Bài giảng Hệ thống quản lý thiết bị

Chương V Hệ thống quản lý thiết bị Mục tiêu Sau chương này, sinh viên sẽ phân biệt được thế nào là thiết bị chuẩn và thiết bị mở rộng. Đồng thời hiểu được nguyên tắc tổ chức, quản lý thiết bị ngoại vi của hệ điều hành và một số kỹ thuật áp dụng trong quản lý thiết bị ngoại vi. Nội dung Các nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị ngoại vi của hệ điều hành. Các kỹ thuật áp dụng trong quản lý thiết bị. I. Các nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị I.1. Yêu cầu của quản lý thiết bị Chức năng của thiết bị ngoại vi là đảm nhiệm việc truyền thông tin giữa các thành phần trong máy tính và với môi trường bên ngoài. Do đó yêu cầu hệ điều hành là tìm phương pháp tổ chức và truy nhập thông tin trên các thiết bị ngoại vi. Các thiết bị có thể khác nhau về bản chất và nguyên lý hoạt động, hệ điều hành phải tìm cách quản lý, điều khiển và khai thác thiết bị một cách hiệu quả. I.2. Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị trên cơ sở CPU chỉ điều khiển các thao tác vào/ra thông qua thiết bị đặc biệt – thiết bị quản lý chứ không thực hiện trực tiếp thao tác vào ra. Thiết bị quản lý đóng vai trò như một máy tính chuyên dụng có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị kết nối với nó gọi là kênh vào ra. Mỗi kênh này có ngôn ngữ và hệ lệnh riêng I.2. Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị Mỗi hệ thống máy tính có thể có nhiều kênh vào/ra. Mỗi kênh có thể có những kênh con của minh. Các kênh hoạt động theo chương trình điều khiển kênh. CPU phải hiểu được ngôn ngữ kênh, nó được nạp vào khi khởi động hệ điều hành hoặc ngay khi hệ điều hành đang hoạt động CPU điều khiển các thao tác vào/ra thông qua các chương trình điều khiển kênh tương ứng với công việc cần thực hiện. I.2. Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị Với nguyên lý điều khiển trên, cho phép trong lúc thực hiện vào ra được thực hiện ở thiết bị ngoại vi thì CPU vẫn hoạt động song tính toán và điều khiển. Khi có kết quả vào ra kênh sẽ phát tín hiệu ngắt cho CPU biết. Tùy theo hoàn cảnh, tín hiệu ngắt được xử lý ngay hoặc được lưu trữ để xử lý khi có điều kiện hoặc có thể hủy bỏ. I.2. Nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị Để hiệu suất xử lý cao, hệ thống phải biết càng sớm càng tốt thời điểm kết thúc của hoạt động vào ra. Kênh sẽ báo cho hệ thống biết kết quả vào/ra vào thời điểm sớm nhất có thể, do đó hoạt động vào/ra có thể kết thúc ở nhiều mức, nhiều nơi khác nhau. Phương pháp này cho phép gắn nhiều thiết bị đồng thời mà không phụ thuộc vào cấu hình của thiết bị. II. Các kỹ thuật áp dụng trong quản lý thiết bị II.1. Kỹ thuật vùng đệm. II.2. Kỹ thuật kết khối. II.3. Xử lý lỗi. II.4. SPOOL. II.1. Kỹ thuật vùng đệm II.1.1. Khái niệm và mục đích của vùng đệm. Vùng đệm là vùng nhớ trung gian làm nơi lưu trữ tạm thời trong các thao tác vào/ra. Hệ thống thưc hiện vào/ra qua các bước: Kích hoạt thiết bị. Chờ thiết bị đạt trạng thái thích hợp. Chờ thao tác vào/ra thực hiện. II.1.1. Khái niệm và mục đích của vùng đệm. Thao tác vào/ra cần phải sử dụng vùng đệm nhằm mục đích: Giảm số lượng các thao tác vào/ra vật lý. Cho phép thực hiện song song các thao tác vào ra với các thao tác xử lý thông tin khác nhau. Cho phép thực hiện trước các phép nhập dữ liệu. II.1.2. Phân loại vùng đệm Có nhiều phương pháp tổ chức vùng đệm khác nhau, có thể chia thành 3 loại: Vùng đệm trung chuyển. Vùng đệm xử lý. Vùng đệm vòng tròn. Vùng đệm trung chuyển Hệ thống tổ chức hai vùng nhớ riêng biệt: Vùng nhớ vào: Chỉ dùng để nhập thông tin. Vùng nhớ ra: Dùng để ghi thông tin. Tương ứng hệ thống có hai lệnh để đưa thông tin vào và lấy thông tin ra (write/read) Để giảm thời gian chờ, hệ thống có thể tổ chức nhiều vùng đệm vào. Khi hết thông tin ở một vùng đệm này, hệ thống chuyển sang vùng đệm khác. Vùng đệm trung chuyển Đối với vùng đệm ra thông tin cũng được xử lý tương tự theo chiều ngược lại. Ưu điểm của vùng đệm trung chuyển là có hệ số song song cao, phổ dụng, cách tổ chức đơn giản. Nhược điểm: Tốn bộ nhớ, kéo dài thời gian trao đổi thông tin trong bộ nhớ. Vùng đệm xử lý Trong vùng đệm xử lý, cả thông tin vào, ra cùng được xử lý trong một vùng bộ nhớ, thông tin không cần phải lưu ở nhiều vị trí khác nhau trong bộ nhớ. Lệnh đọc chỉ cần xác định địa chỉ thông tin, không cần cung cấp giá trị thông tin. Ưu điểm: Tiết kiệm không gian nhớ, rút ngắn thời gian trao đổi tt. Nhược điểm: Tốc độ giải phóng vùng nhớ chậm, Phương pháp tổ chức phức tạp. Vùng đệm vòng tròn Trong cách tổ chức này, hệ thống làm việc với ba vùng đệm: Một vùng để đưa thông tin vào, một vùng để đưa thông tin ra và một vùng xử lý. Sau một khoảng thời gian nhất định, chức năng của cách vùng đệm được trao đổi cho nhau -> Vòng tròn. Loại vùng đệm này có thể gắn với một file cụ thể hoặc gắn với toàn bộ hệ thống. II.2. Kỹ Thuật kết khối Để giảm số lần truy nhập vật lý, hệ thống sử dụng kỹ thuật kết khối tức là ghép nhiều bản ghi logic thành một bàn ghi vật lý. Việc trao đổi thông tin giữa các bộ phận được tiến hành theo bản ghi vật lý. Các cách tổ chức kết khối như sau: Mỗi bản ghi vật lý chứa một số nguyên lần các bản ghi logic, giá trị này là như nhau với mọi bản ghi vật lý. II.2. Kỹ Thuật kết khối Mỗi bản ghi vật lý chứa một số nguyên lần các bản ghi logic nhưng số lượng các bản ghi logic không giống nhau với những bản ghi vật lý khác nhau. Bản ghi vật lý có độ dài cố định không phụ thuộc vào bản ghi logic. Bản ghi vật lý chỉ chứa một phần bản ghi logic, vì vậy phải kết hợp nhiều bản ghi vật lý mới được bản ghi logic. Phương pháp kết khối được chọn tùy thuộc vào vấn đề cần giải quyết và phương thức hoạt động của thiết bị II.2. Kỹ Thuật kết khối Kỹ thuật kết khối giúp hạn chế truy nhập bất hợp lệ. Nếu không đúng hệ số kết khối thì hệ thống không tiếp tục thực hiện các phép truy nhập thông tin. Phương pháp thứ tư còn hỗ trợ lưu trữ, sao chép các file có kích thước lớn. Kỹ thuật kết khối cần phải có bộ nhớ lưu trữ chương trình phục vụ kết khối và mở khối, tốn thời gian xử lý bản ghi. II.3. Xử lý lỗi Phương pháp chủ yếu áp dụng trong chống lỗi vào/ra là giao trách nhiệm phát hiện lỗi cho hệ thống. Khi phát hiện lỗi hệ thống có gắng khắc phục bằng cách thực hiện lại nhiều lần thao tác vào/ra. Nếu vẫn có lỗi ổn định thì cố gắng khôi phục thông tin ban đầu, trường hợp không thể khắc phục được thì thông báo lỗi cho người sử dụng tự giải quyết. II.3. Xử lý lỗi Việc kiểm tra lỗi thông thường do các thiết bị điều khiển vào/ra thực hiện, sau đó mới thông bào lỗi cho hệ thống và hệ thống chịu trách nhiệm thực hiện các tác động tương ứng. Việc áp dụng các mã sửa sai giúp hệ thống khắc phục các lỗi dữ liệu thường gặp II.3. Xử lý lỗi Phương pháp kiểm tra đơn giản nhất là VRC (Vertical Redundancy Check) Thêm vào một bit vào dãy bit cần kiểm tra. Bit này bằng 0 nếu dẫy có số bit 1 là chẵn, và ngược lại. Hệ thông căn cứ vào đó để phát hiện lỗi. Nhược điểm là không phát hiện được bít lỗi II.3. Xử lý lỗi Để khắc phục nhược điểm của VRC, người ta sử dụng thêm phương pháp LRC (Longitudinal Redundancy Check) Cho phương pháp kiểm tra lỗi theo hai chiều. II.4.SPOOL(Simulteneous Peripheral Operations On Line) Trên thực tế, nhiều trường hợp hệ thống mô phỏng hoạt động vào ra bằng chương trình. Các chương trình này có thể hoạt động song song và tuân thủ theo nguyên tắc của quản lý tiến trình. Việc mô phỏng thiết bị ngoại vi làm xuất hiện thiết bị ảo sẽ tạo ra hai ứng dụng khác nhau: Mô phỏng quá trình điều khiển và quản lý thiết bị mới đang chế tạo hoặc chưa có đk lắp đặt. Tạo ra các SPOOL (hệ thống mô phỏng các phép trao đổi ngoại vi trong chế độ trực tiếp) II.4.SPOOL(Simulteneous Peripheral Operations On Line) Nhiệm vụ của SPOOL là tạo ra các hiệu ứng sử dụng song song, các chỉ thị chỉ được phép khai thác trong chế độ tuần tự. Kỹ thuật SPOOL mô phỏng các thiết bị này bằng các thiết bị ảo và cung cấp cho các tiến trình có yêu cầu. SPOOL được sử dụng rộng rãi để thay thế nhiều loại thiết bị không có khả năng sử dụng chung để nâng cao khả năng hoạt động song song của các tiến trình. Câu hỏi ôn tập Câu 1: Phân biệt thiết bị chuẩn và không chuẩn trong hệ thống máy tính. Câu 2: Trình bày nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị ngoại vi của hệ điều hành. Câu 3: Trình bày khái niệm và mục đích sử dụng của vùng đệm trong các phép trao đổi ngoại vi. Câu 4: Phân biệt các loại vùng đệm và nêu rõ ưu nhước điểm của các loại đó. Câu hỏi ôn tập Câu 5: Mục đích của kết khối là gì? Nêu các phương pháp kết khối? So sánh qu nhược điểm của nó. Câu 6: Thế nào là SPOOL? Trình bày các ứng dụng của SPOOL? Cho ví dụ minh họa.