Kiến trúc máy tính – Bài 5: Thiết bị vào/ra, ngắt, DMA và RAID
Bàn phím chỉ gửi từng sự kiện nhỏ, còn ổ đĩa và card mạng có thể trao đổi nhiều dữ liệu. Bài này giải thích cách CPU phối hợp với thiết bị, sau đó phân biệt RAID với sao lưu bằng các ví dụ gần gũi.
Dành cho người mới: đọc ví dụ trước, sau đó đối chiếu với sơ đồ và thuật ngữ. Các mô hình đơn giản trong bài dùng để học nguyên lý, không mô tả đầy đủ mọi CPU hay hệ điều hành.
Mục lục
CPU không trực tiếp hiểu mọi thiết bị
Bàn phím, màn hình, ổ lưu trữ và card mạng có giao thức, tốc độ và cách biểu diễn dữ liệu khác nhau. Bộ điều khiển thiết bị cùng phần mềm trình điều khiển giúp hệ điều hành sử dụng chúng. CPU thường trao đổi với các thanh ghi, vùng bộ nhớ hoặc hàng đợi theo giao diện do thiết bị cung cấp.
Bạn có thể hình dung trình điều khiển như phần mềm biết cách giao tiếp với một loại bộ điều khiển. Thiết bị không tự hiểu yêu cầu cấp cao “lưu tài liệu”; hệ điều hành, hệ thống tệp và phần mềm phải biến yêu cầu đó thành các thao tác phù hợp.
Ba cách phối hợp: thăm dò, ngắt và DMA
| Cơ chế | Ví dụ dễ hình dung | CPU phải làm gì? |
|---|---|---|
| Thăm dò (polling) | Liên tục kiểm tra trạng thái xem việc đã xong chưa. | Chủ động đọc trạng thái theo cách chương trình quy định. |
| Ngắt (interrupt) | Thiết bị báo khi có sự kiện cần xử lý. | Xử lý sự kiện vào thời điểm và theo cơ chế hệ thống cho phép. |
| DMA | Bộ điều khiển chuyển khối dữ liệu tới/từ RAM. | Thiết lập công việc, quản lý bộ đệm và xử lý kết quả. |
Polling không luôn là lựa chọn kém. Trong hệ thống có nhiều sự kiện hoặc yêu cầu độ trễ nhất định, thăm dò có thể được sử dụng có chủ đích. Ngắt cũng có chi phí xử lý; phần mềm và phần cứng có thể kết hợp nhiều cơ chế. DMA là cách truyền dữ liệu, không phải một phương án tuyệt đối tách biệt với ngắt.
Ví dụ 1: bạn bấm một phím
Bàn phím gửi dữ liệu theo giao tiếp của nó tới bộ điều khiển. Hệ điều hành và trình điều khiển nhận, diễn giải sự kiện rồi chuyển tới ứng dụng phù hợp. CPU không nhất thiết phải liên tục dừng mọi việc để hỏi từng phím đã được nhấn chưa.
Trong mô hình ngắt đơn giản, CPU lưu những thông tin cần thiết, chuyển tới mã xử lý ngắt, xử lý sự kiện rồi tiếp tục công việc phù hợp. Không nên hiểu mọi thao tác đều do một chương trình phục vụ ngắt dài thực hiện ngay lập tức: hệ điều hành thường chia việc thành nhiều giai đoạn và có cơ chế ưu tiên.
Ngắt phần cứng khác với ngoại lệ phát sinh từ việc thực thi lệnh. Một truy cập bộ nhớ không hợp lệ và một thông báo từ thiết bị không có cùng nguyên nhân, dù đều có thể làm CPU chuyển tới trình xử lý.
Ví dụ 2: đọc một khối dữ liệu lớn từ ổ lưu trữ
- Ứng dụng yêu cầu đọc; hệ điều hành xác định dữ liệu và kiểm tra các lớp bộ đệm liên quan.
- Nếu cần truy cập thiết bị, hệ thống thiết lập yêu cầu đọc và vùng đệm phù hợp trong RAM.
- Bộ điều khiển có thể sử dụng DMA để truyền dữ liệu mà không cần CPU sao chép từng byte.
- Khi hoàn thành, hệ thống nhận biết qua ngắt, thăm dò hoặc cơ chế phù hợp rồi tiếp tục xử lý.
DMA không có nghĩa CPU hoàn toàn không tham gia. Vùng đệm, quyền truy cập, đồng bộ cache và xử lý lỗi vẫn cần được quản lý. Hệ thống có thể dùng IOMMU để hỗ trợ kiểm soát, dịch địa chỉ cho thiết bị; không nên mặc định địa chỉ mà thiết bị sử dụng luôn giống địa chỉ ảo của ứng dụng.
Sơ đồ trong bài mô tả nguyên lý phối hợp. Thiết bị PCIe/NVMe hiện đại có hàng đợi và liên kết riêng, không nhất thiết “giành bus chung” như mô hình máy tính cổ điển.
RAID giải quyết việc gì?
RAID tổ chức nhiều ổ thành một hệ thống lưu trữ theo cách nhất định để phục vụ hiệu năng, khả năng chịu lỗi hoặc cả hai. Giả sử có các ổ cùng dung lượng S, bảng dưới là dung lượng lý tưởng; thực tế còn phụ thuộc dung lượng hữu dụng, metadata và cách triển khai.
| Mức RAID | Cách bố trí | Dung lượng lý tưởng | Khả năng chịu hỏng ổ |
|---|---|---|---|
| RAID 0 | Chia dải dữ liệu, không dự phòng. | N × S | Không chịu được hỏng một ổ. |
| RAID 1, cặp hai ổ | Hai bản sao. | S | Một ổ trong cặp. |
| RAID 5 | Dữ liệu và một mức parity phân tán. | (N − 1) × S; từ 3 ổ | Một ổ. |
| RAID 6 | Hai mức parity phân tán. | (N − 2) × S; từ 4 ổ | Hai ổ. |
| RAID 10 | Chia dải trên các cặp nhân bản. | N/2 × S; ví dụ 4 ổ | Phụ thuộc cặp nào hỏng; không bảo đảm chịu được hai ổ bất kỳ. |
Với 4 ổ 1 TB, RAID 5 có dung lượng lý tưởng khoảng 3 TB; RAID 10 khoảng 2 TB. Nếu hai ổ cùng một cặp mirror của RAID 10 đều hỏng, hệ thống có thể mất dữ liệu. Không nên chỉ nhìn số ổ hỏng mà bỏ qua cách bố trí.
Ở các mức ít gặp trong thực hành nhập môn, RAID 4 dùng một ổ parity riêng, còn RAID 5 phân tán parity. Không được gộp hai mức thành cùng một cách bố trí. RAID 2 và 3 có thể để phần lịch sử hoặc đọc thêm thay vì yêu cầu người mới học thuộc.
RAID không thay thế sao lưu
Nếu bạn xóa nhầm tệp trên hệ thống mirror, thao tác xóa vẫn được áp dụng cho dữ liệu đang hoạt động. RAID không tự giữ một phiên bản cũ để khôi phục. Nó cũng không thay thế bảo vệ trước mã độc, lỗi phần mềm hoặc sự cố ảnh hưởng cả hệ thống.
Sao lưu cần bản sao có thể phục hồi và chiến lược lưu giữ phù hợp. Khi học, bạn chỉ cần so sánh mục đích: RAID hỗ trợ tính sẵn sàng hoặc hiệu năng theo cấu hình; backup phục vụ phục hồi dữ liệu. Cả hai đều cần kiểm tra thực tế.
Tự kiểm tra: DMA có thể hoàn tất rồi báo bằng ngắt không? Có. Nếu RAID 1 đang hoạt động, bạn có thể bỏ sao lưu không? Không. Hãy giải thích hai câu này bằng vai trò của từng cơ chế thay vì học thuộc định nghĩa.
Những điều cần nhớ
- Thiết bị, bộ điều khiển và trình điều khiển phối hợp với CPU và hệ điều hành.
- DMA giảm việc CPU phải truyền từng byte nhưng không loại bỏ vai trò quản lý của CPU.
- RAID 0 không có dự phòng; RAID và backup giải quyết các nhu cầu khác nhau.
Tài liệu đọc thêm
Bài viết liên quan:
Dịch vụ thiết kế Wesbite
