Giáo trình Hệ điều hành

Giáo trình Hệ điều hành

OPEN.PTIT.EDU.VN HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGH THƠNG TIN vø w GIÁO TRÌNH H IU HÀNH (OPERATING SYSTEM) BIÊN SON NINH XN HI - HUNH TRNG THA NM 2008 OPEN.PTIT.EDU.VN 2 LI M U H iu Hành (Operating Systems) là mt thành phn không th thiu trong mt h thng máy tính. Mt máy tính mc dù đt tin, cu hình cao nhng nu không có h điu hành thì hu nh không th s dng đc. H điu hành điu khin mi hot đng ca máy tính, giúp vic s dng máy tính tr nên đn gin, d dàng và hiu qa hn rt nhiu. Do v y môn hc “H điu hành” là môn hc quan trng và rt cn thit trong chng trình đào to chuyên nghành tin hc  h cao đng và k s. Giáo trình “H điu hành” đc biên son theo chng trình đào to chuyên nghành tin hc  h cao đng và k s ca B giáo dc và đào to. Giáo trình đc chia thành 6 chng, chng 1, 2, 3, 4 do ging viên Ninh Xuân Hi biên son, chng 5, 6 do ging viên Hunh Trng Th a biên son. Tuy rng chúng tôi đã có nhiu c gng trong công tác biên son nhng chc chn giáo trình vn còn nhiu thiu sót, nên rt mong đc bn đc cng nh các đng nghip đóng góp ý kin đ giáo trình ngày càng hoàn thin, nhm mc đích phc v tt hn cho vic dy và hc tin hc đang ngày càng phát trin  nc ta. Mi s góp ý hoc thc mc xin gi v đa ch Email: hainx@ptithcm.edu.vn hoc htthua@ptithcm.edu.vn. Ngày 21 Tháng 11 Nm 2008 GV. biên son Ninh Xuân Hi - Hunh Trng Tha OPEN.PTIT.EDU.VN 3 CHNG I GII THIU H IU HÀNH Chng “GII THIU V H IU HÀNH ” s gii thiu và gii thích các vn đ sau: 1.1 H điu hành là gì, các khái nim ca h điu hành. 1.2 Lch s phát trin ca h điu hành 1.3 Các loi h điu hành 1.4 Các dch v ca h điu hành. 1.5 Cu trúc ca h điu hành 1.6 Nguyên lý thit k h đi u hành 1.1 CÁC KHÁI NIM 1.1.1 H điu hành là gì? H điu hành (operating systems) là chng trình đóng vai trò trung gian gia ngi s dng và phn cng ca máy tính. H điu hành che du s phc tp, đa dng ca phn cng, giúp vic s dng máy tính tr nên đn gin, hiu qu. Nhim v ca h điu hành là qun lý tài nguyên ca máy tính, thc thi các chng trình ng dng, h tr các chc nng m ng, vv … 1.1.2 Các thành phn ca mt h thng máy tính Mt h thng máy tính đc chia thành 4 thành phn sau: phn cng, h điu hành, chng trình ng dng/chng trình h thng, ngi s dng. + Phn cng (hardware) : CPU, b nh, các thit b nhp/xut,… + H điu hành (operating systems): điu khin và phi hp vic s dng phn cng cho nhiu ng dng vi nhiu ngi s dng khác nhau. + Ch ng trình ng dng và chng trình h thng (system and applications programs): là các chng trình gii quyt nhng vn đ ca ngi s dng nh là chng trình dch, h qun tr c s d liu, chng trình trò chi, chng trình thng mi,… + Ngi s dng (user): ngi s dng hoc máy tính. Hình 1.1: Các thành phn ca mt h thng máy tính OPEN.PTIT.EDU.VN 4 1.1.3 Các thành phn ca mt h thng nhp/xut Mt h thng nhp/xut gm ba thành phn sau: + H thng b nh đm (buffer-caching system) + Chng trình điu khin thit b (Drivers for specific hardware devices). + Chng trình giao tip vi chng trình điu khin thit b (A general device-driver interface). Chng trình giao tip vi chng trình điu khin thit b Chng trình điu khin thit b H thng b nh đm Hình 1.2: Các thành phn ca mt h thng nhp/xut 1.1.4 Các thành phn ca h điu hành H điu hành gm có ba thành phn sau: + B cp phát tài nguyên (Resource allocator): Qun lý và cp phát tài nguyên. + Chng trình kim soát (Control program): Kim soát vic thc thi chng trình và kim soát hot đng ca các thit b nhp/xut. + Phn nhân (Kernel): là chng trình “lõi” ca h điu hành, đc thc thi trc tiên và tn ti trong b nh cho đn khi tt máy (các chng trình khác gi là chng trình ng dng). B cp phát tài nguyên Chng trình kim soát Phn nhân Hình 1.3: Các thành phn ca h điu hành 1.2 LCH S PHÁT TRIN CA H IU HÀNH + Giai đon 1 (1945 – 1955): đã có máy tính ln nhng cha có h điu hành. + Giai đon 2 (1956 – 1965): h thng x lý theo lô (Batch systems) + Giai đon 3 (1966 – 1980): h thng x lý đa chng (Multiprogramming systems) , h thng x lý đa nhim (Multitasking systems). + Giai đon 4 (1981 - 2007 ): h thng đa x lý (Multiprocessor systems), h thng x lý phân tán (Distributed systems), h thng x lý thi gian thc (Real-time systems), h thng nhúng (Embedded systems). 1.3 PHÂN LOI H THNG MÁY TÍNH Mt h thng máy tính gm hai phn là h điu hành và phn cng tng ng đ thc thi h điu hành. 1.3.1 H thng x lý theo lô (Batch Systems) ây là h điu hành đu tiên, thô s nht. i vi h điu hành này thì ti mt thi đim ch có mt công vic trong b nh, khi thc hin xong mt công vic, công vic khác s đc t đng np vào và cho thc thi. H điu hành có mt chng trình, gi là b giám sát, thng trú trong b nh chính, giám sát vic thc hin dãy các công vic theo th t và t  đng. OPEN.PTIT.EDU.VN 5 Cách b trí b nh ca h điu hành x lý theo lô nh sau: phn b nh  đa ch thp dành cho h điu hành, phn còn li dành cho mt chng trình ca ngi dùng. Hình 1.4: mô hình t chc b nh ca h điu hành x lý theo lô Xem mt ví d v cách thc làm vic vi h thng x lý theo lô: - Lp trình viên mang phiu ghi chng trình đn máy 1401 - Máy s đc chng trình t phiu và ghi chng trình vào bng t - Lp trình viên đem bng t ti máy 7094 đ thc hin tính toán và kt qa đc ghi vào bng t - Lp trình viên đem bng t cha kt qa ti máy 1402 đ in Hình 1.5: ví d v cách thc x lý công vic vi h điu hành x lý theo lô 1.3.2 H thng x lý đa chng (MultiProgramming Systems) Ti mt thi đim có nhiu công vic trong b nh và khi mt công vic đang thc hin, nu có yêu cu nhp/xut thì CPU không ngh mà h điu hành s chuyn sang thc hin công vic khác. Ví d trong b nh hin có ba chng trình thc hin ba công vic. Nu công vic 1 yêu cu nhp/xut thì công vic 1 tm ngng, công vic 2 (hoc công vic 3) s đc th c hin. Khi thao tác nhp/xut ca công vic 1 xong thì công vic 1 s đc thc hin tip, công vic 2 s tm ngng,… Hình 1.6: mô hình t chc b nh ca h thng x lý đa chng OPEN.PTIT.EDU.VN 6 * Các chc nng ca h điu hành trong h thng x lý đa chng + Lp lch CPU (CPU scheduling): chn mt trong nhng công vic trong b nh cho thc thi (cho s dng CPU). Khi chn cn tránh trng hp mt công vic ch trong b nh quá lâu. + Qun lý b nh (Memory management): cn phi qun lý phn b nh nào đã cp phát và cp cho công vic nào (b nh cp phát cho mi công vic phi riêng bit), phn b nh nào cha cp, khi mt công vic th c thi xong cn thu hi phn b nh đã cp cho công vic đó. Nu mt công vic truy xut đn phn b nh đã cp cho công vic khác thì phi ngn cm. Nu b nh b phân mnh quá nhiu, cn dn b nh, vv… + Cp phát thit b (Allocation of devices): tình trng thit b rnh hay không rnh, thit b đã cp cho công vic nào, công vic nào c n đa vào hàng đi đ ch. Thit b nào có th dùng chung và ti đa bao nhiêu công vic s dng chung thit b cùng lúc, thit b nào không th dùng chung,… và phi tránh b tc nghn (các công vic ch vô hn đ đc cp tài nguyên). + Cung cp các hàm x lý nhp/xut (I/O routines): Các hàm nhp/xut s che du s phc tp và đa dng ca các thit b nhp/xut, qun lý vi c s dng chung các thit b nhp/xut. 1.3.3 H thng x lý đa nhim (Multitasking Systems) H thng x lý đa nhim là h thng m rng ca h thng x lý đa chng. i vi h điu hành trong h thng x lý đa nhim, vic chuyn đi công vic không ch công vic đang thc thi có yêu cu nhp/xut, mà khi công vic đang thc thi ht thi gian qui đnh s dng CPU thì vic chuyn đi công vic c ng s xy ra. Mi công vic đc thc hin luân phiên qua c ch chuyn đi CPU, thi gian mi ln chuyn đi din ra rt nhanh nên ngi s dng có cm giác là các công vic đang đc thi hành cùng lúc. H thng x lý đa nhim còn gi là h thng chia x thi gian (Time-Sharing Systems). Ví d h thng có môt CPU và hin có ba công vic A, B, C trong b nh. Ba công vic này s đc thc hin luân phiên: công vic A th c hin trong khong thi gian q (quantum) thì tm ngng, đn lt công vic B thc hin trong khong thi gian q, ri đn lt công vic C. Sau đó li đn lt A, … lp li vic thc thi các công vic cho đn khi tt c các công vic hoàn tt. Hình 1.7: các công vic A,B,C s dng cpu luân phiên trong h thng x lý đa nhim 1.3.4 H thng đa x lý (Multiprocessor Systems) Máy tính có nhiu b x lý cùng chia x h thng đng truyn d liu, đng h, b nh và các thit b ngoi vi. Mi CPU s thc hin mt công vic và khi đó các công vic s thc s din ra đng thi. H thng đa x lý còn gi là h thng x lý song song (Parallel Systems). time tas k A B C OPEN.PTIT.EDU.VN 7 Hình 1.7: mô hình h thng đa x lý: có nhiu cpu nhng s dng chung b nh * u đim ca h thng đa x lý + S hng hóc ca mt b x lý s không nh hng đn toàn b h thng. + H thng s thc hin rt nhanh do thc hin các công vic đng thi trên các b x lý khác nhau + Vic liên lc gia các công vic d dàng bng cách s dng b nh dùng chung. * Phân loi h thng đa x lý + H thng đa x lý đi xng (Symmetric MultiProcessing (SMP)): mi b x lý chy vi mt bn sao ca h điu hành và các b x lý là ngang cp. Các h điu hành hin nay đu h tr SMP. + H thng đa x lý bt đi xng (Asymmetric multiprocessing): Có mt b x lý chính (master processor) kim soát, phân vic cho các b x lý khác (slave processors). 1.3.5 H thng x lý phân tán (Distributed Operating Systems) Tng t nh h thng đa x lý nhng mi b x lý có b nh riêng. Các b x lý liên lc vi nhau thông qua các đng truyn dn mng. Mng LAN, WAN vi h điu hành Windows, UNIX chính là các h thng x lý phân tán. * Phân loi h thng x lý phân tán: có hai loi + Peer-to-peer: h thng mng ngang hàng, các máy tính ngang cp, không có máy nào đóng vai trò qun lý tài nguyên dùng chung. + Client-server: có mt máy đóng vai trò qun lý các tài nguyên dùng chung gi là máy server (máy ch), các máy khác gi là máy client (máy khách). Client mun s dng tài nguyên dùng chung phi đc server cp quyn. Mô hình h thng client-server: Hình 1.8: mô hình h thng x lý phân tán * u đim ca h thng x lý phân tán + Dùng chung tài nguyên: máy in, tp tin … + Tng tc đ tính toán: phân chia công vic đ tính toán trên nhiu v trí khác nhau + An toàn: Nu mt v trí b hng, các v trí khác vn tip tc làm vic. + Truyn thông tin d dàng: download/upload file, gi/nhn mail,… OPEN.PTIT.EDU.VN 8 1.3.6 H thng x lý thi gian thc (Real-Time Systems) H thng s cho kt qu chính xác trong khong thi gian nhanh nht. H thng thng dùng cho nhng ng dng chuyên dng nh là h thng điu khin trong công nghip. * Các loi h thng x lý thi gian thc + H thng x lý thi gian thc cng (Hard real-time): các công vic đc hoàn tt đúng thi đim qui đnh. + H thng x lý thi gian thc mm (Soft real-time): mi công vic có mt đ u tiên riêng và s đc thi hành theo đ u tiên. 1.3.7 H thng nhúng (Embedded Systems) H điu hành đc nhúng trong các thit b gia dng, các máy trò chi, Do các thit b gia dng có b nh ít, b x lý tc đ thp, kích thc màn hình nh nên h điu hành này cn đn gin, nh gn, có tính đc trng cho tng thit b. Ví d h điu hành dùng cho máy PDAs (Personal Digital Assistants), Mobil phones,… H thng nhúng còn đc gi là h thng cm tay (Handheld Systems). 1.4 CÁC DCH V CA H IU HÀNH H điu hành thông thng cn cung cp các dch v sau: - Qun lý tin trình - Qun lý b nh chính (RAM) - Qun lý b nh ph (DISK) - Qun lý h thng nhp xut - Qun lý h thng tp tin - Bo v h thng - H thng dòng lnh - Qun lý mng - Các li gi h thng (system calls). 1.4.1 Dch v qun lý tin trình (Process Management) Tin trình là mt chng trình đang thi hành. Trong b nh, ti mt thi đim có th có nhiu tin trình, mt s tin trình là ca h điu hành, mt s tin trình là ca ngi s dng. Khi tin trình đc to ra hoc đang thi hành s đc h điu hành cung cp các tài nguyên đ tin trình hot đng nh là CPU, b nh, tp tin, các thit b nh p/xut… Khi tin trình kt thúc, h điu hành s thu hi li các tài nguyên đã cp phát. Mt tin trình khi thc thi li có th to ra các tin trình con và hình thành cây tin trình. * Các chc nng ca dch v qun lý tin trình + To và hy các tin trình ca ngi s dng và ca h điu hành. OPEN.PTIT.EDU.VN 9 + Tm ngng và thc hin li mt tin trình. + Cung cp c ch đng b các tin trình. + Cung cp c ch liên lc gia các tin trình. + Cung cp c ch kim soát tc nghn. 1.4.2 Dch v qun lý b nh chính (Main Memory Management) Ti mt thi đim, trong b nh chính có th có nhiu tin trình, h điu hành cn phi qun lý phn b nh đã cp cho mi tin trình đ tránh xung đt. * Các chc nng ca dch v qun lý b nh chính + Lu gi thông tin v các v trí trong b nh đã s dng và tin trình nào đang s dng. + Quyt đnh chn tin trình đ np vào b nh chính khi b nh chính có ch trng. + Cp phát b nh cho tin trình và thu hi b nh khi tin trình thc thi xong. 1.4.3 Dch v qun lý b nh ph (Secondary Management)  lu tr d liu lâu dài, d liu cn lu trên đa dng tp tin, ngoài ra đa còn lu gi các tin trình khi b nh RAM không còn đ, vùng nh này gi là b nh o. * Các chc nng ca dch v qun lý b nh ph + Qun lý vùng trng trên đa (Free space management) + Xác đnh v trí ct gi d liu (Storage allocation). + Lp lch cho đa (Disk scheduling). 1.4.4 Dch v qun lý h thng nhp/xut (I/O System Management) H điu hành cn che du nhng đc thù ca các thit b phn cng, bng cách cung cp các chc nng x lý nhp xut đn gin, không ph thuc vào chi tit ca mi loi thit b. 1.4.5 Dch v qun lý h thng tp tin (File Management) Máy tính có th lu tr thông tin trong nhiu dng thit b vt lý khác nhau nh bng t, đa t, đa quang, Mi dng có có kh nng lu tr, tc đ truyn d liu và cách truy xut khác nhau. H điu hành cn đng nht cách truy xut h thng lu tr, đnh ngha mt đn v lu tr là tp tin. * Các chc nng ca dch v qun lý h thng tp tin + H tr các thao tác trên tp tin và th mc (to/xem/xoá/sao chép/di chuyn/đi tên). + Ánh x tp tin trên h thng lu tr ph. + Sao lu tp tin trên các thit b lu tr. OPEN.PTIT.EDU.VN 10 1.4.6 Dch v bo v h thng (Protection System) H điu hành cn cung cp c ch đ đm bo rng tài nguyên ch đc truy xut bi nhng tin trình có quyn. Ví d đm bo rng tin trình ch đc thi hành trong phm vi đa ch ca nó hoc đm bo rng không có tin trình nào đc chim CPU… 1.4.7 Li gi h thng (system call) Li gi h thng là tp lnh do h điu hành cung cp dùng đ giao tip gia tin trình ca ngi dùng và h điu hành, li gi h thng còn gi là ngt. Các li gi h thng có th đc chia thành các loi nh là tp lnh qun lý tin trình, tp lnh qun lý tp tin, tp lnh qun lý thit b, tp lnh dùng đ liên lc gia các tin trình. Mi li gi h thng có mt s hiu duy nht dùng đ phân bit li gi này vi li gi khác. Các đa ch ni cha mã lnh ca các ngt (li gi h thng) đc lu trong mt bng gi là bng vect ngt. Khi tin trình dùng li gi h thng, cn cung cp tham s cho li gi h th ng. Có ba phng pháp mà tin trình dùng đ chuyn tham s cho h điu hành: - Chuyn tham s vào thanh ghi - Lu tr tham s trong mt bng trong b nh và ghi đa ch bng vào thanh ghi - Lu tr tham s vào stack và tham s đc ly ra bi h điu hành . Ví d chuyn đa ch bng X (bng cha các tham s) vào thanh ghi, gi ngt 13. Ngt 13 là li gi h thng do h đ iu hành cung cp. Hình 1.9: truyn tham s dng bng cho ngt 13 Qun lý tin trình Li gi hàm Mô t Pid=fork() To mt tin trình con ging tin trình cha Pid=waitpid(pid, &statloc, options) i mt tin trình con kt thúc Exit(status) Kt thúc vic thc thi tin trình và tr v trng thái [...]... H i u hành c chia thành nhi u ph n (g i là các ti n trình server), m i ti n trình th c hi n m t d ch v nh là d ch v qu n lý t p tin, qu n lý ti n trình, qu n lý b nh , … Các ti n trình yêu c u (g i là ti n trình client) s g i yêu c u n m t ti n trình server, ti n trình server th c hi n và g i k t qu tr l i cho ti n trình client H t nhân ch có nhi m v ki m soát quá trình liên l c gi a các ti n trình. .. x tài nguyên m ng, liên l c gi a các ti n trình trên m ng, … 1.5 C U TRÚC H 1.5.1 C u trúc I U HÀNH n gi n H i u hành không c chia thành nh ng l p (ph n) rõ r t, m t l p có th g i hàm thu c b t k l p nào khác H i u hành này n gi n, d thi t k , d cài t nh ng khó b o v , khó m r ng, và khó nâng c p Ví d h i u hành MSDOS là h i u hành có c u trúc n gi n: ch ng trình 11 ghi tr c ti p lên màn Hình 1.11:... trình th c hi n nh p/xu t và t ch c h th ng nh p/xu t ng trình th c hi n nh p/xu t: + Ch ng trình nh p/xu t c a ng nh p/xu t c l p thi t b i dùng (user program): th c hi n các l i g i n ch ng trình T + Ch ng trình nh p/xu t c l p thi t b : còn g i là l i g i h th ng nh p/xu t ho c ng t nh p/xu t, do h i u hành cung c p, ch ng trình nh p/xu t c l p thi t b cung c p m t giao ti p ng nh t cho ch ng trình. .. máy khác nhau Hình 1.17: Mô hình h i u hành client-server trên m t máy 14 1 6 NGUYÊN LÝ THI T K H N i u hành client-server trên nhi u máy ED U V Hình 1.18: Mô hình h I U HÀNH + H i u hành c n d vi t, d s a l i, d nâng c p (nên vi t h vì d vi t và d s a l i h n là vi t b ng ngôn ng assembly) +H i u hành c n d cài +H i u hành c n d s d ng, d h c, an toàn, có i u hành b ng ngôn ng c p cao t, d b o trì,... cao và th c hi n nhanh + H i u hành c n có tính kh chuy n cao (th c hi n nhau) c trên m t nhóm các ph n c ng khác T + H i u hành c n có ch ng trình SYSGEN (System Generation) thu th p thông tin liên quan n ph n c ng thi t l p c u hình h i u hành cho phù h p v i m i máy tính TI TÓM T T PE N P M t h th ng máy tính g m có ph n c ng, h i u hành và các ch ng trình ng d ng H i u hành giúp cho vi c s d ng máy... n xu t thi t b cung c p? i u hành cung 7 Ch ng trình giao ti p v i ch ng trình i u khi n thi t b (general device-driver interface) do h i u hành hay do hãng s n xu t hay do ngôn ng l p trình hay do ng i l p trình cung c p? 15 8 Ph n nhân (kernel) c a h 9 Nêu khuy t i m c a h i u hành MS-DOS g m nh ng ch i u hành có c u trúc ng trình nào? n gi n TÀI LI U THAM KH O [1] Gary J Nutt, University of Colorado... hay b i u khi n a i u hành MS-DOS (c u trúc n gi n) O PE N P TI T H i u hành UNIX phiên b n u tiên c ng có c u trúc n gi n và c chia thành hai ph n: ph n system calls và ph n kernel Ph n kernel cung c p t t c các d ch v c a h i u hành Các ph n có th g i l n nhau Hình 1.12: c u trúc c a h i u hành UNIX phiên b n u tiên (c u trúc n gi n) 1.5.2 C u trúc phân l p H i u hành c chia thành nhi u l p, m i l... c p + M i d ch v c a h i u hành do m t ti n trình server m nh n, các ti n trình này nhau nên khi m t ti n trình server b l i, h th ng v n ho t ng PE + Các ti n trình server c th c hi n ch ng i dùng (user-mode), không ph i nhân (kernel-mode), nên không truy xu t tr c ti p ph n c ng cl pv i ch h t O + C u trúc client-server r t thích h p v i mô hình h th ng phân tán Các ti n trình server có th th c thi... u khi n thi t b (I/O controller) Hình 2.4: S giao ti p gi a các ch ng trình th c hi n nh p/xu t 19 * T ch c h th ng nh p/xu t th ng qu n lý nh p/xu t c phân chia thành 5 l p là: ti n trình ng i dùng (user processes), ng trình nh p/xu t c l p thi t b (device-independent software), ch ng trình i u khi n t b (device drivers), ch ng trình ki m soát ng t (interrupt handlers), ph n c ng (hardware) i l p... p trình h th ng cho máy vi tính IBM-PC t p 1 và 2, tác gi Michael Tischer i u hành (t p 1 & 2) O PE N P TI T [7] Tr n H nh Nhi & Lê Kh c Nhiên Ân & Hoàng Ki m Giáo trình h HKHTN 2000 16 CH NG 2 QU N LÝ NH P/XU T VÀ QU N LÝ H TH NG T P TIN Ch ng “QU N LÝ NH P/XU T VÀ QU N LÝ H TH NG T P TIN” s gi i thi u và gi i thích các v n sau: 2.1 Qu n lý nh p/xu t i u khi n thi t b nh p/xu t 2.1.3 Các ch ng trình