Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Cấu trúc hệ điều hành

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU HÀNH

I Mục đích

Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau:

o Hiểu hệ điều hành từ ba khía cạnh: người dùng, người lập trình và người

thiết kế

o Hiểu các dịch vụ mà hệ điều hànhcung cấp

o Biết các phương pháp được dùng để thiết kế kiến trúc hệ điều hành

II Giới thiệu

Hệ điều hành cung cấp môi trường cho các chương trình thực thi. Nội tại, các hệ

điều hành rất khác biệt nhau về kiến trúc, chúng được tổ chức cùng với các dòng khác

nhau. Thiết kế một hệ điều hành mới là một công việc quan trọng. Các mục đích của

hệ thống phải được định nghĩa rõ ràng trước khi thiết kế bắt đầu. Kiểu hệ thống mong

muốn là cơ sở cho việc chọn lựa giữa các giải thuật và chiến lược khác nhau.

Hệ điều hành có thể được nhìn từ nhiều lợi điểm khác nhau. Người này xem xét

các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp. Người kia quan tâm đến giao diện mà hệ điều

hành mang lại cho người dùng và người lập trình. Người khác lại phân rã hệ thống

thành những thành phần và các mối quan hệ bên trong của chúng. Trong chương này

chúng ta tìm hiểu cả ba khía cạnh của hệ điều hành, thể hiện ba quan điểm của người

dùng, người lập trình và người thiết kế hệ điều hành. Chúng ta xem xét các dịch vụ

mà hệ điều hành cung cấp, cách chúng được cung cấp và các phương pháp khác nhau

được dùng cho việc thiết kế hệ điều hành.

III Các thành phần hệ thống

Chúng ta có thể tạo ra một hệ thống lớn và phức tạp như hệ điều hành chỉ khi

phân chia hệ điều hành thành những phần nhỏ hơn. Mỗi phần nên là một thành phần

được mô tả rõ ràng của hệ thống, với xuất, nhập và các chức năng được định nghĩa

cẩn thận. Tuy nhiên, nhiều hệ thống hiện đại chia sẻ mục tiêu hỗ trợ các thành phần

hệ thống được liệt kê sau đây:

III.1 Quản lý quá trình

Một chương trình không làm gì trừ khi các chỉ thị của nó được thực thi bởi

một CPU. Một quá trình có thể được xem như một chương đang thực thi, nhưng định

nghĩa của nó sẽ mở rộng khi chúng ta khám phá chi tiết hơn. Một chương trình người

dùng được chia thời chẳng hạn như một trình biên dịch là một quá trình. Một chương

trình xử lý văn bản đang được thực thi bởi một người dùng trên một PC cũng là một

quá trình. Một tác vụ hệ thống, như gởi dữ liệu xuất ra máy in cũng được xem là một

quá trình. Bây giờ chúng ta có thể xem xét một quá trình là một công việc hay chương

trình chia thời, nhưng chúng ta sẽ nghiên cứu khái niệm này tổng quát hơn trong các

chương sau.

Một quá trình cần các tài nguyên xác định-gồm thời gian CPU, bộ nhớ, tập tin,

các thiết bị xuất/nhập-để hoàn thành tác vụ của nó. Các tài nguyên này được cấp cho

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 18

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

quá trình khi nó được tạo ra, hay được cấp phát tới nó khi nó đang chạy. Ngoài ra, các

tài nguyên vật lý và luận lý khác nhau mà quá trình nhận được khi nó được tạo, dữ

liệu khởi tạo khác nhau (hay nhập) có thể được truyền qua. Thí dụ, xem xét một quá

trình có chức năng hiển thị trạng thái của một tập tin trên màn hình của một thiết bị

đầu cuối. Quá trình này sẽ được cho dữ liệu vào là tên của tập tin, và sẽ thực thi các

chỉ thị thích hợp và các lời gọi hệ thống đạt được và xuất trên thiết bị cuối thông tin

mong muốn. Khi quá trình này kết thúc, hệ điều hành sẽ đòi lại bất cứ tài nguyên nào

có thể dùng lại.

Chúng ta nhấn mạnh một chương trình chính nó không phải là một quá trình;

một chương trình là một thực thể thụ động, như là nội dung của tập tin được lưu trên

đĩa, trái lại một quá trình là một thực thể hoạt động, với một bộ đếm chương trình xác

định chỉ thị kế tiếp để thực thi. Việc thực thi của quá trình phải là tuần tự. CPU thực

thi một chỉ thị của quá trình sau khi đã thực thi một chỉ thực trước đó cho đến khi quá

trình hoàn thành. Ngoài ra, tại bất kỳ thời điểm nào, tối đa một chỉ thị được thực thi

cho quá trình. Do đó, mặc dù hai quá trình có thể được liên kết với cùng một quá

trình, vì thế chúng được xem như hai chuỗi thực thi riêng. Thông thường có một

chương trình sinh ra nhiều quá trình khi nó thực thi.

Một quá trình là một đơn vị công việc trong hệ thống. Một hệ thống chứa tập

các quá trình, một vài quá trình này là các quá trình hệ điều hành (thực thi mã hệ

thống) và các quá trình còn lại là các quá trình người dùng (chúng thực thi mã người

dùng). Tất cả các quá trình này có tiềm năng thực thi đồng hành bằng cách đa hợp

CPU giữa các quá trình.

Hệ điều hành có nhiệm vụ cho các hoạt động sau khi đề cập đến chức năng

quản lý quá trình:

o Tạo và xoá các quá trình người dùng và hệ thống

o Tạm dừng và thực thi tiếp quá trình

o Cung cấp các cơ chế đồng bộ hoá quá trình

o Cung cấp các cơ chế giao tiếp quá trình

o Cung cấp cơ chế quản lý deadlock

III.2 Quản lý bộ nhớ chính

Bộ nhớ chính là trung tâm điều hành của một máy tính hiện đại. Bộ nhớ chính

là một mảng các từ (words) hay bytes có kích thước lớn từ hàng trăm ngàn tới hàng tỉ.

Mỗi từ hay byte có địa chỉ riêng. Bộ nhớ chính là một kho chứa dữ liệu có khả năng

truy xuất nhanh được chia sẻ bởi CPU và các thiết bị xuất/nhập. Bộ xử lý trung tâm

đọc các chỉ thị từ bộ nhớ trong chu kỳ lấy chỉ thị, nó đọc và viết dữ liệu từ bộ nhớ

chính trong chu kỳ lấy dữ liệu. Bộ nhớ chính thường là thiết bị lưu trữ lớn mà CPU có

thể định địa chỉ và truy xuất trực tiếp. Thí dụ, đối với CPU xử lý dữ liệu từ đĩa, dữ

liệu trước tiên được chuyển tới bộ nhớ chính bởi lời gọi xuất/nhập được sinh ra bởi

CPU. Tương tự, các chỉ thị phải ở trong bộ nhớ cho CPU thực thi chúng.

Đối với một chương trình được thực thi, nó phải được ánh xạ các địa chỉ và

được nạp vào bộ nhớ. Khi chương trình thực thi, nó truy xuất các chỉ thị chương trình

và dữ liệu từ bộ nhớ bằng cách tạo ra các địa chỉ tuyệt đối này. Cuối cùng, chương

trình kết thúc, không gian bộ nhớ của nó được khai báo sẳn, và chương trình có thể

được nạp và thực thi.

Để cải tiến việc sử dụng CPU và tốc độ đáp ứng của máy tính cho người dùng,

chúng ta phải giữ nhiều chương trình vào bộ nhớ. Nhiều cơ chế quản lý bộ nhớ khác

nhau được dùng và tính hiệu quả của các giải thuật phụ thuộc vào từng trường hợp cụ

thể. Chọn một cơ chế quản lý bộ nhớ cho một hệ thống xác định phụ thuộc vào nhiều

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 19

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

yếu tố-đặc biệt trên thiết kế phần cứng của hệ thống. Mỗi giải thuật đòi hỏi sự hỗ trợ

phần cứng của nó.

Hệ điều hành có nhiệm vụ cho các hoạt động sau khi đề cập tới việc quản lý

bộ nhớ

o Giữ vết về phần nào của bộ nhớ hiện đang được dùng và quá trình nào

đang dùng.

o Quyết định quá trình nào được nạp vào bộ nhớ khi không gian bộ nhớ

trở nên sẳn dùng.

o Cấp phát và thu hồi không gian bộ nhớ khi được yêu cầu.

III.3 Quản lý tập tin

Quản lý tập tin là một trong những thành phần có thể nhìn thấy nhất của hệ

điều hành. Máy tính có thể lưu thông tin trên nhiều loại phương tiện lưu trữ vật lý

khác nhau. Băng từ, đĩa từ, đĩa quang là những phương tiện thông dụng nhất. Mỗi

phương tiện này có đặc điểm và tổ chức riêng. Mỗi phương tiện được điều khiển bởi

một thiết bị, như một ổ đĩa hay ổ băng từ. Các thuộc tính này bao gồm tốc độ truy

xuất, dung lượng, tốc độ truyền dữ liệu và phương pháp truy xuất (tuần tự hay ngẫu

nhiên).

Nhờ vào việc sử dụng thuận lợi hệ thống máy tính, hệ điều hành cung cấp tầm

nhìn luận lý của việc lưu trữ thông tin đồng nhất. Hệ điều hành trừu tượng hoá các

thuộc tính vật lý của các thiết bị lưu trữ để định nghĩa một đơn vị lưu trữ luận lý là tập

tin. Hệ điều hành ánh xạ các tập tin trên các thiết bị lưu trữ vật lý, và truy xuất các tập

tin này bằng các thiết bị lưu trữ.

Tập tin là tập hợp thông tin có quan hệ được định nghĩa bởi người tạo. Thông

thường, các tập tin biểu diễn chương trình và dữ liệu. Các tập tin dữ liệu có thể là số,

chữ cái, chữ số. Các tập tin có dạng bất kỳ (thí dụ, các tập tin văn bản) hay có thể

được định dạng có cấu trúc (thí dụ, các trường cố định). Một tập tin chứa một chuỗi

các bits, bytes, các dòng hay các mẫu tin mà ý nghĩa của nó được định nghĩa bởi

người tạo. Khái niệm tập tin là một khái niệm cực kỳ thông dụng.

Hệ điều hành cài đặt một khái niệm trừu tượng của tập tin bằng cách quản lý

phương tiện lưu trữ như đĩa, băng từ và các thiết bị điều khiển chúng. Các tập tin cũng

thường được tổ chức trong các thư mục để dễ dàng sử dụng chúng. Cuối cùng, khi

nhiều người dùng truy xuất tập tin, chúng ta muốn kiểm soát ai và trong cách gì (thí

dụ: đọc, viết, chèn,..) các tập tin có thể được truy xuất.

Hệ điều hành có nhiệm vụ thực hiện các hoạt động trong việc quản lý hệ thống

tập tin:

o Tạo và xoá tập tin

o Tạo và xoá thư mục

o Hỗ trợ các hàm nguyên thuỷ để thao tác tập tin và thư mục

o Ánh xạ các tập tin trên các thiết bị lưu trữ phụ

o Sao lưu dự phòng tập tin trên các phương tiện lưu trữ ổ định

III.4 Quản lý hệ thống xuất/nhập

Một trong những mục đích của hệ điều hành là che giấu sự khác biệt của các thiết bị

phần cứng từ người dùng. Thí dụ, trong UNIX sự khác biệt của các thiết bị xuất/nhập

bị che giấu từ phần chính của hệ điều hành bởi các hệ thống con xuất/nhập. Hệ thống

con xuất/nhập chứa:

o Thành phần quản lý bộ nhớ chứa vùng đệm (buffering), lưu trữ

(caching) và spooling (vùng chứa).

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 20

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

o Giao diện trình điều khiển thiết bị chung.

o Trình điều khiển cho các thiết bị xác định.

Chỉ trình điều khiển thiết bị biết sự khác biệt của các thiết bị xác định mà nó được gán

III.5 Quản lý việc lưu trữ phụ

Mục đích chính của một hệ thống máy tính là thực thi các chương trình.

Những chương trình này với dữ liệu chúng truy xuất phải nằm trong bộ nhớ chính hay

lưu trữ chính trong quá trình thực thi. Vì bộ nhớ chính quá nhỏ để lưu tất cả dữ liệu và

chương trình và vì dữ liệu quản lý bị mất khi mất điện, hệ thống máy tính phải cung

cấp việc lưu trữ phụ để lưu dự phòng bộ nhớ chính. Hầu hết các hệ thống máy tính

hiện đại dùng đĩa như phương tiện lưu trữ trực tuyến cho cả chương trình và dữ liệu.

Hầu hết các chương trình – gồm trình biên dịch, trình dịch hợp ngữ, thủ tục sắp xếp,

trình soạn thảo và trình định dạng – được lưu trên đĩa cho tới khi được nạp vào trong

bộ nhớ và sau đó dùng đĩa khi cả hai nguồn và đích của việc xử lý. Do đó, quản lý

hợp lý việc lưu trữ đĩa có vai trò quan trọng đối với một hệ thống máy tính.

Hệ điều hành có nhiệm vụ thực hiện các hoạt động sau trong việc quản lý đĩa:

o Quản lý không gian trống

o Cấp phát lưu trữ

o Định thời đĩa

Vì lưu trữ phụ được dùng thường xuyên nên nó phải được dùng một cách hiệu

quả. Tốc độ toàn bộ của các thao tác của máy tính có thể xoay quanh tốc độ hệ thống

con đĩa và các giải thuật thao tác trên hệ thống con đó.

III.6 Mạng

Hệ phân tán là tập hợp các bộ xử lý, chúng không chia sẻ bộ nhớ, các thiết bị

ngoại vi hay đồng hồ. Thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ, đồng hồ và các bộ xử lý

giao tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp như bus tốc độ cao hay mạng. Các

bộ xử lý trong hệ thống phân tán khác nhau về kích thước và chức năng. Chúng có thể

chứa các bộ vi xử lý, trạm làm việc, máy vi tính và các hệ thống máy tính thông

thường.

Các bộ xử lý trong hệ thống được nối với nhau thông qua mạng truyền thông

có thể được cấu hình trong nhiều cách khác nhau. Mạng có thể được nối kết một phần

hay toàn bộ. Thiết kế mạng truyền thông phải xem xét vạch đường thông điệp và các

chiến lược nối kết, và các vấn đề cạnh tranh hay bảo mật.

Hệ thống phân tán tập hợp những hệ thống vật lý riêng rẻ, có thể có kiến trúc không

đồng nhất thành một hệ thống chặt chẻ, cung cấp người dùng với truy xuất tới các tài

nguyên khác nhau mà hệ thống duy trì. Truy xuất tới các tài nguyên chia sẻ cho phép

tăng tốc độ tính toán, chức năng, khả năng sẳn dùng của dữ liệu, khả năng tin cậy. Hệ

điều hành thường tổng quát hoá việc truy xuất mạng như một dạng truy xuất tập tin,

với những chi tiết mạng được chứa trong trình điều khiển thiết bị của giao diện mạng.

Các giao thức tạo một hệ thống phân tán có thể có một ảnh hưởng to lớn trên tiện ích

và tính phổ biến của hệ thống đó. Sự đổi mới của World Wide Web đã tạo ra một

phương pháp truy xuất mới cho thông tin chia sẻ. Nó đã cải tiến giao thức truyền tập

tin (File Transfer Protocol-FTP) và hệ thống tập tin mạng (Network File System-NFS)

đã có bằng cách xoá yêu cầu cho một người dùng đăng nhập trước khi người dùng đó

được phép dùng tài nguyên ở xa. Định nghĩa một giao thức mới, giao thức truyền siêu

văn bản (hypertext transfer protocol-http), dùng trong giao tiếp giữa một trình phục vụ

web và trình duyệt web. Trình duyệt web chỉ cần gởi yêu cầu thông tin tới một trình

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 21

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

phục vụ web của máy ở xa, thông tin (văn bản, đồ hoạ, liên kết tới những thông tin

khác) được trả về.

III.7 Hệ thống bảo vệ

Nếu một hệ thống máy tính có nhiều người dùng và cho phép thực thi đồng

hành của nhiều quá trình, thì các quá trình khác nhau phải được bảo vệ từ các hoạt

động của quá trình khác. Cho mục đích này, các cơ chế đảm bảo rằng các tập tin, phân

đoạn bộ nhớ, CPU, và các tài nguyên khác có thể được điều hành chỉ bởi các quá trình

có quyền phù hợp từ hệ điều hành.

Thí dụ, phần cứng định địa chỉ bộ nhớ đảm bảo rằng một quá trình có thể thực

thi chỉ trong không gian địa chỉ của chính nó. Bộ định thời đảm bảo rằng không có

quá trình nào có thể đạt được điều khiển của CPU mà cuối cùng không trả lại điều

khiển. Các thanh ghi điều khiển thiết bị không thể truy xuất tới người dùng vì thế tính

đúng đắn của các thiết bị ngoại vi khác nhau được bảo vệ.

Bảo vệ là một cơ chế để điều khiển truy xuất của các chương trình, quá trình

hay người dùng tới tài nguyên được định nghĩa bởi một hệ thống máy tính. Cơ chế

này phải cung cấp phương tiện để đặc tả các điều khiển được áp đặt và phương tiện

cho việc ép buộc.

Bảo vệ có thể cải tiến khả năng tin cậy bằng cách phát hiện các lỗi tiềm tàng

tại các giao diện giữa các hệ thống con thành phần. Phát hiện các lỗi giao diện sớm

thường có thể ngăn chặn nguy cơ ảnh hưởng tới hệ thống con bởi một hệ thống con

khác. Tài nguyên không được bảo vệ không thể ngăn chặn việc sử dụng bởi người

dùng không có quyền. Hệ thống hướng bảo vệ (protection-oriented system) cung cấp

một phương tiện để phân biệt giữa việc dùng có quyền và không có quyền.

III.8 Hệ thống thông dịch lệnh

Một trong những chương trình hệ thống quan trọng nhất đối với hệ điều hành

là trình thông dịch lệnh. Nó là giao diện giữa người dùng và hệ điều hành. Một vài hệ

điều hành chứa trình thông dịch lệnh trong nhân (kernel). Các hệ điều hành khác nhau

như MS-DOS và UNIX xem trình thông dịch lệnh như một chương trình đặc biệt

đang chạy khi một công việc được khởi tạo hay khi người dùng đăng nhập lần đầu

tiên (trên các hệ thống chia thời).

Nhiều lệnh (commands) được cung cấp tới hệ điều hành bởi các lệnh điều

khiển (control statements). Khi một công việc mới được bắt đầu trong hệ thống bó,

hay khi một người dùng đăng nhập tới hệ thống chia thời, một chương trình đọc và

thông dịch các câu lệnh điều khiển được thực thi tự động. Chương trình này còn được

gọi trình thông dịch thẻ điều khiển (control-card interpreter) hay trình thông dịch

dòng lệnh và thường được biết như shell. Chức năng của nó đơn giản là: lấy câu lệnh

tiếp theo và thực thi nó.

Các hệ điều hành thường khác nhau trong vùng shell, với một trình thông dịch

lệnh thân thiện với người dùng làm cho hệ thống có thể chấp nhập nhiều hơn đối với

người dùng. Một dạng giao diện thân thiện người dùng là hệ thống trình đơn-cửa sổ

trên cơ sở chuột (mouse-based window-and-menu system) được dùng trong

Macintosh và Microsoft Windows. Chuột được di chuyển tới vị trí con trỏ chuột trên

ảnh hay biểu tượng trên màn hình biểu diễn các chương trình, tập tin, và các hàm hệ

thống. Phụ thuộc vào vị trí con trỏ chuột, nhấn một nút trên chuột có thể nạp một

chương trình, chọn một tập tin hay thư mục hay kéo xuống một trình đơn chứa các

câu lệnh. Các shell mạnh hơn, phức tạp hơn và khó học hơn được đánh giá cao bởi

một số người dùng khác. Trong những shell này, các lệnh được đánh vào từ bàn phím

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 22

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

được hiển thị trên màn hình hay in ra thiết bị đầu cuối, với phím enter (hay return) chỉ

rằng một lệnh hoàn thành và sẳn sàng được thực thi. Shell của MS-DOS và UNIX

điều hành theo cách này.

Các câu lệnh giải quyết việc tạo và quản lý quá trình, quản lý xuất/nhập, quản lý

việc lưu trữ phụ, quản lý bộ nhớ chính, truy xuất hệ thống tập tin, bảo vệ và mạng.

IV Các dịch vụ hệ điều hành

Hệ điều hành cung cấp một môi trường cho việc thực thi các chương trình. Nó

cung cấp các dịch vụ xác định tới chương trình và tới người dùng của các chương

trình đó. Dĩ nhiên, các dịch vụ được cung cấp khác nhau từ hệ điều hành này với hệ

điều hành kia nhưng chúng có thể xác định các lớp chung. Các dịch vụ hệ điều hành

được cung cấp sự tiện dụng cho người lập trình để thực hiện tác vụ lập trình dễ dàng.

o Thực thi chương trình: hệ thống phải có thể nạp chương trình vào bộ nhớ và

chạy chương trình đó. Chương trình phải có thể kết thúc việc thực thi của nó

bình thường hay không bình thường (hiển thị lỗi).

o Thao tác xuất/nhập: một chương trình đang chạy có thể yêu cầu xuất/nhập.

Xuất/nhập này có thể liên quan tới tập tin hay thiết bị xuất/nhập. Đối với các

thiết bị cụ thể, các chức năng đặc biệt có thể được mong muốn (như quay lại

từ đầu một ổ băng từ, hay xoá màn hình). Đối với tính hiệu quả và tính bảo

vệ, người dùng thường không thể điều khiển các thiết bị xuất/nhập trực tiếp.

Do đó, hệ điều hành phải cung cấp một phương tiện để thực hiện xuất/nhập..

o Thao tác hệ thống tập tin: hệ thống tập tin có sự quan tâm đặc biệt. Các

chương trình cần đọc từ và viết tới các tập tin. Chương trình cũng cần tạo và

xoá tập tin bằng tên.

o Giao tiếp: trong nhiều trường hợp, một quá trình cần trao đổi thông tin với

các quá trình khác. Giao tiếp như thế có thể xảy ra trong hai cách chính.

Cách đầu tiên xảy ra giữa các quá trình được thực thi trên cùng máy tính;

cách thứ hai xảy ra giữa hai quá trình đang được thực thi trên các máy tính

khác nhau được kết nối với nhau bởi một mạng máy tính. Các giao tiếp có

thể được thực hiện bằng bộ nhớ được chia sẻ, hay bằng kỹ thuật truyền

thông điệp, trong đó các gói tin được di chuyển giữa các quá trình bởi hệ

điều hành.

o Phát hiện lỗi: hệ điều hành liên tục yêu cầu nhận biết các lỗi có thể phát

sinh. Các lỗi có thể xảy ra trong CPU và phần cứng bộ nhớ (như lỗi bộ nhớ

hay lỗi về điện), trong các thiết bị xuất/nhập (như lỗi chẳn lẻ trên băng từ,

lỗi nối kết mạng, hết giấy in) và trong chương trình người dùng (như tràn số

học, cố gắng truy xuất một vị trí bộ nhớ không hợp lệ, dùng quá nhiều thời

gian CPU). Đối với mỗi loại lỗi, hệ điều hành nên thực hiện một hoạt động

hợp lý để đảm bảo tính toán đúng và không đổi.

Ngoài ra, một tập chức năng khác của hệ điều hành tồn tại không giúp người

dùng, nhưng đảm bảo các điều hành hữu hiệu của chính hệ thống. Các hệ thống với

nhiều người dùng có thể đạt tính hữu hiệu bằng cách chia sẻ tài nguyên máy tính giữa

các người dùng.

o Cấp phát tài nguyên: khi nhiều người dùng đăng nhập vào hệ thống hay

nhiều công việc đang chạy cùng lúc, tài nguyên phải được cấp tới mỗi người

dùng. Nhiều loại tài nguyên khác nhau được quản lý bởi hệ điều hành. Một

số tài nguyên (như chu kỳ CPU, bộ nhớ chính, lưu trữ tập tin) có mã cấp

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 23

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

phát đặt biệt, trái lại các tài nguyên khác (như thiết bị xuất/nhập) có mã yêu

cầu và giải phóng thường hơn. Thí dụ, xác định cách tốt nhất để dùng CPU,

hệ điều hành có các thủ tục định thời biểu CPU. Các thủ tục này xem xét tốc

độ CPU, các công việc phải được thực thi, số thanh ghi sẳn dùng và các yếu

tố khác. Cũng có các thủ tục cấp phát ổ băng từ để dùng cho một công việc.

Một thủ tục như thế định vị ổ băng từ chưa được dùng và đánh dấu một

bảng bên trong để ghi người dùng mới của ổ băng từ. Một thủ tục khác được

dùng để xoá bảng đó. Các thủ tục này cũng có thể cấp phát các máy vẽ,

modem, các thiết bị ngoại vi khác.

o Tính toán: chúng ta muốn giữ vết người dùng nào sử dụng bao nhiêu và loại

tài nguyên máy tính nào. Giữ vết này có thể được dùng để tính toán (tính

tiền người dùng) hay đơn giản thống kê sử dụng. Thống kê sử dụng có thể là

công cụ có giá trị cho người nghiên cứu muốn cấu hình lại hệ thống để cải

tiến các dịch vụ tính toán.

o Bảo vệ: người sở hữu thông tin được lưu trong hệ thống máy tính đa người

dùng muốn điều khiển thông tin này. Khi nhiều quá trình riêng rẻ thực thi

đồng hành, không thể cho một quá trình can thiệp tới các quá trình khác hay

tới chính hệ điều hành. Bảo vệ đảm bảo rằng tất cả truy xuất tài nguyên của

hệ thống được kiểm soát. An toàn hệ thống từ người dùng bên ngoài cũng là

vấn đề quan trọng. An toàn bắt đầu với mỗi người dùng có quyền đối với hệ

thống, thường bằng mật khẩu để được phép truy xuất tài nguyên. Mở rộng

việc bảo vệ đối với các thiết bị xuất/nhập bên ngoài, bao gồm modem, card

mạng từ những truy xuất không hợp lệ, và ghi lại các nối kết để phát hiện

đột nhập vào hệ thống. Nếu hệ thống bảo vệ và bảo mật, những cảnh báo

phải được thiết lập xuyên suốt.

V Lời gọi hệ thống

Lời gọi hệ thống cung cấp giao diện giữa một quá trình và hệ điều hành. Các lời

gọi này thường sẳn dùng như các chỉ thị hợp ngữ và chúng thường được liệt kê trong

những tài liệu hướng dẫn sử dụng được dùng bởi những người lập trình hợp ngữ.

Những hệ thống xác định cho phép lời gọi hệ thống được thực hiện trực tiếp từ một

chương trình ngôn ngữ cấp cao, trong đó các lời gọi thường tương tự lời gọi hàm hay

thủ tục được định nghĩa trước. Chúng có thể tạo ra một lời gọi tới một chương trình

con tại thời điểm thực thi cụ thể.

Lời gọi hệ thống xảy ra trong nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào máy tính

đang dùng. Thường nhiều thông tin được yêu cầu hơn là đơn giản xác định lời gọi hệ

thống mong muốn. Loại chính xác và lượng thông tin khác nhau dựa vào hệ điều hành

và lời gọi cụ thể. Thí dụ, để nhập dữ liệu, chúng ta có thể cần xác định tập tin hay

thiết bị dùng như nguồn nhập, địa chỉ và chiều dài vùng đệm bộ nhớ mà dữ liệu nhập

sẽ được đọc vào. Dĩ nhiên, thiết bị hay tập tin và chiều dài có thể ẩn trong lời gọi.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 24

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Hình 0-1-Truyền tham số như bảng

Có ba phương pháp thông dụng để truyền tham số tới hệ điều hành. Phương

pháp đơn giản nhất là truyền tham số trong các thanh ghi. Trong một vài trường hợp,

các tham số thường lưu trữ trong một khối hay bảng trong bộ nhớ và địa chỉ của khối

được truyền như một tham số trong thanh ghi (Hình II.1). Các tham số cũng có thể

được thay thế, hay được đẩy vào trong ngăn xếp bởi chương trình, và được lấy ra khỏi

ngăn xếp bởi hệ điều hành. Một vài hệ điều hành dùng phương pháp khối hay ngăn

xếp vì các phương pháp này không giới hạn số lượng hay chiều dài của tham số đang

được truyền.

VI Các chương trình hệ thống

Một khía cạnh khác của hệ thống hiện đại là tập hợp các chương trình hệ thống. Xem

lại hình I.1, nó minh họa cấu trúc phân cấp máy tính luận lý. Tại cấp thấp nhất là phần

cứng. Kế đến là hệ điều hành, sau đó các chương trình hệ thống và cuối cùng là các

chương trình ứng dụng. Các chương trình hệ thống cung cấp môi trường thuận lợi cho

việc phát triển và thực thi chương trình. Vài trong chúng là các giao diện người dùng

đơn giản cho các lời gọi hệ thống; các hệ thống còn lại được xem xét phức tạp hơn.

Chúng có thể được chia thành các loại sau:

o Quản lý tập tin: các chương trình tạo, xóa, chép, đổi tên, in, kết xuất, liệt

kê, và các thao tác tập tin thư mục thông thường.

o Thông tin trạng thái: một vài chương trình đơn giản yêu cầu hệ thống

ngày, giờ, lượng bộ nhớ hay đĩa sẳn dùng, số lượng người dùng, hay thông

tin trạng thái tương tự. Sau đó, thông tin được định dạng và được in tới

thiết bị đầu cuối hay thiết bị xuất khác hoặc tập tin.

o Thay đổi tập tin: nhiều trình soạn thảo văn bản có thể sẳn dùng để tạo và

thay đổi nội dung của tập tin được lưu trên đĩa hay băng từ.

o Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: trình biên dịch, trình hợp ngữ và trình thông

dịch cho các ngôn ngữ lập trình thông dụng (như C, C++, Java, Visual

Basic và PERL) thường được cung cấp tới người dùng với hệ điều hành.

Hiện nay, một vài chương trình này được cung cấp riêng và có giá cả

riêng.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 25

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

o Nạp và thực thi chương trình: một khi chương trình được tập hợp hay

được biên dịch, nó phải được nạp vào bộ nhớ để được thực thi. Hệ thống

có thể cung cấp bộ nạp tuyệt đối, bộ nạp có thể tái định vị, bộ soạn thảo

liên kết và bộ nạp phủ lắp. Các hệ thống gỡ rối cho các ngôn ngữ cấp cao

hay ngôn ngữ máy cũng được yêu cầu.

o Giao tiếp: các chương trình này cung cấp cơ chế tạo các nối kết ảo giữa

các quá trình, người dùng, các hệ thống máy tính khác. Chúng cho phép

người dùng gởi các thông điệp tới màn hình của người dùng khác, hiển thị

các trang web, gởi thư điện tử, đăng nhập từ xa hay để chuyển các tập tin

từ máy tính này tới máy tính khác.

Nhiều hệ điều hành được cung cấp với các chương trình giải quyết các vấn đề

giao tiếp thông thường hay thực hiện các thao tác phổ biến. Những chương trình như

thế gồm các trình duyệt Web, bộ xử lý văn bản và bộ định dạng văn bản, hệ cơ sở dữ

liệu, trình biên dịch, các gói phần mềm đồ họa và phân tích thống kê, trò chơi,..Những

chương trình này được gọi là các tiện ích hệ thống hay chương trình ứng dụng.

Hầu hết người dùng nhìn hệ điều hành như các chương trình hệ thống hơn các

lời gọi hệ thống thực sự. Nghĩ về việc sử dụng một PC. Khi máy tính của chúng ta

chạy hệ điều hành Microsoft Windows, chúng ta có thể thấy một trình thông dịch

dòng lệnh MS-DOS hay giao diện cửa sổ và trình đơn đồ họa. Cả hai sử dụng cùng

một tập lời gọi hệ thống như lời gọi hệ thống trông rất khác và hoạt động trong các

cách khác nhau. Do đó, tầm nhìn của chúng ta về thực chất có thể bị tách rời với cấu

trúc hệ thống thực sự. Vì thế, thiết kế một giao diện tiện dụng và thân thiện không là

một chức năng trực tiếp của hệ điều hành. Trong giáo trình này chúng ta sẽ tập trung

các vấn đề cơ bản của việc cung cấp dịch vụ đầy đủ cho các chương trình người dùng.

Từ quan điểm hệ điều hành, chúng ta không phân biệt sự khác nhau giữa các chương

trình người dùng và các chương trình hệ thống.

VIICấu trúc hệ thống

Một hệ thống lớn và phức tạp như một hệ điều hành hiện đại phải được xây

dựng cẩn thận nếu nó thực hiện chức năng hợp lý và được hiệu chỉnh dễ dàng. Một

phương pháp thông thường là chia tác vụ thành các thành phần nhỏ hơn là có một hệ

thống nguyên khối. Mỗi modules này nên là một thành phần hoàn toàn xác định với

nhập, xuất, chức năng được định nghĩa cẩn thận. Trong phần này chúng ta sẽ thảo

luận về cách thức mà các thành phần được nối kết và trộn lẫn trong một nhân.

VII.1 Cấu trúc đơn giản

Hình 0-2-Cấu trúc phân tầng của MS-DOS

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 26

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Nhiều hệ thống thương mại không có kiến trúc rõ ràng. Thường các hệ điều

hành như thế được bắt đầu như các hệ thống nhỏ, đơn giản và có giới hạn. Sau đó

chúng lớn lên ngoài giới hạn mã ban đầu của chúng.

MS-DOS là một thí dụ cho hệ thống dạng này. Ban đầu, nó được thiết kế và

thực hiện bởi một vài người mà họ không tưởng rằng chúng sẽ trở nên quá phổ biến.

Nó được viết để cung cấp các khả năng nhiều nhất trong không gian ít nhất (vì bị giới

hạn bởi phần cứng mà nó đang chạy) vì nó không được phân chia thành các modules

một cách cẩn thận. Hình II.2, hiển thị cấu trúc của nó.

UNIX là một hệ điều hành khác mà ban đầu nó bị giới hạn bởi chức năng phần

cứng. Nó chứa hai phần có thể tách rời nhau: nhân và các chương trình hệ thống.

Nhân lại được chia thành một loạt các giao diện và trình điều khiển thiết bị mà chúng

được thêm vào và mở rộng qua nhiều năm khi UNIX được cải tiến. Chúng ta có thể

hiển thị hệ điều hành UNIX truyền thống khi nó được phân tầng như hình II.3. Mọi

thứ bên dưới giao diện lời gọi hệ thống và bên trên phần cứng vật lý là nhân. Nhân

cung cấp hệ thống tập tin, bộ định thời CPU, quản lý bộ nhớ và các chức năng khác

của hệ điều hành thông qua lời gọi hệ thống. Có rất nhiều chức năng được nối kết

trong cấp thứ nhất. Điều này làm cho UNIX khó có thể nâng cấp khi những thay đổi

trong phần một ảnh hưởng bất lợi cho những phần khác.

Hình 0-3 – Cấu trúc hệ thống của UNIX

Lời gọi hệ thống định nghĩa giao diện lập trình ứng dụng (API-Application

Programming Interface) cho UNIX; tập hợp các chương trình hệ thống thường sẳn

dùng định nghĩa giao diện người dùng. Người lập trình và giao diện người dùng định

nghĩa ngữ cảnh mà nhân phải hỗ trợ.

Những ấn bản mới của UNIX được thiết kế để dùng phần cứng tiên tiến hơn.

Được cung cấp sự hỗ trợ phần cứng hợp lý, các hệ điều hành có thể được chia thành

nhiều phần nhỏ hơn và phù hợp hơn là các hệ thống MS-DOS và UNIX ban đầu. Sau

đó, các hệ điều hành có thể giữ lại việc điều khiển lớn hơn qua máy tính và qua các

ứng dụng thực hiện việc sử dụng máy tính đó. Những người cài đặt thoải mái hơn

trong việc thực hiện những thay đổi các hoạt động bên trong của hệ thống và trong

việc tạo các hệ điều hành theo module. Dưới phương pháp từ trên-xuống (top-down),

toàn bộ các chức năng và đặc điểm được xác định và được chia thành các thành phần.

Sự phân chia này cho phép các người lập trình che giấu thông tin; do đó họ tự do cài

đặt các thủ tục cấp thấp khi họ thấy thích hợp, được cung cấp các giao diện bên ngoài

của các thủ tục không bị thay đổi do chính thủ tục đó thực hiện các tác vụ thông

thường.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 27

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

VII.2 Phương pháp phân tầng

Việc phân chia từng phần của một hệ thống có thể được thực hiện trong nhiều

cách. Một trong những phương pháp này là thực hiện tiếp cận phân tầng. Trong tiếp

cận này hệ điều hành được chia thành nhiều tầng (hay cấp), mỗi tầng được xây dựng

trên đỉnh của tầng dưới nó. Tầng cuối cùng (tầng 0) là phần cứng; tầng cao nhất (tầng

N) là giao diện người dùng.

Một tầng hệ điều hành là sự cài đặt của một đối tượng trừu tượng. Đối tượng

trừu tượng này là sự bao gói dữ liệu và các điều hành có thể thao tác dữ liệu đó. Một

tầng hệ điều hành điển hình –tầng M- được mô tả trong hình II.4. Nó chứa các cấu

trúc dữ liệu và tập hợp các thủ tục có thể được gọi bởi các tầng cấp cao hơn. Sau đó,

tầng M có thể gọi các thao tác trên tầng cấp thấp hơn.

Hình 0-4-Một tầng hệ điều hành

Lợi điểm chủ yếu của tiếp cận phân tầng là tính module. Các tầng được chọn

dựa trên cơ sở tầng trên sử dụng chức năng (hay các điều hành) và các dịch vụ chỉ của

tầng cấp dưới nó. Tiếp cận này đơn giản hóa việc gỡ rối và kiểm tra hệ thống. Tầng

đầu tiên có thể được gỡ rối mà không có bất cứ sự quan tâm nào cho phần còn lại của

hệ thống. Bởi vì theo định nghĩa, nó chỉ sử dụng phần cứng cơ bản để cài đặt các chức

năng của nó. Một khi tầng đầu tiên được gỡ rối, chức năng sửa lỗi của nó có thể được

đảm đương trong khi tầng thứ hai được gỡ rối, …Nếu một lỗi được tìm thấy trong khi

gỡ rối cho một tầng xác định, lỗi phải được nằm trên tầng đó vì các tầng bên dưới đã

được gỡ rối rồi. Do đó, thiết kế và cài đặt hệ thống được đơn giản hóa khi hệ thống

được phân chia thành nhiều tầng.

Mỗi tầng được cài đặt chỉ với các thao tác được cung cấp bởi các tầng bên

dưới. Một tầng không cần biết các thao tác được cài đặt như thế nào; nó chỉ cần biết

các thao tác đó làm gì. Do đó, mỗi tầng che giấu sự tồn tại của cấu trúc dữ liệu, thao

tác và phần cứng từ các tầng cấp cao hơn.

Khó khăn chính của tiếp cận phân tầng liên quan tới việc định nghĩa cẩn thận

các tầng vì một tầng chỉ có thể sử dụng các tầng bên dưới nó. Thí dụ, trình điều khiển

thiết bị cho không gian đĩa được dùng bởi các giải thuật bộ nhớ ảo phải nằm ở tại cấp

thấp hơn trình điều khiển thiết bị của các thủ tục quản lý bộ nhớ vì quản lý bộ nhớ yêu

cầu khả năng sử dụng không gian đĩa.

Các yêu cầu có thể không thật sự rõ ràng. Thường thì các trình điều khiển lưu

trữ dự phòng nằm trên bộ định thời CPU vì trình điều khiển cần phải chờ nhập/xuất và

CPU có thể được định thời lại trong thời gian này. Tuy nhiên, trên hệ thống lớn, bộ

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 28

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

định thời có thể có nhiều thông tin hơn về tất cả quá trình đang hoạt động hơn là có

thể đặt vừa trong bộ nhớ. Do đó, thông tin này có thể cần được hoán vị vào và ra bộ

nhớ, yêu cầu thủ tục trình điều khiển lưu trữ dự phòng nằm bên dưới bộ định thời

CPU.

Vấn đề cuối cùng với các cài đặt phân tầng là chúng có khuynh hướng ít hiệu

quả hơn các loại khác. Thí dụ, khi chương trình người dùng thực thi thao tác

nhập/xuất, nó thực thi một lời gọi hệ thống. Lời gọi hệ thống này được bẫy (trapped)

tới tầng nhập/xuất, nó yêu cầu tầng quản lý bộ nhớ, sau đó gọi tầng định thời CPU,

sau đó được truyền tới phần cứng. Tại mỗi tầng, các tham số có thể được hiệu chỉnh,

dữ liệu có thể được truyền,…Mỗi tầng thêm chi phí cho lời gọi hệ thống; kết quả thực

sự là lời gọi hệ thống mất thời gian lâu hơn khi chúng thực hiện trên hệ thống không

phân tầng.

Hình 0-5 Cấu trúc phân tầng của OS/2

Những giới hạn này gây một phản ứng nhỏ chống lại việc phân tầng trong

những năm gần đây. Rất ít các tầng với nhiều chức năng được thiết kế, cung cấp nhiều

lợi điểm của mã được module trong khi tránh những vấn đề khó khăn của định nghĩa

và giao tiếp tầng. Thí dụ, OS/2 bổ sung thêm tính năng đa tác vụ và điều hành hai chế

độ cùng một số đặc điểm mới. Vì tính phức tạp được bổ sung và phần cứng mạnh hơn

mà OS/2 được thiết kế, hệ thống được cài đặt trong dạng phân tầng.

VII.3 Vi nhân (Microkernels)

Khi hệ điều hành UNIX được mở rộng, nhân trở nên lớn và khó quản lý. Vào

giữa những năm 1980, các nhà nghiên cứu tại đại học Carnegie Mellon phát triển một

hệ điều hành được gọi là Match mà module hóa nhân dùng tiếp cận vi nhân (micro

kernel). Phương pháp này định kiến trúc của hệ điều hành bằng xóa tất cả thành phần

không quan trọng từ nhân và cài chúng như các chương trình cấp người dùng và hệ

thống. Kết quả này làm cho nhân nhỏ hơn. Có rất ít sự nhất trí liên quan đến việc

quyết định dịch vụ nào nên để lại trong nhân và dịch vụ nào nên được cài đặt trong

không gian người dùng. Tuy nhiên, thường thì các vi nhân điển hình cung cấp quá

trình và quản lý bộ nhớ tối thiểu ngoài phương tiện giao tiếp.

Chức năng chính của vi nhân là cung cấp tiện nghi giao tiếp giữa chương trình

khách hàng và các dịch vụ khác mà chúng đang chạy trong không gian người dùng.

Giao tiếp được cung cấp bằng truyền thông điệp. Thí dụ, nếu chương trình khách hàng

muốn truy xuất một tập tin, nó phải giao tiếp với trình phục vụ tập tin (file server).

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 29

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Chương trình người dùng và dịch vụ không bao giờ giao tiếp trực tiếp. Đúng hơn là

chúng giao tiếp gián tiếp bằng cách truyền thông điệp với vi nhân.

Thuận lợi của tiếp cận vi nhân là dễ dàng mở rộng hệ điều hành. Tất cả dịch

vụ mới được thêm tới không gian người dùng và do đó không yêu cầu phải hiệu chỉnh

nhân. Kết quả là hệ điều hành dễ dàng hơn để chuyển đổi từ thiết kế phần cứng này

sang thiết kế phần cứng khác. Vi nhân cũng cung cấp khả năng an toàn và tin cậy hơn

vì hầu hết các dịch vụ đang chạy như người dùng –hơn là nhân- các quá trình. Nếu

một dịch vụ bị lỗi, phần còn lại của hệ điều hành vẫn không bị ảnh hưởng.

Một số hệ điều hành hiện đại dùng tiếp cận vi nhân. Tru64 UNIX (Digital UNIX

trước đây) cung cấp giao diện UNIX tới người dùng, nhưng nó được cài đặt với nhân

Mach. Nhân Mach ánh xạ các lời gọi hệ thống vào các thông điệp tới các dịch vụ cấp

người dùng tương ứng. Hệ điều hành Apple MacOS Server được dựa trên cơ sở nhân

Mach.

QNX là hệ điều hành thời thực cũng dựa trên cơ sở thiết kế vi nhân. Vi nhân

QNX cung cấp các dịch vụ cho việc truyền thông điệp và định thời quá trình. Nó cũng

quản lý giao tiếp mạng cấp thấp và các ngắt phần cứng. Tất cả dịch vụ khác trong

QNX được cung cấp bởi các quá trình chuẩn chạy bên ngoài nhân trong chế độ người

dùng.

Windows NT dùng một cấu trúc tổng hợp. Windows NT được thiết kế để chạy

các ứng dụng khác nhau, gồm Win32 (ứng dụng thuần Windows), OS/2, và POSIX

(Portable Operating System Interface for uniX). Nó cung cấp một server chạy trong

không gian người dùng cho mỗi loại ứng dụng. Các chương trình khách hàng cho mỗi

loại ứng dụng chạy trong không gian người dùng. Nhân điều phối việc truyền thông

điệp giữa các ứng dụng khách hàng và server ứng dụng. Cấu trúc client-server của

Windows NT được mô tả trong hình II.6

Hình 0-6 – Cấu trúc client-server của Windows NT

VIIIMáy ảo

Về mặt khái niệm, một hệ thống máy tính được cấu thành từ các tầng. Phần

cứng là cấp thấp nhất trong tất cả hệ thống như thế. Nhân chạy tại cấp kế tiếp dùng

các chỉ thị phần cứng để tạo một tập lời gọi hệ thống cho việc sử dụng các tầng bên

ngoài. Do đó, các chương trình hệ thống trên nhân có thể dùng các lời gọi hệ thống

hay các chỉ thị phần cứng. Trong nhiều trường hợp, các chương trình này không có sự

khác biệt giữa hai cách thực hiện. Do đó, mặc dù chúng được truy xuất khác nhau,

nhưng cả hai cung cấp chức năng mà chương trình có thể dùng để tạo thậm chí nhiều

chức năng tiên tiến hơn. Sau đó, các chương trình hệ thống xem phần cứng và các lời

gọi hệ thống như chúng đang ở cùng một cấp.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 30

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Một vài hệ thống thực hiện cơ chế này một cách chi tiết hơn bằng cách cho

phép các chương trình hệ thống được gọi dễ dàng bởi các chương trình ứng dụng.

Trước đó, mặc dù các chương trình hệ thống ở tại cấp cao hơn các thủ tục khác,

nhưng các chương trình ứng dụng có thể hiển thị mọi thứ dưới chúng trong cấu trúc

phân cấp như là một phần của chính máy đó. Tiếp cận phân tầng này được đưa đến

một kết luận luận lý trong khái niệm máy ảo (virtual machine). Một hệ điều hành máy

ảo cho các hệ thống IBM là một thí dụ điển hình nhất về khái niệm máy ảo vì IBM

tiên phong thực hiện trong lĩnh vực này.

Bằng cách sử dụng bộ định thời CPU và kỹ thuật bộ nhớ ảo, một hệ điều hành

có thể tạo một hình ảnh mà một quá trình có bộ xử lý của chính nó với bộ nhớ (ảo)

của chính nó. Dĩ nhiên, thường thì một quá trình có các đặc điểm khác nhau, như các

lời gọi hệ thống và hệ thống tập tin, mà không được cung cấp bởi phần cứng trơ.

Thêm vào đó, tiếp cận máy ảo không cung cấp bất kỳ chức năng bổ sung nào; nhưng

đúng hơn là cung cấp một giao diện giống hệt như phần cứng trơ ở bên dưới. Mỗi quá

trình được cung cấp với một bản sao (ảo) của máy tính bên dưới (Hình II.7).

Một khó khăn chính với tiếp cận máy ảo liên quan đến hệ thống đĩa. Giả sử rằng

máy vật lý có ba ổ đĩa nhưng muốn hỗ trợ bảy máy ảo. Rõ ràng, nó không thể cấp

phát một ổ đĩa tới mỗi máy ảo. Nhớ rằng chính phần mềm máy ảo sẽ cần không gian

đĩa liên tục để cung cấp bộ nhớ ảo. Giải pháp này cung cấp đĩa ảo, mà nó đúng trong

tất cả khía cạnh ngoại trừ kích thước-được thuật ngữ hóa đĩa nhỏ (minidisks) trong hệ

điều hành máy ảo của IBM. Hệ thống cài đặt nhiều đĩa nhỏ bằng cách cấp phát nhiều

rảnh ghi trên đĩa vật lý như là các đĩa nhỏ khi cần. Hiển nhiên, tổng kích thước của tất

cả đĩa nhỏ là nhỏ hơn kích thước của không gian đĩa vật lý sẳn có.

Hình 0-7-Các mô hình hệ thống. (a) Máy không ảo. (b) máy ảo

Do đó, người dùng được cho máy ảo của chính họ. Sau đó, họ có thể chạy bất

kỳ hệ điều hành hay gói phần mềm nào sẳn dùng trên phần cứng bên dưới. Đối với hệ

thống IBM VM, một người dùng thường chạy CMS-một hệ điều hành giao tiếp đơn

người dùng. Phần mềm máy ảo được quan tâm với đa máy ảo đa chương trên một

máy vật lý nhưng không cần xem xét bất cứ phần mềm hỗ trợ người dùng. Việc sắp

xếp này có thể cung cấp một sự phân chia hữu ích thành hai phần nhỏ hơn của vấn đề

thiết kế một hệ thống giao tiếp đa người dùng.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 31

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

VIII.1

Cài đặt

Mặc dù khái niệm máy ảo là hữu ích nhưng rất khó cài đặt. Nhiều công việc

được yêu cầu cung cấp một bản sao chính xác của máy bên dưới. Máy bên dưới có hai

chế độ: chế độ người dùng và chế độ kiểm soát. Phần mềm máy ảo có thể chạy trong

chế độ kiểm soát vì nó là hệ điều hành. Chính máy ảo có thể thực thi chỉ trong chế độ

người dùng. Tuy nhiên, chỉ khi máy vật lý có hai chế độ thì nó mới là máy ảo. Do đó,

chúng ta phải có một chế độ người dùng ảo và một chế độ kiểm soát ảo. Cả hai đều

chạy trong chế độ người dùng vật lý. Các hoạt động đó gây ra sự chuyển từ chế độ

người dùng tới chế độ kiểm soát trên một máy thật (như lời gọi hệ thống hay cố gắng

thực thi một chỉ thị được cấp quyền) cũng phải gây ra sự chuyển đổi từ chế độ người

dùng ảo tới chế độ kiểm soát ảo trên một máy ảo.

VIII.2

Lợi điểm

Có hai lợi điểm chính trong việc sử dụng máy ảo. Thứ nhất, bằng cách bảo vệ

hoàn toàn các tài nguyên hệ thống, máy ảo cung cấp mức độ bảo mật cao. Thứ hai,

máy ảo cho phép phát triển hệ thống được thực hiện mà không cần phá vỡ hoạt động

hệ thống thông thường.

Mỗi máy ảo hoàn toàn bị cô lập từ các máy ảo khác, vì thế chúng ta không gặp

phải bất kỳ vấn đề bảo mật nào như tài nguyên hệ thống khác hoàn toàn được bảo vệ.

Thí dụ, các ứng dụng không được tin cậy được tải về từ Internet có thể được chạy

trong một máy ảo riêng. Một bất lợi của môi trường này là không có sự chia sẻ tài

nguyên trực tiếp. Hai tiếp cận cung cấp sự chia sẻ được cài đặt. Thứ nhất, có thể chia

sẻ một đĩa nhỏ. Cơ chế này được làm mẫu sau một đĩa được chia sẻ vật lý. Thứ hai, có

thể định nghĩa một mạng của các máy ảo, mỗi máy ảo có thể gửi thông tin qua các

mạng giao tiếp này nhưng nó được cài đặt bằng phần mềm.

Những hệ thống máy ảo như thế là một phương tiện truyền thông hữu hiệu cho

việc nghiên cứu và phát triển hệ điều hành. Thông thường, thay đổi một hệ điều hành

là một tác vụ khó. Vì các hệ điều hành là các chương trình lớn và phức tạp, sự thay

đổi trên một phần này có thể gây một lỗi khó hiểu trong những phần khác. Sức mạnh

của hệ điều hành làm cho trường hợp này là cực kỳ nguy hiểm. Vì hệ điều hành thực

thi trong chế độ kiểm soát, một thay đổi sai trong một con trỏ có thể gây lỗi và có thể

phá hủy toàn hệ thống tập tin. Do đó, cần phải kiểm tra tất cả thay đổi của hệ điều

hành một cách cẩn thận.

Tuy nhiên, hệ điều hành chạy trên máy và điều khiển hoàn toàn máy đó. Do

đó, hệ thống hiện hành phải bị dừng và ngừng việc sử dụng trong khi những thay đổi

được thực hiện và kiểm tra. Thời điểm này thường được gọi là thời gian phát triển hệ

thống. Vì nó làm cho hệ thống không sẳn dùng đối với người sử dụng nên thời gian

phát triển hệ thống thường được lập thời biểu vào buổi tối hay cuối tuần, khi tải hệ

thống thấp.

Một hệ thống máy ảo có thể loại trừ nhiều vấn đề này. Người lập trình hệ thống

được cung cấp chính máy ảo của họ, và phát triển hệ thống được thực hiện trên máy

ảo thay vì trên máy vật lý thật sự. Một hệ điều hành thông thường ít khi bị phá vỡ vì

phát triển hệ thống. Mặc dù những thuận lợi này, nhưng rất ít cải tiến trên kỹ thuật

này được thực hiện gần đây.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 32

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

IX Tóm tắt

Hệ điều hành cung cấp một số dịch vụ. Tại cấp thấp nhất, lời gọi hệ thống cho

phép một chương trình đang chạy thực hiện yêu cầu trực tiếp từ hệ thống. Tại cấp cao

hơn, trình thông dịch cung cấp cơ chế cho người dùng đưa ra yêu cầu mà không viết

chương trình. Các lệnh có thể xuất phát từ tập tin trong suốt thời gian thực thi theo

chế độ xử lý theo lô, hay trực tiếp từ bàn phím trong chế độ tương tác hay chia sẻ thời

gian. Các chương trình hệ thống được cung cấp để thoả mãn nhiều yêu cầu thông

thường của người dùng.

Các loại yêu cầu khác nhau dựa theo cấp yêu cầu. Cấp gọi hệ thống phải cung

cấp các chức năng cơ bản, như điều khiển quá trình, quản lý tập tin và thiết bị. Các

yêu cầu cấp cao hơn được thoả mãn bởi trình thông dịch lệnh và chương trình hệ

thống được dịch vào một chuỗi các lời gọi hệ thống. Các dịch vụ hệ thống có thể được

phân cấp thành nhiều loại: điều khiển chương trình, yêu cầu trạng thái, yêu cầu

nhập/xuất. Lỗi chương trình được xem xét các yêu cầu ẩn cho dịch vụ.

Một khi dịch vụ hệ thống được định nghĩa, cấu trúc của hệ điều hành được phát

triển. Các bảng khác nhau cần được ghi thông tin định nghĩa trạng thái của hệ thống

máy tính và trạng thái của công việc hệ thống.

Thiết kế một hệ điều hành mới là công việc rất quan trọng. Thiết kế hệ thống

như thứ tự của các tầng hay sử dụng vi nhân được xem là một kỹ thuật tốt. Khái niệm

máy ảo thực hiện tiếp cận phân tầng và xem nhân của hệ điều hành và phần cứng như

là phần cứng của nó. Các hệ điều hành khác có thể được nạp trên đỉnh của máy ảo.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 33

Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Cấu trúc hệ điều hành - Nguyễn Phú Trường