Nguyên lý hệ điều hành - Chương 0 potx

Ng Duc ThuanCơ chế vận hành của hệ thống Một hệ thống thông thường gồm CPU và các bộ điều khiển thiết bị BĐKTB - device controller.. Các tác vụ của CPU và BĐKTB có thể thực thi song hàn

Ng Duc Thuan

nguyên lý

hỆ ĐIỀU HÀNH

ThS Nguyễn Đức Thuần

Ng Duc Thuan

Chương 0: Cấu trúc hệ thống máy tính

Ng Duc Thuan

Cơ chế vận hành của hệ thống

Một hệ thống thông thường gồm CPU và các bộ điều

khiển thiết bị (BĐKTB - device controller) Các tác vụ của

CPU và BĐKTB có thể thực thi song hành và tranh chấp

bộ nhớ chia sẻ qua sự điều khiển đồng bộ của memory

controller

Mỗi BĐKTB phụ trách một loại thiết bị cụ thể (video

adapter, disk drive, )

Mỗi BĐKTB có một buffer riêng

CPU chuyển dữ liệu từ bộ nhớ chính đến buffer riêng của

các BĐKTB và ngược lại Dữ liệu của các tác vụ I/O được

chuyển từ thiết bị đến buffer riêng của BĐKTB tương ứng

Mỗi khi kết thúc một tác vụ I/O, BĐKTB thông báo cho

CPU bằng cách gây ra ngắt (interrupts).

Ng Duc Thuan

Ngắt (interrupts)

Ngắt (interrupt) là cơ chế cho phép tạm ngưng công việc

đang được CPU xử lý để phục vụ một yêu cầu khác

Khi có ngắt xảy ra, quyền điều khiển được chuyển giao

cho trình phục vụ ngắt (interrupt service routine) thông

qua bảng vector ngắt

Các đặc điểm của cơ chế ngắt :

– tăng hiệu suất xử lý công việc – đặc biệt là các tác vụ I/O

– ngắt thường được phát khởi bởi một thiết bị phần cứng

– thực hiện theo cơ chế bất đồng bộ (asynchronously) với process bị

ngắt.

Trap: ngắt mềm, phát khởi bởi một lỗi nào đó hoặc do

user yêu cầu Ví dụ:

– Lỗi chia cho 0 (divided-by-zero), memory page fault…

Hầu hết OS là interrupt-driven operating systems

Ng Duc Thuan

Chu trình thực hiện lệnh

Ng Duc Thuan

Chu trình lệnh với ngắt quãng

CPU kiểm tra ngắt sau mỗi lệnh

– polling

– vectored interrupt system

Nếu không có ngắt, bắt đầu một chu kỳ lệnh mới

Nếu có ngắt đang chờ, tạm ngưng và lưu trạng thái chương trình đang

thực thi (Program Check, Program Status Word, các thanh ghi dữ liệu, ),

chuyển qua thực thi trình điều khiển xử lý ngắt (interrupt handler)

Ng Duc Thuan

I/O structure Hai phương thức thực hiện I/O

Sau khi bắt đầu tác vụ I/O, quyền điều khiển chỉ được

trả về khi và chỉ khi tác vụ I/O hoàn tất.

– CPU phải chờ đến khi tác vụ I/O hoàn tất

– Trong một thời điểm, có nhiều nhất là 1 tác vụ I/O

được thực hiện, không xử lý được đồng thời nhiều yêu

cầu I/O

Sau khi bắt đầu tác vụ I/O, quyền điều khiển được trả

về ngay mà không cần chờ hoàn tất tác vụ I/O

– CPU có thể thực thi lệnh kế tiếp mà không phải chờ

đến khi tác vụ I/O hoàn tất

– Trong một thời điểm, có thể có nhiều tác vụ I/O được

Ng Duc Thuan

Hai phương thức I/O

Synchronous I/O Asynchronous I/O

Ng Duc Thuan

Các kỹ thuật thực hiện I/O

Programmed I/O (PIO)

– Không dùng ngắt, CPU phải chờ tác vụ I/O hoàn tất

Interrupt-driven I/O

– CPU có thể tiếp tục thực thi trong suốt quá trình xảy ra

I/O, khi tác vụ I/O hoàn tất thì sẽ phát ra một ngắt báo

hiệu cho CPU

Direct Memory Access (DMA)

– Một khối dữ liệu được chuyển trực tiếp giữa bộ nhớ và

thiết bị I/O mà không cần qua CPU

Ng Duc Thuan

Storage structure

Bộ nhớ chính (main memory): CPU chỉ có thể truy cập

trực tiếp thanh ghi (registers) và bộ nhớ RAM

Bộ nhớ phụ (secondary storage): hệ thống lưu trữ thông tin

bền vững (nonvolatile storage)

Đĩa từ (magnetic disks)

– Bề mặt đĩa chia thành các rãnh (tracks), các rãnh này được chia

nhỏ hơn thành các cung từ (sectors).

– Cylinder: tập các track tạo thành một hình trụ

– Disk controller: bộ điều khiển quá trình giao tiếp giữa CPU và đĩa.

Ng Duc Thuan

Cơ chế truy xuất đĩa

Thời gian định vị dữ liệu

-positioning time

(random-access time) bao gồm

– Seek time: thời gian di

chuyển đầu đọc đến cylinder

cần đọc

– Rotational latency: thời gian

tìm được sector cần đọc dữ

liệu.

Transfer rate: tốc độ chuyển

dữ liệu giữa đĩa và CPU

Ng Duc Thuan

Phân cấp hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ có thể phân cấp theo các tiêu

chuẩn

– Tốc độ (speed, access time)

– Dung lượng (capacity)

– Giá cả (cost)

– Độ bền vững dữ liệu (volatility)

Hệ thống phân cấp từ trên xuống theo

– Giá thành giảm dần

– Dung lượng tăng dần

– Thời gian truy cập tăng dần

– Tần suất truy cập của CPU giảm dần

– Chế độ lưu trữ bền vững (non-volatile)

Ng Duc Thuan

Phân cấp hệ thống lưu trữ

Ng Duc Thuan

Cơ chế caching

Caching: copy dữ liệu vào thiết bị lưu trữ tốc độ cao

hơn.

Tại sao phải dùng bộ nhớ cache

– Tốc độ CPU và bộ nhớ chính khác nhau

– Khai thác nguyên lý “locality”

Cần có chiến lược quản lý bộ nhớ cache thích hợp

Trong cơ chế caching, một dữ liệu có thể được lưu

trữ nhiều nơi ® phải bảo đảm tính nhất quán dữ

liệu (consistent): bài toán cache coherency.

Ng Duc Thuan

Bảo vệ phần cứng

Chức năng của hệ điều hành là kiểm tra toàn bộ

hệ thống

Hệ điều hành cung cấp chức năng chia sẻ tài

nguyên cho nhiều chương trình, vì vậy phải có cơ

chế kiểm tra và xử lý lỗi ứng với mỗi một chương

trình Các lỗi chương trình do phần cứng phát

hiện và thông báo cho hệ điều hành để ra quyết

định chấm dứt và thông báo

Bảo vệ phần cứng bao gồm cơ chế bảo vệ CPU,

Bộ nhớ, Thiết bị nhập xuất…