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 hồn 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 hồn tất.
 Nếu thiết bị khơng thể thực hiện lệnh ghi được (ví dụ hỏng dây nối)? =>kết
thúc và trả về số bytes đã ghi được.
Dễ hiểu, dễ sử dụng
Không hiệu quả trong một số trường hợp
 Nonblocking – HĐH đọc và ghi các bytes khi cĩ thể, khơng cần ứng
dụng phải dừng lại.
 Hiện thực bằng kỹ thuật multi-threading
 Trả về ngay số byte được đọc hoặc ghi
Buffered và Unbuffered
8
 Buffered:
 Trong trường hợp buffer dữ liệu của thiết bị quá nhỏ, để
khơng 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 cĩ 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: Khơng 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
nĩ hồn tất
 Asynchronous: các xử lý khác của ứng dụng
cĩ 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 đĩ (device controller)
 Bộ điều khiển:
 Trung gian giao tiếp giữa thiết bị và HĐH
 Thơng qua bus - hệ thống mạch truyền dẫn
 Cơng 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 hồn tất.
Các thiết bị nhập xuất và bus hệ thống
11
Địa chỉ giao tiếp thiết bị
12
 HĐH giao tiếp với thiết bị thơng qua địa chỉ nhập xuất
của bộ điều khiển:
Mơ hình phân lớp trong quản lý nhập xuất
13
 Hệ thống nhập xuất được tổ chức theo từng lớp, mỗi lớp
cĩ 1 chức năng nhất định và cĩ sự hỗ trợ liên hồn 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 hố hoạt động của hệ thống
 Cấp phát và giải phĩng thiết bị
 Thơng báo lỗi cho người dùng (nếu cĩ)
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 sốt ngắt - Interrupt handler
17
 Tương tác giữa HĐH và các thiết bị phần cứng đều được thực
hiện thơng qua cơ chế ngắt (interrupt).
 Bộ kiểm sốt 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 thơng báo quá trình nhập xuất hồn tất hoặc cĩ lỗi
xảy ra trong quá trình nhập xuất từ bộ điều khiển thiết bị để
chuyển lên cho HĐH.
TRUY CẬP I/O BẰÈNG 
PHƯƠNG PHÁP POLLING 
 Hiện thực:
Trạng thái thiết bị: busy, error hay command-
ready
 Khi thiết bị rảnh, CPU ra lệnh truy cập I/O
Controller đọc lệnh và thực thi tác vụ.
Khi thực thi xong, controller đặt lại trạng thái
của thiết bị: idle hoặc error.
CPU liên tục kiểm tra trạng thái thiết bị để đọc, 
ghi dữ liệu nếu cần thiết
 Nhận xét
18
TRUY CẬP I/O BẰÈNG 
CÁCH SỬ DỤNG NGẮT QUÃNG
 Thiết bị I/O tạo ngắt quãng khi hoàn tất tác vụ
 Khi có ngắt quãng
 Trình xử lý ngắt quãng nhận interrupt
 Xác định thiết bị gây ngắt quãng
 Lấy dữ liệu từ device register (lệnh trước là lệnh đọc)
 Khởi động lệnh tiếp theo cho thiết bị đó
 Xử lý ngắt quãng theo độ ưu tiên, có thể hoãn hoặc
hủy một số ngắt quãng
 Ngắt quãng cũng được dùng khi xảy ra biến cố
 Nhận xét?
19
CHU KỲ NGẮT QUÃNG CỦA I/O
20
Cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA
21
 DMA = Direct Memory Access
 Quá trình đọc đĩa khơng cĩ 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 hồn
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 khơng bị lãng phí bằng cách:
 HĐH gửi cho bộ điều khiển đĩa các thơng 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 nĩ.
 Sau khi đọc xong, bộ điều khiển chuyển lần lượt từng byte từ bộ
đệm của nĩ 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 thơng báo cho CPU biết quá trình
chuyển dữ liệu đã hồn tất.
Cơ chế DMA
23
 Khơng lãng phí CPU cho việc chuyển đổi dữ liệu bộ
đệm sang bộ nhớ
-24-
CÁC CHỨC NĂNG QUẢN LÝ I/O 
Do module quản lý I/O của hệ điều hành
(Kernel I/O Subsystem) đảm nhận
Các chức năng chính
Định thời I/O ( I/O scheduling)
Dành riêng thiết bị (device reservation)
Xử lý lỗi (error handling)
Buffering
Caching
Spooling
Quản lý lỗi & Bảo vệ nhập xuất thiết bị
25
 Nguyên nhân:
 Người dùng hay HĐH cĩ thể vơ 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 thơng 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 cĩ 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
 Lưu dữ liệu trong bộ nhớ thay vì chuyển trực tiếp dữ
liệu giữa các thiết bị
 Có thể được hiện thực ở
 Cấp phần cứng
 Cấp hệ điều hành
 Mục đích
 Xử lý vấn đề tốc độ các thiết bị khác nhau
 Xử lý vấn đề kích thước khối dữ liệu trao đổi giữa các
thiết bị khác nhau
 Giảm thiểu thời gian quá trình bị chặn khi ghi dữ liệu
27
CACHING & SPOOLING
 Caching
 Dùng vùng nhớ tốc độ cao để lưu bản sao của dữ liệu
thường xuyên truy xuất
 Đảm bảo tính nhất quán của cache:
 Kỹ thuật write through
 Kỹ thuật write back 
 Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-line)
 Dùng thiết bị lưu trữ tốc độ trung bình làm trung gian
giao tiếp giữa 2 thiết bị có tốc độ chênh lệch nhau
 Ví dụ : dịch vụ in ấn
28
TĂNG HIỆU SUẤT HỆ THỐNG I/O
29
 Giảm thiểu copy dữ liệu (caching)
 Giảm tần số interrupt (dùng kích thước khối dữ liệu
truyền nhận lớn, smart controller)
 Giảm tải cho CPU bằng DMA
 Tăng số lượng thiết bị để tránh tranh chấp
 Tăng dung lượng bộ nhớ thực
 Cân bằêng hiệu suất CPU, bộ nhớ, bus và thiết bị I/O
để đạt throughput cao nhất
