Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít" có cấu trúc gồm 4 chương giới thiệu tổng quan hệ điều hành; giới thiệu bộ vi điều khiển được sử dụng để viết hệ điều hành và ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển, thiết kế phần cứng hệ vi điều khiển, thiết kế hệ điều hành cho hệ vi điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi ----------------------------------------- luËn v¨n th¹c sü khoa häc Nghiªn cøu, thiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh trªn bé vi ®iÒu khiÓn 8 bÝt ngµnh: xö lý th«ng tin vµ truyÒn th«ng M∙ sè: vò trung kiªn Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS. NguyÔn Linh Giang hµ néi 2006
-2- Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy lµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cña b¶n th©n d−íi sù h−íng dÉn cña TS. NguyÔn Linh Giang. NÕu cã g× sai ph¹m, t«i xin hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm. Ng−êi lµm cam ®oan Vò Trung Kiªn
-3- Môc lôc Lêi cam ®oan.....................................................................................................2 Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t ..........................................................5 Danh môc c¸c b¶ng ..........................................................................................6 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ ..........................................................................7 Lêi nãi ®Çu ........................................................................................................9 Ch−¬ng 1 - Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu hµnh ......................11 1.1. Kh¸i niÖm vÒ hÖ ®iÒu hµnh (OS-Operating System)................................. 11 1.1.1. Kh¸i niÖm................................................................................................. 11 1.1.2. Chøc n¨ng cña hÖ ®iÒu hµnh. ................................................................... 11 1.1.3. C¸c thµnh phÇn cña hÖ ®iÒu hµnh............................................................. 13 1.2. Qu¶n lý tiÕn tr×nh......................................................................................... 16 1.2.1. C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh.............................................................. 16 1.2.2. Kh¸i niÖm vÒ tµi nguyªn “g¨ng” vµ ®o¹n tíi h¹n .................................... 17 1.2.3. HiÖn t−îng bÕ t¾c ..................................................................................... 19 1.3. LËp lÞch cho CPU ......................................................................................... 20 1.3.1. Kh¸i niÖm giê CPU .................................................................................. 20 1.3.2. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU................................ 20 1.3.3. LËp lÞch cho CPU ..................................................................................... 22 1.4. Qu¶n lý bé nhí ............................................................................................. 25 1.4.1. Yªu cÇu ph¶i qu¶n lý bé nhí ................................................................... 25 1.4.2. C¸c s¬ ®å qu¶n lý bé nhí......................................................................... 26 Ch−¬ng 2 - Vi ®iÒu khiÓn vµ ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn ......................................................................28 2.1. Vi ®iÒu khiÓn........................................................................................28 2.1.1. Vi xö lý vµ vi ®iÒu khiÓn.......................................................................... 28 2.1.2. Tæ chøc bé nhí cña vi ®iÒu khiÓn. ........................................................... 30 2.1.3. C¸c bé ®Þnh thêi. ...................................................................................... 35 2.1.4. Bé xö lý ng¾t. ........................................................................................... 37 2.2. Ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn......................................................... 39
-4- 2.2.1. Tæng quan vÒ c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn. ......................... 39 2.2.2. Nh÷ng vÊn ®Ò víi ng«n ng÷ C viÕt cho c¸c bé vi ®iÒu khiÓn................... 42 Ch−¬ng 3 - thiÕt kÕ hÖ vi ®iÒu khiÓn ............................49 3.1. X¸c ®Þnh yªu cÇu thiÕt kÕ. ........................................................................... 50 3.2. Lùa chän cÊu h×nh cho hÖ thèng................................................................. 51 3.2.1. Lùa chän bé ®iÒu khiÓn trung t©m. .......................................................... 51 3.2.2. Giao diÖn ng−êi sö dông. ......................................................................... 52 3.2.3. C¸c thiÕt bÞ m« pháng qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña tiÕn tr×nh. ...................... 53 3.3. ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn....................................................................................... 58 3.4. §o thö vµ kiÓm tra lçi. ................................................................................. 59 Ch−¬ng 4 - ThiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh .....................................60 4.1.1. Môc ®Ých vµ yªu cÇu thiÕt kÕ. .................................................................. 60 4.1.2. Môc ®Ých. ................................................................................................. 60 4.1.2. Yªu cÇu .................................................................................................... 63 4.2. Tr×nh tù thiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh. ................................................................... 64 4.3. X©y dùng c¸c tiÕn tr×nh. .............................................................................. 65 4.3.1. X©y dùng c¸c t¸c vô t−¬ng øng c¸c tiÕn tr×nh.......................................... 65 4.3.2. Gi¶i quyÕt bµi to¸n tµi nguyªn g¨ng ........................................................ 69 4.4. LËp lÞch cho CPU. ........................................................................................ 71 4.4.1. Sù kiÖn vµ chuyÓn tr¹ng th¸i gi÷a c¸c tiÕn tr×nh. ..................................... 71 4.4.2. LËp lÞch cho CPU ..................................................................................... 80 4.5. Qu¶n lý bé nhí. ............................................................................................ 83 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ .....................................................................................86 Tµi liÖu tham kh¶o .........................................................................................87
-5- Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t STT Ch÷ viÕt t¾t Ch÷ ®Çy ®ñ 1 FCFS First Come First Served 2 FIFO First In First Out 3 LIFO Last In First Out 4 MCS Micro Controller System 5 OS Operating System 6 RTOS Real Time Operating System 7 RR Round Robbin 8 SJF Shortest Job First 9 SRT Shortest Remain Time 10 uC Micro Controller
-6- Danh môc c¸c b¶ng B¶ng 1.1. Tr¹ng th¸i cña c¸c tiÕn tr×nh............................................................... 19 B¶ng 1.2. Thêi gian thùc hiÖn cña c¸c tiÕn tr×nh................................................ 25 B¶ng 1.3. Thêi gian chê cña c¸c tiÕn tr×nh......................................................... 25 B¶ng 2.1. Bé nhí d÷ liÖu trªn chÝp cña AT89S52 .............................................. 33
-7- Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ H×nh 1.1. C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh........................................................ 17 H×nh 1.2. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU.......................... 20 H×nh 1.3. S¬ ®å thùc hiÖn tiÕn tr×nh ................................................................... 21 H×nh 1.4. S¬ ®å tæ chøc hµng ®îi c¸c tiÕn tr×nh ................................................. 22 H×nh 1.5. S¬ ®å Grant......................................................................................... 25 H×nh 2.1. S¬ ®å khèi cña bé vi ®iÒu khiÓn AT89S52 ......................................... 29 H×nh 2.2. Tæ chøc bé nhí cña vi ®iÒu khiÓn ...................................................... 30 H×nh 2.3. S¬ ®å ghÐp nèi AT89S52 víi EPROM............................................... 31 H×nh 2.4. S¬ ®å ghÐp nèi AT89S52 víi RAM .................................................. 34 H×nh 2.5. Gi¶i m· ®Þa chØ cho c¸c vi m¹ch nhí ................................................. 34 H×nh 2.6. Bé nhí d÷ liÖu ®äc nh− bé nhí ch−¬ng tr×nh ..................................... 35 H×nh 2.7. Ho¹t ®éng cña Timer0 vµ Timer1 ë chÕ ®é 1..................................... 36 H×nh 2.8. C¸c nguån ng¾t cña AT89S52............................................................ 38 H×nh 3.1. Tr×nh tù thiÕt kÕ phÇn cøng cho hÖ thèng.......................................... 49 H×nh 3.2. S¬ ®å khèi cña hÖ vi ®iÒu khiÓn ......................................................... 51 H×nh 3.3. GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn víi RAM ngoµi. ............................................ 52 H×nh 3.4. Giao diÖn ng−êi sö dông trªn hÖ vi ®iÒu khiÓn................................... 53 H×nh 3.5. HiÓn thÞ trªn LED 7 ®o¹n b»ng kü thuËt quÐt .................................... 54 H×nh 3.6. GhÐp nèi ma trËn LED trªn hÖ vi ®iÒu khiÓn ..................................... 57 H×nh 3.7. Nguyªn t¾c xÕp ch÷ trªn ma trËn LED............................................... 58 H×nh 4.1. C¸c t¸c vô ®−îc thùc hiÖn ®ång thêi (song song) .............................. 62 H×nh 4.2. C¸c t¸c vô ®−îc thùc hiÖn lu©n phiªn liªn tôc.................................... 62 H×nh 4.3. Gi¶n ®å xung trªn P1.......................................................................... 69 H×nh 4.4. Chèt l¹i gi¸ trÞ cña P1......................................................................... 70
-8- H×nh 4.5. C¸c tiÕn tr×nh ®−îc ph©n bæ thêi gian CPU b»ng nhau ...................... 71 H×nh 4.6. ChuyÓn gi÷a c¸c tiÕn tr×nh b»ng sù kiÖn time out.............................. 73 H×nh 4.7. C¸c tiÕn tr×nh ®−îc ph©n bæ thêi gian CPU kh¸c nhau ...................... 74 H×nh 4.8. Ng−êi sö dông ra lÖnh vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau ......................... 75 H×nh 4.9. ChuyÓn gi÷a c¸ tiÕn tr×nh b»ng sù kiÖn interrupt ............................... 76 H×nh 4.9. M« t¶ tr¹ng th¸i cña c¸c tµi nguyªn cña tiÕn tr×nh............................. 77 H×nh 4.10. C¸c tµi nguyªn cÇn l−u khi dõng mét tiÕn tr×nh. .............................. 78 H×nh 4.11. Ph©n bæ ng¨n xÕp cho c¸c tiÕn tr×nh ................................................ 79 H×nh 4.12. LËp lÞch cho 8 tiÕn tr×nh thùc hiÖn quÐt ch÷ trªn ma trËn LED ....... 81 H×nh 4.13. LËp lÞch cho 4 tiÕn tr×nh quÐt c¸c sè trªn 4 LED 7 ®o¹n ................. 81 H×nh 4.14. LËp lÞch cho tiÕn tr×nh ®iÒu khiÓn LCD........................................... 82 H×nh 4.15. LËp lÞch cho tiÕn tr×nh thêi gian thùc .............................................. 82 H×nh 4.16. Tæ chøc bé nhí ROM cña hÖ vi ®iÒu khiÓn ..................................... 83 H×nh 4.17. Thay ®æi vÞ trÝ ®Æt c¸c ch−¬ng tr×nh con phôc vô ng¾t..................... 84 H×nh 4.18. Ph©n bæ bé nhí ROM....................................................................... 85 H×nh 4.19. Ph©n bæ bé nhí RAM....................................................................... 85
-9- Lêi nãi ®Çu Cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, côm tõ “tù ®éng ho¸” ®· trë nªn hÕt søc phæ th«ng. Tõ c¸c m¸y mãc tù ®éng trong c¸c nhµ m¸y xÝ nghiÖp thay thÕ cho søc lao ®éng cña c«ng nh©n, tõ c¸c ®å gia dông tù ®éng trong gia ®×nh gióp Ých cho ng−êi néi trî...nãi chung c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng tù ®éng ho¸ xuÊt hiÖn ë kh¾p mäi n¬i. Mét c©u hái ®Æt ra víi kh¸ nhiÒu ng−êi lµ nhê ®©u mµ c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng tù ®éng ®−îc? §Ó tr¶ lêi c©u hái nµy chóng ta cÇn ph¶i ®i tõ khi cã côm tõ “tù ®éng ho¸” ra ®êi. Tr−íc kia, khi ch−a cã c«ng nghÖ b¸n dÉn, c¸c phÇn tö cã tiÕp ®iÓm nÕu ®−îc ®Çu nèi víi nhau theo mét m¹ch logic nµo ®ã th× vÉn cã thÓ t¹o ra mét hÖ thèng tù ®éng, tuy nhiªn kh¶ n¨ng ®¸p øng vµ tÝnh tù ®éng c¶ hÖ thèng nµy kh«ng cao. C«ng nghÖ b¸n dÉn ra ®êi, nã gi¶i quyÕt ®−îc h¹n chÕ vÒ ®¸p øng (tèc ®é) cña c¸c phÇn tö cã tiÕp ®iÓm tuy nhiªn còng ph¶i chê ®Õn khi cã sù xuÊt hiÖn cña c¸c bé vi xö lý, c¸c hÖ thèng cã tÝnh tù ®éng ho¸ cao míi ra ®êi. §Æc tr−ng cña c¸c hÖ thèng nµy ®−îc m« t¶ b»ng mét c«ng thøc ®¬n gi¶n: PhÇn cøng + PhÇn mÒm = øng dông. Theo c«ng thøc nµy th× khi tuú biÕn mét trong 2 thµnh phÇn lµ phÇn cøng hoÆc phÇn mÒm th× sÏ cho ra øng dông kh¸c. Th«ng th−êng phÇn mÒm lµ thµnh phÇn ®−îc tuú biÕn. Mét hÖ thèng víi c¸c bé vi xö lý cã thÓ gi¶ c¸c suy nghÜ vµ hµnh ®éng cña con ng−êi v× lý do ®¬n gi¶n lµ chóng ho¹t ®éng theo mét ch−¬ng tr×nh cña ng−êi thiÕt kÕ ®−a vµo mµ ch−¬ng tr×nh chÝnh lµ c¸c thuËt to¸n lµ ý nghÜ cña ng−êi lËp tr×nh. Nh− vËy ®Ó mét hÖ thèng cã tÝnh th«ng minh, tù ®éng ho¸ cao th× phÇn mÒm viÕt cho nã lµ vÊn ®Ò hÕt søc quan träng. Mét hÖ thèng víi cïng mét phÇn cøng nh−ng nÕu nã ®−îc viÕt hÖ ®iÒu hµnh th× kh¶ n¨ng cña nã sÏ trë nªn m¹nh h¬n rÊt nhiÒu so víi mét hÖ thèng chØ cã mét ch−¬ng tr×nh tuÇn tù. Víi môc ®Ých kh«ng ngõng ®¸p øng c¸c nhu cÇu cña
-10- x· héi, hiÖn nay c¸c m«n häc vÒ hÖ nhóng ®· vµ ®ang ®−îc ®−a vµo gi¶ng d¹y t¹i c¸c tr−êng Cao ®¼ng vµ §¹i häc. Tuy nhiªn ®Ó cã mét hiÖu qña gi¶ng d¹y tèt nhÊt th× cÇn cã mét ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ ®óng chÝnh t¾c vµ còng cÇn ph¶i cã mét thiÕt bÞ phôc vô qua tr×nh thÝ nghiÖm. Tr−êng §¹i häc C«ng nghiÖp Hµ néi lµ mét tr−êng ®µo t¹o c¸c cö nh©n vµ c¸c kü s− thùc hµnh. Trong ch−¬ng tr×nh ®µo t¹o còng ®· cã m«n kü thuËt vi ®iÒu khiÓn, ®©y cã thÓ coi lµ nÒn t¶ng ®Ó tiÕp cËn víi c¸c hÖ thèng nhóng sö dông vi ®iÒu khiÓn cã hÖ ®iÒu hµnh. ViÖc nghiªn cøu ®Ó ®−a vµo gi¶ng d¹y m«n thiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh cho c¸c hÖ vi ®iÒu khiÓn lµ phï hîp víi yªu cÇu hiÖn t¹i. Víi sù h−íng dÉn cña TS NguyÔn Linh Giang, trong khu«n khæ luËn v¨n nµy, t«i m¹nh d¹n nghiªn cøu vÒ c¸c nguyªn t¾c c¬ b¶n khi thiÕt kÕ mét hÖ ®iÒu hµnh trªn hÖ vi ®iÒu khiÓn. Néi dung cña luËn v¨n bao gåm 4 ch−¬ng, trong ®ã: Ch−¬ng 1: Giíi thiÖu tæng quan hÖ ®iÒu hµnh. Ch−¬ng 2: Giíi thiÖu bé vi ®iÒu khiÓn ®−îc sö dông ®Ó viÕt hÖ ®iÒu hµnh vµ ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn. Ch−¬ng 3. ThiÕt kÕ phÇn cøng hÖ vi ®iÒu khiÓn. Ch−¬ng 4. ThiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh cho hÖ vi ®iÒu khiÓn Do thêi gian vµ kh¶ n¨ng cã h¹n nªn luËn v¨n nµy sÏ cßn nhiÒu thiÕu sãt. RÊt mong ®−îc sù gãp ý vµ th«ng c¶m cña c¸c thÇy gi¸o, c« gi¸o. Hµ néi, ngµy 30 th¸ng 10 n¨m 2006 Häc viªn Vò Trung Kiªn
-11- Ch−¬ng 1 - Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu hµnh 1.1. Kh¸i niÖm vÒ hÖ ®iÒu hµnh (OS-Operating System) 1.1.1. Kh¸i niÖm Khã cã mét kh¸i niÖm hay ®Þnh nghÜa chÝnh x¸c vÒ hÖ ®iÒu hµnh, v× hÖ ®iÒu hµnh lµ mét bé phËn ®−îc nhiÒu ®èi t−îng khai th¸c nhÊt, hä cã thÓ lµ ng−êi sö dông th«ng th−êng, cã thÓ lµ lËp tr×nh viªn, cã thÓ lµ ng−êi qu¶n lý hÖ thèng vµ tuú theo møc ®é khai thøc hÖ ®iÒu hµnh mµ hä cã thÓ ®−a ra nh÷ng kh¸i niÖm kh¸c nhau. Kh¸i niÖm 1: HÖ ®iÒu hµnh lµ hÖ thèng ch−¬ng tr×nh víi c¸c chøc n¨ng gi¸m s¸t ®iÒu khiÓn viÖc thùc hiÖn c¸c ch−¬ng tr×nh cña ng−êi sö dông qu¶n lý vµ ph©n chia tµi nguyªn cho nhiÒu ch−¬ng tr×nh ng−êi sö dông ®ång thêi sao cho viÖc khai th¸c chøc n¨ng cña hÖ thèng m¸y tÝnh cña ng−êi sö dông lµ thuËn lîi vµ hiÖu qu¶ nhÊt. Kh¸i niÖm 2: HÖ ®iÒu hµnh lµ mét ch−¬ng tr×nh ®ãng vai trß nh− giao diÖn gi÷a ng−êi sö dông vµ phÇn cøng m¸y tÝnh nã qu¶n lý vµ ®iÒu khiÓn phÇn cøng còng nh− sù thùc hiÖn cña tÊt c¶ c¸c ch−¬ng tr×nh. Kh¸i niÖm thø hai rÊt gÇn víi c¸c hÖ ®iÒu hµnh ®ang sö dông trªn c¸c m¸y tÝnh hiÖn nay trong khi kh¸i niÖm thø nhÊt l¹i gÇn víi c¸c hÖ thèng ®o l−êng ®iÒu khiÓn trong c«ng nghiÖp sö dông c¸c bé ®iÒu khiÓn kh¶ tr×nh (VÝ dô nh− vi ®iÒu khiÓn). 1.1.2. Chøc n¨ng cña hÖ ®iÒu hµnh. Cã thÓ nãi hÖ ®iÒu hµnh lµ 1 hÖ thèng c¸c ch−¬ng tr×nh ®ãng vai trß trung gian gi÷a ng−êi sö dông vµ phÇn cøng. NhiÖm vô chÝnh cña nã lµ cung cÊp mét m«i tr−êng thuËn lîi ®Ó ng−êi sö dông dÔ dµng thùc hiÖn c¸c ch−¬ng tr×nh øng dông cña hä trªn m¸y tÝnh vµ khai th¸c triÖt ®Ó c¸c chøc n¨ng cña phÇn cøng.
-12- §Ó ®¹t ®−îc môc tiªu trªn hÖ ®iÒu hµnh ph¶i thùc hiÖn 2 chøc n¨ng chÝnh sau ®©y: - T¹o ra mét hÖ th«ng më réng bao gåm c¸c thµnh phÇn vËt lý vµ c¸c thµnh phÇn logic: Nh− chóng ta biÕt, mét hÖ thèng kh¶ tr×nh (vÝ dô nh− m¸y tÝnh) gåm c¸c bé phËn chÝnh nh−: Processor, Memory, I/O Device, Bus, vv, do ®ã ®Ó ®èi tho¹i hoÆc khai th¸c m¸y tÝnh ng−êi sö dông ph¶i hiÓu ®−îc c¬ chÕ ho¹t ®éng cña c¸c bé phËn nµy vµ ph¶i t¸c ®éng trùc tiÕp vµo nã tÊt nhiªn lµ b»ng nh÷ng con sè 0,1 (ng«n ng÷ m¸y). §iÒu nµy lµ qu¸ khã ®èi víi ng−êi sö dông hÖ ®iÒu hµnh ph¶i che ®Ëy c¸c chi tiÕt phÇn cøng m¸y tÝnh bëi mét m¸y tÝnh më réng, m¸y tÝnh më réng nµy cã ®Çy ®ñ c¸c chøc n¨ng cña mét m¸y tÝnh thùc nh−ng ®¬n gi¶n vµ dÔ sö dông h¬n. Theo ®ã khi cÇn t¸c ®éng vµo m¸y tÝnh thùc ng−êi sö dông chØ cÇn t¸c ®éng vµo m¸y tÝnh më réng mäi sù chuyÓn ®æi th«ng tin ®iÒu khiÓn tõ m¸y tÝnh. Môc ®Ých cña chøc n¨ng nµy kµ: Gióp ng−êi sö dông khai thøc c¸c chøc n¨ng cña phÇn cøng m¸y tÝnh dÔ dµng vµ hiÖu qu¶ h¬n. - Qu¶n lý tµi nguyªn cña hÖ thèng: Tµi nguyªn hÖ thèng cã thÓ lµ: prrocessor, Memory, I/O Device..., ®©y lµ nh÷ng tµi nguyªn mµ hÖ ®iÒu hµnh dïng ®Ó cÊp ph¸t cho c¸c tiÕn tr×nh, ch−¬ng tr×nh trong qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn sù ho¹t ®éng cña hÖ thèng. Khi ng−êi sö dông cÇn thùc hiÖn mét ch−¬ng tr×nh hay mét ch−¬ng tr×nh cÇn n¹p thªm mét tiÕn tr×nh míi vµo bé nhí th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i cÊp ph¸t kh«ng gian nhí cho ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh ®ã ®Ó ch−¬ng tr×nh, tÝªn tr×nh ®ã n¹p ®−îc vµo bé nhí vµ ho¹t ®éng ®−îc. Trong m«i tr−êng hÖ ®iÒu hµnh ®a nhiÖm cã thÓ cã nhiÒu ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh ®ång thêi cÇn ®−îc n¹p vµo bé nhí nh−ng kh«ng gian l−u tr÷ cñ© bé nhí cã giíi h¹n do ®ã hÖ ®iÒu hµnh ph¶i tæ chøc cÊp ph¸t bé nhí sao cho hîp lý ®Ó ®¶m b¶o tÊt c¶ c¸c ch−¬ng tr×nh tiÕn tr×nh khi cÇn ®Ó ®−îc n¹p vµo bé nhí ®Ó ho¹t ®éng. Ngoµi ra hÖ ®iÒu hµnh cßn ph¶i tæ chøc b¶o vÖ c¸c kh«ng gian nhí ®· cÊp cho c¸c ch−¬ng tr×nh tiÕn tr×nh ®Ó tr¸nh sù truy cËp bÊt hîp lÖ vµ sù tranh
-13- chÊp bé nhí gi÷a c¸c ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh, ®Æc biÖt lµ c¸c tiÕn tr×nh ®ång thêi ho¹t ®éng trªn hÖ thèng. §©y lµ mét trong nh÷ng nhiÖm vô quan träng cña hÖ ®iÒu hµnh. Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña hÖ thèng ®Æc bÖt lµ c¸c hÖ thèng ®a ng−êi dïng ®a ch−¬ng tr×nh, ®a tiÕn tr×nh. Cßn xuÊt hiÖn mét hiÖn t−îng kh¸c, ®ã lµ nhiÒu ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh ®ång thêi sö dông mét kh«ng gian nhí hau mét tËp tin (d÷ liÖu, ch−¬ng tr×nh) nµo ®ã. Trong tr−êng hîp nµy hÖ ®iÒu hµnh ph¶i tæ chøc viÖc chia sÎ vµ gi¸m s¸t viÖc truy xuÊt ®ång thêi trªn c¸c tµi nguyªn nãi trªn sao cho viÖc sö dông tµi nguyªn cã hiÖu qu¶ nh−ng tr¸nh ®−îc sù mÊt m¸t d÷ liÖu vµ lµm háng c¸c tËp tin. Hai dÉn chøng ®iÓn h×nh gióp chóng ra thÊy vai trß cña hÖ ®iÒu hµnh trong viÖc qu¶n lý tµi nguyªn hÖ thèng sau nµy chóng ra sÏ thÊy viÖc cÊp ph¸t, chia sÎ, b¶o vÖ tµi nguyªn cña hÖ ®iÒu hµnh lµ mét trong nh÷ng c«ng viÖc khã kh¨n vµ phøc t¹p nhÊt. HÖ ®iÒu hµnh ®· chi phÝ nhiÒu cho c«ng viÖc nãi trªn ®Ó ®¸t ®−îc môc tiªu: Trong mäi tr−êng hîp tÊt c¶ c¸c ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh nÕu cÇn ®−îc cÊp ph¸t tµi nguyªn ®Ó ho¹t ®éng th× sím muén nã ®Òu ®−îc cÊp ph¸t vµ ®−îc ®−a vµo tr¹ng th¸i ho¹t ®éng. 1.1.3. C¸c thµnh phÇn cña hÖ ®iÒu hµnh 1.1.3.1. Thµnh phÇn qu¶n lý tiÕn tr×nh. HÖ ®iÒu hµnh ph¶i cã nhiÖm vô t¹o lËp tiÕn tr×nh vµ ®−a nã vµo danh s¸ch qu¶n lý tÝªn tr×nh cña hÖ thèng. Khi tiÕn tr×nh kÕt thóc hÖ ®iÒu hµnh ph¶i lo¹i bá tiÕn tr×nh ra lhái danh s¸c qu¶n lý tiÕn tr×nh cña hÖ thèng. HÖ ®iÒu hµnh ph¶i cung cÊp ®Çy ®ñ tµi nguyªn ®Ó tiÕn tr×nh ®i vµo ho¹t ®éng vµ ph¶i ®¶m b¶o ®ñ tµi nguyªn ®Ó duy tr× sù ho¹t ®éng cña tiÕn tr×nh cho ®Õn khi tiÕn tr×nh kÕt thóc. Khi tiÕn tr×nh kÕt thóc hÖ ®iÒu hµnh ph¶i thu håi nh÷ng tµi nguyªn mµ hÖ ®iÒu hµnh ®· cÊp cho tiÕn tr×nh.
-14- Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng nÕu v× mét lý do nµo ®ã tiÕn tr×nh kh«ng thÓ tiÕp rôc ho¹t ®éng ®−îc th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i t¹m dõng tiÕn tr×nh thu håi tµi nguyªn mµ tiÕn tr×nh ®ang chiÕm gi÷, sau ®ã nÕu diÒu kiÖn thuËn lîi th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i t¸i kÝch ho¹t tiÕn tr×nh ®Ó tiÕn tr×nh tiÕp tôc ho¹t ®éng cho ®Õn khi kÕt thóc. Trong c¸c hÖ thèng cã nhiÒu tiÕn tr×nh ho¹t ®éng song song hÖ ®iÒu hµnh ph¶i gi¶i quyÕt vÊn ®Ò tranh chÊp tµi nguyªn gi÷a c¸c tiÕn tr×nh, ®Òu phèi processor cho c¸c tiÕn tr×nh, gióp c¸c tiÕn tr×nh trao ®æi th«ng tin vµ ho¹t ®éng ®ång bé víi nhau, ®¶m b¶o nguyªn t¾c tÊt c¶ c¸c tiÕn tr×nh ®· ®−îc khëi t¹o ph¶i ®−îc thùc hiÖn vµ kÕt thóc ®−îc. Tãm l¹i, bé phËn qu¶n lý tiÕn tr×nh cña hÖ ®iÒu hµnh ph¶i thùc hiÖn nhøng nhiÖm vô sau ®©y: T¹o lËp, huû bá tiÕn tr×nh. T¹m dõng, t¸i kÝch ho¹t ®éng tiÕn tr×nh. T¹o c¬ chÕ th«ng tin liªn l¹c gi÷a c¸c tiÕn tr×nh. T¹o c¬ chÕ ®ång bé ho¸ gi÷a c¸c tiÕn tr×nh. 1.1.3.2. Thµnh phÇn qu¶n lý bé nhí. Bé nhí chÝnh lµ mét trong nh÷ng tµi nguyªn quan träng cña hÖ thèng, ®©y lµ thiÕt bÞ l−u tr÷ duy nhÊt mµ CPU cã thÓ truy xuÊt trùc tiÕp ®−îc. C¸c ch−¬ng tr×nh cña ng−êi sö dông muèn thùc hiÖn ®−îc bëi CPU th× trwocs hÕt nã ph¶i ®−îc hÖ ®iÒu hµnh n¹p vµo bé nhí chÝnh, chuyÓn ®æi c¸c ®Þa chØ sö dông trong ch−¬ng tr×nh thµnh nh÷ng ®Þa chØ mµ CPU cã thÓ truy xuÊt ®−îc. Khi ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh cã yªu cÇu ®−îc n¹p vµo bé nhí th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i cÊp ph¸t kh«ng gian nhí cho nã. Khi ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh kÕt thóc th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i thi håi l¹i kh«ng gian nhí ®· cÊp ph¸t cho ch−¬ng tr×nh, tiÕn tr×nh tr−íc ®ã.
-15- Trong c¸c hÖ thèng ®a ch−¬ng hay ®a tiÕn tr×nh, trong bé nhí tån t¹i nhiÒu ch−¬ng tr×nh/ nhiÒu tiÕn tr×nh, hÖ ®iÒu hµnh ph¶i thùc hiÖn nhiÖm vô b¶o vÖ c¸c vïng nhí ®· cÊp ph¸t cho c¸c ch−¬ng tr×nh/tiÕn tr×nh, tr¸nh sù vi ph¹m trªn c¸c vïng nhí cña nhau. Tãm l¹i, bé phËn qu¶n lý bé nhí chÝnh cña hÖ ®iÒu hµnh thùc hiÖn nh÷ng nhiÖm vô sau: CÊp ph¸t, thu håi vïng nhí. Chi nhËn tr¹ng th¸i bé nhí. B¶o vÖ bé nhí. QuyÕt ®Þnh tiÕn tr×nh nµo ®−îc n¹p vµo bé nhí. 1.1.3.3. Thµnh phÇn qu¶n lý vµo ra. Mét trong nh÷ng môc tiªu cña hÖ ®iÒu hµnh lµ gióp ng−êi sö dông khai thøc hÖ thèng m¸y tÝnh dÔ dµng vµ hiÖu qu¶, do ®ã c¸c thao t¸c trao ®æi th«ng tin trªn thiÕt bÞ xuÊt / nhËp ph¶i trong suèt ®èi víi ng−êi sö dông. §Ó thùc hiÖn ®−îc ®iÒu nµy hÖ ®iÒu hµnh ph¶i tån t¹i mét bé phËn ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ, bé phËn nµy phèi hîp cïng CPU ®Ó qu¶n lý sù ho¹t ®éng vµ trao ®æi th«ng tin gi÷a hÖ thãng, ch−¬ng tr×nh ng−êi sö dông vµ ng−êi sö dông víi c¸c thiÕt bÞ xu©ts/nhËp. Bé phËn ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ thùc hiÖn nh÷ng nhiÖm vô sau: Gëi m· lÖnh ®iÒu khiÓn ®Õn thiÕt bÞ: HÖ ®iÒu hµnh ®iÒu khiÓn c¸c thiÕt bÞ b»ng c¸c m· ®iÒu khiÓn, do ®ã tr−íc khi b¾t ®Çu mét qu¸ tr×nh trao ®æi d÷ liÖu víi thiÕt bÞ th× hÖ ®iÒu hµnh ph¶i gëi m· ®iÓu khiÓn ®Õn thiÕt bÞ. TiÕp nhËn yªu cÇn ng¾t (Interrupt) tõ c¸c thiÕt bÞ khi cÇn trao ®æi víi hÖ thèng khi nã ph¸t ra mét tÝn hiÖu yªu cÇu ng¾t, hÖ ®iÒu hµnh tiÕp nhËn yªu cÇu ng¾t tõ c¸c thiÕt bÞ, xem xÕt vµ thùc hiÖn mét thñ tôc ®Ó ®¸p øng yªu cÇu c¸c thiÕt bÞ.
-16- Ph¸t hiÖn vµ xö lý lçi: qu¸ tr×nh trao ®æi d÷ liÖu th−êng x¶y ra c¸c lçi nh−: thiÕt bÞ vµo/ra ch−a s½n sµng, ®−êng truyÒn háng, vv, do ®ã hÖ ®iÒu hµnh ph¶i t¹o ra c¸c c¬ chÕ thÝch hîp ®Ó ph¸t hiÖn lçi sím nhÊt vµ kh»c phôc c¸c lçi võa x¶y ra nÕu cã thÓ. 1.2. Qu¶n lý tiÕn tr×nh TiÕn tr×nh lµ mét ch−¬ng tr×nh ®ang xö lý, nã së h÷u mét con trá lÖnh, lËp c¸c thanh ghi vµ c¸c biÕn. §Ó hoµn thµnh nhiÖm vô cña m×nh, c¸c tiÕn tr×nh cã thÓ cßn yªu cÇu mét sè tµi nguyªn hÖ thèng nh−: CPU, bé nhí vµ c¸c thiÕt bÞ. 1.2.1. C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh Tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh t¹i mçi thêi ®iÓm ®−îc x¸c ®Þnh bëi ho¹t ®éng hiÖn thêi cña tiÕn tr×nh t¹i thêi ®iÓm ®ã. Trong suèt kho¶ng thêi gian tån t¹i trong hÖ thèng, mét tiÕn tr×nh cã thÓ thay ®æi tr¹ng th¸i do rÊt nhiÒu nguyªn nh©n nh−: Chê ®îi sù kiÖn nµo ®ã x¶y ra, ®îi mét thao t¸c vµo/ra hoµn tÊt, hÕt thêi gian xö lý... T¹i mçi thêi ®iÓm, tiÕn tr×nh cã thÓ nhËn mét trong c¸c tr¹ng th¸i sau: - Khëi t¹o (new): TiÕn tr×nh ®ang ®−îc t¹o lËp. - S½n sµng (ready): TiÕn tr×nh chê ®−îc cÊp ph¸t CPU ®Ó xö lý. - Thùc hiÖn (runing): TiÕn tr×nh ®−îc xö lý. - §îi (waiting): TiÕn tr×nh ph¶i dõng v× thiÕu tµi nguyªn hoÆc chê mét sù kiÖn nµo ®ã. - KÕt thóc (halt): TiÕn tr×nh ®· hoµn tÊt c«ng viÖc xö lý. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh cã thÓ ®−îc biÓu diÔn qua s¬ ®å (h×nh 1.1)
-17- New Ready Runing Halt Waiting H×nh 1.1. C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh HÖ ®iÒu hµnh qu¶n lý ho¹t ®éng cña c¸c tiÕn tr×nh trong hÖ thèng th«ng qua khèi m« t¶ tiÕn tr×nh (process control block - PCB). Khèi m« t¶ tiÕn tr×nh bao gåm c¸c thµnh phÇn: - Sè thø tù cña tiÕn tr×nh - Con trá tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh (cho biÕt tr¹ng th¸i hiÖn t¹i cña tiÕn tr×nh). - Vïng nhí l−u tr÷ gi¸ trÞ c¸c thanh ghi mµ tiÕn tr×nh ®ang sö dông. - Th«ng tin vÒ tµi nguyªn tiÕn tr×nh ®ang sö dông hoÆc ®−îc phÐp sö dông. 1.2.2. Kh¸i niÖm vÒ tµi nguyªn “g¨ng” vµ ®o¹n tíi h¹n Chóng ta cïng xem thuËt to¸n sau: Type ltem = ...; Var Buffer : array [0..n-1] of ltem; In. Out: 0..n-1 Counter: 0..n Begin (TiÕn tr×nh P) Repeat ...
-18- S¶n xuÊt th«ng tin vµ chøa trong NextP; ... While Counter = n do Skip; Buffer [In]:=NextP; In:= In + 1 mod n; Until false; (TiÕn tr×nh C) Repeat While Counter = 0 do Skip; NextC:= Buffer [Out]; Out:= Out + 1 mod n; ... LÊy th«ng tin trong chøa trong NextC ... Until false; End; NhËn xÐt: V× hai tiÕn tr×nh P vµ C song hµnh nªn cã thÓ x¶y ra tr−êng hîp trong cïng 1 thêi ®iÓm, tiÕn tr×nh P t¨ng biÕn Counter lªn 1 (Counter:= Counter + 1) cßn tiÕn tr×nh C l¹i gi¶m biÕn Counter ®i 1 (Counter:= Counter – 1) dÉn tíi kÕt qu¶ sai. Nh− vËy biÕn Counter trong tr−êng hîp nµy ®−îc gäi lµ tµi nguyªn “g¨ng”. §o¹n tr×nh sö dông biÕn Counter gäi lµ ®o¹n tíi h¹n. §Þnh nghÜa: - C¸c tµi nguyªn logic vµ vËt lý ph©n bæ cho c¸c tiÕn tr×nh song hµnh lµ tµi nguyªn “g¨ng”. C¸c ®o¹n tr×nh sö dông tµi nguyªn g¨ng gäi lµ ®o¹n tíi h¹n (Critical Section).
-19- 1.2.3. HiÖn t−îng bÕ t¾c 1.2.3.1. Kh¸i niÖm vÒ bÕ t¾c Gi¶ sö cã hai tiÕn tr×nh P1 vµ P song hµnh sö dông c¸c tµi nguyªn r1 vµ r, ®−îc ®iÒu khiÓn bëi hai ®Ìn hiÖu S1 vµ S. T¹i mçi thêi ®iÓm, mçi tµi nguyªn chØ phôc vô cho sù ho¹t ®éng cña mét tiÕn tr×nh. XÐt tr¹ng th¸i: B¶ng 1.1. Tr¹ng th¸i cña c¸c tiÕn tr×nh P1 Thêi ®iÓm P2 Wait (S1) t1 Wait (S2) ... t2 ... Wait (S2) t3 ... t4 Wait (S1) NhËn xÐt: T¹i vÞ trÝ trªn, sau thêi ®iÓm t3, tiÕn tr×nh P1 r¬i vµo tr¹ng th¸i chê tµi nguyªn r2 ®ang ®−îc P2 sö dông; Sau thêi ®iÓm t 4, tiÕn tr×nh P2 r¬i vµo tr¹ng th¸i chê tµi nguyªn r1 ®ang ®−îc tiÕn tr×nh P1 sö dông vµ b¾t ®Çu tõ ®©y, c¶ hai tiÕn tr×nh r¬i vµo tr¹ng th¸i chê ®îi v« h¹n vÒ hÖ thèng gÆp bÕ t¾c. Nh− vËy bÕ t¾c lµ tr¹ng th¸i khi hai hoÆc nhiÒu tiÕn tr×nh cïng chê ®îi mét sè sù kiÖn nµo ®ã vµ nÕu kh«ng cã t¸c ®éng ®Æc biÖt tõ bªn ngoµi th× sù chê ®îi ®ã lµ v« h¹n. 1.2.3.2. §iÒu kiÖn x¶y ra bÕ t¾c trong hÖ thèng. HiÖn t−îng bÕ t¾c x¶y ra khi vµ chØ khi trong hÖ thèng tån t¹i 4 ®iÒu kiÖn: - Cã tµi nguyªn g¨ng - Cã hiÖn t−îng gi÷ vµ ®îi, cã mét tiÕn tr×nh ®ang gi÷ mét sè tµi nguyªn vµ ®îi tµi nguyªn bæ sung ®ang ®−îc gi÷ bëi c¸c tiÕn tr×nh kh¸c. - Kh«ng cã hÖ thèng ph©n phèi l¹i tµi nguyªn: ViÖc sö dông tµi nguyªn kh«ng bÞ ng¾t.
-20- - Cã hiÖn t−îng chê ®îi vßng trßn. 1.2.3.3. C¸c møc phßng tr¸nh bÕ t¾c §Ó tr¸nh hiÖn t−îng bÕ t¾c, th«ng th−êng hÖ thèng ¸p dông ba møc: - Ng¨n chÆn: ¸p dông c¸c biÖn ph¸p ®Ó hÖ thèng r¬i vµo tr¹ng th¸i bÕ t¾c. - Dù b¸o vµ tr¸nh bÕ t¾c: ¸p dông c¸c biÖn ph¸p ®Ó kiÓm tra c¸c tiÕn tr×nh xem cã bÞ r¬i vµo tr¹ng th¸i bÕ t¾c hay kh«ng. NÕu cã th× th«ng b¸o tr−íc khi bÕ t¾c x¶y ra. - NhËn biÕt vµ kh¾c phôc: T×m c¸ch ph¸t hiÖn vµ gi¶i quyÕt. 1.3. LËp lÞch cho CPU 1.3.1. Kh¸i niÖm giê CPU CPU lµ mét lo¹i tµi nguyªn quan träng cña m¸y tÝnh. Mäi tiÕn tr×nh muèn ho¹t ®éng ®−îc ®Òu ph¶i cã sù phôc vô cña CPU (®Ó xö lý, tÝnh to¸n...). Thêi gian mµ CPU phôc vô cho tiÕn tr×nh ho¹t ®éng ®−îc gäi lµ giê CPU. T¹i mçi thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh, chØ cã mét tiÕn tr×nh ®−îc ph©n phèi giê CPU ®Ó ho¹t ®éng (thùc hiÖn c¸c lÖnh cña m×nh). 1.3.2. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU Trong chÕ ®é ®a ch−¬ng tr×nh, cã ba tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan mËt thiÕt ®Õn giê CPU bao gåm: Ready Runing Waiting H×nh 1.2. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU