ĐỀ TÀI 22

Điều khiển các thiết bị được nối kết tới máy tính là mối quan tâm chủ yếu của người thiết kế hệ điều hành. Vì các thiết bị nhập/xuất rất khác nhau về chức năng và tốc độ (xem xét chuột, đĩa cứng, và CD-ROM) nên sự đa dạng về phương pháp là cần thiết để điều khiển chúng. Các phương pháp này hình thành một hệ thống nhập/xuất con (I/O subsystem) của nhân, tách rời phần còn lại của nhân từ sự phức tạp của việc quản lý các thiết bị nhập/xuất.

Phần cứng nhập/xuất

Các máy tính điều hành nhiều loại thiết bị. Hầu hết chúng thuộc các chủng loại phổ biến như thiết bị lưu trữ (đĩa, băng từ), thiết bị truyền (card mạng, modem) và thiết bị giao diện người dùng (màn hình, bàn phím, chuột),.... Mặc dù có sự đa dạng về các thiết bị nhập/xuất, nhưng chúng ta chỉ cần hiểu một vài khái niệm như các thiết bị được gán như thế nào và phần mềm có thể điều khiển phần cứng như thế nào.

Một thiết bị giao tiếp với một hệ thống máy tính bằng cách gởi các tín hiệu qua dây cáp hay thậm chí qua không khí. Các thiết bị giao tiếp với máy bằng một điểm nối kết (cổng-port) như cổng tuần tự. Nếu một hay nhiều thiết bị dùng một tập hợp dây dẫn, nối kết được gọi là bus. Một bus là một tập hợp dây dẫn và giao thức được định nghĩa chặt chẽ để xác định tập hợp thông điệp có thể được gởi qua dây. Trong thuật ngữ điện tử, các thông điệp được truyền bởi các mẫu điện thế điện tử được áp dụng tới các dây dẫn với thời gian được xác định. Khi thiết bị A có một cáp gán vào thiết bị B, thiết bị B có một cáp gán vào thiết bị C và thiết bị C gán vào một cổng máy tính, sự sắp xếp này được gọi là  chuỗi nối tiếp. Một chuỗi nối tiếp thường điều hành như một bus. 

Chuyển nhập/xuất tới hoạt động phần cứng

Chúng ta hãy xem xét một thí dụ đọc một tập tin từ đĩa. Ứng dụng tham chiếu tới dữ liệu bằng tên tập tin. Trong một đĩa, hệ thống tập tin ánh xạ từ tên tập tin thông qua các thư mục hệ thống tập tin để lấy không gian cấp phát của tập tin.

Các hệ điều hành hiện đại đạt được khả năng linh hoạt cao từ nhiều giai đoạn của bảng tra cứu trong đường dẫn giữa yêu cầu và bộ điều khiển thiết bị vật lý. Các cơ chế truyền yêu cầu giữa ứng dụng và trình điều khiển là phổ biến. Do đó, chúng ta có thể giới thiệu các thiết bị mới và trình điều khiển vào máy tính mà không biên dịch lại nhân. Thật vậy, một số hệ điều hành có khả năng nạp trình điều khiển thiết bị theo yêu cầu. Tại thời điểm khởi động, hệ thống đầu tiên thăm dò các bus phần cứng để xác định thiết bị nào hiện diện và sau đó hệ thống nạp các trình điều khiển cần thiết ngay lập tức hay khi được yêu cầu bởi một yêu cầu nhập/xuất đầu tiên.

Bây giờ chúng ta mô tả chu trình sống điển hình của một yêu cầu đọc bị nghẽn. Một thao tác nhập/xuất yêu cầu nhiều bước và tiêu tốn số lượng lớn chu kỳ CPU. 

1)  Một quá trình phát ra một lời gọi hệ thống read() tới bộ mô tả tập tin đã được

mở trước đó.

2)  Mã lời gọi hệ thống trong nhân kiểm tra tính đúng đắn của các tham số. Trong trường hợp nhập, nếu dữ liệu đã có sẳn trong vùng đệm thì dữ liệu được trả về tới quá trình và yêu cầu nhập/xuất được hoàn thành.

3)  Ngược lại, nhập/xuất vật lý cần được thực hiện để mà quá trình được xóa từ hàng đợi thực thi và được đặt vào hàng đợi chờ cho thiết bị, và yêu cầu nhập/xuất được lập thời biểu. Cuối cùng, hệ con nhập/xuất gởi yêu cầu tới trình điều khiển thiết bị. Phụ thuộc vào hệ điều hành, yêu cầu được gởi bằng lời gọi thủ tục con hay bằng thông điệp trong nhân.

4)  Trình điều khiển thiết bị cấp phát vùng đệm nhân để nhận dữ liệu và lập thời biểu nhập/xuất. Cuối cùng, trình điều khiển gởi lệnh tới bộ điều khiển thiết bị bằng cách viết vào thanh ghi điều khiển của thiết bị.

5)  Trình điều khiển thiết bị thao tác trên phần cứng thiết bị để thực hiện truyền dữ liệu.

6)  Trình điều khiển có thể thăm dò trạng thái và dữ liệu hay thiết lập truyền DMA vào bộ nhớ nhân. Chúng ta thừa nhận rằng truyền được quản lý bởi bộ điều khiển DMA sinh ra một ngắt khi việc truyền hoàn thành.

7)  Bộ quản lý ngắt tương ứng nhận ngắt bằng bằng vector ngắt, lưu bất cứ dữ liệu cần thiết, báo hiệu trình điều khiển thiết bị và trả về từ ngắt.

8)  Trình điều khiển thiết bị nhận tín hiệu, xác định yêu cầu nhập/xuất hoàn thành, xác định trạng thái yêu cầu và báo hiệu cho hệ con nhập/xuất nhân rằng yêu cầu đã hoàn thành.

9)  Nhân truyền dữ liệu hay trả về mã tới không gian địa chỉ của quá trình được yêu cầu và di chuyển quá trình từ hàng đợi chờ tới hàng đợi sẳn sàng.

10) Di chuyển quá trình tới hàng đợi sẳn sàng không làm nghẽn quá trình. Khi bộ định thời biểu gán quá trình tới CPU, quá trình tiếp tục thực thi tại thời điểm hoàn thành của lời gọi hệ thống.