HÖ §iÒu Hµnh. LÝ THUYẾT HỆ ĐIỀU HÀNH Bµi số 2: Hä Tªn:Lª ThÞ Hång Th¾m Líp 1/ :CLC_4C. H·y giải thich cơ chế CPU chuyển từ viÖc
thực hiện process nµy sang process kh¸c. Lµm sao cã thể đảm bảo được việc thực hiện đóng c¸c lệnh process tương ứng?
H§H hiÖn nay th-êng lµ H§H ®a nhiÖm,tøc lµ cïng mét lóc sÏ cã nhiÒu tiÕn tr×nh cïng ®-îc thùc hiÖn .VÒ nguyªn t¾c ®Ó thùc hiÖn ®-îc ®iÒu nµy th× hÖ thèng ph¶i cã nhiÒu processor ,mçi processor cã nhiÖm vô thùchiÖn mét ch-¬ng tr×nh ,nh-ng mong muèn cña H§H còng nh- ng-êi sö dông lµ thùc hiÖn ®a ch-¬ng tr×nh trªn c¸c hÖ thèng chØ cã 1 processor .§Ó thùc hiÖn ®-îc ®iÒu nµy H§H ph¶i ph©n phèi processor cho c¸c tiÕn tr×nh sao cho phï hîp . Trong m« h×nh tiÕn tr×nh H§H chia ch-¬ng tr×nh ch-¬ng tr×nh hoÆc cu¶ vµ c¸c thµnh nhiÒu tiÕn tr×nh khëi t¹o vµ ®-a vµo hÖ thèng nhiÒu tiÕn tr×nh cña mét nhiÒu ch-¬ng tr×nh kh¸c nhau ,cÊp ph¸t ®Çy ®ñ tµi nguyªn (trõ prcessor ) cho c¸c tiÕn tr×nh tiÕn tr×nh ®Òu ë tr¹ng th¸i s½n sµng.T¹i mét thêi ®iÓm H§H chØ cung cÊp processor cho 1tiÕn tr×nh,sau mét thêi gian th-c hiÖn H§H sÏ thu håi l¹i
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
processor cña tiÕn tr×nh ®ã vµ cÊp processor cho mét tiÕn tr×nh kh¸c.TiÕn tr×nh ®ang ho¹t ®éng b©y giê sÏ chuyÓn sang tr¹ng th¸i(ready or blocked).Nh-ng tr-íc khi chuyÓn tr¹ng th¸i th× H§H ph¶i lµm c¸c viÖc sau ®©y: - L-u ng÷ c¶nh cña processor ,bao gåm thanh ghi bé ®Õm ch-¬ng tr×nh (PC:program count) vµ c¸c thanh ghi kh¸c . - CËp nhËt PCB(process control block)cña tiÕn tr×nh sao cho phï hîp víi tr¹ng th¸i míi cña tiÕn tr×nh vµ c¸c th«ng tin tÝnh to¸n. - Di chuyÓn PCB cña tiÕn tr×nh ®Õn mét hµng ®îi thÝch hîp ,®Ó ®¸p øng ®-îc c¸c yªu cÇu cña c«ng t¸c ®iÒu phèi tiÕn tr×nh . - Chän mét tiÕn tr×nh kh¸c ®Ó cho phÐp nã thùc hiÖn . - CËp nhËt PCB cña tiÕn tr×nh võa ®-îc chän thùc hiÖn ë trªn ,chñ yÕu lµ thay ®æi tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh ®Õn tr¹ng th¸i runing . - CËp nhËt c¸c th«ng tin liªn quan ®Õn quan lÝ bé nhí ®ang ®-îc sö dông . - Kh«i phôc l¹i ng÷ c¶nh cña processor vµ thay ®æi gi¸ trÞ cña bä ®Õm ch-¬ng tr×nh vµ c¸c thanh ghi kh¸c sao cho phï hîp víi tiÕn tr×nh ®-îc chän ë trªn,®Ó tiÕn tr×nh nµy cã thÓ b¾t®Çu ho¹t ®éng.
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
CPU thùc hiÖn ®-îc ®óng c¸c lÖnh cña process v×: Khi H§H chuyÓn mét tiÕn tr×nh tõ tr¹ng th¸i running sang ready (hoÆc block) th× H§H ®· ®ång thêi l-u gi÷ c¸c th«ng tin vÒ process trªn c¸c PCB .MÆt kh¸c mçi mét PCB lµ mét kho chøa tÊt c¶ mäi th«ng tin cña mét process.V× vËy khi CPU ph¶i thùc hiÖn mét process nµo nã chØ viÖc lÊy th«ng tin ®· chøa trong c¸c PCB t-¬ng øng ra vµ thùc hiÖn trong các PCB tương ứng ra và thực hiên .
2/
Mục
®Ých
của
việc
lập
lịch
cho
CPU
(Process Scheduling)
LËp lÞch lµ chøc n¨ng c¬ b¶n cña H§H.HÇu hÕt tµi nguyªn m¸y tÝnh ®Òu ®-îc lËp lÞch tr-íc khi dïng .CPU lµ mét trong nh÷ng tµi nguyªn m¸y tÝnh -u tiªn,do ®ã cÇn ph¶i lËp lÞch cho CPU.MÆt kh¸c trong c¸c hÖ thèng ®a nhiÖm t¹i mét thêi ®iÓm trong bé nhí th× cã nhiÒu tiÕn tr×nh nh-ng chØ cã mét tiÕn tr×nh ®-îc thù thi.Do ®ã cÇn gi¶i quyÕt vÊn ®Ò ph©n chia CPU ,lùa chän tiÕn tr×nh thùc thi sao cho hiÖu qu¶ nhÊt .V× vËy cÇn ph¶i lËp lÞch cho CPU Môc ®Ých cña viÖc lËp lÞch cho CPU: - Lµm cho thêi gian thùc hiÖn c¸c tiÕn tr×nh kh¸c nhau lµ Ýt nhÊt tøc lµ trong mét kho¶ng thêi gian sÏ cã nhiÒu tiÕn tr×nh ®-îc thùc hiÖn.
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
- Khai bËn. - Tèi thiÓu ho¸ thêi gian mét tiÕn tr×nh chê trong hµng ®îi. - Tèi thiÓu ho¸ thêi gian tõ khi göi mét yªu cÇu tíi hÖ thèng cho tíi khi nhËn ®-îc c©u tr¶ lêi tõ hÖ thèng. - §¶m b¶o tÊt c¶ c¸c tiÕn tr×nh ®Òu ®-îc thùc hiÖn. th¸c CPU lµm viÖc mét c¸ch hiÖu qu¶
nhÊt.Tøc lµ lóc nµo CPU còng trong tr¹ng th¸i
3/
§¸nh gi¸ c¸c c¸ch lựa chọn tiến tr×nh từ
“ready to run” để thực hiện.
Tr¹ng th¸i ready: Ngay sau khi khëi t¹o tiÕn tr×nh, ®-a ra tiÕn tr×nh vµo hÖ thèng vµ cÊp ph¸t ®Çy ®ñ tµi nguyªn(trõ processor) cho tiÕn tr×nh, hÖ ®iÒu hµnh ®-a tiÕn tr×nh vµo tr¹ng th¸I Ready. Hay nãi c¸ch kh¸c tr¹ng th¸i Ready lµ tr¹ng th¸I cña mét tiÕn tr×nh trong hÖ thèng ®ang chê ®-îc cÊp ph¸t processor ®Ó b¾t ®Çu thùc hiÖn. §¸nh gi¸ c¸c c¸ch lùa chän tiÕn tr×nh tõ “Ready to run” ®Ó thùc hiÖn: 1.ChiÕn l-îc FIFO(First In First Out): Trong chiÕn l-îc nµy, khi processor rçi th× hÖ ®iÒu hµnh sÏ cÊp nã cho tiÕn tr×nh ®Çu tiªn trong d·y Ready list, ®©y lµ tiÕn tr×nh ®-îc chuyÓn sang tr¹ng th¸I ready
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
sím nhÊt, cã thÓ nã lµ tiÕn tr×nh ®-îc ®-a vµo hÖ thèng sím nhÊt. §¸nh gi¸: FIFO ®-îc sö dông trong ®iÒu phèi ®éc quyÒn nªn khi tiÕn tr×nh ®-îc cÊp processor nã sÏ së h÷u processor cho ®Õn khi kÕt thóc xö lý hay ph¶I ®îi mét thao t¸c vµo/ ra hoµn thµnh, khi ®ã tiÕn tr×nh chñ ®éng tr¶ l¹i processor cho hÖ thèng.V× thÕ thêi gian chê ®îi trung b×nh lín nªn kh«ng phï hîp cho c¸c hÖ thèng chia sÎ thêi gian.Vµ kh¶ n¨ng t-¬ng t¸c kÐm khi nã ®-îc ¸p dông trªn c¸c uniprocessor, cuèi cïng nÕu c¸c tiÕn tr×nh ë ®Çu ready list sö dông processor qu¸ l©u th× c¸c tiÕn tr×nh ë cuèi ready list sÏ ph¶I chê rÊt l©u. 2.ChiÕn l-îc ph©n phèi xoay vßng(RR: Round Robin): Trong chiÕn l-îc nµy, ready list ®-îc thiÕt kÕ theo d¹ng danh s¸ch nèi vßng. TiÕn tr×nh ®-îc bé ®iÒu phèi chän còng lµ tiÕn tr×nh ë ®Çu danh s¸ch ready nh-ng cø sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh th× quyÒn processor l¹i ®-îc thu håi vµ chuyÓn cho tiÕn tr×nh tiÕp theo trong ready list, vµ tiÕn tr×nh võa bÞ thu håi processor ®-îc ®-a vµo cuãi day ready. §¸nh gi¸: RR lµ chiÕn l-îc ®iÒu phèi kh«ng ®éc quyÒn, vµ RR cã thêi gian chê trung b×nh nhá h¬n so víi FIFO. Trong chiÕn l-îc nµy th× quan träng nhÊt lµ chän kho¶ng thêi gian quay vßng, nÕu thêi gian Ýt th× hÖ thèng ph¶I tèn nhiÒu thêi gian cËp nhËt
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
ready list vµ chuyÓn tr¹ng th¸I tiÕn tr×nh dÉn ®Õn kh«ng khai th¸c tèi ®a thêi gian xö lý cña procesor. Cßn nÕu thêi gian quay vßng qu¸ lín sÏ dÉn ®Õn thêi gian chê trung b×nh l©u vµ thêi gian håi ®¸p t¨ng lªn dÉn ®Õn tÝnh t-¬ng t¸c cña hÖ thèng bÞ gi¶m xuèng. 3.ChiÕn l-îc theo ®é -u tiªn: Trong chiÕn l-îc nµy, bé phËn ®iÒu phèi tiÕn tr×nh dùa vµo ®é -u tiªn cña c¸c tiÕn tr×nh ®Ó tæ chøc cÊp processor cho tiÕn tr×nh. TiÕn tr×nh ®-îc lùa chän ®Ó cÊp processor lµ tiÕn tr×nh cã møc -u tiªn cao nhÊt ë hiÖn t¹i. §¸nh gi¸: chiÕn l-îc nµy kh«ng sö dông ready list v× nã ®-îc s¾p thø tù -u tiªn. Nh-ng khi cã tiÕn tr×nh míi ph¸t sinh sÏ mÊt thêi gian ®Ó so s¸nh møc ®é -u tiªn, vµ ®èi víi nh÷ng tiÕn tr×nh cã møc -u tiªn thÊp sÏ cã nguy c¬ kh«ng ®-îc thùc hiÖn. 4.ChiÕn l-îc SJF(Shortest Job Fist: c«ng viÖc ng¾n nhÊt): §©y lµ tr-êng hîp ®Æc biÖt cña chiÕn l-îc theo møc ®é -u tiªn, nh-ng møc ®é -u tiªn ë ®©y lµ thêi gian cµng ng¾n th× sÏ ®-îc thùc hiÖn tr-íc. §¸nh gi¸: ChiÕn l-îc nµy cã thêi gian chê ®îi truing b×nh lµ thÊp nhÊt. Nh-ng hÖ ®iÒu hµnh khã cã thÓ ®o¸n ®-îc thêi gian xö lý mµ tiÕn tr×nh yªu cÇu.
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
5.ChiÕn l-îc nhiÒu cÊp ®é -u tiªn: HÖ ®iÒu hµnh ph¶I ph©n líp c¸c tiÕn tr×nh theo ®é -u tiªn cña chóng ®Ó cã c¸ch thøc ®iÒu phèi hîp lý cho tõng líp tiÕn tr×nh vµ hÖ ®iÒu hµnh còng ph¶I ®-îc thiÕt kÕ sao cho ®iÒu phèi hîp lý gi÷a c¸c líp cña tiÕn tr×nh.
4/
Kh¸i niệm „code” thể hiện c¸c m· lệnh của tÝnh. Người sử dụng—c¸c lập
chương tr×nh m¸y
tr×nh viªn “Coding” sử dụng công cụ g×? H·y giải thÝch bản chất một số chức năng của c«ng cụ đã, CPU thùc hiện chương tr×nh đã như thế nµo?
“Code” lµ mét tËp hîp c¸c c©u lÖnh ®-îc ng-êi lËp tr×nh viÕt b»ng ng«n ng÷ m¸y nh»m gi¶i quyÕt mét bµi to¸n nµo ®ã. Ng-êi lËp tr×nh (coding)sö dông nh÷ng c«ng cô ®Ó t¹o ra c¸c m· code ,®ã lµ c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh.Nh- chóg ta ®· biÕt ,m¸y tÝnh bao gåm phÇn cøng vµ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö trong ®ã th«ng tin ®-îc biÓu diÔn d-íi d¹ng sè nhÞ ph©n vµ phÇn mÒm bao gåm c¸c ch-¬ng tr×nh t¹o ra b¨ng c¸ch sö dông c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh.Hay nãi c¸ch kh¸c ,ng«n ng÷ lËp tr×nh lµ ng«n ng÷ dïng ®Ó viÕt c¸c ch-¬ng tr×nh cho m¸y tÝnh .Còng nh- c¸c c¸c ng«n ng÷ kh¸c ,ng«n
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
ng÷ lËp tr×nh còng cã tõ vùng ,có ph¸p ng÷ nghÜa .Ch-¬ng tr×nh viÕt b»ng ng«n ng- m¸y th× cã thÓ thùc hiªn ngay kh«ng c©n qua c¸c b-íc trung gian .Theo tiÕn tr×nh cña lÞch sö ,ng«n ng÷ lËp tr×nh cã thÓ chia lµm 3 lo¹i sau: 1. -Ng«n ng÷ m¸y -Hîp ng÷ -Ng«n ng÷ cao cÊp Khi mét ch-¬ng tr×nh ®-îc gäi thùc hiÖn th× ®Çu tiªn CPU sÏ ph©n tÝch ®Ó xem ch-¬ng tr×nh ®-îc viÕt b»ng lo¹i ng«n ng÷ nµo .NÕu lµ ng«n ng÷ cao cÊp th× cÇn ph¶i cã ch-¬ng tr×nh dÞch .Ch-¬ng tr×nh dÞch sÏ ®-îc CPU gäi ra ®Ó dÞch m· ch-¬ng tr×nh vÒ m· m¸y .M· m¸y lµ m· cã thÓ t¸c ®éng trùc tiÕp lªn phÇn cøng cña c¸c m¹ch ®iÖn tö .Cßn ch-¬ng tr×nh viÕt b»ng ng«n ng÷ m¸y th× cã thÓ thùc hiÖn ®-îc lu«n mµ kh«ng cÇn qua b-íc trung giannµo .Nh- vËy khi mét ch-¬ng trinh ®-îc biªn dÞch vÒ ng«n ng÷ m¸y th× CPU sÏ thùc hiÖn tuÇn tù c¸c dßng m· lÖnh trong th©n ch-¬ng tr×nh nh»m ®¹t ®-îc môc ®Ých cña ch-¬ng tr×nh
5/
Giải thÝch kh¸i niệm Partitions vµ Pages.
Nªu ngắn gọn hiệu quả của việc sử dụng chóng.
Partition(ph©n ph-¬ng ph¸p ph©n chia vïng) lµ mét trong nh÷ng ph-¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó cÊp ph¸t bé nhí .Lµ bé nhí thµnh nh÷ng ph©n khu
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
cã kÝch th-íc cè ®Þnh(kÝch th-íc mçi vïng kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i b»ng nhau) Mçi ph©n khu cã thÓ chøa chÝnh x¸c mét tiÕn tr×nh nhÊt ®Þnh,c¸c tiÕn tr×nh cã c¸c kÝch th-íc kh¸c nhau chÝnh v× thÕ cÊp ®é ®a ch-¬ng bÞ giíi h¹n bëi sè l-îng ph©n khu .Trong ph-¬ng ph¸p ph©n khu ,khi mét khu r¶nh ,mét qu¸ tr×nh kh¸c ë hµng ®îi sÏ ®-îc nhËp vµ ®-îc n¹p vµo ph©n khu trèng.Khi qu¸ trinh kÕt thóc,ph©n khu ®-îc giai phãng chê cho mét qu¸ tr×nh kh¸c. HiÖu qu¶ cña viÖc sö dông gi¶i thuËt nµy :Tr¸nh sù hao phÝ mét ph©n khu lín cho mét c«ng viÖc nhá.Nh-ng l¹i x¶y ra sù bÊt b×nh ®¼ng ,bÊt lîi ë chç,c¸c tiÕn tr×nh chØ ®-îc thùc hiÖn khi nã cã kÝch th-íc phï hîp víi ph©n khu trèng.§Ó kh¾c phôc ®iÒu nµy th× H§H qui ®Þnh mét c«ng viÖc sÏ kh«ng bÞ bá qua k lÇn,tøc lµ mçi lÇn bÞ bá qua th× nã ®-îc ®¸nh dÊu mét ®iÓm khi ®¹t ®Õn sè ®iÓm quy ®Þnh th× nã sÏ kh«ng bÞ bá qua n÷a,nã sÏ ®-îc n¹p vµo vµ thùc hiÖn cã thÓ lµ trªn mét ph©n khu lín h¬n. (Page)Trang là một khái niệm được sử dụng trong kỹ thuật phân trang (paging). Trong paging không gian địa chỉ bộ nhớ vật lý được chia thành các phần có kích thước cố định bằng nhau gọi là các khung trang (page frame). Không gian địa chỉ của tiến trình cũng được chia thành các phần có kích thước bằng nhau và bằng kích thước của một khung trang gọi là các trang (page) page có tác dụng như thÕ nµo:
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
+ Sử dụng các pages sẽ giúp cho quá trình paging không bị phân mảnh ngoài .Vì khi một tiến trình được nạp vào bộ nhớ thì kích thước của nó được diễn tả trên các trang và được xem xét. Mỗi trang quá trình được đặt trên một khung. Nhờ thế khi bất kỳ một khung trống nào đều có thể được cấp phát đến quá trình cần nókhung trang vừa trống lập tức sẽ được cấp phát page của tiến trình đang đợi thực hiện – không có phân mảnh ngoài. + Tuy rằng paging vẫn có thể có phân mảnh trong – khi mà kích thước của tiến trình không phải là bội số của kích thước một khung trang . Nhưng với việc tăng kích thước của các pages lên thì việc truyền các dữ liệu có kích thước lớn đã hiệu quả hơn rất nhiềuHiện nay các page điển hình nằm trong khoảng 4KB – 8KB
6/
Ph©n tÝch kh¸i niệm Page vµ Paging.
Pading(ph©n trang) lµ c¬ chÕ qu¶n lÝ bé nhí
cho phÐp kh«ng gian ®Þa chØ vËt lÝ cña qu¸ tr×nh lµ kh«ng kÒ nhau.Ph©n trang tr¸nh vÊn ®Ò ®Æt võa khÝt nhãm bé nhí cã kÝch th-íc thay ®æi vµo vïng l-u tr÷ phô (backing store) mµ hÇu hÕt c¸c c¬ chÕ qu¶n lÝ bé nhí tr-íc gÆp ph¶i.VÒ mÆt truyÒn thèng ,hç trî ph©n trang ®-îc qu¶n lÝ bëi phÇn cøng.tuy nhiªn nh÷ng thiÕt kÕ gÇn ®©y cµi ®Æt ph©n trang b»ng c¸ch tÝch hîp chÆt chÎ phÇn cøng vµ H§H ,®Æc biÖt trªn c¸c bé xö lÝ 64 bit. Trong kÜ thuËt ph©n trang bé nhí vËt lÝ ®-îc chia thµnh c¸c khèi cã kÝch th-íc b»ng nhau cè ®Þnh
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.
HÖ §iÒu Hµnh.
gäi lµ khung trang.Cßn bé nhí logic còng ®-îc chia thµnh c¸c khèi cã cïng kÝch th-íc vµ b»ng kÝch th-íc cña khung trang ®-îc gäi lµ c¸c trang(page). Khi mét qu¸ tr×nh ®-îc thùc thi ,c¸c trang cña nã ®-îc n¹p vµo c¸c khung ®iÓm nµy gióp bé nhí,tuy nhiªn c¸c trang kh«ng cÇn n¹p vµo c¸c vÞ trÝ liªn tôc.§Æc cho bé nhí ngoµi kh«ng bÞ ph©n m¶nh,g©y tæn hao ®Õn bé nhí.Nh-ng sù ph©n trang kh«ng tr¸nh ®-îc sù ph©n m¶nh trong,sù ph©n m¶nh trong x¶y ra khi kÝch th-íc cña tiÕn tr×nh kh«ng ®óng b»ng béi sè kÝch th-íc cña mét trang.
Lª ThÞ Hång Th¾m_CLC4.