Tổng quan về hệ điều hành chương 1

Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương• Có khả năng thực hiện nhiều tác vụ, nhiều chươngtrình đồng thời • Hệ điều hành sẽ nạp một phần code và data củacác tác vụ vào bộ nhớ các phần còn lạ

Môn Học

HỆ ĐIỀU HÀNH

Bộ môn Khoa Học Máy TínhKhoa Công Nghệ Thông TinĐại Học Bách Khoa Hà Nội

Tài Liệu Tham Khảo

• A.Tanenbaum Design and Implementation

• Hệ điều hành: Tác giả: Ths.Nguyễn Thanh Tùng

• A.Tanenbaum Design and Implementation

Nội Dung Chương Trình

• Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành.

• Chương 2: Quản lý tiến trình.

• Chương 3: Quản lý bộ nhớ.

• Chương 4: Quản lý tập tin và đĩa

• Chướng 5: Quản lý xuất nhập.

• Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành.

• Chương 2: Quản lý tiến trình.

• Chương 3: Quản lý bộ nhớ.

• Chương 4: Quản lý tập tin và đĩa

• Chướng 5: Quản lý xuất nhập.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Khái niệm Hệ điều hành

• Hệ điều hành là một chương trình hay một hệ

• Sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng.

• Khai thác tối đa hiệu suất của phần cứng.

• Hệ điều hành được coi như là hệ thống quản

• Sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng.

• Khai thác tối đa hiệu suất của phần cứng.

• Hệ điều hành được coi như là hệ thống quản

lý tài nguyên.

• Hệ điều hành được coi như là phần mở rộng của hệ thống máy tính điện tử.

Lịch sử phát triển của hệ điều hành

Lịch sử phát triển của HĐH luôn gắn liền với

sự phát triển của máy tính điện tử

• Với hơn 10000 bóng chân không

– Ngôn ngữ lập trình và Hệ điều hành chưa được

biết đến

– Đầu những năm 50->phiếu đục lỗ thay cho bảng điều khiển

Lịch sử phát triển của HĐH luôn gắn liền với

sự phát triển của máy tính điện tử

• Với hơn 10000 bóng chân không

– Ngôn ngữ lập trình và Hệ điều hành chưa được

biết đến

– Đầu những năm 50->phiếu đục lỗ thay cho bảng điều khiển

Lịch sử phát triển của hệ điều hành

- Máy tính cá nhân (PC-Personal Computer).

- Hệ điều hành mạng và hệ điều hành phân tán

- Máy tính cá nhân (PC-Personal Computer).

- Hệ điều hành mạng và hệ điều hành phân tán

Các khái niệm cơ bản

- Hoạt động song song.

• Tiến trình khác với chương trình:

- Chương trình là tập tin thụ động.

- Tiến trình là trạng thái động của chương trình.

• Tiểu trình: Là các luồng xử lý của tiến trình cùngchia sẻ không gian bộ nhớ

• Tiến trình: Là một bộ phận của chương trìnhđang thực hiện

- Tiến trình hệ điều hành.

- Tiến trình chương trình.

- Hoạt động song song.

• Tiến trình khác với chương trình:

- Chương trình là tập tin thụ động.

- Tiến trình là trạng thái động của chương trình.

• Tiểu trình: Là các luồng xử lý của tiến trình cùngchia sẻ không gian bộ nhớ

Bộ xử lý shell

• Là một tiến trình đặc biệt, có nhiệm vụ nhận lệnh,phân tích lệnh và phát sinh tiến trình mới để thựchiện lệnh

• Trong hệ điều hành đơn nhiệm, khi tiến trình đápứng yêu cầu hoạt động thì Shell sẽ chuyển sangtrạng thái chờ đến khi tiến trình đó kết thúc, sau đómới trở lại trạng thái sẵn sàng nhận lệnh mới

• Trong hệ điều hành đa nhiệm, sau khi phát sinh tiếntrình đáp ứng yêu cầu và đưa nó vào trạng thái hoạtđộng thì Shell sẽ chuyển sang trạng thái sẵn sàngnhận lệnh mới, nhờ vậy Shell có khả năng khởi tạonhiều tiến trình đáp ứng yêu cầu để nó hoạt độngsong song với nhau

• Là một tiến trình đặc biệt, có nhiệm vụ nhận lệnh,phân tích lệnh và phát sinh tiến trình mới để thựchiện lệnh

• Trong hệ điều hành đơn nhiệm, khi tiến trình đápứng yêu cầu hoạt động thì Shell sẽ chuyển sangtrạng thái chờ đến khi tiến trình đó kết thúc, sau đómới trở lại trạng thái sẵn sàng nhận lệnh mới

• Trong hệ điều hành đa nhiệm, sau khi phát sinh tiếntrình đáp ứng yêu cầu và đưa nó vào trạng thái hoạtđộng thì Shell sẽ chuyển sang trạng thái sẵn sàngnhận lệnh mới, nhờ vậy Shell có khả năng khởi tạonhiều tiến trình đáp ứng yêu cầu để nó hoạt độngsong song với nhau

Tài nguyên hệ thống

• Là những tồn tại về mặt vật lý tại một thời điểm nhất định hoặc tại mọi thời điểm, và nó có khả năng tác động đến hiệu suất của hệ thống.

- Tài nguyên không gian: Là các không gian lưu trữ của hệ thống như đĩa, bộ nhớ chính.

- Tài nguyên thời gian: Là thời gian thực hiện

lệnh của processor và thời gian truy xuất dữ

liệu trên bộ nhớ.

• Là những tồn tại về mặt vật lý tại một thời điểm nhất định hoặc tại mọi thời điểm, và nó có khả năng tác động đến hiệu suất của hệ thống.

- Tài nguyên không gian: Là các không gian lưu trữ của hệ thống như đĩa, bộ nhớ chính.

- Tài nguyên thời gian: Là thời gian thực hiện

lệnh của processor và thời gian truy xuất dữ

liệu trên bộ nhớ.

Bộ nhớ

• Đặc trưng cơ bản của bộ nhớ là thời gian truy cập trực tiếp, thời gian truy cập tuần tự, và dung lượng nhớ.

• Phân biệt 2 khái niệm bộ nhớ và truy cập tới bộ nhớ:

• Phân biệt 2 khái niệm bộ nhớ và truy cập tới bộ nhớ:

- Bộ nhớ chỉ vùng vật lý chứa dữ liệu

- Truy cập bộ nhớ là quá trình tìm đến dữ liệu

trên bộ nhớ

Processor (Bộ xử lý)

• Là tài nguyên quan trọng nhất của hệ thống,

nó được truy cập ở mức câu lệnh và chỉ có

nó mới làm cho câu lệnh thực hiện.

• Trong thực tế khi xem xét về processor người ta chỉ chú ý đến thời gian xử lý của processor.

• Là tài nguyên quan trọng nhất của hệ thống,

nó được truy cập ở mức câu lệnh và chỉ có

nó mới làm cho câu lệnh thực hiện.

• Trong thực tế khi xem xét về processor người ta chỉ chú ý đến thời gian xử lý của processor.

Tài nguyên ảo

• Là loại tài nguyên cung cấp cho chương trình người sử dụng dưới dạng đã được biến đổi, nó chỉ xuất hiện khi hệ thống cần tới nó hoặc khi hệ thống tạo ra nó và nó sẽ

tự động mất đi khi hệ thống kết thúc hay chính xác hơn là khi tiến trình gắn với nó

đã kết thúc.

• Đĩa ảo trong môi trường MS_DOS

• Là loại tài nguyên cung cấp cho chương trình người sử dụng dưới dạng đã được biến đổi, nó chỉ xuất hiện khi hệ thống cần tới nó hoặc khi hệ thống tạo ra nó và nó sẽ

tự động mất đi khi hệ thống kết thúc hay chính xác hơn là khi tiến trình gắn với nó

đã kết thúc.

• Đĩa ảo trong môi trường MS_DOS

Lời gọi hệ thống

• Để tạo môi trường giao tiếp giữa chương trình của người sử dụng và hệ điều hành, hệ điều hành đưa ra các lời gọi hệ thống.

• Chương trình của người sử dụng dùng các lời gọi hệ thống để liên lạc với hệ điều hành

và yêu cầu các dịch vụ từ hệ điều hành.

• Phải phân biệt sự khác nhau giữa Shell và System Call.

• Để tạo môi trường giao tiếp giữa chương trình của người sử dụng và hệ điều hành, hệ điều hành đưa ra các lời gọi hệ thống.

• Chương trình của người sử dụng dùng các lời gọi hệ thống để liên lạc với hệ điều hành

và yêu cầu các dịch vụ từ hệ điều hành.

• Phải phân biệt sự khác nhau giữa Shell và System Call.

Phân loại hệ điều hành

• Dựa vào cách mà hệ điều hành thực hiện các công việc, các tác vụ, các tiến trình của người

sử dụng để phân loại hệ điều hành.

• Hệ điều hành xử lý theo lô đơn giản.

• Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương.

• Hệ điều hành chia sẻ thời gian.

sử dụng để phân loại hệ điều hành.

• Hệ điều hành xử lý theo lô đơn giản.

• Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương.

• Hệ điều hành chia sẻ thời gian.

• Hệ điều hành đa vi xử lý.

• Hệ điều hành xử lý thời gian thực.

• Hệ điều hành mạng.

Hệ điều hành xử lý theo lô đơn giản

• Thực hiện các tác vụ lần lượt theo những chỉ thị đã được xác định trước.

• Khi một tác vụ chấm dứt thì hệ thống sẽ tự động thực hiện tác vụ tiếp theo mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.

• Hệ điều hành phải có bộ phận giám sát thường trực thường trú trong bộ nhớ chính.

• Với cách tổ chức hàng đợi tác vụ, hệ thống không thể

thay đổi chương trình và dữ liệu của các tác vụ ngay

cả khi chúng còn nằm trong hàng đợi.

• Nếu tác vụ chuyển sang truy xuất trên thiết bị vào/ra thì processor rơi vào trạng thái chờ gây lãng phí thời gian

xử lý processor.

• Thực hiện các tác vụ lần lượt theo những chỉ thị đã được xác định trước.

• Khi một tác vụ chấm dứt thì hệ thống sẽ tự động thực hiện tác vụ tiếp theo mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài.

• Hệ điều hành phải có bộ phận giám sát thường trực thường trú trong bộ nhớ chính.

• Với cách tổ chức hàng đợi tác vụ, hệ thống không thể

thay đổi chương trình và dữ liệu của các tác vụ ngay

cả khi chúng còn nằm trong hàng đợi.

• Nếu tác vụ chuyển sang truy xuất trên thiết bị vào/ra thì processor rơi vào trạng thái chờ gây lãng phí thời gian

xử lý processor.

Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương

• Có khả năng thực hiện nhiều tác vụ, nhiều chươngtrình đồng thời

• Hệ điều hành sẽ nạp một phần code và data củacác tác vụ vào bộ nhớ (các phần còn lại sẽ đượcnạp sau tại thời điểm thích hợp)

• Sau đó hệ điều hành bắt đầu thực hiện một tác vụ

• Tác vụ đang thực hiện cần truy xuất thiết bị vào/rathì processor sẽ được chuyển sang thực hiện cáctác vụ khác

• Có khả năng thực hiện nhiều tác vụ, nhiều chươngtrình đồng thời

• Hệ điều hành sẽ nạp một phần code và data củacác tác vụ vào bộ nhớ (các phần còn lại sẽ đượcnạp sau tại thời điểm thích hợp)

• Sau đó hệ điều hành bắt đầu thực hiện một tác vụ

• Tác vụ đang thực hiện cần truy xuất thiết bị vào/rathì processor sẽ được chuyển sang thực hiện cáctác vụ khác

Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương

Hệ điều hành chia sẻ thời gian

• Chia sẻ thời gian xử lý CPU cho các tác vụ là chia

sẻ thời gian xử lý của processor cho các tác vụ, cáctiến trình đang ở trong trạng thái sẵn sàng thực hiện

• Việc chuyển processor từ tác vụ khác không phụthuộc vào việc tác vụ hiện tại có truy xuất đến thiết

bị vào/ra hay không mà chỉ phụ thuộc vào sự điềuphối processor của hệ điều hành

• Trong hệ điều hành này thời gian chuyển đổiprocessor giữa các tác vụ là rất nhỏ nên ta có cảmgiác các tác vụ thực hiện song song với nhau

• Còn gọi là hệ điều hành đa nhiệm

• Chia sẻ thời gian xử lý CPU cho các tác vụ là chia

sẻ thời gian xử lý của processor cho các tác vụ, cáctiến trình đang ở trong trạng thái sẵn sàng thực hiện

• Việc chuyển processor từ tác vụ khác không phụthuộc vào việc tác vụ hiện tại có truy xuất đến thiết

bị vào/ra hay không mà chỉ phụ thuộc vào sự điềuphối processor của hệ điều hành

• Trong hệ điều hành này thời gian chuyển đổiprocessor giữa các tác vụ là rất nhỏ nên ta có cảmgiác các tác vụ thực hiện song song với nhau

• Còn gọi là hệ điều hành đa nhiệm

Hệ điều hành xử lý thời gian thực

• Trong hệ điều hành này các tác vụ cầu thực hiện không được đưa vào hàng đợi mà được xử lý tức thời và trả lại ngay kết quả hoặc thông báo lỗi cho người sử dụng có yêu cầu.

• Hệ điều hành này hoạt động đòi hỏi sự phối hợp cao giữa phần mềm và phần cứng.

• Trong hệ điều hành này các tác vụ cầu thực hiện không được đưa vào hàng đợi mà được xử lý tức thời và trả lại ngay kết quả hoặc thông báo lỗi cho người sử dụng có yêu cầu.

• Hệ điều hành này hoạt động đòi hỏi sự phối hợp cao giữa phần mềm và phần cứng.

Thành phần quản lý tiến trình

• 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

• 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

- Quyết định tiến trình nào được nạp vào bộ nhớ.

• Bộ phận quản lý bộ nhớ chính của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:

Thành phần quản lý xuất nhập

• Bộ phận quản lý bộ nhớ chính của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:

- Gởi mã lệnh điều khiển đến thiết bị

- Tiếp nhận yêu cầu ngắt (Interrupt) từ các thiết bị

- Phát hiện và xử lý lỗi: quá trình trao đổi dữ liệu

thường xảy ra các lỗi

• Bộ phận quản lý bộ nhớ chính của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:

- Gởi mã lệnh điều khiển đến thiết bị

- Tiếp nhận yêu cầu ngắt (Interrupt) từ các thiết bị

- Phát hiện và xử lý lỗi: quá trình trao đổi dữ liệu

thường xảy ra các lỗi

Thành phần quản lý tệp tin

• Bộ phận quản lý tập tin của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:

- Tạo/ xoá một tập tin/ thư mục.

- Bảo vệ tập tin khi có hiện tượng truy xuất đồng thời.

- Cung cấp các thao tác xử lý và bảo vệ tập tin.

- Tạo mối quan hệ giữa tập tin và bộ nhớ phụ chứa tập tin.

- Tạo cơ chế truy xuất tập tin thông qua tên tập tin.

• Bộ phận quản lý tập tin của hệ điều hành thực hiện những nhiệm vụ sau:

- Tạo/ xoá một tập tin/ thư mục.

- Bảo vệ tập tin khi có hiện tượng truy xuất đồng thời.

- Cung cấp các thao tác xử lý và bảo vệ tập tin.

- Tạo mối quan hệ giữa tập tin và bộ nhớ phụ chứa tập tin.

- Tạo cơ chế truy xuất tập tin thông qua tên tập tin.

Thành phần bảo vệ hệ thống

• Hệ điều hành cần phải có các cơ chế để luôn đảmbảo các tài nguyên mà hệ điều hành đã cấp cho mộttiến trình thì chỉ có tiến trình đó được quyền tácđộng đến các thành phần này

• Thành phần này điều khiển việc sử dụng tài nguyên,đặc biệt là các tài nguyên dùng chung, đặc biệt làcác tiến trình hoạt động đồng thời với nhau, sao chokhông xảy ra sự tranh chấp tài nguyên giữa các tiếntrình hoạt đồng đồng thời và không cho phép cáctiến trình truy xuất bất hợp lệ lên các vùng nhớ củanhau

• Hệ điều hành cần phải có các cơ chế để luôn đảmbảo các tài nguyên mà hệ điều hành đã cấp cho mộttiến trình thì chỉ có tiến trình đó được quyền tácđộng đến các thành phần này

• Thành phần này điều khiển việc sử dụng tài nguyên,đặc biệt là các tài nguyên dùng chung, đặc biệt làcác tiến trình hoạt động đồng thời với nhau, sao chokhông xảy ra sự tranh chấp tài nguyên giữa các tiếntrình hoạt đồng đồng thời và không cho phép cáctiến trình truy xuất bất hợp lệ lên các vùng nhớ củanhau

Cấu trúc của hệ điều hành

• Hệ thống được chia thành một số lớp, mỗi lớp đượcxây dựng dựa vào lớp bên trong Lớp trong cùngthường là phần cứng, lớp ngoài cùng là giao diệnvới người sử dụng

• Mỗi lớp là một đối tượng trừu tượng, chứa dựngbên trong nó các dữ liệu và thao tác xử lý dữ liệu

đó Lớp n chứa dựng một cấu trúc dữ liệu và cácthủ tục có thể được gọi bởi lớp n+1 hoặc ngược lại

có thể gọi các thủ tục ở lớp n-1

• Hệ thống được chia thành một số lớp, mỗi lớp đượcxây dựng dựa vào lớp bên trong Lớp trong cùngthường là phần cứng, lớp ngoài cùng là giao diệnvới người sử dụng

• Mỗi lớp là một đối tượng trừu tượng, chứa dựngbên trong nó các dữ liệu và thao tác xử lý dữ liệu

đó Lớp n chứa dựng một cấu trúc dữ liệu và cácthủ tục có thể được gọi bởi lớp n+1 hoặc ngược lại

có thể gọi các thủ tục ở lớp n-1

Cấu trúc của hệ điều hành

Các tính chất chung của hệ điều hành

• Tin cậy và chuẩn xác.

Tin cậy và chuẩn xác

• Mọi công việc trong hệ thống đều phải có kiểm tra:

– Kiểm tra môi trường điều kiện thực hiện,

– Kiểm tra kết quả thực hiện,

• Nhiều chức năng KT: Chuyển giao cho phần cứng

• Ví dụ: Lệnh COPY A:F1.TXT B:

• Sau khi KT cú pháp, bắt đầu thực hiện lệnh Lầnlượt hệ thống sẽ KT gì và có thể có thông báo

nào?

• Mọi công việc trong hệ thống đều phải có kiểm tra:

– Kiểm tra môi trường điều kiện thực hiện,

– Kiểm tra kết quả thực hiện,

• Nhiều chức năng KT: Chuyển giao cho phần cứng

• Ví dụ: Lệnh COPY A:F1.TXT B:

• Sau khi KT cú pháp, bắt đầu thực hiện lệnh Lầnlượt hệ thống sẽ KT gì và có thể có thông báo

nào?

Tin cậy và chuẩn xác

• Kt CARD I/O,

• Tồn tại ổ đĩa?

• Thiết bị điện tử ổ đĩa?

• Động cơ ổ đĩa?

• Khả năng truy nhập của ổ đĩa?

• Khả năng truy nhập đĩa?

• Khả năng truy nhập của ổ đĩa?

• Khả năng truy nhập đĩa?

• Tồn tại file F1.TXT?

• Khả năng truy nhập file?

•

Hiệu quả

• Các tài nguyên của hệ thống phải được khai thác triệt để sao cho ngay cả trong điều kiện tài nguyên hạn chế vẫn có thể giải quyết được những yêu cầu phức tạp.

• Hệ thống cần phải duy trì được tính đồng bộ, không để các thiết bị tốc độ chậm trì hoãn họat động của toàn hệ thống.

• Các tài nguyên của hệ thống phải được khai thác triệt để sao cho ngay cả trong điều kiện tài nguyên hạn chế vẫn có thể giải quyết được những yêu cầu phức tạp.

• Hệ thống cần phải duy trì được tính đồng bộ, không để các thiết bị tốc độ chậm trì hoãn họat động của toàn hệ thống.