Hệđiều hành (Operating System) PHAN Xuân Huy

Hệđiều hành (Operating System) PHAN Xuân Huy {pxhuy@fit.hcmuns.edu.vn} 1

Thông tin giới thiệu Bố cụcmônhọc: 45 LT + 30 TH Hình thứcthi: Lý thuyết: 7 điểm (Không sử dụng tài liệu) Thực hành: 3 điểm (Theo qui định của GVHDTH) Các thắcmắc vui lòng liên hệ: Phan Xuân Huy pxhuy@fit.hcmuns.edu.vn Giáo trình môn học: Hệ điều hành LêKhắc Nhiên Ân ĐHKHTN Tp.HCM Hệ điều hành nâng cao - Trần Hạnh Nhi ĐHKHTN Tp.HCM 2

Mụctiêucủamônhọc: Cung cấp Các kiến thức cơ bản về HĐH đa nhiệm Hiểu rõmôhìnhtổ chức, nguyên lý hoạt động, của cácthànhphần cơ sở của một HĐH hiện đại Biết cáchsử dụng/quản trị các HĐH thông dụng, khai thác tốtcácdịch vụ của HĐH. 3

Thảo luận 1CPU vs nhiều Chương trình Nhu cầu: Người dùng luôn thích sử dụng HĐH cho phép chạy vài chương trình đồng thời Hệ điều hànhnhư thế gọi làgì? Thựctế: Hầuhếtcácmáytínhchỉ có mộtbộ vi xử lý (các máy có >1 CPU rất đắttiền) Làm sao thỏa mãn được nhu cầu người dùng? MộtCPU rõràngchỉ có thể chạy đượcmộtchương trình Không thể chia CPU làm nhiều phần như chia bánh được 4

Thảo luận Chiasẻ bộ nhớ Các chương trình muốncóthể chạythìtrướchếtcầnphải đượcnạpvàotrongbộ nhớ chính (RAM). Khi có nhiềuchương trình cùng sử dụng bộ nhớ thì HĐH sẽ thựchiệnviệcchiasẻ cho mỗichương trình không gian nhớ riêng. Vấn đề: bộ nhớ RAM thì có hạn(vídụ 64MB), vậy khi chạynhiềuchương trình thì ra sao??? Ví dụ: Windows XP (lõi) 60MB Windows Media Player 12MB Visual Studio.NET 30MB Làm cách nào mà Windows vẫnchạy được? 5

Thảo luận Chiasẻ card sound Khi đang nghe nhạc, nếu Windows gặp lỗi, ta có nghe được tiếng báo lỗi? Chỉ có các hệđiềuhànhnhư ME, 2000, XP, Vậy HĐH đã sử dụng giải pháp nào? Luân phiên? Tuầntự? Chia bánh? Giải pháp khác? Về nhà bạn thử làm cho Windows phát 2 bài nhạc khác nhau trên 2 loa xem? Có được không? 6

Nội dung môn học: gồm 5 chương Chương 1: Tổng quan về HĐH Chương 2: Hệ thống quản lýtập tin Chương 3: Hệ thống quản lýxuấtnhập Chương 4: Quản lýtiến trình Chương 5: Quản lýbộ nhớ 7

Chương 1: Tổng quan về HĐH Nội dung chương: Vai trò củahệđiềuhành Các thành phầncủa HĐH Mộtsố kiếntrúc HĐH Quá trình phát triểncủa HĐH Mộtsố HĐH hiện đại 8

Vai trò của HĐH Quản trị tài nguyên Tài nguyên: CPU, RAM, HDD, printer Đốitượng sử dụng tài nguyên: Chương trình ƯD Nhiệmvụ: Cung cấp giảithuậtcấp phát, quản trị tài nguyên cho các đốitượng hoạt động. Mục tiêu:cấp phátđầy đủ, công bằng, hiệu quả Điều khiển thiết bị Nhiệmvụ: Che dấu các chi tiếtphầncứng, tạo môitrường dễ làm việc hơn chonsd. Mục tiêu: Tạo sựđộclập thiếtbị. Ví dụ: Làm sao để MS.Word có thể in được với nhiềuloạimáy in khác nhau như in kim, laser, phun của nhiều hãng khác nhau 9

HĐH và các thành phầncủa hệ thống 10

HĐH và các thành phầncủa hệ thống 11

Các dịch vụ của hệ thống Nạp và thi hành chương trình (load & run) Các thao tác xuất nhập (I/O Operations) Các thao tác truy xuất/cậpnhật hệ thống tậptin (file system) Các cơ chế liên lạc/trao đổi thông tin giữacáctác vụ Phát hiện/chỉnh sửalỗi Giao tiếpgiữacácchương trình ứng dụng và HĐH đượcthựchiệnphầnlớn thông qua các lờigọihệ thống (System Call) 12

Các thành phần của HĐH Quản lý tài nguyên là vai trò quan trọng nhấtcủa HĐH, do đócần cómộtsố thành quản lýcpu, quản lýbộ nhớ, CPU : quảnlýtiến trình(bao gồmquảnlýcpu) RAM : quảnlýbộ nhớ chính Input/Output : quảnlýnhập/xuất(thấy rõở DOS) Hệ thống tậptin: Quảnlýtậptin Hệ thống bảovệ Quảnlýmạng Shell (giao tiếpngười dùng) 13

Các thành phần của HĐH Quaûn lyù tieán trình Heä thoáng taäp tin Boä thoâng dòch leänh Quaûn lyù boä nhôù phuï Quaûn lyù nhaääp xuaát Quaûn lyù boä nhôù chính Heä thoáng baûo veä Giao tieáp maïng 14

Kiến trúc HĐH Kiến trúcđơn giản Kiến trúcphânlớp Kiến trúcmáyảo Kiến trúc client/server 15

1. Kiến trúcđơn giản Ứng dụng Tiện íchthường trú Hệ điều hành (DOS) Phần cứng (BIOS, port) Ví dụ với HĐH DOS Ví dụ điển hình cho kiến trúc này là DOS, trong đó HĐH chỉ làm một số nhiệm vụ quản lý còn khá đơn giản và cung cấp thêm một số dịch vụ. HĐH = Thư việnhàm. UD củangười dùng vẫn có thể truy cập trực tiếp đến phần cứng thông qua BIOS, cổng phần cứng Không hỗ trợ đa nhiệm. Đánh giá khi chương trình treo? 16

2. Kiến trúcphânlớp HĐH phân thành nhiều lớp.mỗilớpphụ trách 1 chứcnăng đặcthù. Lớpbêntrênsử dụng chứcnăng do các lớpbên dưới cung cấp. Khó xác định số lượng lớp, thứ tự lớp!!! Chi phí truyềnthamsố xuyên các lớp!!! 17

3. Kiếntrúcmáyảo (1/4) Có nghe đến máy ảo bao giờ? Ví dụ? Do mục tiêu của HĐH là chạy được nhiều chương trình đồng thời trên một máy tính nên cách tốt nhất là tạo ra nhiều máy tính ảo từ một máy tính thật để các chương trình chạy riêng trên các máy ảo. Về nguyên tắc các chương trình không biết mình đang chạy trên máy ảo, cũng không biết mình đang phải chia sẻ tài nguyên với các chương trình khác. Ví dụ: CPU ảo: mỗi chương trình * sở hữu một CPU ảo Bộ nhớ ảo: mỗi chương trình một không gian nhớ riêng 18

3.Kiến trúc máy ảo (2/4) Non-virtual Machine Virtual Machine 19

3.Kiến trúc máy ảo (3/4)- Ví dụ Java Virtual Machine Java program Java OS Java VM Process Operating System Hardware Process Độc lập với Platform 20

Ưu điểm: 3. Kiếntrúcmáyảo (4/4) Môi trường thuậnlợichosự tương thích Tăng tính an toàn cho hệ thống do các VM độc lập Dễ phát triển các HĐH đơn nhiệmchocácvm độc lập. Khuyết điểm Phức tạp trong việc giả lập. 21

4. Kiến trúc client/server Các dịch vụ của HĐH được chia thành 2 phần: Server: phầnhạt nhân, lệ thuộcphầncứng Client: các tiệníchhệ thống, sử dụng dịch vụ do server cung cấp 22

Giớithiệu các dòng HĐH hiện đại Dòng HĐH Windows Quá trình phát triển Các phiên bản chính Dòng HĐH Unix/Linux Quá trình phát triển Các distro chính 23

Dòng HĐH Windows Phát triển bởi Microsoft. Hiện đang chiếm 80% 90% thị trường HĐH. Số lượng dòng mã chương trình: WinNT: 4 triệu Win2000: 35 triệu WinXP: 40 triệu 24

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Windows (1/4) Windows 1.0 Phát hành 12/1985 Windows 2.0 Phát hành 1987 Chỉ hổ trợ bộ vi xử lý Intel 8086 hoặc8088 Có thể truy cập1mb bộ nhớ Windows 3.0 Phát hành 05/1990 Có thể truy cập16mb bộ nhớ 25

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Windows (2/4) Windows 3.1 Phát hành 04/1992 Hỗ trợ TrueType fonts/ Multimedia Windows NT Phát hành 07/1993 Hỗ trợ chíp Intel 386, 486 và các chíp khác không của Pentium Là hệđiềuhànhdòngserver đầu tiên Là HĐH đầu tiên hỗ trợ các ỨD 32 bits 26

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Windows (2/4) Windows 95 Phát hành 08/1995 Cũng hỗ trợ các ứng dụng 32-bit (nhưng vẫn tương thích với các ƯD 16 bits Windows 98 Phát hành 06/1998 Tăng cường về mặthiệu năng và hỗ trợ phầncứng tốthơn Tích hợp cáctínhnăng Internet Windows Millennium Phát hành 12/2000 Là phiên bản destophỗ trợ tốt multimedia. 27

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Windows (4/4) Windows 2000 Phát hành 01/2000 Hỗ trợ tính đa xử lý đốixứng : 2-32 CPU. Hỗ trợ đầy đủ tính năng đa ngôn ngữ (UNICODE) Tính hợp đầy đủ các chồng giao thức mạng thông dụng Thuộc dòng HĐH server chuyên dụng. Các dòng sản phẩm: Windows 2000 Professional, Windows 2000 Server, Windows 2000 Advanced Server, Windows 2000 Datacenter Server Windows 2003 Windows Longhorn Hỗ trợ ƯD 64 bits 28

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Linux (1/2) 1969: UNIX, Thompson & Ritchie (AT&T Bell Lab) 1987: Minix, Andy Tanenbaum 1991: birth of Linux Minix-like OS by Linus Torvard limited devices, no networking 1994: Linux 1.0 only single-processor i386 networking (Internet) enhanced file system (ext2) 1995: Linux 1.2 more hardware 8086 mode (DOS emulation) included Support other architecture:sparc, Alpha, MIPS 29

Quá trình phát triểncủa dòng HĐH Linux (2/2) 1996: Linux 2.0 multiple architectures, multiple processors threads, memory management 1999: Linux 2.2 2001: Linux 2.4 ISA PnP, USB, 12/2003: Linux 2.6 30

Các distro chính của HĐH Linux Mandrake Fedora/Redhat Debian SUSE Gentoo 31

Các đặc điểm chính củalinux Là HĐH tương tự Unix. Là HĐH mã nguồnmở Bao gồm khoảng 6 triệu dòng mã (kernel v2.6) Tăng trưởng khoảng 25%/năm từ năm 2003 Chiếm khoảng 10% thị trường HĐH. 32

Chương 2: Quản lýxuất nhập Nhiệmvụ củabộ phậnquảnlýxuấtnhập Các thiếtbị xuấtnhập Mô hình phân lớp trong quảnlýxuấtnhập Bộđiều khiểnthiếtbị (device controller) Trình điềukhiểnthiếtbị (device driver) Cơ chế DMA Quảnlýlỗivàbảovệquá trình xuấtnhập 1

Nhiệm vụ Mụctiêucủabộ phận quản lýxuất nhập Giớithiệulớptrừutượng và độclậpthiếtbị Che giấu các chi tiếtkỹ thuậtcủa các thiếtbị phầncứng. Quảnlývàsửalỗi. Làm cho các thiếtbị phầncứng đơngiảnvàdễ dùng. Cho phép chia sẻ các thiếtbị phầncứng Xây dựng các cơ chế bảo vệ các thiếtbịđượcchiasẻ. Điềuphốithiếtbịđểphục vụ cho cùng lúc nhiều nhu cầu sử dụng. 2

Ví dụ về các thiết bị xuất nhập Các thiếtbị giao tiếp: Các thiếtbị chỉ nhập : bànphím, chuột, joystick Các thiếtbị chỉ xuất : màn hình, máy in Các thiếtbị vừa nhập vừa xuất: card mạng. Các thiếtbị lưutrữ Thiếtbị vừaxuất, vừa nhập: đĩa (cứng/mềm), băng từ Thiếtbị chỉ xuất: CD-ROM. 3

Phân loại cácthiết bị nhập xuất Phân loạitheomục đích sử dụng: Các thiếtbị giao tiếp: Các thiết bị chỉ nhập: bànphím, chuột, joystick Các thiết bị chỉ xuất : màn hình, máy in Các thiết bị vừanhập vừaxuất: card mạng. Các thiếtbị lưu trữ Thiết bị vừaxuất, vừanhập: đĩa(cứng/mềm), băng từ Thiết bị chỉ xuất: CD-ROM Phân loạitheophương pháp truy xuất: Thiếtbị khối: Tổ chứctheotừng khối riêng biệt vàtruyxuất ngẫu nhiên. Thiếtbị tuần tự Gởi nhận theo chuỗibítvàphảitruyxuấttuầntự. 4

Phân loại các thiếtbị nhậpxuất (tt) HĐH phải gom nhóm các thiếtbị khác nhau thành những nhóm cơ bản để dễ dàng quảnlý: Storage Hard drives, Tapes, CDROM Networking Ethernet, radio, serial line Multimedia DVD, Camera, microphones HĐH phảicungcấpcácphương thứcnhấtquánđể truy cập các nhóm đốitượng trên. Nếu không, lậptrìnhsẽ rất khó khăn 5

Các phương thứctruycập IO Sử dụng chung thư việngiaotiếpchonhiềuthiếtbị khác nhau Ví dụ, với HĐH Unix, sử dụng 4 phương thức chính: open() close() read() write() Các phương thức này là các system calls đượccungcấp bởi HĐH để chophépcácứng dụng chúng tương tác với các thiếtbị xuấtnhập. 6

Các phương thứcio củaunix filehandle = open(pathname, flags, mode) filehandle: là mộtsố nguyên, dùng để thao tác vớitập tin hay thiếtbị pathname: tên trong hệ thống file. Trong Unix, các thiếtbịđặt dướithư mục /dev. E.g. /dev/ttya là serial port đầu tiên, /dev/sda: là SCSI drive đầu tiên flags: blocking hoặc là non-blocking mode: read only, read/write, append errorcode = close(filehandle) Kernel sẽ giải phóng các biếnlưu trữ cho thiếtbị 7

Các phương thứcio của Unix (tt) bytecount = read(filehandle, byte [] buf, count) Đọc count bytes từ thiếtbị và lưu trong buffer buf. Chương trình người dùng phảikiểm tra bytecount để biếtsố byte thậtsựđọc được. bytecount < 0 thì là báo lỗi(xemmãlỗi) bytecount = write(filehandle, byte [] buf, count) Ghi count byte từ buf vào thiếtbị Số byte thậtsự ghi đượclưu trong bytecount bytecount âm là bị lỗi 8

Các đặc tính xuất nhập Ba đặc tính khác nhau cần xem xét khi xử lý 1 thao tác nhậpxuất: blocking vs. non-blocking buffered vs. unbuffered synchronous vs. asynchronous 9

Blocking vs. Non-Blocking I/O Blocking ứng dụng dừng lạichođếnkhisố count bytes được đọchoặcghi Ví dụ: Trong thiếtbị mạng, nếu muốn ghi 1000 bytes, thì HĐH ghi tấtcả các byte cho đến khi ghi hoàn tất. Nếu thiếtbị không thể thực hiện lệnh ghi được (ví dụ hỏng dây nối), làmsao? Thìsẽ kết thúc và trả về số bytes đã ghi được. Nonblocking HĐH đọcvàghicácbytes khicóthể, không cần ứng dụng phảidừng lại. 10

Buffered vs. Unbuffered I/O Trong trường hợp buffer dữ liệucủathiếtbị quá nhỏ, để không phải chờ quá lâu khi thựchiệnio buffered I/O cho phép kernel copy lạidữ liệu Bên write(): cho phép ứng dụng tiếptục ghi dữ liệu Bên read(): khi thiếtbị báo có 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 hiệncopy Chậmtrễ việc gửidữ liệu 11

Synchronous vs. Asynchronous I/O Synchronous I/O: các xử lý khác của ứng dụng củangười dùng cuốisẽ dừng lại để chờ các thao tác xuấtnhậpcủa nó hoàn tất. Asynchronous I/O: các xử lý khác của ứng dụng có thể thực thi song song với các thao tác xuấtnhập 12

Các loại thiết bị xuất nhập Hầuhết HĐH chia thành 3 nhóm thiếtbị: Thiếtbịđọctheokítự (character device) Dùng cho các thiếtbị tuần tự (v.d. USB port, bàn phím, modem) Thiếtbị mạng Dùng cho các card mạng (v.d. Ethernet card) Thiếtbị theo block: Dùng cho các bộ lưu trữ lớn (v.d.ổ đĩavàcdrom) Phương thức read/write sẽ khác nhau vớitừng loại 13

Thiết bị xuất nhập theokítự HĐH đọc và ghi theo chuỗicácbyte System call write() sẽ ghi từng byte ra thiếtbị System call read() sẽ đọctừng byte ra thiếtbị Không có điềukhiểntỉ lệ read/write, bên gửicóthể gọi system call write() 1 lần 1000 bytes, bên nhậncóthể gọi read 1000 lần, mỗilần đọc 1 byte. 14

Thiết bị mạng Unix và Windows đều dùng khái niệm socket để cho việc truyền, nhậndữ liệu trênmạng Mỗi write() hoặc làgửicả block, kích thướccủa block có giới hạn tùyhệ thống. Bên nhận, read() trả về tấtcả các byte trong block. 15

Thiết bịđọctheoblock HĐH đọc và ghi thiếtbị theo các block Mỗi block kích thước xácđịnh (thông thường 1KB - 8KB) Người dùng chỉ có thể read/write các block cùng kích thước Không giống thiếtbị khác, thiếtbịđọc ghi theo block hỗ trợ random access Chúng ta có thểđọc/ghi bấtcứ block nào trên thiếtbị, không cần phải đọc tấtcả các bytes trước Làm sao xác định vị trí của block thứ n? 16

Con trỏ file Một con trỏ file được gánvàomộtfile đang mở, nếunhư thiếtbị đang mở thuộc loại đọctheoblock Con trỏ file sẽ trỏ tớivị trí hiện hành trên file cho lệnh đọc/ghi kế tiếp Đơn vị của con trỏ file là byte, chứ không phảiblock Di chuyển con trỏ file: absoluteoffset = lseek(filehandle, offset, whence); whence xác định vị trí cộtmốc, đầu file, cuốifile Vị trí hiện hànhđược trả về, <0 là lỗi Vị trí hiệnhànhlà1 số nguyên tính theo byte, có thể là bộisố của block. 17

Thiết bị xuất nhập Màn hình: Thiếtbị xuất chuẩn: Ký tự hay đồ hoạ Khả năng hiển thị: Độ phân giải: Vídụ : 25 x 80 ký tự hay 800 x 600 x 256 màu. Độ làm tươi: 30-60 lần/giây. 18

Thiết bị xuất nhập Bàn phím: Thiếtbị nhậpchuẩn Bố trí theo cấutrúc QWERTY Tốc độ nhậpdữ liệuchậm (<10 kýtự/giây) Thiếtbị trỏ/định vị: Thiếtbị nhậpchuẩn Chuột (quang, cơ) Trackball Joystick Tốc độ nhậpdữ liệuchậm (vài trăm bytes/giây) 19

Thiết bị xuất nhập Máy in Máy in dòng, máy in điểm, máy in phun, in laser. Tốc độ đẩydữ liệuchậm Hướng ký tự Máy quét Số hoá các tài liệu in thành các dữ liệusố dưới dạng ảnh bitmap. Tốc độ quét chậm 20

Thiết bị xuất nhập Đĩatừ : Đĩamềm (floppy disk), đĩacứng (hard disk): Thiếtbị xuấtnhậptheokhối(sector). Dung lượng tuỳ thuộc vàosố head,track,sector. Tốc độ truy cập phụ thuộc vàotốc độ quay và mật độ dữ liệu trên đĩa. Băng từ: Thiếtbị truy cậptuầntự dung lượng lớn. Tốc độ truy cập ~2Mb/s CDROM/DVD: Tốc độ truy cập nhanh. Dung lượng ngày càng lớnvàgiáthànhngàycàngrẻ. 21

Thiết bị xuất nhập Thiếtbị giao tiếp mạng Card mạng Cài đặt các giao thứcmạng khác nhau để hỗ trợ cho quá trình truyềnnhận các luồng/gói dữ liệu. Modem Chuyển đổigiữa tínhiệu tuầntự và tín hiệu số trên đường truyềnthoại. Luồng dữ liệutruyềnlàcácdãybítđược gom nhóm thành các ký tự. Đồng hồ hệ thống (clock) và bộđịnh giờ (timer) Cung cấpthờigianhệ thống để giúp đồng bộ hoá các hoạt động trên máy tính. 22

Bộ điều khiển thiết bị Mỗi đơnvị nhậpxuấtthường gồm 2 thành phần: Thành phầncơ: Bản thânthiếtbị Thành phần điện: bộ điều khiển (controller) Bộđiều khiển: Chứcnăng: Trung gian giao tiếp giữa thiếtbị và HĐH. Phương tiệngiaotiếp: Thông qua bus - hệ thống mạch truyền dẫn. Công việc: Nhận lệnh từ HĐH để thực hiệnvàbáohiệucho HĐH khi tác vụ hoàn tất. Chuyển đổi dãy bit thành các byte và đặt chúng vào trong bộ đệm (buffer) củabộđiều khiển. 23

Các thiết bị xuất nhập và bus hệ thống 24

Địachỉ giao tiếp thiết bị HĐH giao tiếpvớithiếtbị thông qua địachỉ xuấtnhập củabộđiềukhiển: 25

Mô hình phân lớp trong quản lýxuấtnhập Hệ thống xuấtnhập được tổ chứctheotừng lớp, mỗilớpcó1 chức năng nhất định và có sự hỗ trợ liên hoàn lẫn nhau: 26

Phần mềm độclập thiết bị Chức năng: Tạoragiaotiếp chung cho tấtcả các thiếtbị. Bảovệ thiếtbị Cung cấpkhốidữ liệu độclậpthiếtbị Cung cấpbộđệm (buffer) để hỗ trợ cho quá trình đồng bộ hoá hoạt động củahệ thống. Định vị trí lưutrữ trên các khốithiếtbị. Cấpphátvàgiải phóng thiếtbị. Thông báo lỗichongười dùng (nếucó). 27

Trình điều khiển thiết bị Chứcnăng: Nhận yêucầu từ phía lớp phần mềm độclậpthiếtbị. Chuyển đổiyêucầu trừu tượng này thành cụ thể. Điềuphốiyêucầu này cho bộ điều khiểnthiếtbị (device controller). Giám sát thực hiện yêucầu. Ví dụ: HĐH muốn đọc tập tin io.sys trên đĩa ở thư mục C:\. Trình điều khiển đĩa phảihiểulàcần đọc khốinào. Trình điều khiển đĩa chuyển yêucầu này cho bộ điều khiển đĩa. Bộ điều khiển đĩaphảikiểmtrahoạt động của motor đĩa, xác định đầu đọc đã đúng vị trí chưa. 28

Trình điều khiển thiết bị 29

Bộ kiểmsoátngắt (interrupt handler) Tương tác giữa HĐH và các thiếtbị phần cứng đều được thực hiện thông qua cơ chế ngắt (interrupt). Bộ kiểmsoátngắtsẽ tiếp nhận các ngắttừ HĐH và ứng dụng của người dùng cuối. Dựa trênbảng Interrupt vector để phân phối các ngắt đến các bộ điều khiểnthiếtbị tương ứng. Quảnlývàgiámsátquátrìnhthựchiệnngắt. Nhận ngắt thông báo quá trình xuấtnhập hoàn tấthoặccólỗixảy ra trong quá trình xuấtnhậptừ bộđiều khiểnthiếtbịđểchuyển lên cho HĐH. 30

Bộ kiểmsoátngắt (interrupt handler) 31

Cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA (Direct Memory Access) Xét quá trình đọc đĩa không có DMA: HĐH chuyển yêucầu đọc đĩa cho bộ điều khiển đĩa. Bộ điều khiển đọc tuầntự các khốitrênđĩa. Đọc từng bit cho đến khi các khối được đưa vàobộđệmcủa bộ điều khiển đĩa. Bộ điều khiển đĩatạo ngắt để báo qua CPU biết quá trình đọc đĩa hoàntất. CPU lần lượtlấytừng byte dữ liệutừ bộ đệmcủa bộđiều khiển đĩa để chuyển về bộ nhớ chính để thao tác. Nhậnxét: Lãng phí thờigianxử lý củacpu để chuyểndữ liệu từ bộ đệm của bộđiều khiển đĩa về bộ nhớ chính 32

Cơ chế DMA Cơ chế DMA giúp CPU không bị lãng phí bằng cách: HĐH gởichobộđiều khiển đĩa các thông số gồm: các khốicần đọc+ vị trí lưu trữ các khối này bên trong bộ nhớ chính (địachỉ DMA) + số byte cần đọc. Bộ điều khiển đĩa đọc các khốicầnthiếtlưu vào trong bộ đệm của nó. Sau khi đọc xong, bộ điều khiểnchuyển lần lượttừng byte từ bộ đệmcủanóvềđịachỉ DMA nơicần lưutrữ dữ liệucần thiếtbêntrongbộ nhớ chính. Bộ điều khiển đĩatạo 1 ngắt để thông báo cho CPU biếtquá trình chuyển dữ liệu đã hoàn tất. 33

Cơ chế DMA 34

Quản lýlỗi& bảo vệ xuất nhập thiết bị Quá trình xử lý củangười dùng cuối hay HĐH có thể vô tình hay cố ý thựchiệncáclệnh/thao tác xuấtnhậpbất hợpphápgâyhạichohệ thống và thiếtbị. Cần định nghĩatrướcvàgánđặcquyềnchocáclệnh xuất nhậpcủahệ thống dướidạng các lờigọihệthống (system call). Giám sát quá trình xuấtnhậpcủangười dùng cuối. Tấtcả quá trình xuấtnhậpcủa ƯD phải đượcthựchiện thông qua các lờigọihệ thống. 35

Quản lýlỗi& bảo vệ xuất nhập thiết bị Khi gặplỗi trong quá trình xuấtnhập, các bộđiềukhiển thiếtbị sẽ trả về cho HĐH mã lỗitương ứng HĐH diễndịch mã lỗitrả vềđểcó phương án giảiquyết thích hợp. HĐH cũng diễndịch và lưuvàonhậtkýhệ thống (system log) các lỗitương ứng để giúp ngườiquảntrị hệ thống giám sát lỗivàphụchồi. 36

Chương 3: Hệ thống quản lýtập tin Nội dung chương: Các khái niệmcơ bảnvề hệ thống tậptin Cài đặthệ thống quảnlýtậptin Mô hình tổ chứcvàquảnlýtậptin củacác HĐH thông dụng. Truy xuấthệ thống quảnlýtậptin. 1

Hệ thống lưu trữ trong máy tính Bộ nhớ trong RAM, ROM, Register, Cache Bộ nhớ ngoài HD (Hard Disk) FD (Floppy Disk) Bộ nhớ thứ cấp (băng từ) Tốc độ Giá thành CD (Compact Disk) Bộ nhớ phụ DVD (Digital Video Disk) (đĩa) USB disk Dung lượng Bộ nhớ chính cache 2

Các khái niệm cơ bản RAM không có khả năng lưu trữ dữ liệu lâudài. Máy tính phải sử dụng các thiếtbị có khả năng lưu trữ lâu dài vì: Chứalượng thông tin lớn. Thông tin đượclưutrữ trướckhixử lý. Nhiều ứng dụng muốntruycậpcùnglúc. Phải sử dụng các thiếtbị lưu trữ ngoài gọilàbộ nhớ ngoài với các đơn vị lưu trữđượctổ chức thành: Tậptin Thư mục 3

Tổ chức dữ liệu trênđĩatừ Cấu trúcvật lýcủa đĩa từ: Hình tròn, gồmnhiều mặtgọilàhead. Mỗimặtcónhiều đường tròn đồng tâm gọi là track hay cylinder. Trên các đường tròn (track) đượcchia thành các cung tròn gọilàsector. Mỗi cung tròn chứa 4096 điểmtừ (~ 4096 bit = 512 bytes). Mỗimặtcó1 đầu đọc để đọcghidữ liệu Mỗilần đọc/ghi ít nhất 1 cung tròn (512B). 4

Cấu trúcđĩatừ Head 0 Head 2 5

Cấu trúcđĩatừ sectors read-write head track cylinder 6

Cấu trúcđĩatừ 7

Tổ chức dữ liệu trênđĩatừ (tt) Mỗi lần đọc hay ghi đĩa cóthể thực hiện N sector liên tiếp (N>=1). Vị trí của mỗi sector trong đĩa được thể hiện bằng 3 tham số : {sector, track, head}. Head được đánh số từ trên xuống bắt đầu từ 0. Track được đánh số từ ngoài vào bắt đầu từ 0. Sector được đánh số bắt đầu từ 1 theo chiều ngược vớichiều quay của đĩa. 8

Tổ chức đĩa logic 0 1 2 3 4 N-1 Thay vì phảidùngđến3 thamsố dựatrêncấutrúcđĩa vật lý nên khái niệm đĩalogic được đưarađể dễ thao tác và tính toán hơn. Đĩa logic là một dãy sector được đánh số bắt đầutừ 0. Mỗi sector trên đĩa logic tương ứng với 1 sector duy nhất trên đĩavật lý sao cho khi truy xuấtsector K thìkhitruy xuấttiếp sang sector K+1 là nhanh nhất. 9

Dung lượng đĩa Kích thước đĩa phụ thuộc vàocácyếu tố sau: Số mặttừ (platter) Số track trên mỗimặttừ Số sector trên mỗitrack Kích thước (byte) trên mỗitrack. 10

Ví dụ cách tổ chức đĩa mềm Các thông số trên đĩa mềm 1.44MB: Đĩa có 2 head, 80 track/head, 18 sector/track. Dung lượng đĩa = 2 head/disk *80 track/head *18 sector/track = 2880 sector/disk = 0.5 KB/sector * 2880 sector/disk = 1440 KB/disk (~ 1.4MB) Các sector logic có chỉ số từ 0 đến 2879 và tương ứng với các sector vậtlýnhư sau: Sector 0..17 tương ứng với sector vật lý (1,0,0)..(18,0,0) Sector 18..35 tương ứng vớisector vật lý (1,0,1)..(18,0,1) Sector 2879 tương ứng với sector vật lý (18,79,1). 11

Thời giantruycập đĩa Mặt đĩa Đầu đọc Tay quay Disk access time = Seek Time + Latency Time + Transfer Time 12

Các thuật toánđọc đĩa First-Come-First-Serve (FCFS) SCAN, C-SCAN Shortest Seek Time First (SSTF) Look 13

First Come First Serve (FCFS) Phụcvụ theo thứ tự yêu cầu Đơngiảnnhưng không đáp ứng tốtdịch vụ Các khối cần đọc (đầu đọc hiện tại tại vị trí 11): 12 14 2 7 21 8 24 scheduling queue cylinder number 1 5 10 15 20 25 12 14 2 7 21 8 24 time 14

SCAN Di chuyển đầu đọcvề 1 phía của đĩa đếnblock xanhấtsau đódichuyểnvề phía kia. Còn gọilàthuật toán thang máy. Các khối cần đọc (đầu đọc hiệntạitạivị trí 11): 12 14 2 7 21 8 24 scheduling queue cylinder number 1 5 10 15 20 25 time 15

SCAN vs. FCFS Trong trường hợp này, SCAN tốthơn FCFS vì hạnchế sự di chuyển của đầu đọc đĩa time time cylinder number 1 5 10 15 20 25 16

C-SCAN Nguyên tắc: Tương tự thuật toán SCAN. Chỉ khác khi di chuyển đến1 đầucủa đĩathìtrở về vị trí bắt đầucủa đĩa. 17

C-SCAN 18

LOOK Nhận xét: Hai thuậttoánlậplịch SCAN và C-SCAN luôn luôn di chuyển đầu đọccủa đĩatừđầu này sang đầukia nhưng thông thường thì đầu đọcchỉ di chuyển đến khốixanhất ở mỗihướng chứ không đếncuối. Nguyên tắc: Giống SCAN và C-SCAN nhưng chỉ di chuyển đầu đọc đếnkhống xa nhấtchứ không đếncuối. 19

LOOK 20

SSTF SSTF = Shortest Seek Time First Nguyên tắc: Di chuyển đầu đọc đếncáckhốicầnthiếttheovị trí lầnlượtgầnvớivị trí hiệnhànhcủa đầu đọcnhất 21

SSTF 22

Lập trìnhtương tác với đĩa Các truy xuất đĩa trực tiếp trong C: Đọcnội dung sector trên đĩa logic: hàm absread. Ghi nội dung vào sector logic: abswrite. Thựchiệnthaotáctrênđĩavật lý: biosdisk. Cú pháp: int absread(int drive, int nsects, long lsect, void *buffer). int abswrite (int drive, int nsects, long lsect, void *buffer); int biosdisk (int cmd, int drive, int head, int track, int sector, int nsects, void *buffer); 23

Tập tin (1/4) Tập tin (file) là đơn vị lưu trữ thông tin trên bộ nhớ ngoài. Thông tin chứa trong tập tin là bền vững (không bị mất đi khi bị mất điện). Tên tập tin: Là cơ chế trừutượng để quảnlýtậptin. Có thể phân biệtchữ hoavàthường (tuỳ HĐH cụ thể) Hỗ trợ tên tập tin theo định dạng 8.3 (gồm tên và phần mở rộng) hay tên dài (Long File Name). Ví dụ: baitap.cpp hay bai tap lap trinh.cpp 24

Tập tin (2/4) Các thuộc tính của tập tin: Ngườisở hữu/nhóm sở hữu Chỉđọc (Read-only) Ẩn (Hidden) Hệ thống (System) Lưutrữ (Archive) Ngày giờ tạo. Ngày giờ truy cậpcuốicùng Ngày giờ thay đổicuốicùng Kích thước 25

Tập tin (3/4) Các thao tác trên tập tin: Tạo Xoá Mở Đóng Đọc Ghi Thêm Tìm Lấy thuộc tính Thiếtlập thuộc tính Đổitên 26

Tập tin (4/4) Các loạitập tin: Tập tin vănbản (text file): chứa các dòng vănbản, cuối dùng có ký hiệukết thúc dòng (end line) Tập tin nhị phân (binary file): là tập tin có cấutrúc. Các truy xuất trêntập tin: Tuầntự: Phải đọctừđầutập tin đếnvị trí mong muốn. Ngẫu nhiên: Có thể di chuyển nhanh (SEEK) đến đúng vị trí cần đọc. 27

Khối điều khiển tập tin 28

Thư mục Giúp cho việc quản lýcáctập tin dễ dàng hơn. Giúp định vị các tập tin 1 cách nhanh chóng. Gom nhóm các tập tin vào trong các thư mục theo ý nghĩa vàmục đích sử dụng của người dùng. root bob sue 3013 www fun 29

Thư mục Ví dụ 1 cấutrúccâythư mục phân cấp 30

Thư mục-đường dẫn (Path) Dùng để xác định vị trí lưu tập tin khi hệ thống được tổ chức thành cây thư mục: Đường dẫntuyệt đối: Ví dụ: C:\Downloads\software\baigiang.doc Đường dẫntương đối: Ví dụ: software\baigiang.doc nếu thư mục hiện hànhlà C:\Downloads\ Các thư mục đặc biệt: Thư mụchiệnhành(.) Thư mục cha (..) 31

Thư mục Các thao tác trên thư mục: Tạo <> Xoá <> Đổitên Mở <> Đóng Tìm kiếm<> Liệtkê Liên kết: Chophép1 tập tin có thể xuấthiện trong nhiềuthư mụckhácnhau. Bỏ liên kết: Nếutập tin chỉ có 1 liên kếtvới1 thư mục, nó sẽ bị loạibỏ hoàn toàn, ngượclạinósẽ bị giảmchỉ số liên kết 32

Cấp phát vùng nhớ chứatập tin Các khối (block) đĩa sẽđượccấp phát để lưu trữ nội dung tập tin theo các cơ chế cấp phát: Cấpphátliêntục Cấpphátbằng danh sách liên kết Cấpphátbằng danh sách liên kếtsử dụng chỉ mục (index). Cấpphátbằng I-node 33

Cấp phát liên tục Cấp phát 1 số block liên tục trênđĩa để lưu trữ nội dung tập tin Nhận xét: Đơngiản: chỉ cầnquảnlýsố hiệukhốibắt đầuvàtổng số block chiếmbởitậptin. Truy cậpnội dung tập tin nhanh chóng vì các block nằmkề nhau. Gâylãngphíbộ nhớ. Khó khănkhitậptin mở rộng kích thước. 34

Cấp phát liên tục (tt) 35

Cấp phát bằng danh sách liên kết Nội dung tập tin được lưu trữởnhững block không cần liên tục. Các block này được xâuchuỗi tạo thành 1 danh sách liên kết để quản lý. Nhận xét: Đơngiản: Chỉ cầnquảnlýblock bắt đầu. Tậndụng hiệuquả không gian đĩa. Truy cậptập tin lâu hơnvìđầu đọcphảidichuyển nhiềugiữacáckhối không liên tiếp. Khốidữ liệubị thu hẹplạivìmỗikhốiphải dùng 1 phần để lưuphầnliênkết đếnkhốikếtiếp. 36

Cấpphátbằng danh sách liên kết (tt) 37

Cấp phát bằng danh sách liên kết sử dụng chỉ mục (index) Tương tự như phương pháp cấp phát bằng danh sách liên kết nhưng thay vì sử dụng 1 phần nhỏ của mỗiblock để lưu chuỗi liên kếtthìsử dụng 1 block riêng để lưu toànbộ chuỗi liên kết. Các block chỉ chứa dữ liệu. 38

Cấp phát bằng danh sách liên kết sử dụng chỉ mục (index) (tt) 39

Cấp phát bằng I-node Mỗi I-node gồm 2 phần: Các thuộctínhcủatậptin Địachỉ củacáckhốidữ liệu: gồm 13 phầntử 10 phần tửđầu tiên: Địachỉ của các khốidữ liệu trựctiếp. Phần tử thứ 11: Địachỉ của các khốidữ liệugiántiếp đơn (single indirect): gồm 1 khốitrỏđến 210 phần tử chứa địa chỉ của các khốidữ liệu. Phần tử thứ 12: Địachỉcủa các khốidữ liệugiántiếp đôi (double indirect): chứa địachỉ của các khối single indirect. Phần tử thứ 13: Địachỉcủa các khốidữ liệugiántiếp ba (triple indirect) 40

Cấp phát bằng I-node (tt) 41

Cài đặthệ thống tập tin của các HĐH cụ thể MS-DOS Windows Unix 42

Tổ chức quản lýhệ thống tập tin trên đĩa từ Đĩa từ bao gồm danh sách các sector có kích thước 512Bytes 0 1 2 3.. Kích thước đĩa (bytes) = (tổng số sector) x (512 bytes/sector) 43

Phân vùng đĩa (Disk Partition) Toàn bộ vùng lưu trữ của đĩa được phân thành các vùng logic không chồng lên nhau gọi là phân vùng đĩa. Partition #1 Partition #2 Partition #3 unused 44

Master Boot Record Mộtphầnnhỏđầu tiên của đĩa được dành riêng cho các thông tin quảnlýđĩa. 0 1 2 MBR partition #1 Sector logic thứ 0 của đĩa (CHS = 001) là Master Boot Record chứa thông tin mô tả cấutrúcvậtlýcủa đĩavà thông tin về các phân vùng logic của đĩa. 45

MBR Thông tin chứa trong MBR bao gồm: Đoạnchương trình để giúp khởi động hệ thống Bảng mô tả thông tin các phân vùng logic Thông tin nhậndiệnmbr 512 bytes Bootstrap Loader (446 bytes) Partition Table (64 bytes) signature (2 bytes) 46

Bảng mô tả các phân vùng MBR có thể mô tả cho tối đa 4 phân vùng logic được chiatrênđĩa trongđó thường có 1 phân vùng ở trạng thái Active 16 bytes S T A T U S Starting sector ID-number T Y P E Partition length (in sectors) Some fields contain obsolete information 47

Primary Partition vs Extended Partition Primary Partition Extended Partition MBR Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved Partition Table Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved Reserved 48

Bảng mô tả cácphânvùng(tt) Phân vùng active là phân vùng chứa HĐH sẽ được nạp mặc định khi máy tính khởi động. 49

Trường TYPE-ID trong bảng mô tả phân vùng Ý nghĩa của trường Type-ID trong mỗi phân vùng TYPE-ID = 0x07 : Phân vùng chứa Windows TYPE-ID = 0x83 : Phân vùng chứa Linux TYPE-ID = 0x00 : Phân vùng không sử dụng. 50

Quá trình khởi động hệ thống và nạp HĐH dựa trên thông tin các phân vùng B1: POST (Power-On Self-Test) B2: TảiMBR để đọc thông tin bảng phân vùng. B3: Tìm phân vùng active. B4: Chuyển quyền điều khiển về cho đoạn mã chương trình nằm trong Boot Record của phân vùng active B5: Tải HĐH tại phân vùng active. 51

Tổ chức tập tin trên Windows: FAT (12,16,32) 52

Tổ chức tập tin trên Windows: FAT (12,16,32) (tt) FAT: File Allocation Table Các phiên bảncủa FAT: FAT12, FAT16, FAT32 12,16,32: Số bít dùng để đánh STT các khối(2 12,2 16,2 32 ) FAT12: 2 12 (khối) x 512 bytes/khối = 2MB FAT16: 2 16 (khối) x 512 bytes/khối = 32MB FAT32: 2 32 (khối) x 512 bytes/khối = 4GB Boot sector 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 FAT1 0000 0003 0004 FFFF 0006 0008 FFFF FFFF 0000 FAT2 (backup) Root directory empty File2 Other directories and files 0000 0001 0002 0003 0004 0005 empty File1 File1 File3 File1 File2 0006 0007 0008 0009 0010 0011 File2 empty empty empty 0012 0013 0014 0015 0016 0017 empty empty empty empty empty empty 53

Tổ chức tập tin trên Windows: NTFS Nhóm các sector liên tiếp nhau lại để tạo thành các Cluster. 54

Tổ chức tập tin trên Windows: NTFS NTFS không sử dụng khái niệm FAT và Root Dir để quản lýcáctập tin lưu trênđĩa màsử dụng khái nhiệm MFT (Master File Table). MFT là 1 Metadata file bao gồm 1 danh sách các trường chứa thông tin về mỗitập tin lưu trữ trên đĩa. Thông tin trong MFT có thể giúp thiếtlập các thuộc tính bảo vệ, phục hồi, tìm kiếm, thiếtlập quota cho từng tập tin, thư mục trênđĩa. 55

Tổ chức tập tin trên Unix/Linux: I-node I-node mode owner Direct block 0 Direct block 1 Direct block 10 Direct block 11 Single indirect Double indirect Triple indirect index index index index index index index index index Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block Data block 56

Chöông 4: Quaûn lyù tieán trình Moâ hình Tieán trình Traïng thaùi tieán trình Thoâng tin quaûn lyù tieán trình Quaù trình ñieàu phoái tieán trình Caùc thuaät toaùn ñieàu phoái 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 1

Khaùi nieäm : Ña nhieäm vaø ña chöông??? Vì sao muoán xöû lyù ñoàng thôøi nhieàu coâng vieäc treân maùy tính? Job 1 CPU IO CPU IO CPU Job 1 CPU IO CPU IO Job 2 CPU IO CPU CPU Xöû lyù ñoàng thôøi ñeå taêng hieäu suaát söû duïng CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 2

Khaùi nieäm : Ña nhieäm vaø ña chöông??? Vì sao muoán xöû lyù ñoàng thôøi nhieàu coâng vieäc treân maùy tính? Job : kq = a*b + c*d; Xöù lyù tuaàn töï Xöûù lyù ñoàng haønh CPU #1 CPU #1 CPU #2 x = a * b 1 x = a * b y = c * d y = c *d 2 kq = x+y kq = x+y 3 Xöû lyù ñoàng thôøi ñeå taêng toác ñoä xöû lyù 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 3

Ña nhieäm vaø ña chöông Multitasking (ña nhieäm) : cho pheùp nhieàu taùc vuï/ coâng vieäc ñöôïc xöû lyù ñoàng thôøi Ngöôøi duøng luoân mong muoán 1 HÑH ña nhieäm Nhöng: Maùy tính thöôøng chæ coù 1 CPU? Multiprogramming (ña chöông) : kyõ thuaät cho pheùp nhieàu chöông trình ñöôïc thöïc hieän ñoàng thôøi (treân 1 CPU) Giaû laäp nhieàu CPU aûo töø 1 CPU thaät ñeå cho pheùp thi haønh nhieàu chöông trình ñoàng thôøi. AÛo hoaù baèng caùch naøo? Xaây döïng caùc thuaät toaùn ñeå luaân chuyeån CPU giöõa caùc chöông trình öùng duïng. 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 4

Xöû lyù ñoàng haønh, nhöõng khoù khaên? Excel Visual C++ CDplayer Winword HÑH : Giaûi quyeát nhieàu coâng vieäc ñoàng thôøi, ñaâu coù deã! - Taøi nguyeân giôùi haïn, öùng duïng voâ haïn - Nhieàu hoaït ñoäng ñan xen??? Phaân chia taøi nguyeân???? Chia seû taøi nguyeân???? Baûo veä? 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 5

Giaûi phaùp Winword CDPlayer Excel Visual C ++ HÑH : Ai cuõng coù phaàn khi ñeán löôït maø! - Chia ñeå trò, coâ laäp caùc hoaït ñoäng. - Moãi thôøi ñieåm chæ giaûi quyeát 1 yeâu caàu. - Aûo hoaù taøi nguyeân : bieán ít thaønh nhieàu 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 6

Giaûi phaùp CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 7

Khaùi nieäm tieán trình (Process) Tieán trình laø moät chöông trình ñang trong quaù trình thöïc hieän Moãi tieán trình sôû höõu Moät CPU (aûo) rieâng Moät khoâng gian nhôù rieâng Chieám giöõ 1 soá taøi nguyeân cuûa heä thoáng Vd: Moät chöông trình Word coù theå ñöôïc chaïy 2 laàn seõ taïo ra 2 tieán trình khaùc nhau: Microsoft Word [Bai tap1.doc] Microsoft Word [Bai tap2.doc] 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 8

Hai phaàn cuûa tieán trình P1 Doøng xöû lyù int a; P2 int a; Khoâng gian ñòa chæ 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 9

Traïng thaùi tieán trình? Taïi 1 thôøi ñieåm, tieán trình ôû moät trong caùc traïng thaùi sau: ready R s CPU Nhaän R Nhaän CPU Traû CPU blocked R s CPU running R s CPU Chôø R 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 10

Khoái quaûn lyù tieán trình - PCB (Process Control Block) Định danh (Process ID) Trạng thaùi tiến trình Ngữ cảnh tiến trình Trạng thaùi CPU Bộ xử lyù (cho maùy nhiều CPU) Bộ nhớ chính Taøi nguyeân sử dụng/tạo lập Thoâng tin giao tiếp Tiến trình cha, tiến trình con Độ ưu tieâên Thoâng tin thống keâ pid State (State, details) Context (IP, Mem, Files ) Relatives ( Dad, children) Scheduling statistic Process control Block PCB 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 11

Ví duï: Khoái quaûn lyù tieán trình cuûa HÑH MachOS typedef struct machpcb { char mpcb_frame[regoff]; struct regs mpcb_regs; // user's saved registers struct rwindow mpcb_wbuf[maxwin]; //user window save buffer char *mpcb_spbuf[maxwin]; //sp's for each wbuf int mpcb_wbcnt; //number of saved windows in pcb_wbuf struct v9_fpu *mpcb_fpu; // fpu state struct fq mpcb_fpu_q[maxfpq]; // fpu exception queue int mpcb_flags; // various state flags int mpcb_wocnt; // window overflow count int mpcb_wucnt; // window underflow count kthread_t *mpcb_thread; // associated thread } machpcb_t; 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 12

Caùc thao taùc treân tieán trình Taïo laäp tieán trình Keát thuùc tieán trình Thay ñoåi traïng thaùi tieán trình : Assign() Block() Awake() Suspend() Resume() 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 13

Taïo laäp tieán trình Caùc tình huoáng : Khôûi ñoäng batch job User logs on Kích hoaït 1 service (print...) Process goïi haøm taïo moät tieán trình khaùc Caùc tieán trình coù theå taïo tieán trình con, hình thaønh caây tieán trình trong heä thoáng Caùc tieán trình môùi ñöôïc taïo coù theå thöøa höôûng taøi nguyeân töø cha, hay ñöôïc caáp taøi nguyeân môùi 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 14

Keát thuùc tieán trình Tình huoáng : Tieán trình xöû lyù xong leänh cuoái cuøng hay goïi exit () Keát thuùc Batch job, Halt instruction User logs off Do loãi chöông trình Moät tieán trình coù theå keát thuùc 1 tieán trình khaùc neáu coù ID (ñònh danh) cuûa tieán trình kia. Ví duï: kill -s SIGKILL 1234: huyû tieán trình coù ID laø 1234 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 15

Moâ hình ña tieán trình (MultiProcesses) Heä thoáng laø moät taäp caùc tieán trình hoaït ñoäng ñoàng thôøi Caùc tieán trình ñoäc laäp vôùi nhau => khoâng coù söï trao ñoåi thoâng tin hieån nhieân.. Excel winword Visual C CDplayer OS 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 16

Ví duï moâ hình ña tieán trình Giôø thi lyù thuyeát moân Heä Ñieàu haønh Moãi sinh vieân laø moät tieán trình : Cuøng laøm baøi => Hoaït ñoäng ñoàng haønh Coù baøi thi, buùt, giaáy rieâng => Taøi nguyeân rieâng bieät Ñoäc laäp => Khoâng trao ñoåi (veà nguyeân taéc) Thöïc haønh moân Heä Ñieàu haønh 2 sinh vieân/nhoùm Hôïp taùc ñoàng haønh Nhucaàutraoñoåi Duøng taøi nguyeân chung 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 17

Moâ hình ña tieåu trình (MultiThreads) Nhieàu tình huoáng caàn coù nhieàu doøng xöû lyù ñoàng thôøi cuøng hoaït ñoäng trong moät khoâng gian ñòa chæ => cuøng chia seû taøi nguyeân (server, OS, caùc chöông trình tính toaùn song song : nhaân ma traän ) alta vista Khaùi nieäm môùi : tieåu trình (thread) 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 18

Ví duï Moâ hình ña tieåu trình Thöïc haønh moân Heä Ñieàu haønh Moãi nhoùm 2 sinh vieân laø moät tieán trình : Moãi sinh vieân laø moät tieåu trình Cuøng laøm baøi => Hoaït ñoäng ñoàng haønh Coùù baøi thöïc haønh chung => Taøi nguyeân chung Trao ñoåi vôùi nhau 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 19

Khaùc bieät giöõa Tieåu trình & Tieán trình Tieåu trình : 1 doøng xöû lyù Tieán trình : P1 1 khoâng gian ñòa chæ 1 hoaëc nhieàu tieåu trình Caùc tieán trình laø ñoäc laäp T1 T2 T 3 Caùc tieåu trình trong cuøng 1 tieán trình khoâng coù söï baûo veä laãn nhau (caàn thieát? ). int a; 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 20

Tieåu trình haït nhaân (Kernel thread) T1 T2 User mode System call Kernel Thread Kernel mode Khaùi nieäm tieåu trình ñöôïc xaây döïng beân trong haït nhaân Ñônvòxöûlyù laøtieåutrình Ví duï : Windows 95/98/NT/2000 Solaris, Tru64 UNIX, BeOS, Linux 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 21

Phaân chia CPU? 1 CPU vaät lyù : laøm theá naøo ñeå taïo aûo giaùc moãi tieán trình sôû höõu CPU rieâng cuûa mình? Luaân chuyeån CPU giöõa caùc tieán trình 2 thaønh phaàn ñaûm nhieäm vai troø ñieàu phoái: Scheduler choïn 1 tieán trình Dispatcher chuyeån CPU cho tieán trình ñöôïc choïn CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 22

Caùc danh saùch tieán trình Ready List P1 P4 P5 Waiting Lists R1 R2 R3 P2 P3 P6 P7 P10 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 23

Scheduler - Nhieäm vuï Ra quyeát ñònh choïn moät tieán trình ñeå caáp phaùt CPU : ÖÙng cöû vieân = {Caùc tieán trình ready list} 0 tieán trình : CPU raûnh roãi (idle)! 1 tieán trình : khoâng caàn suy nghó nhieàu, ñuùng khoâng? >1 : choïn ai baây giôø? Döïa vaøo caùc thuaät toaùn ñieàu phoái Ready List P1 P4 P5 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 24

Dispatcher - Nhieäm vuï Nhieäm vuï cuûa Dispatcher: Chuyeån ñoåi ngöõ caûnh Xeùt ví duï Tieán trình A ñang duøng CPU 1 chuùt thì bò HÑH thu hoài CPU HÑH caáp CPU cho B duøng 1 chuùt, HÑH thu hoài laïi CPU. HÑH caáp CPU trôû laïi cho A. Giaù trò caùc thanh ghi giöõa nhöõng laàn chuyeån ñoåi CPU? Kòch baûn : Löu ngöõ caûnh tieán trình hieän haønh Naïp ngöõ caûnh tieán trình ñöôïc choïn keá tieáp 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 25

10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 26

Dispatcher - Thaûo luaän Baûn thaân HÑH cuõng laø 1 phaàn meàm, nghóa laø cuõng söû duïng CPU ñeå coùtheåchaïyñöôïc. Caâu hoûi: Khi tieán trình A ñang chieám CPU, laøm theá naøo HÑH coù theå thu hoài CPU laïi ñöôïc? (vì luùc naøy HÑH khoâng giöõ CPU) EÙp buoäc NSD thænh thoaûng traû CPU laïi cho HÑH? Coù khaû thi? Maùy tính phaûi coù 2 CPU, 1 daønh rieâng cho HÑH? HÑH söû duïng ngaét ñoàng hoà (ngaét ñieàu phoái) ñeå kieåm soaùt heä thoáng Moãi khi coù ngaét ñoàng hoà, HÑH kieåm tra xem coù caàn thu hoài CPU töø 1 tieán trình naøo ñoù laïi hay khoâng? HÑH chæ thu hoài CPU khi coù ngaét ñoàng hoà phaùt sinh. Khoaûng thôøi gian giöõa 2 laàn ngaét ñieàu phoái goïi laø chu kyø ñoàng hoà (toái thieåu laø 18.2 laàn / giaây) 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 27

Löïa choïn tieán trình? Taùc vuï cuûa Scheduler Muïc tieâu? Söû duïng CPU hieäu quaû Ñaûm baûo taát caû caùc tieán trình ñeàu tieán trieån xöû lyù Tieâu chuaån löïa choïn? Taát caû caùc tieán trình ñeàu nhö nhau? Ñeà xuaát moät ñoä öu tieân cho moãi tieán trình? Thôøi ñieåm löïa choïn? (Thôøi ñieåm kích hoaït Scheduler()) 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 28

Muïc tieâu ñieàu phoái Hieäu quûa (Efficiency) Thôøi gian Ñaùùp öùng (Response time) Hoaøn taát (Turnaround Time = Tquit -Tarrive): Chôø (Waiting Time = T in Ready ) : Thoâng löôïng (Throughput = # jobs/s ) Hieäu suaát Taøi nguyeân Chi phí chuyeån ñoåi Coâng baèng ( Fairness) : Taát caû caùc tieán trình ñeàu coù cô hoäi nhaän CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 29

Thôøi ñieåm ra quyeát ñònh ñieàu phoái Ñieàu phoái ñoäc quyeàn (non-preemptive scheduling): tieán trình ñöôïc choïn coù quyeàn ñoäc chieám CPU Caùc thôøi ñieåm kích hoaït Scheduler P cur keát thuùc P cur : running ->blocked Ñieàu phoái khoâng ñoäc quyeàn (preemptive scheduling): tieán trình ñöôïc choïn coù theå bò cöôùp CPU bôûi tieán trình coù ñoä öu tieân cao hôn Caùc thôøi ñieåm kích hoaït Scheduler P cur keát thuùc P cur : Running -> Blocked Q : Blocked / New -> Ready 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 30

Hai nguyeân taéc ñieàu phoái CPU Ñoäc quyeàn while (true) { save state P cur } Scheduler.NextP() P next load state p next resume P next wait for P next Khoâng ñoäc quyeàn while (true) { interrupt save state P cur P cur } Scheduler.NextP() P next load state p next resume P next 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 31

Ñaùnh giaù chieán löôïc ñieàu phoái Söû duïng 2 ñaïi löôïng ño : Turn- around time = T quit T arrive : töø luùc vaøo HT ñeán khi hoaøn taát Waiting time = T in Ready Xeùt tröôøng hôïp trung bình N tieán trình Avg Turn- around time = (Σ Turn- around time Pi )/N Avg Waiting time = (Σ Waiting time Pi )/N 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 32

Caùc chieán löôïc ñieàu phoái FIFO (FCFS) Xoay vòng (Round Robin) Theo độ ưu tiên Công việc ngắn nhất (SJF) Nhiều mức độ ưu tiên 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 33

FCFS (First comes first served) Ready List C B A CPU Tieán trình vaøo RL laâu nhaát ñöôïc choïn tröôùc Theo thứ tự vaøo RL Độc quyền Ready List C B CPU Ready List C CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 34

Minh hoïa FCFS P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 24 0 P2 1 3 P2 27-1 24-1 P3 2 3 P3 30-2 27-2 Avg WT = (23+25)/3 = 16 P1 P2 P3 0 24 27 0:00 P1 vào RL P1 dùng CPU 0:01 P2 vào RL 0:02 P3 vào RL 0:24 P1 kết thúc P2 dùng CPU 0:27 P2 kết thúc P3 dùng CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 35

Nhaän xeùt FCFS Ñôn giaûn Chòu ñöïng hieän töôïng tích luõy thôøi gian chôø Tieán trình coù thôøi gian xöû lyù ngaén ñôïi tieán trình coù thôøi gian xöû lyù daøi Öu tieân tieán trình cpu-bounded CoùtheåxaûyratìnhtraïngñoäcchieámCPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 36

Ñieàu phoái Round Robin (RR) Ready List C B A CPU Quantum/ Time slice Ñieàu phoái theo nguyeân taéc FCFS Moãi tieán trình chæ söû duïng moät löôïng q cho moãi laàn söû duïng CPU A chỉ chiếm CPU trong q ms Ready List A C B CPU B được giao quyền sử dụng CPU trong q ms kế tiếp Ready List B A C CPU C được giao quyền sử dụng CPU trong q ms kế tiếp 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 37

Minh hoïa RR, q=4 P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 30 0+(10-4) P2 1 3 P2 7-1 4-1 P3 2 3 P3 10-2 7-2 Avg WT = (6+3+5)/3 = 4.66 P1 P2 P3 P1 P1 P1 P1 P1 0 4 7 10 14 18 22 26 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào (đợi) 0:02 P3 vào (đợi) 0:04 P1 hết lượt, P2 dùng CPU 0:07 P2 dừng, P3 dùng CPU 0:10 P3 dừng, P1 dùng CPU 0:14 P1 vẫn chiếm CPU 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 38

Minh hoïa RR, q=4 P P1 P2 P3 T arriverl 0 4 12 CPU burst 24 3 3 Tranh chaáp vò trí trong RL : Chung thuûy 1. P : running -> ready 2. P : blocked -> ready 3. P: new ->ready Khoâng phaûi luoân luoân coù thöù töï ñieàu phoái P1 P2 P3 P4P1 P2 P3 P4... P1 P1 P2 P1 P3 P1 P1 P1 0 4 8 11 15 18 22 26 30 RL 0:04 P1 P2 Chung thuûy 0:00 P1 0:8 P2 P1 0:04? 0:04 P2 P1 Coù môùi nôùi cuõ 0:11 P1 0:15 P3 P1 0:18 P1 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 39

RR : Khinaøokeátthuùc1 löôïtsöûduïngcpu Heát thôøi löôïng q ms (quantum) cho pheùp Tieán trình keát thuùc Tieán trình bò khoùa Chờ Rs Chờ biến cố 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 40

Nhaän xeùt RR Söû duïng cô cheá khoâng ñoäc quyeàn Moãi tieán trình khoâng phaûi ñôïi quaù laâu Loaïi boû hieän töôïng ñoäc chieám CPU Hieäu quaû? Phuï thuoäc vaøo vieäc choïn löïa quantum q q quaùù lớn??? q quaù nhỏ??? Bao laâu? Giaûm tíùnh töông taùc Taêng chi phí chuyeån ñoåi ngöõ caûnh Tröôøng hôïp xaáu nhaát cuûa RR? 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 41

Ñieàu phoái vôùi ñoä öu tieân Phân biệt tiến trìnhquantrọng >< tiến trình bình thường? Độ ưu tiên WinAmp độ ưu tiên: cao(-3) Outlook độ ưu tiên: thấp (3) WinWord độ ưu tiên: trung bình (0) Tieán trình coù ñoä öu tieân cao nhaát ñöôïc choïn caáp CPU tröôùc 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 42

Ví duï: Ñoä öu tieân cuûa HÑH WinNT WinNT gaùn cho moãi tieán trình ñoä öu tieân coù giaù trò giöõa 0 & 31 0 (ñoä öu tieân nhoû nhaát): daønh rieâng cho traïng thaùi system idle Ñoä öu tieân ñöôïc phaân theo nhoùm: Realtime : (16-31) Thích hôïp cho caùc tieán trình thôøi gian thöïc Daønh rieâng cho caùc tieán trình cuûa ngöôøi quaûn trò heä thoáng Dynamic : (0-15) Thích hôïp cho caùc tieán trình cuûa ngöôøi duøng thöôøng Chia thaønh 3 möùc : high (11-15) normal (6-10) idle (2-6) 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 43

Bieåu ñoà phaân boá ñoä öu tieân cuûa WinNT realtime time-critical 31 realtime levels 16-31 24 realtime highest (+2) above normal (+1) normal (0) below normal (-1) lowest (-2) realtime idle dynamic time-critical 16 15 high 13 normal dynamic levels 1-15 8 4 idle dynamic idle system idle 1 0 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 44

Nguyeân taéc ñieàu phoái Độc quyền Lượt sử dụng CPU kết thuùc khi: tiến trình kết thuùc, tiến trình bị khoùa Khoâng độc quyền Lượt sử dụng CPU kết thuùc khi: tiến trình kết thuùc, tiến trình bị khoùa, coùtiến trìnhvôùiđộ ưu tieâncaohơn vaøorl 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 45

Minh hoïa ñoä öu tieân (khoângñoäc quyeàn) P T RL Priority CPU burst P TT WT P1 0 2 24 P1 30 0+(7-1) P2 1 0 3 P2 4-1 0 P3 2 1 3 P3 7-2 4-2 Avg WT = (6+0+2)/3 = 2.66 P1 P2 P2 P3 P1 0 1 2 4 7 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào (độ ưu tiêncaohơn P1) P2 dành quyền dùngcpu 0:4 P2 kết thúc, P3 dùng CPU 0:7 P3 dừng, P1 dùng CPU 0:30 P1 dừng 0:02 P3 vào (độ ưu tiênthấp hơn P2) P3 không dành được quyền dùngcpu 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 46

Nhaän xeùt Caùch tính ñoä öu tieân? Heä thoáng gaùn : CPU times Ngöôøi duøng gaùn töôøng minh Tính chaát ñoä öu tieân : Tónh Ñoäng starvation Soá phaän tieán trình coù ñoä öu tieân thaáp? Chôø laâu, laâu, laâu... Aging : taêng ñoä öu tieân cho nhöõng tieán trình chôø laâu trong heä thoáng 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 47

Shortest Job First (SJF) Ready List P2 (cần 3 chukỳ) P1 (cần 5 chukỳ) P3 (cần 7 chukỳ) Ngắn nhất CPU Là một dạng độ ưu tiênđặc biệt với độ ưu tiên p i = thời_gian_còn_lại(process i ) Có thể cài đặt độc quyền hoặc khôngđộc quyền 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 48

Minh hoïa SJF (ñoäc quyeàn)(1) P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 24 0 P2 1 3 P2 27 24-1 P3 2 3 P3 30 27-2 Avg WT = (23+25)/3 = 16 P1 P2 P3 0 24 27 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào RL 0:02 P3 vào RL 0:24 P1 kết thúc, P2 dùng CPU 0:27 P2 dừng, P3 dùng CPU 0:30 P3 dừng 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 49

Minh hoïa SJF (ñoäc quyeàn)(2) P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 24 0 P2 1 3 P2 29 26-1 P3 1 2 P3 26 24-2 Avg WT = (24+22)/3 = 15.33 P1 P3 P2 0 24 26 29 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào 0:01 P3 vào 0:24 P1 kết thúc, P3 dùng CPU 0:26 P3 dừng, P2 dùng CPU 0:29 P2 dừng 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 50

Minh hoïa SJF (khoângñoäc quyeàn) (1) P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 30 0+(7-1) P2 1 3 P2 4-1 0 P3 2 3 P3 7-2 4-2 Avg WT = (6+0+2)/3 = 2.66 P1 P2 P3 P1 0 1 4 7 30 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào (độ ưu tiêncaohơn P1) P2 dành quyền dùngcpu 0:4 P2 kết thúc, P3 dùng CPU 0:7 P3 dừng, P1 dùng CPU 0:30 P1 dừng 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 51

Minh hoïa SJF (khoângñoäc quyeàn) (2) P T arriverl CPU burst P TT WT P1 0 24 P1 33 0+(10-1) P2 1 5 P2 6 0 P3 3 4 P3 10 6-3 Avg WT = (9+0+3)/3 = 4 P1 P2 P2 P3 P1 0 1 3 6 10 33 0:00 P1 vào, P1 dùng CPU 0:01 P2 vào (độ ưu tiêncaohơn P1) P2 dành quyền dùngcpu 0:6 P2 kết thúc, P3 dùng CPU 0:9 P3 dừng, P1 dùng CPU 0:33 P1 dừng 0:03 P3 vào (độ ưu tiên< P2) P2 dành quyền dùngcpu 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 52

Minh hoïa SJF (nhieàu chu kyø CPU) P T arriverl CPU1 burst IO1 R IO1 T CPU2 burst IO2 R IO2 T P1 0 5 R1 2 2 R2 2 P2 2 1 R1 10 1 R1 4 P3 10 8 R2 1 0 Null 0 CPU P1 P2 P1 P3 P2 P3 P1 P3 0 2 3 6 10 13 14 15 17 21 R1 P2 P1 P2 3 13 15 19 R2 P1 P3 17 19 21 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 53 22

Nhaän xeùt SJF Toái öu thôøi gian chôø Chöùng minh? Khoâng khaû thi Laøm sao bieát CPU burst? P1 a P2 b P3 c AvgWT = (3a+2b+c) Min AvgWT? a<b<c ( ) n τ = α t + 1 α τ n + 1 n length of the nth CPU burst 0<= α <=1 predicted value for the n th CPU burst most recent information relative weight past history 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 54

Ñieàu phoái vôùi nhieàu möùc öu tieân CPU Độ ưutiên 1 2 Toå chöùc N RL öùng vôùi nhieàu möùc öu tieân Moãi RL i aùp duïng moät chieán löôïc ñieàu phoái thích hôïp Giöõa caùc RL aùp duïng ñieàu phoái theo ñoä öu tieân : n RL i roãng môùi ñieàu phoái RL i+1 Kết hợp nhiều chiến lược 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 55

Ñieàu phoái vôùi nhieàu möùc öu tieân Thöïc teá CPU Độ ưutiên 1 2 Toå chöùc N RL öùng vôùi nhieàu möùc öu tieân Moãi RL i aùp duïng RR Giöõa caùc RL aùp duïng ñieàu phoái theo ñoä öu tieân : RL i roãng môùi ñieàu phoái RL i+1 n Kết hợp nhiều chiến lược 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 56

Khuyeát ñieåm 1 CPU 2 Chờ lâu quá Starvation!!! Giaûi phaùp Aging : Chôø laâu quaù : chuyeån leân RL vôùi ñoä öu tieân cao hôn Chieám CPU laâu quaù : chuyeån xuoáng RL vôùi ñoä öu tieân thaáp hôn Khi naøo thöïc hieän aging? Aging tieán trình naøo? 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 57

Bài tập: Hãy điều phối CPU: SJF không độc quyền. R1,R2: FIFO Tieán trình Thôøi ñieåm vaøo Ready list CPU1 Thôøi gian IO laàn 1 Thieát bò CPU2 Thôøi gian IO laàn 2 Thieát bò P1 0 8 5 R1 1 0 Null P2 2 1 8 R2 2 5 R1 P3 10 6 5 R1 2 3 R2 P4 11 3 20 R2 0 0 Null 10/20/2007 Trần Hạnh Nhi 58

Chöông 5 Ñoàng boä hoaù tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 1

Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy waiting Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer Consumer Readers Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 2

Nhieàu tieán trình chung soáng hoaø bình trong heä thoáng? ÑÖØNG HY VOÏNG An toaøn khi caùc tieán trình hoaøn toaøn ñoäc laäp Laøm sao coù ñöôïc?? Thöïc teá Caùc tieán trình chia seû taøi nguyeân chung ( file system, CPU...) Concurrent access => bugs. Ví duï : Deâ con qua caàu Xöû lyù ñoàng haønh =...nhöùc ñaàu 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 3

Caùc vaán ñeà Tranh chaáp Nhieàu tieán trình truy xuaát ñoàng thôøi moät taøi nguyeân mang baûn chaát khoâng chia seû ñöôïc Xaûy ra vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Keát quaû? Khoù bieát, thöôøng laø...sai Luoân luoân nguy hieåm? Phoái hôïp...khoâng, nhöng ñuû ñeå caân nhaéc kyõ caøng Caùc tieán trình khoâng bieát töông quan xöû lyù cuûa nhau ñeå ñieàu chænh hoaït ñoäng nhòp nhaøng Caàn phoái hôïp xöû lyù (Rendez-vous) Keát quaû : khoù bieát, khoâng baûo ñaûm aên khôùp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 4

Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï Ñeám soá ngöôøi vaøo Altavista : duøng 2 threads caäp nhaät bieán ñeám hits=> P1 vaø P2 chia seû bieán hits hits = 0 P1 P2 hits = hits +1; hits = hits + 1; Keát quaû cuoái cuøng laø bao nhieâu? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 6

Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï hits = 0 time P1 (1) read hits (0) (3) hits = 0 + 1 hits = 1 P2 (2)read hits (0) (4)hits = 0 + 1 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 7

Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï hits = 0 time P1 (1) read hits (0) (2) hits = 0 + 1 hits = 2 P2 (3) read hits (1) (4) hits = 1 + 1 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 8

Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition) - Ví duï (tt) i=0; Thread a: while(i < 10) i = i +1; print A won! ; Thread b: while(i > -10) i = i - 1; print B won! ; Ai thaéng? Coù baûo ñaûm raèng seõ coù ngöôøi thaéng? Neáu moãi tieán trình xöû lyù treân 1 CPU thì sao? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 9

Tranh ñoaït ñieàu khieån (Race condition)-nhaän xeùt Keát quaû thöïc hieän tieán trình phuï thuoäc vaøo keát quaû ñieàu phoái Cuøng input, khoâng chaéc cuøng output Khoù debug loãi sai trong xöû lyù ñoàng haønh Xöû lyù Laøm lô Deã, nhöng coù phaûi laø giaûi phaùp Khoâng chia seû taøi nguyeân chung : duøng 2 bieán hits1,hits2; xaây caàu 2 lane... Neân duøng khi coù theå, nhöng khoâng bao giôø coù theå ñaûm baûo ñuû taøi nguyeân, vaø cuõng khoâng laø giaûi phaùp ñuùng cho moïi tröôøng hôïp Giaûi phaùp toång quaùt : coù hay khoâng? Lyù do xaûy ra Race condition? Bad interleavings : moät tieán trình xen vaøo quaù trình truy xuaát taøi nguyeân cuûa moät tieán trình khaùc Giaûi phaùp : baûo ñaûm tính atomicity cho pheùp tieán trình hoaøn taát troïn veïn quaù trình truy xuaát taøi nguyeân chung tröôùc khi coù tieán trình khaùc can thieäp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 10

Atomicity : loaïi boû Race Condition time hits = 0 P1 P2 read hits (0) hits = 0 + 1 hits = 2 read hits(1) hits = 1 + 1 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 11

Mieàn gaêng (Critical Section) & Khaû naêng ñoäc quyeàn (Mutual Exclusion) Mieàn gaêng (CS) laø ñoaïn chöông trình coù khaû naêng gaây ra hieän töôïng race condition P1 P2 printf( Welcome ); printf( Welcome ); CS hits = hits + 1 hits = hits + 1 CS printf( Bye ); printf( Bye ); Hoã trôï Atomicity : Caàn baûo ñaûm tính ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) cho mieàn gaêng (CS) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 12

Phoái hôïp hoaït ñoäng P1 (1) Send( Anh ); P2 (2) Send( yeâu ); P3 (3) Send( em ); P4 (4) Send( Khoâng ); 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 14

Chuyeän gì ñaõ xaûy ra? P1 (1) Send( Anh ); P2 (2) Send( yeâu ); P3 (3) printf( em ); P4 (4) Send( Khoâng ); P3 (3) Send( em ); P4 (4) Send( Khoâng ); P2 (2) Send( yeâu ); P1 (1)Send( Anh );

Phoái hôïp xöû lyù P1 Job1; Job2; P2 Laøm theá naøo baûo ñaûm trình töï thöïc hieän Job1 - Job2? P1 vaø P2 thöïc hieän heïn hoø (Rendez-vous) vôùi nhau Hoã trôï Rendez-vous : Baûo ñaûm caùc tieán trình phoái hôïp vôùi nhau theo 1 trình töï xöû lyù ñònh tröôùc. 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 16

Baøi toaùn ñoàng boä hoaù (Synchronization) Nhieàu tieán trình chia seû taøi nguyeân chung ñoàng thôøi : Tranh chaáp Race Condition Nhu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Caùc tieán trình phoái hôïp hoaït ñoäng : Töông quan dieãn tieán xöû lyù? Nhucaàu hoøheïn (Rendez-vous) Thöïc hieän ñoàng boä hoaù : Laäp trình vieân ñeà xuaát chieán löôïc Caùc tieán trình lieân quan trong baøi toaùn phaûi toân troïng caùc luaätñoàng boä Giaûi phaùp söû duïng caùc cô cheá ñoàng boä : Do laäp trình vieân /phaàn cöùng / HÑH / NNLT cung caáp 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 18

Moâ hình ñaûm baûo Mutual Exclusion Nhieäm vuï cuûa laäp trình vieân: Theâm caùc ñoaïn code ñoàng boä hoùa vaøo chöông trình goác Theâm theá naøo : xem moâ hình sau... Kieåm tra vaø daønh quyeàn vaøo CS CS; Töø boû quyeàn söû duïng CS 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 19

Moâ hình toå chöùc phoái hôïp giöõa hai tieán trình Nhieäm vuï cuûa laäp trình vieân: Theâm caùc ñoaïn code ñoàng boä hoùa vaøo 2 chöông trình goác Theâm theá naøo : xem moâ hình sau... P1 P2 Job1; Chôø ; Baùo hieäu ; Job2; Nhieàu tieán trình hôn thì sao? Khoâng coù moâ hình toång quaùt Tuøy thuoäc baïn muoán heïn hoø ra sao 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 20

Noäi dung baøi giaûng Xöû lyù ñoàng haønh vaø caùc vaán ñeà: Vaán ñeà tranh ñoaït ñieàu khieån (Race Condition) Vaán ñeà phoái hôïp xöû lyù Baøi toaùn ñoàng boä hoùa Yeâu caàu ñoäc quyeàn truy xuaát (Mutual Exclusion) Yeâu caàu phoái hôïp xöû lyù (Synchronization) Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Busy wating Sleep & Wakeup Caùc baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån Producer Consumer Readers Writers Dinning Philosophers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 21

Giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Moät phöông phaùp giaûi quyeát toát baøi toaùn ñoàng boä hoaù caàn thoaû maûn 4 ñieàu kieän sau: Mutual Exclusion : Khoâng coù hai tieán trình cuøng ôû trong mieàn gaêng cuøng luùc. Progess : Moät tieán trình taïm döøng beân ngoaøi mieàn gaêng khoâng ñöôïc ngaên caûn caùc tieán trình khaùc vaøo mieàn gaêng Bounded Waiting : Khoâng coù tieán trình naøo phaûi chôø voâ haïn ñeå ñöôïc vaøo mieàn gaêng. Khoâng coù giaû thieát naøo ñaët ra cho söï lieân heä veà toác ñoä cuûa caùc tieán trình, cuõng nhö veà soá löôïng boä xöû lyù trong heä thoáng. 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 22

Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Nhoùm giaûi phaùp Busy Waiting Phaàn meàm Söû duïng caùc bieán côø hieäu Söû duïng vieäc kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp cuûa Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 23

Caùc giaûi phaùp Busy waiting While (chöa coù quyeàn) donothing() ; CS; Töø boû quyeàn söû duïng CS Tieáp tuïc tieâu thuï CPU trong khi chôø ñôïi vaøo mieàn gaêng Khoâng ñoøi hoûi söï trôï giuùp cuûa Heä ñieàu haønh 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 24

Nhoùm giaûi phaùp Busy-Waiting Caùc giaûi phaùp Busy Waiting Caùc giaûi phaùp phaàn meàm Giaûi phaùp bieán côø hieäu Giaûi phaùp kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 25

Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Söû duïng bieán côø hieäu int lock = 0 P0 NonCS; P1 NonCS; while (lock == 1); // wait lock = 1; lock = 0; CS; while (lock == 1); // wait lock = 1; lock = 0; CS; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 26

Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Tình huoáng int lock = 0 P0 NonCS; P1 NonCS; while (lock == 1); // wait lock = 1; lock = 0; CS; while (lock == 1); // wait lock = 1; lock = 0; CS; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 27

Nhaän xeùt Giaûi phaùp phaàn meàm 1: Bieán côø hieäu Coù theå môû roäng cho N tieán trình Khoâng baûo ñaûm Mutual Exclusion Nguyeân nhaân? Bò ngaét xöû lyù while ( lock == 1); // wait lock = 1; CS! Taøi nguyeân duøng chung Baûn thaân ñoaïn code kieåm tra vaø daønh quyeàn cuõng laø CS! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 28

Giaûi phaùp phaàn meàm 2 : Kieåm tra luaân phieân int turn = 1 P0 NonCS; P1 NonCS; while (turn!=0); // wait while (turn!= 1); // wait turn = 1; CS; turn = 0; CS; NonCS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 29

Giaûi phaùp phaàn meàm 2 : Tình huoáng int turn = 1 P0 turn ==1 Wait... CS; turn = 1 NonCS; CS? (turn ==1) P1 CS; turn = 0; NonCS... P0 khoâng vaøo ñöôïc CS laàn 2 khi P1 döøng trong NonCS! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 30

Nhaän xeùt Giaûi phaùp 2: Kieåm tra luaân phieân Chæ daønh cho 2 tieán trình Baûo ñaûm Mutual Exclusion Chæ coù 1 bieán turn, taïi 1 thôøi ñieåm chæ cho 1 tieán trình turn vaøo CS Khoâng baûo ñaûm Progress Nguyeân nhaân? Môø cuûa cho ngöôøi = Ñoùng cöûa chính mình! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 31

Giaûi phaùp phaàn meàm 3 : Peterson s Solution Keát hôïp yù töôûng cuûa 1 & 2, caùc tieán trình chia seû: int turn; //ñeán phieân ai int interest[2] = FALSE; //interest[i] = T : Pi muoán vaøo CS Pi NonCS; j = 1 i; interest[i] = TRUE; turn = j; while (turn==j && interest[j]==true); CS; interest[i] = FALSE; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 32

Giaûi phaùp phaàn meàm 3 : Peterson Pj NonCS; i = 1 j; interest[j] = TRUE; turn = i; while (turn==i && interest[i]==true); CS; interest[j] = FALSE; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 33

Nhaän xeùt giaûi phaùp phaàn meàm 3: Peterson Laø giaûi phaùp phaàn meàm ñaùp öùng ñöôïc caû 3 ñieàu kieän Mutual Exclusion : Pi chæ coù theå vaøo CS khi: interest[j] == F hay turn == i Neáu caû 2 muoán veà thì do turn chæ coù theå nhaän giaù trò 0 hay 1 neân chæ coù 1 tieán trình vaøo CS Progress Söû duïng 2 bieán interest[i] rieâng bieät => traïng thaùi ñoái phöông khoâng khoaù mình ñöôïc Bounded Wait : interest[i] vaø turn ñeàu coù thay ñoåi giaù trò Khoâng theå môû roäng cho N tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 34

Nhaän xeùt chung veà caùc giaûi phaùp phaàn meàm trong nhoùm Busy-Waiting Khoâng caàn söï hoã trôï cuûa heä thoáng Deã...sai, Khoù môû roäng Giaûi phaùp 1 neáu coù theå ñöôïc hoã trôï atomicity thì seõ toát... Nhôø ñeán phaàn cöùng? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 35

Nhoùm Busy-Waiting - Caùc giaûi phaùp phaàn cöùng Caùc giaûi phaùp Busy Waiting Caùc giaûi phaùp phaàn meàm Giaûi phaùp bieán côø hieäu Giaûi phaùp kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp Peterson Caùc giaûi phaùp phaàn cöùng Caám ngaét Test&Set lock Instruction 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 36

Nhoùm Busy-Waiting - Giaûi phaùp phaàn cöùng 1: Caám ngaét NonCS; Disable Interrupt; CS; Enable Interrupt; NonCS; Disable Interrupt : Caám moïi ngaét, keå caû ngaét ñoàng hoà Enable Interrupt : Cho pheùp ngaét 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 37

Giaûi phaùp phaàn cöùng 1: Caám ngaét Thieáu thaän troïng Neáu tieán trình bò khoaù trong CS? System Halt Cho pheùp tieán trình söû duïng moät leänh ñaëc quyeàn Quaù...lieàu! Maùy coù N CPUs? Khoâng baûo ñaûm ñöôïc Mutual Exclusion 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 38

Nhoùm Busy-Waiting - Giaûi phaùp phaàn cöùng 2: chæ thò TSL() CPU hoãtrôïprimitive Test and Set Lock Traû veà giaù trò hieän haønh cuûa 1 bieán, vaø ñaët laïi giaù trò True cho bieán Thöïc hieän moät caùch khoâng theå phaân chia TSL (boolean &target) { TSL = target; target = TRUE; } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 39

Aùp duïng TSL int lock = 0 Pi NonCS; while (TSL(lock)); // wait lock = 0; CS; NonCS; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 40

Nhaän xeùt chung caùc giaûi phaùp phaàn cöùng trong nhoùm Busy- Waiting Caàn ñöôïc söï hoã trôï cuûa cô cheá phaàn cöùng Khoâng deã, nhaát laø treân caùc maùy coù nhieàu boä xöû lyù Deã môû roäng cho N tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 41

Nhaän xeùt chung cho caùc giaûi phaùp trong nhoùm Busy Waiting Söû duïng CPU khoâng hieäu quaû Lieân tuïc kieåm tra ñieàu kieän khi chôø vaøo CS Khaéc phuïc Khoaù caùctieántrìnhchöañuûñieàukieänvaøocs, nhöôøng CPU cho tieán trình khaùc Phaûi nhôø ñeán Scheduler Wait and See... 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 42

Caùc giaûi phaùp ñoàng boä hoaù Nhoùm giaûi phaùp Busy Waiting Phaàn meàm Söû duïng caùc bieán côø hieäu Söû duïng vieäc kieåm tra luaân phieân Giaûi phaùp cuûa Peterson Phaàn cöùng Caám ngaét Chæ thò TSL Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 43

Caùc giaûi phaùp Sleep & Wake up if (chöa coù quyeàn) Sleep() ; CS; Wakeup( somebody); Töø boû CPU khi chöa ñöôïc vaøo CS Khi CS troáng, seõ ñöôïc ñaùnh thöùc ñeå vaøo CS Caàn ñöôïc Heä ñieàu haønh hoã trôï Vì phaûi thay ñoåi traïng thaùi tieán trình 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 44

YÙ töôûng Heä Ñieàu haønh hoã trôï 2 primitive : Sleep() : Tieán trình goïi seõ nhaän traïng thaùi Blocked WakeUp(P): Tieán trình P nhaän traïng thaùi Ready AÙp duïng Sau khi kieåm tra ñieàu kieän seõ vaøo CS hay goïi Sleep() tuøy vaøo keát quaû kieåm tra Tieán trình vöøa söû duïng xong CS seõ ñaùnh thöùc caùc tieán trình bò Blocked tröôùc ñoù 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 45

AÙp duïng Sleep() and Wakeup() int busy; // busy ==0 : CS troáng int blocked; // ñeám soá tieán trình bò Blocked chôø vaøo CS if (busy) { } else busy = 1; blocked = blocked + 1; Sleep(); CS; busy = 0; if(blocked) { } WakeUp(P); blocked = blocked - 1; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 46

Vaán ñeà vôùi Sleep & WakeUp P1 if (busy) { blocked = blocked + 1; Sleep(); } else busy = 1; CS; WakeUp bò laïc P2 if (busy) { blocked = blocked + 1; Sleep(); } else busy = 1; CS; P1 blocked vónh vieãn busy = 0; if(blocked) { WakeUp(P); blocked = blocked - 1; } busy = 0; if(blocked) { WakeUp(P); blocked = blocked - 1; } Nguyeân nhaân : Vieäc kieåm tra ñieàu kieän vaø ñoäng taùc töø boû CPU coù theå bò ngaét quaõng Baûn thaân caùc bieán côø hieäu khoâng ñöôïc baûo veä 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 47

Caøi ñaët caùc giaûi phaùp Sleep & WakeUp? Heä ñieàu haønh caàn hoã trôï caùc cô cheá cao hôn Döïa treân Sleep&WakeUp Keát hôïp caùc yeáu toá kieåm tra Thi haønh khoâng theå phaân chia Nhoùm giaûi phaùp Sleep & Wakeup Semaphore Monitor Message 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 48

Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 1: Semaphore Ñöôïc ñeà nghò bôûi Dijkstra naêm 1965 Caùc ñaëc tính : Semaphore s; Coù 1 giaù trò Chæ ñöôïc thao taùc bôûi 2 primitives : Down(s) Up(s) Semaphore s; // s >=0 Caùc primitive Down vaø Up ñöôïc thöïc hieän khoâng theå phaân chia 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 49

Caøi ñaët Semaphore (Sleep & Wakeup) typedef struct { int value; struct process* L; } Semaphore ; Giaù trò beân trong cuûa semaphore Danh saùch caùc tieán trình ñang bò block ñôïi semaphore nhaän giaù trò döông Semaphore ñöôïc xem nhö laø moät resource Caùc tieán trình yeâu caàu semaphore : goïi Down(s) Neáu khoâng hoaøn taát ñöôïc Down(s) : chöa ñöôïc caáp resource Blocked, ñöôïc ñöa vaøo s.l Caàn coù söï hoã trôï cuûa HÑH Sleep() & Wakeup() 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 50

Caøi ñaët Semaphore (Sleep & Wakeup) Down (S) { S.value --; if S.value < 0 { Add(P,S.L); Sleep(); } } Up(S) { S.value ++; if S.value 0 { Remove(P,S.L); Wakeup(P); } } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 51

Söû duïng Semaphore Toå chöùc ñoäc quyeàn truy xuaát P i Down (s) Semaphore s =?1 CS; Up(s) Toå chöùc hoø heïn Semaphore s =?0 P 1 : Job1; Up(s) P 2 : Down (s); Job2; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 52

Nhaän xeùt Semaphores Laø moät cô cheá toát ñeå thöïc hieän ñoàng boä Deã duøng cho N tieán trình Nhöng yù nghóa söû duïng khoâng roõ raøng MutualExclusion : Down & Up Rendez-vous : Down & Up Chæ phaân bieät qua moâ hình Khoù söû duïng ñuùng Nhaàm laãn 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 53

Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 2: Monitor Ñeà xuaát bôûi Hoare(1974) & Brinch (1975) Laø cô cheá ñoàng boä hoaù do NNLT cung caáp Hoã trôï cuøng caùc chöùc naêng nhö Semaphore Deã söû duïng vaø kieåm soaùt hôn Semaphore Baûo ñaûm Mutual Exclusion moät caùch töï ñoäng Söû duïng bieán ñieàu kieän ñeå thöïc hieän Synchronization 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 54

Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(1) Monitor M Share variable: i,j; MethodA MethodB i=0methodc prinf(j) i=5 Laø moät module chöông trình ñònh nghóa Caùc CTDL, ñoái töôïng duøng chung Caùc phöông thöùc xöû lyù caùc ñoái töôïng naøy Baûo ñaûm tính encapsulation Caùc tieán trình muoán truy xuaát döõ lieäu beân trong monitor phaûi duøng caùc phöông thöùc cuûa monitor : P1 : M.C() // i=5 P2: M.B() // printf(j) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 55

Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(2) Entry queue P6 P7 P8 Share variable: i,j; MethodA MethodB i = 0 MethodC printf(i) i=5 P1 Töï ñoäng baûo ñaûm Mutual Exclusion Taïi 1 thôøi ñieåm chæ coù 1 tieán trình ñöôïc thöïc hieän caùc phöông thöùc cuûa Monitor Caùc tieán trình khoâng theå vaøo Monitor seõ ñöôïc ñöa vaøo Entry queue cuûa Monitor Ví duï P1 : M.A(); P6 : M.B(); P7 : M.A(); P8 : M.C(); 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 56

Monitor : Ngöõ nghóa vaø tính chaát(3) Entry queue P6 P7 P8 Share variable: i,j; Condition variable: C1: P2 P4 C2: P3 P5 P1 MethodA MethodB i=0; signal(c1) MethodC P1 wait(c1); i=5 signal(c2 ); Hoã trôï Synchronization vôùi caùc condition variables Wait(c) : Tieán trình goïi haøm seõ bò blocked Signal(c): Giaûi phoùng 1 tieán trình ñang bò blocked treân bieán ñieàu kieän c C.queue : danhsaùchcaùctieántrìnhblocked treân c Traïng thaùi tieán trình sau khi goïi Signal? Blocked. Nhöôøng quyeàn vaøo monitor cho tieán trình ñöôïc ñaùnh thöùc Tieáp tuïc xöû lyù heát chu kyø, roài blocked 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 57

Söû duïng Monitor Toå chöùc ñoäc quyeàn truy xuaát Monitor M <resource type> RC; Function AccessMutual CS; // access RC P i M.AccessMutual(); //CS Toå chöùc hoø heïn Monitor M Condition c; Function F1 Job1; Signal(c); Function F2 Wait(c); Job2; P 1 : M.F1(); P 2 : M.F2(); 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 58

Giaûi phaùp Sleep & Wakeup 3: Message Ñöôïc hoã trôï bôûi HÑH Ñoàng boä hoùa treân moâi tröôøng phaân taùn 2 primitive Send & Receive Caøi ñaët theo mode blocking 1. Send Request Server 3. Send Finish P 2. Receive Accept 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 59

Baøitoaùnñoàngboäkinhñieån1: Producer - Consumer (Bounded-Buffer Problem) Moâ taû : 2 tieán trình P vaø C hoaït ñoäng ñoàng haønh P saûn xuaát haøng vaø ñaët vaøo Buffer C laáy haøng töø Buffer ñi tieâu thuï Buffer coù kích thöôùc giôùi haïn Tình huoáng P vaø C ñoàng thôøi truy caäp Buffer? P Buffer (N) C P theâm haøng vaøo Buffer ñaày? C laáy haøng töø Buffer troáng? P khoâng ñöôïc ghi döõ lieäu vaøo buffer ñaõ ñaày (Rendez-vous) C khoâng ñöôïc ñoïc döõ lieäu töø buffer ñang troáng (Rendez-vous) P vaø C khoâng ñöôïc thao taùc treân buffer cuøng luùc (Mutual Exclusion) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 61

Producer Consummer : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa P vaø C BufferSize = N; // soá choã trong boä ñeäm semaphore mutex = 1 ; // kieåm soaùt truy xuaát ñoäc quyeàn semaphore empty = BufferSize; // soá choã troáng semaphore full = 0; // soá choã ñaày int Buffer[BufferSize]; // boä ñeäm duøng chung 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 62

Producer Consummer : Giaûi phaùp Semaphore Producer() Consumer() { { int item; int item; while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); down(&full); down(&empty); down(&mutex); down(&mutex) remove_item(&item,buffer); enter_item(item,buffer); up(&mutex); up(&mutex); up(&empty); up(&full); consume_item(item); } } } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 63 }

P&C - Giaûi phaùp Semaphore: Thinking... Producer() Consumer() { { int item; int item; while (TRUE) while (TRUE) { { produce_item(&item); down(&mutex); down(&mutex) down(&full); down(&empty); remove_item(&item,buffer); enter_item(item,buffer); up(&mutex); up(&mutex); up(&empty); up(&full); consume_item(item); } } } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 64 }

Producer Consummer : Giaûi phaùp Monitor monitor ProducerConsumer condition full, empty; int Buffer[N], count; procedure enter(); { if (count == N) wait(full); enter_item(item,buffer); count ++; if (count == 1) signal(empty); } procedure remove(); { if (count == 0) wait(empty) remove_item(&item,buffer); count --; if (count == N-1) signal(full); } count = 0; end monitor; 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 65

Producer Consummer : Giaûi phaùp Monitor Producer() { int item; while (TRUE) { produce_item(&item); ProducerConsumer.enter; } } Consumer(); { int item; while (TRUE) { ProducerConsumer.remove; consume_item(item); } } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 66

Producer Consummer : Giaûi phaùp Message } Producer() { int item; message m; while (TRUE) { } Coi chöøng Deadlock produce_item(&item); receive(consumer, Request); create_message(&m, item); send(consumer,&m); Consumer(); 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 67 { } int item; message m; for(0 to N) send(producer, Request); while (TRUE) { } receive(producer, &m); remove_item(&m,&item); send(producer, Request); consumer_item(item);

Baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån 2: Readers & Writers Moâ taû : N tieán trình Ws vaø Rs hoaït ñoäng ñoàng haønh Rs vaø Ws chia seû CSDL R1 W caäp nhaät noäi dung CSDL Rs truy caäp noäi dung CSDL Tình huoáng Caùc Rs cuøng truy caäp CSDL? W ñang caäp nhaät CSDL thì caùc Rs truy caäp CSDL? Caùc Rs ñang truy caäp CSDL thì W muoán caäp nhaät CSDL? R2 W1 W2 Database R3 W khoâng ñöôïc caäp nhaät döõ lieäu khi coù ít nhaát moät R ñang truy xuaát CSDL (ME) Rs khoâng ñöôïc truy caäp CSDL khi moät W ñang caäp nhaät noäi dung CSDL (ME) Taïi moät thôøi ñieåm, chæ cho pheùp moät W ñöôïc söûa ñoåi noäi dung CSDL (ME) 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 68

Readers-Writers vôùi active readers 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 69

Readers-writers vôùi moät active writer 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 70

Öu tieân ai hôn ñaây? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 71

Readers & Writers W ñoäc quyeàn truy xuaát CSDL W hieän taïi keát thuùc caäp nhaät CSDL : ai vaøo? Cho W khaùc vaøo, caùc Rs phaûi ñôïi Öu tieân Writer, Reader coù theå starvation Cho caùc Rs vaøo, Ws khaùc phaûi ñôïi Öu tieân Reader, Writer coù theå starvation 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 72

Readers & Writers : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa Rs vaø Ws semaphore db = 1; // Kieåm tra truy xuaát CSDL 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 73

R&W : Giaûi phaùp Semaphore (1) Reader() { down(&db); read-db(database); up(&db); } Writer() { down(&db); write-db(database); up(&db); } Chuyeän gì xaûy ra? Chæ coù 1 Reader ñöôïc ñoïc CSDL taïi 1 thôøi ñieåm! 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 74

R&W : Giaûi phaùp Semaphore (2) Reader() { rc = rc +1; if (rc ==1) down(&db); read-db(database); rc = rc 1; if (rc == 0) up(&db); } Writer() } { down(&db); write-db(database); up(&db); Ñuùng chöa? rc laø bieán duøng chung giöõa caùc Reader... CS ñoù 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 75

Readers & Writers : Giaûi phaùp Semaphore Caùc bieán duøng chung giöõa Rs vaø Ws semaphore db = 1; // Kieåm tra truy xuaát CSDL Caùc bieán duøng chung giöõa Rs int rc; // Soá löôïng tieán trình Reader semaphore mutex = 1; // Kieåm tra truy xuaát rc 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 76

R&W : Giaûi phaùp Semaphore (3) Reader() { down(&mutex); rc = rc +1; if (rc ==1) down(&db); up(mutex); read-db(database); down(mutex); rc = rc 1; if (rc == 0) up(&db); up(mutex); } Writer() { down(&db); write-db(database); up(&db); } Ai ñöôïc öu tieân? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 77

R&W : Giaûi phaùp Semaphore (Thinking...) Reader() { down(&mutex); rc = rc +1; up(mutex); if (rc ==1) down(&db); read-db(database); down(mutex); rc = rc 1; up(mutex); if (rc == 0) up(&db); } Writer() { down(&db); write-db(database); up(&db); }??? heâ, heâ, heâ 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 78

R&W: Giaûi phaùp Monitor monitor ReaderWriter? Database; procedure R1(); { } procedure R...(); { } procedure W1(); { } procedure W...(); { } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 79

monitor ReaderWriter condition OKWrite, OKRead; int rc = 0; Boolean busy = false; procedure BeginRead() { if (busy) wait(okread); rc++; signal(okread); } procedure FinishRead() { rc--; if (rc == 0) signal(okwrite); } procedure BeginWrite() { if (busy rc!= 0) wait(okwrite); busy = true; } procedure FinishWrite() { busy = false; if (OKRead.Queue) signal(okread); else signal(okwrite); } end monitor;

Reader&Writer : Giaûi phaùp Monitor Reader() { RW.BeginRead(); Read-db(Database); RW.FinishRead(); } Writer(); { RW.BeginWrite(); Write-db(Database); RW.FinishWrite(); } 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 81

Baøi toaùn ñoàng boä hoaù kinh ñieån 3: Böûa aên cuûa caùc Trieát gia (Dining Philosophers) Naêm trieát gia ngoài chung quanh baøn aên moùn spaghetti (yum..yum) Treân baøn coù 5 caùi nóa ñöôïc ñaët giöõa 5 caùi ñóa (xem hình) Ñeå aên moùn spaghetti moãi ngöôøi caàn coù 2 caùi nóa Trieát gia thöù i: Thinking... Eating... Chuyeän gì coù theå xaûy ra? 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 82

Dining Philosophers : Tình huoáng nguy hieåm 2 trieát gia giaønh giaät cuøng 1 caùi nóa Tranh chaáp Caàn ñoàng boä hoaù hoaït ñoäng cuûa caùc trieát gia 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 83

Dining Philosophers : Giaûi phaùp ñoàng boä semaphore fork[5] = 1; Philosopher (i) { while(true) { down(fork[i]); down(fork[i+1 mod 5]) eat; up(fork[i]); up(fork[i+1 mod 5]); think; } Deadlock 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 84

Dining Philosophers : Thaùch thöùc Caàn ñoàng boä sao cho: Khoâng coù deadlock Khoâng coù starvation 11/10/2007 Trần Hạnh Nhi 85

Baøi giaûng 6 : Quaûn lyù boä nhôù Toång quan Nhu caàu boä nhôù cuûa tieán trình Caùc vaán ñeà veà boä nhôù Chuyeån ñoåi ñòa chæ Caùc coâng ñoaïn Caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Vai troø Quaûn lyù boä nhôù cuûa HÑH Caùc yeâu caàu Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Moâ hình Lieân tuïc Moâ hình Khoâng lieân tuïc 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 1

Toång quan : Nhu caàu veà boä nhôù cuûa tieán trình Chöông trình caàn ñöôïc naïp vaøo Boä nhôù chính ñeå thi haønh CPU chæ coù theå truy xuaát tröïc tieáp Main Memory Chöông trình khi ñöôïc naïp vaoø BNC seõ ñöôïc toå chöùc theo caáu truùc cuûa tieán trình töông öùng Ai caáp phaùt BNC cho tieán trình? Chöông trình nguoàn söû duïng ñòa chæ symbolic Tieán trình thöïc thi truy caäp ñiaï chæ thöïc trong BNC Ai chuyeån ñoåi ñòa chæ? HÑH Boä phaän Quaûn lyù Boä nhôù Moâ hình toå chöùc? Cô cheá hoã trôï Chieán löôïc thöïc hieän 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 2

Toång quan : Caùc vaán ñeà veà Boä nhôù Caáp phaùt Boä nhôù : Uniprogramming : Khoâng khoù Multiprogramming : BNC giôùi haïn, N tieán trình? Baûoveä? Chiaseû? Tieán trình thay ñoåi kích thöôùc? Tieán trình lôùn hôn BNC? Chuyeån ñoåi ñòa chæ tieán trình Thôøi ñieåm chuyeån ñoåi ñòa chæ? Coâng thöùc chuyeån ñoåi? Phuï thuoäc vaøo Moâ hình toå chöùc BNC? Caàn söï hoã trôï cuûa phaàn cöùng? Tieán trình thay ñoåi vò trí trong BNC? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 3

Ví duï Moâi tröôøng ña nhieäm OS gcc nachos emacs 0x9000 0x7000 0x4000 0x3000 0x0000 Neáu nachos caàn theâm khoâng gian? Neáu nachos coù loãi vaø thöïc hieän thao taùc ghi vaøo ñòa chæ 0x7100? Khi naøo gcc bieát raèng noù thöôøng truù taïi 0x4000? Neáu emacs caàn nhieàu boä nhôù hôn dung löôïng vaät lyù hieän coù? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 4

Caùc böôùc chuyeån ñoåi chöông trình C program: test.c Compiler Object:test.o Linker lib.o Executable: test.exe Loader Memory 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 5

Caùc böôùc chuyeån ñoåi source program ->.exe

A.C int x; int y; x = 12; y = 5; B.C F() { printf( Hi ); } OS F(); A.O 0 // x 2 // y 4 // [0] = 12; 5 // [2] = 5; 6 // jmp F //external // object B.O 0-2 // F() 0 // F() 3 // x 5 // y 7 // [3] = 12; 8 // [5] = 5; 9 // jmp 0 Test.exe? // F()? // x? // y? // [?] = 12;? // [?] = 5;? // jmp?

Thuaät ngöõ Ñòa chæ logic coøn goïi laø ñòa chæ aûo, laø taát caû caùc ñòa chæ do boäxöûlyùtaïo ra Ñòa chæ physic - laø ñòa chæ thöïc teá maø trình quaûn lyù boä nhôù nhìn thaáy vaø thao taùc Khoâng gian ñòa chæ laø taäp hôïp taát caû caùc ñòa chæ aûo phaùt sinh bôûi moät chöông trình Khoâng gian vaät lyù laø taäp hôïp taát caû caùc ñòa chæ vaät lyù töông öùng vôùi caùc ñòa chæ aûo 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 8

Nhu caàu boä nhôù cuûa tieán trình Tiến trìnhgồm có: code segment read from program file by exec usually read-only can be shared data segment initialized global variables (0 / NULL) uninitialized global variables heap dynamic memory e.g., allocated using malloc grows against higher addresses stack segment variables in a function stored register states (e.g. calling function EIP) grows against lower addresses system data segment (PCB) segment pointers pid program and stack pointers possible stack stacks for more threads 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi high address 9 Stack cho các thread 8048314 <add>: 8048314: push %ebp 8048315: mov %esp,%ebp 8048317: mov 0xc(%ebp),%eax 804831a: add 0x8(%ebp),%eax 804831d: pop %ebp 804831e: ret 804831f <main>: 804831f: push %ebp 8048320: mov %esp,%ebp 8048322: sub $0x18,%esp 8048325: and $0xfffffff0,%esp 8048328: mov $0x0,%eax 804832d: sub %eax,%esp 804832f: movl $0x0,0xfffffffc(%ebp) 8048336: movl $0x2,0x4(%esp,1) 804833e: movl $0x4,(%esp,1) 8048345: call 8048314 <add> 804834a: mov %eax,0xfffffffc(%ebp) 804834d: leave 804834e: ret 804834f: nop... low address system data segment (PCB) code segment initialized variables uninitialized variables data segment process A heap unused memory data segment

Logical and Physical Address Spaces 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 10

Truy xuaát boä nhôù Ñòa chæ cuûa Instruction vaø data trong program source code laø symbolic: goto errjmp; X = A + B; Nhöõng ñòa chæ symbolic naøy caàn ñöôïc lieân keát (bound) vôùi caùc ñòa chæ thöïc trong boä nhôù vaät lyù tröôùc khi thi haønh code Address binding: aùnh xaï ñòa chæ töø khoâng gian ñòa chæ (KGÑC) naøy vaøo KGÑC khaùc Thôøi ñieåm thöïc hieän address binding? compile time load time execution time. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 11

Thôøi ñieåm keát buoäc ñòa chæ? Coù theå thöïc hieän vieäc keát buoäc ñòa chæ taïi 1 trong 3 thôøi ñieåm : Compile-time: Phaùt sinh ñòa chæ tuyeät ñoái Phaûi bieát tröôùc vò trí naïp chöông trình Phaûi bieân dòch laïi chöông trình khi vò trí naïp thay ñoåi Load-time: Khi bieân dòch chæ phaùt sinh ñòa chæ töông ñoái Khi naïp, bieát vò trí baét ñaàu seõ tính laïi ñòa chæ tuyeät ñoái Phaûi taùi naïp khi vò trí baét ñaàu thay ñoåi Execution-time: Khi bieân dòch,naïp chæ phaùt sinh ñòa chæ tuong ñoái Trì hoaõn thôøi ñieåm keât buoäc ñòa chæ tuyeät ñoái ñeán khi thi haønh Khi ñoù ai tính toaùn ñòa chæ tuyeät ñoái? Phaàn cöùng : MMU 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 12

Chuyeån ñoåi ñòa chæ gcc Load Store CPU virtual address MMU Translation box legal addr? Illegal? Physical address Physical memory data error 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 13

CPU, MMU and Memory 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 14

Yeâu caàu quaûn lyù boä nhôù Taêng hieäu suaát söû duïng CPU Caàn hoã trôï Multiprogramming Löu tröõ cuøng luùc nhieàu tieán trình trong BNC? Caùc yeâu caàu khi toå chöùc löu tröõ tieán trình: 1. Relocation 2. Protection 3. Sharing 4. Logical Organization 5. Physical Organization 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 15

Taùi ñònh vò (Relocation) Khoâng bieát tröôùc chöông trình seõ ñöôïc naïp vaøo BN ôû vò trí naøo ñeå xöû lyù. Moät tieán trình coù theå ñöôïc di dôøi trong boä nhôù sau khi ñaõ naïp C Tieán trình taêng tröôûng? HÑH saép xeáp laïi caùc tieán trình ñeå coù theå söû duïng BNC hieäu quûa hôn. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 16

Baûo veä (Protection) Khoâng cho pheùp tieán trình truy caäp ñeán caùc vò trí nhôù ñaõ caáp cho tieán trình khaùc (khi chöa coù pheùp). Khoâng theå thöïc hieän vieäc kieåm tra hôïp leä taïi thôøi ñieåm bieân dòch hay naïp, vì chöông trình coù theå ñöôïc taùi ñònh vò. Thöïc hieän kieåm tra taïi thôøi ñieåm thi haønh Caàn söï hoã trôï cuûa phaàn cöùng. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 17

Chia seû (Sharing) Caàn cho pheùp nhieàu tieán trình tham chieáu ñeán cuøng moät vuøng nhôù maø khoâng toån haïi ñeán tính an toaøn heä thoáng : Tieát kieäm choå löu tröõ cho caùc module duøng chung. Cho pheùp caùc tieán trình coäng taùc coù khaû naêng chia seû döõ lieäu. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 18

Toå chöùc logic (Logical Organization) Ngöôøi duøng vieát chöông trình goàm nhieàu module, vôùi caùc yeâu caàu baûo veä cho töøng module coù theå khaùc nhau: instruction modules : execute-only. data modules : read-only hay read/write. moät soá module laø private, soá khaùc coù theå laø public. OS caàn hoã trôï caùc cô cheá coù theå phaûn aùnh moâ hình logic cuûa chuông trình 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 19

Toå chöùc vaät lyù (Physical Organization) Caáp phaùt vuøng nhôù vaät lyù sao cho hieäu quaû Vaø deã daøng chuyeån ñoåi chöông trình qua laïi giöõa BNC vaø BNP 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 20

Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Linker Loader Base & Bound Caáp phaùt Khoâng lieân tuïc (Non Contigous Allocation) Segmentation Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 21

Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Nguyeân taéc : Chöông trình ñöôïc naïp toaøn theå vaøo BNC ñeå thi haønh Caàn moät vuøng nhôù lieân tuïc, ñuû lôùn ñeå chöùa Chöông trình Khoâng gian ñòa chæ : lieân tuïc Khoâng gian vaät lyù : coù theå toå chöùc Fixed partition Variable partition 2 moâ hình ñôn giaûn Linker Loader Base & Bound 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 22

Fixed Partitioning Phaân chia KGVL thaønh caùc partitions Coù 2 caùch phaân chia partitions : kích thöôùc baèng nhau kích thöôùc khaùc nhau Moãi tieán trình seõ ñöôïc naïp vaøo moät partition ñeå thi haønh Chieán löôïc caáp phaùt partition? 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 23

Chieán löôïc caáp phaùt partitions cho tieán trình Kích thöôùc partition baèng nhau khoâng coù gì phaûi suy nghó! Kích thöôùc partition khoâng baèng nhau : Söû duïng nhieàu haøng ñôïi Caáp cho tieán trình partition vôùi kích thöôùc beù nhaát (ñuû lôùn ñeå chöùa tieân trình) Khuyeát ñieåm : phaân boá caùc tieán trình vaøo caùc partition khoâng ñeàu, moät soá tieán trình phaûi ñôïi trong khi coù partition khaùc troáng 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 24

Chieán löôïc caáp phaùt partitions cho tieán trình Kích thöôùc partition khoâng baèng nhau : Söû duïng 1 haøng ñôïi Caáp cho tieán trình partition töï do vôùi kích thöôùc beù nhaát (ñuû lôùn ñeå chöùa tieân trình) Caàn duøng moät CTDL ñeå theo doõi caùc partition töï do 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 25

Nhaän xeùt Fixed Partitioning Söû duïng BN khoâng hieäu quaû internal fragmentation : kích thöôùc chöông trình khoâng ñuùng baèng kích thöôùc partition Möùc ñoä ña chöông cuûa heä thoáng (Soá tieán trình ñöôïc naïp) bò giôùi haïn bôûi soá partitions P1 (2M) internal frag 3M P2 (4M) 8M internal frag 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 26

Dynamic Partitioning BNC khoâng ñöôïc phaân chia tröôùc Caùc partition coù kích thöôùc tuøy yù, seõ hình thaønh trong quaù trình naïp caùc tieán trình vaøo heä thoáng Moãi tieán trình seõ ñöôïc caáp phaùt ñuùng theo kích thöôùc yeâu caàu khoâng coøn internal fragmentation P1 (2M) P2 (4M) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 27

Dynamic Partitioning: tình huoáng P4 (1.5M) P1 (2M) P2 (4M) P3 (8M) external fragmentation 2M Choïn löïa partition ñeå caáp phaùt cho tieán trình? Ñoàng thôøi coù nhieàu partition töï do ñuû lôùn ñeå chöùa tieán trình Dynamic Allocation problem Tieán trình vaøo sau khoâng laáp ñaày choã troáng tieán trình tröôùc ñeå laïi external fragmentation

Ví duï Dynamic Partitioning 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 29

Ví duï Dynamic Partitioning 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 30

Giaûi quyeát vaán ñeà Dynamic Allocation Caùc chieán löôïc thoâng duïng ñeå choïn partition: First-fit: choïn partition töï do ñaàu tieân Best-fit: choïn partition töï do nhoû nhaát ñuû chöùa tieán trình Worst-fit: choïn partition töï do lôùn nhaát ñuû chöùa tieán trình P3 (1M) 2M P1 8M First Fit Worst Fit P2 1.5M Best Fit 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 31

Memory Compaction (Garbage Collection) Giaûi quyeát vaán ñeà External Fragmentation : Doàn caùc vuøng bò phaân maûnh laïi vôùi nhau ñeå taïo thaønh partition lieân tuïc ñuû lôùn ñeå söû duïng Chi phí thöïc hieän cao 2M External fragmentations P1 1M P2 1.5M 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 32

Caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Fixed/Dynamic partition laø moâ hình toå chöùc naïp tieán trình vaøo KGVL Caàn coù moâ hình ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ töø KGÑC vaøo KGVL Linker Loader Base & Bound 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 33

Moâ hình Linker-Loader test.exe 0x4000 OS test.exe 0x7000 jump 0x2000 0x0000 jump 0x5000 0x3000 (base) Taïi thôøi ñieåm Link, giöõ laïi caùc ñòa chæ logic Vò trí base cuûa tieán trình trong boä nhôù xaùc ñònh ñöôïc vaøo thôøi ñieåm naïp : ñòa chæ physic = ñòa chæ logic + base 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 34

Nhaän xeùt moâ hình Linker-Loader Khoâng caàn söï hoã trôï phaàn cöùng ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ Loader thöïc hieän Baûo veä? Khoâng hoã trôï Dôøi chuyeån sau khi naïp? Khoâng hoã trôï taùi ñònh vò Phaûi naïp laïi! 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 35

Moâ hình Base & Bound Test.exe 0x4000 OS Test.exe Bound 0x7000 jump 0x2000 0x0000 jump 0x2000 Base 0x3000 Taïi thôøi ñieåm Link, giöõ laïi caùc ñòa chæ logic Vò trí base, bound ñöôïc ghi nhaän vaøo 2 thanh ghi: Keát buoäc ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh => taùi ñònh vò ñöôïc : ñòa chæ physic = ñòa chæ logic + base register Baûo veä : ñòa chæ hôïp leä [base, bound] 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 36

Nhaän xeùt moâ hình Base & Bound Keát buoäc ñòa chæ taïi thôøi ñieåm thi haønh => caàn hoã trôï cuûa phaàn cöùng CPU logical addrs MMU + base reg physical addrs memory Hoã trôï Baûo veä Taùi ñònh vò 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 37

Khuyeát ñieåm cuûa caáp phaùt lieân tuïc Khoâng coù vuøng nhôù lieân tuïc ñuû lôùn ñeå naïp tieán trình? Boù tay... Söû duïng BNC khoâng hieäu qua! 1M P1 P3 (9M) 8M 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 38 P2 1M

Caùc moâ hình toå chöùc boä nhôù Caáp phaùt Lieân tuïc (Contigous Allocation) Linker Loader Base & Bound Caáp phaùt Khoâng lieân tuïc (Non Contigous Allocation) Segmentation Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 39

Caùc moâ hình caáp phaùt khoâng lieân tuïc Cho pheùp naïp tieán trình vaøo BNC ôû nhieàu vuøng nhôù khoâng lieân tuïc Khoâng gian ñòa chæ : phaân chia thaønh nhieàu partition Segmentation Paging Khoâng gian vaät lyù : coù theå toå chöùc Fixed partition : Paging Variable partition : Segmentation 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 40

Segmentation Laäp trình vieân : chöông trình laø moät taäp caùc segments Moät segment laø moät ñôn vò chöông trình goàm caùc ñoái töôïng coù cuøng nhoùm ngöõ nghóa Ví duï : main program, procedure, function, local variables, global variables,common block,stack, symbol table, arrays... Caùc segment coù theå coù kích thöôùc khaùc nhau Moâ hình Segmentation : KGÑC : phaân chia thaønh caùc segment KGVL : toå chöùc thaønh dynamic partitions Naïp tieán trình : Moãi segment caàn ñöôïc naïp vaøo moät partition lieân tuïc, töï do, ñuû lôùn cho segment partition naøo?...dynamic Allocation! Caùc segment cuûa cuøng 1 chöông trình coù theå ñöôïc naïp vaøo nhöõng partition khoâng lieân tuïc 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 41

Moâ hình Segmentation int m; main () { F1(m); } F1(int x) { x = 9; } heap stack data (m) code (main,f1) KGDC Quaûn lyù ñòa chæ? KGVL 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 42

Toå chöùc Segmentation Ñiaï chæ logic : <segment-number, offset> Ñòa chæ physic : <real address> Chuyeån ñoåi ñòa chæ : <s,d> <r> Chuyeån ñoåi ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh MMU thi haønh Söû duïng Segment Table (baûng phaân ñoaïn) ñeå löu thoâng tin caáp phaùt BNC, laøm cô sôû thöïc hieän aùnh xaï ñòa chæ Moãi tieán trình coù moät Segment Table Sâegment Table: Soá phaàn töû cuûa Segment Table = Soá Segment cuûa chöông trình Moãi phaàn töû cuûa Segment Table moâ taû cho 1 segment, vaø coù caáu truùc : base: ñòa chæ vaät lyù trong BNC cuûa partition chöùa segment limit : kích thöôùc segment Löu tröõ Segment Table? Cache : neáu ñuû nhoû BNC : Segment-table base register (STBR), Segment-table length register (STLR) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 43

Chuyeån ñoåi ñòa chæ trong moâ hình Segmentation Logical Addr 3 128? no yes fault + 0x1000 mem Seg# offset Seg table base limit seg 128 0 1 2 3 0x1000 512 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 44

Logical-to-Physical Address Translation in segmentation 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 45

Nhaän xeùt Moâ hình Segmentation Caáp phaùt khoâng lieân tuïc => taän duïng boä nhôù hieäu quaû Hoã trôï taùi ñònh vò Töøng Segment Hoã trôï Baûo veä vaø Chia seû ñöôïc ôû möùc module YÙ nghóa cuûa möùc module? Chuyeån ñoåi ñòa chæ phöùc taïp Ñaõ coù MMU... Söû duïng dynamic partition : chòu ñöïng Dynamic Allocation : choïn vuøng nhôù ñeå caáp cho moät segment First fit, Best fit, Worst fit External Fragmentation : Memory Compaction : chi phí cao 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 46

Sharing of Segments: Text Editor 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 47

Paging Hoã trôï HÑH khaéc phuïc baøi toaùn caáp phaùt boä nhôù ñoäng, vaø loaïi boû external fragmentation Moâ hình Paging : KGÑC : phaân chia chöông trình thaønh caùc page coù kích thöôùc baèng nhau Khoâng quan taâm ñeán ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng naèm trong page KGVL : toå chöùc thaønh caùc fixed partitions coù kích thöôùc baèng nhau goïi laø frame page size = frame size Naïp tieán trình : Moãi page caàn ñöôïc naïp vaøo moät frame töï do Caùc pages cuûa cuøng 1 chöông trình coù theå ñöôïc naïp vaøo nhöõng frames khoâng keá caän nhau. Tieán trình kích thöôùc N pages -> caàn N frame töï do ñeå naïp 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 48

Moâ hình Paging int m; main () { F1(m); } F1(int x) { x = 9; } int m; main () F1(int x) stack heap KGDC Quaûn lyù ñòa chæ? KGVL 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 49

Toå chöùc Paging Ñiaï chæ logic : <page-number, offset> Ñòa chæ physic : <frame-number, offset> Chuyeån ñoåi ñòa chæ : <p,d> <f,d> Chuyeån ñoåi ñòa chæ vaøo thôøi ñieåm thi haønh MMU thi haønh Söû duïng Page Table ñeå löu thoâng tin caáp phaùt BNC, laøm cô sôû thöïc hieän aùnh xaï ñòa chæ Moãi tieán trình coù moät Page Table Page Table Soá phaàn töû cuûa Page Table = Soá Page trong KGÑC cuûa chöông trình Moãi phaàn töû cuûa baûng Page Table moâ taû cho 1 page, vaø coù caáu truùc : frame: soá hieäu frame trong BNC chöùa page Löu tröõ Page Table? Cache : khoâng ñuû BNC : Page-table base register (PTBR), Page-table length register (PTLR) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 50

Chuyeån ñoåi ñòa chæ trong moâ hình Paging CPU Logical addr p d Physical addr f d KGVL f Page table 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 51

Logical-to-Physical Address Translation in Paging 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 52

Nhaän xeùt Moâ hình Paging Loaïi boû Dynamic Allocation External Fragmentation Trong suoát vôùi LTV Hoã trôï Baûo veä vaø Chia seû ôû möùc page Internal Fragmentation Löu tröõ Page Table trong boä nhôù Toán choã Taêng thôøi gian chuyeån ñoåi ñòa chæ 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 53

Löu tröõ Page Table Giaû söû heä thoáng söû duïng m bit ñòa chæ Size of KGÑC = 2 m Kích thöôùc page Treân nguyeân taéc tuøy yù, thöïc teá choïn pagesize = 2 n Taïi sao? Soá trang trong KGÑC: #pages = 2 m / 2 n = 2 m-n Ví duï : 32-bits ñòa chæ, pagesize = 4K KGÑC = 2 32 -> #pages= 2 32-2 12 = 2 20 = 1.000.000 pages! #pages = #entry trong PT Ñiaï chæ logic : Page Table p d (m-n) n Moãi tieán trình löu 1 Page Table Soá löôïng phaàn töû quaù lôùn -> Löu BNC Moãi truy xuaát ñòa chæ seõ toán 2 laàn truy xuaát BNC 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 54

Löu tröõ Page Table : Tieát kieäm khoâng gian Söû duïng baûng trang ña caáp Chia baûng trang thaønh caùc phaàn nhoû, baûn thaân baûng trang cuõng seõ ñöôïc phaân trang Chæ löu thöôøng tröïc baûng trang caáp 1, sau ñoù khi caàn seõ naïp baûng trang caáp nhoû hôn thích hôïp... Coù theå loaïi boû nhöõng baûng trang chöùa thoâng tin veà mieàn ñòa chæ khoâng söû duïng Söû duïng Baûng trang nghòch ñaûo Moâ taû KGVL thay vì moâ taû KGÑC -> 1 IPT cho toaøn boä heä thoáng 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 55

Baûng trang ña caáp p d 0 5 1 16 Baûng trang tuyeán tính Söû duïng page-number laøm chæ muïc ñeán Page Table Phaûi löu taát caû caùc phaàn töû moâ taû taát caû caùc trang trong KGÑC 2 3... p... 7 8 f 2 Nhöõng page khoâng söû duïng : laõng phí Naïp toaøn boä PT vaøo BNC : toán choã 9 10 11 12 13 14 15 9 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 56

Baûng trang ña caáp 0 1 2 3 Page Table caáp 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 0 1 0 2 1 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10 9 11 10 12 11 13 12 12 13 13 14 14 15 15

Moâ hình baûng trang 2 caáp 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 58

Ví duï moâ hình baûng trang 2 caáp Moät maùy tính söû duïng ñòa chæ 32bít vôùi kích thöôùc trang 4Kb. Ñòa chæ logic ñöôïc chia thaønh 2 phaàn: Soá hieäu trang : 20 bits. Offset tính töø ñaàu moãi trang :12 bits. Vì baûng trang laïi ñöôïc phaân trang neân soá hieäu trang laïi ñöôïc chia laøm 2 phaàn: Soá hieäu trang caáp 1. Soá hieäu trang caáp 2. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 59

Ví duï moâ hình baûng trang 2 caáp Vì theá, ñòa chæ logic seõ coù daïng nhö sau: page number page offset p i p 2 d 10 10 12 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 60

Baûng trang ña caáp 0 1 1 2 100 0 1 2 3 Page Table caáp 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 Page Table caáp 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Baûng trang nghòch ñaûo (Inverted Page Table) Söû duïng duy nhaát moät baûng trang nghòch ñaûo cho taát caû caùc tieán trình Moãi phaàn töû trong baûng trang nghòch ñaûo moâ taû moät frame, coù caáu truùc <page> : soá hieäu page maø frame ñang chöùa ñöïng <idp> : id cuûa tieán trình ñang ñöôïc sôõ höõu trang Moãi ñòa chæ aûo khi ñoù laø moät boä ba <idp, p, d > Khi moät tham khaûo ñeán boä nhôù ñöôïc phaùt sinh, moät phaàn ñòa chæ aûo laø <idp, p > ñöôïc ñöa ñeán cho trình quaûn lyù boä nhôù ñeå tìm phaàn töû töông öùng trong baûng trang nghòch ñaûo, neáu tìm thaáy, ñòa chæ vaät lyù <i,d> seõ ñöôïc phaùt sinh 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 62

Kieán truùc baûng trang nghòch ñaûo 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 63

Löu tröõ Page table : Tieát kieäm thôøi gian Moãi truy caäp BNC caàn truy xuaát BNC 2 laàn : Tra cöùu Page Table ñeå chuyeån ñoåi ñòa chæ Tra cöu baûn thaân data Laøm gì ñeå caûi thieän : Tìm caùch löu PT trong cache Cho pheùp tìm kieám nhanh PT lôùn, cache nhoû : laøm sao löu ñuû? Löu 1 phaàn PT... Phaàn naøo? Caùc soá hieäu trang môùi truy caäp gaàn ñaây nhaát... 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 64

Translation Lookaside Buffer (TLB) Vuøng nhôù Cache trong CPU ñöôïc söû duïng ñeå löu taïm thôøi moät phaàn cuûa PT ñöôïc goïi laø Translation Lookaside Buffer (TLB) Cho pheùp tìm kieám toác ñoä cao Kích thöôùc giôùi haïn (thöôøng khoâng quaù 64 phaàn töû) Moãi entry trong TLB chöùa moät soá hieäu page vaø frame töông öùng ñang chöùa page Khi chuyeån ñoåi ñòa chæ, truy xuaát TLB tröôùc, neáu khoâng tìm thaáy soá hieäu page caàn thieát, môùi truy xuaát vaøo PT ñeå laáy thoâng tin frame. 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 65

Translation Lookaside Buffer 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 66

Chuyeån ñoåi ñòa chæ vôùi Paging virtual address CPU p d f physical address f d d TLB p f f Memory PT 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 67 f

Söû duïng TBL 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 68

Baûo veä vaø chia seû trong Segmentation vaø Paging Baûo veä Segmentation : moãi phaàn töû trong ST ñöôïc gaén theâm caùc bit baûo veä Moãi segment coù theå ñöôïc baûo veä tuøy theo ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng beân trong segment Paging : moãi phaàn töû trong PT ñöôïc gaén theâm caùc bit baûo veä Moãi page khoâng nhaän thöùc ñöôïc ngöõ nghóa cuûa caùc ñoái töôïng beân trong page, neân baûo veä chæ aùp duïng cho toaøn boä trang, khoâng phaân bieät. Chia seû: Cho nhieàu phaàn töï trong KGÑC cuøng troû ñeán 1 vò trí trong KGVL Segmentation : chia seû möùc module chöông trình Paging : chia seû caùc trang 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 69

Sharing Pages: A Text Editor

Sharing Pages: A Text Editor ed 3 + data 1 ed 3 + data 2 ed 3 + data 3 Chia seû Page 2 = Chia seû caû code vaø data!

Ñaùnh giaù caùc moâ hình chuyeån ñoåi ñòa chæ Giaû söû coù: t m : thôøi gian truy xuaát BNC t c : thôøi gian truy xuaát cache hit-ration : tæ leä tìm thaáy moät soá hieäu trang p trong TLB Coâng thöùc tính thôøi gian truy caäp thöïc teá (Time Effective Acess) ñeán moät ñoái töôïng trong BNC bao goàm thôøi gian chuyeån ñoåi ñòa chæ vaø thôøi gian truy xuaát döõ lieäu TEA = (time biding add + time acces memory) 4/6/2008 Trần Hạnh Nhi 72

Linker-Loader TEA = t m (data) Base + Bound TEA = (t c + t c ) + t m (Base & Bound) (data) Segmentation TEA = t c + t m (ST trong cache) (data) Paging Khoâng söû duïng TLB : TEA = t m + t m (PT trong mem) (data) Coù söû duïng TLB : TEA = hit-ratio ( t c + t m ) + (1- hit-ratio)( t c + t m + t m ) (TLB) (data) (TLB) (PT) (data)

Baøi giaûng 7 : Boä nhôù AÛo VaÁn ñeà vôùi Real Memory YÙ töôûng Virtual Memory Thöïc hieän Virtual Memory Caùc chieán löôïc cuûa Virtual Memory Chieán löôïc naïp Chieán löôïc thay theá trang Chieán löôïc caáp phaùt khung trang Hieän töôïng thrashing Nguyeân nhaân Giaûi phaùp 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 1

Caùc caáp boä nhôù Cho ñeán nay : Naïp toaøn boä tieán trình vaøo boä nhôù roài thöïc hieän noù... Neáu kích thöôùc tieán trình lôùn hôn dung löông boä nhôù chính? Registers Cache Memory 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 2

Giaûi phaùp Taïi moät thôøi ñieåm chæ coù 1 chæ thò ñöôïc thi haønh Taïi sao phaûi naïp taát caû tieán trình vaøo BNC cuøng 1 luùc? YÙ töôûng Cho pheùp naïp vaø thi haønh töøng phaàn tieán trình Ai ñieàu khieån vieäc thay ñoåi caùc phaàn ñöôïc naïp vaø thi haønh? Taïi moät thôøi ñieåm chæ giöõ trong BNC caùc chæ thò vaø döõ lieäu caàn thieát taïi thôøi ñieåm ñoù Caùc phaàn khaùc cuûa tieán trình naèm ôû ñaâu? Giaûi phaùp Boä nhôù aûo (virtual memory) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 3

Virtual Memory Neáu coù moät Virtual Memory vôùi dung löôïng raát raát lôùn cho LTV laøm vieäc... Hoan hoâ! Memory Virtual Memory Cache Registers 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 4

YÙ töôûng Taùch bieät KGÑC vaø KGVL LTV : moãi tieán trình laøm vieäc vôùi KGÑC 2 m cuûa mình (ñòa chæ töø 0 (2 m -1)) HÑH : chòu traùch nhieäm naïp caùc KGÑC vaøo moät KGVL chung Giaûi phaùp cuûa HÑH : Naïp töøng phaàn tieán trình Phaân chia KGÑC thaønh caùc phaàn? Paging/Segmentation Môû roäng BNC ñeå löu tröõ caùc phaàn cuûa tieán trình chöa ñöôïc naïp Duøng BNP(disk) ñeå môû roäng BNC Nhaän bieát phaàn naøo cuûa KGÑC chöa ñöôïc naïp? Boå sung bit côø hieäu ñeå nhaän daïng tình traïng cuûa moät page/segment laø ñaõ ñöôïc naïp vaøo BNC hay chöa Cô cheá chuyeån ñoåi qua laïi caùc phaàn cuûa tieán trình giöõa BNC vaø BNP Swapping... 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 5

Virtual Memory vôùi cô cheá phaân trang (Paging) Phaân chia KGÑC thaønh caùc page Duøng BNP(disk) ñeå môû roäng BNC, löu tröõ caùc phaàn cuûa tieán trình chöa ñöôïc naïp Boå sung bit côø hieäu trong Page Table ñeå nhaän daïng tình traïng moät page ñaõ ñöôïc naïp vaøo BNC hay chöa. Caáu truùc moät phaàn töû trong Page Tables 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 6

Löu tröõ KGÑC ôû ñaâu? Söû duïng boä nhôù phuï ñeå löu tröõ taïm thôøi caùc trang chöa söû duïng P DISK RAM 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 7

Virtual Memory virtual address space 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 physical memory 7 1 5 4 13 2 18 3 3 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 8

Page table Memory Lookup present bit 15 000 0 14 000 0 13 000 0 12 000 0 11 111 1 10 000 0 9 101 1 8 000 0 7 000 0 6 000 0 5 011 1 4 100 1 3 000 1 2 110 1 1 001 1 0 010 1 Incoming virtual address (0x2004, 8196) 1 1 0 4-bit index into page table virtual page = 0x0010 = 2 Outgoing physical address (0x6004, 24580) 12-bit offset 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 9

Page table Memory Lookup present bit 15 000 0 14 000 0 13 000 0 12 000 0 11 111 1 10 000 0 9 101 1 8 000 0 7 000 0 6 000 0 5 011 1 4 100 1 3 000 1 2 110 0 1 001 1 0 010 1 Incoming virtual address (0x2004, 8196) 4-bit index into page table virtual page = 0x0010 = 2 Outgoing physical address PAGE FAULT 12-bit offset 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 10

Demand Paging int i,j; i main () emacs { j } i = 5; j = 2; i=5 j=2 gcc ji KGDC Khi naïp moät tieán trình môùi, chæ naïp vaøo BNC page chöùa entry code Khi truy xuaát ñeán moät chæ thò hay döõ lieäu, page töông öùng môùi ñöôïc naïp vaøo BNC code KGVL 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 11

Swapping 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 12

Demand Paging + Swapping int i,j; main () { } i = 5; j = 2; i j emacs ji i=5 j=2 gcc KGDC code KGVL 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 13

Boä nhôù aûo = True lie Ngöôøi duøng : sôû höõu boä nhôù voâ haïn, rieâng bieät Heä ñieàu haønh : thaàm laëng thöïc hieän quaù trình swapping # of references Memory address 10% RAM + 90% DISK RAM DISK 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 14

Thöïc hieän Boä nhôù aûo Baûng trang : theâm 1 bit valid/invalid ñeå nhaän dieän trang ñaõ hay chöa ñöôïc naïp vaøo RAM Frame 17 1 4183 0 177 1 5721 0 valid/invalid Disk Mem Truy xuaát ñeán moät trang chöa ñöôïc naïp vaøo boä nhôù : loãi trang (page fault) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 15

Page Tables

Xöû lyù loãi trang naïp M OS truy xuaát 6 taùi kích hoaït tieán trình Boä nhôù aûo 3 xaùc ñònh vò trí löu trang treân ñóa 1 i Page Table 5 caäp nhaät baûng trang loãi trang 2 swap out trang naïn nhaân frame troáng 3 Boä nhôù vaät lyù 4 M mang trang caàn truy xuaát vaøo boä nhôù 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 17

Caùc böôùc xöû lyù loãi trang 1. Kieåm tra truy xuaát ñeán boä nhôù laø hôïp leä hay baát hôïp leä 2. Neáu truy xuaát baát hôïp leä : keát thuùc tieán trình Ngöôïc laïi : ñeán böôùc 3 3. Tìm vò trí chöùa trang muoán truy xuaát treân ñóa. 4. Tìm moät khung trang troáng trong boä nhôù chính : a. Neáu tìm thaáy : ñeán böôùc 5 b. Neáu khoâng coøn khung trang troáng, choïn moät khung trang naïn nhaân ñeå swap out, caäp nhaät baûng trang töông öùng roài ñeán böôùc 5 5. Chuyeån trang muoán truy xuaát töø boä nhôù phuï vaøo boä nhôù chính : naïp trang caàn truy xuaát vaøo khung trang troáng ñaõ choïn (hay vöøa môùi laøm troáng ) ; caäp nhaät noäi dung baûng trang, baûng khung trang töông öùng. 6. Taùi kích hoaït tieán trình ngöôøi söû duïng. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 18

Caùc caâu hoûi 1. Choïn trang naøo ñeå naïp? => Chieán löôïc naïp Demand Paging / Prepageing 2. Choïn trang naïn nhaân? => Chieán löôïc thay theá trang FIFO / OPTIMAL/LRU 3. Caáp phaùt khung trang => Chieán löôïc caáp phaùt khung trang Coâng baèng/ Tyû leä... 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 19

Chieán löôïc naïp Quyeát ñònh thôøi ñieåm naïp moät/nhieàu page vaøo BNC Naïp tröôùc : laøm sao bieát? =>prepaging Naïp sau : taàn suaát loãi trang cao? => pure demand paging Prepaging : Naïp saün moät soá trang caàn thieát vaøo BNC tröôùc khi truy xuaát chuùng Demand paging : Chæ naïp trang khi ñöôïc yeâu caàu truy xuaát ñeán trang ñoù ld init pages ld page ld page ld page... init pages =? 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 20

Chieán löôïc thay theá trang (Page Replacement) Muïc tieâu : thay theá trang sao cho taàn suaát xaûy ra loãi trang thaáp nhaát Ñaùnh giaù Söû duïng soá frame cuï theå Giaû söû coù moät chuoãi truy xuaát cuï theå adresse : 0100, 0432, 0101, 0612, 0102, 0103, 0104, 0611 # page : 1, 4, 1, 6, 1, 1, 1, 6, Thöïc hieän moät thuaät toaùn thay theá trang treân chuoãi truy xuaát naøy Ñeám soá loãi trang phaùt sinh Chuoãi truy xuaát 7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1 3 frames 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 21

Chieán löôït thay theá trang FIFO Optimal LRU (Least Recently Used) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 22

Chieán löôïc thay theá trang FIFO Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang giaø nhaát Ñöôïc naïp vaøo laâu nhaát trong heä thoáng Thöïc hieän Löu thôøi ñieåm naïp, so saùnh ñeå tìm min Chi phí cao Toå chöùc FIFO caùc trang theo thöù töï naïp Trang ñaàu danh saùc laø naïn nhaân Nhaän xeùt Ñôn giaûn Coâng baèng? Khoâng xeùt ñeán tính söû duïng! Trang ñöôïc naïp vaøo laâu nhaát coù theå laø trang caàn söû duïng thöôøng xuyeân! victim add 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 23

Ví duï : FIFO 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0... 7 7 7 72 2 2 2 42 4 4 40 0 0 0 0 0 0 0 0 0 03 3 3 32 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1 1 10 0 0 03 3 3 3 3 23 2 * * * * * * * * * * * * 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 24

FIFO vaø hieäu öùng Belady Söû duïng caøng nhieàu frame...caøng coù nhieàu loãi trang! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 25

Chieán löôïc thay theá trang : Optimal Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang laâu söû duïng ñeán nhaát trong töông lai Laøm sao bieát? Nhaän xeùt Baûo ñaûm taàn suaát loãi trang thaáp nhaát Khoâng khaû thi! victim AGBDCABCABCGABC Cur page 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 26

Ví duï : Optimal 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0... 7 7 7 72 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 04 4 4 04 0 0 0 0 1 1 1 1 31 3 3 3 3 3 3 3 13 1 2 * * * * * * * * 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 27

Chieán löôïc thay theá trang : LRU Nguyeân taéc : Naïn nhaân laø trang laâu nhaát chöa söû duïng ñeán trong quaù khöù Nhìn lui : ñuû thoâng tin Nhaän xeùt Xaáp xæ Optimal Thöïc hieän? victim AGBDCABCABCGABC Cur page 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 28

Ví duï : LRU 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0... 7 7 7 72 2 2 2 24 4 4 04 0 0 01 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 30 3 3 3 3 3 30 1 1 1 31 3 3 32 2 2 2 2 2 2 2 * * * * * * * * * * * 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 29

Thöïc hieän LRU Söû duïng boä ñeám: Theâm tröôøng reference time cho moãi phaàn töû trong baûng trang Theâm vaøo caáu truùc cuûa CPU moät boä ñeám counter. moãi laàn coù söï truy xuaát ñeán moät trang trong boä nhôù giaù trò cuûa counter taêng leân 1. giaù trò cuûa counter ñöôïc ghi nhaän vaøo reference time cuûa trang töông öùng. thay theá trang coù reference time laø min. Söû duïng stack: toå chöùc moät stack löu tröõ caùc soá hieäu trang moãi khi thöïc hieän moät truy xuaát ñeán moät trang, soá hieäu cuûa trang seõ ñöôïc xoùa khoûi vò trí hieän haønh trong stack vaø ñöa leân ñaàu stack. trang ôû ñænh stack laø trang ñöôïc truy xuaát gaàn nhaát, vaø trang ôû ñaùy stack laø trang laâu nhaát chöa ñöôïc söû duïng.. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 30

Thöïc hieän LRU vôùi stack 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 31

Thöïc hieän LRU : thöïc teá Heä thoáng ñöôïc hoã trôï phaàn cöùng hoaøn chænh ñeå caøi ñaët LRU? Ñöøng coù mô! Heä thoáng chæ ñöôïc trang bò theâm moät bit reference : gaén vôùi moät phaàn töû trong baûng trang. ñöôïc khôûi gaùn laø 0 ñöôïc phaàn cöùng ñaët giaù trò 1 moãi laàn trang töông öùng ñöôïc truy caäp ñöôïc phaàn cöùng gaùn trôû veà 0 sau töøng chu kyø qui ñònh tröôùc. Bit reference chæ giuùp xaùc ñònh nhöõng trang coù truy caäp, khoâng xaùc ñònh thöù töï truy caäp Khoâng caøi ñaët ñöôïc LRU Xaáp xæ LRU... reference modify frame protect 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 32

Xaáp xæ LRU : Söû duïng caùc bits History 4-53 thôøi gian 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 bit reference caùc bits history söû duïng theâm N bit history phuï trôï Sau töøng chu kyø, bit reference seõ ñöôïc cheùp laïi vaøo moät bit history tröôùc khi bi reset N bit history seõ löu tröõ tình hình truy xuaát ñeán trang trong N chu kyø cuoái cuøng. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 33

Thôøi gian 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0

Thôøi gian 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0

Thôøi gian 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0

Thôøi gian 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0

Xaáp xæ LRU : Cô hoäi thöù 2 (Clock algorithme) Söû duïng moät bit reference duy nhaát. Choïn ñöôïc trang naïn nhaân theo FIFO Kieåm tra bit reference cuûa trang ñoù : Neáu reference = 0, ñuùng laø naïn nhaân roài Neáu reference = 1, cho trang naøy moät cô hoäi thöù hai reference = 0 thôøi ñieåm vaøo Ready List ñöôïc caäp nhaät laïi laø thôøi ñieåm hieän taïi. Choïn trang FIFO tieáp theo... Nhaän xeùt : Moät trang ñaõ ñöôïc cho cô hoäi thöù hai seõ khoâng bò thay theá tröôùc khi heä thoáng ñaõ thay theá heát nhöõng trang khaùc. Neáu trang thöôøng xuyeân ñöôïc söû duïng, bit reference cuûa noù seõ duy trì ñöôïc giaù trò 1, vaø trang haàu nhö khoâng bao giôø bò thay theá. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 38

Xaáp xæ LRU : Cô hoäi thöùc 2 (Clock algorithme) 4-55 0 page# 0 page# Trang FIFO 10 page# Trang FIFO 10 page# Naïn nhaân 0 page# 10 page# 01 page# 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 39

Xaáp xæ LRU : NRU Söû duïng 2 bit Reference vaø Modify Priority R M Vôùi hai bit naøy, coù theå coù 4 toå hôïp taïo thaønh 4 lôùp sau : 4 0 0 (0,0) khoâng truy xuaát, khoâng söûa ñoåi (0,1) khoâng truy xuaát gaàn ñaây, nhöng ñaõ bò söûa ñoåi 3 2 0 1 1 0 (1,0) ñöôïc truy xuaát gaàn ñaây, nhöng khoâng bò söûa ñoåi 1 1 1 (1,1) ñöôïc truy xuaát gaàn ñaây, vaø bò söûa ñoåi Choïn trang naïn nhaân laø trang coù ñoä öu tieân cao nhaát khi keát hôïp bit R vaø bit M 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 40

Chieán löôïc caáp phaùt frame Soá frame caàn caáp phaùt cho moãi tieán trình? Giaûi söû coù m frame vaø n process Caáp phaùt coâng baèng: #frame(pi) = m/n Coâng baèng??? Caáp phaùt theo tyû leä: #frame(pi) = (si / (Σ si ))* m si = kích thöôùc cuûa boä nhôù aûo cho tieán trình pi Loãi trang xaûy ra tieáp theo, caáp phaùt theâm frame cho tieán trình nhö theá naøo? Tuøy thuoäc chieán löôïc thay theá trang Cuïc boä : chæ choïn trang naïn nhaân trong taäp caùc trang cuûa tieán trình phaùt sinh loãi trang -> soá frame khoâng taêng Toaøn cuïc: ñöôïc choïn baát kyø trang naïn nhaân naøo (duø cuûa tieán trình khaùc) - > soá frame coù theå taêng, loãi trang lan truyeàn 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 41

Thay theá trang toaøn cuïc vaø...keát cuïc bi thaûm! Running CPU IO P1, error P1 P2, error P2 P1 P2, swap out P1 P3, error P3 P1, swap out Taát caû caùc tieán trình baän roän thay theá trang! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 42

Thrashing Taát caû tieán trình ñaàu baän roän xöû lyù loãi trang! IO hoaït ñoäng 100 %, CPU raûnh! Heä thoáng ngöøng treä P1 P2 P3 Real mem Virtual Memory = Tha hoà xaøi boä nhôù Thrashing = aûo töôûng suïp ñoå! Caùc tieán trình trong heä thoáng yeâu caàu boä nhôù nhieàu hôn khaû naêng cung caáp cuûa heä thoáng! 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 43

Thrashing Diagram Why does paging work? Locality model Process migrates from one locality (working set) to another Why does thrashing occur? Σ size of working sets > total memory size 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 44

Nguyeân nhaân Thrashing 1. Tieán trình khoâng taùi söû duïng boä nhôù (quaù khöù!= töông lai) 2. Tieán trình taùi söû duïng boä nhôù, nhöng vôùi kích thöôc lôùn hôn 3. Quaù nhieàu tieán trình trong heä thoáng Chæ coù theå kieåm soaùt thrashing do nguyeân nhaân 3. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 45

Working set (1968, Denning) Working set: Working set = taäp hôïp caùc trang tieán trình ñang truy xuaát taïi 1 thôøi ñieåm Caùc pages ñöôïc truy xuaát trong Δ laàn cuoái cuøng seõ naèm trong working set cuûa tieán trình Δ : working set parameter Kích thöôùc cuûa WS thay ñoåi theo thôøi gian tuøy vaoø locality cuûa tieán trình 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 46

Working-Set Model Δ working-set window soá laàn truy caäp VD: 10,000 instruction 2 6 1 5 7 7 7 7 5 1 6 2 3 4 1 2 3 4 4 4 3 4 3 4 4 4 1 3 2 3 Δ=10 WS(t1) = {1,2,5,6,7}, WS(t2) = {3,4} WSS i (working set of Process P i ) = toång soá trang ñöôïc truy caäp trong Δ laàn gaàn ñaây nhaát D = Σ WSS i Toång caùc frame caàn cho N tieán trình trong heä thoáng if D > m Thrashing if D > m, choïn moä/moät soá tieán trình ñeå ñình chæ taïm thôøi. 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 47

Giaûi quyeát thrasing vôùi moâ hình Working set Söû duïng Working set Cache partitioning: Caáp cho moãi tieán trình soá frame ñuû chöùa WS cuûa noù Page replacement: öu tieân swap out caùc non-ws pages. Scheduling: chæ thi haønh tieán trình khi ñuû choã ñeå naïp WS cuûa noù 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 48

BAØI GIẢNG 8 : LIEÂN LAÏC GIÖÕA CAÙC TIEÁN TRÌNH CÔ CHEÁ Á? TRAO ÑOÅ ÅI I THOÂNG TIN GIÖÕA CAÙ ÙC C TIEÁ ÁN N TRÌNH VAÁ ÁN ÑEÀ À? GÆAI PHAÙ ÙP P? 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 1

NhuCaàuLieânLaïc Chia seû thoâng tin P Q R L Phoái hôïp xöû lyù JOB P Q R1 R2 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 2 L

Caùc cô cheá lieân laïc Chia seû taøi nguyeân chung Signal Pipe Shared Memory Trao ñoåi thoâng ñieäp Message Socket 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 3

IPC theo nguyeân taéc chia seû taøi nguyeân chung User Process User Process OS - Kernel shared resources Caùc tieán trình chia seû Memory File System Space Communication Facilities, Common communication protocol 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 4

Signal Signal Meaning Handler Ñònh nghóa tröôùc khi thöïc hieän lieân laïc SIGINT, SIGSTOP SIGUSR1, SIGUSER2 Hoã trôï lieân laïc Kernel vôùi User Process Process Error Timer Child Process keát thuùc User process vôí nhau Terminate Process Suspend, Resume 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 5 OS Signal Signal handler Signal Action Process

Name Value Function SIGHUP 1 Terminal hangup SIGINT 2 Interrupt by user: generated by < CTRL C > SIGQUIT 3 Quit by user: generated by < CTRL \ > SIGFPE 8 Floating point error such as divide by zero SIGKILL 9 Kill the process SIGUSR1 10 User defined signal 1 SIGSEGV 11 Segment violation: process has tried to access memory not assigned to it SIGUSR2 12 User defined signal 2 SIGALRM 14 Timer set with alarm() function has timed out SIGTERM 15 Termination request SIGCHLD 17 Child process termination signal SIGCONT 18 Continue after a SIGSTOP or SIGSTP signal SIGSTOP 19 Stop the process SIGTSTP 20 Terminal stop: generated by < CTRL Z > SIGWINCH 28 Change of window size

Nhaän xeùt Signals Lieân laïc khoâng ñoàng boä Khoâng bieát tröôùc thôøi ñieåm Thieáu tin caäy L SH Quiz : OK A B Q Sig Q Khoâng cho pheùp trao ñoåi döõ lieäu L? Result 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 7

Pipes Q AB WritePipe() B.A Pipe Kernel buffer (File) coù kích thöôùc giôùi haïn (4K, 8K ) HÑH cung caáp haøm WritePipe & ReadPipe WritePipe khi Pipe ñaày? ReadPipe khi Pipe roãng? Phaûiù xeùt ñeán caùc khaû naêng ñoàng boä Hoã trôï lieân laïc (UNIX original ) Giöõa 2 tieán trình Cha - Con Moät chieàu Khoâng caáu truùc (byte transfer) AB ReadPipe() 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 8 L

Nhaän xeùt Pipe Öu ñieåm : Cho pheùp trao ñoåi döõ lieäu khoâng caáu truùc Khuyeát ñieåm Chi phí thöïc hieän cao (system call) Lieân laïc giöõa 2 tieán trình Lieân laïc moät chieàu Pipe trong caùc HÑH hieän ñaïi : Anomynous Pipe : This Named Pipe : Unix, Windows NT Truyeàn döõ lieäu coù caáu truùc Lieân laïc 2 chieàu 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 9

Shared Memory Shared Memory: Laø moät phaàn khoâng gian nhôù khoâng thuoäc sôû höõu cuûa tieán trình naøo Ñöôïc HÑH taïo ra Caùc tieán trình coù theå aùnh xaï ñòa chæ vaøo khoâng gian chia seû naøy ñeå truy xuaát döõ lieäu (nhö ñoái vôùi khoâng gian noäi boä) Khoâng giôùi haïn soá löôïng tieán trình, chieàu trao ñoåi, vaø thöù töï truy caäp Maâu thuaãn truy xuaát - > nhu caàu ñoàng boä 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 10

IPC theo nguyeân taéc trao ñoåi thoâng ñieäp User Process User Process OS-Kernel OS-Kernel Khoâng coù boä nhôù chung Network Caàn coù ñöôøng keát noái giöõa caùc maùy tính 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 11

Message Message Döõ lieäu coù caáu truùùc Caáu truùc vaø thoâng dòch msg ñöôïc thoûa thuaän giöõa 2 tieán trình lieân laïc HÑH cung caáp 2 primitive chính send(destination, message) receive(source, message) Caùc vaán ñeà quan taâm : Direct or indirect addressing Blocking or non-blocking communication Reliable or unreliable communication Buffered or un-buffered communication 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 12

Ñònh daïng Message 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 13

Nhaän xeùt message Laø cô cheá IPC toång quaùt Hoã trôï lieân laïc giöõa caùc tieán trính treân cuøng maùy Hoã trôï lieän laïc giöõa caùc tieán trính trong heä thoáng phaân taùn Lieân laïc giöõa caùc heä thoáng khoâng ñoàng nhaát? 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 14

Lieân laïc giöõa caùc heä thoáng khoâng ñoàng nhaát Máy A P1 (UNIX) Send( ) //UNIX Receive( ) //WIN Máy B P2 (Windows) 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 15

Socket Endpoint cuûa moät keát noái 2 chieàu Töông ñöông vôùi moät network interface (hardware) Cho pheùp caùc öùng duïng plug in vaøo maïng moät caùch aån duï Laø moät giao dieän laäp trình maïng Cho pheùp caùc tieán trình lieân laïc 2 chieàu vôùi nhau Thieát laäp lieân laïc : taïo 2 socket, keát noái chuùng vôùi nhau Socket description Söû duïng moät transport protocol Caàn ñaëc taû IPaddress vaø port keát noái Ñöôïc hoã trôï ñaàu tieân trong Berkeley socket Laø söï môû roäng cuûa nhaäp xuaát file tröøu töôïng Hieän nay ñöôïc hoã trôï trong haàu heát HÑH hieän ñaïi 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 16

12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 17

Socket Communication 12/16/2007 Trần Hạnh Nhi 18