Chương 5 hệ thống quản lý nhập xuất

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.