Giáo trình Hệ điều hành - Chương 4: Hệ thống vào ra

HỆ ĐIỀU HÀNH

Chương 4

HỆ THỐNG VÀO RA

13. Hệ thống vào ra

13.1. Tổng quan

Một trong những chức năng chính của hệ điều hành là quản lý tất

cả những thiết bị nhập/xuất của máy tính. Hệ điều hành phải ra các chỉ thị

điều khiển thiết bị, kiểm soát các ngắt và lỗi. Hệ điều hành phải cung cấp

một cách giao tiếp đơn giản và tiện dụng giữa các thiết bị và phần còn lại

của hệ thống và giao tiếp này phải độc lập với thiết bị.

Điều khiển các thiết bị kết nối đến máy tính là một mối quan tâm

lớn trong thiết kế hệ điều hành.

13.2. Phần cứng I/O

Các thiết bị nhập xuất có thể chia tương đối thành hai loại là thiết

bị khối và thiết bị tuần tự.

Thiết bị khối là thiết bị mà thông tin được lưu trữ trong những khối

có kích thước cố định và được định vị bởi địa chỉ. Kích thước thông thường

của một khối là khoảng từ 128 bytes đến 1024 bytes. Đặc điểm của thiết

bị khối là chúng có thể được truy xuất (đọc hoặc ghi) từng khối riêng biệt,

và chương trình có thể truy xuất một khối bất kỳ nào đó. Đĩa là một ví dụ

cho loại thiết bị khối.

Một dạng thiết bị thứ hai là thiết bị tuần tự. Ở dạng thiết bị này,

việc gửi và nhận thông tin dựa trên là chuỗi các bits, không có xác định

địa chỉ và không thể thực hiện thao tác seek được. Màn hình, bàn phím,

máy in, card mạng, chuột, và các loại thiết bị khác không phải dạng đĩa là

thiết bị tuần tự.

Việc phân chia các lớp như trên không hoàn toàn tối ưu, một số các

thiết bị không phù hợp với hai lớp trên, ví dụ : đồng hồ, bộ nhớ màn hình

v.v...không thực hiện theo cơ chế tuần tự các bits. Ngoài ra, người ta còn

phân loại các thiết bị I/O dưới một tiêu chuẩn khác :

Phạm Ngọc Hưng

129

Hệ thống vào ra

-

Thiết bị tương tác được với con người : dùng để giao tiếp giữa

người và máy. Ví dụ : màn hình, bàn phím, chuột, máy in ...

Thiết bị tương tác trong hệ thống máy tính là các thiết bị giao

tiếp với nhau. Ví dụ : đĩa, băng từ, card giao tiếp...

Thiết bị truyền thồng : như modem...

Những điểm khác nhau giữa các thiết bị I/O gồm :

-

Tốc độ truyền dữ liệu , ví dụ bàn phím : 0.01 KB/s, chuột 0.02

KB/s ...

-

Công dụng.

Đơn vị truyền dữ liệu (khối hoặc ký tự).

Biểu diễn dữ liệu, điều này tùy thuộc vào từng thiết bị cụ thể.

Tình trạng lỗi : nguyên nhân gây ra lỗi, cách mà chúng báo về...

Một số bộ điều khiển điển hình:

-

Bộ điều khiển đĩa IDE

Giao diện mở rộng

Bàn phím

Cổng nối tiếp

Cổng song song

Điều khiển đồ hoạ

Bộ nhớ

Điều khiển SCSI

Các ngắt điều khiển

Là các ngắt cứng được dánh riêng cho các thiết bị vào ra. Để nhận

được sự chú ý và đáp ứng yêu cầu của CPU, mỗi thiết bị vào ra phải sử

dụng một ngắt để tác động đến CPU, yêu cầu CPU phục vụ. Hình 13.1 liệt

kê một số ngắt đã được định nghĩa.

Địa chỉ cổng

Quá trình truyền thông tin qua lại giữa CPU và các thiết bị vào ra

được thực hiện thông qua các cổng vào ra. Mỗi cổng vào ra có một địa chỉ

riêng và một số đã được dành riêng cho các thiết bị vào ra cụ thể. Hình

13.1 liệt kê một số cổng dành sẵn.

130

Phạm Ngọc Hưng

HỆ ĐIỀU HÀNH

Bộ điều khiển

nhập/xuất

Đồng hồ

Vectơ ngắt

Địa chỉ nhập/xuất

8

9

040 - 043

060 - 063

2F8 - 2FF

320 - 32F

378 - 37F

380 - 3BF

3D0 - 3DF

3F0 - 3F7

3F8 - 3FF

Bàn phím

RS232 phụ

Đĩa cứng

11

13

15

-

Máy in

Màn hình mono

Màn hình màu

Đĩa mềm

-

14

12

RS232 chính

Hình 13.1: Bảng ngắt và cổng một số thiết bị vào ra

Truy cập bộ nhớ trực tiếp bằng cơ chế DMA

Đa số các loại thiết bị, đặc biệt là các thiết bị dạng khối, hỗ trợ cơ

chế DMA (Direct Memory Access). Để hiểu về cơ chế này, trước hết phải

xem xét quá trình đọc đĩa mà không có DMA. Trước tiên, bộ điều khiển

đọc tuần tự các khối trên đĩa, từng bit từng bit cho tới khi toàn bộ khối

được đưa vào buffer của bộ điều khiển. Sau đó máy tính thực hiện kiểm

tra (checksum) để đảm bảo không có lỗi xảy ra. Tiếp theo bộ điều khiển

tạo ra một ngắt để báo cho CPU biết. CPU đến lấy dữ liệu trong buffer

chuyển về bộ nhớ chính bằng cách tạo một vòng lặp đọc lần lượt từng

byte. Thao tác này làm lãng phí thời gian của CPU. Do đó để tối ưu, người

ta đưa ra cơ chế DMA.

Cơ chế DMA giúp cho CPU không bị lãng phí thời gian. Khi sử

dụng, CPU gửi cho bộ điều khiển một số các thông số như địa chỉ trên đĩa

của khối, địa chỉ trong bộ nhớ nơi định vị khối, số lượng byte dữ liệu để

chuyển.

Phạm Ngọc Hưng

131

Hệ thống vào ra

Sau khi bộ điều khiển đã đọc toàn bộ dữ liệu từ thiết bị vào

buffer của nó và kiểm tra checksum. Bộ điều khiển chuyển byte đầu tiên

vào bộ nhớ chính tại địa chỉ được mô tả bởi địa chỉ bộ nhớ DMA. Sau đó

nó tăng địa chỉ DMA và giảm số bytes phải chuyển. Quá trình này lặp đi

lặp lại cho tới khi số bytes phải chuyển bằng 0, và bộ điều khiển tạo một

ngắt. Như vậy không cần phải copy khối vào trong bộ nhớ, nó đã hiện

hữu trong bộ nhớ. Quá trình chuyển dữ liệu không cần phải chuyển qua

CPU do vậy tốc độ cao hơn.

13.3. Giao diện I/O các ứng dụng

Hệ điều hành cần phải tạo ra một giao diện đồng nhất, tiêu chuẩn,

cho phép các chương trình ứng dụng có thể truy cập đến các thiết bị vào

ra mà không cần phải quan tâm đến cấu trúc vật lý, cách điều khiển của

từng thiết bị.

Một chương trình có thể sử dụng cùng một phương pháp để mở file

trên đĩa cho dù file được quản lý theo FAT (trên DOS, Windows 9X) hay

NTFS của Windows NT, Windows 2000. Mặc dù hai hệ thống file này là

hoàn toàn khác nhau.

Một hệ thống vào ra thường được quản lý theo kiểu phân lớp.

Tương ứng với mỗi thiết bị phần cứng có một bộ điều khiển riêng. Bộ điều

khiển này có thể làm việc một cách độc lập và giao tiếp với CPU thông

qua hệ thống ngắt và các cổng vào ra. Bản thân hệ điều hành phải có

phần mềm điều khiển thiết bị riêng biệt cho từng thiết bị và tạo ra giao

diện thuần nhất, chuẩn chung cho các chương trình ứng dụng.

Phần cứng điều khiển thiết bị vào ra thường được thiết kế sẵn và đi

cùng với thiết bị vào ra.

Phần mềm điều khiển thiết bị được cung cấp bởi hệ điều hành. Một

mặt phần mềm điều khiển thiết bị phải giao tiếp với thiết bị theo những

giao thức làm việc riêng của thiết bị, mặt khác nó phải tạo ra một giao

diện chuẩn cho các chức năng khác của hệ điều hành, cho các chương

trình ứng dụng và trực tiếp là người sử dụng thông qua đó để điểu khiển,

khai thác các thiết bị.

132

Phạm Ngọc Hưng

HỆ ĐIỀU HÀNH

Nhân hệ thống

Nhân hệ thống vào ra

Bộ điều khiển

Điều

khiển

thiết bị

SCSI

Điều

khiển

bàn

điều

khiển

chuột

...

Điều

khiển khiển

PCI

Bus

điều

khiển

ATAPI

đĩa

mềm

phím

SCSI

Bàn

phím

chuột

...

PCI

bus

Ổ đĩa

mềm

ATAPI

Hình 13.2: Một cấu trúc nhân của hệ thống vào ra

Trong máy tồn tại nhiều loại thiết bị khác nhau. Các thiết bị này

đều có những nét đặc trưng và có thể phân biệt dựa trên một số đặc điểm

như:

-

Truyền dữ liệu theo luồng ký tự hay khối: hệ thống làm việc

theo luồng ký tự sẽ tiến hành truyền dữ liệu từng byte một.

Trong khi đó, hệ thống làm việc theo khối sẽ truyền dữ liệu theo

từng khối dữ liệu.

-

Truy cập tuần tự hay ngẫu nhiên: Hệ thống truy cập tuần tự đòi

hỏi dữ liệu phải được truy cập theo một trình tự xác định,

thường theo một chiều nhất đinh. Với hệ thống truy cập ngẫu

nhiên, dữ liệu có thể truy cập bất xứ khi nào và ở vị trí bất kỳ.

Đồng bộ hay không đồng bộ: hệ thống đống bộ sẽ tiến hành

truyền dữ liệu với các thời điểm trả lời xác định trước. Hệ thống

không đồng bộ sẽ truyền dữ liệu ở thời điểm bất kỳ.

Chia sẻ được hay không: có hệ thống có khả năng chia sẻ, cho

phép nhiều người dùng có thể truy cập trong cùng một thời

điểm. Có thiết bị chỉ cho phép một truy cập trong một thời

điểm.

-

Phạm Ngọc Hưng

133

Hệ thống vào ra

-

Tốc độ xử lý: có thiết bị có tốc độ xử lý, chuyển dữ liệu cao như

ổ cứng nhưng cũng có thiết bị có tốc độ rất thấp như ổ mềm.

Khả năng ghi đọc: thiết bị cho phép cả ghi lẫn đọc hay chỉ cho

phép ghi hoặc đọc dữ liệu.

Hinh 13.3 thể hiện đặc tính của một số thiết bị vào ra.

Đặc tính

Giá trị

Ví dụ

thiết bị đầu cuối

đĩa

chế độ chuyển dữ liệu ký tự

khối

phương pháp truy cập tuần tự

băng từ

ngẫu nhiên

đồng bộ

đĩa từ

kiểu truyền dữ liệu

khả năng chia sẻ

tốc độ

băng từ

không đồng bộ

có thể chia sẻ

không thể chia sẻ

thời gian tìm, định vị

dữ liệu, thời gian

truyền, khoảng trễ

giữa các lệnh

chỉ đọc

bàn phím

băng từ

chiều truy cập dữ liệu

đĩa CD

chỉ ghi

cả ghi lẫn đọc

màn hình

đĩa mềm

Hình 13.3: Đặc tính của hiết bị vào ra

13.4. Nhân hệ thống I/O

Nhân hệ thống cung cấp rất nhiều các dịch vụ liên quan đến hoạt

động vào ra. Một số dịch vụ như lập lịch, đệm dữ liệu, tạo cache, xử lý lỗi

được cung cấp bởi một hệ thống nhân con vào ra (I/O subsystem kernel)

được thiết kế ngay trên phần cứng và ở cấu trúc bên trong của bộ điều

khiển thiết bị.

Sự lập lịch vào ra (I/O Scheduling)

Là việc sắp lịch một tập các yêu cầu vào ra (I/O requests) nghĩa là

xác định một thứ tự thực hiện tốt nhất các yêu cầu vào ra. Trật tự mà các

ứng dụng sử dụng đến lời gọi hệ thống gần như là một lựa chọn tốt nhất.

134

Phạm Ngọc Hưng

HỆ ĐIỀU HÀNH

Lập lịch có thể cải tiến khả năng thực hiện của hệ thống, có thể chia sẻ

hoạt động truy nhập thiết bị giữa các tiến trình và giảm thời gian chờ đợi

hoạt động vào ra được hoàn tất.

Các nhà phát triển hệ thống có thể cài đặt lập lịch bằng việc duy trì

một hàng đợi các yêu cầu vào ra cho mỗi thiết bị. Khi một ứng dụng dùng

đến một lời gọi hệ thống vào ra, yêu cầu đó sẽ được đưa vào hàng đợi

cho thiết bị tương ứng. Bộ lập lịch có thể sắp xếp lại hàng đợi này để cải

tiến và nâng cao hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ thống.

Đệm dữ liệu

Bộ đệm (buffer) là một vùng nhớ dùng để lưu dữ liệu trung gian

trong quá trình chuyển dữ liệu giữa hai hay nhiều các thiết bị với một ứng

dụng. Bộ đệm được sử dụng trong quá trình chuyển dữ liệu giữa thiết bị

vào ra và chương trình là vì các lý do sau:

-

Tốc độ xử lý và chuyển dữ liệu của các thiết bị khác nhau. Hay

thiết bị với tốc độ làm việc khác nhau sẽ không thể thực hiện

công việc một cách đồng bộ. Để thiết bị có tốc độ chậm hơn có

thể tiếp nhận và xử lý được đủ các dữ liệu thì dữ liệu đó cần

phải được lưu lại và chuyển dần cho thiết bị có tốc độ chậm.

Cho phép các thiết bị có phạm vi (kích thước) truyền dữ liệu

khác nhau có thể làm việc được với nhau.

-

Tăng tốc độ truy cập dữ liệu trên các thiết bị có tốc độ thấp.

14. Cấu trúc lưu trữ khối

14.1. Cấu trúc của đĩa

Đĩa (đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa CD,...) là các thiết bị lưu trữ thứ cấp

được sử dụng chủ yếu cho các hoạt động lưu trữ dữ liệu trên các máy tính

hiện đại. Trước kia, dữ liệu được lưu trữ trên băng từ. Do tốc độ truy cập

quá thấp, thê vào đó là nhược điểm chỉ cho phép truy cập tuần tự nên

hiện nay băng từ không còn được sử dụng như một thiết bị lưu trữ chính

nữa mà nó chỉ được dùng để sao lưu dự phòng.

Phạm Ngọc Hưng

135

Hệ thống vào ra

Cấu trúc vật lý đĩa cứng bao gồm các bộ phận:

- Vỏ đĩa

- Đĩa từ

- Đầu ghi đọc

- Hệ thống truyền động

- Động cơ quay đĩa

- Vỉ mạch điều khiển

Nguyên tắc ghi dữ liệu trên đĩa cứng:

Một đĩa cứng có thể có nhiều mặt đĩa. Mặt đĩa được chia thành

nhiều rãnh đồng tâm được gọi là tracks. Mỗi track chia thành nhiều các

cung gọi là sector. Số lượng sector trên các tracks là như nhau mặc dù

đường kính track là khác nhau. Dữ liệu được ghi trên các sector. Mỗi

sector có thể chứa được nhiều bytes dữ liệu (thường 512 bytes). Khả

năng lưu thông tin của một sector thường là lớn hơn 512 bytes nhưng

phải đề dành một vùng cho việc mã hoá và lưu các thông tin để giúp cho

việc kiểm tra và sửa lỗi.

Tập hợp các tracks có cùng bán kính trên các mặt đĩa của các đĩa

tạo thành một trụ từ (cylinder).

Nhóm các sector liên tục (một cách logic) tạo thành các liên cung

(cluster). Dữ liệu thường được ghi theo liên cung.

Một track

Chồng đĩa

Đầu ghi đọc

Một sector

Hình 14.1: Cấu trúc đĩa cứng

136

Phạm Ngọc Hưng

HỆ ĐIỀU HÀNH

14.2. Lập lịch cho đĩa

Một trong các yêu cầu quan trọng đối với một hệ điều hành là sử

dụng một cách hiệu quả các thiết bị phần cứng. Đĩa là loại thiết bị có tốc

độ truy cập cao và băng thông rộng. Thời gian truy cập bao gồm hai loại

thời gian là là thời gian tìm (seek time) và thời gian chờ đĩa quay đến

đúng vị trí yêu cầu (rotational latency). Seek time là thời gian mà đầu từ

cần sử dụng để di chuyển đến track cần tìm. Độ rộng của băng thông

(bandwidth) là tổng số bytes có thể chuyển chia cho tổng thời gian tính từ

lúc phát ra yêu cầu đầu tiên cho đến khi hoàn tất việc chuyển dữ liệu. Ta

có thể cải thiện thời gian truy cập và băng thông bằng cách lập lịch đáp

ứng các yêu cầu vào ra đĩa theo một trình tự tốt nhất có thể.

Chế độ FCFS

Đây là kiểu lập lịch đĩa đơn giản nhất. Yêu cầu vào ra nào xuất hiện

trước thì nó được phục vụ trước. Phương pháp này có một nhược điểm

lớn là thời gian truy cập thường cao mà lẽ ra có thể cải thiện được bằng

cách đổi trật tự phục vụ các yêu cầu.

Giả sử hiện tại đầu đọc đang ở cylinder số 10, bầy giờ cần phải đọc

một chỗi các cylinder theo trật tự xuất hiện sau:

98, 183, 37, 122, 14, 65, 67

Trước hết đầu từ phải vượt quá 88 cylinder để đến được cylinder

198 rồi 85 cylinder tiếp theo để đến cylinder 183 và cứ như vậy cho đến

khi đến cylinder 76 cuối danh sách, đầu từ phải vượt qua 565 cylinder.

Nếu đổi lại trật tự phục vụ là 14, 37, 65, 67, 98, 122, 183 thì tổng số

cylinder đầu từ phải di chuyển qua chỉ còn 173 cylinder. Rõ ràng là nếu

sắp xếp lại thì thời gian truy cập sẽ ngắn hơn nhiều.

Chế độ SSTF

Theo chế độ này, tiến trình có yêu cầu mà thời gian tìm kiếm ngắn

nhất (shortest-seek-time-first) sẽ được ưu tiên phục vụ trước. Thuật toán

này sẽ giảm thời gian tìm kiếm tính từ vị trí hiện hành của đầu đọc. Với

chỗi các cylinder theo trật tự xuất hiện là 98, 183, 37, 122, 14, 65, 67 sẽ

được phục vụ theo trật tự 14, 37, 65, 67, 98, 122, 183 nếu đầu đọc hiện

ở cylinder số 10.

Phạm Ngọc Hưng

137

Hệ thống vào ra

0

10

14

37

65

67

98

122

183

Chuỗi cylinder cần đọc: 98, 183, 37, 122, 14, 65, 67

Vị trí đầu đọc hiện tại: 10

Đầu đọc phải di chuyển qua 565 cylinder

Hình 14.2: Lập lịch đĩa theo FCFS

0

10

14

37

65

67

98

122

183

Chuỗi cylinder cần đọc: 98, 183, 37, 122, 14, 65, 67

Vị trí đầu đọc hiện tại: 10

Đầu đọc chỉ phải di chuyển qua 173 cylinder

Hình 14.2: Lập lịch đĩa theo SSTF

138

Phạm Ngọc Hưng

HỆ ĐIỀU HÀNH

14.3. Quản lý đĩa

Định dạng đĩa (Disk Formatting)

Một đĩa từ trước khi có thể sử dụng, nó cần phải được định dạng.

Công việc định dạng nhằm tạo nên các khuôn mẫu để ghi đọc dữ liệu trên

đĩa. Thông tin về khuôn mẫu định dạng thường được lưu trên một khối

đặc biệt đầu đĩa (thường là boot sector và master boot trên đĩa cứng).

Thông tin định dạng thường bao gồm: số track trên đĩa, số sector trên

một track, kích thước một sector (số bytes trên một sector), cách mã hoá,

thông tin về sự phân vùng,...

Khối khởi động (Boot block)

Đây là một khối có chức năng đặc biệt trên đĩa, thường nằm ở vị trí

đầu đĩa. Boot block thường chứa một phần hay toàn bộ thông tin về định

dạng đĩa. Đặc biệt, trên đó còn chứa một chương trình mồi (bootstrap

program) dùng để khởi động hệ điều hành. Chương trình này sẽ được

chạy ngay sau khi khởi động và kiểm tra xong phần cứng. Chương trình

mồi sẽ giúp khởi tạo và nạp toàn bộ hệ điều hành.

Khối hỏng (Bad block)

Trong quá trình hoạt động, do tiếp xúc có khí nên bề mặt đĩa đến

một lúc nào đó sẽ bị hỏng dẫn đến dữ liệu không lưu lại được hoặc là đọc

ra không đúng. Bề mặc đĩa có thể bị hỏng trên từng phần. Một khối dữ

liệu trên đĩa có thể rơi vào đúng một ví trí hỏng nào đó và để tránh mất

dữ liệu, hệ điều hành sẽ đánh dấu khối chứa vùng dữ liệu bị hỏng đó.

Khối này được gọi là Bad block. Trong quá trình ghi dữ liệu xuồng đĩa, hệ

điều hành sẽ bỏ qua các khối được đánh dấu là bad.

Phân vùng đĩa (Partition)

Một đĩa có dung lượng lớn thường được chia thành các vùng nhỏ

để thuận tiện trong quản lý cũng như khai thác đĩa. Mỗi vùng được chia ra

gọi là một partition. Mỗi một đĩa cứng thường chứa các bảng partition trên

đó cho biết đĩa được chia thành bao nhiêu vùng. Kích thước, vị trí mỗi

vùng. Cách quản lý dữ liệu trên mỗi vùng. Các thông tin này thường được

lưu trong sector vật lý đầu tiên của đĩa được gọi là Master boot.

Phạm Ngọc Hưng

139

Hệ thống vào ra

14.4. Cấu trúc RAID

Để đảm bảo an toàn cho dữ liệu ghi trên đĩa, hệ điều hành cần

phải có cơ chế bảo vệ. Một trong các giải pháp đảm bảo an toàn là sử

dụng một mảng các đĩa với các kỹ thuật ghi dữ liệu trên các đĩa này được

gọi là RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disk).

Các mức RAID:

-

Mức 0: tham chiếu đến một mảng các đĩa ghi dữ liệu ở mức

khối và không có bất cứ kỹ thuật đảm bảo an toàn nào.

Mức 1: các đĩa sẽ được ghi song song (disk mirroring)

Mức 2: sử dụng bit kiểm tra chẵn lẻ cho từng byte. Trong số các

đĩa được dùng, phải để riêng ra một số đĩa chứa các bit kiểm tra

này.

-

Mức 3: sử dụng bit kiểm tra để phát hiện và sửa sai cho cả khối.

Mức này cần ít đĩa phục vụ cho kiểm tra và sửa sai hơn so với

mức 2.

Mức 4: sử dụng khối kiểm tra chẵn lẻ. Nếu một trong số các đĩa

bị lỗi thì khối kiểm tra chẵn lẻ sẽ được sử dụng để khôi phục lại

đĩa bị lỗi từ các đĩa khác.

-

Mức 5: sử dụng các bit kiểm tra chẵn lẻ được ghi phân tán trên

các đĩa.

Mức 6: gần giống như mức 5. Thay vì dùng kiểm tra chẵn lẻ thì

mức 6 sử dụng kỹ thuật mã hoá theo Reed-Solomon Code để

mã hoá dữ liệu giúp cho phát hiện và sửa sai.

14.5. Bài tập

1. Nêu cấu tạo của ổ cứng.

2. Phân tích cấu trúc logic của ổ cứng.

3. Nêu nguyên tắc ghi dữ liệu trên ổ ứng.

4. Trình bày các chế độ lập lịch cho đĩa.

5. Nêu đặc điểm các mức RAID.

140

Phạm Ngọc Hưng

Giáo trình Hệ điều hành - Chương 4: Hệ thống vào ra - Phạm Ngọc Hưng