Bài giảng Hệ điều hành (Operating Systems) - Nguyễn Phan Trung - Chương 9: I/O System
?Thiết bị phần cứng I/O
?Giao diện I/O cấp ứng dụng
?Các dịch vụ của OS
?Hiệu suất I/O
Tóm tắt nội dung Bài giảng Hệ điều hành (Operating Systems) - Nguyễn Phan Trung - Chương 9: I/O System, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
1Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.1- 09. I/O System Thiết bị phần cứng I/O Giao diện I/O cấp ứng dụng Các dịch vụ của OS Hiệu suất I/O Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.2- Thiết bị phần cứng I/O Các thiết bị I/O rất nhiều, đa chủng loại, khác biệt về nhiều mặt (hình dáng, kích thước, chức năng, tốc độ,…) ⇒ cần có các phương thức quản lý, điều khiển tương ứng khác nhau. Các phương thức này tạo nên lớp I/O subsystem của kernel. Điểm “hội tụ” chung cho các thiết bị I/O – Port – Bus (daisy chain, shared direct access) – Controller (device controller, SCSI host adapter) Cơ chế giao tiếp giữa CPU và thiết bị I/O – Dùng lệnh I/O để tác động trực tiếp lên các thanh ghi (dữ liệu, trạng thái, lệnh) của controller. – Memory-mapped I/O 2Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.3- Cấu trúc Bus trong PC Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.4- Một số “port” trong PC 3Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.5- Các cơ chế thực hiện I/O Cơ chế polling (busy-waiting) – Kiểm tra trạng thái của thiết bị khi muốn thực hiện I/O Ready hoặc Busy hoặc Error – Tiêu tốn thời gian lặp quay vòng để kiểm tra trạng thái (busy-wait) và thực hiện I/O. Cơ chế ngắt quãng (interrupt) – CPU có một ngõ Interrupt Request (IR), được kích hoạt bởi thiết bị I/O. – Nếu có ngắt xảy ra (IR = active) ⇒ chuyển quyền điều khiển cho trình điều khiển ngắt (interrupt handler) – Các ngắt có thể bị che (maskable) hoặc không bị che (non-maskable) – Hệ thống có một bảng vector ngắt chứa địa chỉ các trình phục vụ ngắt (interrupt routine). – Cơ chế ngắt cũng có thể dùng xử lý các sự kiện khác trong hệ thống (lỗi chia cho 0, lỗi vi phạm vùng nhớ,...) Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.6- Chu kỳ I/O với ngắt quãng 4Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.7- Bảng vector ngắt trên Pentium Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.8- Các cơ chế I/O (t.t) Cơ chế DMA (Direct Memory Access) – Các cơ chế polling và interrupt, gọi chung là programmed I/O, không thích hợp khi thực hiện di chuyển khối lượng lớn dữ liệu. – Cơ chế DMA cần có phần cứng hỗ trợ đặc biệt, đó là DMA controller – Cơ chế DMA thực hiện truyền dữ liệu trực tiếp giữa thiết bị I/O và bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU. 5Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.9- 6 bước thực hiện DMA Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.10- Giao diện I/O cấp ứng dụng Mục tiêu: OS cung cấp một giao diện I/O chuẩn hóa, thuần nhất cho các ứng dụng. – Ví dụ: một ứng dụng in tài liệu ra máy in mà không cần biết hiệu máy in, đặc tính máy in,... Giao diện làm việc đó là các I/O system call của OS. Trình điều khiển thiết bị (device driver) sẽ là cầu nối giữa kernel và các bộ điều khiển thiết bị (device controller). Đặc tính của thiết bị rất đa dạng – Character-stream vs. Block – Sequential vs.Random-Access – Sharable vs. Dedicated – Tốc độ truy xuất – Read-write, Read Only, Write-Only. 6Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.11- Cấu trúc I/O cấp kernel Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.12- Đặc tính của các thiết bị I/O 7Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.13- Các dịch vụ I/O Giao diện chuẩn cho nhóm thiết bị có liên quan – Thiết bị khối (block device) Disk Các tác vụ: read, write, seek – Thiết bị kí tự (character device) Keyboard, mouse, serial port, line printer,... Tác vụ: get, put – Thiết bị mạng (network device) Block hoặc character. Socket Interface trên Unix, Windows/NT,... – Clock và Timer Cung cấp thời gian hiện tại, timer Có thể lập trình được. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.14- Các kiểu truy xuất I/O Blocking - process bị suspended cho đến khi I/O hoàn tất. – Dễ dàng sử dụng. – Không hiệu quả trong một số trường hợp. Non-blocking – process sẽ tiếp tục thực thi ngay sau lệnh gọi I/O. – Ví dụ: data copy (buffered I/O) – Thường hiện thực với multi-threading. – Khó kiểm soát kết quả thực hiện I/O. Asynchronous – process vẫn thực thi trong lúc hệ thống đang thực hiện I/O. – Khó sử dụng. – I/O subsystem báo hiệu cho process khi I/O hoàn tất. 8Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.15- Bộ phận I/O subsystem ở kernel Định thời các yêu cầu I/O – Các yêu cầu I/O xếp hàng tại các hành đợi của mỗi thiết bị – Bảo đảm công bằng, hiệu suất cao. Đệm dữ liệu (buffering) – lưu dữ liệu tạm thời trong bộ nhớ khi thực hiện I/O – Giải quyết trường hợp chênh lệch tốc độ, kích thước dữ liệu khi thực hiện I/O Caching Spooling Xử lý lỗi (error handling) – OS can recover from disk read, device unavailable, transient write failures – Most return an error number or code when I/O request fails – System error logs hold problem reports Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.16- Chu kỳ của một yêu cầu I/O 9Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.17- Hiệu suất thực hiện I/O Hiệu suất I/O ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất toàn hệ thống. Tốc độ I/O thường rất chậm. – Yêu cầu CPU thực hiện các lệnh điều khiển của device driver, của kernel I/O code. – Chuyển ngữ cảnh vì các I/O interrupt, chi phí copy dữ liệu gửi nhận. Riêng các thiết bị mạng thì phụ thuộc vào băng thông của mạng máy tính. Tăng hiệu suất thực hiện I/O – Giảm số lần chuyển ngữ cảnh, giảm thiểu quá trình copy dữ liệu (bằng caching,...) – Giảm số lần ngắt quãng (truyền khối dữ liệu lớn, dùng các bộ controller thông minh, dùng cơ chế polling,...) – Sử dụng DMA nếu có thể. Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại Học Bách Khoa Tp.HCM -XIII.18- Ví dụ giao tiếp qua mạng
File đính kèm:
Bài giảng Hệ điều hành (Operating Systems) - Nguyễn Phan Trung - Chương 9 IO System.pdf
