Bài giảng nguyên lý hệ điều hành chương 3 GV đặng quang hiển

 Khi không còn không gian bộ nhớ chính để nạp thì một chương trình đang chạy trên bộ nhớ có thể Swap out ra đĩa và được Swap in vào lại vào thời điểm thích hợp  HĐH phải lưu lại tất cả

GV: Đỗ Công Đức Khoa khoa học máy tính

(3 Tín chỉ)

 Bộ nhớ là thiết bị lưu trữ dữ liệu của máy tính thông qua đó CPU

có thể trao đổi thông tin với môi trường ngoài

 Bộ nhớ chính được tổ chức như một mảng một chiều các từ nhớ(word) và mỗi từ có một địa chỉ

 Việc trao đổi thông tin với môi trường ngoài là thao tác đọc ghi dữliệu vào bộ nhớ tại một địa chỉ cụ thể

 Bộ nhớ gồm có: bộ nhớ trong (chính) và bộ nhớ ngoài (phụ) Nhưng bộ nhớ thì có hạn mà yêu cầu bộ nhớ thì vô hạn

 Bộ nhớ là tài nguyên dùng để cấp phát và chia sẻ cho nhiều tiến

trình đang ở trong trạng thái kích hoạt

 Công cụ quản lý bộ nhớ là phân trang (paging) và phân đoạn (Segmentation) HĐH kết hợp phân trang và phân đoạn để quản lý

3.1 Nhiệm vụ của quản lý bộ nhớ

 Trong hệ thống đa chương thì việc quản lý ộ nhớ là rất phức tạp

Bộ phận quản lý bộ nhớ có nhiệm vụ đưa các tiến trình vào bộnhớ để hoạt động

 Giải quyết các trường hợp trên bộ nhớ không còn không gian

trống để nạp các tiến trình

 Bảo về các tiến trình trên bộ nhớ tránh các trường hợp truy xuất

bất hợp lệ xảy ra

 Cấp các vùng nhớ cho các tiến trình có yêu cầu

Để làm tốt nhiệm vụ này bộ phận quản lý bộ nhớ phải thực hiện

3.1.1 Sự tái định vị (Relocation)

 Trong hệ thống đa chương bộ nhớ được chia sẻ cho nhiều tiến trình nên và bộ nhớ của các tiến trình yêu cầu thì luôn luôn lớn hơn bộnhớ vật lý của hệ thống

 Khi không còn không gian bộ nhớ chính để nạp thì một chương trình đang chạy trên bộ nhớ có thể Swap out ra đĩa và được Swap

in vào lại vào thời điểm thích hợp

 HĐH phải lưu lại tất cả các thông tin Swap out để khi Swap in vào lại phải đúng vị trí đã được nạp trước đó để tiếp tục hoạt động

 Sau khi thực hiện xong thì HĐH phải tổ chức lại bộ nhớ để chuẩn

bị nạp các tiến trình khác có yêu cầu Đôi khi chương trình swap out có thể được swap in vào lại nhưng không đứng vị trí mà nó được nạp trước đó

3.1.2 Bảo vệ bộ nhớ

 Bảo vệ để chống lại việc truy xuất bất hợp lệ, không được tham chiếu đến các vùng nhớ đã dành cho một tiến trình khác để thực hiện các thao tác đọc/ghi mà không được phép mà nó chỉ được truy xuất đến không gian địa chỉ bộ nhớ mà HĐH đã cấp cho nó

 Phải biết địa chỉ không gian địa chỉ của các tiến trình khác, kiểm tra tất cảc các địa chỉ truy xuất tất cả các yêu cầu truy xuất bộ nhớcủa mỗi tiến trình khi tiến trình đưa ra địa chỉ truy xuất

 Hệ thống quản lý bộ nhớ phải thực hiện không cho các tiến trình của người sử dụng truy cập đến bất kỳ một vị trí nào của chính hệ điều hành, ngoại trừ vùng dữ liệu mà hệ điều hành cung cấp cho chương trình người sử dụng

3.1.3 Chia sẻ bộ nhớ

 Khi nhiều tiến trình thực hiện một chương trình thì việc truy xuất của tiến trình đến một bản copy của chương trình sẽ thuận lợi hơn khi cho phép mỗi tiến trình truy cập đến một bản copy sở hữu riêng

 Hệ thống quản lý bộ nhớ phải điều khiển việc truy cập đến không gian bộ nhớ được chia sẻ mà không vi phạm đến các yêu cầu bảo

vệ bộ nhớ Ngoài ra HĐH đa nhiệm phải chia sẻ không gian nhớcho các tiến trình để HĐH có thể nạp được nhiều tiến trình vào bộnhớ và tiến trình này có thể hoạt động đồng thời với nhau

3.1.4 Tổ chức bộ nhớ Logic

 Các modul có thể được viết và biên dịch độc lập, với tất cả các tham chiếu từ một modul đến modul khác được giải quyết bởi hệthống tại thời điểm chạy

 Các mức độ khác nhau của sự bảo vệ, read-only, execute-only, cóthể cho ra các modul khác nhau

 Nó có thể đưa ra các cơ chế để các modul có thể được chia sẻ giữa các tiến trình

Đa số các chương trình đều được chia thành các modul, một vài trong số đó là không thể thay đổi (read only, execute only) Nếu HĐH

và phần cứng giao dịch với các chương trình của người sử dụng, dữliệu trong các modul thì một số thuận lợi có thể thấy rõ sau đây

3.1.5 Tổ chức bộ nhớ vật lý

Bộ nhớ của máy tính gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ

 Bộ nhớ chính: truy cập nhanh dữ liệu và chương trình chỉ giữ một khối lượng nhỏ, chỉ sử dụng tại thời điểm hiện tại không lưu trữ lâu dài trên nó và phải thường xuyên làm tươi

 Bộ nhớ phụ: truy cập chậm, nó lưu trữ lớn và cho phép lưu trữ chương trình và dữ liệu trong một khoảng thời gian dài

 Người lập trình không thể biết tại một thời điểm xác định có bao nhiêu không gian nhớ còn trống hoặc khi nào thì không gian nhớ sẽtrống

 Một chương trình được thực hiện phải được nạp vào bộ nhớ chính, sau đó procssor đọc các lệnh từ bộ nhớ vào bên trong thanh ghi vàgiải mã và tổ cức thực hiện

 Để nạp chương trình vào bộ nhớ thì bộ nhớ chính phải còn không gian trống lớn hơn kích thước chương trình

 Nếu kích thước bộ nhớ chính không đủ cũng có thể nạp được nhiều chương trình có kích thước lớn hơn không gian bộ nhớ vào bộ nhớ Yêu cầu người lập trình biết cách viết chương trình, dịch chương trình theo đúng cấu trúc chương trình chuẩn Điều này phải có sự

hỗ trợ của của trình biên dịch và các ngôn ngữ lập trình

 Các cấu trúc chương trình như tuyến tính, động, overlay, phân trang, phân đoạn

3.2.1 Cấu trúc chương trình tuyến tính

 Cấu trúc này thì các modul, các thư viện đều được dịch thành một modul duy nhất chứa các thông tin cần thiết để chương trình có thểchạy độc lập

 Một chương trình được viết bằng ngôn ngữ Pascal, có sử dụng thư viện chuẩn hoặc đồ họa Sau khi biên dịch ta được một file EXE

 Khi mang file chương trình này đến một máy khác không cần phải cài chương trình pascal nhưng chương trình vẫn thực hiện được vìcác thư viện mà chương trình sử dụng đã được tích hợp đầy đủ trong file chương trình EXE

 Tập tin thực thi (.EXE) có tính độc lập cao, có tốc độ thực hiện chương trình cao vì chỉ cần nạp một lần

3.2.1 Cấu trúc chương trình tuyến tính

Hạn chế của của chương trình dịch theo cấu trúc tuyến tính

 Tốn bộ nhớ vì sau mỗi lần biên dịch thì kích thước chương trình tăng lên

 Các modul, thư viện được sử dụng một lần nhưng lại chiếm bộ nhớ

từ khi chương trình được nạp vào cho đến khi kết thúc

 Hệ điều hành windows không hỗ trợ cấu trúc này vì nó không tiết kiệm được bộ nhớ, tốn bộ nhớ và làm cho sự đa chương giảm xuống

3.2.2 Cấu trúc chương trình động

 Chương trình được viết dưới các modul riêng lẽ, mỗi modul thực hiện một chức năng nào đó

 Cấu trúc động chương trình được biên dịch thành các modul riêng

lẽ, các thư viện không được tích hợp vào trong modul chính Như vậy với một chương trình nhưng dịch theo cấu trúc động thì nó tốn

bộ nhớ nhỏ hơn nhưng tính độc lập của nó kém hơn tuyến tính

 Cấu trúc động chương trình gồm modul chính và các modul khác Modul chính có thể gọi modul khác của chương trình vào bộ nhớ

 HĐH chỉ nạp modul chính vào bộ nhớ, modul chính chỉ chứa chủyếu là các dữ liệu dùng chung, các thủ tục khởi, các lời gọi thủ tục, thư viện Khi cần thì modul chính mới gọi các modul khác

3.2.2 Cấu trúc chương trình động

 Khi nạp thêm modul vào bộ nhớ thì chỉ nạp một modul mà có thủtục hay thư viên có sử dụng Khi thực hiện xong thì nó có thể giải phóng bộ nhớ để cấp cho cho modul khác Như vậy cấu trúc động đáp ứng được mục tiêu tiết kiệm bộ nhớ của HĐH và sự đa chương của HĐH được tăng lên

 Một chương trình viết bằng Visual basic dịch theo cấu trúc động thành các file EXE không thể chạy trên một máy khác nếu thiếu các tập tin OCX, DDL

 Windows cung cấp nhiều DLL, mỗi DLL chứa một nhóm các thủtục dịch vụ, DLL có thể sinh ra trong quá trình cài đặt một ứng dụng, các DLL này bị xóa, hỏng thì các ứng dụng không hoạt động được, vì lời gọi thủ tục không được đáp ứng

3.2.2 Cấu trúc chương trình động

 Tập tin DLL hỗ trợ rất nhiều cho windows trong việc thực thi chương trình cấu trúc động, DLL chứa các thủ tục dịch vụ mà hầu hết các ứng dụng đều sử dụng nó DLL không được nạp vào trong quá trình khởi động mà nó chỉ được nạp khi có một thủ tục dịch vụgọi nó Có nhiều chương trình, tiến trình sử dụng đồng thời các thủtục DLL HĐH giải phóng ngay DLL khi không còn chương trình, tiến trình nào sử dụng nữa

 Việc thực thi chương trình cấu trúc động có hạn chế là chậm vì nó không được nạp vào tất cả vào bộ nhớ

 Cấu trúc động tiết kiệm được bộ nhớ nên làm cho sư đa chương của HĐH tăng lên

3.2.3 Cấu trúc chương trình Overlay

 Cấu trúc Overlay chương trình cũng được biên dịch thành các modul riêng lẽ và được phân thành các lớp, các modul trong cùng một lớp có thể khác nhau, kích thước của modul lớn nhất là kích thước của lớp

 Modul của lớp 0 có thể nạp modul của lớp 1,2,3…vào bộ nhớmodul trong cùng lớp không được gọi lẫn nhau

 Cấu trúc Overlay đòi người lập trình cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết như: chương trình gồm modul nào, modul gồm có thủ tục, thư viện nào, kích thước của modul và chương trình chia bao nhiêu lớp modul để cung cấp cho chương trình biên dịch xây dựng sơ đồbiên dịch và thực thi Sơ đồ này gọi là sơ đồ Overlay

3.2.3 Cấu trúc chương trình Overlay

 HĐH dùng sơ đồ Overlay để điều khiển thực thi chương trình

 Các sơ đồ Overlay chứa trong chương trình, chứa trong một tập tin riêng và gọi là tập tin sơ đồ Overlay và nó được nạp đầu tiên khi HĐH thực hiện chương trình

 Khi thực hiện chương trình Overlay HĐH chia không gian nhớthành các đoạn nhớ có kích thước bằng với kích thước của các lớp modul chương trình và nạp sơ đồ overlay vào bộ nhớ, nạp modul ởlớp 0 và dùng sơ đồ Overlay để nạp các modul khác

• Các modul phải nạp vào đúng đoạn bộ nhớ dành cho lớp

• Modul được gọi nạp vào sau được quyền ghi đè lên modul cùng lớp đã nạp vào

3.2.3 Cấu trúc chương trình Overlay

 Cấu trúc Overlay chỉ cần đủ bộ nhớ để nạp sơ đồ overlay và các modul lớn nhất trong lớp

 Cấu trúc này có hạn chế là vừa tốn bộ nhớ để chứa sơ đồ overlay, vừa tốn bộ nhớ của các modul trong một lớp có sự chênh lệch lớn

về kích thước

 Ví dụ: Trong một lớp có một modul 5Kb và một modul 50Kb thì

hệ điều hành phải dành ra một đoạn nhớ 50Kb cho lớp này, rõ ràng

sẽ lãng phí 45Kb khi trong đoạn nhớ 50Kb chỉ chứa một modul 5Kb

 Cấu trúc overlay đòi hỏi cao ở người lập trình, nên ít HĐH sử dụng

3.2.4 Cấu trúc chương trình phân trang

 Cấu trúc phân trang các modul được biên dịch thành một modul duy nhất và được chia thành các phần có kích thước bằng nhau

 Để thực hiện chương trình cấu trúc phân trang HĐH phải được phân trang gồm các không gian có kích thước bằng nhau, bằng với kích thước các trang chương trình gọi là các khung trang (Frame)

 Khi thực hiện chương trình, HĐH có thể nạp tất cả các trang của chương trình vào tại các khung trang liên tiếp hoặc không liên tiếp trên bộ nhớ

 HĐH phải xây dựng các bảng điều khiển trang (PCT: page control table) để biết được một trang đã được nạp vào bộ nhớ, nếu nạp rồi thì được chứa ở khung trang nào để xử lý

3.2.5 Cấu trúc chương trình phân đoạn

 Cấu trúc phân đoạn các modul được biên dịch thành các modul riêng lẻ và gọi là các đoạn chương trình

 Ví dụ: Nếu một chương trình EXE nào đó có 3 đoạn chương trình chính là code, data, stack và có một thủ tục gọi 2 thư viện thì chương trình này biên dịch thành 5 segment, 3code, 1data, 1stack

 Để thực hiện các chương trình này bộ nhớ phải được phân đoạn, gồm các không gian nhớ có kích thước không thể bằng nhau, tương ứng với kích thước của các đoạn chương trình, gọi là các phân đoạn bộ nhớ

 Khi thực hiện chương trình thì HĐH có thể nạp tất cả các đoạn của chương trình tại các phân đoạn liên tiếp hoặc không liên tiếp trên

bộ nhớ

3.2.5 Cấu trúc chương trình phân đoạn

 HĐH phải xây dựng các bảng điều khiển đoạn (SCT: segment control table), để biết được một đoạn đã được nạp vào bộ nhớ hay chưa, nếu đã nạp rồi thì được chứa ở phân đoạn nào

Ưu điểm của phân trang và phân đoạn

 Không yêu cầu cao ở người lập trình, được hỗ trợ từ các chương trình biên dịch, tiết kiệm được bộ nhớ

 Hai cấu trúc này được các HĐH đa nhiệm, đa chương hỗ trợ nhiều

và đặc biệt là HĐH có cài đặt sử dụng máy ảo

 Ít xảy ra việc thiếu bộ nhớ vì chương trình có thể được đưa ra khỏi đĩa và đưa vào lại thời điểm thích hợp

Hạn chế: tốn bộ nhớ để chứa PCT, SCT của chương trình, làm chậm

 Phần user progaram đối với:

• HĐH đơn nhiệm: chỉ cấp cho 1 chương trình duy nhất, đơn giản, kiểm soát được sự truy xuất của người sử dụng Bằng cách tạo ra một thanh ghi giới hạn địa chỉ Khi truy xuất vào một địa chỉ nào đó thì HĐH so sanh với địa chỉ đã ghi trong thanh ghi giới hạn Nếu nhỏ hơn không cho truy xuất, ngược lại cho truy xuất Việc này có sự hỗ trợ phần cứng

3.3.1 Kỹ thuật phân vùng cố định

• HĐH đa nhiệm: cấp cho nhiều chương trình nên user program lại được phân ra thành nhiều phân vùng có kích thước bằng nhau hoặc không bằng nhau Khi tiến trình nạp vào thì kích thước của nó phải nhỏ hơn kích thước của partition còn trống Nếu không còn Partition còn trống thì HĐH phải chuyển một tiến trình (Swap out) nào đó ra ngoài, phải thỏa mãn:

- Tiến trình đó có kích thước vừa đủ

- Không ở trạng thái ready, running

- Không có liên quan đến tiến trình running khác

Lấy partition này nạp cho tiến trình vừa có yêu cầu

3.3.1 Kỹ thuật phân vùng cố định

 Có 2 trở ngại đối với partition có kích thước bằng nhau:

• Thứ nhất: chương trình có kích thước quá lớn với partition thìphải theo cấu trúc Overlay, chỉ nạp những phần cần thiết của chương trình vào trong bộ nhớ chính, khi có yêu cầu thì mới nạp các modul vào đúng partition của chương trình và sẽ ghi đè lên bất kỳ chương trình hoặc dữ liệu ở trong đó

• Thứ hai: chương trình có kích thước nhỏ hơn với partition thì xảy

ra hiện tượng phân mảnh bên trong bộ nhớ, gây lãng phí bộ nhớ

Ví dụ: có 3 không gian trống là 30KB nằm rãi rác trên bộ nhớ, khi nạp một modul có kích thước 12KB cũng không thực hiện được, hiện tượng này gọi là phân mảnh bộ nhớ

Process

3.3.1 Kỹ thuật phân vùng cố định

 Mỗi phân vùng có một hàng đợi: khi tiến trình cần nạp vào bộ nhớthì nó đưa đến hàng đợi của phân vùng có kích thước vừa đủ với nó đưa nó vào hàng đợi

 Hệ thống dùng hàng đợi chung cho tất cả các phân vùng: các tiến trình muốn được nạp vào phân vùng nhưng chưa được vào sẽ được đưa vào hàng đợi chung Khi có phân vùng trống, hệ thống sẽ chọn một tiến trình có kích thước vừa đủ đưa vào phân vùng trống đó

3.3.2 Kỹ thuật phân vùng động

 Số lượng các phân vùng trên bộ nhớ và kích thước của mỗi phân vùng có thể thay đổi Phần user program trên bộ nhớ không được phân chia trước mà khi có một tiến trình được nạp vào bộ nhớ thì HĐH cấp cho nó một không gian vừa đủ để chứa tiến trình, phần còn lại để sẵn sàng cấp cho tiến trình khác sau này

3.3.2 Kỹ thuật phân vùng động

 Khi tiến trình yêu cầu thì nó tìm vùng nhớ vừa đủ, nếu phân vùng lớn thì một phần được cấp cho tiến trình, phần còn lại tìm và kết hợp với các tiến trình khác để tạo thành vùng lớn hơn cấp cho các tiến trình có yêu cầu Điều này làm giảm tốc độ hệ thống, hơn nữa khi tiến trình Swap out và phải swap in vào lại để hoạt động

 Kỹ thuật phân vùng động HĐH quản lý các khối nhớ đã cấp phát hay còn trống bằng sử dụng sơ đồ bit và danh sách liên kết: