Luận văn thạc sĩ về thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Vò Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Linh Giang
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Nghiên Cứu
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Điều Hành Trên Vi Điều Khiển 8 Bít
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH
• 1.1. Khái niệm về hệ điều hành (OS-Operating System)
• 1.2. Chức năng của hệ điều hành
• 1.3. Các thành phần của hệ điều hành
• 1.4. Quản lý tiến trình
• 1.5. Các trạng thái của một tiến trình
• 1.6. Khái niệm về tài nguyên “găng” và đoạn tới hạn
• 1.7. Lập lịch cho CPU
• 1.8. Khái niệm giê CPU
• 1.9. Các trạng thái của tiến trình liên quan đến giê CPU
• 1.10. Quản lý bộ nhớ
• 1.11. Yêu cầu phải quản lý bộ nhớ
• 1.12. Các sơ đồ quản lý bộ nhớ
• 2. CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Vi xử lý và vi điều khiển
• 2.2. Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển
• 2.3. Các bộ định thời
• 2.4. Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển
• 2.5. Tổng quan về các ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển
• 2.6. Những vấn đề với ngôn ngữ C viết cho các bộ vi điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ VI ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Xác định yêu cầu thiết kế
• 3.2. Lựa chọn cấu hình cho hệ thống
• 3.3. Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm
• 3.4. Giao diện người sử dụng
• 3.5. Các thiết bị mô phỏng quá trình hoạt động của tiến trình
• 3.6. Đo thời và kiểm tra lỗi
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU HÀNH
• 4.1. Mục đích và yêu cầu thiết kế
• 4.2. Trình tự thiết kế hệ điều hành
• 4.3. Xây dựng các tiến trình
• 4.4. Xây dựng các tác vụ tương ứng các tiến trình
• 4.5. Giải quyết bài toán tài nguyên găng
• 4.6. Lập lịch cho CPU
• 4.7. Sự kiện và chuyển trạng thái giữa các tiến trình
• 4.8. Lập lịch cho CPU
• 4.9. Quản lý bộ nhớ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ điều hành

Hệ điều hành (OS - Operating System) là phần mềm trung gian giữa người sử dụng và phần cứng máy tính. Nó có chức năng quản lý tài nguyên hệ thống, bao gồm CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O. Hệ điều hành giúp người sử dụng khai thác các chức năng của máy tính một cách hiệu quả. Để đạt được mục tiêu này, hệ điều hành cần thực hiện hai chức năng chính: tạo ra một môi trường thuận lợi cho người sử dụng và quản lý tài nguyên của hệ thống. Hệ điều hành cũng phải đảm bảo rằng các chương trình có thể chạy đồng thời mà không gây ra xung đột tài nguyên. Điều này được thực hiện thông qua việc quản lý tiến trình và bộ nhớ. Hệ điều hành còn có nhiệm vụ cung cấp giao diện cho người sử dụng, cho phép họ tương tác với máy tính một cách dễ dàng.

1.1. Khái niệm về hệ điều hành

Hệ điều hành là một phần mềm phức tạp, có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Một định nghĩa phổ biến là hệ điều hành là một chương trình quản lý tài nguyên máy tính, cho phép người sử dụng và các chương trình khác tương tác với phần cứng. Hệ điều hành cũng có thể được coi là một giao diện giữa người sử dụng và phần cứng, giúp người sử dụng thực hiện các tác vụ mà không cần phải hiểu rõ về cách thức hoạt động của phần cứng. Hệ điều hành có thể được chia thành nhiều loại, bao gồm hệ điều hành thời gian thực, hệ điều hành đa nhiệm và hệ điều hành nhúng. Mỗi loại hệ điều hành có những đặc điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với các yêu cầu khác nhau của người sử dụng.

II. Vi điều khiển và ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển

Vi điều khiển (Microcontroller) là một hệ thống máy tính nhỏ gọn, được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Vi điều khiển thường được sử dụng trong các thiết bị nhúng, nơi mà yêu cầu về hiệu suất và tiêu thụ năng lượng là rất quan trọng. Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển thường là C hoặc Assembly, cho phép lập trình viên tối ưu hóa mã nguồn để đạt được hiệu suất cao nhất. Việc lập trình cho vi điều khiển đòi hỏi kiến thức sâu về phần cứng và cách thức hoạt động của các thành phần bên trong. Các vấn đề thường gặp khi lập trình cho vi điều khiển bao gồm quản lý bộ nhớ, xử lý ngắt và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.

2.1. Tổ chức bên trong của vi điều khiển

Vi điều khiển thường bao gồm một bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Bộ xử lý là phần quan trọng nhất, thực hiện các phép toán và điều khiển các hoạt động của vi điều khiển. Bộ nhớ được chia thành bộ nhớ tạm thời (RAM) và bộ nhớ cố định (ROM). RAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong khi ROM lưu trữ chương trình khởi động. Các thiết bị ngoại vi như cảm biến, động cơ và màn hình cũng được kết nối với vi điều khiển để thực hiện các chức năng cụ thể. Việc hiểu rõ cấu trúc và chức năng của các thành phần này là rất quan trọng để lập trình và thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển.

III. Thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển

Thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển 8 bit yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về tài nguyên hạn chế và yêu cầu về hiệu suất. Hệ điều hành cần phải được tối ưu hóa để sử dụng ít bộ nhớ và CPU nhất có thể. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế bao gồm quản lý tiến trình, quản lý bộ nhớ và giao tiếp giữa các thiết bị. Hệ điều hành cũng cần phải hỗ trợ các tính năng như lập lịch tiến trình và xử lý ngắt để đảm bảo rằng các nhiệm vụ quan trọng được thực hiện đúng thời gian. Việc thiết kế một hệ điều hành hiệu quả cho vi điều khiển có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các ứng dụng nhúng.

3.1. Yêu cầu thiết kế

Yêu cầu thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển bao gồm khả năng quản lý tài nguyên hiệu quả, hỗ trợ đa nhiệm và đảm bảo tính ổn định. Hệ điều hành cần phải có khả năng xử lý nhiều tiến trình đồng thời mà không làm giảm hiệu suất. Điều này đòi hỏi một cơ chế lập lịch tiến trình hiệu quả, cho phép hệ điều hành phân bổ thời gian CPU cho các tiến trình một cách hợp lý. Ngoài ra, hệ điều hành cũng cần phải có khả năng xử lý các ngắt từ các thiết bị ngoại vi, đảm bảo rằng các sự kiện quan trọng được xử lý ngay lập tức. Tất cả những yếu tố này đều cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn này đã trình bày tổng quan về thiết kế hệ điều hành cho vi điều khiển 8 bit, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tài nguyên và hiệu suất. Hệ điều hành không chỉ là phần mềm quản lý tài nguyên mà còn là nền tảng cho việc phát triển các ứng dụng nhúng. Việc nghiên cứu và phát triển hệ điều hành cho vi điều khiển sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và khả năng cạnh tranh của các sản phẩm công nghệ. Để tiếp tục phát triển lĩnh vực này, cần có thêm nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, nhằm cải thiện hơn nữa khả năng của hệ điều hành trong các thiết bị nhúng.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Đề xuất nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc phát triển các thuật toán lập lịch tiến trình mới, tối ưu hóa hơn nữa việc quản lý bộ nhớ và cải thiện khả năng tương tác giữa các thiết bị. Ngoài ra, cần nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ mới như Internet of Things (IoT) và cách mà hệ điều hành có thể hỗ trợ các ứng dụng trong lĩnh vực này. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển hệ điều hành cho vi điều khiển, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của các ứng dụng nhúng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, hệ điều hành (Operating System - OS) đóng vai trò trung tâm trong việc quản lý tài nguyên và điều phối các tiến trình trên máy tính. Theo ước tính, việc thiết kế và vận hành hệ điều hành hiệu quả góp phần nâng cao hiệu suất xử lý của vi điều khiển, đặc biệt trong các hệ thống nhúng và thiết bị điều khiển thời gian thực. Luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế hệ điều hành trên vi điều khiển 8 bit AT89S52, một trong những vi điều khiển phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và giáo dục tại Việt Nam từ năm 2006.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng một hệ điều hành đơn giản, hiệu quả, có khả năng quản lý tiến trình, bộ nhớ đệm (bé nhí) và lập lịch CPU phù hợp với đặc thù của vi điều khiển 8 bit. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển, lập trình ngôn ngữ C và hợp ngữ, đồng thời áp dụng các thuật toán lập lịch tiến trình như FCFS, SJF, Round Robin. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2006, nhằm phục vụ giảng dạy và thực nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một nền tảng hệ điều hành cơ bản cho các vi điều khiển 8 bit, giúp sinh viên và kỹ sư hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, quản lý tài nguyên và lập trình hệ thống nhúng. Đồng thời, nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên bộ nhớ và CPU, giảm thiểu hiện tượng bế tắc (deadlock) và tăng tính ổn định cho hệ thống điều khiển thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Khái niệm hệ điều hành (OS): Hệ điều hành là phần mềm trung gian quản lý tài nguyên phần cứng và cung cấp môi trường thuận lợi cho người dùng và các chương trình ứng dụng. OS thực hiện chức năng quản lý tiến trình, bộ nhớ, thiết bị vào/ra và lập lịch CPU.

• Quản lý tiến trình: Tiến trình là chương trình đang thực thi, có trạng thái (new, ready, running, waiting, halt). Hệ điều hành quản lý tiến trình thông qua các thành phần như Process Control Block (PCB), quản lý trạng thái và chuyển đổi trạng thái tiến trình.

• Quản lý bộ nhớ đệm (bé nhí): Bé nhí là vùng nhớ tạm thời mà CPU truy cập trực tiếp. Quản lý bé nhí bao gồm phân bổ, thu hồi, bảo vệ vùng nhớ, tránh xung đột truy cập giữa các tiến trình.

• Thuật toán lập lịch CPU: Các thuật toán như First Come First Served (FCFS), Shortest Job First (SJF), Shortest Remaining Time (SRT), Round Robin (RR) được áp dụng để phân phối thời gian CPU cho các tiến trình nhằm tối ưu hiệu suất và giảm thời gian chờ.

• Vi điều khiển AT89S52: Là vi điều khiển 8 bit, cấu trúc Harvard, có bộ nhớ ROM 8KB, RAM 256 bytes, 3 bộ định thời (Timer), 6 nguồn ngắt, hỗ trợ lập trình hợp ngữ và ngôn ngữ C.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu kỹ thuật về hệ điều hành, vi điều khiển AT89S52, các thuật toán lập lịch CPU, ngôn ngữ lập trình C và hợp ngữ. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập qua việc thiết kế, mô phỏng và kiểm thử hệ điều hành trên phần cứng thực tế và mô phỏng phần mềm.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích hệ thống để xác định yêu cầu thiết kế, mô hình hóa các thành phần hệ điều hành. Áp dụng kỹ thuật lập trình cấu trúc, lập trình hướng sự kiện cho việc xử lý ngắt và quản lý tiến trình. Thuật toán lập lịch được đánh giá qua các chỉ số thời gian chờ, thời gian hoàn thành tiến trình.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2006, bắt đầu từ việc tổng quan lý thuyết, thiết kế phần cứng và phần mềm, lập trình và kiểm thử, đến hoàn thiện luận văn. Quá trình thử nghiệm và hiệu chỉnh được tiến hành song song với việc thu thập dữ liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công hệ điều hành đơn giản trên vi điều khiển AT89S52: Hệ điều hành bao gồm các thành phần quản lý tiến trình, bộ nhớ đệm và lập lịch CPU, đáp ứng được yêu cầu vận hành thời gian thực. Bộ nhớ bé nhí được quản lý hiệu quả với dung lượng 256 bytes RAM nội bộ, phân chia hợp lý cho các tiến trình.

2. Áp dụng thuật toán lập lịch Round Robin cải thiện hiệu suất CPU: So với FCFS và SJF, Round Robin với time quantum 4ms giúp giảm thời gian chờ trung bình của tiến trình từ khoảng 17ms xuống còn khoảng 5ms, tăng tính công bằng và giảm hiện tượng nghẽn CPU.

3. Quản lý tiến trình và bộ nhớ đệm tránh được hiện tượng bế tắc: Việc phân bổ và thu hồi bộ nhớ bé nhí được thực hiện chính xác, đảm bảo không có tiến trình nào bị chiếm dụng tài nguyên quá lâu, giảm thiểu xung đột truy cập bộ nhớ.

4. Lập trình kết hợp ngôn ngữ C và hợp ngữ tối ưu hóa hiệu năng: Việc sử dụng ngôn ngữ C cho phần lớn chương trình và hợp ngữ cho các thao tác thời gian thực, xử lý ngắt giúp giảm kích thước chương trình và tăng tốc độ xử lý, tiết kiệm bộ nhớ và thời gian thực thi.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế hệ điều hành trên vi điều khiển 8 bit là khả thi và hiệu quả, phù hợp với các ứng dụng nhúng và điều khiển thời gian thực. Thuật toán Round Robin được đánh giá cao nhờ khả năng phân phối CPU công bằng, giảm thời gian chờ và tránh ưu tiên tiến trình dài gây nghẽn.

So sánh với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực hệ điều hành nhúng, kết quả này tương đồng với báo cáo của ngành về việc sử dụng vi điều khiển AT89S52 trong các hệ thống tự động hóa nhỏ. Việc kết hợp ngôn ngữ C và hợp ngữ cũng là xu hướng phổ biến nhằm cân bằng giữa hiệu năng và khả năng bảo trì phần mềm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian chờ trung bình của các thuật toán lập lịch, bảng phân bổ bộ nhớ bé nhí cho các tiến trình, và sơ đồ trạng thái tiến trình trong hệ điều hành. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các thuật toán lập lịch nâng cao: Áp dụng các thuật toán như Priority Scheduling hoặc Multilevel Queue để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất CPU, đặc biệt trong các hệ thống có nhiều tiến trình với mức độ ưu tiên khác nhau. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm.

2. Mở rộng dung lượng bộ nhớ và cải tiến quản lý bé nhí: Tăng dung lượng RAM hoặc sử dụng bộ nhớ ngoài để hỗ trợ các ứng dụng phức tạp hơn, đồng thời phát triển cơ chế bảo vệ bộ nhớ để tránh xung đột. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: kỹ sư phần cứng và phần mềm.

3. Tối ưu hóa mã nguồn và nâng cao khả năng tái sử dụng: Chuẩn hóa các module phần mềm, tăng cường sử dụng ngôn ngữ C kết hợp hợp ngữ để giảm kích thước chương trình và tăng tốc độ xử lý. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: lập trình viên và kỹ sư phần mềm.

4. Đào tạo và ứng dụng trong giảng dạy: Tích hợp hệ điều hành thiết kế vào chương trình đào tạo kỹ thuật điều khiển và hệ thống nhúng tại các trường đại học, giúp sinh viên thực hành và hiểu sâu về nguyên lý hoạt động. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: giảng viên và nhà trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và hệ thống nhúng: Giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ điều hành trên vi điều khiển, kỹ thuật lập trình và quản lý tài nguyên.

2. Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng: Áp dụng kiến thức thiết kế hệ điều hành đơn giản, tối ưu hóa lập trình C và hợp ngữ cho các dự án thực tế.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu: Là tài liệu tham khảo để xây dựng bài giảng, nghiên cứu sâu về hệ điều hành nhúng và vi điều khiển 8 bit.

4. Nhà sản xuất thiết bị tự động hóa nhỏ: Hỗ trợ thiết kế hệ thống điều khiển thời gian thực với chi phí thấp, hiệu quả cao dựa trên vi điều khiển AT89S52.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ điều hành trên vi điều khiển 8 bit có những hạn chế gì?
   Vi điều khiển 8 bit có bộ nhớ và tài nguyên hạn chế, do đó hệ điều hành phải được thiết kế đơn giản, tối ưu để tránh quá tải bộ nhớ và CPU. Ví dụ, dung lượng RAM chỉ khoảng 256 bytes nên quản lý bộ nhớ rất chặt chẽ.

2. Tại sao lại kết hợp ngôn ngữ C và hợp ngữ trong lập trình hệ điều hành?
   Ngôn ngữ C giúp phát triển nhanh, dễ bảo trì, còn hợp ngữ tối ưu các thao tác thời gian thực, xử lý ngắt nhanh và tiết kiệm bộ nhớ. Sự kết hợp này cân bằng giữa hiệu năng và khả năng phát triển.

3. Thuật toán lập lịch Round Robin hoạt động như thế nào?
   Round Robin phân chia thời gian CPU cho các tiến trình theo lượt, mỗi tiến trình được cấp một khoảng thời gian cố định (time quantum). Nếu chưa hoàn thành, tiến trình sẽ bị chuyển xuống cuối hàng đợi, giúp tránh ưu tiên tiến trình dài gây nghẽn.

4. Làm sao tránh hiện tượng bế tắc trong quản lý tiến trình?
   Bằng cách quản lý tài nguyên chặt chẽ, phân bổ và thu hồi bộ nhớ bé nhí hợp lý, đồng thời áp dụng các thuật toán kiểm tra và xử lý bế tắc như tránh giữ tài nguyên lâu không cần thiết.

5. Vi điều khiển AT89S52 phù hợp với ứng dụng nào?
   AT89S52 thích hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động nhỏ, thiết bị nhúng đơn giản, giáo dục kỹ thuật và các hệ thống yêu cầu xử lý thời gian thực với chi phí thấp.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công hệ điều hành đơn giản trên vi điều khiển 8 bit AT89S52, đáp ứng yêu cầu quản lý tiến trình và tài nguyên.
• Thuật toán lập lịch Round Robin giúp cải thiện hiệu suất CPU, giảm thời gian chờ trung bình xuống khoảng 5ms.
• Kết hợp ngôn ngữ C và hợp ngữ tối ưu hóa hiệu năng và kích thước chương trình.
• Quản lý bộ nhớ bé nhí hiệu quả, tránh hiện tượng bế tắc và xung đột truy cập.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng trong đào tạo, phát triển phần mềm nhúng.

Tiếp theo, cần triển khai các thuật toán lập lịch nâng cao, mở rộng bộ nhớ và tối ưu mã nguồn để nâng cao hiệu quả hệ thống. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van -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 Luan van -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 .9 Ch−¬ng 1 - Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu hµnh. Kh¸i niÖm vÒ hÖ ®iÒu hµnh (OS-Operating System). Chøc n¨ng cña hÖ ®iÒu hµnh. C¸c thµnh phÇn cña hÖ ®iÒu hµnh.

Qu¶n lý tiÕn tr×nh. C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh. Kh¸i niÖm vÒ tµi nguyªn “g¨ng” vµ ®o¹n tíi h¹n. LËp lÞch cho CPU.

Kh¸i niÖm giê CPU. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU. LËp lÞch cho CPU. Qu¶n lý bé nhí.

Yªu cÇu ph¶i qu¶n lý bé nhí. 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. Vi xö lý vµ vi ®iÒu khiÓn.

Tæ chøc bé nhí cña vi ®iÒu khiÓn. C¸c bé ®Þnh thêi. Ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn. Tæng quan vÒ c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn.

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. X¸c ®Þnh yªu cÇu thiÕt kÕ. Lùa chän cÊu h×nh cho hÖ thèng.

Lùa chän bé ®iÒu khiÓn trung t©m. Giao diÖn ng−êi sö dông. C¸c thiÕt bÞ m« pháng qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña tiÕn tr×nh. §o thö vµ kiÓm tra lçi.

59 Ch−¬ng 4 - ThiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh. Môc ®Ých vµ yªu cÇu thiÕt kÕ. Tr×nh tù thiÕt kÕ hÖ ®iÒu hµnh. X©y dùng c¸c tiÕn tr×nh.

X©y dùng c¸c t¸c vô t−¬ng øng c¸c tiÕn tr×nh. Gi¶i quyÕt bµi to¸n tµi nguyªn g¨ng. LËp lÞch cho CPU. Sù kiÖn vµ chuyÓn tr¹ng th¸i gi÷a c¸c tiÕn tr×nh.

LËp lÞch cho CPU. Qu¶n lý bé nhí. 83 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ .86 Tµi liÖu tham kh¶o .87 Luan van -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 Luan van -6- Danh môc c¸c b¶ng B¶ng 1. Tr¹ng th¸i cña c¸c tiÕn tr×nh.

Thêi gian thùc hiÖn cña c¸c tiÕn tr×nh. Thêi gian chê cña c¸c tiÕn tr×nh. Bé nhí d÷ liÖu trªn chÝp cña AT89S52. 33 Luan van -7- Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ H×nh 1.

C¸c tr¹ng th¸i cña mét tiÕn tr×nh. C¸c tr¹ng th¸i cña tiÕn tr×nh liªn quan ®Õn giê CPU. S¬ ®å thùc hiÖn tiÕn tr×nh. S¬ ®å tæ chøc hµng ®îi c¸c tiÕn tr×nh.

S¬ ®å khèi cña bé vi ®iÒu khiÓn AT89S52. Tæ chøc bé nhí cña vi ®iÒu khiÓn. S¬ ®å ghÐp nèi AT89S52 víi EPROM. S¬ ®å ghÐp nèi AT89S52 víi RAM.

Gi¶i m· ®Þa chØ cho c¸c vi m¹ch nhí. Bé nhí d÷ liÖu ®äc nh− bé nhí ch−¬ng tr×nh. Ho¹t ®éng cña Timer0 vµ Timer1 ë chÕ ®é 1. C¸c nguån ng¾t cña AT89S52.

Tr×nh tù thiÕt kÕ phÇn cøng cho hÖ thèng. S¬ ®å khèi cña hÖ vi ®iÒu khiÓn. GhÐp nèi vi ®iÒu khiÓn víi RAM ngoµi. Giao diÖn ng−êi sö dông trªn hÖ vi ®iÒu khiÓn.

HiÓn thÞ trªn LED 7 ®o¹n b»ng kü thuËt quÐt. GhÐp nèi ma trËn LED trªn hÖ vi ®iÒu khiÓn. Nguyªn t¾c xÕp ch÷ trªn ma trËn LED. C¸c t¸c vô ®−îc thùc hiÖn ®ång thêi (song song).

C¸c t¸c vô ®−îc thùc hiÖn lu©n phiªn liªn tôc. Gi¶n ®å xung trªn P1. Chèt l¹i gi¸ trÞ cña P1. 70 Luan van -8- H×nh 4.

C¸c tiÕn tr×nh ®−îc ph©n bæ thêi gian CPU b»ng nhau. ChuyÓn gi÷a c¸c tiÕn tr×nh b»ng sù kiÖn time out. C¸c tiÕn tr×nh ®−îc ph©n bæ thêi gian CPU kh¸c nhau. Ng−êi sö dông ra lÖnh vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau.

ChuyÓn gi÷a c¸ tiÕn tr×nh b»ng sù kiÖn interrupt. M« t¶ tr¹ng th¸i cña c¸c tµi nguyªn cña tiÕn tr×nh. C¸c tµi nguyªn cÇn l−u khi dõng mét tiÕn tr×nh. Ph©n bæ ng¨n xÕp cho c¸c tiÕn tr×nh.

LËp lÞch cho 8 tiÕn tr×nh thùc hiÖn quÐt ch÷ trªn ma trËn LED. LËp lÞch cho 4 tiÕn tr×nh quÐt c¸c sè trªn 4 LED 7 ®o¹n. LËp lÞch cho tiÕn tr×nh ®iÒu khiÓn LCD. LËp lÞch cho tiÕn tr×nh thêi gian thùc.

Tæ chøc bé nhí ROM cña hÖ vi ®iÒu khiÓn. Thay ®æi vÞ trÝ ®Æt c¸c ch−¬ng tr×nh con phôc vô ng¾t. Ph©n bæ bé nhí ROM. Ph©n bæ bé nhí RAM.

85 Luan van -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 Luan van -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. ThiÕt kÕ phÇn cøng hÖ vi ®iÒu khiÓn.

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 Luan van -11- Ch−¬ng 1 - Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu hµnh 1. Kh¸i niÖm vÒ hÖ ®iÒu hµnh (OS-Operating System) 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).

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.