งาน: งานที่ 7

การจัดการอุปกรณ์

Device Management

นาย ปัณณรุจน์ อมรสิทธิ์สิริ รหัส 6031280004

ลักษณะของอุปกรณ์ (Device Characteristic)

•อุปกรณ์อินพุต-เอ้าต์พุต (Input/Output Device)

•อุปกรณ์เก็บข้อมูล (Storage Device)

อุปกรณ์อินพุต-เอ้าต์พุต (Input/Output Device)

•อุปกรณ์อินพุต คืออุปกรณ์ที่ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถสัมผัสและรับรู้สิ่งต่าง ๆ จากโลกภายนอกได้ เช่น เครื่องอ่านบัตร คีย์บอร์ด เมาส์

•อุปกรณ์เอ้าต์พุต คือ อุปกรณ์ที่ทำให้คอมพิวเตอร์ ควบคุมหรือส่งผลออกมาสู่โลกภายนอกได้ เช่น จอภาพ เครื่องพิมพ์

•แบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ

–อุปกรณ์ชนิดข้อมูลเป็นสาย (Stream)

–อุปกรณ์ชนิดข้อมูลไม่เป็นสาย (Non-Stream)

อุปกรณ์ชนิดข้อมูลเป็นสาย (Stream)

•ข้อมูลที่ส่งเข้าออกจะเรียงมาเป็นลำดับก่อนหลัง

•การแบ่งแยกข้อมูลทำได้โดยตรวจสอบลำดับของข้อมูล

•สามารถจัดการได้ง่าย

•อุปกรณ์เหล่านี้ได้แก่ คีย์บอร์ด เครื่องพิมพ์

อุปกรณ์ชนิดข้อมูลไม่เป็นสาย (Non-Stream)

•ข้อมูลที่ส่งและรับไม่ขึ้นอยู่กับลำดับการส่ง

•ต้องอาศัยข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อที่จะแยกแยะข้อมูลแต่ละตัวและมีวิธีจัดการโดยเฉพาะ

•อุปกรณ์ชนิดนี้ได้แก่ จอภาพ

อุปกรณ์เก็บข้อมูล (Storage Device)

•เป็นอุปกรณ์เก็บข้อมูลที่คอมพิวเตอร์ใช้เก็บข้อมูลต่าง ๆ

•ข้อมูลสามารถถูกดึงหรือเรียกกลับมาใช้ได้ในภายหลัง

•แบ่งเป็น 2 ประเภทคือ

–อุปกรณ์ที่มีการเข้าถึงแบบลำดับ (Serial Access Storage Device)

–อุปกรณ์ที่มีการเข้าถึงโดยตรง (Direct Access Storage Device)

อุปกรณ์ที่มีการเข้าถึงแบบลำดับ (Serial Access Storage Device)

•การเข้าถึง (Access) ต้องเป็นไปตามลำดับ เรียงไปจนถึงตำแหน่งที่ต้องการ

•การเก็บข้อมูลจะเก็บเป็นกลุ่ม ๆ ไม่มีแอดเดรสของแต่ละกลุ่ม การอ่านต้องอ่านเข้ามาทีละกลุ่มแล้วตรวจสอบว่าเป็นกลุ่มที่ต้องการหรือไม่จนพบข้อมูล

•อุปกรณ์พวกนี้ได้แก่ เทป

อุปกรณ์ที่มีการเข้าถึงโดยตรง
(Direct Access Storage Device)

•ข้อมูลจะถูกจัดไว้เป็นกลุ่มในระดับบล็อกหรือ เซกเตอร์ แต่ละกลุ่มจะมีแอสเดรสของตัวเอง

•การเข้าถึงทำได้โดยกำหนดแอดเดรสของข้อมูลกลุ่มนั้นทำให้การเข้าถึงสามารถเข้าถึงได้โดยตรงไม่ต้องผ่านข้อมูลกลุ่มอื่น

•อุปกรณ์พวกนี้ได้แก่ ดิสก์

ตัวควบคุมอุปกรณ์ (Device Controller)

•อุปกรณ์แต่ละประเภทจะประกอบด้วยกลไกต่าง ๆ และส่วนที่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์

•สำหรับส่วนที่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์เราเรียกว่าชิพ ที่ประกอบรวมกันอยู่บนเซอร์กิตบอร์ด (Circuit board) ซึ่งส่วนนี้เองที่ถูกเรียกว่า ตัวควบคุมอุปกรณ์

•ตัวควบคุมอุปกรณ์ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ ตรวจสอบและแก้ไขข้อผิดพลาดเมื่อเกิดขึ้น

•ในแต่ละอุปกรณ์ก็จะมีตัวควบคุมอุปกรณ์นั้น ๆ เช่น

–ตัวควบคุมจอภาพ หรือรู้จักกันในนามของการ์ดจอภาพ

–ตัวควบคุมดิสก์ หรือรู้จักกันในนามของดิสก์คอนโทรเลอร์ (Disk Controller)

ตัวขับอุปกรณ์ (Device drivers)

•อุปกรณ์แต่ละชนิดย่อมมีลักษณะที่แตกต่างกันออกไปในหลาย ๆ อย่าง ทั้งการติดต่อรับส่งข้อมูล การควบคุมการทำงานภายในอุปกรณ์

•ถ้าเราให้ OS เป็นผู้ควบคุมทุกอุปกรณ์ ตัว OS จะต้องรู้การทำงานของอุปกรณ์แต่ละชนิดอย่างละเอียด รวมทั้งกรณีที่มีการพัฒนาอุปกรณ์ใหม่ ๆ ขึ้นมาก็จะต้องมีการแก้ไขให้ OS รู้จักอุปกรณ์ตัวใหม่อยู่ตลอดเวลา

•ด้วยความไม่สะดวกดังกล่าวผู้ออกแบบ OS จึงได้ทำการแยกเอาส่วนควบคุมอุปกรณ์ทั้งหมดออกจากระบบ โปรแกรมที่แยกตัวออกมานั้นมีหน้าที่ควบคุมการ ติดต่อกับอุปกรณ์เหล่านั้นเราเรียกว่า ตัวขับอุปกรณ์ (Device drivers)

หน้าที่ของ OS ในการจัดการอุปกรณ์

•ติดตามสถานะของอุปกรณ์ทุกชิ้น โดยจะมี UCB (Unit control block) สำหรับอุปกรณ์แต่ละชิ้นเพื่อเก็บข้อมูลที่สำคัญต่าง ๆ ของอุปกรณ์นั้น ๆ

•กำหนดการให้ใช้งานเมื่อมีการร้องขออุปกรณ์โดยมีเทคนิคอยู่ 3 ประการ

–การยกให้ (Dedicated device) เป็นการกำหนดให้อุปกรณ์ถูกใช้ได้โดยโปรเซสเพียงโปรเซสเดียว โปรเซสอื่น ๆ จะเข้ามาใช้อุปกรณ์ตัวนี้ไม่ได้

–การแบ่งปัน (Shared device) เป็นการกำหนดให้อุปกรณ์ถูกใช้ได้โดยหลายโปรเซสร่วมกัน ไม่เป็นของโปรเซสใดโปรเซสหนึ่ง

–การปลอม (Virtual device) เป็นการจำลองอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งให้เป็นอุปกรณ์อีกชิ้นหนึ่ง

•จัดสรร (Allocate) อุปกรณ์ เพื่อมอบหมายอุปกรณ์ชิ้นนั้นให้โปรเซสที่ร้องขอ

•เรียกคืน (Deallocate) อุปกรณ์เมื่อโปรเซสที่ครอบครองอุปกรณ์ทำงานจบลง หรือต้องการคืนอุปกรณ์ให้กับระบบ

•ควบคุมและขัดจังหวะการรับส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์กับซีพียู หรือหน่วยความจำ

การรับส่งข้อมูลระหว่าง CPU กับอุปกรณ์

•เมื่อโปรเซสต้องการส่งข้อมูลให้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ข้อมูลที่จะส่งจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำ

•การส่งจะกระทำโดย CPU เป็นผู้ดึงข้อมูลมาจากหน่วยความจำและส่งไปให้อุปกรณ์ต่าง ๆ

•ในทางกลับกันเมื่ออุปกรณ์ต่าง ๆ ต้องการส่งข้อมูลให้โปรเซส ข้อมูลจะถูกส่งผ่าน CPU ไปไว้ในหน่วยความจำ จากนั้นโปรเซสจึงนำข้อมูลไปใช้ได้

•วิธีการรับส่งข้อมูล มีอยู่ 3 วิธี ได้แก่

–การพอลลิ่ง (Polling)

–การอินเตอร์รัพต์ (Interrupt)

–เมลบ็อกซ์ (Mailbox)

การพอลลิ่ง (Polling)

•ลักษณะการติดต่อแบบนี้คือ ทุก ๆ ช่วงเวลาหนึ่งซีพียูจะหยุดงานที่ทำอยู่ชั่วคราวและไปตรวจเช็คที่แต่ละแชนเนลเพื่อดูว่ามีอุปกรณ์ใดต้องการส่งข้อมูลบ้างตั้งแต่ตัวแรก-ตัวสุดท้าย จนกระทั้งหมดซีพีจะกลับไปทำงานตามเดิม

การอินเตอร์รัพต์ (Interrupt)

•เมื่ออุปกรณ์ตัวใดต้องการส่งข้อมูล จะส่งสัญญาณผ่านทางแชนแนลไปบอกซีพียู เมื่อซีพียูทราบก็จะหยุดงานชั่วคราวแล้วไปรับรับส่งข้อมูลจนเสร็จสิ้น แล้วกลับไปทำงานต่อ

เมลบ็อกซ์ (Mailbox)

•ระบบจะเสียเนื้อที่ส่วนหนึ่งไปเพื่อเป็นที่พักของข้อมูลเมื่อมีอุปกรณ์บางตัวต้องการส่งข้อมูล ก็จะส่งไปเก็บไว้ในเนื้อที่ส่วนนี้ เมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งซีพียูจะหยุดงานที่ตัวเองทำไปรับส่งข้อมูลเสร็จแล้วก็จะไปทำงานที่ค้างไว้ต่อ

การจัดการสื่อจัดเก็บข้อมูล (Storage Management)

•สื่อจัดเก็บข้อมูลในที่นี้หมายถึงหน่วยความจำสำรอง (Secondary Storage) ที่ใช้ในการจัดเก็บข้อมูล

•ได้แก่ ดิสก์แม่เหล็ก (Magnetic disk) เช่น ฮาร์ดดิสก์ ฟล็อปปี้ดิสก์

ดิสก์ (Disk)

•การจัดเนื้อที่บนดิสก์แม่เหล็กจะมีการจัดแบ่งออกเป็น ไซลินเดอร์ (cylinder)

•ในแต่ละไซลินเดอร์จะแบ่งออกเป็นแทร็ก (track)

•ในแต่ละแทร็กจะแบ่งออกเป็นเซ็กเตอร์ (sector)

•การจัดเก็บข้อมูลลงในดิสก์นั้นจะเก็บในรูปแบบของบล็อก (Block) ขนาดของบล็อกปกติจะมีขนาด 512 Byte แต่ละบล็อกจะอยู่เรียงตามลำดับในแต่ละเซกเตอร์ โดยเซ็กเตอร์ 0 จะเป็นเซ็กเตอร์แรกของแทร็กแรกซึ่งอยู่ที่ไซลินเดอร์ด้านนอกสุดของดิสก์

•การเรียงลำดับหมายเลขแทร็กและหมายเลขไซลินเดอร์จะเรียงต่อกันไปเรื่อย ๆ จากด้านนอกสุดไปด้านในสุดของดิสก์

การจัดเวลาการใช้ดิสก์ (Disk scheduling)

•การใช้งานดิสก์ให้มีประสิทธิภาพนั้นสามารถพิจารณาได้จากระยะเวลาที่ใช้ในการอ่านหรือบันทึกข้อมูล ซึ่งเวลาที่ใช้นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 อย่าง ดังนี้

–ระยะเวลาการค้นหา (seek time) หมายถึงระยะเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่หัวอ่านไปยังไซลินเดอร์ที่มีเซ็กเตอร์ที่ต้องการ

–ระยะเวลาที่ใช้หมุนดิสก์ (rotational latency) หมายถึงที่ระยะเวลาที่รอคอยการหมุนดิสก์เพื่อหาเซ็กเตอร์ที่ต้องการให้ตรงกับหัวอ่าน

–ระยะเวลาการโอนย้ายข้อมูล (transfer time)

•ระยะเวลาการค้นหาเป็นปัจจัยที่สำคัญมากที่สุด ดังนั้นการลดระยะเวลาการค้นหาลงจะทำให้การใช้งานดิสก์มีประสิทธิภาพมากขึ้น

•เวลาในการเข้าถึงข้อมูล = เวลาค้นหา+เวลาหมุนดิสก์+เวลาถ่ายเทข้อมูล

•การจัดเวลาในการใช้ดิสก์นั้นแบ่งออกเป็น 5 แบบดังนี้

–การจัดเวลาแบบมาก่อนได้ก่อน (First come first served : FCFS)

–การจัดเวลาแบบเวลาสั้นสุดได้ก่อน (Shortest seek time first : SSTF)

–การจัดเวลาแบบสแกน (SCAN Scheduling)

–การจัดเวลาแบบซีสแกน (Circular-SCAN Scheduling)

–การจัดเวลาแบบ LOOK (Look Scheduling)

การจัดเวลาแบบมาก่อนได้ก่อน First come first served : FCFS

•เป็นรูปแบบการจัดเวลาที่ง่ายที่สุด แต่ไม่ใช่วิธีของการทำงานที่เร็วที่สุด

•เช่นถ้าลำดับการอ่านข้อมูลจากไซลินเดอร์เป็นดังนี้ 97 , 180 , 36 , 124 , 12 , 128 , 62 , 66 ปัจจุบันไซลินเดอร์ 50

•ลักษณะการเคลื่อนที่ของหัวอ่านจะเคลื่อนที่ดังรูป

ข้อเสียแบบ SSTF

•การคอยใช้บริการที่อาจจะไม่ได้รับการบริการ เช่น มีการเรียกใช้ไซเลนเดอร์ 12 และ 180 ในขณะที่หัวอ่านอยู่ที่ ไซเลนเดอร์ 12 นั้นมีการเรียกใช้ ไซเลนเดอร์ที่อยู่ใกล้ 12 เข้ามา ซึ่งการขอเรียกใช้ไซเลนเดอร์ที่ใกล้ 12 ก่อน ซึ่ง ไซเลนเดอร์ 180 ต้องคอยก่อน

•การจัดแบบ SSTF ยังไม่ใช่วิธีการดีที่สุด สามารถปรับวิธีการลดการเคลื่อนที่หัวอ่านให้น้อยลงได้อีก ดังตัวอย่าง

การจัดเวลาแบบเวลา SCAN

•รูปแบบการทำงานจะเป็นลักษณะของการที่หัวอ่านจะเริ่มอ่านที่ด้านใดด้านหนึ่งของดิสก์ (ต้องทราบทิศทาง) และจะเคลื่อนที่ไปยังอีกด้านหนึ่ง และจะให้บริการก็ต่อเมื่อหัวอ่านเคลื่อนที่ไปถึงที่ไซลินเดอร์นั้น

•เช่นถ้าลำดับการอ่านข้อมูลจากไซลินเดอร์เป็นดังนี้ 97 , 180 , 36 , 124 , 12 , 128 , 62 , 66 จากลำดับที่ให้มาถ้าเริ่มต้นหัวอ่านอยู่ที่ไซลินเดอร์ที่ 50 ถ้าหัวอ่านเคลื่อนที่ต่อไปยังไซลินเตอร์ 0

•ตัวอย่าง : จงเรียงลำดับการเคลื่อนที่ของหัวอ่านพร้อมทั้งวาดรูปประกอบ