SỞ LAO ĐỘNG TBXH TỈNH HÀ NAM TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC HỆ ĐIỀU HÀNH NGHỀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số 234QĐ CĐNHN ngày 05 tháng 08 năm.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH
Khái niệm về hệ điều hành
- Nắm được yêu cầu cần có hệ điều hành, khái niệm hệ điều hành, chức năng hệ điều hành
Các loại tài nguyên hệ thống khác nhau
Tài nguyên hệ thống (System) là các yếu tố được phần mềm và phần cứng sử dụng để giao tiếp với nhau Khi phần mềm gửi dữ liệu đến thiết bị, ví dụ lưu tệp vào ổ cứng hoặc khi phần cứng cần chú ý, như nhấn một phím trên bàn phím, hệ thống sẽ quản lý và điều phối các tài nguyên này nhằm đảm bảo quá trình truyền dữ liệu và phản hồi diễn ra trơn tru.
Có bốn loại tài nguyên hệ thống mà chúng ta sẽ gặp phải khi vận hành hệ thống, đó là:
Các kênh Truy cập Bộ nhớ Trực tiếp (DMA)
Dòng yêu cầu ngắt (IRQ)
Địa chỉ đầu vào và đầu ra
Khi ta nhấn một phím trên bàn phím, bàn phím gửi tín hiệu cho CPU biết rằng một phím đã được nhấn; nhưng CPU đang bận với một quy trình khác nên có thể tạm dừng xử lý sự kiện phím cho đến khi nhiệm vụ hiện tại hoàn tất Để giải quyết vấn đề này, ta triển khai một khái niệm gọi là dòng yêu cầu ngắt (IRQ – interrupt request lines), cho phép thiết bị ngoại vi yêu cầu sự chú ý của CPU một cách hiệu quả mà không làm gián đoạn quá trình làm việc đang diễn ra.
Trong hệ thống máy tính, bàn phím kích hoạt ngắt IRQ khi có yêu cầu mới gửi lên CPU Nó đặt một điện áp lên đường IRQ được chỉ định cho nó, và điện áp này đóng vai trò như tín hiệu báo cho CPU rằng có một thiết bị có yêu cầu cần được xử lý.
Trong hệ điều hành, bộ nhớ được xem như một danh sách dài các ô có thể chứa dữ liệu và hướng dẫn, giống như một bảng tính một chiều Hãy tưởng tượng địa chỉ bộ nhớ như một số ghế trong rạp hát, mỗi ghế được gán một số dù có người ngồi hay không; người ngồi trên ghế có thể là dữ liệu ở dạng giá trị hoặc chỉ dẫn Hệ điều hành tham chiếu tới các ô bộ nhớ bằng số ghế, chứ không phải bằng tên, và có thể nói ví dụ: in dữ liệu tại địa chỉ bộ nhớ 500 Các địa chỉ này thường hiển thị trên màn hình ở dạng số thập lục phân theo cơ chế bù phân đoạn Địa chỉ nhập-xuất (I/O) được gọi đơn giản là các cổng; CPU sử dụng chúng để truy cập các thiết bị phần cứng, tương tự như cách nó truy cập bộ nhớ vật lý Bus địa chỉ trên bo mạch chủ đôi khi mang địa chỉ bộ nhớ và đôi khi mang địa chỉ I/O.
Khi bus địa chỉ được thiết lập để mang các địa chỉ đầu vào-đầu ra, mỗi thiết bị phần cứng sẽ lắng nghe bus này Ví dụ, nếu CPU muốn giao tiếp với bàn phím, nó sẽ đặt địa chỉ Input-Output của bàn phím lên bus địa chỉ để các thiết bị có thể nhận diện và xử lý yêu cầu giao tiếp.
Khi một địa chỉ được đặt lên bus, CPU sẽ thông báo cho tất cả các thiết bị I/O rằng có một yêu cầu truy cập đang diễn ra và các bộ điều khiển I/O sẽ lắng nghe địa chỉ này; mỗi bộ điều khiển sẽ so khớp địa chỉ, ví dụ ổ cứng có thể nói đó không phải địa chỉ của nó, ổ đĩa mềm cũng vậy, trong khi bộ điều khiển bàn phím sẽ nhận đúng địa chỉ của mình và trả lời Đây chính là cách bàn phím giao tiếp với CPU khi một phím được nhấn Có thể hình dung hệ thống như một đường dây địa chỉ I/O trên bus: tất cả các thiết bị nghe thấy địa chỉ, nhưng chỉ có một thiết bị duy nhất phản hồi.
Một tài nguyên hệ thống khác đƣợc phần cứng và phần mềm sử dụng là kênh Truy cập Bộ nhớ Trực tiếp(Direct Memory Access)
DMA (Direct Memory Access) là một cơ chế cho phép thiết bị đầu vào-đầu ra gửi dữ liệu trực tiếp tới bộ nhớ mà bỏ qua CPU Nhờ DMA, dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi như máy in, thiết bị mạng hoặc ổ đĩa có thể được chuyển một cách nhanh chóng mà CPU chỉ đóng vai trò khởi tạo và nhận kết quả cuối cùng Các thiết bị hỗ trợ DMA được thiết kế để sử dụng các kênh DMA (DMA channels), trong khi một số thiết bị như chuột có thể không dùng DMA hoặc hỗ trợ ở mức hạn chế Việc sử dụng DMA giúp tối ưu hiệu suất hệ thống bằng cách giảm tải cho CPU và tăng băng thông dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi và bộ nhớ thông qua các kênh DMA.
DMA (Direct Memory Access) từng phổ biến nhờ khả năng truyền dữ liệu trực tiếp giữa thiết bị và bộ nhớ, nhưng hiện nay không còn phổ biến như trước vì thiết kế của nó khiến tốc độ chậm hơn so với các phương pháp truyền dữ liệu hiện đại Tuy nhiên, các thiết bị chậm hơn như ổ đĩa mềm, card âm thanh và ổ băng vẫn có thể sử dụng kênh DMA để trao đổi dữ liệu mà không bị CPU chiếm dụng quá nhiều nguồn lực DMA vẫn có vai trò nhất định trong các hệ thống cổ điển hoặc những trường hợp cần tương thích với kênh DMA.
Vì vậy, về cơ bản các thiết bị phần cứng gọi CPU để đƣợc chú ý bằng cách sử dụng Yêu cầu (Requests) ngắt (Interrupt)
Phần mềm có thể gọi phần cứng bằng địa chỉ đầu vào-đầu ra (IO) của thiết bị phần cứng và xem bộ nhớ như một thiết bị phần cứng để truy cập bằng địa chỉ bộ nhớ Các kênh Direct Memory Access (DMA) cho phép truyền dữ liệu giữa thiết bị phần cứng và bộ nhớ một cách trực tiếp, giảm tải cho CPU và tăng hiệu suất hệ thống.
11 mẹo để cải thiện hiệu suất chậm của Windows
10(11 Tips To Improve Windows 10 Slow Performance)
Vì vậy, đó là cách phần cứng giao tiếp với phần mềm để phân bổ và quản lý tài nguyên hệ thống một cách hiệu quả
Các lỗi có thể xảy ra trong Tài nguyên (Resources) Hệ thống (System) là gì?
Lỗi tài nguyên hệ thống là một trong những lỗi nghiêm trọng nhất mà máy tính có thể gặp Đôi khi mọi thứ vẫn bình thường cho tới khi một chương trình tiêu thụ nhiều tài nguyên được khởi chạy, khiến hệ thống phải đối mặt với sự cố hoặc thậm chí sập nguồn Dù các hệ điều hành hiện đại ngày nay đã được cải tiến, rủi ro này vẫn tồn tại vì mỗi ứng dụng khi chạy đều phải thông báo cho hệ điều hành về lượng tài nguyên cần dùng và thời gian dự kiến sử dụng Trong một số trường hợp, tính chất của tiến trình hoặc hạn chế của hệ thống khiến việc quản lý tài nguyên không thể thực thi đúng như mong đợi, dẫn tới hiện tượng rò rỉ bộ nhớ (memory leak)—gây giảm hiệu suất và làm giảm sự ổn định của máy tính.
Tuy nhiên, chương trình phải trả lại bộ nhớ hoặc tài nguyên hệ thống mà nó đã yêu cầu trước đó
Và khi không, chúng ta có thể thấy các lỗi nhƣ:
" Máy tính của bạn sắp hết bộ nhớ(Your computer is low on memory)
" Hệ thống (System) thiếu tài nguyên một cách nguy hiểm"
“ Không đủ (Insufficient) tài nguyên hệ thống để hoàn thành dịch vụ đƣợc yêu cầu”
Làm thế nào chúng tôi có thể sửa lỗi tài nguyên hệ thống (System Resource)
Ctrl+Alt+Del là sự kết hợp ba phím cơ bản giúp người dùng đối phó với tình trạng hệ thống đóng băng Đây là yếu tố quan trọng cho những ai thường xuyên gặp sự cố treo máy và giảm hiệu suất Nhấn vào đây sẽ đưa bạn trực tiếp đến Trình quản lý tác vụ (Task Manager), nơi bạn có thể kết thúc các ứng dụng tiêu tốn tài nguyên, theo dõi tiến trình và khôi phục hoạt động của máy tính một cách nhanh chóng.
Điều này cho phép chúng tôi xem tất cả các tài nguyên hệ thống đƣợc sử dụng bởi các chương trình và dịch vụ khác nhau
Thông thường, chúng ta khó xác định được ứng dụng hoặc chương trình đang chiếm nhiều bộ nhớ hoặc gây ra lượng đĩa đọc/ghi cao Khi đã phát hiện đúng nguồn gây ra sự cố, chúng ta có thể thu hồi tài nguyên hệ thống bị mất bằng cách kết thúc hoàn toàn ứng dụng gặp vấn đề hoặc gỡ cài đặt phần mềm liên quan Nếu không có chương trình nào rõ ràng, hãy kiểm tra phần Dịch vụ trong Trình quản lý tác vụ để nhận diện dịch vụ nào đang tiêu thụ hoặc chiếm dụng tài nguyên nền một cách âm thầm, từ đó khắc phục tình trạng hao phí tài nguyên hệ thống.
Có những dịch vụ khởi động khi hệ điều hành khởi động, chúng đƣợc gọi là chương trình khởi động(startup programs)
Trong phần khởi động của trình quản lý tác vụ, chúng ta có thể dễ dàng nhận diện các dịch vụ ngốn tài nguyên Cách làm này nổi bật ở chỗ không cần tìm kiếm thủ công từng dịch vụ tiêu tốn tài nguyên Thay vào đó, phần khởi động hiển thị các dịch vụ ảnh hưởng đến hệ thống và gán cho chúng xếp hạng tác động khi khởi động Nhờ đó, chúng ta có thể xác định dịch vụ nào nên được vô hiệu hóa để tối ưu hóa hiệu suất và tốc độ khởi động máy tính.
Trong trường hợp toàn bộ hệ thống bị đóng băng hoàn toàn, không có tùy chọn hay phím tắt nào hoạt động và bạn phải khởi động lại máy tính Điều này có thể khắc phục sự cố đóng băng do ứng dụng hoạt động sai hoặc không tương thích, sau khi bạn đã xác định được ứng dụng gây ra và tiến hành gỡ cài đặt nó Đôi khi, ngay cả các biện pháp trên cũng không giúp nếu hệ thống vẫn treo, có thể là vấn đề phần cứng, đặc biệt là RAM trên bo mạch chủ Thử kiểm tra RAM bằng cách chạy hệ thống với từng thanh RAM riêng lẻ trên hai mô-đun để xác định thanh RAM bị lỗi Thay thế RAM bị lỗi sẽ giải quyết tình trạng đóng băng do thiếu tài nguyên hệ thống.
1.2 Khái niệm hệ điều hành
Khó có một định nghĩa chính xác về hệ điều hành (OS) vì nó là thành phần được nhiều đối tượng khai thác nhất, từ người dùng thông thường đến lập trình viên và người quản trị hệ thống Mức độ khai thác khác nhau dẫn đến mỗi đối tượng có thể hiểu hệ điều hành theo những khái niệm riêng Trong bài viết này, ta xem xét 3 khái niệm về hệ điều hành dựa trên quan điểm của người khai thác hệ thống máy tính, nhằm làm rõ vai trò và bản chất của hệ điều hành trong các ngữ cảnh khác nhau.
Phân loại hệ điều hành
- Nắm được khái niệm phân loại và các thành phần cơ bản trong hệ điều hành
2.1 Các thành phần của hệ điều hành
Một hệ điều hành là một hệ thống chương trình lớn đảm nhận nhiều nhiệm vụ khác nhau Để quản lý sự phức tạp này, các nhà thiết kế chia hệ điều hành thành nhiều thành phần, mỗi thành phần đảm nhận một nhóm nhiệm vụ liên quan với nhau Việc phân chia nhiệm vụ, cách kết nối các thành phần lại với nhau để thực hiện được một nhiệm vụ lớn hơn khi cần, và cách gọi tên, kích hoạt các thành phần này khi cần thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, tất cả các phương thức này tạo nên cấu trúc và kiến trúc của hệ điều hành.
2.1.1.Thành phần quản lý tiến trình
Hệ điều hành có nhiệm vụ tạo lập tiến trình và đưa tiến trình đó vào danh sách quản lý tiến trình của hệ thống; khi tiến trình kết thúc, hệ điều hành phải loại bỏ tiến trình đó khỏi danh sách quản lý tiến trình để duy trì cập nhật trạng thái hệ thống và tối ưu hóa quản lý tài nguyên.
Hệ điều hành cung cấp đầy đủ tài nguyên để tiến trình có thể bắt đầu và duy trì hoạt động cho đến khi tiến trình kết thúc, đồng thời thu hồi toàn bộ tài nguyên đã cấp cho tiến trình ngay khi nó kết thúc để tài nguyên được tái sử dụng hiệu quả.
Trong quá trình thực thi, khi một tiến trình không thể tiếp tục vì một lý do nào đó, hệ điều hành sẽ tạm dừng tiến trình, thu hồi các tài nguyên mà nó đang chiếm giữ và giải phóng nguồn lực cho hệ thống Với điều kiện thích hợp, hệ điều hành sẽ tái kích hoạt tiến trình đó để tiếp tục lập lịch CPU và thực thi cho đến khi hoàn tất.
Trong các hệ thống có nhiều tiến trình hoạt động song song, hệ điều hành phải giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các tiến trình và điều phối CPU cho từng tiến trình Hệ điều hành cũng hỗ trợ giao tiếp và đồng bộ hóa giữa các tiến trình để chúng có thể phối hợp hiệu quả, đảm bảo mọi tiến trình đã được khởi tạo đều được thực thi và kết thúc đúng kế hoạch.
Tóm lại, bộ phận quản lý tiến trình của hệ điều hành phải thực hiện những nhiệm vụ sau đây:
Tạo lập, hủy bỏ tiến trình
Tạm dừng, tái kích hoạt tiến trình
Tạo cơ chế thông tin liên lạc giữa các tiến trình
Tạo cơ chế đồng bộ hóa giữa các tiến trình
2.1.2.Thành phần quản lý bộ nhớ chính
Bộ nhớ chính là một trong những tài nguyên quan trọng của hệ thống, đây là thiết bị lưu trữ duy nhất mà CPU có thể truy xuất trực tiếp được
Các chương trình của người sử dụng muốn thực hiện được bởi CPU thì trước hết nó phải được hệ điều hành nạp vào bộ nhớ chính, chuyển đổi các địa chỉ sử dụng trong chương trình thành những địa chỉ mà CPU có thể truy xuất đƣợc
Khi một chương trình hay tiến trình được nạp vào bộ nhớ, hệ điều hành có nhiệm vụ cấp phát không gian nhớ phù hợp cho nó Khi chương trình hay tiến trình kết thúc, hệ điều hành thu hồi và giải phóng lại không gian nhớ đã cấp phát trước đó, đảm bảo tài nguyên bộ nhớ được tái sử dụng cho các tiến trình tiếp theo.
Trong các hệ thống đa chương hay đa tiến trình, bộ nhớ chứa đồng thời nhiều chương trình và tiến trình khác nhau Hệ điều hành chịu trách nhiệm bảo vệ các vùng nhớ đã cấp phát cho từng chương trình/ tiến trình, ngăn chặn vi phạm vùng nhớ và xung đột dữ liệu giữa chúng Việc quản lý và cách ly vùng nhớ giúp tăng tính an toàn, ổn định và bảo mật cho toàn hệ thống.
Tóm lại, bộ phận quản lý bộ nhớ chính của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:
Cấp phát, thu hồi vùng nhớ
Ghi nhận trạng thái bộ nhớ chính
Quyết định tiến trình nào đƣợc nạp vào bộ nhớ
2.1.3.Thành phần quản lý xuất/ nhập
Một trong những mục tiêu của hệ điều hành là giúp người dùng khai thác hệ thống máy tính một cách dễ dàng và hiệu quả, bằng cách làm cho các thao tác trao đổi thông tin với thiết bị xuất/nhập diễn ra liền mạch và ẩn đi sự phức tạp phía sau Để thực hiện điều này, hệ điều hành có một bộ phận điều khiển thiết bị (bộ điều khiển I/O) phối hợp với CPU nhằm quản lý hoạt động và quá trình trao đổi thông tin giữa hệ thống, các chương trình và người dùng với các thiết bị xuất/nhập.
Bộ phận điều khiển thiết bị thực hiện những nhiệm vụ sau:
Hệ điều hành điều khiển thiết bị bằng các mã điều khiển, do đó trước khi bắt đầu quá trình trao đổi dữ liệu với thiết bị, hệ điều hành phải gửi mã điều khiển tới thiết bị để thiết lập giao tiếp.
Khi các thiết bị cần trao đổi dữ liệu với hệ thống, chúng phát ra tín hiệu yêu cầu ngắt Hệ điều hành tiếp nhận yêu cầu ngắt từ các thiết bị, xác định nguồn gốc và loại ngắt, rồi thực hiện một chuỗi thủ tục để đáp ứng yêu cầu ngắt tùy từng thiết bị.
Phát hiện và xử lý lỗi là yếu tố then chốt trong quá trình trao đổi dữ liệu, khi các sự cố như thiết bị vào ra chưa sẵn sàng hoặc đường truyền bị hỏng có thể làm gián đoạn giao tiếp Vì vậy, hệ điều hành cần triển khai các cơ chế phát hiện lỗi sớm và khắc phục kịp thời các lỗi vừa phát sinh để đảm bảo tính liên tục và độ tin cậy của hệ thống Những cơ chế này giúp giảm thiểu sự cố, bảo vệ dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất truyền thông trong môi trường hoạt động của máy tính và mạng.
2.1.4.Thành phần quản lý bộ nhớ phụ (đĩa)
Không gian lưu trữ trên đĩa được chia thành các block có kích thước bằng nhau, được gọi là các block; khi lưu trữ một tập tin, hệ điều hành cấp cho tập tin một lượng block vừa đủ để chứa toàn bộ nội dung của tập tin Các block cấp cho tập tin phải là các block còn tự do, chưa cấp cho các tập tin trước đó; do đó sau khi thực hiện một thao tác cấp phát block hệ điều hành phải ghi nhận trạng thái của các block trên đĩa, đặc biệt là các block còn tự do để chuẩn bị cho các quá trình cấp phát block sau này.
Trong quá trình sử dụng, các tập tin có thể thay đổi kích thước (tăng, giảm), do đó hệ điều hành phải cấp phát động các block để lưu trữ dữ liệu Để ghi hoặc đọc nội dung của một block, trước hết đầu đọc/ghi phải được định vị đến vị trí của block đó Khi chương trình người dùng cần đọc một dãy các block không liên tiếp, hệ điều hành phải quyết định nên đọc block nào trước và sắp xếp thứ tự sao cho tối ưu, từ đó di chuyển đầu đọc đến các block phù hợp nhằm tăng tốc độ truy cập dữ liệu trên đĩa Quá trình này được gọi là lập lịch cho đĩa.
Tóm lại, bộ phận quản lý bộ nhớ phụ thực hiện những nhiệm vụ sau:
Quản lý không gian trống trên đĩa
Định vị lưu trữ thông tin trên đĩa
Lập lịch cho vấn đề ghi/ đọc thông tin trên đĩa của đầu từ
2.1.5.Thành phần quản lý tập tin