Giáo trình Nguyên lý các hệ điều hành

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

1.1 Khái niệm hệ điều hành

Hệ điều hành là một hệ thống các 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 dễ 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

2

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 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.

1.2 Lịch sử phát triển của hệ điều hành

Thế hệ 1 (1945 – 1955)

Vào khoảng giữa thập niên 1940, Howard Aiken ở Havard và John von

Neumann ở Princeton, đã thành công trong việc xây dựng máy tính dùng ống chân

không. Những máy này rất lớn với hơn 10000 ống chân không nhưng chậm hơn nhiều

so với máy rẻ nhất ngày nay.

Mỗi máy được một nhóm thực hiện tất cả từ thiết kế, xây dựng lập trình, thao

tác đến quản lý. Lập trình bằng ngôn ngữ máy tuyệt đối, thường là bằng cách dùng

3

bảng điều khiển để thực hiện các chức năng cơ bản. Ngôn ngữ lập trình chưa được biết

đến và hệ điều hành cũng chưa nghe đến.

Vào đầu thập niên 1950, phiếu đục lổ ra đời và có thể viết chương trình trên

phiếu thay cho dùng bảng điều khiển.

Thế hệ 2 (1955 – 1965)

Sự ra đời của thiết bị bán dẫn vào giữa thập niên 1950 làm thay đổi bức tranh

tổng thể. Máy tính trở nên đủ tin cậy hơn. Nó được sản xuất và cung cấp cho các

khách hàng. Lần đầu tiên có sự phân chia rõ ràng giữa người thiết kế, người xây dựng,

người vận hành, người lập trình, và người bảo trì.

Để thực hiện một công việc (một chương trình hay một tập hợp các chương

trình), lập trình viên trước hết viết chương trình trên giấy (bằng hợp ngữ hay

FORTRAN) sau đó đục lỗ trên phiếu và cuối cùng đưa phiếu vào máy. Sau khi thực

hiện xong nó sẽ xuất kết quả ra máy in.

Hệ thống xử lý theo lô ra đời, nó lưu các yêu cầu cần thực hiện lên băng từ, và

hệ thống sẽ đọc và thi hành lần lượt. Sau đó, nó sẽ ghi kết quả lên băng từ xuất và cuối

cùng người sử dụng sẽ đem băng từ xuất đi in.

Hệ thống xử lý theo lô hoạt động dưới sự điều khiển của một chương trình đặc

biệt là tiền thân của hệ điều hành sau này. Ngôn ngữ lập trình sử dụng trong giai đoạn

này chủ yếu là FORTRAN và hợp ngữ.

4

Thế hệ 3 (1965 – 1980)

Trong giai đoạn này, máy tính được sử dụng rộng rãi trong khoa học cũng như

trong thương mại. Máy IBM 360 là máy tính đầu tiên sử dụng mạch tích hợp (IC). Từ

đó kích thước và giá cả của các hệ thống máy giảm đáng kể và máy tính càng phỗ biến

hơn. Các thiết bị ngoại vi dành cho máy xuất hiện ngày càng nhiều và thao tác điều

khiển bắt đầu phức tạp.

Hệ điều hành ra đời nhằm điều phối, kiểm soát hoạt động và giải quyết các yêu

cầu tranh chấp thiết bị. Chương trình hệ điều hành dài cả triệu dòng hợp ngữ và do

hàng ngàn lập trình viên thực hiện.

Sau đó, hệ điều hành ra đời khái niệm đa chương. CPU không phải chờ thực

hiện các thao tác nhập xuất. Bộ nhớ được chia làm nhiều phần, mỗi phần có một công

việc (job) khác nhau, khi một công việc chờ thực hiện nhập xuất CPU sẽ xử lý các

công việc còn lại. Tuy nhiên khi có nhiều công việc cùng xuất hiện trong bộ nhớ, vấn

đề là phải có một cơ chế bảo vệ tránh các công việc ảnh hưởng đến nhau. Hệ điều hành

cũng cài đặt thuộc tính spool.

Giai đoạn này cũng đánh dấu sự ra đời của hệ điều hành chia xẻ thời gian như

CTSS của MIT. Đồng thời các hệ điều hành lớn ra đời như MULTICS, UNIX và hệ

thống các máy mini cũng xuất hiện như DEC PDP-1.

5

Thế hệ 4 (1980 - nay)

Giai đoạn này đánh dấu sự ra đời của máy tính cá nhân, đặc biệt là hệ thống

IBM PC với hệ điều hành MS-DOS và Windows sau này. Bên cạnh đó là sự phát triển

mạnh của các hệ điều hành tựa Unix trên nhiều hệ máy khác nhau như Linux. Ngoài

ra, từ đầu thập niên 90 cũng đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của hệ điều hành mạng

và hệ điều hành phân tán.

1.3. Phân loại hệ thống

1.3.1 Hệ thống xử lý theo lô

6

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.

1.3.

chương

2 Hệ thống xử lý theo lô đa

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…

7

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.

1.3.

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.

8

1.3.

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 .

Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công việc được thực hiện nhanh chóng hơn.

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.

9

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.

1.3.

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 nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là:

Chia xẻ tài nguyên : 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

10

dữ liệu phân tán, in ấn tại một vị trí xa, sử dụng những thiết bị ở xa để hỗ thực hiện các

thao tác.

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.

11

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 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.

1.3.

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.

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..

12

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.

1.4 Các thành phần của hệ điều hành

a)

Quản lý tiến trình

Một tiến trình là một chương trình đang được thi hành. 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.

13

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.

-

Tạm dừng và thực hiện tiếp

một tiến trình.

14

-

Cung cấp các cơ chế đồng bộ

tiến trình.

-

Cung cấp các cơ chế giao tiếp

giữa các tiến trình.

15

-

Cung cấp cơ chế kiểm soát

deadlock

b)

Quản lý bộ nhớ chính :

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

xử lý. Bộnhớ 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 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.

16

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

-

Lưu giữ thông tin về các vị trí trong

bộ nhớ đã được sử dụng và tiến trình nào đang sử dụng.

-

Quyết định tiến trình nào được nạp

vào bộ nhớ chính, khi bộ nhớ đã có thể dùng được.

17

-

Cấp phát và thu hồi bộ nhớ khi cần

thiết.

c)

Quản lý bộ nhớ phụ :

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. Vai

trò của hệ điều hành trong việc quản lý đĩa :

18

-

Quản lý vùng trống trên đĩa.

Định vị lưu trữ.

Lập lịch cho đĩa.

19

d)

Quản lý hệ thống vào/ ra :

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 vào/ra bao gồm :

- Thành phần quản lý bộ nhớ chứa vùng đệm (buffering), lưu trữ (caching) và

spooling (vùng chứa).

-

20