DMA-

knowledgeable controllers) hay các kênh để giảm gánh nặng chép dữ liệu đơn

giản từ CPU.

• Di chuyển các hàm xử lý cơ bản vào phần cứng, để cho phép 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 được 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

được mô tả trong hình XI-6.

Hình 0-6 Tiến trình mô tả chức năng thiết bị

• Khởi đầu, chúng ta cài đặt giải thuật nhập/xuất thử nghiệm tại cấp ứng dụng vì

mã ứng dụng là linh họat và những lỗi ứng dụng là không chắc gây ra sự sụp

đổ hệ thống. Ngoài ra, bằng phát triển mã tại cấp ứng dụng, chúng ta tránh yêu

cầu khởi động hay nạp lại trình điều khiển thiết bị sau mọi thay đổi tới mã.

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 (như 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 nhưng 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 được gỡ rối toàn bộ để

tránh hư hỏng dữ liệu và sụp đổ hệ thống.

• Năng lực cao nhất có thể đạt được 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

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 252

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

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