Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Cấu trúc hệ điều hành

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 2 
Cấu trúc hệ điều hành
1/17/2018
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Câu hỏi ôn tập chương 1
 Nêu cấu trúc hệ thống máy tính?
 HĐH có những chức năng chính nào?
 Theo góc độ hệ thống xử lý, HĐH được phân thành mấy
loại? Kể tên?
 Những yêu cầu của hệ điều hành đối với hệ thống chia sẻ
thời gian?
 Định nghĩa hệ điều hành?
1/17/2018 2Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mục tiêu chương 2
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
 Biết được các thành phần của hệ điều hành
 Hiểu được các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp
 Hiểu được cấu trúc của một hệ thống máy tính
Nội dung chương 2
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
 Các thành phần của hệ điều hành
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Lời gọi hệ thống (System call)
 Các chương trình hệ thống
(System programs)
 Cấu trúc hệ thống
 Máy ảo (Virtual machine)
Các thành phần của hệ điều hành
1/17/2018 5Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
 Quản lý tiến trình
 Quản lý bộ nhớ chính
 Quản lý file
 Quản lý hệ thống I/O
 Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp
 Hệ thống bảo vệ
 Hệ thống thông dịch lệnh
Quản lý tiến trình
 Tiến trình (hay Quá trình) là gì?
 Tiến trình khác chương trình ở điểm gì?
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
Quản lý tiến trình
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 7
 Để hoàn thành công việc, một tiến trình cần:
 CPU
 Bộ nhớ
 File
 Thiết bị I/O,
 Các nhiệm vụ chính:
 Tạo và hủy tiến trình
 Tạm dừng/ thực thi tiếp tiến trình
 Cung cấp các cơ chế
Đồng bộ hoạt động các tiến trình
Giao tiếp giữa các tiến trình
Khống chế tắc nghẽn
Quản lý bộ nhớ chính
 Bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý
 Để nâng cao hiệu suất sử dụng CPU, hệ điều hành cần quản
lý bộ nhớ thích hợp
 Các nhiệm vụ chính:
 Theo dõi, quản lý các vùng nhớ trống và đã cấp phát
 Quyết định sẽ nạp chương trình nào khi có vùng nhớ trống
 Cấp phát và thu hồi các vùng nhớ khi cần thiết
1/17/2018 8Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Quản lý bộ nhớ chính (tt)
1/17/2018 9Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Quản lý bộ nhớ chính (tt)
1/17/2018 10Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Quản lý file
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 11
 Hệ thống file
 File
 Thư mục
 Các dịch vụ chính:
 Tạo và xóa file/ thư mục
 Các thao tác xử lý file/ thư mục
 “ Ánh xạ” file/ thư mục vào thiết bị thứ cấp tương ứng
 Sao lưu và phục hồi dữ liệu
Quản lý hệ thống I/O
 Che dấu sự khác biệt của các thiết bị I/O trước người dùng
 Có chức năng:
 Cơ chế: buffering, caching, spooling
 Cung cấp giao diện chung đến các trình điều khiển thiết bị
 Bộ điều khiển các thiết bị phần cứng
1/17/2018 12Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp
 Bộ nhớ chính: kích thước nhỏ, là môi trường chứa tin không
bền vững => cần hệ thống lưu trữ thứ cấp để lưu trữ bền
vững các dữ liệu, chương trình
 Phương tiện lưu trữ thông dụng là đĩa từ, đĩa quang
 Nhiệm vụ của hệ điều hành trong quản lý đĩa
 Quản lý không gian trống trên đĩa(free space management)
 Cấp phát không gian lưu trữ (storage allocation)
 Định thời họat động cho đĩa (disk scheduling)
=> Sử dụng thường xuyên => ảnh hưởng lớn đến tốc độ của cả
hệ thống => cần hiệu quả
1/17/2018 13Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hệ thống bảo vệ
 Trong hệ thống cho phép nhiều user hay nhiều process diễn
ra đồng thời:
 Kiểm soát tiến trình người dùng đăng nhập/ xuất và sử dụng hệ
thống
 Kiểm soát việc truy cập các tài nguyên trong hệ thống
 Bảo đảm những user/process chỉ được phép sử dụng các tài
nguyên dành cho nó
 Các nhiệm vụ của hệ thống bảo vệ
Cung cấp cơ chế kiểm soát đăng nhập/ xuất
Phân định được sự truy cập tài nguyên hợp pháp và bất hợp pháp
(authorized/unauthorized)
Phương tiện thi hành các chính sách (enforcement of policies)
(vídụ: cần bảo vệ dữ liệu của ai đối với ai)
1/17/2018 14Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hệ thống thông dịch lệnh
 Là giao diện chủ yếu giữa người dùng và OS
 Ví dụ: shell, mouse-based window-and-menu
 Khi user login
 command line interpreter (shell) chạy, và chờ nhận lệnh từ
người dùng, thực thi lệnh và trả kết quả về.
 Các lệnh ->bộ điều khiển lệnh ->hệ điều hành
 Các lệnh chủ yếu:
Tạo, hủy, và quản lý tiến trình, hệ thống
Kiểm soát I/O
Quản lý bộ lưu trữ thứ cấp
Quản lý bộ nhớ chính
Truy cập hệ thống file và cơ chế bảo mật
1/17/2018 15Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Thực thi chương trình
 Thực hiện các thao tác I/O theo yêu cầu của chương trình
 Các thao tác trên hệ thống file
 Trao đổi thông tin giữa các tiến trình qua hai cách:
 Chia sẻ bộ nhớ (Shared memory)
 Chuyển thông điệp (Message passing)
 Phát hiện lỗi
 Trong CPU, bộ nhớ, trên thiết bị I/O (dữ liệu hư, hết giấy,)
 Do chương trình: chia cho 0, truy cập đến địa chỉ bộ nhớ
không cho phép.
1/17/2018 16Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt)
 Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ thống:
 Cấp phát tài nguyên (resource allocation)
Tài nguyên: CPU, bộ nhớ chính, ổ đĩa,
OS có các routine tương ứng
 Kế toán (accounting)
Nhằm lưu vết user để tính phí hoặc đơn giản để thống kê.
1/17/2018 17Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt)
 Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ thống:
 Bảo vệ (protection)
Hai tiến trình khác nhau không được ảnh hưởng nhau
Kiểm soát được các truy xuất tài nguyên của hệ thống
 An ninh (security)
Chỉ các user được phép sử dụng hệ thống mới truy cập được tài
nguyên của hệ thống (vd: thông qua username và password)
1/17/2018 18Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Lời gọi hệ thống
 Dùng để giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành
 Cung cấp giao diện giữa tiến trình và hệ điều hành
 Ví dụ: open, read, write file
 Thông thường ở dạng thư viện nhị phân (binary libraries) hay
giống như các lệnh hợp ngữ
 Trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao, một số thư viện lập trình
được xây dựng dựa trên các thư viện hệ thống (ví dụ Windows
API, thư viện GNU C/C++ như glibc, glibc++, )
 Ba phương pháp truyền tham số khi sử dụng system call
 Qua thanh ghi
 Qua một vùng nhớ, địa chỉ của vùng nhớ được gửi đến hệ điều hành
qua thanh ghi
 Qua stack
1/17/2018 19Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Lời gọi hệ thống (tt)
1/17/2018 20Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chuỗi các lời gọi hệ thống để copy nội dung từ file này đến file khác
Lời gọi hệ thống (tt)
1/17/2018 21Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Một số lời gọi hệ thống trong windows và unix
Các chương trình hệ thống
 Chương trình hệ thống (system program, phân biệt với
application program) gồm
 Quản lý hệ thống file: như create, delete, rename, list
 Thông tin trạng thái: như date, time, dung lượng bộ nhớ trống
 Soạn thảo file: như file editor
 Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: như compiler, assembler, interpreter
 Nạp, thực thi, giúp tìm lỗi chương trình: như loader, debugger
 Giao tiếp: như email, talk, web browser
 Người dùng chủ yếu làm việc thông qua các system program
(không làm việc “trực tiếp” với các system call)
1/17/2018 22Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc hệ thống
 Hệ điều hành là một chương trình lớn
 Nó có nhiều dạng cấu trúc khác nhau:
 Cấu trúc đơn giản - MS-DOS
 Cấu trúc phức tạp hơn – UNIX
 Cấu trúc phân tầng
 Cấu trúc vi nhân
1/17/2018 23Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Cấu trúc đơn giản (monolithic)
 MS-DOS: khi thiết kế, do giới
hạn về dung lượng bộ nhớ nên
không phân chia thành các
module (modularization) và
chưa phân chia rõ chức năng
giữa các phần của hệ thống
1/17/2018 24Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc phân tầng của MS-DOS
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Cấu trúc phức tạp hơn (more complex)
 UNIX: gồm hai phần có thể tách rời nhau
Nhân (cung cấp file system, CPU scheduling, memory
management, và một số chức năng khác)
và system program
1/17/2018 25Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Cấu trúc phân tầng: HĐH được chi thành nhiều lớp (layer).
 Lớp dưới cùng: hardware
 Lớp trên cùng là giao tiếp với user
 Lớp trên chỉ phụ thuộc lớp dưới
 Một lớp chỉ có thể gọi các hàm của lớp dưới và các hàm của nó được
gọi bởi lớp trên
 Mỗi lớp tương đương một đối tượng trừu tượng: cấu trúc dữ liệu +
thao tác
 Phân lớp có lợi ích gì?
 Gỡ rối (debugger)
 kiểm tra hệ thống
 thay đổi chức năng
1/17/2018 26Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Cấu trúc phân tầng:
 Lần đầu tiên được áp dụng cho HĐH THE (Technische Hogeschool
Eindhoven)
1/17/2018 27Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Vi nhân: phân chia module theo microkernel (CMU Mach OS,
1980)
 Chuyển một số chức năng của OS từ kernel space sang user space
 Thu gọn kernel => microkernel, microkernel chỉ bao gồm các chức
năng tối thiểu như quản lý tiến trình, bộ nhớ và cơ chế giao tiếp
giữa các tiến trình
 Giao tiếp giữa các module qua cơ chế truyền thông điệp
1/17/2018 28Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Application
File
server
OS/2
application
OS/2
server
POSIX
application
POSIX
server
Microkernel
một module
Cấu trúc hệ thống (tt)
 Vi nhân:
 Lợi ích: dễ mở rộng HĐH
 Một số HĐH hiện đại sử dụng vi nhân:
 Tru64 UNIX (Digital UNIX trước đây): nhân Mach
 Apple MacOS Server : nhân Mach
 QNX – vi nhân cung cấp: truyền thông điệp, định thời CPU,
giao tiếp mạng cấp thấp và ngắt phần cứng
 Windows NT: chạy các ứng dụng khác nhau win32, OS/2,
POSIX (Portable OS for uniX)
1/17/2018 29Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Máy ảo
 Làm thế nào để thực thi một
chương trình MS-DOS trên một
hệ thống Sun với hệ điều hành
Solaris ?
 Tạo một máy ảo Intel bên trên hệ
điều hành Solaris và hệ thống
Sun
 Các lệnh Intel (x86) được máy ảo
Intel chuyển thành lệnh tương
ứng của hệ thống Sun
1/17/2018 30Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Sun hardware
Solaris kernel
VM interpretation 
Intel x86 VM
Intel x86 Application
Máy ảo (tt)
1/17/2018 31Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Máy ảo (tt)
1/17/2018 32Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Non-virtual machine
system model
Virtual machine system model
processes
kernel
hardware
processes
processes
processes
kernel kernel kernel
VM1 VM2 VM3
Virtual-machine
implementation
hardware
programming
interface
Máy ảo (tt)
1/17/2018 33Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Ảo hóa phần cứng
Ảo hóa phần mềm
Tóm tắt lại nội dung buổi học
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 34
 Các thành phần của hệ điều hành
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp
 Lời gọi hệ thống (System call)
 Các chương trình hệ thống
(System programs)
 Cấu trúc hệ thống
 Máy ảo (Virtual machine)
Câu hỏi ôn tập chương 2
 Nêu các thành phần chính của hệ điều hành?
 Nêu các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp?
 Lời gọi hệ thống là gì? Nêu 1 vài ví dụ?
 Có mấy dạng cấu trúc hệ điều hành? Kể tên?
 Máy ảo dùng để làm gì? Có mấy loại? Cho ví dụ
 Tiến trình là gì? Các nhiệm vụ chính của thành phần quản lý
tiến trình?
1/17/2018 35Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
THẢO LUẬN
1/17/2018 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 36