GIÁO TRÌNH HỆ ĐIỀU HÀNH

GIÁO TRÌNH HỆ ĐIỀU HÀNH

Giảng viên. Trần Hạnh Nhi - Lê Khắc Nhiên Ân

MỤC LỤC

1. Tổng quan về hệ điều hành

2. Phân loại hệ điều hành

3. Cấu trúc hệ điều hành

4. Lịch sử phát triển hệ điều hành

5. Bài tập tự giải

6. Các mô hình xử lý đồng hành

7. Khái niệm tiến trình(Process) và mô hình đa tiến trình(multiprocess)

8. Khái niệm tiểu trình(thread) và mô hình đa tiểu trình(multithread)

9. Tóm tắt và bài tập

10. Quản lý tiến trình

11. Điều phối tiến trình

12. Quản lý tiến trình-Tóm tắt

13. Liên lạc giữa các tiến trình và vấn đề đồng bộ hóa

14. Cơ chế thông tin liên lạc

15. Nhu cầu đồng bộ hóa(synchronisation)

16. Các giải pháp đồng bộ hóa

17. Các giải pháp "Sleep and wakeup"

18. Các vấn đề cổ điển của đồng bộ hoá

20. Quản lý bộ nhớ

21. Không gian địa chỉ và không gian vật lý

22. Cấp phát liên tục

23. Cấp phát không liên tục

24. Quản lý bộ nhớ-Tóm tắt

25. Bộ nhớ ảo

26. Thay thế trang

27. Cấp phát khung trang

28. Bộ nhớ ảo-Tóm tắt

29. Hệ thống quản lý tập tin

30. Mô hình tổ chức và quản lý các tập tin

31. Các phương pháp cài đặt hệ thống quản lý tập tin

32. Bảng phân phối vùng nhớ

33. Tập tin chia sẻ

19. Tắc nghẽn (Deadlock)34. Quản lý đĩa

35. Độ an toàn của hệ thống tập tin

36. Giới thiệu một số hệ thống tập tin

37. Windows95

38. Windowns NT

39. Unix

40. Hệ thống quản lý nhập-xuất

41. Phần cứng nhập-xuất

42. Phần mềm nhập xuất

43. Giới thiệu một số hệ thống I-O

44. Hệ thống I-O chuẩn (terminals)

45. Cài đặt đồng hồ

46. Bảo vệ an toàn hệ thống

47. Miền bảo vệ (Domain of Protection)

48. Ma trận quyền truy xuất ( Access matrix)

49. Cài đặt ma trận quyền truy xuất

50. An toàn hệ thống (Security)

51. Hệ điều hành windowns NT

52. Hệ điều hành Linux -Giới thiệu

53. Tổ chức hệ thống (Tổng số 250 trang - đầy đủ mục lục tự động)

Tổng quan về hệ điều hành

Bài học này cung cấp cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về những nguyên lý cơ bản của hệ điều hành. Chúng ta bắt đầu với việc xem xét mục tiêu và các chức năng của hệ điều này, sau đó khảo sát các dạng khác nhau của chúng cũng như xem xét quá trình phát triển qua từng giai đoạn. Các phần này được trình bày thông qua các nội dung như sau:

A. Khái niệm về hệ điều hành

B Phân loại hệ điều hành

C. Cấu trúc của hệ điều hành

D. Lịch sử phát triển của hệ điều hành

Bài học này giúp chúng ta hiểu được hệ điều hành là gì, có cấu trúc ra sao. Hệ điều hành được phân loại theo những tiêu chuẩn nào. Quá trình phát triển của hệ điều hành phụ thuộc vào những yếu tố nào. Bài học này đòi hỏi những kiến thức về: kiến trúc máy tính.

A. KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Hệ điều hànhlà một chương trình hay một hệ 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 dể 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.

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 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.

B. Phân loại hệ điều hành

1. Hệ thống xử lý theo lô

Bộ giám sát thường trực:

Khi một công việc chấm dứt, hệ thống sẽ thực hiện công việc kế tiếp mà không cần sự can thiệp của người lập trình, do đó thời gian thực hiện sẽ mau hơn. Một chương trình, còn gọi là 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.

CPU và thao tác nhập xuất:

CPU thường hay nhàn rỗi do tốc độ làm việc của các thiết bị nhập xuất (thường là thiết bị cơ) chậm hơn rất nhiều lần so với các thiết bị điện tử. Cho dù là một CPU chậm nhất, nó cũng nhanh hơn rất nhiều lần so với thiết bị nhập xuất. Do đó phải có các phương pháp để đồng bộ hóa việc hoạt động của CPU và thao tác nhập xuất.

Xử lý off_line:

Xử lý off_line là thay vì CPU phải đọc trực tiếp từ thiết bị nhập và xuất ra thiết bị xuất, hệ thống dùng một bộ lưu trữ trung gian. CPU chỉ thao thác với bộ phận này. Việc đọc hay xuất đều đến và từ bộ lưu trữ trung gian.

Spooling:

Spool (simultaneousperipheraloperationon-line) là đồng bộ hóa các thao tác bên ngoài on-line. Cơ chế này cho phép xử lý của CPU là online, sử dụng đĩa để lưu các dữ liệu nhập cũng như xuất.

2. Hệ thống xử lý theo lô đa chương

Khi có nhiều công việc cùng truy xuất lên thiết bị, vấn đề lập lịch cho các công việc là cần thiết. Khía cạnh quan trọng nhất trong việc lập lịch là khả năng đa chương. 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…

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.

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.

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.

Có nhiều nguyên nhân xây dựng dạng hệ thống này. Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công việc được thực hiện nhanh chóng hơn, Nhưng không phải theo đúng tỉ lệ thời gian, nghĩa là có n bộ xử lý không có nghĩa là sẽ thực hiện nhanh hơn n lần.

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.

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.

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 bộ xử lý thường được tham khảo với nhiều tên khác nhau như site, node, computer v.v.... tùy thuộc vào trạng thái làm việc của chúng.

Các nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là:

Chia xẻ tài nguyên: Một người sử dụng A có thể sử dụng máy in laser của người sử dụng B và người sử dụng B có thể truy xuất những tập tin của A. Tổng quát, chia xẻ tài nguyên trong 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 dữ liệu phân tán, in ấn tại một vị trí xa, sử dụng những thiết bị ở xa đểõ 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....

Mời bạn download sách giáo trình Hệ Điều Hành miễn phí

Ví Dụ Tính Toán Mố Trụ Cầu

Kỹ Thuật Điện Tử Công Nghiệp

Phân Tích Hóa Học Thực Phẩm

Đường Và Giao Thông Đô Thị

Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động

Hóa Học Các Hợp Chất Dị Vòng