Giáo trình Hệ điều hành

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

I.KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Hệ điều hành là một chương trình hay một hệ chương trình hoạt động giữa người sử dụng

(user) và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của hệ điều hành là cung cấp một môi trường để người

sử dụng có thể thi hành các chương trình. Nó làm cho máy tính dể sử dụng hơn, thuận lợi hơn và

hiệu quả hơn.

Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy tính. Một hệ thống máy

tính thường được chia làm bốn phần chính : phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và

người sử dụng.

Phần cứng bao gồm CPU, bộ nhớ, các thiết bị nhập xuất, đây là những tài nguyên của máy

tính. Chương trình ứng dụng như các chương trình dịch, hệ thống cơ sở dữ liệu, các trò chơi, và

các chương trình thương mại. Các chương trình này sử dụng tài nguyên của máy tính để giải quyết

các yêu cầu của người sử dụng. Hệ điều hành điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng cho

những ứng dụng khác nhau của nhiều người sử dụng khác nhau. Hệ điều hành cung cấp một môi

trường mà các chương trình có thể làm việc hữu hiệu trên đó.

Hình 1.1 Mô hình trừu tượng của hệ thống máy tính

Hệ điều hành có thể được coi như là bộ phân phối tài nguyên của máy tính. Nhiều tài

nguyên của máy tính như thời gian sử dụng CPU, vùng bộ nhớ, vùng lưu trữ tập tin, thiết bị nhập

xuất v.v… được các chương trình yêu cầu để giải quyết vấn đề. Hệ điều hành hoạt động như một bộ

quản lý các tài nguyên và phân phối chúng cho các chương trình và người sử dụng khi cần thiết. Do

1

có rất nhiều yêu cầu, hệ điều hành phải giải quyết vấn đề tranh chấp và phải quyết định cấp phát tài

nguyên cho những yêu cầu theo thứ tự nào để hoạt động của máy tính là hiệu quả nhất. Một hệ điều

hành cũng có thể được coi như là một chương trình kiểm soát việc sử dụng máy tính, đặc biệt là các

thiết bị nhập xuất.

Tuy nhiên, nhìn chung chưa có định nghĩa nào là hoàn hảo về hệ điều hành. Hệ điều hành

tồn tại để giải quyết các vấn đề sử dụng hệ thống máy tính. Mục tiêu cơ bản của nó là giúp cho việc

thi hành các chương trình dễ dàng hơn. Mục tiêu thứ hai là hỗ trợ cho các thao tác trên hệ thống

máy tính hiệu quả hơn. Mục tiêu này đặc biệt quan trọng trong những hệ thống nhiều người dùng và

trong những hệ thống lớn(phần cứng + quy mô sử dụng). Tuy nhiên hai mục tiêu này cũng có phần

tương phản vì vậy lý thuyết về hệ điều hành tập trung vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên

của máy tính.

II.PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH

II.1 Hệ thống xử lý theo lô

Bộ giám sát thường trực :

Khi một công việc chấm dứt, hệ thống sẽ thực hiện công việc kế tiếp mà không cần sự can thiệp của

người lập trình, do đó thời gian thực hiện sẽ mau hơn. Một chương trình, còn gọi là bộ giám sát

thường trực được thiết kế để giám sát việc thực hiện dãy các công việc một cách tự động, chương

trình này luôn luôn thường trú trong bộ nhớ chính.

Hệ điều hành theo lô thực hiện các công việc lần lượt theo những chỉ thị định trước.

2

CPU và thao tác nhập xuất :

CPU thường hay nhàn rỗi do tốc độ làm việc của các thiết bị nhập xuất (thường là thiết bị

cơ) chậm hơn rất nhiều lần so với các thiết bị điện tử. Cho dù là một CPU chậm nhất, nó cũng

nhanh hơn rất nhiều lần so với thiết bị nhập xuất. Do đó phải có các phương pháp để đồng bộ hóa

việc hoạt động của CPU và thao tác nhập xuất.

Xử lý off_line :

Xử lý off_line là thay vì CPU phải đọc trực tiếp từ thiết bị nhập và xuất ra thiết bị xuất, hệ

thống dùng một bộ lưu trữ trung gian. CPU chỉ thao thác với bộ phận này. Việc đọc hay xuất đều

đến và từ bộ lưu trữ trung gian.

3

Spooling :

Spool (simultaneous peripheral operation on-line) là đồng bộ hóa các thao tác bên ngoài

on-line. Cơ chế này cho phép xử lý của CPU là on-line, sử dụng đĩa để lưu các dữ liệu nhập cũng

như xuất.

II.2 Hệ thống xử lý theo lô đa chương

Khi có nhiều công việc cùng truy xuất lên thiết bị, vấn đề lập lịch cho các công việc là cần

thiết. Khía cạnh quan trọng nhất trong việc lập lịch là khả năng đa chương. Đa chương

(multiprogram) gia tăng khai thác CPU bằng cách tổ chức các công việc sao cho CPU luôn luôn

phải trong tình trạng làm việc .

Ý tưởng như sau : hệ điều hành lưu giữ một phần của các công việc ở nơi lưu trữ trong bộ

nhớ . CPU sẽ lần lượt thực hiện các phần công việc này. Khi đang thực hiện, nếu có yêu cầu truy

xuất thiết bị thì CPU không nghỉ mà thực hiện tiếp công việc thứ hai…

Với hệ đa chương hệ điều hành ra quyết định cho người sử dụng vì vậy, hệ điều hành đa chương

rất tinh vi. Hệ phải xử lý các vấn đề lập lịch cho công việc, lập lịch cho bộ nhớ và cho cả CPU nữa.

4

II.3 Hệ thống chia xẻ thời gian

Hệ thống chia xẻ thời gian là một mở rộng logic của hệ đa chương. Hệ thống này còn được

gọi là hệ thống đa nhiệm (multitasking). Nhiều công việc cùng được thực hiện thông qua cơ chế

chuyển đổi của CPU như hệ đa chương nhưng thời gian mỗi lần chuyển đổi diễn ra rất nhanh.

Hệ thống chia xẻ được phát triển để cung cấp việc sử dụng bên trong của một máy tính có giá trị

hơn. Hệ điều hành chia xẻ thời gian dùng lập lịch CPU và đa chương để cung cấp cho mỗi người

sử dụng một phần nhỏ trong máy tính chia xẻ. Một chương trình khi thi hành được gọi là một tiến

trình. Trong quá trình thi hành của một tiến trình, nó phải thực hiện các thao tác nhập xuất và trong

khoảng thời gian đó CPU sẽ thi hành một tiến trình khác. Hệ điều hành chia xẻ cho phép nhiều

người sử dụng chia xẻ máy tính một cách đồng bộ do thời gian chuyển đổi nhanh nên họ có cảm

giác là các tiến trình đang được thi hành cùng lúc.

Hệ điều hành chia xẻ phức tạp hơn hệ điều hành đa chương. Nó phải có các chức năng :

quản trị và bảo vệ bộ nhớ, sử dụng bộ nhớ ảo. Nó cũng cung cấp hệ thống tập tin truy xuất on-

line…

Hệ điều hành chia xẻ là kiểu của các hệ điều hành hiện đại ngày nay.

5

II.4 Hệ thống song song

Ngoài các hệ thống chỉ có một bộ xử lý còn có các hệ thống có nhiều bộ xử lý cùng chia xẻ

hệ thống đường truyền dữ liệu, đồng hồ, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Các bộ xử lý này liên lạc

bên trong với nhau .

Có nhiều nguyên nhân xây dựng dạng hệ thống này. Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công

việc được thực hiện nhanh chóng hơn, Nhưng không phải theo đúng tỉ lệ thời gian, nghĩa là có n bộ

xử lý không có nghĩa là sẽ thực hiện nhanh hơn n lần.

Hệ thống với máy nhiều bộ xử lý sẽ tối ưu hơn hệ thống có nhiều máy có một bộ xử lý vì các bộ xử

lý chia xẻ các thiết bị ngoại vi, hệ thống lưu trữ, nguồn … và rất thuận tiện cho nhiều chương trình

cùng làm việc trên cùng một tập hợp dữ liệu.

Một lý do nữa là độ tin cậy. Các chức năng được xử lý trên nhiều bộ xử lý và sự hỏng hóc

của một bộ xử lý sẽ không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

Hệ thống đa xử lý thông thường sử dụng cách đa xử lý đối xứng, trong cách này mỗi bộ xử lý chạy

với một bản sao của hệ điều hành, những bản sao này liên lạc với nhau khi cần thiết. Một số hệ

thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng, trong đó mỗi bộ xử lý được giao một công việc riêng biệt..

Một bộ xử lý chính kiểm soát toàn bộ hệ thống, các bộ xử lý khác thực hiện theo lệnh của bộ

xử lý chính hoặc theo những chỉ thị đã được định nghĩa trước. Mô hình này theo dạng quan hệ chủ

tớ. Bộ xử lý chính sẽ lập lịch cho các bộ xử lý khác.

Một ví dụ về hệ thống xử lý đối xứng là version Encore của UNIX cho máy tính Multimax.

Hệ thống này có hàng tá bộ xử lý. Ưu điểm của nó là nhiều tiến trình có thể thực hiện cùng lúc .

Một hệ thống đa xử lý cho phép nhiều công việc và tài nguyên được chia xẻ tự động trong những bộ

xử lý khác nhau.

Hệ thống đa xử lý không đồng bộ thường xuất hiện trong những hệ thống lớn, trong đó hầu

hết thời gian hoạt động đều dành cho xử lý nhập xuất.

6

II.5 Hệ thống phân tán

Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống chia xẻ thời gian nhưng các bộ xử lý không chia

xẻ bộ nhớ và đồng hồ, thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các bộ xử lý thông tin với

nhau thông qua các đường truyền thông như những bus tốc độ cao hay đường dây điện thoại.

Các bộ xử lý trong hệ phân tán thường khác nhau về kích thước và chức năng. Nó có thể bao gồm

máy vi tính, trạm làm việc, máy mini, và những hệ thống máy lớn. Các bộ xử lý thường được tham

khảo với nhiều tên khác nhau như site, node, computer v.v.... tùy thuộc vào trạng thái làm việc của

chúng.

Các nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là:

•

Chia xẻ tài nguyên : Một người sử dụng A có thể

sử dụng máy in laser của người sử dụng B và người sử dụng B có thể truy xuất những tập tin

của A. Tổng quát, chia xẻ tài nguyên trong hệ thống phân tán cung cấp một cơ chế để chia xẻ

tập tin ở vị trí xa, xử lý thông tin trong một cơ sở dữ liệu phân tán, in ấn tại một vị trí xa, sử

dụng những thiết bị ở xa đểõ thực hiện các thao tác.

7

•

Tăng tốc độ tính toán : Một thao tác tính toán

được chia làm nhiều phần nhỏ cùng thực hiện một lúc. Hệ thống phân tán cho phép phân chia

việc tính toán trên nhiều vị trí khác nhau để tính toán song song.

•

An toàn : Nếu một vị trí trong hệ thống phân tán

bị hỏng, các vị trí khác vẫn tiếp tục làm việc.

•

Thông tin liên lạc với nhau :Có nhiều lúc ,

chương trình cần chuyển đổi dữ liệu từ vị trí này sang vị trí khác. Ví dụ trong hệ thống

Windows, thường có sự chia xẻ và chuyển dữ liệu giữa các cửa sổ. Khi các vị trí được nối kết

8

với nhau trong một hệ thống mạng, việc trao đổi dữ liệu diễn ra rất dễ. Người sử dụng có thể

chuyển tập tin hay các E_mail cho nhau từ cùng vị trí hay những vị trí khác.

9

II.6 Hệ thống xử lý thời gian thực

Hệ thống xử lý thời gian thực được sử dụng khi có những đòi hỏi khắt khe về thời gian trên

các thao tác của bộ xử lý hoặc dòng dữ liệu, nó thường được dùng điều khiển các thiết bị trong các

ứng dụng tận hiến (dedicated). Máy tính phân tích dữ liệu và có thể chỉnh các điều khiển giải quyết

cho dữ liệu nhập.

Một hệ điều hành xử lý thời gian thực phải được định nghĩa tốt, thời gian xử lý nhanh. Hệ

thống phải cho kết quả chính xác trong khoảng thời gian bị thúc ép nhanh nhất. Có hai hệ thống xử

lý thời gian thực là hệ thống thời gian thực cứng và hệ thống thời gian thực mềm..

Hệ thống thời gian thực cứng là công việc được hoàn tất đúng lúc. Lúc đó dữ liệu thường

được lưu trong bộ nhớ ngắn hạn hay trong ROM. Việc xử lý theo thời gian thực sẽ xung đột với tất

cả hệ thống liệt kê ở trên.

Dạng thứ hai là hệ thống thời gian thực mềm, mỗi công việc có một độ ưu tiên riêng và sẽ

được thi hành theo độ ưu tiên đó. Có một số lĩnh vực áp dụng hữu hiệu phương pháp này là

multimedia hay thực tại ảo.

III. CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH

III.1 Các thành phần của hệ thống

10

Quản lý tiến trình

Một chương trình không thực hiện được gì cả nếøu như nó không được CPU thi hành. Một

tiến trình là một chương trình đang được thi hành, nhưng ý nghĩa của nó còn rộng hơn. Một công

việc theo lô là một tiến trình. Một chương trình người dùng chia xẻ thời gian là một tiến trình, một

công việc của hệ thống như soopling xuất ra máy in cũng là một tiến trình.

Một tiến trình phải sử dụng tài nguyên như thời gian sử dụng CPU, bộ nhớ, tập tin, các thiết bị nhập

xuất để hoàn tất công việc của nó. Các tài nguyên này được cung cấp khi tiến trình được tạo hay

trong quá trình thi hành. Khi tiến trình được tạo, nó sử dụng rất nhiều tài nguyên vật lý và luận

lý.cũng như một số khởi tạo dữ liệu nhập. Ví dụ , khảo sát tiến trình hiển thị trạng thái của tập tin

lên màn hình. Đầu vào của tiến trình là tên tập tin, và tiến trình sẽ thực hiện những chỉ thị thích hợp,

thực hiện lời gọi hệ thống để nhận được những thông tin mong muốn và hiển thị nó lên màn hình.

Khi tiến trình kết thúc, hệ điềûu hành sẽ tái tạo lại các tài nguyên có thể được dùng lại..

Một tiến trình là hoạt động (active) hoàn toàn-ngược lại với một tập tin trên đĩa là thụ động

(passive)-với một bộ đếm chương trình cho biết lệnh kế tiếp được thi hành.Việc thi hành được thực

hiện theo cơ chế tuần tự , CPU sẽ thi hành từ lệnh đầu đến lệnh cuối.

Một tiến trình được coi là một đơn vị làm việc của hệ thống. Một hệ thống có thể có nhiều tiến trình

cùng lúc , trong đó một số tiến trình là của hệ điều hành, một số tiến trình là của người sử dụng. các

tiến trình này có thể diễn ra đồng thời.

Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tiến trình là :

•

Tạo và hủy các tiến trình của người sử dụng và

của hệ thống.

11

•

Ngưng và thực hiện lại một tiến trình.

Cung cấp cơ chế đồng bộ tiến trình.

Cung cấp cách thông tin giữa các tiến trình.

12

•

Cung cấp cơ chế kiểm soát deadlock(khái niệm

này sẽ được trình bày trong chương II).

Quản lý bộ nhớ chính :

Trong hệ thống máy tính hiện đại, bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý. Bộ nhớ

chính có thể xem như một mảng kiểu byte hay kiểu word. Mỗi phần tử đều có địa chỉ. Đó là nơi lưu

dữ liệu được CPU truy xuất một cách nhanh chóng so với các thiết bị nhập/xuất. CPU đọc những

chỉ thị từ bộ nhớ chính. Các thiết bị nhập/xuất cài đặt cơ chế DMA(xem chương IV) cũng đọc và

ghi dữ liệu trong bộ nhớ chính. Thông thường bộ nhớ chính chứa các thiết bị mà CPU có thể định vị

trực tiếp. Ví dụ CPU truy xuất dữ liệu từ đĩa, những dữ liệu này được chuyển vào bộ nhớ qua lời

gọi hệ thống nhập/xuất.

Một chương trình muốn thi hành trước hết phải được ánh xạ thành địa chỉ tuyệt đối và nạp

vào bộ nhớ chính.Khi chương trình thi hành, hệ thống truy xuất các chỉ thị và dữ liệu của chương

trình trong bộ nhớ chính. Ngay cả khi tiến trình kết thúc , dữ liệu vẫn còn trong bộ nhớ cho đến khi

một tiến trình khác được ghi chồng lên.

Để tối ưu hóa quá trình hoạt động của CPU và tốc độ của máy tính, một số tiến trình được

lưu giữ trong bộ nhớ. Có rất nhiều kế hoạch quản trị bộ nhớ do có nhiều ứng dụng bộ nhớ khác

nhau và hiệu quả của các thuật toán phụ thuộc vào tùy tình huống cụ thể. Lựa chọn một thuật toán

cho một hệ thống được mô tả trước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là phần cứng của hệ thống.

Hệ điều hành có những vai trò như sau trong việc quản lý bộ nhớ chính :

13

•

Lưu giữ thông tin về các vị trí trong bộ nhớ đã

Quyết định tiến trình nào được nạp vào bộ nhớ

Cấp phát và thu hồi bộ nhớ khi cần thiết.

được sử dụng và ai sử dụng.

chính, khi bộ nhớ đã có thể dùng được.

14

Quản lý bộ nhớ phụ :

Mục tiêu chính của hệ thống máy tính là thi hành chương trình. Những chương trình với dữ

liệu truy xuất của chúng phải được đặt trong bộ nhớ chính trong suốt quá trình thi hành. Nhưng bộ

nhớ chính quá nhỏ để có thể lưu giữ mọi dữ liệu và chương trình, ngoài ra dữ liệu sẽ mất khi không

còn được cung cấp năng lượng. Hệ thống máy tính ngày nay cung cấp hệ thống lưu trữ phụ. Đa số

các máy tính đều dùng đĩa để lưu trữ cả chương trình và dữ liệu. Hầu như tất cả chương trình :

chương trình dịch, hợp ngữ, thủ tục, trình soạn thảo, định dạng... đều được lưu trữ trên đĩa cho tới

khi nó được thực hiện, nạp vào trong bộ nhớ chính và cũng sử dụng đĩa để chứa dữ liệu và kết quả

xử lý. Vì vậy một bộ quản lý hệ thống đĩa rất quan trọng cho hệ thống máy tính.

Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý đĩa :

•

Quản lý vùng trống trên đĩa.

15

•

Định vị lưu trữ.

•

Lập lịch cho đĩa.

Vì hệ thống đĩa được sử dụng thường xuyên, nên nó phải được dùng hiệu quả.Tốc độ của

toàn bộ hệ thống tuỳ thuộc rất nhiều vào tốc độ truy xuất đĩa.

Quản lý hệ thống nhập xuất :

Một trong những mục tiêu của hệ điều hành là che dấu những đặc thù của các thiết bị phần

cứng đối với người sử dụng thay vào đó là một lớp thân thiện hơn, người sử dụng dể thao tác hơn.

Một hệ thống nhập/xuất bao gồm :

16

•

Hệ thống buffer caching.

•

Giao tiếp điều khiển thiết bị (device drivers)

tổng quát.

•

Bộ điều khiển cho các thiết bị phần cứng.

Chỉ có device driver mới hiểu đến cấu trúc đặc thù của thiết bị mà nó mô tả.

17

Quản lý hệ thống tập tin :

Hệ thống quản lý tập tin là thành phần rõ ràng nhất trong hệ điều hành. Máy tính có thể lưu

trữ thông tin trong nhiều dạng thiết bị vật lý khác nhau : băng từ, đĩa từ, , đĩa quang, ... Mỗi dạng có

những đặc thù riêng về mặt tổ chức vật lý. Mỗi thiết bị có một bộ kiểm soát như bộ điều khiển đĩa

(disk driver) và có những tính chất riêng. Những tính chất này là tốc độ, khả năng lưu trữ, tốc độ

truyền dữ liệu và cách truy xuất.

Để cho việc sử dụng hệ thống máy tính thuận tiện, hệ điều hành cung cấp một cái nhìn logic

đồng nhất về hệ thống lưu trữ thông tin. Hệ điều hành định nghĩa một đơn vị lưu trữ logic là tập tin.

Hệ điều hành tạo một ánh xạ từ tập tin đến vùng thông tin trên đĩa và truy xuất những tập tin này

thông qua thiết bị lưu trữ.

Một tập tin là một tập hợp những thông tin do người tạo ra nó xác định. Thông thường một

tập tin đại diện cho một chương trình và dữ liệu. Dữ liệu của tập tin có thể là số, là ký tự, hay ký số.

Tập tin thường có dạng tự do, như tập tin văn bản, nhị phân...(là tập tin chứa dãy các bit). (Xem bài

VIII)

• Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tập tin :

•

Tạo và xoá một tập tin.

18

•

Tạo và xoá một thư mục.

Hỗ trợ các thao tác trên tập tin và thư mục.

Ánh xạ tập tin trên hệ thống lưu trữ phụ.

19

•

Backup tập tin trên các thiết bị lưu trữ.

Hệ thống bảo vệ :

Trong một hệ thống nhiều người sử dụng và cho phép nhiều tiến trình diễn ra đồng thời, các

tiến trình phải được bảo vệ đối với những hoạt động khác.Do đó, hệ thống cung cấp cơ chế để đảm

bảo rằng tập tin, bộ nhớ, CPU, và những tài nguyên khác chỉ được truy xuất bởi những tiến trình có

quyền. Ví dụ, bộ nhớ đảm bảo rằng tiến trình chỉ được thi hành trong phạm vi địa chỉ của nó. Bộ

thời gian đảm bảo rằng không có tiến trình nào độc chiếm CPU. Cuối cùng các thiết bị ngoại vi

cũng được bảo vệ.

Hệ thống bảo vệ là một cơ chế kiểm soát quá trình truy xuất của chương trình, tiến trình,

hoặc người sử dụng với tài nguyên của hệ thống. Cơ chế này cũng cung cấp cách thức để mô tả lại

mức độ kiểm soát.

Hệ thống bảo vệ cũng làm tăng độ an toàn khi kiểm tra lỗi trong giao tiếp giữa những hệ thống nhỏ

bên trong.

20