Bài giảng Hệ điều hành (Operating System)

Bài giảng Hệ điều hành (Operating System) trình bày tổng quan về hệ thống máy tính; các thành phần của hệ thống máy tính; lịch sử phát triển của hệ điều hành; quản lý bộ nhớ; bộ nhớ ảo; hệ thống quản lý tập tin; hệ thống quản lý nhập/xuất;... Mời các bạn tham khảo.

Trang 1

6/17/2009 Operating System 1

HỆ ðIỀU HÀNH

Trang 2

Tài liệu tham khảo He:

Slide bài giảng

Trang 3

* Tổng quan về hệ thống máy tính

+ HSA (Kiến trúc hệ thống phần cứng)

+ ISA (Kiến trúc bộ lệnh)

Trang 4

Để có thể hoạt động, bắt buộc phải có:

• - Hệ thống xử lý

* Các thành phần chính

của hệ thống máy tính:

Kiến trúc máy tính

• - Hệ thống lưu trữ

• - Hệ thống nhập xuất

Trang 5

Bộ nhớ trong

Bộ nhớ ngoài

Hệ thống lưu trữ

(RAM, ROM, Registers, Cache, Port)

(HD, FD, CD, DVD, USB disk, )

Trang 6

• - Kiểu dữ liệu

• - Tập thanh ghi

• - Tập lệnh

+ ISA (Kiến trúc bộ lệnh)

Trang 7

HSA

Hệ thống xử lý

Hệ thống lưu trữ

Hệ thống nhập xuất

Bộ nhớ trong

Bộ nhớ ngoài

CPU Các chip xử lý khác

Kiểu Dữ LiệuTập Thanh GhiTập Lệnh

ISA

(RAM, ROM, Thanh ghi, Cache, )

(Bàn phím, màn hình, chuột, loa, micro, modem, máy in, )

(HD, FD, CD, DVD, USB disk, )

Trang 8

- Hệ nhị phân (cơ số 2):

Hình thức thể hiện: 01001b, 11111001b, 11100b

* Các hệ thống số

- Hệ thập phân (cơ số 10):

Hình thức thể hiện: 9, 249, 28d,

- Hệ thập lục phân (cơ số 16):

Hình thức thể hiện: 9h, 0F9h, 1Ch,

Trang 9

- bit: đơn vị lưu trữ nhỏ nhất

* Các kiểu dữ liệu trong máy tính

- Byte: đơn vị truy xuất của chương trình

- Word: đơn vị truy xuất của máy tính

(có kích thước phụ thuộc vào CPU & lưu ngược theo đơn vị Byte – xem ví dụ)

- Chuỗi ký tự: lưu trữ theo thứ tự bình thường

- Số BCD: lưu trữ mỗi chữ số của 1 số thập phân

bằng một (hoặc nửa) Byte

Trang 10

* Tổ chức dữ liệu trên bộ nhớ trong

- Byte: đơn vị truy xuất bộ nhớ trong của phần mềm

(gồm 8 bit - bit phải nhất là bit 0 & bit trái nhất là bit 7)

- Word: đơn vị truy xuất của phần cứng (có kích thước

phụ thuộc vào CPU) hoặc 1 kiểu dữ liệu của phầnmềm (có kích thước phụ thuộc vào phần mềm tương ứng)

- Chuỗi ký tự: lưu trữ theo thứ tự bình thường

- Số nguyên: lưu ngược theo đơn vị Byte (khảo sát

các ví dụ cụ thể)

Trang 11

* Tổ chức thanh ghi:

+ Khái niệm thanh ghi:

Các thanh ghi trong CPU 8bit có kích thước 8bit, trong CPU 16bit có kích thước 16bit, trong CPU 32bit có kích thước 32bit đồng thời có luôn các thanh ghi của CPU 16 bit

- Là các vùng nhớ nhỏ lưu dữ liệu trong các chip xử lý

+ Kích thước thanh ghi:

Tính theo đơn vị bit – tùy thuộc chức năng của chip

- Có tốc độ truy xuất rất nhanh & tần suất sử dụng cao

+ Số lượng thanh ghi:

Thường rất ít, tùy thuộc mức độ xử lý & thiết kế của chip

CPU Intel 16 bit có 14 thanh ghi, phân thành 5 nhóm

Trang 12

* Tổ chức thanh ghi của CPU 16 bit:

+ Nhóm thanh ghi đoạn (Segment register):

- CS (Code Segment): lưu chỉ số của segment chứa CT ngôn ngữ máy.

- DS (Data Segment): lưu chỉ số segment chứa dữ liệu của CT.

- ES (Extra Segment): lưu chỉ số segment chứa dữ liệu bổ sung của CT.

- SS (Stack Segment): lưu chỉ số segment chứa ngăn xếp của CT.

(Trên CPU 32bit có thêm 2 thanh ghi FS, GS có chức năng tương tự như ES)

CT muốn truy xuất 1 vùng nhớ thì phải đưa chỉ số segment của vùng nhớ đó vào một thanh ghi đoạn

Trang 13

+ Nhóm thanh ghi con trỏ & chỉ mục (Pointer & Index Reg.)

- IP (Instruction Pointer): lưu offset của ô nhớ chứa lệnh kế tiếp.

- BP (Base Pointer): lưu offset của ô nhớ cần truy xuất.

- SP (Stack Pointer): lưu offset đỉnh ngăn xếp.

- SI (Source Index): lưu offset vùng nhớ nguồn cần đọc lên.

- DI (Destination Index): lưu offset vùng nhớ đích cần ghi xuống.

Mỗi thanh ghi trong nhóm này phải đi kèm với 1 thanh ghi trong nhóm thanh ghi đoạn mới biểu thị được vùng nhớ /ô nhớ cần truy xuất.

Trang 14

+ Nhóm thanh ghi đa dụng (General Register)

- AX (Accumulator Register): lưu các dữ liệu số, giá trị mặc định, …

- BX (Base Register): đóng vai trò chỉ số mảng,, cũng có thể lưu dữ liệu

- CX (Count Register): có thể dùng để định số lần lặp.

- DX (Data Register): lưu dữ liệu /kết quả tính toán (~AX).

Mỗi thanh ghi trong nhóm này đều cho phép sử dụng đến từng Byte, bằng cách thay chữ ‘X’ thành chữ ‘H’ để chỉ Byte cao, hoặc ‘L’ để chỉ Byte thấp (AH, BL, CL)

Xem như có thêm 8 thanh ghi mới

Trang 15

+ Thanh ghi cờ (Flag Register)

Không có tên, mỗi bit là 1 cờ, biểu diễn trạng trái của lệnh vừa thực hiện, hoặc đặt trạng trái cho lệnh thực hiện

Trang 16

* Hệ thống ngắt (Interrupt):

+ Khái niệm:

- Là các chương trình con (thủ tục /hàm) có sẵn trong máy

- Các hàm ngắt không chỉ có sẵn trong ROM BIOS mà còn

được Hệ Điều Hành bổ sung thêm

- Hàm ngắt không có tên mà thay vào đó là 1 con số (0 FF)

- Mỗi hàm ngắt lại chứa bên trong nó nhiều hàm con

- Tham số in./output của hàm ngắt được truyền qua thanh ghi

Trang 17

+ Phân loại:

Ngắt cứng Ngắt mềm

Ngắt trong

Ngắt ngoài

Ngắt do người dùng tạo

Ngắt của hệ thống

Ngắt của BIOS

Ngắt của HĐH

Trang 18

+ Chương trình ngắt:

Thường gồm nhiều đoạn chương trình con bên trong, mỗi đoạn thực hiện 1 công việc cụ thể nào đó, chỉ số của đoạn thể hiện trong AH Khi đó thân hàm ngắt có dạng (mã giả):

switch (AH) { case 0:

// hàm con 0 break;

case 1:

// hàm con 1 break;

case N:

// hàm con N break;

}

Trang 20

* Tổ chức dữ liệu trên đĩa từ

+ Cấu trúc vật lý :

- Hình tròn, gồm nhiều mặt, mỗi mặt có nhiều đường tròn

đồng tâm, trên các đường tròn có các cung tròn, thông thường mỗi cung chứa 4096 điểm từ (=4096bit = 512 byte)

- Mỗi mặt có tương ứng 1 đầu đọc để đọc hoặc ghi dữ liệu.

- Mỗi lần đọc /ghi ít nhất 1 cung tròn (512 B)

- Các cung tròn, đường tròn & đầu đọc (hoặc mặt) có các từ

gốc tương ứng là sector , track (hoặc cylinder ) & head.

- Mỗi lần truy xuất (đọc hoặc ghi đĩa) chỉ có thể thực hiện

trên N sector liên tiếp (N>=1)

Trang 21

+ Cấu trúc vật lý :

- Để truy xuất 1 sector cần phải chỉ ra vị trí của sector đó

Vị trí sector được thể hiện bằng 3 thông số: chỉ số sector, track & head

- Head được đánh số theo thứ tự từ trên xuống bắt đầu từ 0,

Track được đánh số theo thứ tự từ ngoài vào bắt đầu từ 0, Sector được đánh chỉ số theo thứ tự bắt đầu từ 1 theo chiều ngược với chiều quay của đĩa

- Địa chỉ của sector vật lý có ký hiệu : (sector, track, head)

Trang 22

+ Tổ chức đĩa logic:

- Là 1 dãy các sector được đánh chỉ số theo thứ tự tăng dần

bắt đầu từ 0

- Đĩa thật sự là đĩa vật lý nhưng vì truy xuất phải dùng đến 3

tham số rất bất tiện nên khái niệm đĩa logic được đưa ra để dễ hiểu, dễ thao tác /tính toán hơn.

N-1 4

3 2 1

0

…

- Mỗi sector trên đĩa logic tương ứng với 1 sector duy nhất

trên đĩa vật lý sao cho sau khi truy xuất sector K thì truy xuất tiếp sang sector K+1 là nhanh hơn so với tất cả các sector khác.

Trang 24

6/17/2009 Operating System 24ðĩa cứng

Trang 25

ðĩa cứng

Trên m ộ t track chia làm nhi ề u cung b ằ ng

nhau là 1 sector và ñượ c ñ ánh s ố t ừ m ộ t

Qua track m ớ i ñ ánh s ố l ạ i S ố sector trên

Trang 26

ðĩa cứng

ðơn vị cơ sở của ñĩa là sector (thường = 512

byte)ðĩa là thiết bị xuất nhập theo khối

Một sector ñược xác ñịnh bằng 2 cách:

Sector tương ñối: sector vật lý xác ñịnh bởi

head (ñánh số từ 0), track (ñánh số từ 0) trên

head và sector trên track (ñánh số từ 1)

Sector tuyệt ñối: sector logic xác ñịnh bởi mộtthông tin Cách ñánh số xác ñịnh sector tuyệt

ñối như sau: ñánh số hết trên một cylinder sau

ñó trở về mặt 0 ñể ñánh số tiếp theo cho mặt 0

của cylinder tiếp theo

Trang 28

Card Màn Hình

Chất lượng màn hình phụ thuộc vào card màn

hình Có 3 yếu tố ñể xác ñịnh chất lượng của card màn hình:

ðộ phân giải ví dụ 800x600

Số màu = số màu của 1 pixel ñược quy ñịnh bởi

số bit màu quản lý cho 1 pixel

Kích thước bộ nhớ = 1p * số trang Trong ñó 1p

=

= ñộ phân giải * số byte màu (1p là một trang

màn hình)

Trang 29

65536 màu = 216 màu = 2 byte màu

Tốc ñộ load hình 24 frame/s số trang là 24

Kích thứơc bộ nhớ = 1p * số trang = 1p * 24

Kích thước = ñộ phân giải * số byte màu * 24

Kích thước = 800*600*2*24 (byte) ≈ 22 (MB)

Trang 30

Câu hỏi ôn tập

1/ Cho một ñĩa cứng có dung lượng 640 MB, ñĩanày sử dụng 640 mặt Biết số sector trên 1 track

gấp ñôi số track trên một mặt Hỏi số sector trên

một cylinder cylinder là bao nhiêu?

2/ Cho một card màn hình có dung lượng 8 MB,

sử dụng 24 frame/s Hỏi card màn hình này có thể

sử dụng ñược những ñộ phân giải thông thường

nào khi số màu hiển thị là 256 màu

3/Tìm công thức xác ñịnh số hiệu sector tuyệt ñối

từ sector tương ñối và ngược lại

Trang 32

T ổ ng quan v ề H ệ ñ i ề u hành

Tr ầ n S ơ n H ả i Khoa Toán – Tin h ọ c

ðạ i h ọ c S ư ph ạ m TPHCM

Heavily reference to Operating System Slide of Hoang Than Anh Tuan, University of Pedagogy, HCMC

Trang 35

ðị nh ngh ĩ a HðH

•HðH là một chương trình hoạt ñộng như là một

trung gian giữa người dùng và phần cứng máy

tính

•Mục ñích của HðH:

–Kiểm soát và thực thi các chương trình ứng dụng.

–Quản lý tiến trình –Quản lý CPU

–Giúp người sử dụng dễ sử dụng máy vi tính.

–Sử dụng tài nguyên phần cứng máy tính một cách

hiệu quả

–Quản lý ñĩa cứng –Quản lý bộ nhớ

Trang 36

OS Kernel

Hard ware

Trang 37

Vai trò của HðH (trạng thái tĩnh)

(tt)

Trang 38

Vai trò của HðH (trạng thái ñộng) (tt)

Trang 39

Phân l ớ p trong m ộ t h ệ th ố ng

Người dùng

Lập trình viên

Kỹ sư thiết kế HðH

Phần cứng

Hệ ñiều hành Chức năng hỗ trợ

tác dễ dần

ðộ phức tạp tăng dần

Trang 40

Lệnh của máy

Trang 44

l ư u trong vector ng ắ t (interrupt vector)

– Vector ng ắ t ñượ c l ư u trong m ộ t v ị trí b ộ nh ớ ñượ c ñị nh tr ướ c

Trang 45

X ử lý ng ắ t (tt)

• Khi m ộ t ng ắ t x ả y ra:

– CPU chuy ể n sang ch ế ñộ Kernel

– Chuy ể n quy ề n ñ i ề u khi ể n cho b ộ x ử lý ng ắ t

thích h ợ p

– ðị a ch ỉ c ủ a b ộ x ử lý ng ắ t ñượ c tìm th ấ y b ằ ng cách s ử d ụ ng s ố th ứ t ự c ủ a ng ắ t nh ư là m ộ t

ch ỉ s ố ñề vector ng ắ t:

• Jump &int[interrupt#]

Trang 48

L ờ i g ọ i h ệ th ố ng

• H ệ ñ i ề u hành cung c ấ p m ộ t t ậ p h ợ p các d ị ch v ụ h ệ

th ố ng (các ch ứ c n ă ng mà h ệ ñ i ề u hành cung c ấ p,

th ườ ng liên quan ñế n ph ầ n c ứ ng).

– Nh ằ m giúp cho các ch ươ ng trình ứ ng d ụ ng không c ầ n quan tâm

Trang 49

Chương trình người dùng không thể truy cập

vào các cấu trúc nội tại của HðH; chỉ có thể

thông qua lời gọi hệ thống ( protection! )

Cơ chế bảo vệ phân lớp

Trang 50

• Ch ế ñộ thi hành ñượ c ch ỉ ra b ở i m ộ t bit trong

word tr ạ ng thái x ử lý (processor status word)

(PSW)

Trang 52

• Ánh x ạ các trang b ộ nh ớ ñế n không gian

ñị a ch ỉ c ủ a m ộ t ti ế n trình xác ñị nh

• Ch ỉ th ị ñặ c m ứ c ñộ ư u tiên c ủ a ng ắ t

• Ch ỉ th ị ñể kích ho ạ t thi ế t b ị I/O

Trang 56

• V ẽ mô hình phân l ớ p trong m ộ t h ệ th ố ng

và trình bày vai trò c ủ a h ệ ñ i ề u hành trong

ñ ó.

• Tìm hi ể u các l ệ nh trong MS-DOS (dir,

copy, copy con, del, ipconfig, netstat,

ipconfg /all, nslookup,

Trang 57

L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a HðH

Trang 59

• Một ñiều phối viên

• Một người bạn: giúp máy tính dễ sử dụng

• Một phù thủy: làm cho hệ thống có vẻ có nhiều hơn cái thật sự nó có (nhiều vi xử lý, nhiều bộ nhớ hơn)

– Công việc của hệ ñiều hành dựa theo phần cứng.

Trang 61

6/17/2009 4

2 Dự án chế tạo máy ENIAC(Electronic

Numerical Integrator and Computer) ñược BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu ñạn ñạo quân ñội Mỹ) bắt ñầu vào năm

1943 dùng cho việc tính toán chính xác và nhanh chóng các bảng số liệu ñạn ñạo cho từng loại vũ khí mới

- 5000 phép cộng/ 1s

- ðặc biệt sử dụng hệ ñếm thập phân

Trang 62

Ừ Dùng các bảng tổng ựài ựể ựiều khiển máy tắnh

Ừ Người sử dụng ngồi trước bảng ựiều khiển

Ừ Không có sự chồng nhau giữa việc tắnh toán, I/O và thời gian suy nghĩa của người dùng

Ừ Lập trình bằng cách ựưa phiếu ựục lỗ vào bằng tay

Ừ đã có thư viện ựược viết dùng chung cho mọi người tiền thân của hệ ựiều hành

Ừ Vấn ựề: chờ ựợi quá lâu, quá nhiều

Trang 63

• HðH hỗ trợ làm vi c theo lô: một chương trình

tải công việc của người dùng vào, thi hành nó

Trang 64

Không có s ự b ả o v ệ gi ữ a các công vi ệ c khác nhau

Công vi ệ c có th ờ i gian thi hành ng ắ n s ẽ ph ả i ñợ i r ấ t lâu n ế u nó ñượ c

s ắ p sau công vi ệ c có th ờ i gian thi hành dài h ơ n.

H ð H tr ở nên m ộ t khoa h ọ c quan tr ọ ng

•OS/360: Hð H ñầ u tiên thi ế t k ế cho m ộ t h ọ các máy tính: t ừ máy tính

nh ỏ nh ấ t ñế n máy tính l ớ n nh ấ t.

Trang 65

6/17/2009 8

Vấn ñề

•OS/360 ñược giới thiệu vào năm 1963;

và ñến năm 1968 nó mới thật sự hoạt

Trang 66

6/17/2009 9

Giai ñ o ạ n 2:Máy tính r ẻ h ơ n - nhân

công ñắ t! (1975-1985)

Giúp con người tăng năng suất

Chia sẻ thời gian: cho phép nhiều người sử dụng máy tính

cùng một lúc.

•Thiết bị cuối rẻ: mọi người ñều có thể mua

•Dữ liệu ñược lưu trữ: dùng các hệ thống file

•Thử nghiệm cung cấp thời gian phản hồi chấp nhận ñược

(tránh tình trạng tranh chấp tài nguyên; sự ñổ vỡ

(thrashing))

Thị trường ñược ñịnh hướng bởi các ứng dụng theo chiều dọc CTSS:

•Phát triển tại MIT

•Một trong những hệ thống chia sẻ thời gian ñầu tiên

•Tiên phong trong việc lập lịch

•Khởi nguồn cho MULTICS.

Trang 68

– Ý t ưở ng m ớ i: H ð H có th ể di chuy ể n ñượ c!

– Các tr ườ ng ðH ñượ c cung c ấ p ñ o ạ n mã ñể tham kh ả o

– ð H Berkeley thêm vào h ỗ tr ợ b ộ nh ớ ả o cho VAX

– DARPA ch ọ n UNIX làm n ề n t ả ng m ạ ng (arpanet)

– UNIX tr ở thành HðH th ươ ng m ạ i.

– Các ý t ưở ng quan tr ọ ng ñượ c ph ổ bi ế n thông qua UNIX

– H ð H ñượ c vi ế t trên ngôn ng ữ c ấ p cao

– H ð H có th ể di chuy ể n ñượ c không ph ụ thu ộ c vào n ề n t ả ng ph ầ n

c ứ ng

– C ơ ch ế ñườ ng ố ng (pipe)

– H ệ th ố ng file có th ể ñượ c n ạ p.

Trang 69

Ti ế p c ậ n Bill Gates (Microsoft) ñể xem h ọ có th ể xây d ự ng

m ộ t cái v ậ y không

Bill Gates mua 86-DOS, và t ạ o nên MS-DOS

M ụ c ñ ích chính: hoàn thành nhanh và ch ạ y ñượ c các

ch ươ ng trình CP/M hi ệ n hành

H ð H tr thành m t th vi n g m các th t c

con và các l nh có th thi hành ñ c.

Trang 70

6/17/2009 13

Personal workstations

– The PERQ

– The Xerox Alto

– The SUN Workstation (Stanford University Network)

con l nh có th thi hành ñ c.

Trang 70

Định dạng
Số trang	471
Dung lượng	3,13 MB