Bài giảng Hệ điều hành - Chương 5: Quản lý nhập/xuất - Đặng Minh Quân

Hệ điều hành 
Chương 5 : Quản lý nhập/xuất 
Tổng quan 
Khái niệm cơ bản 
Mô hình tổ chức phần cứng nhập / xuất 
Cài đặt hệ thống quản lý và truy xuất nhập / xuất 
Các khái niệm cơ bản 
                  CÁC LỚP                 CHỨC NĂNG NHẬP/XUẤT 
Xử lý của người dùng 
Tạo lời gọi nhập / xuất , định dạng nhập / xuất 
Phần mềm độc lập thiết bị 
Đặt tên , bảo vệ , tổ chức khối , bộ đệm , định vị 
Điều khiển thiết bị 
Thiết lập thanh ghi thiết bị , kiểm tra trạng thái 
Kiểm soát ngắt 
Báo cho driver khi nhập / xuất hoàn tất 
Phần cứng 
Thực hiện thao tác nhập / xuất 
Thiết bị nhập / xuất 
Thiết bị khối là thiết bị mà thông tin được lưu trữ trong những khối có kích thước cố định và được định vị bởi địa chỉ . 
Đặc điểm của thiết bị khối là chúng có thể được truy xuất ( đọc hoặc ghi ) từng khối riêng biệt , và chương trình có thể truy xuất một khối bất kỳ nào đó . 
Đĩa là một ví dụ cho loại thiết bị khối . 
Thiết bị nhập / xuất 
Một dạng thiết bị thứ hai là thiết bị tuần tự . 
Ở dạng thiết bị này , việc gửi và nhận thông tin dựa trên là chuỗi các bits, không có xác định địa chỉ và không thể thực hiện thao tác seek được . 
Màn hình , bàn phím , máy in, card mạng , chuột , và các loại thiết bị khác không phải dạng đĩa là thiết bị tuần tự . 
Thiết bị nhập / xuất 
Thiết bị tương tác được với con người : dùng để giao tiếp giữa người và máy . Ví dụ : màn hình , bàn phím , chuột , máy in ... 
Thiết bị tương tác trong hệ thống máy tính là các thiết bị giao tiếp với nhau . Ví dụ : đĩa , băng từ , card giao tiếp ... 
Thiết bị truyền th ô ng : như modem... 
Thiết bị nhập / xuất 
Những điểm khác nhau giữa các thiết bị I/O gồm : 
 Tốc độ truyền dữ liệu , ví dụ bàn phím : 0.01 KB/s, chuột 0.02 KB/s ... 
Công dụng . 
Đơn vị truyền dữ liệu ( khối hoặc ký tự ). 
Biểu diễn dữ liệu , điều này tùy thuộc vào từng thiết bị cụ thể . 
Tình trạng lỗi : nguyên nhân gây ra lỗi , cách mà chúng báo về ... 
Tổ chức của chức năng nhập / xuất 
Có ba cách để thực hiện I/O : 
Một là , bộ xử lý phát sinh một lệnh I/O đến các đơn vị I/O, sau đó , nó chờ trong trạng thái "busy" cho đến khi thao tác này hoàn tất trước khi tiếp tục xử lý . 
Hai là , bộ xử lý phát sinh một lệnh I/O đến các đơn vị I/O, sau đó , nó tiếp tục việc xử lý cho tới khi nhận được một ngắt từ đơn vị I/O báo là đã hoàn tất , nó tạm ngưng việc xử lý hiện tại để chuyển qua xử lý ngắt . 
Ba là , sử dụng cơ chế DMA ( như được đề cập ở sau ) 
Tổ chức của chức năng nhập / xuất 
Các bước tiến hóa của chức năng I/O : 
Bộ xử lý kiểm soát trực tiếp các thiết bị ngoại vi. 
Hệ thống có thêm bộ điều khiển thiết bị . Bộ xử lý sử dụng cách thực hiện nhập xuất thứ nhất . Theo cách này bộ xử lý được tách rời khỏi các mô tả chi tiết của các thiết bị ngoại vi. 
Bộ xử lý sử dụng thêm cơ chế ngắt . 
Sử dụng cơ chế DMA, bộ xử lý truy xuất những dữ liệu I/O trực tiếp trong bộ nhớ chính . 
Bộ điều khiển thiết bị 
Một đơn vị bị nhập xuất thường được chia làm hai thành phần chính là thành phần cơ và thành phần điện tử . 
Thành phần điện tử được gọi là bộ phận điều khiển thiết bị hay bộ tương thích , trong các máy vi tính thường được gọi là card giao tiếp . 
 Thành phần cơ chính là bản thân thiết bị . 
Giao tiếp giữa bộ điều khiển và thiết bị là giao tiếp ở mức thấp . 
Bộ điều khiển thiết bị 
Chức năng của bộ điều khiển là giao tiếp với hệ điều hành vì hệ điều hành không thể truy xuất trực tiếp với thiết bị . Việc thông tin thông qua hệ thống đường truyền gọi là bus. 
Bộ điều khiển thiết bị 
Công việc của bộ điều khiển là chuyển đổi dãy các bit tuần tự trong một khối các byte và thực hiện sửa chửa nếu cần thiết . 
Thông thường khối các byte được tổ chức thành từng bit và đặt trong buffer của bộ điều khiển . 
Sau khi thực hiện checksum nội dung của buffer sẽ được chuyển vào bộ nhớ chính . 
Bộ điều khiển thiết bị 
Mỗi bộ điều khiển có một số thanh ghi để liên lạc với CPU. 
Trên một số máy tính , các thanh ghi này là một phần của bộ nhớ chính tại một địa chỉ xác định gọi là ánh xạ bộ nhớ nhập xuất . 
Hệ máy PC dành ra một vùng địa chỉ đặc biệt gọi là địa chỉ nhập xuất và trong đó được chia làm nhiều đoạn , mỗi đoạn cho một loại thiết bị như sau : 
Bộ điều khiển thiết bị 
Bộ điều khiển nhập / xuất 
Địa chỉ nhập / xuất 
Vectơ ngắt 
Đồng hồ 
040 - 043 
8 
Bàn phím 
060 - 063 
9 
RS232 phụ 
2F8 - 2FF 
11 
Đĩa cứng 
320 - 32F 
13 
Máy in 
378 - 37F 
15 
Màn hình mono 
380 - 3BF 
- 
Màn hình màu 
3D0 - 3DF 
- 
Đĩa mềm 
3F0 - 3F7 
14 
RS232 chính 
3F8 - 3FF 
12 
Bộ điều khiển thiết bị 
Hệ điều hành thực hiện nhập xuất bằng cách ghi lệnh lên các thanh ghi của bộ điều khiển . Ví dụ : bộ điều khiển đĩa mềm của IBMPC chấp nhận 15 lệnh khác nhau như : READ, WRITE, SEEK, FORMAT, RECALIBRATE, một số lệnh có tham số và các tham số cũng được nạp vào thanh ghi . 
Khi một lệnh đã được chấp nhận , CPU sẽ rời bộ điều khiển để thực hiện công việc khác . 
Sau khi thực hiện xong , bộ điều khiển phát sinh một ngắt để báo hiệu cho CPU biết và đến lấy kết quả được lưu giữ trong các thanh ghi . 
DMA (direct memory access) 
Q uá trình đọc đĩa mà không có DMA 
Trước tiên , bộ điều khiển đọc tuần tự các khối trên đĩa , từng bit từng bit cho tới khi toàn bộ khối được đưa vào buffer của bộ điều khiển . 
Sau đó máy tính thực hiện checksum để đảm bảo không có lỗi xảy ra . 
Tiếp theo bộ điều khiển tạo ra một ngắt để báo cho CPU biết . 
CPU đến lấy dữ liệu trong buffer chuyển về bộ nhớ chính bằng cách tạo một vòng lặp đọc lần lượt từng byte. 
Thao tác này làm lãng phí thời gian của CPU. 
DMA (direct memory access) 
Q uá trình đọc đĩa có DMA 
Khi sử dụng , CPU gửi cho bộ điều khiển một số các thông số như địa chỉ trên đĩa của khối , địa chỉ trong bộ nhớ nơi định vị khối , số lượng byte dữ liệu để chuyển . 
 Sau khi bộ điều khiển đã đọc toàn bộ dữ liệu từ thiết bị vào buffer của nó và kiểm tra checksum , b ộ điều khiển chuyển byte đầu tiên vào bộ nhớ chính tại địa chỉ được mô tả bởi địa chỉ bộ nhớ DMA. 
Sau đó nó tăng địa chỉ DMA và giảm số bytes phải chuyển . Quá trình này lập cho tới khi số bytes phải chuyển bằng 0, và bộ điều khiển tạo một ngắt . Như vậy không cần phải copy khối vào trong bộ nhớ , nó đã hiện hữu trong bộ nhớ . 
DMA (direct memory access) 
Vận chuyển DMA được thực hiện bởi bộ điều khiển 
Cài đặt hệ thống quản lý và truy xuất nhập / xuất 
Kiểm soát ngắt 
Đ iều khiển thiết bị 
P hần mềm hệ điều hành độc lập thiết bị 
P hần mềm mức người sử dụng . 
Kiểm soát ngắt 
HĐH thực hiện thao tác nhập xuất cho tới khi hoàn tất mới tạo ra một ngắt . Tiến trình có thể tự khóa lại bằng cách thực hiện lệnh WAIT theo một biến điều kiện hoặc RECEIVE theo một thông điệp . 
Khi một ngắt xảy ra , hàm xử lý ngắt khởi tạo một tiến trình mới để xử lý ngắt . 
Nó sẽ thực hiện một tín hiệu trên biến điều kiện và gửi những thông điệp đến cho các tiến trình bị khóa . 
Tổng quát , chức năng của ngắt là làm cho một tiến trình đang bị khóa được thi hành trở lại . 
Đ iều khiển thiết bị 
Device drivers phát ra các chỉ thị và kiểm tra xem chỉ thị đó có được thực hiện chính xác không . 
Chức năng của device drivers là nhận những yêu cầu trừu tượng từ phần mềm nhập / xuất độc lập thiết bị ở lớp trên , và giám sát yêu cầu này thực hiện . Nếu driver đang rảnh , nó sẽ thực hiện ngay yêu cầu , ngược lại , yêu cầu đó sẽ được đưa vào hàng đợi . 
Đ iều khiển thiết bị 
Một khi đã xác định được chỉ thị cho bộ điều khiển , nó bắt đầu thực hiện bằng cách chuyển lệnh vào thanh ghi của bộ điều khiển thiết bị . 
Trong khi lệnh thực hiện . Có hai trường hợp xảy ra : 
Một là device drivers phải chờ cho tới khi bộ điều khiển thực hiện xong bằng cách tự khóa lại cho tới khi một ngắt phát sinh mở khóa cho nó . 
 Hai là , hệ điều hành chấm dứt mà không chờ , vì vậy driver không cần thiết phải khóa . 
Đ iều khiển thiết bị 
Sau khi hệ điều hành hoàn tất việc kiểm tra lỗi và nếu mọi thứ đều ổn driver sẽ chuyển dữ liệu cho phần mềm độc lập thiết bị . 
Cuối cùng nó sẽ trả về thông tin về trạng thái hay lỗi cho nơi gọi và nếu có một yêu cầu khác ở hàng đợi , nó sẽ thực hiện tiếp , nếu không nó sẽ khóa lại chờ đến yêu cầu tiếp theo . 
Phần mềm nhập / xuất độc lập thiết bị 
Trước tiên nó phải có chức năng tạo một ánh xạ giữa thiết bị và một tên hình thức . 
Thứ hai là bảo vệ thiết bị , là cho phép hay không cho phép người sử dụng truy xuất thiết bị . 
Thứ ba là cung cấp khối dữ liệu độc lập thiết bị 
Thứ tư là cung cấp buffer để hỗ trợ cho đồng bộ hóa quá trình hoạt động của hệ thống . 
Thứ năm là định vị lưu trữ trên các thiết bị khối . 
Thứ sáu là cấp phát và giải phóng các thiết bị tận hiến . 
Cuối cùng là thông báo lỗi cho lớp bên trên từ các lỗi do device driver báo về . 
Phần mềm nhập / xuất phạm vi người sử dụng 
Hầu hết các phần mềm nhập / xuất đều ở bên trong của hệ điều hành và một phần nhỏ của chúng chứa các thư viện liên kết với chương trình của người sử dụng ngay cả những chương trình thi hành bên ngoài hạt nhân . 
Tập hợp tất cả những hàm thư viện này rõ ràng là một phần của hệ thống nhập / xuất . 
Các hàm thư viện chuyển các tham số thích hợp cho lời gọi hệ thống và hàm thư viện thực hiện việc định dạng cho nhập và xuất