Giáo trình về hệ điều hành

Trong hệ thống kiến thức chuyên ngành trang bị cho học sinh khoa Kỹ thuật máy tính và khoa tin học quản lý, giáo trình nguyên lý hệ điều hành góp phần cung cấp những nội dung kiến thức chung nhất về hệ điều hành máy tính. Nó giúp người học nắm bắt được những nguyên lý cơ bản và nguyên tắc làm việc của một hệt điều hành máy tính tổng quát. Từ đó có thể áp dụng để làm việc tốt với các hệ điều hành cụ thể trên thực tế, hình dung được xu hướng phát triển của các hệ điều hành mới trong tương lai.

HỆ ĐIỀU HÀNH

Giáo viên: Đỗ Tuấn Anh

Bộ môn Khoa học Máy tính Khoa Công nghệ Thông tin

ĐHBK Hà Nội anhdt@it-hut.edu.vn

MỤC ĐÍCH – YÊU CẦU

z Xét các vấn đề HĐH bất kỳ phải giải quyết,

z Phương thức giải quyết các vấn đề đó

z Hỗ trợ cho các môn khác trong việc xây dựng cơ

sở cho Tin học

z Những v/đ xem xét sẽ không lạc hậu trong tươnglai

MỤC ĐÍCH – YÊU CẦU

z Minh hoạ cho các v/đ lý thuyết,

z Khoảng cách giữa và thực tế công nghệ ở Tin

học nói chung và HĐH nói riêng gần như bằng 0

nề.

Thời gian biểu

Chương 0: Giới thiệu Hệ điều

ƒ Chương trình hệ thống: quản lý hoạt động của máy tính

ƒ Chương trình ứng dụng: giải quyết các bài toán của người

Phần mềm tạo nên môi trường của hệ thống gọi là Hệ điều hành

Hệ điều hành điều khiển và quản lý tài nguyên và tạo môi trường cho các chương trình ứng dụng thực hiện thao tác với tài nguyên.

1.2 Khái niệm Hệ điều hành

z Hệ điều hành là một chương trình hay một

z Sử dụng hiệu quả tài nguyên phần cứng

z Khai thác tối đa hiệu suất của phần cứng

z Hệ điều hành được coi như là hệ thống

quản lý tài nguyên.

2 Lịch sử phát triển của HĐH Lịch sử phát triển của HĐH luôn gắn liền với sự phát triển của máy tính điện tử

z Với hơn 10000 bóng chân không

z Ngôn ngữ lập trình và Hệ điều hành chưa được biếtđến

2 Lịch sử phát triển của HĐH

Chương I CÁC KHÁI NIỆM CƠ

BẢN

z 1- Cấu trúc phân lớp của hệ thống tính toán

z Máy tính điện tử đầu tiên ra đời năm 1944-1945,

z MTĐT được xây dựng và hoạt động theo nguyên lýVon Neuman: Máy tính được điều khiển bằng

chương trình và trong câu lệnh của chương trình

người ta chỉ nêu địa chỉ nơi chứa giá trị chứ không nêu trực tiếp giá trị.

Chương I CÁC KHÁI NIỆM CƠ

Cấu trúc phân lớp của hệ thống tính

p p ệ g toán

z Người lập trình thường nhầm lẫn € năng suất lậptrình thấp,

Cấu trúc phân lớp của hệ thống tính

toán

động vào MTĐT.

(V/d – Trao đổi vào ra) € tạo sẵn CT mẫu

(Standard Programs – SP) cung cấp cùng với máy.

USER

Tác động phần mềm lên phần

cứng

công nghệ, nhưng phần mềm đóng vai trò

quan trọng, nhiều khi có tính quyết định:

z Bàn phím,

z Máy in

Tác động phần mềm lên USER

kiện để khai thác triệt để và tối ưu thiết bị

Thay đổi nguyên lý làm việc:

2 – Các tài nguyên cơ bản

a) Bộ nhớ :

Vai trò,Gót chân Asin của hệ thống,Quan trọng: sử dụng như thế nào?

• Bảo vệ thông tin?

b) PROCESSOR

D) Tài nguyên chương trình

cho nhiều người dùng ( cấu trúc Reenter),

bảo cho cấu trúc hoạt động,

Nhiệm vụ của hệ thống đối với tài

3 - ĐỊNH NGHĨA HỆ ĐIỀU HÀNH

khác nhau đối với OS,

z Của người sử dụng,

z Của nhà quản lý,

z Của nhà kỹ thuật,

ĐỊNH NGHĨA HỆ ĐIỀU HÀNH

ưu,

bao

trù m máy

lô g íc

tài

ngu yên

khả năn g m

ới

Đĩa lô gic D:

Đĩa lô gic E:

Đĩa lô gic C:

Thực hiện

Người Lập trình hệ thống

z Đối thoại: để hệ thống gọn nhẹ + linh hoạt ,

hoặc cử chỉ).

z Hoàn thiện nhất:

z Thống kê UNESCO: 73% số công trình không hoànthành do khâu đặt v/đ,

z Các HCG khác: Cán bộ chuyên ngành + Cán bộ lậptrình,

z OS:

z Người lập trình giải quyết bài toán của chính mình

z Hiểu rõ: V/đ+khả năng công cụ+ khả năng bản thân

1974: 3 công trình xây dựng kỹ thuật tiêu biểu đỉnh cao trí tuệ loài người:

Hệ thống ĐT tự động liên lục địa,

Hệ thống Appolo đưa người lên mặt trăng,

OS IBM 360.

Tin cậy và chuẩn xác

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

z Kiểm tra môi trường điều kiện thực hiện,

z Kiểm tra kết quả thực hiện,

z Nhiều chức năng KT: chuyển giao cho phần cứng

z Ví dụ: Lệnh COPY A:F1.TXT B:

z Sau khi KT cú pháp, bắt đầu thực hiện lệnh Lần

lượt hệ thống sẽ KT gì và có thể có thông báo nào?

z Kt CARD I/O,

z Tồn tại ổ đĩa?

z Thiết bị điện tử ổ đĩa?

z Động cơ ổ đĩa?

z Khả năng truy nhập của ổ đĩa?

z Khả năng truy nhập đĩa?

z Nhiều thời điểm và giai đoạn khác nhau.

z Chú ý: bảo vệ và chống bảo vệ: cùng mức € không thể đảm bảo an toàn tuyệt đối!

Kế thừa và thích nghi

NGUYÊN LÝ MÔ ĐUN

Input/Output:

NGUYÊN LÝ PHỦ CHỨC NĂNG

z Mỗi công việc trong hệ thống thông thường có thể thực hiện

bằng nhiều cách với nhiều công cụ khác nhau,

z Lý do:

z Mỗi mô đun có hiệu ứng phụ chức năng,

z Người dùng có quyền khai thác mọi hiệu ứng phụ không phụ

thuộc vào việc công bố,

z Lập trình:Phải đảm bảo các tính chất của OS với mọi hiệu ứng phụ,

z Vai trò:

z Đảm bảo thuận tiện cho người dùng,

z Đảm bảo an toàn chức năng của hệ thống,

NGUYÊN LÝ MACROPROCESSOR

z Trong OS không có sẵn CT giải quyết v/đ,

z Khi cần thiết: Hệ thống tạo ra CT và thực hiện CT tạo ra:

z Nguyên lý này áp dụng với cả bản thân toàn bộ OS : Trên đía chỉ

có các thành phần Khi cần các thành phần được lắp ráp thành

HỆ ĐIỀU HÀNH (Nạp hệ thống).

z Lưu ý : Các nguyên lý Phủ chức năng và Macroprocessor trái với

lý thuyết lập trình có cấu trúc.

NGUYÊN LÝ BẢNG THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN

(Control Table, Control Block),

vật lý mà chỉ tham chiếu tới bảng tham số điều

khiển tương ứng.

đầu – Vùng hệ thống (System Area),

Cấu trúc file định kiểu

Một số loại bảng tham số :

cho mọi hệ điều hành: lưu trữ trong CMOS,

NGUYÊN LÝ GIÁ TRỊ CHUẨN

z Cách gọi khác: Nguyên tắc ngầm định (Default),

z Hệ thống chuẩn bị bảng giá trị cho các tham số

-bảng giá trị chuẩn,

z Khi hoạt động: nếu tham số thiếu giá trị € OS lấy từbảng giá trị chuẩn

z Vai trò của nguyên lý:

z Thuận tiện: không phải nhắc lại những giá trị thường dùng,

z Người dùng không cần biết đầy dủ hoặc sâu về hệ thống.

Nguyên lý giá trị chuẩn

NGUYÊN LÝ 2 LOẠI THAM SỐ

Tham số khoá – theo trình tự tuỳ ý.

z Hệ thống các chương trình điều khiển:

z Điều phối nhiệm vụ,

z Monitor,

II – QUẢN LÝ FILES VÀ THIẾT BỊ

z Thuận tiện cho người dùng

z Quản lý files: Cho phép người dùng:

z Tạo files ở các loại bộ nhớ ngoài,

z Tìm kiếm, truy nhập files,

Đảm bảo độc lập giữa CT và thiết bị

1 – Nguyên tắc phân cấp trong quản

TB Vào/Ra

TB Vào/Ra

TB Vào/Ra

TB Vào/Ra

TB Vào/Ra

TB Vào/Ra

Nguyên tắc phân cấp trong quản lý thiết bị ngoại vi

Macroprocessor,

Card,

chương trình kênh,

Kênh Multiplex

KỸ THUẬT PHÒNG ĐỆM

Không có Buffer

Buffer 512B

1B 0.01” 0.01”

512B ~5” 0.01”

5KB ~50” 0.1”

Các loại phòng đệm

z Phòng đệm chung hoặc gắn với file,

z Các Hệ QTCSDL còn hệ thống phòng đệm riêng đểnâng độ linh hoạt và tốc độ xử lý,

z Các loại bộ nhớ Cache và phòng đệm

z Ba kiểu tổ chức chính:

z Phòng đệm truy nhập theo giá trị ,

z Phòng đệm truy nhập theo địa chỉ ,

z Phòng đệm vòng tròn

Các loại phòng đệm

Các loại phòng đệm

Các loại phòng đệm

các hệ QT CSDL.

3 - SPOOL

Opearations On-Line,

z Thực hiện: thay thế thiết vị ngoại vi bằng thiết bịtrung gian (Đĩa cứng),

z Xử lý kết thúc:

z Sau khi kết thúc việc thực hiện CT,

z Đưa thông tin ra thiết bị yêu cầu

trao đổi vào ra của CT khác.

lượng thiết bị,

người dụng tạo SPOOL,

z Giai đoạn thực hiện : với mỗi phép trao đổi

vào ra hệ thống tạo 2 CT kênh:

z CT kênh I – theo thiết bị yêu cầu,

z CT kênh II – phục vụ ghi CT kênh I ra thiết bị

trung gian,

z Xử lý kêt thúc : Đọc CT kênh đã lưu và

chuyển giao cho kênh

4 – HỆ THỐNG QUẢN LÝ FILES

?

QUẢN LÝ FILE TRONG WINDOWS

TỔ CHỨC THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ

Tra ck

1 1

1

2 2 2

Sector

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

z Đánh số từ 1,

z Số Sector/track – Constant,

z Hệ số đan xen (Interleave) – nguyên tố cùng

nhau với số sector/track,

z Kích thước 1 sector:

z 128B

z 256B

z Cylinder: 0,1,2,

z Nhóm sectors liên tiếp lôgic,

z Đơn vị phân phối cho người dùng,

CẤU TRÚC THÔNG TIN TRÊN ĐĨA TỪ

BOOT SECTOR

13 1C 4 Địa chỉ tuyệt BS trong đĩa vật lý

14 20 4 Σ Sec / Disk (≥32MB) hoặc 0

15 24 4 Σ Sec / FAT

Boot Sector FAT 16

THƯ MỤC

z Đóng vai trò mục lục tra cứu, tìm kiếm,

z Mọi hệ thống đều phải có với những tên khác nhau

(Catalog, Directory, Folder, .),

z Các hệ thống của Microsoft và OS IBM – cấu trúc cây,

z UNIX - cấu trúc phân cấp,

z Thư mục = {Phần tử}, mỗi phần tử: 3210 B

z Phần tử ↔ file,

z Thư mục con và ROOT: File có cấu trúc

Cấu trúc phần tử thư mục tên

4 C 2 Thời điểm tạo file

5 E 2 Ngày tạo file

6 10H 2 Ngày truy nhập gần nhất

7 12 1 00 (Cho NT)

Phần tử 8.3

9 14 2 2 bytes cao của cluster xuất phát

10 16 2 Thời điểm cập nhật cuối cùng

11 18 2 Ngày cập nhật cuối cùng

12 1A 2 2 bytes thấp của cluster xuất phát

Cấu trúc phần tử tên dài

File Allocation Table

(FAT)

z Quản lý bộ nhớ phân phối cho từng file,

z Quản lý bộ nhớ tự do trên đĩa,

z Quản lý bộ nhớ kém chất lượng

z Đánh số:0, 1, 2,

z Bit Shutdown = 1 – Ra khỏi hệ thống đúng cách

z Bit Diskerror = 1 – không có lỗi truy nhập đĩa ở lần truynhập cuối cùng

z Từ phần tử 2 trở đi:

z Giá trị 0 – Cluster tự do,

z FF7 (FFF7, 0FFFFFF7) – Bad cluster,

z Các giá trị khác – đã phân phối,

z Các phần tử tương ứng những Clusters của một file - tạothành một danh sách móc nối,

z EOC (End of Cluster Chain) – FFF (FFFF, FFFFFFFF)

MASTER BOOT

z Nguyên tắc khai thác HD:

thước cố định,

Đĩa lô gic ( Logical Volume).

trong mỗi đĩa lô gic.

MASTER BOOT

Cấu trúc bảng phân vùng

z Bảng phân vùng = {4 phần tử},

z Mỗi phần tử sử dụng ↔ Đĩa lô gic,

z Tồn tại cơ chế cho phép tạo nhiều hơn 4 đĩa lô gíc trênmột đĩa vật lý

Cấu trúc phần tử bảng phân vùng

Truy nhập Boot Sector

III – QUẢN LÝ BỘ NHỚ

z Bộ nhớ tác động nhiều lên độ phức tạp của giải thuật,

z Phải giải quyết 2 v/đ trái ngược nhau:

z Tiết kiệm bộ nhớ,

z Tận dụng tối đa bộ nhớ cho phép

z Phần lớn các chương trình: viết trên ngôn ngữ lập trình: Assembler, VB, JAVA, VC++,

z Với người lập trình: CT và thực hiên CT là ánh xạ từ tên

sang giá trị

QUẢN LÝ BỘ NHỚ

1 – CÁC BƯỚC XỬ LÝ CT

CÁC BƯỚC XỬ LÝ CT

Biên tập (Link) Nạp và định vị

(Fetch)

Quản lý bộ nhớ Tiến trình QL

QL Processor

2 – CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH

z Bộ nhớ lô gíc:

z Không gắn với máy tính cụ thể,

z Không giới hạn về kích thước,

z Chỉ chứa 1 mô đun hoặc 1 CT,

z Chỉ phục vụ lưu trữ , không thực hiện.

z Quản lý bộ nhớ lô gíc ~ tổ chức chương trình,

z Mỗi cách tổ chức CT ⇔ cấu trúc CT,

z Mọi cấu trúc: đều được sử dụng trong thực tế

CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH

z Đặc trưng mô đun đích (Object Modul): chứa thông tin

về các moduls khác liên quan (các móc nối) € kích

z Cấu trúc mô đun,

z Cấu trúc phân trang.

z Một chương trình thực hiện có thể chứa nhiều cấu trúckhác nhau

CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH

z A) Cấu trúc tuyến tính : CT biên tập tìm và lắp ráp các mô đun thành một mô đun duy nhất, chứa đầy đủ thông tin để thực hiện CT,

Cấu trúc tuyến tính

z Đặc điểm :

z Đơn giản,

z Thời gian thực hiện: min,

z Lưu động (mobilable) cao,

z Tốn bộ nhớ: với mỗi bộ dữ liệu chỉ có 13% - 17% câu lệnh đóng vai trò tích cực

z Không dùng chung mô đun CT

B) CẤU TRÚC ĐỘNG

hệ thống để nạp, móc nối, xoá (Load, Attach, Delete) các mô đun khi cần thiết,

CẤU TRÚC ĐỘNG

z Các mô đun nạp trong quá trình thực hiện € vào

các files DLL ( dynamic Link Library)

z WIDOWS 98, WINDOWS XP – thư mục SYSTEM, SYSTEM32,

z Biên bản cài đặt, uninstall

z Winword, Excel, Vietkey

Các ngôn ngữ lập trình: ∃ công cụ tổ chức DLL

C) CẤU TRÚC OVERLAY

z Moduls € các lớp, lớp = {các moduls không tồn tại đồngthời}

z Moduls lớp i được gọi bởi moduls lớp i-1,

z Thông tin về các lớp: Sơ đồ tổ chức overlay, do user cungcấp cho Link,

z Link tạo sơ đồ quản lý overlay,

z Supervisor Overlay tổ chức thực hiện

z Đặc điểm:

z Phân phối bộ nhớ theo sơ đồ tĩnh,

z Files OVL

Ví dụ: FOXPRO, PCSHELL

Moduls mức 1

Moduls mức 2

Moduls mức 3

D) CẤU TRÚC MODULS

z Biên tập riêng từng mô đun,

z Tạo bảng quản lý mô đun để điều khiển thực hiện,

z Đặc điểm :

z Tự động hoàn toàn,

z Không cần phân phối bộ nhớ liên tục,

z Hiệu quả phụ thuộc vào cấu trúc ban đầu của CT nguồn,

z Dễ dàng sử dụng chung mô đun.

E) CẤU TRÚC PHÂN TRANG

z CT biên tập như cấu trúc tuyến tính,

z Chia thành các phần bằng nhau – trang,

z Tạo bảng quản lý trang

z Đặc điểm:

Tiết kiệm bộ nhớ,

3 - QUẢN LÝ BỘ NHỚ VẬT LÝ

z Đặc điểm:

z Có kích thước cụ thể,

z Có cấu hình sử dụng cụ thể.

z Phục vụ giai đoạn thực hiện CT:

z Bảo vệ thông tin,

Chế độ phân vùng cố định

z Đặc điểm :

z Mỗi vùng có một danh sách quản lý bộ nhớ tự do,

z Mỗi vùng: thực hiện một CT ứng dụng,

z Sơ đồ bảo vệ thông tin: theo toàn vùng

z Một số CT điều khiển phải dược copy vào từng vùng

z Phân lớp CT phục vụ để hạn chế lãng phí bộ nhớ,

z Mô hình : Tổ chức đĩa cứng.

CHẾ ĐỘ PHÂN VÙNG ĐỘNG

z Đặc điểm:

z Hệ số song song biến thiên,

z ∃ hiện tượng phân đoạn ngoài (External Fragmentation) € SWAPPING,

z Công cụ SWAPPING:

z Lệnh OP,

z Do OP thực hiện,

z Không mất thông tin.

z Nội dung SWAPPING

z Phức tạp của Swapping

Mô hình quản lý đĩa từ SUBST, DRVSPACE

CHẾ ĐỘ PHÂN VÙNG ĐỘNG

C) CHẾ ĐỘ QUẢN LÝ THEO MÔ ĐUN

0

SCB (Segment Control Block)

CHẾ ĐỘ QUẢN LÝ THEO MÔ ĐUN

z Thực hiện CT: địa chỉ dữ liệu phải biểu diễn dưới dạngmột cặp

z SCB € RAM, địa chỉ đầu của SCB € Rs- Segment

s

CHẾ ĐỘ QUẢN LÝ THEO MÔ ĐUN

z Đặc điểm:

z Không cần phân phối bộ nhớ liên tục,

z Không đòi hỏi công cụ đặc biệt € có thể áp dụng cho mọi MTĐT,

z Dễ dàng sử dụng chung mô đun giữa các CT,

z Hiệu quả phụ thuộc vào cấu trúc CT nguồn,

z Tồn tại hiện tượng phân đoạn ngoài (External

Fragmentation).

z Thiếu bộ nhớ, phận đoạn ngoài € Swapping

CHẾ ĐỘ QUẢN LÝ THEO MÔ ĐUN

z SWAPPING:

z Do hệ thống đảm nhiệm,

z Không mất thông tin,

z Nội dung swapping: đưa một hoặc một số mô đun ra bộ nhớ

ngoài, giải phóng chổ nạp mô đun mới.

z Cách chọn mô đun đưa ra: Option

z Mô đun tồn tại lâu nhất trong bộ nhớ,

z Mô đun có lần sử dụng cuối cùng cách đây lâu nhất,

z Mô đun có tần xuất sử dùng thấp nhất.

z IBM PC 286 trở lên:

z Một trong 2 chế độ của 286 và một trong 3 chế độ của 386 trở lên,

CHẾ ĐỘ PHÂN TRANG

CHẾ ĐỘ PHÂN TRANG

z Đặc điểm:

z Không cần phân phối bộ nhớ liên tục,

z Phải có công cụ kỹ thuật hõ trợ định vị trang,

z Không sử dụng chung mô đun giữa các CT,

z Hiệu quả không phụ thuộc vào cấu trúc CT nguồn,

z Bảng PCB có thể rất lớn,

z Không bị phân đoạn ngoài.

z Thiếu bộ nhớ (mọi trang đều đã được sử dụng) €

CHẾ ĐỘ PHÂN TRANG

z SWAPPING:

z Do hệ thống đảm nhiệm,

z Không mất thông tin,

z Nội dung swapping: đưa một trang ra bộ nhớ ngoài, giải phóng chổ nạp trang mới.

z Cách chọn trang đưa ra: Option

z Trang tồn tại lâu nhất trong bộ nhớ,

z Trang có lần sử dụng cuối cùngcách đây lâu nhất,

z Trang có tần xuất sử dùng thấp nhất.

E) CHẾ ĐỘ KẾT HỢP MÔ ĐUN – PHÂN

TRANG

CHẾ ĐỘ KẾT HỢP MÔ ĐUN – PHÂN TRANG

CHẾ ĐỘ KẾT HỢP MÔ ĐUN – PHÂN TRANG

z Thực hiện CT: địa chỉ dữ liệu phải biểu diễn dưới dạng một nhóm 3:

z SCB € RAM, địa chỉ đầu của SCB € Rs- Segment Register.

z Để đọc /ghi dữ liệu: cần 3 lần truy nhập tới bộ nhớ:

* (Rs) + s € truy nhập tới phần tử thứ s∈ SCB,

4 - QUẢN LÝ BỘ NHỚ TRONG IBM

liệu của CT bằng hoặc

kém ưu tiên hơn

Nhân

IBM PC

chung (G) và bộ nhớ riêng (L).

Chế độ Protected Mode

MCB

MCB

80386 - PENTUM

80386 - PENTUM

IV – QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH (PROCESS)

z 1 - Định nghĩa tiến trình:

z 2 – Phân loại : kế tiếp và song song,

z

Phân loại

Phân loại

Phân loại

z c) Phân cấp :

z Hệ thống QL tài nguyên tập trung: từ hệ thống,

z Hệ thống QL tài nguyên phân tán: từ vốn tài nguyêntiến trình chính,

tiến trình con € POST, WAIT.

z d) Đồng mức :

3 - BIỂU DIỄN TIẾN TRÌNH SONG

SONG

thực hiện song song (Trên 1 hoặc nhiều

máy).

4 – TÀI NGUYÊN GĂNG và ĐOẠN GĂNG

bị hạn chế, thông thường - bằng 1.

mọi tiến trình qua được chổ hẹp của mình.

Yêu cầu

vụ quá khả năng của mình,

găng,

trình cũng qua được đoạn găng,

găng được giải phóng, thì tài nguyên găng phải phục vụ ngay cho tiến trình đang chờ đợi.

Công cụ điều độ

z Cấp cao: do hệ thống đảm nhiệm, nằm ngoài tiếntrình được điều độ,

z Cấp thấp: cài đặt ngay vào trong tiến trình được

điều độ

z Phương pháp khoá trong,

z Phương pháp kiểm tra và xác lập,

z Kỹ thuật đèn báo