Chap1+2-OS.pdf

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 1
Tổng quan về hệ điều hành
1/17/2018
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1

Mục tiêu chương 1
 Hiểu và phát biểu lại được các khái niệm cơ bản về hệ điều
hành, và các thành phần của hệ điều hành
 Biết được sự khác biệt cơ bản giữa các loại hệ điều hành

Nội dung chương 1
Tổng quan
Phân loại hệ điều hành
Lịch sử phát triển hệ điều hành

Tổng quan
 Hệ điều hành là gì?
Chương trình trung gian giữa phần
cứng máy tính và người sử dụng, có
chức năng điều khiển và phối hợp
việc sử dụng phần cứng và cung cấp
các dịch vụ cơ bản cho các ứng dụng.
 Mục tiêu
Giúp người dùng dễ dàng sử dụng hệ
thống.
Quản lý và cấp phát tài nguyên hệ
thống một cách hiệu quả.
Phần cứng
Hệ Điều Hành
Các ứng dụng
Người dùng
Chạy ứng dụng abc trên phần
cứng XYZ

Tổng quan (tt)
Hình của Dror G. Feitelson
Physical devices
Microprogramming
Machine language
Operating system
Compilers Editors
Command
interpreter
Banking
system
Airline
reservation
Web browser Application programs
Hardware
System programs

Cấu trúc hệ thống máy tính

Cấu trúc hệ thống máy tính (tt)
 Phần cứng (hardware)
Bao gồm các tài nguyên cơ bản của máy tính như CPU, bộ
nhớ, các thiết bị I/O
 Hệ điều hành (operating system)
Phân phối tài nguyên, điều khiển và phối hợp các hoạt động
của các chương trình trong hệ thống.
 Chương trình ứng dụng (application programs)
Sử dụng hệ thống tài nguyên để giải quyết một bài toán tính
toán nào đó của người sử dụng.
Ví dụ: compilers, database systems, video games, business
programs.
 Users (people, machines, other computers)
1/17/2018 7
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.

Các chức năng chính của hệ điều hành
 Phân chia thời gian xử lý và định thời CPU
 Phối hợp và đồng bộ hoạt động giữa các processes
(coordination & synchronization)
 Quản lý tài nguyên hệ thống (thiết bị I/O, bộ nhớ, file chứa
dữ liệu,…)
 Thực hiện và kiểm soát access control, protection
 Duy trì sự nhất quán (integrity) của hệ thống, kiểm soát lỗi
và phục hồi hệ thống khi có lỗi (error recovery)
 Cung cấp giao diện làm việc cho users

Phân loại hệ điều hành
 Dưới góc độ loại máy tính
Hệ điều hành dành cho máy MainFrame
Hệ điều hành dành cho máy Server
Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU
Hệ điều hành dành cho máy tính cá nhân (PC)
Hệ điều hành dành cho máy PDA (Embedded OS - hệ điều hành
nhúng)
Hệ điều hành dành cho máy chuyên biệt
Hệ điều hành dành cho thẻ chíp (SmartCard)

Phân loại hệ điều hành (tt)
 Dưới góc độ số chương trình được sử dụng cùng lúc
 Hệ điều hành đơn nhiệm
 Hệ điều hành đa nhiệm
 Dưới góc độ người dùng (truy xuất tài nguyên cùng lúc)
 Một người dùng
 Nhiều người dùng
 Mạng ngang hàng
 Mạng có máy chủ: LAN, WAN, …

Phân loại hệ điều hành (tt)
 Dưới góc độ hình thức xử lý
Hệ thống xử lý theo lô
 Hệ thống đơn chương (uniprograming OS)
 Hệ thống đa chương (multiprogramming OS)
Hệ thống chia sẻ thời gian
Hệ thống song song
Hệ thống phân tán
Hệ thống xử lý thời gian thực

Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý
 Hệ thống đơn chương
Tác vụ được thi hành tuần tự.
Bộ giám sát thường trực
CPU và các thao tác nhập xuất:
Xử lý offline
Đồng bộ hóa các thao tác bên ngoài – Spooling (Simultaneous
Peripheral Operation On Line)
Nhập Xuất
Máy tính
chính

Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý
 Hệ thống đa chương
Nhiều công việc được nạp đồng thời
vào bộ nhớ chính
Khi một tiến trình thực hiện I/O, một
tiến trình khác được thực thi
Tận dụng được thời gian rảnh, tăng
hiệu suất sử dụng CPU (CPU
utilization)
Bộ xử lý Kết thúc tác vụ
Tác vụ I/O

Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt)
 Hệ thống đa chương: yêu cầu đối với hệ điều hành
Định thời công việc (job scheduling): chọn job trong job pool
trên đĩa và nạp nó vào bộ nhớ để thực thi.
Quản lý bộ nhớ (memory management)
Định thời CPU (CPU scheduling)
Cấp phát tài nguyên (đĩa, máy in,…)
Bảo vệ

Hệ điều hành đơn chương
Hệ điều hành đa chương

 Hệ thống chia sẻ thời gian
Hệ thống đa nhiệm (multitasking)
Lập lịch CPU
Thời gian chuyển đổi giữa các tác vụ rất ngắn
    
Bộ xử lý

 Yêu cầu đối với OS trong hệ thống time-sharing
Định thời công việc (job scheduling)
Quản lý bộ nhớ (memory management)
Virtual memory
Quản lý các quá trình (process management)
Định thời CPU
Đồng bộ các quá trình (synchronization)
Giao tiếp giữa các quá trình (process communication)
Tránh deadlock
Quản lý hệ thống file, hệ thống lưu trữ
Cấp phát hợp lý các tài nguyên
Bảo vệ (protection)

 Hệ thống song song
Hai hoặc nhiều bộ xử lý cùng chia sẻ một bộ nhớ.
Master/Slave : một bộ xử lý chính kiểm soát một số bộ xử lý
I/O
Bộ xử lý Bộ xử lý
Bộ nhớ chính

 Hệ thống song song (parallel, multiprocessor, hay tightly-
coupled system)
Nhiều CPU
Chia sẻ computer bus, clock
Ưu điểm
Năng xuất hệ thống (System throughput): càng nhiều processor
thì càng nhanh xong công việc
Multiprocessor system ít tốn kém hơn multiple single-processor
system: vì có thể dùng chung tài nguyên (đĩa,…)
Độ tin cậy: khi một processor hỏng thì công việc của nó được
chia sẻ giữa các processor còn lại

 Phân loại hệ thống song song
Đa sử lý đối xứng (symmetric multiprocessor)
Mỗi processor vận hành một bản sao hệ điều hành giống nhau
Các copy dữ liệu cho nhau khi cần
(Windows NT, Solaris 5.0, Digital UNIX, OS/2, Linux)
Đa sử lý bất đối xứng (asymmetric multiprocessor)
Mỗi processor thực thi một công việc khác nhau
Master processor định thời và phân công việc cho các slave
processors
(SunOS 4.0)

 Hệ thống phân tán
Mỗi processor có bộ nhớ riêng, giao tiếp với nhau qua các
kênh nối như mạng, bus tốc độ cao
Người dùng chỉ thấy một hệ thống đơn nhất

 Ưu điểm hệ thống phân tán (distributed system, loosely-
coupled system)
Chia sẻ tài nguyên (resource sharing)
Chia sẻ sức mạnh tính toán (computational sharing)
Độ tin cậy cao (high reliability)
Độ sẵn sàng cao (high availability): các dịch vụ của hệ thống
được cung cấp liên tục cho dù một thành phần hardware trở
nên hỏng

 Các mô hình hệ thống phân tán
Client-server
Server: cung cấp dịch vụ
Client: có thể sử dụng dịch vụ của server
Peer-to-peer (P2P)
Các peer (máy tính trong hệ thống) đều ngang hàng nhau
Không có cơ sở dữ liệu tập trung
Các peer là tự trị
Ví dụ: Gnutella

 Hệ thống thời gian thực (real-time system)
Sử dụng trong các thiết bị chuyên dụng như điều khiển các thử
nghiệm khoa học, điều khiển trong y khoa, dây chuyền công
nghiệp, thiết bị gia dụng, quân sự
Ràng buộc về thời gian: hard và soft real-time
Hard real-time
Hạn chế (hoặc không có) bộ nhớ phụ, tất cả dữ liệu nằm trong bộ
nhớ chính (RAM hoặc ROM)
Yêu cầu về thời gian đáp ứng/xử lý rất nghiêm ngặt, thường sử
dụng trong điều khiển công nghiệp, robotics,…
Soft real-time
Thường được dùng trong lĩnh vực multimedia, virtual reality với
yêu cầu mềm dẻo hơn về thời gian đáp ứng

 Hệ thống nhúng
Điện thoại di động (smartphone)
Máy tính bảng
Đặc trưng của các thiết bị này
Bộ nhớ nhỏ (512 KB - 128 MB - 4GB)
Tốc độ processor thấp (để ít tốn pin)
Màn hình hiển thị có kích thước nhỏ
Có thể dùng các công nghệ kết nối như IrDA, Bluetooth,
wireless
Có thể có một hoặc nhiều cảm biến khác nhau

Lịch sử phát triển của hệ điều hành
 Thế hệ 1 (1945 - 1955)
Thiết kế, xây dựng, lập trình, thao tác: do 1 nhóm người
Lưu trên phiếu đục lỗ
 Thế hệ 2 (1955 - 1965)
Xuất hiện sự phân công công việc
Hệ thống sử lý theo lô ra đời, lưu trên băng từ
Hoạt động dưới sự điều khiển đặc biệt của 1 chương trình
1/17/2018 26

 Thế hệ 3 (1965 - 1980)
Ra đời hệ điều hành, khái niệm đa chương
 HĐH chia sẻ thời gian như CTSS của MIT
 MULTICS, UNIX
 Thế hệ 4 (1980)
Ra đời máy tính cá nhân, IBM PC
HĐH MS-DOS, MacOS (Apple Macintosh), MS Windows,
OS/1
Linux, QNX, HĐH mạng,…
1/17/2018 27

 Nhân Windows và Linux được dựa trên những nền tảng phát
triển từ giữa những năm 1970s
1/17/2018 28
(see http://www.levenez.com for diagrams showing history of Windows & Unix)
1970 1980 1990 2000
1970 1980 1990 2000

Tóm tắt lại nội dung buổi học
 Tổng quan
 Phân loại hệ điều hành
 Lịch sử phát triển hệ điều hành

Câu hỏi ôn tập chương 1
 Nêu cấu trúc hệ thống máy tính?
 HĐH có những chức năng chính nào?
 Theo góc độ hệ thống xử lý, HĐH được phân thành mấy
loại? Kể tên?
 Những yêu cầu của hệ điều hành đối với hệ thống chia sẻ
thời gian?
 Định nghĩa hệ điều hành?
1/17/2018 30

THẢO LUẬN

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 2
Cấu trúc hệ điều hành
1/17/2018

 Nêu cấu trúc hệ thống máy tính?
 HĐH có những chức năng chính nào?
 Theo góc độ hệ thống xử lý, HĐH được phân thành mấy
loại? Kể tên?
 Những yêu cầu của hệ điều hành đối với hệ thống chia sẻ
thời gian?
 Định nghĩa hệ điều hành?
1/17/2018 2

Mục tiêu chương 2
 Biết được các thành phần của hệ điều hành
 Hiểu được các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp
 Hiểu được cấu trúc của một hệ thống máy tính

Nội dung chương 2
 Các thành phần của hệ điều hành
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Lời gọi hệ thống (System call)
 Các chương trình hệ thống
(System programs)
 Cấu trúc hệ thống
 Máy ảo (Virtual machine)

Các thành phần của hệ điều hành
1/17/2018 5
 Quản lý tiến trình
 Quản lý bộ nhớ chính
 Quản lý file
 Quản lý hệ thống I/O
 Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp
 Hệ thống bảo vệ
 Hệ thống thông dịch lệnh

Quản lý tiến trình
 Tiến trình (hay Quá trình) là gì?
 Tiến trình khác chương trình ở điểm gì?

Quản lý tiến trình
 Để hoàn thành công việc, một tiến trình cần:
CPU
Bộ nhớ
File
Thiết bị I/O,…
 Các nhiệm vụ chính:
Tạo và hủy tiến trình
Tạm dừng/ thực thi tiếp tiến trình
Cung cấp các cơ chế
Đồng bộ hoạt động các tiến trình
Giao tiếp giữa các tiến trình
Khống chế tắc nghẽn

Quản lý bộ nhớ chính
 Bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý
 Để nâng cao hiệu suất sử dụng CPU, hệ điều hành cần quản
lý bộ nhớ thích hợp
 Các nhiệm vụ chính:
Theo dõi, quản lý các vùng nhớ trống và đã cấp phát
Quyết định sẽ nạp chương trình nào khi có vùng nhớ trống
Cấp phát và thu hồi các vùng nhớ khi cần thiết
1/17/2018 8

Quản lý bộ nhớ chính (tt)
1/17/2018 9

Quản lý bộ nhớ chính (tt)
1/17/2018 10

Quản lý file
 Hệ thống file
File
Thư mục
 Các dịch vụ chính:
Tạo và xóa file/ thư mục
Các thao tác xử lý file/ thư mục
“ Ánh xạ” file/ thư mục vào thiết bị thứ cấp tương ứng
Sao lưu và phục hồi dữ liệu

Quản lý hệ thống I/O
 Che dấu sự khác biệt của các thiết bị I/O trước người dùng
 Có chức năng:
Cơ chế: buffering, caching, spooling
Cung cấp giao diện chung đến các trình điều khiển thiết bị
Bộ điều khiển các thiết bị phần cứng
1/17/2018 12

Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp
 Bộ nhớ chính: kích thước nhỏ, là môi trường chứa tin không
bền vững => cần hệ thống lưu trữ thứ cấp để lưu trữ bền
vững các dữ liệu, chương trình
 Phương tiện lưu trữ thông dụng là đĩa từ, đĩa quang
 Nhiệm vụ của hệ điều hành trong quản lý đĩa
Quản lý không gian trống trên đĩa(free space management)
Cấp phát không gian lưu trữ (storage allocation)
Định thời họat động cho đĩa (disk scheduling)
=> Sử dụng thường xuyên => ảnh hưởng lớn đến tốc độ của cả
hệ thống => cần hiệu quả
1/17/2018 13

Hệ thống bảo vệ
 Trong hệ thống cho phép nhiều user hay nhiều process diễn
ra đồng thời:
Kiểm soát tiến trình người dùng đăng nhập/ xuất và sử dụng hệ
thống
Kiểm soát việc truy cập các tài nguyên trong hệ thống
Bảo đảm những user/process chỉ được phép sử dụng các tài
nguyên dành cho nó
Các nhiệm vụ của hệ thống bảo vệ
Cung cấp cơ chế kiểm soát đăng nhập/ xuất
Phân định được sự truy cập tài nguyên hợp pháp và bất hợp pháp
(authorized/unauthorized)
Phương tiện thi hành các chính sách (enforcement of policies)
(vídụ: cần bảo vệ dữ liệu của ai đối với ai)
1/17/2018 14

Hệ thống thông dịch lệnh
 Là giao diện chủ yếu giữa người dùng và OS
Ví dụ: shell, mouse-based window-and-menu
 Khi user login
command line interpreter (shell) chạy, và chờ nhận lệnh từ
người dùng, thực thi lệnh và trả kết quả về.
Các lệnh ->bộ điều khiển lệnh ->hệ điều hành
Các lệnh chủ yếu:
Tạo, hủy, và quản lý tiến trình, hệ thống
Kiểm soát I/O
Quản lý bộ lưu trữ thứ cấp
Quản lý bộ nhớ chính
Truy cập hệ thống file và cơ chế bảo mật
1/17/2018 15

Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Thực thi chương trình
 Thực hiện các thao tác I/O theo yêu cầu của chương trình
 Các thao tác trên hệ thống file
 Trao đổi thông tin giữa các tiến trình qua hai cách:
Chia sẻ bộ nhớ (Shared memory)
Chuyển thông điệp (Message passing)
 Phát hiện lỗi
Trong CPU, bộ nhớ, trên thiết bị I/O (dữ liệu hư, hết giấy,…)
Do chương trình: chia cho 0, truy cập đến địa chỉ bộ nhớ
không cho phép.
1/17/2018 16

Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt)
 Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ thống:
Cấp phát tài nguyên (resource allocation)
Tài nguyên: CPU, bộ nhớ chính, ổ đĩa,…
OS có các routine tương ứng
Kế toán (accounting)
Nhằm lưu vết user để tính phí hoặc đơn giản để thống kê.
1/17/2018 17

Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt)
 Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ thống:
Bảo vệ (protection)
Hai tiến trình khác nhau không được ảnh hưởng nhau
Kiểm soát được các truy xuất tài nguyên của hệ thống
An ninh (security)
Chỉ các user được phép sử dụng hệ thống mới truy cập được tài
nguyên của hệ thống (vd: thông qua username và password)
1/17/2018 18

Lời gọi hệ thống
 Dùng để giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành
 Cung cấp giao diện giữa tiến trình và hệ điều hành
Ví dụ: open, read, write file
 Thông thường ở dạng thư viện nhị phân (binary libraries) hay
giống như các lệnh hợp ngữ
 Trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao, một số thư viện lập trình
được xây dựng dựa trên các thư viện hệ thống (ví dụ Windows
API, thư viện GNU C/C++ như glibc, glibc++, …)
 Ba phương pháp truyền tham số khi sử dụng system call
Qua thanh ghi
Qua một vùng nhớ, địa chỉ của vùng nhớ được gửi đến hệ điều hành
qua thanh ghi
Qua stack
1/17/2018 19

Lời gọi hệ thống (tt)
1/17/2018 20
Chuỗi các lời gọi hệ thống để copy nội dung từ file này đến file khác

Lời gọi hệ thống (tt)
1/17/2018 21
Một số lời gọi hệ thống trong windows và unix

Các chương trình hệ thống
 Chương trình hệ thống (system program, phân biệt với
application program) gồm
Quản lý hệ thống file: như create, delete, rename, list
Thông tin trạng thái: như date, time, dung lượng bộ nhớ trống
Soạn thảo file: như file editor
Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: như compiler, assembler, interpreter
Nạp, thực thi, giúp tìm lỗi chương trình: như loader, debugger
Giao tiếp: như email, talk, web browser
…
 Người dùng chủ yếu làm việc thông qua các system program
(không làm việc “trực tiếp” với các system call)
1/17/2018 22

Cấu trúc hệ thống
 Hệ điều hành là một chương trình lớn
 Nó có nhiều dạng cấu trúc khác nhau:
Cấu trúc đơn giản - MS-DOS
Cấu trúc phức tạp hơn – UNIX
Cấu trúc phân tầng
Cấu trúc vi nhân
1/17/2018 23

Cấu trúc hệ thống (tt)
 Cấu trúc đơn giản (monolithic)
MS-DOS: khi thiết kế, do giới
hạn về dung lượng bộ nhớ nên
không phân chia thành các
module (modularization) và
chưa phân chia rõ chức năng
giữa các phần của hệ thống
1/17/2018 24
Cấu trúc phân tầng của MS-DOS

 Cấu trúc phức tạp hơn (more complex)
UNIX: gồm hai phần có thể tách rời nhau
Nhân (cung cấp file system, CPU scheduling, memory
management, và một số chức năng khác)
và system program
1/17/2018 25

 Cấu trúc phân tầng: HĐH được chi thành nhiều lớp (layer).
 Lớp dưới cùng: hardware
 Lớp trên cùng là giao tiếp với user
 Lớp trên chỉ phụ thuộc lớp dưới
 Một lớp chỉ có thể gọi các hàm của lớp dưới và các hàm của nó được
gọi bởi lớp trên
 Mỗi lớp tương đương một đối tượng trừu tượng: cấu trúc dữ liệu +
thao tác
 Phân lớp có lợi ích gì?
 Gỡ rối (debugger)
 kiểm tra hệ thống
 thay đổi chức năng
1/17/2018 26

 Cấu trúc phân tầng:
 Lần đầu tiên được áp dụng cho HĐH THE (Technische Hogeschool
Eindhoven)
1/17/2018 27

 Vi nhân: phân chia module theo microkernel (CMU Mach OS,
1980)
 Chuyển một số chức năng của OS từ kernel space sang user space
 Thu gọn kernel => microkernel, microkernel chỉ bao gồm các chức
năng tối thiểu như quản lý tiến trình, bộ nhớ và cơ chế giao tiếp
giữa các tiến trình
 Giao tiếp giữa các module qua cơ chế truyền thông điệp
1/17/2018 28
Application
File
server
OS/2
application
OS/2
server
POSIX
application
POSIX
server
Microkernel
một module

 Vi nhân:
Lợi ích: dễ mở rộng HĐH
 Một số HĐH hiện đại sử dụng vi nhân:
Tru64 UNIX (Digital UNIX trước đây): nhân Mach
Apple MacOS Server : nhân Mach
QNX – vi nhân cung cấp: truyền thông điệp, định thời CPU,
giao tiếp mạng cấp thấp và ngắt phần cứng
Windows NT: chạy các ứng dụng khác nhau win32, OS/2,
POSIX (Portable OS for uniX)
1/17/2018 29

Máy ảo
 Làm thế nào để thực thi một
chương trình MS-DOS trên một
hệ thống Sun với hệ điều hành
Solaris ?
Tạo một máy ảo Intel bên trên hệ
điều hành Solaris và hệ thống
Sun
Các lệnh Intel (x86) được máy ảo
Intel chuyển thành lệnh tương
ứng của hệ thống Sun
1/17/2018 30
Sun hardware
Solaris kernel
VM interpretation
Intel x86 VM
Intel x86 Application

Máy ảo (tt)
1/17/2018 31

Máy ảo (tt)
1/17/2018 32
Non-virtual machine
system model
Virtual machine system model
processes
kernel
hardware
processes
processes
processes
kernel kernel kernel
VM1 VM2 VM3
Virtual-machine
implementation
hardware
programming
interface

Máy ảo (tt)
1/17/2018 33
Ảo hóa phần cứng
Ảo hóa phần mềm
http://kb.datapool.vn/learing-vmware-la-gi-ao-hoa-la-gi/

Tóm tắt lại nội dung buổi học
 Các thành phần của hệ điều hành
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Lời gọi hệ thống (System call)
 Các chương trình hệ thống
(System programs)
 Cấu trúc hệ thống
 Máy ảo (Virtual machine)

 Nêu các thành phần chính của hệ điều hành?
 Nêu các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp?
 Lời gọi hệ thống là gì? Nêu 1 vài ví dụ?
 Có mấy dạng cấu trúc hệ điều hành? Kể tên?
 Máy ảo dùng để làm gì? Có mấy loại? Cho ví dụ
 Tiến trình là gì? Các nhiệm vụ chính của thành phần quản lý
tiến trình?
1/17/2018 35

THẢO LUẬN

Chap1+2-OS.pdf

More Related Content

What's hot (20)

Similar to Chap1+2-OS.pdf (20)

Chap1+2-OS.pdf