Bài giảng Hệ điều hành - Chương 5: Quản lý nhập xuất

CHƯƠNG 5
QUẢN LÝ NHẬP XUẤT
Nhiệm vụ
2
 Mục tiêu của bộ phận quản lý nhập xuất:
- Tạo thành một lớp giao tiếp độc lập thiết bị
 Che giấu các chi tiết kỹ thuật của các thiết bị phần cứng
 Quản lý và sửa lỗi
 Làm cho các thiết bị phần cứng đơn giản và dễ dùng
 Cho phép chia sẻ các thiết bị phần cứng
 Xây dựng các cơ chế bảo vệ các thiết bị được chia sẻ
 Điều phối thiết bị để phục vụ cho nhiều nhu cầu sử dụng. cùng
lúc
Ví dụ về các thiết bị nhập xuất
3
 Các thiết bị giao tiếp:
 Các thiết bị chỉ nhập : bàn phím, chuột, joystick…
 Các thiết bị chỉ xuất : màn hình, máy in
 Các thiết bị vừa nhập vừa xuất: card mạng.
 Các thiết bị lưu trữ:
 Thiết bị vừa xuất, vừa nhập: đĩa (cứng/mềm), băng từ
 Thiết bị chỉ xuất: CD-ROM.
Ví dụ về các thiết bị nhập xuất
4
Phân loại các thiết bị nhập xuất
5
 Phân loại theo mục đích sử dụng:
 Các thiết bị giao tiếp:
 Các thiết bị chỉ nhập : bàn phím, chuột, …
 Các thiết bị chỉ xuất : màn hình, máy in
 Các thiết bị vừa nhập vừa xuất: card mạng.
 Các thiết bị lưu trữ
 Thiết bị vừa xuất, vừa nhập: đĩa (cứng/mềm), băng từ
 Thiết bị chỉ xuất: CD-ROM
 Phân loại theo phương pháp truy xuất:
 Thiết bị khối:
 Tổ chức theo từng khối riêng biệt và truy xuất ngẫu nhiên (VD: CD-ROM, HDD)
 Thiết bị tuần tự
 Gởi nhận theo chuỗi bit và phải truy xuất tuần tự (VD: Card mạng, Bàn phím)
Các đặc tính nhập xuất
6
 Ba đặc tính khác nhau cần xem xét khi xử lý 1 
thao tác nhập xuất:
 Blocking và Non-blocking
 Buffered và Unbuffered
 Synchronous và Asynchronous
Blocking và Non-Blocking
7
 Blocking – Tiến trình gọi sẽ treo cho đến khi hoàn tất thao tác I/ O
 Ví dụ: Trong thiết bị mạng, nếu muốn ghi 1000 bytes, thì HĐH ghi tất cả các
byte cho đến khi ghi hoàn tất.
 Nếu thiết bị không thể thực hiện lệnh ghi được (ví dụ hỏng dây nối)? =>kết
thúc và trả về số bytes đã ghi được.
Deã hieåu, deã söû duïng
Khoâng hieäu quaû trong moät soá tröôøng hôïp
 Nonblocking – HĐH đọc và ghi các bytes khi có thể, không cần ứng
dụng phải dừng lại.
 Hieän thöïc baèng kyõ thuaät multi-threading
 Traû veà ngay soá byte ñöôïc ñoïc hoaëc ghi
Buffered và Unbuffered
8
 Buffered:
 Trong trường hợp buffer dữ liệu của thiết bị quá nhỏ, để
không phải chờ quá lâu khi thực hiện IO
 buffered I/O cho phép kernel copy lại dữ liệu
 Bên write(): cho phép ứng dụng tiếp tục ghi dữ liệu
 Bên read(): khi thiết bị báo có dự liệu đến, kernel chép dữ liệu vào
buffer. Khi tiến trình gọi read(), kernel chỉ việc copy từ buffer.
 Khuyết điểm buffered I/O?
 Thêm chi phí để thực hiện copy
 Chậm trễ việc gửi dữ liệu
 Unbuffred: Không chấp nhận ghi dữ liệu vào kernel
Synchronous và Asynchronous
9
 Synchronous: các xử lý khác thuộc ứng dụng
của người dùng cuối sẽ phải tạm dừng lại
(paused) để chờ các thao tác nhập xuất của
nó hoàn tất
 Asynchronous: các xử lý khác của ứng dụng
có thể thực thi song song với các thao tác
nhập xuất
Bộ điều khiển thiết bị - Device Controller
10
 Mỗi thiết bị nhập xuất:
 Thành phần cơ: Bản thân thiết bị
 Thành phần điện: bộ điều khiển cho thiết bị đó (device controller)
 Bộ điều khiển:
 Trung gian giao tiếp giữa thiết bị và HĐH
 Thông qua bus - hệ thống mạch truyền dẫn
 Công việc:
 Nhận lệnh từ HĐH
 Chuyển đổi dãy bit thành các byte và đặt chúng vào trong bộ đệm (buffer)
của bộ điều khiển.
 Báo hiệu cho HĐH khi tác vụ hoàn tất.
Các thiết bị nhập xuất và bus hệ thống
11
Địa chỉ giao tiếp thiết bị
12
 HĐH giao tiếp với thiết bị thông qua địa chỉ nhập xuất
của bộ điều khiển:
Mô hình phân lớp trong quản lý nhập xuất
13
 Hệ thống nhập xuất được tổ chức theo từng lớp, mỗi lớp
có 1 chức năng nhất định và có sự hỗ trợ liên hoàn lẫn
nhau
Phần mềm độc lập thiết bị
(Device- independent software)
14
 Chức năng:
 Độc lập với thiết bị: tạo ra giao tiếp chung cho tất cả
các thiết bị
 Bảo vệ thiết bị
 Cung cấp bộ đệm (buffer) để hỗ trợ cho quá trình đồng
bộ hoá hoạt động của hệ thống
 Cấp phát và giải phóng thiết bị
 Thông báo lỗi cho người dùng (nếu có)
Trình điều khiển thiết bị (Device driver)
15
 Chức năng:
 Nhận yêu cầu từ phía lớp phần mềm độc lập thiết bị.
 Chuyển đổi yêu cầu trừu tượng này thành cụ thể.
 Điều phối yêu cầu này cho bộ điều khiển thiết bị (device controller).
 Giám sát thực hiện yêu cầu. 
 Ví dụ:
 HĐH muốn đọc tập tin “io.sys” trên đĩa ở thư mục C:\.
 Trình điều khiển đĩa phải hiểu là cần đọc khối nào.
 Trình điều khiển đĩa chuyển yêu cầu này cho bộ điều khiển đĩa.
 Bộ điều khiển đĩa phải kiểm tra hoạt động của motor đĩa, xác định đầu đọc
đã đúng vị trí chưa.
Device driver và Device controller ?
16
Bộ kiểm soát ngắt - Interrupt handler
17
 Tương tác giữa HĐH và các thiết bị phần cứng đều được thực
hiện thông qua cơ chế ngắt (interrupt).
 Bộ kiểm soát ngắt sẽ tiếp nhận các ngắt từ HĐH và ứng dụng
của người dùng cuối.
 Dựa trên bảng “Interrupt vector” để phân phối các ngắt đến
các bộ điều khiển thiết bị tương ứng.
 Quản lý và giám sát quá trình thực hiện ngắt.
 Nhận ngắt thông báo quá trình nhập xuất hoàn tất hoặc có lỗi
xảy ra trong quá trình nhập xuất từ bộ điều khiển thiết bị để
chuyển lên cho HĐH.
TRUY CAÄP I/O BAÈÈNG 
PHÖÔNG PHAÙP POLLING 
 Hieän thöïc:
Traïng thaùi thieát bò: busy, error hay command-
ready
 Khi thieát bò raûnh, CPU ra leänh truy caäp I/O
Controller ñoïc leänh vaø thöïc thi taùc vuï.
Khi thöïc thi xong, controller ñaët laïi traïng thaùi
cuûa thieát bò: idle hoaëc error.
CPU lieân tuïc kieåm tra traïng thaùi thieát bò ñeå ñoïc, 
ghi döõ lieäu neáu caàn thieát
 Nhaän xeùt
18
TRUY CAÄP I/O BAÈÈNG 
CAÙCH SÖÛ DUÏNG NGAÉT QUAÕNG
 Thieát bò I/O taïo ngaét quaõng khi hoaøn taát taùc vuï
 Khi coù ngaét quaõng
 Trình xöû lyù ngaét quaõng nhaän interrupt
 Xaùc ñònh thieát bò gaây ngaét quaõng
 Laáy döõ lieäu töø device register (leänh tröôùc laø leänh ñoïc)
 Khôûi ñoäng leänh tieáp theo cho thieát bò ñoù
 Xöû lyù ngaét quaõng theo ñoä öu tieân, coù theå hoaõn hoaëc
huûy moät soá ngaét quaõng
 Ngaét quaõng cuõng ñöôïc duøng khi xaûy ra bieán coá
 Nhaän xeùt?
19
CHU KYØ NGAÉT QUAÕNG CUÛA I/O
20
Cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA
21
 DMA = Direct Memory Access
 Quá trình đọc đĩa không có DMA:
 HĐH chuyển yêu cầu đọc đĩa cho bộ điều khiển đĩa.
 Bộ điều khiển đọc tuần tự các khối trên đĩa đưa vào bộ đệm của bộ
điều khiển đĩa.
 Bộ điều khiển đĩa tạo ngắt để báo CPU biết quá trình đọc đĩa hoàn
tất.
 CPU lần lượt lấy từng byte dữ liệu từ bộ đệm của bộ điều khiển đĩa để
chuyển về bộ nhớ chính để thao tác.
 Nhận xét:
 Lãng phí thời gian xử lý của CPU để chuyển dữ liệu từ bộ đệm của
bộ điều khiển đĩa về bộ nhớ chính
Cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA
22
 Cơ chế DMA giúp CPU không bị lãng phí bằng cách:
 HĐH gửi cho bộ điều khiển đĩa các thông số gồm:
 các khối cần đọc
 vị trí lưu trữ các khối này bên trong bộ nhớ chính (địa chỉ DMA)
 số byte cần đọc.
 Bộ điều khiển đĩa đọc các khối cần thiết lưu vào trong bộ đệm của nó.
 Sau khi đọc xong, bộ điều khiển chuyển lần lượt từng byte từ bộ
đệm của nó về địa chỉ DMA – nơi cần lưu trữ dữ liệu cần thiết
bên trong bộ nhớ chính.
 Bộ điều khiển đĩa tạo 1 ngắt để thông báo cho CPU biết quá trình
chuyển dữ liệu đã hoàn tất.
Cơ chế DMA
23
 Không lãng phí CPU cho việc chuyển đổi dữ liệu bộ
đệm sang bộ nhớ
-24-
CAÙC CHÖÙC NAÊNG QUAÛN LYÙ I/O 
Do module quaûn lyù I/O cuûa heä ñieàu haønh
(Kernel I/O Subsystem) ñaûm nhaän
Caùc chöùc naêng chính
Ñònh thôøi I/O ( I/O scheduling)
Daønh rieâng thieát bò (device reservation)
Xöû lyù loãi (error handling)
Buffering
Caching
Spooling
Quản lý lỗi & Bảo vệ nhập xuất thiết bị
25
 Nguyên nhân:
 Người dùng hay HĐH có thể vô tình hay cố ý thực hiện các lệnh/thao
tác nhập xuất bất hợp pháp gây hại cho hệ thống và thiết bị.
 VD: đọc dữ liệu trong khi đang ghi
 Khắc phục:
 Định nghĩa trước và gán đặc quyền cho các lệnh nhập xuất của hệ
thống dưới dạng các lời gọi hệ thống (system call).
 Giám sát quá trình nhập xuất của người dùng cuối.
 Tất cả quá trình nhập xuất của ƯD phải được thực hiện thông qua các
lời gọi hệ thống.
Quản lý lỗi & bảo vệ nhập xuất thiết bị
26
 Khi gặp lỗi trong quá trình nhập xuất, các bộ điều
khiển thiết bị sẽ trả về cho HĐH mã lỗi tương ứng
 HĐH diễn dịch mã lỗi trả về để có phương án giải
quyết thích hợp.
 HĐH cũng diễn dịch và lưu vào nhật ký hệ thống
(system log) các lỗi tương ứng để giúp người quản
trị hệ thống giám sát lỗi và phục hồi.
BUFFERING
 Löu döõ lieäu trong boä nhôù thay vì chuyeån tröïc tieáp döõ
lieäu giöõa caùc thieát bò
 Coù theå ñöôïc hieän thöïc ôû
 Caáp phaàn cöùng
 Caáp heä ñieàu haønh
 Muïc ñích
 Xöû lyù vaán ñeà toác ñoä caùc thieát bò khaùc nhau
 Xöû lyù vaán ñeà kích thöôùc khoái döõ lieäu trao ñoåi giöõa caùc
thieát bò khaùc nhau
 Giaûm thieåu thôøi gian quaù trình bò chaën khi ghi döõ lieäu
27
CACHING & SPOOLING
 Caching
 Duøng vuøng nhôù toác ñoä cao ñeå löu baûn sao cuûa döõ lieäu
thöôøng xuyeân truy xuaát
 Ñaûm baûo tính nhaát quaùn cuûa cache:
 Kyõ thuaät write through
 Kyõ thuaät write back 
 Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-line)
 Duøng thieát bò löu tröõ toác ñoä trung bình laøm trung gian
giao tieáp giöõa 2 thieát bò coù toác ñoä cheânh leäch nhau
 Ví duï : dòch vuï in aán
28
TAÊNG HIEÄU SUAÁT HEÄ THOÁNG I/O
29
 Giaûm thieåu copy döõ lieäu (caching)
 Giaûm taàn soá interrupt (duøng kích thöôùc khoái döõ lieäu
truyeàn nhaän lôùn, smart controller…)
 Giaûm taûi cho CPU baèng DMA
 Taêng soá löôïng thieát bò ñeå traùnh tranh chaáp
 Taêng dung löôïng boä nhôù thöïc
 Caân baèêng hieäu suaát CPU, boä nhôù, bus vaø thieát bò I/O
ñeå ñaït throughput cao nhaát
 …