Chương 1 Tổng quan về Hệ Điều Hành TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH I Mục tiêu Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau o Hiểu vai trò của hệ điều hành trong hệ thống máy tính o Bi[.]
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH I Mục tiêu Sau học xong chương này, người học nắm kiến thức sau: o Hiểu vai trò hệ điều hành hệ thống máy tính o Biết giai đoạn phát triển hệ điều hành o Hiểu khác biệt hệ điều hành qua giai đoạn o Hiểu cách giải vấn đề phát sinh hệ điều hành II Giới thiệu Hệ điều hành chương trình quản lý phần cứng máy tính Nó cung cấp tảng cho chương trình ứng dụng đóng vai trị trung gian giao tiếp người dùng máy tính phần cứng máy tính Hệ điều hành thiết lập cho tác vụ đa dạng Một vài hệ điều hành thiết kế tiện dụng số khác thiết kế hiệu kết hợp hai Để hiểu hệ điều hành gì, trước hết phải hiểu chúng phát triển Trong chương điểm lại phát triển hệ điều hành từ hệ thử nghiệm tới hệ đa chương chia thời Thông qua giai đoạn khác thấy cách thức mà thành phần hệ điều hành cải tiến giải pháp tự nhiên cho vấn đề hệ thống máy tính ban đầu Xem xét lý phía sau phát triển hệ điều hành cho đánh giá tác vụ hệ điều hành làm cách hệ điều hành thực chúng III Hệ điều hành gì? Một hệ điều hành thành phần quan trọng hệ thống máy tính Một hệ thống máy tính chia thành bốn thành phần: phần cứng, hệ điều hành, chương trình ứng dụng người dùng o Phần cứng (Hardware): bao gồm xử lý trung tâm (CPU), nhớ, thiết bị xuất/nhập, cung cấp tài nguyên cho hệ thống o Các chương trình ứng dụng (application programs): trình biên dịch (compiler), trình soạn thảo văn (text editor), hệ sở liệu (database system), trình duyệt Web, định nghĩa cách mà tài nguyên sử dụng để giải yêu cầu người dùng o Người dùng (user): có nhiều loại người dùng khác nhau, thực yêu cầu khác nhau, có nhiều ứng dụng khác o Hệ điều hành (operating system): hay cịn gọi chương trình hệ thống, điều khiển hợp tác việc sử dụng phần cứng chương trình ứng dụng khác cho người dùng khác Hệ điều hành khám phá từ hai phía: người dùng hệ thống User1 User2 compliler text editor UserN database t System and Application Programs Operating System Hardware Hình 0-1 Tầm nhìn trừu tượng thành phần hệ thống máy tính III.1 Tầm nhìn người dùng Tầm nhìn người dùng máy tính đa dạng giao diện dùng Hầu hết người dùng máy tính ngồi trước máy tính cá nhân gồm có hình, bàn phím, chuột xử lý hệ thống (system unit) Một hệ thống thiết kế cho người dùng độc quyền sử dụng tài nguyên để tối ưu hố cơng việc mà người dùng thực Trong trường hợp này, hệ điều hành thiết kế dễ dàng cho việc sử dụng với quan tâm lực không quan tới việc sử dụng tài nguyên Năng lực thực quan trọng với người dùng không vấn đề hầu hết hệ thống rãnh, chờ tốc độ xuất/nhập chậm từ phía người dùng Vài người dùng ngồi thiết bị đầu cuối (terminal) nối kết tới máy tính lớn (mainframe) hay máy tính tầm trung (minicomputer) Những người khác truy xuất máy tính thơng qua thiết bị đầu cuối khác Những người dùng chia sẻ tài nguyên trao đổi thông tin Hệ điều hành thiết kế để tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên-để đảm bảo tất thời gian sẳn dùng CPU, nhớ thiết bị xuất nhập sử dụng hữu hiệu không cá nhân người dùng sử dụng độc quyền tài nguyên chia sẻ công Những người dùng khác ngồi trạm làm việc, nối kết tới mạng trạm làm việc khác máy chủ Những người dùng có tài nguyên tận hiến trạm làm việc họ chia sẻ tài nguyên mạng máy chủtập tin, tính tốn máy phục vụ in Do đó, hệ điều hành họ thiết kế để thoả hiệp khả sử dụng cá nhân việc tận dụng tài nguyên Gần đây, đa dạng máy tính xách tay trở thành thời trang cho người làm việc lãnh vực công nghệ thông tin Các thiết bị sử dụng cá nhân người dùng Một vài máy tính nối mạng nối trực tiếp dây hay thông qua modem không dây Do giới hạn lượng (điện) giao diện, chúng thực tương đối thao tác xa Hệ điều hành thiết kế chủ yếu cho việc sử dụng cá nhân lực thực thời gian sống pin yếu tố quan trọng Một số máy tính có hay khơng có tầm nhìn người dùng Thí dụ, máy tính nhúng vào thiết bị gia đình xe ơtơ có bảng số đèn hiển thị trạng thái mở, tắt hầu hết chúng hệ điều hành thiết kế để chạy mà không cần giao tiếp III.2 Tầm nhìn hệ thống Từ quan điểm máy tính, hệ điều hành chương trình gần gủi với phần cứng Chúng ta thấy hệ điều hành cấp phát tài nguyên Hệ thống máy tính có nhiều tài ngun - phần cứng phần mềm - mà yêu cầu để giải vấn đề: thời gian CPU, không gian nhớ, không gian lưu trữ tập tin, thiết bị xuất/nhập, Hệ điều hành hoạt động quản lý tài nguyên Đương đầu với lượng lớn yêu cầu xung đột tài nguyên, hệ điều hành phải định cách cấp phát tài nguyên tới chương trình cụ thể người dùng để điều hành hệ thống máy tính hữu hiệu cơng Một tầm nhìn khác hệ điều hành nhấn mạnh cần thiết để điều khiển thiết bị xuất/nhập khác chương trình người dùng Một hệ điều hành chương trình điều khiển Chương trình điều khiển quản lý thực thi chương trình người dùng để ngăn chặn lỗi việc sử dụng khơng hợp lý máy tính Nó đặc biệt quan tâm với thao tác điều khiển thiết bị nhập/xuất Nhìn chung, khơng có định nghĩa hoàn toàn đầy đủ hệ điều hành Các hệ điều hành tồn chúng cách hợp lý để giải vấn đề tạo hệ thống máy tính sử dụng Mục tiêu hệ thống máy tính thực thi chương trình người dùng giải vấn đề người dùng dễ dàng Hướng đến mục tiêu này, phần cứng máy tính xây dựng Tuy nhiên, đơn phần cứng khơng dễ sử dụng phát triển chương trình ứng dụng Các chương trình khác đòi hỏi thao tác chung đó, chẳng hạn điều khiển thiết bị xuất/nhập Sau đó, chức chung điều khiển cấp phát tài nguyên đặt lại với vào phận phần mềm gọi hệ điều hành Cũng khơng có định nghĩa bao qt chấp nhận để xác định phần thuộc hệ điều hành, phần khơng Một quan điểm đơn giản thứ liên quan lệnh hệ điều hành nên xem xét Tuy nhiên, yêu cầu nhớ đặc điểm bên khác hệ thống Một định nghĩa bao quát hệ điều hành chương trình chạy liên tục máy tính (thường gọi nhân kernel), chương trình cịn lại thuộc chương trình ứng dụng III.3 Mục tiêu hệ thống Định nghĩa hệ điều hành làm dễ xác định hệ điều hành Mục đích hệ điều hành dễ dàng sử dụng Vì tồn hệ điều hành hỗ trợ nhiều cho máy tính việc đáp ứng ứng dụng người dùng Tầm nhìn đặc biệt rõ ràng nhìn hệ điều hành máy tính cá nhân Mục tiêu thứ hai hệ điều hành điều hành hữu hệ thống máy tính Mục tiêu đặc biệt quan trọng cho hệ thống lớn, chia sẻ, nhiều người dùng Những hệ thống tiêu biểu đắt, khai thác hiệu hệ thống điều mong muốn Tuy nhiên, hai mục tiêu tiện dụng hữu hiệu mâu thuẫn Trong khứ, xem xét tính hữu hiệu thường quan trọng tính tiện dụng Do đó, lý thuyết hệ điều hành tập trung nhiều vào việc tối ưu hố sử dụng tài ngun tính tốn Hệ điều hành phát triển dần theo thời gian Thí dụ, UNIX bắt đầu với bàn phím máy in giao diện giới hạn tính tiện dụng người dùng Qua thời gian, phần cứng thay đổi UNIX gắn vào phần cứng với giao diện thân thiện với người dùng Nhiều giao diện người dùng đồ hoạ GUIs (graphical user interfaces) bổ sung cho phép tiện dụng với người dùng quan tâm tính hiệu Thiết kế hệ điều hành công việc phức tạp Người thiết kế gặp phải nhiều thoả hiệp thiết kế cài đặt Nhiều người tham gia không mang đến hệ điều hành lợi điểm mà liên tục xem xét nâng cấp Để thấy rõ hệ điều hành hệ điều hành làm, xem xét cách chúng phát triển bốn mươi lăm năm qua Bằng cách lần theo tiến triển, xác định thành phần hệ điều hành thấy cách thức lý hệ điều hành phát triển chúng có Hệ điều hành kiến trúc máy tính có mối quan hệ khăng khít Để dễ dàng sử dụng phần cứng, hệ điều hành phát triển Sau đó, người dùng hệ điều hành đề nghị chuyển đổi thiết kế phần cứng để đơn giản chúng Nhìn lại lịch sử ngắn ngủi này, trọng cách giải vấn đề hệ điều hành để giới thiệu đặc điểm phần cứng IV Hệ thống mainframe Những hệ thống máy tính mainframe máy tính dùng để xử lý ứng dụng thương mại khoa học Trong phần này, lần theo phát triển hệ thống mainframe từ hệ thống bó (batch systems), máy tính chạy một-và -ứng dụng, tới hệ chia sẻ thời gian (time-shared systems), mà cho phép người dùng giao tiếp với hệ thống máy tính IV.1 Hệ thống bó Những máy tính thời kỳ đầu máy cực lớn chạy từ thiết bị cuối (console) Những thiết bị nhập thường đọc thẻ ổ đĩa băng từ Các thiết bị xuất thơng thường thường máy in dịng (line printers), ổ đĩa từ phiếu đục lỗ Người dùng không giao tiếp trực tiếp với hệ thống máy tính Thay vào đó, người dùng chuẩn bị cơng việc- chứa chương trình, liệu thơng tin điều khiển tính tự nhiên cơng việc-và gởi đến người điều hành máy tính Cơng việc thường thực phiếu đục lỗ Tại thời điểm sau (sau vài phút, hay ngày), liệu xuất xuất Dữ liệu xuất chứa kết chương trình kết xuất nhớ cuối nội dung ghi cho việc gở rối Hệ điều hành máy tính thời kỳ đầu tương đối đơn giản Tác vụ chuyển điều khiển tự động từ công việc sang công việc khác Hệ điều hành thường trú nhớ Hệ điều hành Vùng chương trình người dùng Hình 0-2 Sắp xếp nhớ cho hệ thống bó đơn giản Để tăng tốc việc xử lý, người điều hành bó cơng việc có u cầu chạy chúng thơng qua máy tính nhóm Do đó, lập trình viên đưa chương trình họ cho người điều hành Người điều hành xếp chương trình thành bó với u cầu máy tính sẳn dùng chạy bó Dữ liệu xuất từ cơng việc gởi lại cho lập trình viên tương ứng Trong môi trường thực thi này, CPU ln rảnh tốc độ thiết bị xuất/nhập dạng thực chất chậm tốc độ thiết bị điện Ngay CPU chậm (với hàng ngàn thị lệnh thực thi giây) làm việc vài phần trăm giây Thêm vào đó, đọc thẻ nhanh đọc 1200 thẻ thời gian phút (hay 20 thẻ giây) Do đó, khác biệt tốc độ CPU thiết bị xuất/nhập lần hay nhiều Dĩ nhiên theo thời gian, tiến công nghệ dẫn đến đời thiết bị nhập/xuất nhanh Tuy nhiên, tốc độ CPU tăng tới tỷ lệ lớn vấn đề khơng khơng giải mà cịn làm tăng Giới thiệu công nghệ đĩa cho phép hệ điều hành giữ tất công việc đĩa đọc thẻ Với việc truy xuất trực tiếp tới nhiều công việc, hệ điều hành thực định thời cơng việc, để sử dụng tài nguyên thực tác vụ hữu hiệu IV.2 Hệ đa chương Một khía cạnh quan trọng định thời công việc khả đa chương Thông thường, người dùng giữ CPU hay thiết bị xuất/nhập bận Đa chương gia tăng khả sử dụng CPU cách tổ chức cơng việc để CPU ln có cơng việc để thực thi Ý tưởng kỹ thuật đa chương minh hoạ sau: Hệ điều hành giữ nhiều công việc nhớ thời điểm Tập hợp công việc tập cơng việc giữ vùng cơng việc-bởi số lượng cơng việc giữ lúc nhớ thường nhỏ số cơng việc có vùng đệm Hệ điều hành lấy bắt đầu thực thi công việc có nhớ Cuối cùng, cơng việc phải chờ vài tác vụ thao tác xuất/nhập để hoàn thành Trong hệ thống đơn chương, CPU chờ trạng thái rỗi Trong hệ thống đa chương, hệ điều hành chuyển sang thực thi công việc khác Cuối cùng, công việc kết thúc việc chờ nhận CPU trở lại Chỉ cần công việc cần thực thi, CPU không trạng thái rỗi Hệ điều hành Công việc Công việc Công việc 512K Công việc Hình 0-3 Sắp xếp nhớ cho hệ đa chương Đa chương trường hợp hệ điều hành phải thực định cho người dùng Do đó, hệ điều hành đa chương tương đối tinh vi Tất công việc đưa vào hệ thống giữ vùng công việc Vùng chứa tất trình định vị đĩa chờ cấp phát nhớ Nếu nhiều cơng việc sẳn sàng mang vào nhớ không đủ khơng gian cho tất hệ điều hành phải chọn chúng Khi hệ điều hành chọn cơng việc từ vùng cơng việc, nạp cơng việc vào nhớ để thực thi Có nhiều chương trình nhớ thời điểm yêu cầu phải có quản lý nhớ Ngồi ra, nhiều công việc sẳn sàng chạy thời điểm, hệ thống phải chọn chúng Thực định định thời CPU Cuối cùng, nhiều công việc chạy đồng hành địi hỏi hoạt động chúng ảnh hưởng tới cơng việc khác bị hạn chế tất giai đoạn hệ điều hành bao gồm định thời trình, lưu trữ đĩa, quản lý nhớ IV.3 Hệ chia thời Hệ thống bó-đa chương cung cấp mơi trường nơi mà nhiều tài nguyên khác (chẳng hạn CPU, nhớ, thiết bị ngoại vi) sử dụng hiệu Tuy nhiên, khơng cung cấp giao tiếp người dùng với hệ thống máy tính Chia thời (hay đa nhiệm) mở rộng luận lý đa chương CPU thực thi nhiều công việc cách chuyển đổi qua lại chúng, chuyển đổi xảy thường xuyên để người dùng giao tiếp với chương trình chạy Một hệ thống máy tính giao tiếp (interactive computer) hay thực hành (handson computer system) cung cấp giao tiếp trực tuyến người dùng hệ thống Người dùng cho thị tới hệ điều hành hay trực tiếp tới chương trình, sử dụng bàn phím hay chuột chờ nhận kết tức Do đó, thời gian đáp ứng nên ngắn-điển hình phạm vi giây hay Một hệ thống chia thời cho phép nhiều người dùng chia sẻ máy tính thời điểm Vì hoạt động hay lệnh hệ chia thời phục vụ ngắn, thời gian CPU yêu cầu cho người dùng Khi hệ thống nhanh chóng chuyển từ người dùng sang người dùng kế, người dùng cho cảm giác toàn hệ thống máy tính tận hiến cho mình, thật máy tính chia sẻ cho nhiều người dùng Một hệ điều hành chia thời sử dụng định thời CPU đa chương để cung cấp người dùng với phần nhỏ máy tính chia thời Mỗi người dùng có chương trình riêng nhớ Một chương trình nạp vào nhớ thực thi thường gọi trình Khi trình thực thi, điển hình thực thi thời điểm ngắn trước kết thúc hay cần thực xuất/nhập Xuất/nhập giao tiếp; nghĩa liệu xuất hiển thị hình cho người dùng liệu nhập từ bàn phím, chuột hay thiết bị khác Vì giao tiếp xuất/nhập chủ yếu chạy “tốc độ người dùng”, khoảng thời gian dài để hồn thành Thí dụ, liệu nhập bị giới hạn tốc độ nhập người dùng; ký tự giây nhanh người dùng, chậm so với máy tính Thay để CPU rảnh người dùng nhập liệu, hệ điều hành nhanh chóng chuyển CPU tới chương trình khác Hệ điều hành chia thời phức tạp nhiều so với hệ điều hành đa chương Trong hai dạng, nhiều công việc giữ lúc nhớ hệ thống phải có chế quản lý nhớ bảo vệ Để đạt thời gian đáp ứng hợp lý, công việc hốn vị vào nhớ Một phương pháp chung để đạt mục tiêu nhớ ảo, kỹ thuật cho phép việc thực thi cơng việc khơng hồn tồn nhớ Ưu điểm chế nhớ ảo chương trình lớn nhớ vật lý Ngồi ra, trừu tượng hố nhớ thành mảng lưu trữ lớn đồng nhất, chia nhớ luận lý thấy người dùng từ nhớ vật lý Sự xếp giải phóng lập trình viên quan tâm đến giới hạn lưu trữ nhớ Các hệ chia thời phải cung cấp hệ thống tập tin Hệ thống tập tin định vị tập hợp đĩa; quản lý đĩa phải cung cấp Hệ chia thời cung cấp chế cho việc thực thi đồng hành, yêu cầu chế định thời CPU tinh vi Để đảm bảo thứ tự thực thi, hệ thống phải cung cấp chế cho việc đồng hố giao tiếp cơng việc, đảm bảo cơng việc khơng bị deadlock, chờ đợi công việc khác mãi Ý tưởng chia thời giới thiệu năm 1960, hệ chia thời phức tạp đắt để xây dựng, chúng không phổ biến năm 1970 Mặc dù xử lý theo bó thực hầu hết hệ thống ngày chia thời Do đó, đa chương chia thời chủ đế trung tâm hệ điều hành đại chúng chủ đề trọng tâm giáo trình V Hệ để bàn (Desktop system) Máy tính cá nhân (PC) xuất vào năm 1970 Trong suốt thập niên đầu, CPU PC thiếu đặc điểm cần thiết để bảo vệ hệ điều hành từ chương trình người dùng Do đó, hệ điều hành PC không đa người dùng đa nhiệm Tuy nhiên, mục tiêu hệ điều hành thay đổi theo thời gian; thay tối ưu hố việc sử dụng CPU thiết bị ngoại vi, hệ thống chọn lựa tối ưu hoá tiện dụng đáp ứng người dùng Các hệ thống gồm PC chạy hệ điều hành Microsoft Windows Apple Macintosh Hệ điều hành MS-DOS từ Microsoft thay nhiều ấn Microsoft Windows IBM nâng cấp MS-DOS thành hệ đa nhiệm OS/2 Hệ điều hành Apple Macintosh gắn nhiều phần cứng đại ngày chứa nhiều đặc điểm nhớ ảo đa nhiệm Với phát hành MacOS X, lõi hệ điều hành ngày dựa Mach FreeBSD UNIX cho mở rộng, lực đặc điểm giữ lại giao diện đồ hoạ người dùng GUI LINUX, hệ điều hành tương tự UNIX sẳn dùng cho máy PC trở nên phổ biến gần Hệ điều hành cho máy tính có thuận lợi nhiều cách từ phát triển hệ điều hành cho mainframes Máy vi tính (microcomputer) chấp nhận số công nghệ phát triển cho hệ điều hành lớn Thêm vào đó, chi phí phần cứng cho máy vi tính đủ thấp để cá nhân sử dụng máy tính, sử dụng CPU khơng cịn quan trọng Do đó, định thiết kế thực hệ điều hành cho mainframes khơng hợp lý cho hệ thống nhỏ Những định thiết kế khác áp dụng Thí dụ, trước hết bảo vệ hệ thống tập tin không cần thiết máy cá nhân Tuy nhiên, máy tính thường nối vào máy tính khác qua mạng cục hay Internet Khi máy tính khác người dùng khác truy xuất tập tin PC, bảo vệ tập tin lần trở thành đặc điểm cần thiết hệ điều hành Sự thiếu bảo vệ tạo điều kiện dễ dàng cho chương trình hiểm phá huỷ liệu hệ thống MS-DOS hệ điều hành Macintosh Các chương trình tự nhân phát tán nhanh chóng chế worm hay virus làm tê liệt mạng cơng ty hay chí mạng tồn cầu Đặc điểm chia thời cải tiến nhớ bảo vệ quyền tập tin chưa đủ để bảo vệ hệ thống từ công VI Hệ đa xử lý Hầu hết hệ thống ngày hệ thống đơn xử lý; nghĩa có CPU Tuy nhiên, hệ thống đa xử lý (hay gọi hệ song song hay hệ kết nối chặt) phát triển quan trọng Các hệ thống có nhiều xử lý giao tiếp gần, chia sẻ bus máy tính, đồng hồ, đơi cịn nhớ hay thiết bị ngoại vi Hệ thống đa xử lý có ba ưu điểm chính: o Thơng lượng gia tăng: cách tăng số lượng xử lý, hy vọng thực nhiều công việc với thời gian Tỉ lệ tăng tốc với N xử lý khơng N; nhỏ N Trong nhiều xử lý cộng tác cơng việc, lượng chi phí phải chịu việc giữ thành phần làm việc phù hợp Chi phí cộng với chi phí cạnh tranh tài nguyên chia sẻ, làm giảm kết mong đợi từ xử lý bổ sung Tương tự nhóm gồm N lập trình viên làm việc với không dẫn đến kết công việc đạt tăng N lần o Tính kinh tế việc mở rộng: hệ thống đa xử lý tiết kiệm nhiều chi phí hệ thống đơn xử lý, chúng chia sẻ ngoại vi, thiết bị lưu trữ điện Nếu nhiều chương trình điều hành tập hợp liệu lưu trữ liệu đĩa tất xử lý chia sẻ chúng rẻ có nhiều máy tính với đĩa cục nhiều liệu o Khả tin cậy gia tăng: chức phân bổ hợp lý xử lý lỗi xử lý không dừng hệ thống, lực bị giảm Nếu có 10 xử lý có xử lý bị cố xử lý xử lý cịn lại phải chia sẻ cơng việc xử lý bị lỗi Do đó, tồn hệ thống giảm 10% lực dừng hoạt động Các hệ thống thiết kế gọi hệ thống có khả chịu lỗi (fault tolerant) Việc điều hành tiếp tục diện lỗi yêu cầu chế cho phép lỗi phát hiện, chuẩn đoán sửa lỗi Hệ thống Tandem sử dụng nhân đơi phần cứng phần mềm để đảm bảo điều hành tiếp tục có lỗi xảy Hệ thống chứa hai xử lý, xử lý có nhớ cục riêng Các xử lý nối kết bus Một xử lý xử lý dự phòng Cả hai giữ xử lý: dự phịng Tại điểm kiểm tra (checkpoints) việc thực thi hệ thống, thông tin trạng thái công việc-gồm hình ảnh nhớ-được chép từ máy tới máy dự phịng Nếu lỗi phát hiện, dự phịng kích hoạt khởi động lại từ điểm kiểm tra Giải pháp đắt bao gồm việc nhân đôi phần cứng Các hệ thống đa xử lý thông dụng sử dụng đa xử lý đối xứng (symmetric multiprocessing-SMP) Trong hệ thống xử lý chạy hệ điều hành giao tiếp với khác cần Vài hệ thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng (asymmetric multiprocessing) Trong hệ thống xử lý gán công việc xác định Một xử lý chủ điều khiển hệ thống; xử lý lại chờ xử lý chủ thị có tác vụ định nghĩa trước Cơ chế định nghĩa mối quan hệ chủ-tớ Bộ xử lý lập thời biểu cấp phát công việc tới xử lý tớ Đa xử lý đối xứng có nghĩa tất xử lý ngang hàng; khơng có mối quan hệ chủ-tớ tồn xử lý Hình I-4 minh hoạ kiến trúc đa xử lý đối xứng điển hình Một thí dụ đa xử lý đối xứng ấn Encore UNIX cho máy tính Multimax Máy tính cấu thực nhiều xử lý, tất xử lý chạy UNIX Ưu điểm mơ hình nhiều q trình chạy lúc - N q trình chạy có N CPU- khơng gây giảm sút to lớn lực Tuy nhiên, phải điều khiển cẩn thận xuất/nhập để đảm bảo liệu dẫn tới xử lý tương ứng Vì CPU riêng rẻ, CPU rảnh CPU khác tải dẫn đến việc sử dụng không hữu hiệu tài nguyên hệ thống Sự khơng hiệu tránh xử lý chia sẻ cấu trúc liệu Một hệ thống đa xử lý dạng cho phép trình tài nguyên – nhớ - chia sẻ tự động q trình khác làm giảm khác biệt xử lý Hầu tất hệ điều hành đại - gồm Windows NT, Solaris, Digital UNIX, OS/2 LINUX - cung cấp hỗ trợ đa xử lý đối xứng Hình 0-4 Kiến trúc đa xử lý đối xứng Sự khác biệt đa xử lý đối xứng bất đối xứng phần cứng phần mềm Phần cứng đặc biệt khác nhiều xử lý, phần mềm viết phép chủ nhiều tớ Thí dụ, SunOS ấn cung cấp đa xử lý không đối xứng, ngược lại, ấn (Solaris 2) đối xứng phần cứng Khi vi xử lý trở nên rẻ mạnh chức bổ sung hệ điều hành chuyển tới xử lý tớ Thí dụ, tương đối dễ để thêm vi xử lý với nhớ riêng để quản lý hệ thống đĩa Bộ vi xử lý nhận chuỗi yêu cầu từ nhớ cài đặt hàng đợi đĩa riêng giải thuật định thời Sự xếp làm giảm chi phí định thời đĩa CPU PC chứa vi xử lý bàn phím để chuyển phím nóng thành mã để gởi tới CPU Thực tế, việc sử dụng vi xử lý trở nên phổ biến đến mà đa xử lý khơng cịn xem xét VII Hệ phân tán Một mạng, thuật ngữ đơn giản nhất, đường dẫn truyền thông hai hay nhiều hệ thống Hệ phân tán phụ thuộc vào mạng với khả Bằng cách cho phép truyền thơng, hệ phân tán chia sẻ tác vụ tính tốn cung cấp nhiều chức tới người dùng Các mạng với đa dạng giao thức dùng, khoảng cách nút phương tiện truyền TCP/IP giao thức mạng phổ biến ATM giao thức khác sử dụng rộng rãi Tương tự, hệ điều hành hỗ trợ đa dạng giao thức Hầu hết hệ điều hành hỗ trợ TCP/IP, gồm Windows UNIX Một số hệ điều hành khác hỗ trợ giao thức riêng phù hợp với yêu cầu chúng Đối với hệ điều hành, giao thức mạng cần thiết bị giao diện – thí dụ: card mạng-với trình điều khiển thiết bị để quản lý phần mềm để đóng gói liệu giao thức giao tiếp để gởi mở gói để nhận Mạng thường dựa khoảng cách nút Một mạng cục (LANLocal Area Network) tồn phạm vi phòng, tầng, hay nhà Một mạng diện rộng (Wide-Area Network) thường tồn nhà, thành phố, quốc gia Một cơng ty tồn cầu có mạng diện rộng để nối kết tới văn phịng Các mạng chạy với hay nhiều giao thức Sự tiến liên tục cơng nghệ hình thành nhiều dạng mạng khác Thí dụ, mạng thị (MAN-Metropolitan Area Network) liên kết nhà thành phố Các thiết bị BlueTooth giao tiếp qua khoảng cách ngắn khoảng vài (feet), chủ yếu tạo mạng phạm vi nhỏ (small-area network) Các phương tiện truyền thông làm mạng tương đối khác Chúng gồm cáp đồng, cáp quang, truyền không dây vệ tinh, đĩa vi sóng (microware dishes) sóng radio Khi thiết bị tính tốn nối kết tới điện thoại di động, chúng tạo mạng Thậm chí nhiều giao tiếp hồng ngoại dãy ngắn dùng cho mạng Tại cấp độ bản, máy tính giao tiếp chúng sử dụng hay tạo mạng Các mạng khác lực khả tin cậy VII.1 Hệ khách hàng-máy phục vụ Một PC trở nên nhanh hơn, mạnh hơn, rẻ người thiết kế thay đổi xa từ kiến trúc hệ thống tập trung Các thiết bị đầu cuối nối kết tới hệ tập trung thay PC Tương ứng, chức giao diện người dùng dùng quản lý trực tiếp hệ tập trung quản lý tăng dần PC Do đó, hệ tập trung ngày hoạt động hệ máy phục vụ để thoả mãn yêu cầu phát sinh hệ thống khách hàng Đặc điểm chung hệ khách hàng- máy phục vụ mơ tả hình-I-5: Hình 0-5 Cấu trúc chung hệ khách hàng-máy phục vụ Các hệ máy chủ phân loại rộng rãi máy phục vụ tính tốn máy phục vụ tập tin o Hệ máy phục vụ tính tốn (Compute-server systems): cung cấp giao diện mà khách hàng gởi yêu cầu để thực hoạt động Chúng thực thi hoạt động gởi kết cho khách hàng o Hệ máy phục vụ tập tin (File-server systems ): cung cấp giao diện hệ thống tập tin nơi khách hàng tạo, cập nhật, đọc xoá tập tin VII.2 Hệ ngang hàng Sự phát triển mạng máy tính-đặc biệt Internet Word Wide Web (WWW)-có ảnh hưởng sâu sắc đến phát triển gần hệ điều hành Khi PC giới thiệu vào năm 1970, chúng thiết kế cho việc sử dụng “cá nhân” thường xem máy tính đơn lẻ (standalone computer) Với việc bắt đầu sử dụng Internet phổ biến rộng rãi vào năm 1980 với e-mail, ftp, gopher, nhiều PC nối vào mạng máy tính Với giới thiệu dịch vụ Web vào năm 1990, nối kết mạng trở thành thành phần quan trọng hệ thống mạng máy tính Gần tất máy tính PC đại trạm làm việc chạy trình duyệt Web để truy xuất tài liệu siêu văn Web Các hệ điều hành (như Windows, OS/2, MacOS UNIX) chứa phần mềm hệ thống (như TCP/IP PPP) cho phép máy tính truy xuất Internet qua mạng cục hay nối kết qua đường điện thoại Nhiều hệ điều hành chứa trình duyệt Web khách hàng máy phục vụ e-mail, đăng nhập từ xa, ftp Tương phản với hệ thống kết nối chặt thảo luận phần I.6, mạng máy tính dùng ứng dụng gồm tập hợp xử lý không chia sẻ nhớ hay đồng hồ Thay vào đó, xử lý có nhớ cục riêng Bộ xử lý giao tiếp với xử lý khác thông qua đường truyền thông bus tốc độ cao hay đường điện thoại Các hệ thống thường xem hệ thống kết nối lỏng (hay hệ thống phân tán) Vài hệ điều hành thực khái niệm mạng trọng cung cấp nối kết mạng Một hệ điều hành mạng hệ điều hành cung cấp đặc tính chia sẻ tập tin qua mạng, chứa chế giao tiếp cho phép trình khác máy khác trao đổi thơng điệp Một máy tính chạy hệ điều hành mạng hoạt động tự trị từ tất máy tính khác mạng, nhận thức diện mạng giao tiếp với máy tính nối mạng khác Một hệ điều hành phân tán mơi trường tự trị hơn: Các hệ điều hành phân tán giao tiếp đủ gần để cung cấp hình ảnh mà hệ điều hành đơn lẻ điều khiển mạng VIII Hệ thống nhóm (Clustered Systems) Tương tự hệ song song, hệ thống nhóm tập hợp nhiều CPUs với để thực cơng việc tính tốn Tuy nhiên, hệ thống nhóm khác hệ thống song song điểm chúng hợp thành từ hai hay nhiều hệ thống đơn kết hợp với Định nghĩa thuật ngữ nhóm (clustered) khơng cụ thể Định nghĩa thơng thường chấp nhận máy tính nhóm chia sẻ việc lưu trữ liên kết gần qua LAN Nhóm thường thực để cung cấp khả sẳn dùng cao Một lớp phần mềm nhóm chạy nút nhóm (cluster nodes) Mỗi nút kiểm soát hay nhiều nút (qua mạng LAN) Nếu máy bị kiểm soát gặp cố, máy kiểm sốt lấy quyền sở hữu việc lưu trữ khởi động lại (các) ứng dụng mà chúng chạy máy bị cố Máy bị cố chưa hoạt động người dùng khách hàng ứng dụng thấy gián đoạn ngắn dịch vụ Trong nhóm bất đối xứng (asymmetric clustering), máy chế độ dự phòng nóng (hot standby) máy khác chạy ứng dụng Máy dự phịng khơng ngoại trừ theo dõi server hoạt động Nếu server bị lỗi, máy chủ dự phịng nóng trở thành server hoạt động Trong chế độ đối xứng (symmetric mode), hai hay nhiều máy chủ chạy ứng dụng chúng kiểm soát lẫn Chế độ trọng tính hiệu sử dụng tất phần cứng sẳn có Nó thực yêu cầu nhiều ứng dụng sẳn dùng để chạy Các hình thức khác nhóm gồm nhóm song song (parallel clusters) nhóm qua WAN Các nhóm song song cho phép nhiều máy chủ truy xuất liệu thiết bị lưu trữ chia sẻ Vì hầu hết hệ điều hành hỗ trợ nghèo nàn việc truy xuất liệu đồng thời nhiều máy chủ, nhóm song song thường thực ấn phần mềm đặc biệt phát hành ứng dụng đặc biệt Thí dụ, Oracle Parallel Server ấn sở liệu Oracle, lớp phần mềm ghi vết việc truy xuất tới đĩa chia sẻ Mỗi máy có truy xuất đầy đủ tới liệu sở liệu Mặc dù có nhiều cải tiến tính tốn phân tán, hầu hết hệ thống không cung cấp hệ thống tập tin phân tán mục đích chung (general-purpose distributed file systems) Do đó, hầu hết nhóm khơng cho phép truy xuất chia sẻ tới liệu đĩa Cho mục đích này, hệ thống tập tin phân tán phải cung cấp điều khiển truy xuất khố tập tin để đảm bảo khơng có thao tác xung đột xảy Loại dịch vụ thường gọi quản lý khoá phân tán (distributed lock manager-DLM) Cơng nghệ nhóm nhanh chóng thay đổi Những định hướng nhóm gồm nhóm tồn cục, máy định vị nơi giới (hay nơi WAN đạt tới) Các dự án chủ đề cho nghiên cứu phát triển Việc sử dụng hệ thống nhóm đặc tính nên mở rộng mạng vùng lưu trữ (storage-area networks-SANs) chiếm ưu SANs cho phép gán dễ dàng nhiều máy chủ tới nhiều đơn vị lưu trữ Các nhóm thường bị giới hạn tới hai hay bốn máy chủ phức tạp nối kết máy chủ tới thiết bị lưu trữ chia sẻ IX Hệ thời thực Một dạng khác hệ điều hành có mục đích đặc biệt hệ thời thực (real-time system) Hệ thời thực dùng yêu cầu thời gian khắt khe đặt thao tác xử lý hay dịng liệu; đó, thường dùng thiết bị điều khiển ứng dụng tận hiến Các cảm biến mang liệu tới máy tính Máy tính phải phân tích liệu thích ứng điều khiển để hiệu chỉnh liệu nhập cảm biến Các hệ thống điều khiển thí nghiệm khoa học, hệ thống ảnh hoá y tế, hệ thống điều khiển công nghệ hệ thống hiển thị, Các hệ thống phun dầu động ôtô, điều khiển dụng cụ nhà, hệ thống vũ khí hệ thống thời thực Một hệ thống thời thực có ràng buộc cố định, rõ ràng Xử lý phải thực phạm vi ràng buộc định nghĩa hay hệ thống thất bại Một hệ thời thực thực chức trả kết thời gian ràng buộc Tương phản với yêu cầu hệ chia thời, mong muốn (nhưng khơng bắt buộc) đáp ứng nhanh, hay hệ thống bó, khơng có ràng buộc thời gian Hệ thời thực có hai dạng: cứng mềm Hệ thời thực cứng đảm bảo tác vụ tới hạn hồn thành Mục tiêu địi hỏi tất trì hỗn hệ thống bị giới hạn, từ việc lấy lại liệu lưu trữ thời gian hệ điều hành hoàn thành yêu cầu cho Các ràng buộc thời gian lệnh phương tiện sẳn có hệ thời thực cứng Thiết bị lưu trữ phụ thứ hạng thường bị giới hạn hay bị với liệu lưu nhớ lưu trữ ngắn hạn (shortterm memory) hay nhớ đọc (ROM) Hầu hết hệ điều hành đại không cung cấp đặc điểm chúng có khuynh hướng tách rời người dùng từ phần cứng tách rời dẫn đến lượng thời gian không xác định mà thao tác Thí dụ, nhớ ảo chưa thấy hệ thời thực Do đó, hệ thời thực cứng xung đột với thao tác hệ chia thời hai hệ khơng thể đan xen Vì khơng có hệ điều hành đa mục đích có hỗ trợ chức thời thực cứng; không tập trung với loại hệ thống chương Một loại thời thực hạn chế hệ thời thực mềm, tác vụ thời thực tới hạn có độ ưu tiên tác vụ khác trì độ ưu tiên chúng hồn thành Như hệ thời thực cứng, trì hỗn nhân (kernel) hệ điều hành trì hỗn u cầu giới hạn Một tác vụ thời thực giữ việc chờ không xác định nhân để thực thi Thời thực mềm mục tiêu đạt đan xen với loại hệ thống khác Tuy nhiên, hệ thời thực mềm có tiện ích giới hạn hệ thời thực cứng Vì không hỗ trợ tốt cho thời điểm tới hạn, nên hệ thời thực mềm dễ gây rủi ro dùng cho việc kiểm sốt cơng nghệ tự động hố Tuy nhiên, chúng có ích nhiều lĩnh vực đa phương tiện, thực tế ảo, dự án khoa học tiên tiến-như khám phá lòng đại dương khám phá hành tinh Những hệ thống cần đặc điểm hệ điều hành tiên tiến mà không hỗ trợ hệ thời thực cứng Vì việc sử dụng chức thời thực mềm mở rộng nên tìm cách đưa chúng vào hầu hết hệ điều hành tại, gồm ấn thức UNIX X Hệ xách tay Hệ xách tay gồm máy hỗ trợ cá nhân dùng kỹ thuật số (personal digital assistants-PDAs) Palm hay điện thoại di động (cellular telephone) với nối kết tới mạng Internet Những người phát triển hệ xách tay ứng dụng gặp phải nhiều thử thách, giới hạn kích thước thiết bị Thí dụ, PDA điển hình cao khoảng inches rộng khoảng inches trọng lượng 0.5 pound Do giới hạn kích thước này, hầu hết thiết bị xách tay có nhớ nhỏ gồm xử lý thấp hình hiển thị nhỏ Bây xem xét giới hạn Nhiều thiết bị xách tay có dung lượng nhớ 512KB MB (ngược lại, máy PC hay trạm làm việc có hàng trăm MB nhớ) Do đó, hệ điều hành ứng dụng phải quản lý nhớ hiệu Điều gồm trả tất nhớ cấp phát tới quản lý nhớ nhớ khơng cịn dùng Hiện nay, nhiều thiết bị xách tay không dùng kỹ thuật nhớ ảo buộc người phát triển chương trình làm việc phạm vi giới hạn nhớ vật lý Vấn đề thứ hai quan tâm đến người phát triển thiết bị xách tay tốc độ xử lý dùng thiết bị Các xử lý hầu hết thiết bị xách tay thường chạy với tốc độ phần tốc độ xử lý máy PC Các xử lý nhanh yêu cầu điện nhiều Để chứa xử lý nhanh bên thiết bị xách tay nên yêu cầu nhiều pin hơn phải nạp lại thường xuyên Để tối thiểu hố kích thước thiết bị xách tay đòi hỏi xử lý nhỏ hơn, chậm tiêu thụ điện Do đó, hệ điều hành ứng dụng phải thiết kế không đòi hỏi sử dụng nhiều xử lý Vấn đề cuối gây khó khăn cho người thiết kế chương trình cho thiết bị xách tay hình hiển thị nhỏ Trong hình cho máy tính nhà kích thước 21 inches, hình cho thiết bị xách tay thường có diện tích không inches Những tác vụ quen thuộc đọc e-mail hay hiển thị trang web, phải đọng vào hình nhỏ Một phương pháp để hiển thị nội dung trang web cắt xén web (web clipping), tập hợp nhỏ trang web phân phát hiển thị thiết bị xách tay Một số thiết bị xách tay dùng cơng nghệ khơng dây BlueTooth, cho phép truy xuất từ xa tới e-mail trình duyệt web Các điện thoại di động với nối kết Internet thuộc loại Tuy nhiên, nhiều PDAs không cung cấp truy xuất không dây Để tải liệu xuống thiết bị này, trước tiên người dùng tải liệu xuống PC hay trạm sau tải liệu xuống PDA Một số PDA cho phép liệu chép trực tiếp từ thiết bị tới thiết bị khác dùng liên kết hồng ngoại Nhìn chung, giới hạn chức PDA cân tiện dụng linh động chúng Việc sử dụng chúng tiếp tục mở rộng nối kết mạng trở nên sẳn dùng chọn lựa khác máy ảnh MP3 players, mở rộng tiện ích chúng XI Tóm tắt Hệ điều hành phát triển 45 năm qua với hai mục đích Mục đích thứ nhất, hệ điều hành cố gắng lập thời biểu hoạt động tính tốn để đảm bảo lực thực hệ thống tốt Mục đích thứ hai, cung cấp mơi trường tiện dụng để phát triển thực thi chương trình Ban đầu, hệ thống máy tính dùng từ hình bàn phím (thiết bị đầu cuối) Các phần mềm hợp ngữ (assembler), nạp (loader), liên kết (linkers) trình biên dịch (compiler) cải tiến tiện dụng việc lập trình hệ thống yêu cầu thời gian thiết lập đáng kể Để giảm thời gian thiết lập, phương tiện thuê người điều hành công việc tuơng tự bó Các hệ thống xử lý theo lơ cho phép xếp công việc tự động hệ điều hành cải tiến nhiều việc tận dụng tồn máy tính Máy tính khơng cịn phải chờ thao tác người dùng Tuy nhiên, việc tận dụng CPU cịn thấp tốc độ thiết bị xuất nhập thấp nhiều so với tốc độ CPU Thao tác ngoại vi (off-line operation) thiết bị chậm cung cấp phương tiện sử dụng nhiều hệ thống đọc tới băng từ (reader-to-tape) băng từ tới máy in (tape-to-printer) cho CPU Để cải tiến toàn lực thực hệ thống máy tính, người phát triển giới thiệu khái niệm đa chương nhiều cơng việc giữ lúc nhớ thời điểm CPU chuyển qua lại chúng để gia tăng việc tận dụng CPU giảm toàn thời gian yêu cầu để thực thi công việc Đa chương cho phép chia sẻ thời gian Hệ điều hành chia sẻ thời gian cho phép nhiều người dùng (từ tới vài trăm) sử dụng hệ thống máy tính giao tiếp thời điểm PC máy vi tính; chúng xem nhỏ rẻ hệ thống mainframe Các hệ điều hành cho máy tính lợi việc phát triển hệ điều hành cho máy tính mainframe nhiều cách Tuy nhiên, cá nhân người dùng sử dụng máy tính nên việc tận dụng CPU khơng cịn mối quan tâm chủ yếu Do đó, vài định thiết kế thực cho hệ điều hành cho máy mainframe khơng phù hợp cho hệ thống nhỏ lớn, PCs nối kết tới máy tính khác người dùng thơng qua mạng Web Các hệ song song có nhiều CPU giao tiếp gần; CPU chia sẻ bus máy tính chia sẻ nhớ thiết bị ngoại vi Những hệ thống cung cấp thông lượng khả tin cậy tăng Các hệ thống phân tán cho phép chia sẻ tài nguyên máy chủ phân tán mặt địa lý Các hệ thống nhóm cho phép nhiều máy thực việc tính tốn liệu chứa thiết bị lưu trữ chia sẻ để việc tính tốn tiếp tục trường hợp lỗi tập hợp thành viên nhóm Một hệ thời thực cứng thường dùng thiết bị điều khiển ứng dụng tận hiến Một hệ điều hành thời thực cứng có ràng buộc hồn tồn xác định thời gian cố định Xử lý phải thực ràng buộc xác định hệ thống bị lỗi Các hệ thống thời thực mềm có ràng buộc thời gian nghiêm khắc không hỗ trợ thời biểu tới hạn Gần tác động Internet World Wide Web khuyến khích phát triển hệ điều hành đại Các hệ điều hành chứa trình duyệt Web, mạng phần mềm truyền thông đặc điểm tích hợp Chúng ta thể tiến trình luận lý phát hệ điều hành, định hướng bao gồm đặc điểm phần cứng CPU yêu cầu cho chức tiên tiến Xu hướng thấy ngày cách mạng PC, với phần cứng ngày rẻ cải tiến đủ phép cải tiến đặc điểm ... trường hợp này, hệ điều hành thiết kế dễ dàng cho việc sử dụng với quan tâm lực không quan tới việc sử dụng tài nguyên Năng lực thực quan trọng với người dùng không vấn đề hầu hết hệ thống rãnh, chờ... định nghĩa bao quát chấp nhận để xác định phần thuộc hệ điều hành, phần khơng Một quan điểm đơn giản thứ liên quan lệnh hệ điều hành nên xem xét Tuy nhiên, yêu cầu nhớ đặc điểm bên khác hệ thống... nghĩa trước Cơ chế định nghĩa mối quan hệ chủ-tớ Bộ xử lý lập thời biểu cấp phát công việc tới xử lý tớ Đa xử lý đối xứng có nghĩa tất xử lý ngang hàng; khơng có mối quan hệ chủ-tớ tồn xử lý Hình