Bài giảng Hệ điều hành - Chương 1: Các thành phần của máy tính

ơn bus
• Bus hệ thống chỉ phục vụ được một yêu 
cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm.
• Bus hệ thống phải có tốc độ bằng tốc độ
bus của môđun nhanh nhất trong hệ
thống.
• Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus 
(các tín hiệu) của bộ xử lý  các môđun 
nhớ và các môđun vào-ra cũng phụ thuộc 
vào bộ xử lý.
• Vì vậy cần phải phân cấp bus Æ đa bus
BUS
Phân cấp bus trong máy tính
• Phân cấp bus cho các thành phần:
– Bus của bộ xử lý
– Bus của bộ nhớ chính
– Các bus vào-ra
• Phân cấp bus khác nhau về tốc độ
• Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra 
không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể.
Bus đồng bộ và bus không 
đồng bộ
• Bus đồng bộ
– Bus có đường tín hiệu Clock
– Các sự kiện trên bus được xác định bởi 
xung nhịp Clock.
• Bus không đồng bộ
– Không có đường tín hiệu Clock
– Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ
kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo.
Bus địa chỉ
• Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác 
định ngăn nhớ hay cổng vào-ra.
• Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng 
bộ nhớ cực đại của hệ thống.
• Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit:
AN-1, AN-2, ... A2, A1, A0
Æ dung lượng bộ nhớ cực đại là 2N byte
(còn gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ)
• Ví dụ: Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa 
chỉ 32 bit 
Æ không gian địa chỉ là 232 byte = 4 GB.
Bus dữ liệu
• Chức năng:
– vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU
– vận chuyển dữ liệu giữa CPU, các môđun nhớ
và môđun vào-ra.
• Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ
liệu có thể được trao đổi đồng thời.
– M bit: DM-1, DM-2, … D2, D1, D0
– M thường là 8, 16, 32, 64, 128 bit
• Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ
liệu là 64 bit.
Bus điều khiển
• Chức năng: vận chuyển các tín hiệu 
điều khiển
• Các loại tín hiệu điều khiển:
– Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển 
môđun nhớ và môđun vào-ra
– Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun 
vào-ra gửi đến yêu cầu CPU.
Ngắt (Interrupt)
• Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm 
dừng chương trình đang thực hiện để chuyển 
sang thực hiện một chương trình khác, gọi là
chương trình con phục vụ ngắt.
• Các loại ngắt:
– Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ:
tràn số, chia cho 0 …
– Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM
– Ngắt do môđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU 
yêu cầu trao đổi dữ liệu.
Hoạt động của máy tính
• Thực hiện chương trình là hoạt động 
cơ bản của máy tính
• Máy tính lặp đi lặp lại hai bước:
– Nhận lệnh
– Thực hiện lệnh
• Thực hiện chương trình bị dừng nếu 
thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh 
dừng.
} chu trình lệnh
Chu trình lệnh
Minh họa quá trình nhận lệnh
PC
IR
Quá trình nhận lệnh
• Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ
bộ nhớ chính.
• Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) 
của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận.
• CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.
• Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR 
(Instruction Register)
• Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự 
động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.
Quá trình thực hiện lệnh
• Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và
phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác 
mà lệnh yêu cầu.
• Các kiểu thao tác của lệnh:
– Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính
– Trao đổi dữ liệu giữa CPU và môđun vào-ra
– Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học 
hoặc phép toán logic với các dữ liệu
– Điều khiển rẽ nhánh
– Kết hợp các thao tác trên
Hoạt động ngắt
• Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra 
tín hiệu ngắt.
• Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo 
của chương trình hiện tại.
• Nếu có tín hiệu ngắt:
– Tạm dừng chương trình đang thực hiện
– Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình 
bị ngắt)
– Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt
– Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt
– Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ
cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng.
Hoạt động ngắt
Chu trình lệnh với ngắt
Caáu truùc heä thoáng
I/O
Caùc kyõ thuaät thöïc hieän I/O
q Polling
– Ñeå göûi döõ lieäu ra moät thieát bò I/O 
(thoâng qua I/O port), CPU ghi byte döõ
lieäu vaøo thanh ghi döõ lieäu (data 
register), sau ñoù thieát laäp moät bit (bit ← 1) cuûa thanh ghi ñieàu khieån
(control register) ñeå baùo hieäu cho I/O 
controller.
 (PIO: programmed I/O)
– I/O controller ñoïc byte döõ lieäu töø
thieát bò I/O, xoùa bit ñieàu khieån (bit ← 0). CPU tieáp tuïc göûi byte keá.
– I/O controller khoâng gaây ra ngaét moãi
khi xong vieäc. CPU phaûi duøng cô
cheá polling ñeå kieåm tra traïng thaùi
thieát bò I/O
– Truyeàn döõ lieäu töøng byte moät
PIO
Caùc kyõ thuaät thöïc hieän I/O (tt) 
q Interrupt-driven I/O
– CPU khoâng poll maø I/O controller 
seõ gaây ra ngaét quaõng moãi khi saün
saøng cho taùc vuï I/O.
– Trong luùc thieát bò I/O thöïc thi leänh, 
CPU coù theå thöïc thi coâng vieäc
khaùc.
– Polling vaø interrupt-driven I/O ñeàu
tieâu toán thôøi gian xöû lyù cuûa CPU 
bôûi vì CPU phaûi copy byte döõ lieäu
ñöôïc ñoïc/ghi↔ memory.
– Thích hôïp cho caùc thieát bò I/O coù
toác ñoä khoâng cao (keyboard, mouse)
X
X
Caùc kyõ thuaät thöïc hieän I/O (tt)
Synchronous Asynchronous
q Phöông phaùp thöïc hieän I/O
- - - : “bypassing”
kernel kernel
Caùc kyõ thuaät thöïc hieän I/O (tt)
q Direct Memory Access (DMA) 
– CPU göûi yeâu caàu ñeán module DMA (= 
DMA controller)
– Module DMA chuyeån moät khoái döõ
lieäu giöõa boä nhôù vaø thieát bò I/O maø
khoâng caàn CPU can thieäp.
– Khi xong moät taùc vuï göûi nhaän thì
phaùt khôûi moät ngaét quaõng.
– CPU chæ tham gia vaøo giai ñoaïn khôûi
ñaàu vaø keát thuùc cuûa vieäc truyeàn
nhaän döõ lieäu
– Trong khi ñang truyeàn nhaän döõ lieäu, 
CPU coù theå thöïc thi coâng vieäc khaùc
– Thích hôïp cho caùc thieát bò coù toác ñoä
cao (ñóa)
Caáu truùc & phaân caáp
heä thoáng löu tröõ
Heä thoáng löu tröõ
q Löu tröõ laø moät trong nhöõng daïng thöùc I/O quan
troïng
– Boä nhôù chính (main memory, primary memory)
§ CPU chæ coù theå truy caäp tröïc tieáp thanh ghi (registers) 
vaø boä nhôù ROM, RAM
– Boä nhôù phuï (secondary storage) 
§ Heä thoáng löu tröõ thoâng tin beàn vöõng (nonvolatile storage)
§ Ñóa töø (magnetic disks): ñóa meàm, ñóa cöùng, baêng töø
§ Ñóa quang (optical disk): CD-ROM, DVD-ROM
§ Flash ROM: USB disk 
Phaân caáp heä thoáng löu tröõ
Toác ñoä cao
Giaù thaønh thaáp
Dung löôïng lôùn
vd: file-system data
Cô cheá caching
q Caching
– naïp tröôùc döõ lieäu vaøo thieát bò löu tröõ toác ñoä cao hôn
q Taïi sao phaûi duøng cache?
– Cheânh leäch lôùn giöõa toác ñoä CPU vaø toác ñoä boä nhôù RAM, 
ñóa,…
– Khai thaùc nguyeân lyù cuïc boä (locality)
q Kích thöôùc cache nhoû→ phaûi quaûn lyù cache: thay noäi dung cache
q Trong cô cheá caching, moät döõ lieäu coù theå ñöôïc löu tröõ nhieàu
nôi→ phaûi baûo ñaûm tính nhaát quaùn döõ lieäu: cache coherency 
problem
A: döõ lieäu
Baûo veä phaàn cöùng – dual mode
q Cô cheá dual-mode: caàn coù phaàn cöùng hoã trôï
– User mode – thöïc thi vôùi quyeàn haïn cuûa user bình thöôøng
– Kernel mode (coøn goïi laø supervisor mode, system mode, monitor mode) –
coù toaøn quyeàn truy xuaát taøi nguyeân heä thoáng
 Phaàn cöùng coù theâm mode bit ñeå kieåm soaùt mode hieän haønh: 
– mode bit = 0: kernel mode
– mode bit = 1: user mode
– Khi coù ngaét hoaëc coù loãi xaûy ra, heä thoáng seõ chuyeån sang kernel 
mode.
Baûo veä phaàn cöùng – I/O 
q Leänh I/O ñeàu laø privileged instruction
– Users khoâng ñöôïc pheùp töông taùc tröïc
tieáp vôùi caùc thieát bò I/O maø phaûi
thoâng qua lôøi goïi system call
 System call
– Laø phöông thöùc duy nhaát ñeå process 
yeâu caàu caùc dòch vuï cuûa heä ñieàu
haønh
– System call seõ gaây ra ngaét meàm (trap), 
quyeàn ñieàu khieån ñöôïc chuyeån ñeán
trình phuïc vuï ngaét töông öùng, ñoàng
thôøi thieát laäp mode = 0 (kernel mode).
– Heä ñieàu haønh kieåm tra tính hôïp leä, 
ñuùng ñaén cuûa caùc ñoái soá, thöïc
hieän yeâu caàu roài traû quyeàn ñieàu
khieån veà leänh keá tieáp ngay sau lôøi
goïi system call, mode = 1.
Baûo veä phaàn cöùng – Boä nhôù
Vd: baûo veä boä nhôù duøng 2 thanh ghi
- Truy caäp boä nhôù ngoaøi vuøng xaùc ñònh bôûi
thanh ghi base vaø thanh ghi limit seõ sinh ra trap
- Leänh naïp giaù trò cho caùc thanh ghi base vaø
thanh ghi limit ñeàu laø privileged instruction
(a)
(b)
Baûo veä phaàn cöùng – CPU
q Baûo veä CPU
– Baûo ñaûm OS duy trì ñöôïc quyeàn ñieàu khieån
– Traùnh tröôøng hôïp CPU bò keït trong caùc voøng laëp voâ haïn
 Cô cheá thöïc hieän laø duøng timer ñeå kích khôûi caùc
ngaét quaõng ñònh kyø
– Boä ñeám timer seõ giaûm daàn sau moãi xung clock.
– Khi boä ñeám timer baèng 0 thì ngaét timer ñöôïc kích hoaït→ heä
ñieàu haønh seõ naém quyeàn ñieàu khieån.
q Leänh naïp giaù trò boä ñeám timer laø moät privileged
instruction.
Phần cứng (hardware)
• Gồm máy móc và thiết bị trong hệ thống.
• Phân loại:
• Nhập • Lưu trữ thứ cấp
• Xử lý và nhớ • Truyền thông
• Xuất
Thiết bị nhập
• Các thiết bị cho phép người dùng
nhập dữ liệu vào máy tính.
• Thiết bị nhập: bàn phím (keyboard), 
chuột (mouse), microphone, máy
quét (scanner).
Xử lý và nhớ
• Phần hệ thống bao gồm
• CPU – Central Processing Unit:
• Bộ nhớ (memory): Bộ nhớ chính (main 
memory), RAM (Random Access 
Memory), bộ lưu trữ sơ cấp. Chứa các dữ
liệu và chương trình đang “chạy” trong
máy tính.
• Các thông tin trong bộ nhớ sơ cấp chỉ tồn
tại trong quá trình máy “chạy”. Khi tắt
máy, các thông tin này mất đi.
Thiết bị xuất
• Các thiết bị chuyển thông tin đãqua
xử lý thành dạng thông tin thân
thiện với con người
• Thiết bị xuất: màn hình (screen), 
máy in (printer), thiết bị kết xuất âm
thanh (sound output device).
Thiết bị lưu trữ thứ cấp
• Bộ nhớ chính (sơ cấp) chỉ là
thiết bị lưu trữ tạm thời.
• Thiết bị lưu trữ thứ cấp: thực
hiện lưu trữ thường trực dữ
liệu và chương trình lên
phương tiện lưu trữ (FD, HD, 
hay băng từ, CD-ROM).
Thiết bị Truyền thông
• Các thiết bị cho phép người dùng
truy cập các tài nguyên thông tin 
ngoài phạm vi máy tính.
• Mạng máy tính, các thiết bị kết nối
vào mạng.