Giáo trình Hệ điều hành - Chương 2: Tiến trình

CHƯƠNG 2.

TIẾN TRÌNH

2.0. Quan niệm về tiến trình

Trước đây tuỳ từng thời điểm, máy tính được xác định một nhiệm vụ chính; tất

cả các chương trình được bó lại thành gói (paket) và được gởi đi liên tục. Điều đó

được gọi là xử lý đóng gói (pile processing) hay quản lý lô (batch manager). Ngày

nay, không chỉ có một chương trình chạy trên máy tính, mà nhiều chương trình

cùng thực hiện (multi-tasking). Cũng như thế, không chỉ có một người sử dụng

làm việc, mà nhiều người sử dụng cùng làm việc (multi- user). Để hạn chế sự

tranh chấp giữa chúng ở việc dùng máy tính, do đó sự phân bổ các phương tiện

điều hành phải được điều chỉnh trên chương trình.

Ngoài ra, điều đó còn tiết kiệm thời gian chạy máy và giảm đáng kể thời gian

thao tác. Thí dụ, người ta có thể điều chỉnh sự phân chia bộ vi xử lý chính (Central

Processing Unit- CPU) cho việc biểu thị Text song song với việc xử lý Text, điều

đó cho thấy rằng, CPU đã trợ giúp việc xử lý Text trong thời gian máy in in ký tự.

Nếu điều đó hoàn thiện thì bộ vi xử lý đẩy một ký tự mới cho máy in và tiếp tục

việc xử lý Text.

Thêm vào đó, chương trình phải được lưu trữ khi cần thiết sử dụng phương tiện

điều hành nào: không gian nhớ, thế hệ CPU, dùng lượng CPU… Từ đó, ta hiểu,

tiến trình là thông tin trạng thái của các phương tiện điều hành đối với một

chương trình (thường gọi là một Job).

Hình 2.1 minh họa điều trên đây:

Tiến trình

Daten

Thanh ghi

CPU

Thanh ghi

NMU

Programm

Stack

luật truy cập

thông tin file

Kernel-stack

ngữ cảnh tiến trình

Hình 2.1. Sự cấu thành các dữ liệu tiến trình

Một tiến trình này có thể sinh ra một tiến trình khác, khi đó người ta gọi tiến

trình đầu là tiến trình cha, còn tiến trình được sinh ra là tiến trình con.

Một hệ thống đa chương trình (multi-programming system) cho phép thực hiện

đồng thời nhiều chương trình và nhiều tiến trình. Một chương trình (gọi là một job

) cũng có thể tự phát sinh ra nhiều tiến trình.

Thí dụ về hệ điều hành UNIX:

Các chương trình hệ thống của Unix được gọi là nền tảng, nó tổng hợp các giải

pháp đồng bộ và thích ứng thuận tiện. Sự độc lập của các tiến trình và kể cả các

chương trình của hệ điều hành Unix cho phép khởi động đồng thời nhiều công

việc.Thí dụ, chương trình pr hình thành Text1, chương trình lpr biểu diễn Text2

thì người ta có thể kết nối thành chương trình cat bằng dòng lệnh sau:

cat Text1 Text2 | pr | lpr

Ở đây, bộ thông dịch, mà người ta sẽ chuyển lệnh cho nó, khởi động ba

chương trình với tư cách là ba tiến trình riêng lẻ, mà ở đây ký tự “|” tạo ra một sự

thay đổi cho việc xuất ra một chương trình thành việc nhập vào một chương trình

khác. Nếu trong hệ thống có nhiều bộ vi xử lý, do đó, mỗi bộ vi xử lý có thể được

sắp xếp theo một tiến trình, và quả vậy, sự điều hành được tiến hành song song.

Ngoài ra, cũng có khi một bộ vi xử lý chỉ thực hiện một phần tiến trình và dẫn tới

bộ tiếp theo.

Ở hệ thống đơn vi xử lý thì luôn chỉ có 1 tiến trình thực hiện, những tiến trình

khác được giữ lại và chờ đợi. Điều này sẽ được khảo sát ở các phần dưới.

2.1 Các trạng thái tiến trình

Kế tiếp trạng thái hoạt động (running) đối với một tiến trình đang diễn ra,

chúng ta phải xem xét những tiến trình khác chờ đợi ở đâu. Đối với một trong

nhiều khả năng biến cố, nó có một hàng đợi riêng, mà trong đó các tiến trình được

phân loại.

Một tiến trình bị hãm phải chờ đợi, để:

+ đón nhận một bộ vi xử lý hoạt động, lúc đó ta có trạng thái sẵn sang

(ready),

+ đón nhận một thông tin (massage) của một tiến trình khác,

+ đón nhận tín hiệu của một bộ chỉ thị thời gian (timer),

+ đón nhận những dữ liệu của một thiết bị xuất nhập.

Thực ra, trạng thái sẵn sang rất đặc biệt: tất cả các tiến trình nhận được các

thay đổi và được giải hãm, tiếp đến, đầu tiên chúng được chuyển dịch vào trong

danh sách sẵn sàng và sau đó, chúng đón nhận bộ vi xử lý ở trong dãy tuần tự.Các

trạng thái và sự quá độ của chúng được sơ đồ hoá trên hình 2.2

Nhaän CPU

running

ready

 R_s



CPU

 R_s

 CPU

Traû CPU

blocked

Chôø R

Nhaän R

 R_s

 CPU

Hình 2.2.Các trạng thái tiến trình

Ở đây, chúng ta còn quan tâm tới điều, rằng các chương trình và các tiến trình

thì không tồn tại vĩnh viễn, mà chúng có thể được sinh ra và kết thúc bất kỳ khi

nào. Do đó, từ các lý do bảo vệ, các tiến trình không tự quản lý được, mà chúng

được thuyên chuyển từ một chức năng đặc biệt của một hệ điều hành cho bộ định

giờ, hay thuyên chuyển từ một trạng thái này thành một trạng thái liền kề. Việc

chuyển đổi của các tín hiệu, việc lưu trữ các dữ liệu tiến trình và việc sắp xếp

thành các hàng đợi được một chức năng trung tâm hoàn thiện, các chức năng này

người sử dụng không trực tiếp điều khiển. Bởi vậy, qua việc gọi hệ điều hành thì

những mong muốn của các tiến trình được khai báo, mà những cái đó trong khuôn

khổ của việc quản lý các phương tiện điều hành của bộ định thời phù hợp với sự

quan tâm đối với người sử dụng khác.

Tất cả các trạng thái chứa đựng một hay nhiều danh sách. Các tiến trình ứng

với một trạng thái thì được đưa vào danh sách đó. Điều đã rõ, rằng một tiến trình

có thể được luôn luôn chứa đựng chỉ trong một danh sách.

Trong sự khác nhau với mã máy, những dữ liệu trạng thái của phần cứng (CP,

FPU, MNU), mà với các tiến trình làm việc, chúng được biểu thị là văn cảnh tiến

trình (stask context), xem hình 2.1. Ở một tiến trình hãm, phần dữ liệu chứa đựng

trạng thái sau cùng của CPU thì nó như một bản sao của CPU có thể được biểu thị

là nột vi xử lý ảo và phải được nạp mới nhờ sự chuyển đổi tới một tiến trình khác

cũng như chuyển đổi văn cảnh (context switch).

Những hệ điều hành khác nhau sẽ thu hẹp chỉ số các biến cố và thu hẹp số

lượng cũng như kiểu hàng đợi. Điều đó cũng được phân biệt, rằng những giao thức

nào chúng dự định cho việc bắt đầu và kết thúc của bộ vi xử lý cũng như việc phân

chia và sắp xếp danh sách chờ. Ở đây, người ta còn phân biệt giữa việc đặt kế

hoạch phân bổ các phương tiện điều hành (scheduling) và việc phân bổ trên thực

tế (dispatching).

2.1.1. Thí dụ về Unix

Trong hệ điều hành Unix có sáu trạng thái khác nhau. Có ba trạng thái đã nhắc

tới ở trên. Đó là trạng thái running(SRUN), trạng thái blocked (SSLEEP) và trạng

thái ready (SWAIT). Trạng thái tiếp theo là trạng thái stopped (SSTOP), mà một

cái gì đó phù hợp với sự chờ đợi của các tiến trình cha ở việc tìm lỗi (tracing anh

debugging).

bị hãm

Đón nhận tín hiệu

Không

tồn tại

chờ đợi tín hiệu

Phát sinh

Phân bổ

Lý

tưởng

sẵn

sàng

hoạt

động

zombi

kết thúc

tiếp tục thực hiện

chờ đợi tiến trình cha

dừng

Không

tồn tại

++++++++++++++++++++

Hình 2.3.Những trạng thái tiến trình và sự quá độ ở Unix.

Ngoài ra còn tồn tại những trạng thái trung gian phụ như trạng thái idle (SIDL)

và trạng thái zombie (SZOMB), mà chúng xuất hiện bởi việc sinh ra và kết thúc

của một tiến trình. Sự quá độ trạng thái có những hình thái như trong hình vẽ 2.3 ở

trên.

Sự quá độ của một trạng thái tới một trạng thái kế tiếp đạt được qua sự thăm dò

gọi hệ thống. Thí dụ, nếu có một tiến trình gọi hàm fork(), do đó một bản sao một

tiến trình được lôi ra và đem treo vào danh sách sẵn sàng. Với điều đó, bây giờ ta

có hai tiến trình đồng nhất, mà cả hai trở lại từ việc gọi hàm fork(). Sự khác nhau

giữa hai tiến trình là ở chỗ giá trị trả lại của hàm: tiến trình cha đón nhận chỉ số

tiến trình (PID) của con; khi PID = 0 thì nó nhận ra rằng, đó là tiến trình con và nó

thể hiện sự diễn biến tiếp tục của chương trình qua lần gọi hệ thống khác. Đối với

các chương trình thực thi (execute) có thể nhận thấy rằng, chương trình chạy sẽ

quá tải bởi mã chương trình. Tất cả các thiết bị hiển thị và các biến số được kích

thích (thí dụ sử dụng bộ đếm địa chỉ gọi hệ thống của chương trình) và tiến trình

hoàn tất được treo vào danh sách sẵn sang. Ở hiệu quả cuối cùng của tiến trình cha

thì một chương trình hoàn toàn mới được khởi động.

Tiến trình cha có khả năng chờ đợi hàm gọi hệ thống exit() và chờ đợi sự

kết thúc của tiến trình con với hàm waitpid(PID). Trong hình 2.4 chỉ ra quá trình

phát sinh một tiến trình như vậy.

Người ta quan tâm rằng, tiến trình con đạt được hàm gọi hệ thống exit() như

nói ở trên chỉ khi, nếu một lỗi xuất hiện tại hàm exec(). Điều đó có nghĩa, nếu tệp

tin programm không tồn tại , thì nó không thể đọc được. Ngoài ra, lệnh của

chương trình kế tiếp theo hàm exec() ở trạng thái người sử dụng thì giống hệt với

lệnh đầu tiên của chương trình ‘programm’.

Cha

con

PID = fork ()

/* PID # 0*/

if (PID = = 0)

{ exec …

/* PID = = 0*/

if (PID = = 0)

{ exec (“programm”)

…

};

exit () };

…

Waitpid (PID)

Hình 2.4.Sự phát sinh và loại trừ một tiến trình ở hệ điều hành Unix

Tiến trình con kết thúc chỉ khi, nếu như trong ‘programm’ một hàm gọi exit()

tự đạt tới.

Với suy nghĩ này, thí dụ sau đây sẽ làm sáng tỏ một tiến trình đối với sự thỉnh

cầu của người sử dụng ở thiết bị đầu cuối. Tuy nhiên, mã (nói ở trên) chỉ là cơ sở

cho việc thỉnh cầu đó ở trong Unix để mỗi người sử dụng khởi động shell.

Thí dụ shell của Unix:

LOOP

Write(prompt);

(*thí dụ có dạng :>*)

ReadLine(command, params); (*đọc chuỗi, phân cách qua ý tự trống *)

pid := fork();

IF (pid=0)

(*tái bản của tiến trình này*)

THEN execve(command, params,0)

ELSE waitpid(-1, status, 0)

(*con chở tải Programm*)

(*cha chờ sự kết thúc của con*)

END;

Tất cả các tiến trình trong Unix thích hợp với tiến trình khởi đầu (PID =1). Nếu

ở sự chấm dứt của một tiến trình con mà không có một tiến trình cha nào tồn tại

nữa, khi đó tiến trình khởi đầu nói trên được thông báo. Trong khoảng thời gian

gọi hệ thống với hàm exit() và sự tiếp nhận các thông tin tại tiến trình cha, thì tiến

trình con đạt được một trạng thái đặc biệt gọi là “zombi” (xem hình 2.1).

Văn cảnh tiến trình nội bộ (intern process context) được phân thành hai phần:

Phần thứ nhất là phần mang tiến trình ở trong một bảng nhớ trú ngụ, nó thì rất

quan trọng đối với việc điều khiển tiến trình và do đó nó luôn luôn tồn tại. Phần

thứ hai gọi là phần cấu trúc người sử dụng (user structure), nó chỉ quan trọng, nếu

nó là tiến trình hoạt động và nếu nó có thể được xuất ra trên bộ nhớ quảng đại với

mã còn lại và các dữ liệu.

Thực chất hai phần kể trên là:

Các khối điều khiển tiến trình của bảng tiến trình (process control bock- PCB)

+ Thông số định giờ

+ Những tham chiếu nhớ: địa chỉ mã, địa chỉ dữ liệu, địa chỉ ngăn xếp ở bộ

nhớ chính cũng như bộ nhớ quảng đại.

+ Các dữ liệu tín hiệu: mặt nạ, trạng thái.

+ Những điều khác: trạng thái tiến trình, biến cố chờ đợi, trạng thái định

thời, PID, PID cha, người sử dụng.

• Văn cảnh người sử dụng (user context):

+ Trạng thái bộ vi xử lý: thanh ghi, thanh ghi FPU…

+ Gọi hệ thống: thông số…

+ Bảng thông tin file

+ Ngăn xếp nhân: không gian ngăn xếp đối với gọi hệ thống của tiến trình.

Khác biệt với PCB là tiến trình có thể thay đổi và kiểm tra chỉ gián tiếp qua gọi

hệ thống, cho phép gọi hệ thống Unix để kiểm tra trực tiếp cấu trúc người sử dụng

và để thay đổi các phần

2.1.2. Thí dụ về Windows NT

Vì trong Windows NT phải được được các loại tiến trình khác nhau trợ giúp,

mà những tiến trình đó không hạn chế sự phát sinh đa dạng, cho nên chỉ đối với

một loại riêng lẻ của các tiến trình ( đối tượng xâu: thread object) thì một hệ thống

tiến trình được tạo nên. Việc phát sinh các đối tượng (như OS/2,

POSIX,Windows32) thì được liên hợp lại thành các đối tượng và ở sự thay đổi

trạng thái của chúng không đóng vai trò gì cả. Sơ đồ đơn giản hoá các quá độ

trạng thái được chỉ ra trong hình 2.5.

vận

chuyển

Đón nhận tín hiệu

Không

tồn tại

chờ đợi biến cô

Phát sinh

Đình chỉ

khởi

xướng

sẵn

sàng

chạy

kết mãn

kết thúc

lựa chọn / bẻ gãy

gởi đi

dừng

Không

tồn tại

Hình 2.5.Các trạng thái tiến trình của Windows NT

Việc sản sinh tiến trình ở Windows NT thì phức tạp hơn trong Unix, vì để có

sự chuyển giao thì nhiều trạng thái tiến trình phải được thực hiện. Do đó, những sự

phát sinh đặc biệt được liên kết trong những hệ thống con.

Để sản sinh ra các tiến trình thì chỉ có duy nhất một hàm gọi hệ thống

NtCreateProcess(), ở đấy, bên cạnh sự kích thích nhờ các mà thì còn có tiến trình

cha có thể được thông báo. Trên cơ sở đó, tất cả các biến gọi hệ thống con khác

được thiết lập, mà cái đó sẽ được người sử dụng quan tâm và cần tới.

Thật vậy, cái đó đã tạo ra cơ cấu của hàm gọi POSIX-fork(). Thí dụ, chương

trình POSIX (hay tiến trình POSIX) gọi lệnh với hàm fork() qua giao diện người

lập trình ứng dụng ( Application Programming Interface). Cái đó sẽ được chuyển

đổi thành một thông tin và được gởi tới một hệ thống con POSIX qua nhân hệ

thống (xem hình 1.7). Cái đó trở lại gọi hàm NtCreateProcess() và thông báo

chương trình POSIX cho PID cha. Chìa khoá đối tượng (object handle) được trao

trở lại hệ thống con POSIX quản lý; tất cả gọi hệ thống của tiến trình POSIX, mà

nó đưa ra thông tin tới hệ thống con POSIX, thì được hoàn thiện ở đó với sự trợ

giúp của gọi hệ thống của Windows NT và đưa kết quả có dạng POSIX trở lại tiến

trình gọi. Tương tự, điều đó cũng dẫn tới gọi tiến trình của các hệ thống con khác.

2.1.3. Các tiến trình trọng lượng nhẹ.

Nhu cầu lưu trữ của một tiến trình thì rất toàn diện. Nó chứa đựng không chỉ

vài con số, như số tiến trình và các dữ liệu,mà cả những thông báo về các files

thông thường như các mã chương trình và các dữ liệu của chúng. Điều đó có hầu

hết ở các tiến trình, khi nó thích ứng ở trong bộ nhớ chính. Cho nên, tiến trình

chiếm rất ít không gian trên bộ nhớ quảng đại (chẳng hạn harddisk). Vì có sự

chuyển đổi tiến trình, bộ nhớ hiện tại bị tiêu tốn (chiếm chỗ), còn bộ nhớ trước đó

của đĩa cứng được phục hồi trở lại, do đó một sự thay đổi tiến trình đều làm cho

tải hệ thống nặng nề và thời gian thực hiện tương đối dài.

Ở nhiều ứng dụng thì không có tiến trình mới được sử dụng, mà chỉ có những

đoạn mã độc lập (threads) được sử dụng. Những đoạn mã độc lập này được mô tả

bằng văn cảnh tiến trình (thí dụ các thủ tục của một chương trình). Trường hợp

này người ta gọi là đồng lập thức (coroutine).

Việc ứng dụng các đoạn mã theards có điều kiện để tạo trong một khoảng tiến

trình bởi một hệ thống tiến trình tiếp theo mà người ta gọi là các tiến trình trọng

lượng nhẹ (light weight process: LWP). Với hình dạng đơn giản nhất thì những

tiến trình này tự chuyển đổi sự điều khiển một cách dứt khoát, mà người gọi là bản

phác thảo đồng lập thức (coroutine concept). Có lý do để nói rằng, những tiến

trình mới này cũng là những tiến trình gọi hệ thống. Nếu mỗi tiến trình mà càng

sinh ra nhiều tiến trình khác, thì điều đó càng khó khăn hơn. Từ lý do đó, người ta

có thể dẫn ra đây một bộ định thời, mà bộ định thời này luôn luôn chứa đựng sự

điều khiển và sự điều khiển này được chuyển tiếp tục tới một tiến trình kế tiếp

trong danh sách sẵn sang của nó. Nếu điều đó không được lập trình bởi người sử

dụng, thì nó đã được chứa đựng trong hệ điều hành qua việc gọi hệ thống. Do đó,

qua thời gian chuyển đổi của gọi hệ thống thì các tiến trình threads sẽ là tiến trình

trọng lượng nặng (heavy weight process: HWP).

Mỗi tiến trình đều phải thâu giữ các dữ liệu riêng của nó một cách độc lập với

các tiến trình khác. Điều đó thì cũng thuận với tiến trình trọng lượng nhẹ: Nếu

chúng phân bổ các files đồng đều (nói chính xác là vùng địa chỉ ảo đồng đều, xem

chương 3) với các tiến trình trọng lượng nhẹ khác. Do vậy, hầu hết các ngăn xếp

của nó được sử dụng, mà ngăn xếp này được dữ trữ không gian để phát sinh cho

mỗi tiến trình. Trong sự khác biệt với các tiến trình xác thực, thì do đó, các tiến

trình trọng lượng nhẹ sử dụng chỉ ít các dữ liệu văn cảnh (context data), mà các dữ

liệu này phải được thay đổi khi chuyển đổi. Từ đó, trạng thái vi xử lý (processor-

status: PS) và con trỏ ngăn xếp (stack-pointer:SP) là những thứ quan trọng nhất.

Còn, tự bản thân bộ đếm chương trình (programm-counter) có thể được tách khỏi

ngăn xếp, do đó, nó không phải chuyển giao một cách rõ ràng. Bằng ngôn ngữ

Assemble, việc chuyển đổi được thực thi một cách hiệu nghiệm và làm cho việc

gọi hệ thống của các tiến trình này xảy ra rất nhanh.

2.1.4. Trạng thái tiến trình ở Unix

Ở hệ điều hành Unix, các tiến trình trọng lượng nhẹ được thực thi bởi thư viện

của người sử dụng và bằng ngôn ngữ C hay C++ (xem phần Unix ở chương 3).

Tuỳ theo sự thực thi, mà hoặc là có một hệ thống đơn giản với việc chuyển giao

điều khiển một cách trực tiếp, hoặc là có một hệ thống phức tạp hơn với bộ định

thời đặc biệt (xem mục 2.2).

Lợi thế của việc thực thi bằng thư viện là tồn tại một sự chuyển đổi rất nhanh,

vì các cơ cấu gọi hệ điều hành và các cơ cấu giải mã của chúng sẽ không có điều

kiện thực hiện theo số dịch vụ và theo các thông số. Còn nhược điểm của nó là

tiến trình thread phải chờ đợi một biến cố (thí dụ biến cố vào/ra) và nó chặn tiến

trình tổng thể lại.

Có những thí nghiệm để tiêu chuẩn hóa các tiến trình threads và để giảm nhẹ

sự thực thi chương trình (xem chuẩn IEEE năm 1922)

Ở các phiên bản mới nhất của Unix, chúng chứa đựng loại 64bit –Unix, còn

gọi là Unix-98.

2.1.5. Trạng thái tiến trình ở Windows NT

Khác với Unix, trong hệ điều hành Windows NT, các tiến trình trọng lượng

nhẹ LWP được thực thi với chức năng gọi hệ điều hành. Tuy nhiên, sự chuyền đổi

chậm chạp hơn, nên được gọi là tiến trình trọng lượng nặng (heavy weight thread),

nhưng nó vẫn có ưu điểm. Đó là, người lập trình hệ thống có một giao diện kết nối

chắc chắn. Nó làm giảm nhẹ sự thực thi chương trình, vì chúng được sử dụng các

tiến trình LWP và nó cũng tránh được việc thực nghiệm để phát triển những hệ

thống lệch lạc riêng lẻ như đối với Unix. Một điều khác nữa là nhân của hệ điều

hành cũng được điều khiển qua các tiến trình LWP.Ở đây, điều cần phải lưu ý là,

các tiến trình LWP được thực hiện song song ở trong hệ thống đa vi xử lý và đối

với biến cố I/O thì chỉ có tiến trình thread ngăn hãm chỉ một tiến trình.

Vì một tiến trình thread trọng lượng nặng dẫn tới việc thu hẹp không cần thiết

những cái đang cần thiết sử dụng, do đó, trong Windows NT với version 4.0 được

dẫn vào trạng thái các files. Đó là những thủ tục được tiến hành song song, mà

những thủ tục đó được hoạt động theo bản phác thảo đồng lập thức: Sự chuyển đổi

của một tiến trình fiber (thớ) tới một tiến trình thread khác được thực hiện một

cách tự do. Nếu tiến trình thread bị ngăn hãm, do đó tất cả các tiến trình fiber cũng

bị ngăn hãm tương tự. Điều đó cũng giảm nhẹ việc thực thi các chương trình như

trên hệ thống Unix.

2.2 Định thời tiến trình

Nếu ở một hệ điều hành có nhiều nhu cầu về phương tiện điều hành, khi đó,

việc truy cập phải được phối hợp. Thật vậy, đóng vai trò quan trọng là bộ định thời

đã nói ở trên và các giao thức của nó ở việc sắp xếp các tiến trình theo hàng chờ.

Nếu chúng ta khảo sát hệ thống đơn vi xử lý, thì sẽ thấy trên đó các tiến trình độc

lập làm việc một cách tuần tự (sequemtiell).

Trong hệ thống tính toán thông thường, chúng ta có thể phân biệt ra hai loại

nhiệm vụ định thời: định thời dự định việc thực hiện Job (còn gọi là định thời dài

cho Job) và dự định việc phân bổ bộ vi xử lý hoạt động (còn gọi là định thời

ngắn). Ở việc định thời dài, người ta phải lưu ý:(1). Khi mà có nhiều người sử

dụng được phép đi vào hệ thống (login) với công việc của họ, khi ra (logout)

người sử dụng phải báo như thế nào đó; (2). Nếu trong hệ thống có người sử dụng

quá nhiều, thì việc dẫn vào phải được chặn lại cho đến khi tải hệ thống chất đầy.

ĐỊNH THỜI

NGẮN

NSD

DÀI

Hình 2.6. Định thời dài và định thời ngắn

Tuy nhiên ở việc định thời ngắn, công việc chính là phải dẫn ra giao thức để

điều phối bộ vi xử lý ở các tiến trình. Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát một giao thức

thông dụng nhất.

2.1.1 Tranh chấp mục đích

Tất cả các giao thức định thời là để thực hiện những mục đích nào đó. Người ta

thấy có những mục đích thông dụng sau đây:

• Khả năng chịu tải của CPU:

Nếu CPU là phương tiện điều hành, thì ít nhất, chúng ta muốn thể hiện sự sử

dụng hiệu nghiệm nhất. Mục đích là CPU tải 100%, thông thường chỉ tải khoảng

40-90%.

• Lưu lượng (througput):

Số công việc trên một đơn vị thời gian được gọi là lưu lượng, nó chính là mức

độ chịu tải của hệ thống.

• Cách điều khiển thật:

Không có công việc nào ưu tiên hơn việc khác, khi chưa được thoả thuận đích

xác. Điều đó có ý nghĩa rằng, mỗi một người sử dụng nhận được các phương tiện

một cách đồng đều trong thời gian truy cập CPU.

• Thời gian thực hiện:

Thời gian thực hiện (turnround time) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu Job

cho tới khi kết thúc Job, nó chứa đựng tất cả thời gian trong các hàng đợi, thời

gian thực hiện và thời gian xuất nhập. Tất nhiên chúng phải là tối thiểu.

• Thời gian chờ đợi:

Trong khoảng thời gian tổng cộng, bộ định thời chỉ ảnh hưởng tới thời gian

chờ ở trong danh sách ready (sẵn sàng). Đối với giao thức định thời, người ta có

thể giới hạn mục đích để làm giảm thời gian chờ.

• Thời gian trả lời:

Ở sự hoạt động bên trong của hệ thống, người sử dụng cảm thấy đặc biệt không

dễ chịu, vì sau một sự truy nhập nào đó, người ta phải chờ đợi lâu phản ứng của

máy tính. Một cách độc lập với thời gian tổng cộng thực hiện Job, thời gian giữa

việc nhập vào và việc chuyển giao dữ liệu trả lời thì được gọi là thời gian trả lời.

Danh sách của việc chuyển giao mục đích không những phải đầy đủ mà còn

phải chặt chẽ. Thí dụ, mỗi một sự chuyển đổi tiến trình thì cần có một sự thay đổi

văn cảnh tiến trình (context switch). Những tiến trình ngắn thì được ưa chuộng

hơn, bởi vì thời gian trả lời được rút ngắn- đó là thời gian giữa hai lần truy nhập,

nhờ vậy năng suất được gia tăng. Ngược lại, các tiến trình chậm thì không được ưa

chuộng. Mặc khác, nếu khả năng chịu tải được nâng cao, thì do diễn biến bên

trong của Job, thời gian trả lời sẽ kéo dài.

Tương tự, trong đời sống thường nhật, người ta có thể nhìn thấy điều đó: Thí

dụ ở việc cho thuê ô tô, những khách hàng xác định sẽ được dịch vụ thuận tiện,

mặc dụ chật chội, còn những khách hàng khác phải chờ đợi lâu hơn. Nếu muốn

thuê một chiếc ô tô chạy tốt, thì một khách hàng mới tới phải đợi cho đến khi anh

ta nhận được chiếc ô tô thích muốn đó. Đối với một thời gian phản ứng ngắn, thì

khi có nhiều ô tô cùng được đưa vào sử dụng.

Vì đối mỗi một nhóm người sử dụng thì sự nhượng bộ mục đích có thể

được thay đổi, nếu không có thuật toán định thời lý tưởng đối với mỗi tình huống.

Trên cơ sở này, có rất nhiều phương hướng để tách chia cơ cấu định thời thành các

giao thức định thời riêng lẻ và thành các thông số của chúng. Thí dụ, một tiến trình

của ngân hàng dữ liệu phát sinh một vài tiến trình trợ giúp, thì nó sẽ nhận biết đặc

trưng của sự trợ giúp đó và vì thế, tạo ra khả năng để ảnh hưởng tới giao thức định

thời của các tiến trình con qua các tiến trình cha. Những bộ phận của nhân hệ điều

hành, các cơ cấu định thời bên trong và cơ cấu điều phối cần thiết được dùng nhờ

giao diện đã được chuẩn hoá (tức là nhờ gọi hệ thống). Giao thức định thời sẽ chỉ

có thể có được do người sử dụng lập trình.

2.2.2. Định thời không có ưu tiên trước.

Trong trường hợp đơn giản, các tiến trình có thể chạy thật lâu cho đến khi rời

khỏi trạng thái hoạt động và chờ đợi một biến cố (I/O hoặc một thông tin) hoặc

trao việc điều khiển cho tiến trình khác, rồi tự kết thúc: nghĩa là chúng không được

ngắt khỏi quá sớm. Trường hợp này được gọi là định thời không có ưu tiên trước.

Loại định thời này rất có lợi đối với tất cả các hệ thống, mà ở đây người ta phải

hiểu chính xác là những tiến trình nào tồn tại và chúng có những đặc trưng nào.

Thí dụ, có một chương trình ngân hàng dữ liệu, người ta phải hiểu chính xác: một

cách thông thường, một sự dàn xếp nào để chương trình thực thi thôi qua trong

bao lâu (?). Trong trường hợp này, người ta có thể sử dụng một hệ thống tiến trình

trọng lượng nhẹ để thực hiện. Đối với loại định thời này, những chiến lược sau đây

thường được sử dụng nhất:

• Chiến lược đến trước dịch vụ trước (First Com First Serve: FCFS):

Một chiến lược đơn giản loại này thì bao gồm các tiến trình được sắp xếp theo

thứ tự xuất hiện ở trong hàng đợi. Tất cả các tác vụ xảy ra theo tuần tự, mà không

cần biết, chúng cần bao nhiêu thời gian. Cho nên việc thực thi giao thức này với

hàng đợi FCFS thì rất đơn giản.

Tuy nhiên, hiệu quả của thuật toán này thì rất giới hạn. Chúng ta giả định,

chúng ta có 3 Job với chiều dài 10, 4 và 3. Các Job được sắp xếp và làm việc theo

giao thức FCFS. Hình 2.7 mô tả điều đó.

Job 1

10

Job 2

Job 3

Job 2

Job 1

10

4

3

4

3

0

10

14

17

0

3

7

10

(a) Dãy tuần tự FCFS

(b) Dãy tuần tự SIN

Hình 2.7. Dãy tuần tự các Job

Thời gian thực hiện của Job1 là 10, của Job 2 là 14 và của Job3 là 17, vậy thời

gian thực hiện trung bình là (10+14+17): 3= 13,67. Tuy nhiên, chúng ta có thể sắp

xếp lại các Job này theo kiểu: Job có chiều dài ngắn nhất làm việc đầu tiên, xem

hình (b). Khi đó, ta có thời gian thực hiện trung bình ngắn hơn (3+7+17):3=9.

• Chiến lược đầu tiên Job ngắn nhất (Shortest Job First: SJF):

Tiến trình có thời gian dịch vụ ngắn nhất được chuộng hơn các tiến trình khác.

Nghĩa là chiến lược loại này tránh được các nhược điểm nói trên. Thật vậy, những

tiến trình hoạt động nội bộ thì cần thời gian CPU ít và hầu như việc chờ đợi sự kết

thúc của các hoạt động diễn ra song song cùng các kênh xuất nhập. Do đó, thời

gian trả lời trung bình được giảm đáng kể.

Người ta có thể chỉ ra rằng, giao thức SJF đã giảm thiểu đáng kể thời gian chờ

đợi trung bình của từng Job trong dãy các Job. Vì theo nguyên tắc ưu tiên Job

ngắn, thì thời gian chờ đợi của nó giảm đi rất mạnh, trong khi đó thời gian chờ của

Job dài tăng lên.

Ở loại giao thức này vẫn còn tồn tại một vấn đề: Tại dòng vào lớn của các tiến

trình ngắn và với rất nhiều yêu cầu của CPU, tuy rằng một tiến trình không bị hãm

chặn, nhưng nó vẫn không đón nhận CPU.. Điều này được gọi là sự làm đói

(starvation). Đó là một vấn đề quen thuộc, mà nó cũng hay xuất hiện ở nhiều hoàn

cảnh khác nhau nữa.

• Chiến lược tỷ lệ kế cận đáp ứng cao nhất (Hightest Response Ratio Next:

HRN):

Ở đây, các Job được làm việc theo một tỷ lệ mong muốn, mà trong đó, những

nhận xét và phân tích về thời gian đáp ứng và thời gian dịch vụ được sử dụng để

làm cơ sở cho việc đánh giá đo đạc trước đó. Chiến lược này chỉ chú ý các Job có

thời gian dịch vụ ngắn, nhưng mà nó giới hạn thời gian chờ của các Job có thời

gian dịch vụ dài, vì ở một sự thiệt hại đáng kể, thời gian đáp ứng của chúng bị kéo

dài.

• Chiến lược định thời có ưu tiên trước (Priority Scheduling: PS):

Mỗi một tiến trình sẽ chiếm dụng một sự ưu tiên. Nếu một tiến trình mới đi vào

hàng đợi, do đó nó sẽ được sắp xếp, rằng những tiến trình có sự ưu tiên cao nhất sẽ

đứng đầu hàng chờ; những tiến trình có ít sự ưu tiên đứng cuối. Nếu có nhiều tiến

trình có sự ưu tiên như nhau, thì dãy tuần tự trong các tiến trình này phải được

quyết định theo một chiến lược khác thí dụ chiến lược FCFS.

Người ta cũng lưu ý rằng, những Job bị làm tổn thất thì có thể tiếp tục làm đói.

Ở việc định thời có ưu tiên trước, vấn đề này cần phải được nhìn bao quát, rằng

việc ưu tiên là không cố định, mà nó là một quá trình động. Nếu một tiến trình

nhận được sự ưu tiên trong một dãy hợp lý, do đó nó sẽ có sự ưu tiên cao nhất bất

kỳ khi nào và cũng như thế, nó nhận được CPU.

Sự giả định của các chiến lược SJF và HRN được thiết đặt bằng các câu hỏi

viện cớ, rằng thời gian thực hiện của các Job thì không thống nhất và thường hay

thay đổi. Do đó, lợi thế của các giao thức ở các hệ thống khác nhau bị hạn chế.

Điều đó thì khác với trường hợp của các Job thường hay xuất hiện, các Job có thể

được nhìn bao quát và các Job quen thuộc, tức là những Job tồn tại trong ngân

hàng dữ liệu (datenbank) hay các hệ thống tiến trình (chỉ đối với hệ thống thời

gian thực). Ở đây, điều có lợi là để nhận xét các tham số quen thuộc một cách

thường xuyên mới mẻ và để tối ưu việc định thời.

Ở việc làm thích hợp thường xuyên các tham số (như thời gian thực hiện và

thời gian dịch vụ) và ở việc thực thi, người ta có thể đạt được với các thuật toán

khác nhau. Một trong các thuật toán nổi tiếng, đó là: Với tham số a của một tiến

trình tại một thời điểm t, thì từ giá trị tức thời b_tvà giá trị trước đó a(t), người ta

xác định giá trị trung bình theo biểu thức sau:

a(t+1) = (1-α) a(t) + αb_t

Ở đây, nó sẽ được diễn giải như sau:

a(0) =

b₀

a(1) = (1-α) b₀

+

αb₁

a(2) = (1-α)²b₀+ (1-α)αb₁

+

αb₂

a(3) = (1-α)³b₀+ (1-α)²αb₁+(1-α)αb₂+ b₃

…

a(n) = (1-α)ⁿb₀+ (1-α)^n-1αb₁+…+(1-α)^n-iαb_i+…+αb_n

Người ta thấy rằng, với a<1, ảnh hưởng của việc đo đạc sớm sẽ giảm đi theo

hàm số mũ. Nguyên tắc này cũng được tìm thấy ở nhiều phương pháp thích ứng

khác. Ý nghĩa hạn hẹp của việc đo sớm sẽ tạo nên sự thay đổi bản chất của tiến

trình và điều này cũng được nhìn thấy ở trong sự phân tích các tham số tức thời.

Khi đó người ta nhận thấy dãy các giá trị tham số như là những biến cố của một

biến ngẫu nhiên. Điều đó có ý nghĩa rằng, sự phân chia của biến này không phải là

hằng số, mà thực ra, nó thay đổi theo thời gian. Một thuật toán thích ứng như thế

không dễ xác định giá trị trung bình của đo đạc (giá trị tham số chờ đợi) mà nó chỉ

đánh giá trạng thái tức thời của chức năng phân bổ phụ thuộc thời gian. Đối với

trường hợp α =1/2 thì thuật toán được thực thi đặc biệt nhanh. Ở đây, phép chia 2

thì phù hợp với cấp bậc một phép xê dịch con số sang phải một vị trí.

Sự đánh giá thích ứng các tham số của một tiến trình đối với một thuật toán

định thời (tức là việc phân bộ vi xử lý thích ứng) phải được thực hiện cho mỗi

tiến trình một cách đích thực. Trong thí dụ ở trên, tham số a phải nhận hai chỉ số:

một chỉ số cho số tham số trên một tiến trình và một chỉ số cho số tiến trình.

Phương pháp đánh giá các tham số thì độc lập với thuật toán, vì thuật toán chỉ

được dùng cho việc định thời. Ngoài ra, thuật toán này không chỉ được dùng cho

việc định thời không có ưu tiên trước, nó còn là phương pháp để nghiên cứu việc

định thời có ưu tiên trước.

2.2.3. Định thời có chặn trước (preemptive scheduling)

Ở hệ thống có nhiều người sử dụng sẽ có nhiều Job của nhiều người sử dụng

cùng khởi động, khi đó sẽ có điều không vừa ý, nếu có một Job hãm chặn các Job

khác. Do đó, đòi hỏi phải có một kiểu định thời khác, để ở đó mỗi Job có thể được

ngắt hãm sớm.

Một trong các chiến lược quan trọng là chiến lược nói về việc phân chia

khoảng thời gian sử dụng các phương tiện điều hành (chẳng hạn CPU) thành các

khoảng thời gian riêng lẻ và bằng nhau. Nếu tiến trình đó là tiến trình sẵn sang thì

nó sẽ được sắp xếp một vị trí thích hợp trong một hàng đợi theo một chiến lược. Ở

việc khởi đầu một khoảng thời gian, bộ điều phối sẽ cho một ngắt thời gian được

gọi, cho đến khi tiến trình được thực hiện, thì nó bị chặn lại và một tiến trình ready

mới sẽ được xếp vào hàng đợi. Sau đó, tiến trình đầu tiên của hàng đợi được

chuyển vào trạng thái hoạt động. Điều đó được trình bày ở trong hình 2.8 dưới

đây.

Hàng đợi

Lối tới

Lối ra

Bộ vi xử lý

Đình chỉ

Hình 2.8. Định thời có chặn trước

Ở đây, đường thẳng góc đậm tượng trưng cho các tiến trình, mà nó được dịch

chuyển vào từ trái sang trong ống hàng đợi. Bộ phận công tác - ở đây là bộ vi xử

lý- được biểu thị tượng trưng hình ê-líp. Sau một sự ngắt đoạn, tiến trình được xếp

một vị trí giữa các tiến trình khác trong hàng đợi. Dưới đây sẽ khảo sát các chiến

lược định thời khác nhau.

• Chiến lược quay tròn Robin (Round Robin: RR):

Chiến lược đơn giản nhất ở phương pháp lát cắt thời gian là chiến lược FCFS

và hàng đợi FIFO (vào trước ra trước). Sự kết hợp giữa chiến lược là phương pháp

lát cắt thời gian được gọi là thuật toán quay vòng Robin. Việc phân tích này chỉ ra

rằng, ở đây, các thời gian đáp ứng thì tỷ lệ với thời gian dịch vụ, nó độc lập với sự

phân bổ thời gian dịch vụ và chỉ phụ thuộc vào thời gian dịch vụ trung bình.

Điều đã rõ, hiệu suất của chiến lược RR thì phụ thuộc mạnh vào lát cắt thời

gian. Nếu người ta chọn lát cắt thời gian không kết thúc lâu, thì do đó chỉ còn giao

thức đơn giản FCFS được thực hiện. Ngược lại, nếu người ta chọn lát cắt thời gian

rất nhỏ (thí dụ đúng bằng một lệnh), do đó, tất cả n Job đón nhận mỗi lần chừng

1/n hiệu suất bộ vi xử lý; bộ vi xử lý thì phân thành n bộ vi xử lý ảo. Tuy nhiên,

điều đó chỉ xẩy ra khi, nếu bộ vi xử lý chạy rất nhanh so với các thiết bị ngoại vi

(thí dụ bộ nhớ) và việc chuyển đổi tiến trình nhờ cơ cấu phần cứng được thực hiện

rất nhanh. Đối với các hệ thống chuẩn thì điều đó không còn đúng nữa. Ở đây, sự

chuyển đổi văn cảnh tiến trình xảy ra qua cơ cấu phần mềm và sử dụng một

khoảng thời gian để sắp xếp thô áng chừng 10 đến 100 μs. Nếu chúng ta chọn lát

cắt thời gian quá ngắn, do đó sẽ có tỷ số quan hệ giữa thời gian làm việc và thời

gian chuyển đổi rất nhỏ. Bởi vậy, năng suất giảm và thời gian chờ đợi gia tăng.

Trong trường hợp tại thời điểm cực trị, bộ vi xử lý chỉ chuyển đổi, nhưng không

thực thi Job.

Đối với một sự tương quan hợp lý giữa giao thức FCFS và chu kỳ chuyển đổi,

thì sự hiểu biết các tham số khác nhau là rất cần thiết. Ở đây, quy tắc số 1 được chỉ

ra: lát cắt thời gian phải lớn hơn nhu cầu trung bình của CPU giữa hai lần truy cập

I/O (CPU - burst) khoảng 80% của Job, tức là nó phù hợp với một giá trị khoảng

100ms.

• Chiến lược quay vòng Robin có ưu tiên động: (Dynamic Priority Round

Robin:DPRR)

Định thời kiểu RR đối với một Job được làm đầy đủ thêm nhờ tầng đầu tiên

của hàng đợi có ưu tiên. Sự ưu tiên của tiến trình trong tầng đầu tiên được thay đổi

sau mỗi lát cắt thời gian, kéo dài cho tới khi có đạt sự ưu tiên bung ra theo phương

pháp RR riêng lẻ và rồi nó được sắp xếp vào hàng đợi chính. Do đó, một sự xử lý

khác nhau của Job sẽ đạt được theo ưu tiên hệ thống, mà vẫn không làm thay đổi

trực tiếp phương pháp RR.

• Chiến lược thời gian còn lại ngắn nhất ở trước (Shortest Remaining Time

First):

Ở đây, chiến lược SJF để sắp xếp hàng đợi có ý nghĩa rằng, Job phải được

phân tích để biểu thị Job có thời gian dịch vụ còn lại nhỏ nhất. (xem giao thức SJF

được trình bày ở phía trước).

Tóm lại, sự định thời có ưu tiên chỉ có ý nghĩa khi: Tiến trình đang diễn biến

có thể được thay thế bởi một tiến trình mới tới (từ hàng đợi I/O) có ưu tiên cao

hơn hay được sắp xếp trở lại trong danh sách sẵn sàng. Trong thực tế, một liên

hiệp hai phương pháp thường hay được sử dụng. Chẳng hạn, giao thức FCFS được

thuyên chuyển cho hàng đợi quay vòng Robin (RR) ở sự định thời có ưu tiên.

2.2.4 Đa hàng đợi và đa bộ định thời

Ở một hệ thống vi xử lý hiện đại vẫn chỉ có một bộ vi xử lý chính, còn hầu hết

các thiết bị vào ra thì nhanh hơn nhờ sử dụng một bộ điều khiển, mà bộ điều khiển

này thì độc lập với bộ vi xử lý chính, và các dữ liệu có thể được tạo ra từ bộ nhớ

chính đến bộ nhớ quảng đại và ngược lại (Direct Memory Acess:DMA). Bộ điều

khiển DMA này có tác dụng như là những bộ vi xử lý chuyên dụng và chúng được

xem như là phương tiện điều hành độc lập. Mục đích là, để tạo ra một hàng đợi

cho mỗi cách xuất nhập mà nó được dịch vụ bởi bộ điều khiển DMA. Sự điều phối

chung thì được phủ lên toàn bộ Job từ hàng đợi này tới hàng đợi kế tiếp, do những

phản ứng ngắn của CPU (CPU bursts) nằm trong khoảng đó.

Một biến cố nữa cho thấy, chúng ta không chỉ có một loại Job, thực ra có rất

nhiều loại Job vì do có sự ưu tiên khác nhau. Vì vậy, đối với mỗi loại Job thì một

hàng đợi được thông báo. Khi đó, ta có định thời đa mức (Multi – level -

Scheduling).

Bộ vi xử lý chính

I/O ổ đĩa cứng 1

I/O ổ đĩa cứng 2

I/O đầu cuối

Hình 2.9. Định thời với đa hàng đợi

Với sự ưu tiên khác nhau, các hàng đợi được sắp xếp theo một tuần tự xác

định, tức là theo một thứ tự làm việc xác định: hàng đợi có ưu tiên cao nhất làm

việc trước tiên, tiếp đến hàng đợi thứ hai. Vì để có một Job mới luôn luôn đi tới,

do đó dãy tuần tự làm việc cũng luôn luôn thay đổi. Điều đó được mô hình hoá

thành bốn bình diện, thể hiện trong hình 2.10 ở dưới đây.

Mức ưu tiên 0: Các tiến trình hệ thống

Mức ưu tiên 1: Job nội hoạt

Mức ưu tiên 2: Job chung chung thống

Mức ưu tiên 3: Job tính toán cấp tốc

Hình 2.10. Định thời đa mức

Khi thời gian chờ đợi lâu hơn ở trong hàng chờ, Job có thể chuyển đến vị trí

cao hơn. Lúc đó, người ta nói định thời ăn sau đa mức (multi-level-feedback-

Scheduling).

Ở những thuật toán định thời được trình bày ở trên, cho đến nay, ta đã bỏ qua

một tính huống, rằng tất cả các tiến trình ở trong bộ nhớ chính không thể cùng

đồng thời được sử dụng. Để có thể định thời các tiến trình, người ta phải dựa vào

các dữ liệu quan trọng của tiến trình ở trong bộ nhớ chính, mà cái đó được mô

phỏng đầy đủ trong khối điều khiển tiến trình (Process Controll Block: PCB); tất

cả các dữ liệu khác thì được di chuyển trên bộ nhớ quảng đại. Nếu một tiến trình

được hoạt động, thì đầu tiên nó phải nhận được sự sao chép từ bộ nhớ quảng đại

vào bộ nhớ chính và sau đó, nó thực hiện. Cái đó yêu cầu thời gian bổ sung đáng

kể thay đổi văn cảnh tiến trình và nâng cao thời hạn làm việc. Tuy nhiên, tốt nhất

là phải có tiến trình sẵn sang đúng ở trong bộ nhớ chính. Nghĩa là, sự quá độ của

tiến trình cần thiết phải được điều chỉnh từ bộ nhớ quảng đại tới bộ nhớ chính.

Cách giải quyết vấn đề này là dẫn vào một bộ định thời thứ hai để nó chỉ có

nhiệm vụ gộp hay tachs ra các tiến trình. Bộ định thời thứ nhất điều hành việc sắp

xếp các tiến trình tới các phương tiện điều hành (như bộ vi xử lý) và nó làm việc

ngắn hạn. Còn bộ định thời thứ hai là bộ định thời trung bình hay dài hạn (giống

trong hình 2.6) và nó điều chỉnh sự sắp xếp các tiến trình tự phương tiện điều hành

( bộ nhớ chính), mà trong đó nó điều chỉnh độ lớn của phạm vi bộ nhớ chính.

Trong những khoảng thời gian lớn hơn, loại định thời thứ hai cũng được gọi là loại

định thời ngắn hạn. Cả hai loại đều sử dụng những hàng đợi riêng lẻ mà điều chỉnh

sự sắp xếp và cả sự dẫn vào của tiến trình. Chiến lược cho định thời như kiểu đã

nói này sẽ được trình bày trong chương 3.

2.2.5. Định thời ở trong hệ điều hành thời gian thực.

Có một loạt các hệ thống máy tính mà chúng được gọi là hệ thống thời gian

thực (real time system). Với sự biểu thị này, người ta sẽ hiểu được điều gì? Một

quan điểm trực giác về điều đó cho rằng: Đó là những hệ thống phải tác dụng

nhanh, những hệ thống này cũng còn được gọi là những hệ thống thời gian thực.

Với khái niệm “nhanh”, điều đó làm cho chúng ta có thể hiểu một cách chính xác

hơn: Một hệ thống đang thực hiện một Job, thì Job đó phải tuân theo những quy

định về thời gian đã được đề ra. Nhưng điều đó cũng chưa đủ đúng, vì có thể

những quy định đó chưa thể là những quy định cứng được, ví dụ: một người soạn

thảo không cần thiết phải sử dụng lâu hơn 2 giây để đưa một ký tự lên màn hình;

một ngân hàng cần thiết phải thực hiện một việc chuyển tiền trong khoảng một

tuần để tránh một sự nhẫm lẫn đáng tiếc…Lúc đó, ta gọi nó là hệ thống thời gian

thực mềm. Hệ thống thời gian thực mềm có đặc điểm: tại đó, các ngăn xếp các

ngăn xếp thời gian là mềm và không được chuyên môn hoá. Lẽ tất nhiên, không có

sự thoả mãn nào để dẫn tới sự phán quyết nặng cân. Trái ngựơc với hệ thống thời

gian thực mềm là hệ thống thời gian thực cứng. Throng cog nigh may tin, he thing

this gain theca conga cons được gọi tắt là hệ thống thời gian thực; nó cũng thường

được dùng trong điều khiển các nhà máy điện nguyên tử, điều khiển máy bay, điều

khiển giao thông…Vậy một hệ thống thời gian thực phải thừa nhận giới hạn thời

gian đầu cuối rõ ràng đối với các tiến trình, để loại trừ được những quyết định sai

phạm nghiêm trọng làm cho hệ thống tổn thất nặng nề.

Những thuật toán định thời phải được hướng tới kiểu dạng của các tiến trình.

Kiểu dạng hệ thống thời gian thực là tình huống, mà các tiến trình luôn luôn quay

trở lại khoảng thời gian đã được xác định chính xác và các tiến trình này thì có thể

nhìn thấy trước đó ở trong sự thường xuyên xuất hiện của chúng cũng như ở trong

chu kỳ làm việc và ở trong sự xác định các phương tiện điều hành…Cho nên, điều

đó thì có lợi để kiến tạo một sự định thời cố định.

Thí dụ về tác vụ định kỳ (Priodic task): Một máy bay(thí dụ loại Airbus A-

340) được điều khiển bằng máy tính. Để điều khiển, máy tính cần sử dụng những

số liệu bay khác nhau, mà nó phải được xác định và xử lý thành những quảng khác

nhau: giá trị gia tốc theo hướng x,y,z khoảng 5ms, ba giá trị của các chuyển động

quay khoảng 40 giây, nhiệt độ khoảng 1 giây và vị trí tuyệt đối để điều khiển

khoảng 10giây. Trên màn hình cho thấy sự diễn biến trong từng giây. Những chiến

lược định thời quan trọng theo chuẩn IEEE năm 1993 có những loại sau đây:

• Chiến lược vòng được xén ( Polled Loop):

Bộ vi xử lý thực hiện một chu trình tính,mà ở đó, nó luôn luôn kiểm tra trở lại

thiết bị, xem những số liệu mới có tồn tại không. Nếu tồn tại, thì do đó, nó sẽ xử lý

ngay. Chiến lược này thích hợp với những thiết bị riêng lẻ, mà không thích hợp,

nếu có một biến cố khác xuất hiện trong khi xử lý và do đó, các số liệu cũng

không được sờ tới.

• Chiến lược điều khiển ngắt các hệ thống:

Bộ vi xử lý thực hiện một chu trình chờ.Nếu những số liệu mới xuất hiện, do

đó, mỗi một ngắt của thiết bị được gọi để xử lý các số liệu mới này. Phương pháp

điều khiển ngắt hệ thống này được gọi là lập thức dịch vụ ngắt (Interrupt Service

Routine: ISR).

Nếu các ưu tiên được sắp xếp cho lập thức ISR, thì do đó, sự định thời có ưu

tiên sẽ xẩy ra một cách tự động nhờ ngắt logic của điều khiển ngắt. Vấn đề còn lại

của chiến lược này là, nếu các biến cố bị chất đống, thì khi đó, các ngắt có ưu tiên

thấp không bị bẻ gãy và có thể được đẩy lên đầu.

• Chiến lược đường tử ít nhất- trước nhất (Minimal Deadline First: MDF):

Đâu tiên tiến trình được chỉnh lý: nó sẽ chiếm trước ngăn xếp thời gian nhỏ

nhất (deadline time T_d: thời gian chết), rồi đến ngăn xếp tiếp theo. Giao thức này

cũng thường hay được sử dụng (thí dụ để triển khai những dự án phần mềm),

nhưng mà nó cũng có một vài nhược điểm. Thí dụ, chúng không có lợi, nếu tất cả

các tiến trình chiếm các ngăn xếp thời gian như nhau.

• Chiến lược thời gian xử lý ít nhất-trước nhất (Minimal Processing Time

First: MPTF)

Một tiến trình được chọn làm tiến trình điều khiển khi tiến trình này chiếm

phần thời gian dịch vụ nhỏ nhất (control time T_c: thời gian điều khiển). Điều đó thì

phù hợp với chiến lược SJF và nó có ý nghĩa rằng, Job ngắn với ưu tiên thấp thì

được ưa chuộng hơn Job dài có ưu tiên cao.

• Chiến lược định thời đơn điệu tỷ suất (Rate Monotonic Scheduling : RMS):

Nếu chúng ta có một hệ thống ưu tiên cố định với các tỷ suất thực hiện cố định

của các tiến trình tham gia ( xem thí dụ định thời điều khiển máy bay ở trên), thì

do đó, một cách tối ưu là, nếu chúng ta sắp xếp những ưu tiên cao nhất cho tỷ suất

thực hiện cao và những ưu tiên thấp cho tỷ suất thực hiện thấp ( gọi là định thời

đơn điệu tỷ suất). Nếu trường hợp không có sự định thời đơn điệu tỷ suất đối với

một tiến trình được tìm thấy, thì điều đó được chứng minh rằng, sau đó vẫn không

có một sự định thời khác tồn tại, do đó sự định thời nói trên đạt yêu cầu. Thật vậy,

nếu CPU có một khả năng tải nhỏ hơn 70%, thì với chiến lược RMS, tất cả các

ngăn xếp thời gian được giữ đúng một cách bảo đảm. Tuy nhiên, điều cần thiết là,

sự ưu tiên thấp của các tiến trình quan trọng với tấn số thực hiện hạn chế phải

được nâng lên. Cái đó được gọi là đảo ngược ưu tiên.

• Chiến lược định thời hậu cảnh- tiền cảnh (Foreground Background

Scheduling):

Trong các hệ thống thời gian thực có một số tiến trình có ích, nhưng mà cũng

không cần thiết lắm. Những tiến trình đó có thể được thu hẹp ở hậu cảnh, ngay khi

mà bộ vi xử lý được giải phóng và nó không được dùng việc gì khác nữa. Mỗi một

tiến trình có thể làm cho các hệ thống gián đoạn. Minh hoạ cho điều đó có vài ví

dụ sau đây:

▪ Tự thử nghiệm để khám phá ra những khuyết tật.

▪ Lắp thêm RAM để đọc và viết lại nội dùng của RAM. Với những hệ

thống tiện dụng thì, chúng ta có bus dữ liệu để sửa lỗi bit ở trong RAM.

▪ Nâng cao khả năng tải của màn hình để phát hiện sớm các lỗi. Thí

dụ nhờ việc cảnh giới quá thời gian (watch dog time) mà tránh được một sự báo

động khẩn cấp.

Một hệ điều hành thời gian thực bây giờ không chỉ có những tiến trình giới

hạn, mà các ngăn xếp thời gian (time stack) của chúng nhất thiết phải được giữ cố

định; nó còn có các tiến trình tới hạn cần thiết và các tiến trình không có giới hạn.

Tất cả đều được sửa lỗi tương tự nếu còn thời gian. Chúng ta thấy rằng, những tiến

trình tới hạn cần thiết được tháo gở theo một chiến lược RMS cố định. Loại tiến

trình không có tới hạn được định thời theo chiến lược hậu cảnh. Còn loại tiến trình

tới hạn quan trọng được định thời chiến lược điều khiển ngắt hệ thống.

Những nhà thiết kế hệ thống đã phát triển thêm nhiều chiến lược phụ cho loại

các hệ thống vừa nêu. Họ đã tách chia để phân biệt các biến: biến về sự quan

trọng, biến về thời gian ngăn xếp ( với T_dlà thời gian đình chỉ hay thời gian chết)

và biến về phương tiện điều hành cần thiết ( với T_clà thời gian dịch vụ hay thời

gian điều khiển )…Đồng thời, họ cũng liên hiệp các biến này tới những chiến lược

mới:

▪ Chiến lược tình trạng biến động nhỏ đầu tiên (Minimum Laxity

First): Tiến trình được chọn cho kiểu định thời này phải có thời gian

tự do nhỏ nhất (minimum free time), tức là biểu thức [T_d– (T_s+T_c)] đạt nhỏ nhất.

▪ Chiến lược liên hiệp tiêu chuẩn 1: Tiến trình được chọn cho kiểu

định thời này có thời gian tự do biểu diễn trong biểu thức [T_d+T_c] đạt nhỏ nhất.

▪ Chiến lược liên hiệp tiêu chuẩn 2: Tiến trình được chọn cho kiểu

định thời này có thời gian tự do ở dạng [T_d+T_s] đạt nhỏ nhất.

Những sự mô hình hoá cho thấy rằng, tất cả sự định thời, mà nó chỉ dùng một

mình thời gian T_d, đều mang tới những kết quả tồi cho hệ thống đơn cũng như đa

vi xử lý. Ngược lại, các tiêu chuẩn liên hiệp đã loại trừ cái đó một cách tốt đẹp,

đặc biệt, liên hiệp tiêu chuẩn 2 đã đưa tới kiểu định thời tốt nhất, vì nó đã quan

tâm tới các phương tiện điều hành.

2.2.6. Định thời ở hệ thống đa vi xử lý

Nói chung, đối với mỗi một phương tiện điều hành vẫn còn tồn tại những vấn

đề, và do đó, đối với mỗi bộ vi xử lý, mỗi hàng đợi riêng lẻ hay mỗi kiểu định thời

riêng lẻ cũng vậy. Tuy nhiên, sự quá độ giữa các hàng đợi là không thể tuỳ tiện

được, đặc biệt, ở nhiều tiến trình xẩy ra song song hay cùng đồng thời làm việc,

thì phải xem xét vấn đề trên cùng hệ trục toạ độ. Điều cho thấy rằng, giữa các tiến

trình riêng lẻ tồn tại nhiều sự phụ thuộc ở dãy tuần tự làm việc.

Nếu chúng ta biểu thị các phương tiện điều hành bằng các chữ cái A,B,C và

các yêu cầu đối với chúng là A_i, B_j, C_k, do đó mỗi yếu tố gây được ấn tượng qua

ký tự “>”. Chẳng hạn A_i> B_jcó ý nói: đầu tiên A_ivà sau đó (bất kỳ khi nào) B_j

phải thực hiện. Nếu A_ilà hành động trực tiếp ngay trước B_jlà hành động kế gần,

thì quan hệ giữa chúng được viết bằng dấu “>>”.

Sau đây dẫn ra một vài ví dụ:

A₁>>B₁>>C₁>> A₅>>B₃>> A₆

B₁>>B₄>>C₃>> B₃

A₂>> A₃>> B₄

A₃>> C₂>> B₂>> B₃

A₄>> C₂

Những tương quan trong 5 hàng ví dụ trên sẽ được mô hình hoá qua một sơ đồ:

một nút chỉ một yêu cầu của hệ điều hành, còn tương quan (>>) giữa chúng được

biểu thị bằng mũi tên (với gốc là nguồn, ngọn là đích). Chu kỳ làm việc t_icủa các

yêu cầu phương tiện điều hành thì do đó một con số (gọi là trọng số) viết cạnh nút

(để biểu thị một yêu cầu nào đó). Hình 2.11 chỉ ra một thí dụ. Một dãy tuần tự

được gọi là đúng nhưng chưa cần thiết, nếu nó bao gồm những tiến trình độc lập,

mà những tiến trình này chẳng có dữ liệu để mà thay đổi. Nhưng chúng cũng cần

tới phương tiện điều hành, do đó dẫn tới tranh chấp tiến trình.