Bài giảng Kỹ thuật máy tính - Chương 6: Mức máy hệ điều hành

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật máy tính - Chương 6: Mức máy hệ điều hành

1. CHƯƠNG 6 MỨC MÁY HỆ ĐIỀU HÀNH Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 1
2. CHƯƠNG 6 MỨC MÁY HỆ ĐIỀU HÀNH 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành 6.2 Bộ nhớ ảo 6.2.1 Việc phân trang - Paging 6.2.2 Thực hiện việc phân trang 6.2.3 Phương pháp Cấp trang khi có yêu cầu và Mô hình tập làm việc 6.3 Các chỉ thị vào/ra ảo - tự đọc Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 2
3. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành • Trình thông dịch chạy trên máy mức 1 có thể thông dịch các chương trình được viết bằng ngôn ngữ máy mức 2 • Trình thông dịch chạy trên máy mức 2 có thể thông dịch các chương trình được viết bằng ngôn ngữ máy mức 3. • Chúng ta gọi mức 3 là mức máy hệ điều hành. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 3
4. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành • Mức máy HĐH đã tiến hoá dần lên từ mức máy thông thường: - Hầu hết các chỉ thị của mức máy HĐH cũng có ở mức máy thông thường - Các chỉ thị mức 3 khác, được gọi là các Thông dịch HĐH thông trực tiếp bằng chỉ thị Mức máy HĐH. dịch vi chương trình Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 4
5. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành - Hệ điều hành chịu trách nhiệm cấp phát vùng nhớ cho các tiến trình có yêu cầu. Để thực hiện tốt nhiệm vụ này, hệ điều hành cần phải xem xét các khía cạnh: - Sự tương ứng giữa địa chỉ logic và địa chỉ vật lý (physic) : làm cách nào để chuyển đổi một địa chỉ tượng trưng (symbolic) trong chương trình thành một địa chỉ thực trong bộ nhớ chính? - Quản lý bộ nhớ vật lý: làm cách nào để mở rộng bộ nhớ có sẵn nhằm lưu trữ được nhiều tiến trình đồng thời? - Chia sẻ thông tin: làm thế nào để cho phép hai tiến trình có thể chia sẻ thông tin trong bộ nhớ? - Bảo vệ: làm thế nào để ngăn chặn các tiến trình xâm phạm đến vùng nhớ được cấp phát cho tiến trình khác? Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 5
6. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành - Các địa chỉ trong chương trình nguồn là địa chỉ tượng trưng, vì thế, một chương trình phải trải qua nhiều giai đoạn xử lý để chuyển đổi các địa chỉ này thành các địa chỉ tuyệt đối trong bộ nhớ chính. - Có thể thực hiện liên kết các chỉ thị và dữ liệu với các địa chỉ bộ nhớ vào một trong những thời điểm sau: n Thời điểm biên dịch n Thời điểm nạp n Thời điểm xử lý Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 6
7. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành n Thời điểm biên dịch: ¨ Nếu tại thời điểm biên dịch, có thể biết vị trí mà tiến trình sẽ thường trú trong bộ nhớ, trình biên dịch có thể phát sinh ngay mã với các địa chỉ tuyệt đối. ¨ Nếu sau đó có sự thay đổi vị trí thường trú ban đầu của chương trình, cần phải biên dịch lại chương trình. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 7
8. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành n Thời điểm nạp: ¨ Nếu tại thời điểm biên dịch, chưa thể biết vị trí mà tiến trình sẽ thường trú trong bộ nhớ, trình biên dịch cần phát sinh mã tương đối. ¨ Sự liên kết địa chỉ được trì hoãn đến thời điểm chương trình được nạp vào bộ nhớ, lúc này các địa chỉ tương đối sẽ được chuyển thành địa chỉ tuyệt đối do đã biết vị trí bắt đầu lưu trữ tiến trình. ¨ Khi có sự thay đổi vị trí lưu trữ, chỉ cần nạp lại chương trình để tính toán lại các địa chỉ tuyệt đối, mà không cần biên dịch lại. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 8
9. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành n Thời điểm xử lý: ¨ Nếu có nhu cầu di chuyển tiến trình từ vùng nhớ này sang vùng nhớ khác trong quá trình tiến trình xử lý, thì thời điểm liên kết địa chỉ phải trì hoãn đến tận thời điểm xử lý. ¨ Để thực hiện liên kết địa chỉ vào thời điểm xử lý, cần sử dụng cơ chế phần cứng đặc biệt. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 9
10. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành n Khái niệm không gian địa chỉ được xây dựng trên không gian nhớ vật lý: ¨ Địa chỉ logic: còn gọi là địa chỉ ảo, là tất cả các địa chỉ do bộ xử lý tạo ra. ¨ Địa chỉ vật lý: là địa chỉ thực tế mà trình quản lý bộ nhớ nhìn thấy và thao tác. ¨ Không gian địa chỉ: là tập hợp tất cả các địa chỉ ảo phát sinh bởi một chương trình. ¨ Không gian vật lý: là tập hợp tất cả các địa chỉ vật lý tương ứng với các địa chỉ ảo. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 10
11. 6.1 Giới thiệu mức máy hệ điều hành n Phương thức liên kết địa chỉ vào thời điểm biên dịch và vào thời điểm nạp: Địa chỉ ảo và địa chỉ vật lý là như nhau. n Phương thức liên kết vào thời điểm xử lý: địa chỉ ảo và địa chỉ vật lý khác nhau. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 11
12. 6.2 Bộ nhớ ảo • Thời kỳ đầu bộ nhớ máy tính thường nhỏ chương trình càng bé càng tốt. • Giải pháp: sử dụng bộ nhớ phụ + kỹ thuật overlay (mỗi overlay có thể nằm lọt trong bộ nhớ) đòi hỏi nhiều công sức của người lập trình cho việc quản lý overlay. Bộ nhớ ảo (Virtual Memory): • Được một nhóm nhà khoa học ở Manchester, đề xuất năm 1961. • Phương pháp thực hiện quá trình overlay một cách tự động. • Đầu 1970s bộ nhớ ảo đã trở nên thông dụng Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 12
13. 6.2.1 Việc phân trang - Paging • Ý tưởng: • Phân bộ nhớ vật lý thành các khối có kích thước cố định, bằng nhau: là khung trang - page frame • Không gian địa chỉ được chia thành các khối có cùng kích thước với khung trang: gọi là trang (page). • Khi cần nạp một tiến trình để xử lý, các trang của tiến trình sẽ được nạp vào những khung trang còn trống. Một tiến trình kích thước N trang sẽ yêu cầu N khung trang tự do. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 13
14. 6.2.1 Việc phân trang - Paging Mô hình bộ nhớ phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 14
15. 6.2.1 Việc phân trang - Paging n Cơ chế MMU trong kỹ thuật phân trang: ¨Cơ chế phần cứng hỗ trợ thực hiện chuyển đổi địa chỉ trong cơ chế phân trang là bảng trang (pages table). ¨Mỗi phần tử trong bảng trang cho biết các địa chỉ bắt đầu của vị trí lưu trữ trang tương ứng trong bộ nhớ vật lý (số hiệu khung trang trong bộ nhớ vật lý đang chứa trang ). Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 15
16. 6.2.1 Việc phân trang - Paging • Ví dụ: một máy tính trong đó các chỉ thị có trường địa chỉ 16 bit và có bộ nhớ 4096 word. • Một chương trình chạy trên máy tính này có thể đánh địa chỉ 65536 word bộ nhớ, chứ không phải 4096. • Khi còn chưa phát minh ra bộ nhớ ảo, phải phân biệt 2 miền địa chỉ: • 0 4095: khả dụng • 4096 65535: không khả dụng Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 16
17. 6.2.1 Việc phân trang - Paging • Ý tưởng: tách biệt các khái niệm về không gian địa chỉ và các vị trí nhớ: • Vào bất cứ thời điểm nào 4096 word bộ nhớ có thể được truy cập trực tiếp, nhưng chúng không nhất thiết phải tương ứng với các địa chỉ từ 0 4095. • 4096 sử dụng word 0 • 4097 sử dụng word 1 • 8191 sử dụng word 4095 v.v. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 17
18. 6.2.1 Việc phân trang - Paging ? Điều gì sẽ xảy ra nếu chương trình nhảy tới một địa chỉ nằm trong khoảng 8192 12287? • Không có bộ nhớ ảo: Lỗi • Có bộ nhớ ảo: 1.Nội dung của bộ nhớ chính được cất vào bộ nhớ phụ. 2.Các word 8192 12287 đang nằm trong bộ nhớ phụ được nạp vào bộ nhớ chính. 3.ánh xạ địa chỉ sẽ được thay đổi để ánh xạ các địa chỉ 8192 12287 vào các vị trí nhớ 0 4095. 4.Chương trình tiếp tục bình thường. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 18
19. 6.2.1 Việc phân trang - Paging • Kỹ thuật thực hiện overlay tự động được gọi là phân trang - paging, các đoạn chương trình được đọc vào bộ nhớ chính từ bộ nhớ phụ được gọi là các trang. • Cơ chế phân trang có thể coi là trong suốt đối với người lập trình. Khi lập trình không cần phải biết đến sự tồn tại của bộ nhớ ảo. Có thể coi như đang lập trình cho một máy tính có một bộ nhớ chính rất lớn (ảo giác) Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 19
20. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang • Bộ nhớ ảo cần có bộ nhớ phụ để chứa toàn bộ chương trình. • Một số quy ước: • Bản copy của chương trình trong bộ nhớ phụ là bản gốc • Phần của chương trình thỉnh thoảng được đưa vào bộ nhớ chính là các bản copy • Cập nhật bản gốc, mọi thay đổi xảy ra với bản copy trong bộ nhớ chính cần phải phản ánh vào trong bản gốc. • Không gian địa chỉ ảo được chia thành các trang có kích thước bằng nhau, nằm trong khoảng 512 4096. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 20
21. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ • Không gian địa chỉ ảo 64K được chia thành các frame kích thước 4K. 4 • Không gian địa chỉ vật lý 32K chia thành các khung trang kích thước 4K. • Để thực hiện được bộ nhớ ảo ở mức 2, cần phải sử dụng page table có 16 word, để theo dõi trạng 65535 thái sử dụng 16 trang của bộ nhớ ảo. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 21
22. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ n Chuyển đổi địa chỉ: Mỗi địa chỉ phát sinh bởi CPU được chia thành hai phần: ¨ Số hiệu trang (p): sử dụng như chỉ mục đến phần tử tương ứng trong bảng trang. ¨ Địa chỉ tương đối trong trang (d): kết hợp với địa chỉ bắt đầu của trang để tạo ra địa chỉ vật lý mà trình quản lý bộ nhớ sử dụng. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 22
23. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ n Kích thước của trang do phần cứng qui định. n Để dễ phân tách địa chỉ ảo thành số hiệu trang và địa chỉ tương đối, kích thước của một trang thông thường là một lũy thừa của 2 (512 bytes 8192 bytes). n Nếu kích thước của không gian địa chỉ là 2m và kích thước trang là 2n ¨Thì m-n bits cao của địa chỉ ảo sẽ biễu diễn số hiệu trang ¨ n bits thấp cho biết địa chỉ tương đối trong trang. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 23
24. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ Cơ chế phần cứng hỗ trợ phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 24
25. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ n Cài đặt bảng trang: ¨Trong trường hợp đơn giản nhất, một tập các thanh ghi được sử dụng để cài đặt bảng trang. ¨Tuy nhiên việc sử dụng thanh ghi chỉ phù hợp với các bảng trang có kích thước nhỏ ¨Nếu bảng trang có kích thước lớn, nó phải được lưu trữ trong bộ nhớ chính, và sử dụng một thanh ghi để lưu địa chỉ bắt đầu lưu trữ bảng trang (PTBR). Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 25
26. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ Mô hình bộ nhớ phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 26
27. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ Sử dụng thanh ghi nền trỏ đến bảng trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 27
28. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ n Theo cách tổ chức này, mỗi truy xuất đến dữ liệu hay chỉ thị đều đòi hỏi hai lần truy xuất bộ nhớ: ¨ Truy xuất đến bảng trang ¨ Truy xuất đến bản thân dữ liệu! n Để giảm bớt việc truy xuất bộ nhớ hai lần sử dụng bộ nhớ cache, có tốc độ truy xuất nhanh và cho phép tìm kiếm song song, gọi là bộ nhớ kết hợp (TLBs). n TLBs được sử dụng để lưu trữ các trang bộ nhớ được truy cập gần hiện tại nhất. Khi CPU phát sinh một địa chỉ, số hiệu trang của địa chỉ sẽ được so sánh với các phần tử trong TLBs ¨ Nếu có trang tương ứng trong TLBs, xác định được ngay số hiệu khung trang tương ứng ¨ Nếu không cần thực hiện thao tác tìm kiếm trong bảng trang. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 28
29. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang – Ví dụ Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 29
30. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang • Hình a: Khi một chương trình truy cập bộ nhớ, đầu tiên nó sẽ sinh ra một địa chỉ 16 bit • 4 bit cao làm số trang ảo • 12 bit thấp làm địa chỉ trong trang ảo đã được chọn 12310 (đc vật lý) là địa chỉ (ảo)22 của trang 3. • Hình b: Mối liên hệ giữa trang và địa chỉ ảo. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 30
31. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang Bảng phân trang: • Bảng phân trang có số đề mục (entry) bằng số lượng trang ảo, có 3 trường: 1. Trường 1 (1 bit), 0/1: trang ảo tương ứng không/có nằm trong bộ nhớ chính. 2. Trường 2: địa chỉ (nơi chứa) trang ảo trong bộ nhớ phụ khi nó không nằm trong bộ nhớ chính (thí dụ số hiệu track hay sector trên đĩa). 3. Trường 3 (3 bit): chỉ khung trang, là nơi mà trang nằm nếu nó ở trong bộ nhớ chính. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 31
32. Tạo địa chỉ bộ nhớ chính (vật lý) từ địa chỉ ảo • Từ đ/c ảo tính được trang ảo (+ địa chỉ trong trang ảo) • Từ trang ảo, k.tra page table sẽ biết trang ảo có trong bộ nhớ chính không. • Giả sử có: trường khung trang 3 bit sẽ chỉ ra trang nằm ở đâu. • 3 bit này sẽ được nạp vào 3 bit bên trái nhất của MAR • 12 bit thấp của MAR được nạp địa chỉ trong trang ảo. Nhận được 15 bit, chính là địa chỉ cần cho bộ nhớ chính dung lượng 32K. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 32
33. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang Minh hoạ ánh xạ từ không gian chỉ ảo lên không gian bộ nhớ chính: • Trang ảo số 0 nằm ở khung trang số 1. • Trang ảo số 1 nằm ở khung trang số 0. • Trang ảo số 2 không nằm trong bộ nhớ chính v.v. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 33
34. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang • Để tăng tốc độ việc chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý, có 2 cách: • Bảng phân trang thường được giữ trong các thanh ghi phần cứng đặc biệt, việc chuyển đổi được thực hiện trực tiếp bằng phần cứng. Cách này đòi hỏi các chi phí phần cứng. • Bảng phân trang trong các thanh ghi tốc độ cao và dùng vi chương trình thực hiện chuyển đổi bằng lập trình trực tiếp đối với các thanh ghi. Tuỳ thuộc vào kiến trúc của mức vi chương trình, chuyển đổi bằng cách này có thể gần nhanh bằng cách chuyển đổi trực tiếp bằng phần cứng mà không đòi hỏi phải có các mạch điện đặc biệt. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 34
35. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Tổ chức bảng trang: ¨ Mỗi hệ điều hành có một phương pháp riêng để tổ chức lưu trữ bảng trang. Đa số các hệ điều hành cấp cho mỗi tiến trình một bảng trang. ¨ Tuy nhiên phương pháp này không thể chấp nhận được nếu hệ điều hành cho phép quản lý một không gian địa chỉ có dung lượng quá (232, 264): trong các hệ thống như thế, bản thân bảng trang đòi hỏi một vùng nhớ qúa lớn! Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 35
36. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Có hai giải pháp cho vấn đề này: ¨ Phân trang đa cấp: phân chia bảng trang thành các phần nhỏ, bản thân bảng trang cũng sẽ được phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 36
37. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Bảng trang nghịch đảo: sử dụng duy nhất một bảng trang nghịch đảo cho tất cả các tiến trình . Mỗi phần tử trong bảng trang nghịch đảo phản ánh một khung trang trong bộ nhớ bao gồm địa chỉ logic của một trang đang được lưu trữ trong bộ nhớ vật lý tại khung trang này, cùng với thông tin về tiến trình đang được sỡ hữu trang. Mỗi địa chỉ ảo khi đ� là một bộ ba ¨ Trong đ� : idp là định danh của tiến trình ¨ p là số hiệu trang ¨ d là địa chỉ tương đối trong trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 37
38. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Mỗi phần tử trong bảng trang nghịch đảo là một cặp . Khi một tham khảo đến bộ nhớ được phát sinh, một phần địa chỉ ảo là được đưa đến cho trình quản lý bộ nhớ để tìm phần tử tương ứng trong bảng trang nghịch đảo ¨ Nếu tìm thấy, địa chỉ vật lý sẽ được phát sinh. ¨ Trong các trường hợp khác, xem như tham khảo bộ nhớ đã truy xuất một địa chỉ bất hợp lệ. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 38
39. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 39
40. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang Chia sẻ bộ nhớ trong cơ chế phân trang: n Một ưu điểm của cơ chế phân trang là cho phép chia sẻ các trang giữa các tiến trình.Trong trường hợp này, sự chia sẻ được thực hiện bằng cách ánh xạ nhiều địa chỉ logic vào một địa chỉ vật l� duy nhất. C� thể �p dụng kỹ thuật này để cho ph�p c� tiến trình chia sẻ một vùng code chung: nếu có nhiều tiến trình của cùng một chương trình, chỉ cần lưu trữ một đoạn code của chương trình này trong bộ nhớ, các tiến trình sẽ có thể cùng truy xuất đến c�c trang chứa code chung này. Lưu ý để c� thể chia sẻ một đoạn code, đoạn code này phải có thuộc tính reenterable (cho phép một bản sao của chương trình được sử dụng đồng thời bởi nhiều t� c vụ). Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 40
41. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 41
42. Thảo luận n Kỹ thuật phân trang loại bỏ được hiện tượng phân mảnh ngoại vi : mỗi khung trang đều c� thể được cấp phát cho một tiến trình nào đ� c � yêu cầu. Tuy nhiên hiện tượng phân mảnh nội vi vẫn có thể xảy ra khi kích thước của tiến trình không đ�ng bằng bội số của k�ch thước một trang, khi đ�, trang cuối cùng sẽ không được sử dụng hết. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 42
43. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Một khiá cạnh tích cực rất quan trọng khác của kỹ thuật phân trang là sự phân biệt rạch ròi góc nhìn của người dùng và của bộ phận quản lý bộ nhớ vật lý: ¨ Góc nhìn của người sử dụng: một tiến trình của người dùng nhìn thấy bộ nhớ như là một không gian liên tục, đồng nhất và chỉ chứa duy nhất bản thân tiến trình này. ¨ Góc nhìn của bộ nhớ vật lý: một tiến trình của người sử dụng được lưu trữ phân tán khắp bộ nhớ vật lý, trong bộ nhớ vật lý đồng thời cũng chứa những tiến trình khác. Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 43
44. 6.2.2 Thực hiện việc phân trang n Phần cứng đảm nhiệm việc chuyển đổi địa chỉ logic thành địa chỉ vật l� . Sự chuyển đổi này là trong suốt đối với người sử dụng. n Để lưu trữ các thông tin chi tiết về quá trình cấp phát bộ nhớ, hệ điều hành sử dụng một bảng khung trang, mà mỗi phần tử mô tả tình trạng của một khung trang vật lý : tự do hay được cấp phát cho một tiến trình nào đ� . Bộ môn Kỹ thuật máy tính – Khoa Điện Tử 44