tiểu luận tìm hiểu kiến trúc hệ thống smartphone môn học hệ điều hành

iOS tập trung vào tính đồng nhất, tối ưu hóa phầncứng, Apple App Store, tích hợp dịch vụ Apple, tính bảo mật cao, tươngthích phần mềm và trải nghiệm người dùng tốt.Kiến trúc của hệ điều

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

MỤC LỤC

SO SÁNH VỀ KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

SMARTPHONE VỚI HỆ THỐNG MÁY TÍNH CÁ NHÂN PC 15

1.1 Phần mềm máy tính 16

1.2 Phần cứng máy tính 18

2.1 Kiến trúc phần cứng (Hardware Architecture) 22

2.2 Thiết kế truyền thông (Communication Design) 22

2.3 Thực thi ứng dụng người dùng (User Application Execution) 23

2.4 Bộ vi xử lý (Processors) 23

2.5 Bộ nhớ (Memory) 23

PHẦN I:

KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA SMARTPHONE

I Kiến trúc hệ thống và hoạt động của Smartphone:

1 Kiến trúc hệ thống của Smartphone:

1.1 Phần mềm (Hệ điều hành):

Hệ điều hành Smartphone là phần mềm quản lý, điều khiển các tác vụ,

ứng dụng và phần cứng của điện thoại thông minh Hệ điều hành cung

cấp giao diện để người dùng có thể tương tác với điện thoại thông qua

các ứng dụng

Ngoài ra, hệ điều hành còn cung cấp nền tảng cài đặt, chạy và quản lý

các ứng dụng di động Nó có vai trò quan trọng trong đảm bảo trải

nghiệm người dùng, cung cấp tính năng và khả năng đa dạng cho điện

thoại thông minh

Hiện nay, có 2 hệ điều hành phổ biến nhất đang được sử dụng, đó

chính là iOS và Android:

1.1.1 Hệ điều hành iOS:

iOS là hệ điều hành di động của Apple cho các thiết bị như iPhone,

iPad và iPod Touch iOS tập trung vào tính đồng nhất, tối ưu hóa phần

cứng, Apple App Store, tích hợp dịch vụ Apple, tính bảo mật cao, tương

thích phần mềm và trải nghiệm người dùng tốt

Kiến trúc của hệ điều hành iOS là một sự kết hợp đặc biệt giữa các

yếu tố cốt lõi của hệ điều hành Unix và các thành phần được tối ưu hóa

cho môi trường di động

- Hạt nhân Darwin: iOS sử dụng hạt nhân Darwin, một hạt nhân

Unix-based mà Apple đã tùy chỉnh để phù hợp với thiết bị di động của họ Hạt

nhân này quản lý tài nguyên hệ thống, quản lý luồng xử lý và cung cấp

tính ổn định và bảo mật Hạt nhân này cung cấp nền tảng cốt lõi cho hệ

điều hành iOS

- Quản lý tài nguyên: iOS quản lý tài nguyên như bộ nhớ, pin, và CPU

một cách hiệu quả để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm năng lượng

- Giao diện người dùng (User Interface): iOS có một giao diện người

dùng thân thiện với người dùng, được thiết kế cho việc tương tác bằng

cảm ứng, với các yếu tố thiết kế đơn giản và sáng sủa

- Framework: iOS cung cấp các framework cho việc phát triển ứng

dụng, giúp nhà phát triển sử dụng các dịch vụ tiêu chuẩn và tối ưu hóa

thời gian phát triển Các framework này bao gồm UIKit cho giao diện

người dùng, Core Data cho quản lý dữ liệu, và nhiều khung làm việc với

các tính năng đặc biệt

- Lớp ứng dụng (Application Layer): iOS chứa các ứng dụng và dịch vụ

người dùng cuối, mỗi ứng dụng hoạt động trong một môi trường bảo mật

riêng biệt để đảm bảo tính riêng tư và an toàn

Hệ điều hành iOS được xây dựng để cung cấp trải nghiệm người dùng

tốt, bảo mật và hiệu suất ổn định trên các thiết bị di động của Apple

1.1.2 Hệ điều hành Android

Android là hệ điều hành di động phổ biến được phát triển bởi Tổng

công ty Android và được Google hỗ trợ tài chính Google mua lại hệ

điều hành này vào năm 2005, chính thức ra mắt lại vào năm 2007

Android dựa trên kernel Linux sử dụng trên các smartphone, máy tính

bảng, smart tivi,

Kiến trúc của hệ điều hành Android là một hệ thống phức tạp dựa trên

kernel Linux, được thiết kế để chạy trên các thiết bị di động và các thiết

bị thông minh khác như: máy tính bảng, smart tivi,

- Hạt nhân Linux: Android sử dụng hạt nhân Linux làm phần cốt lõi của

hệ thống Hạt nhân Linux cung cấp các dịch vụ cơ bản như quản lý tài

nguyên, quản lý bộ nhớ, quản lý luồng xử lý, và giao tiếp với phần cứng

Android sử dụng phiên bản tùy chỉnh của hạt nhân Linux để hỗ trợ các

yêu cầu của thiết bị di động

- Thư viện (Libraries): Android sử dụng các thư viện C/C++ tiêu chuẩn

và cung cấp các thư viện Java để hỗ trợ việc phát triển ứng dụng Thư

viện này cung cấp các hàm và lớp cho việc xử lý tác vụ như đồ họa,

mạng, âm thanh, và quản lý cơ sở dữ liệu

- Khung (Framework): Android cung cấp một loạt các framework cho

việc phát triển ứng dụng Các framework này bao gồm Android

Application Framework, Android Telephony Framework, và nhiều

framework khác để hỗ trợ việc phát triển ứng dụng Android Chúng giúp

nhà phát triển sử dụng các dịch vụ và tính năng tiêu chuẩn một cách dễ

dàng

- Lớp ứng dụng (Application Layer): Lớp này chứa các ứng dụng và

dịch vụ mà người dùng cuối tương tác với Android hỗ trợ việc cài đặt

ứng dụng từ Google Play Store và các nguồn khác Mỗi ứng dụng chạy

trong một môi trường bảo mật riêng biệt để đảm bảo tính riêng tư và an

toàn

- Quản lý tài nguyên: Android quản lý tài nguyên như bộ nhớ, CPU, pin,

và các tài nguyên phần cứng khác để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm

năng lượng

- Giao diện người dùng (User Interface): Android cung cấp một giao

diện người dùng đa dạng, với sự hỗ trợ cho giao diện cảm ứng, đa

nhiệm, và các giao diện đồ họa tùy chỉnh thông qua XML và Java

- Dịch vụ hệ thống (System Services): Android cung cấp các dịch vụ hệ

thống như quản lý cuộc gọi, quản lý vị trí, quản lý mạng, và quản lý

năng lượng

- Các tính năng đặc biệt: Android tích hợp nhiều tính năng đặc biệt như

quản lý vị trí, trợ lý ảo (Google Assistant), và cơ chế bảo mật lớp cao

Hệ điều hành Android được thiết kế để hoạt động trên nhiều loại thiết

bị di động, từ điện thoại thông minh đến máy tính bảng và các thiết bị

thông minh khác Các ứng dụng Android có thể được phát triển bằng

Java hoặc Kotlin và được phân phối thông qua Google Play Store và các

cửa hàng ứng dụng khác

1.2 Phần cứng:

Phần cứng của một Smartphone ngày nay bao gồm nhiều thành phần

quan trọng để hoạt động và cung cấp các tính năng và chức năng cơ bản

cho người sử dụng nó

- Màn hình: Màn hình thường là phần trực tiếp mà người dùng tương

tác Nó hiển thị hình ảnh, văn bản và các ứng dụng Màn hình của

smartphone có độ phân giải cao và thường là cảm ứng, cho phép người

dùng điều khiển thiết bị bằng cách chạm vào nó

- Pin: Pin cung cấp năng lượng cho smartphone Loại và dung lượng pin

có thể thay đổi tùy theo mẫu thiết bị, và thời lượng pin sử dụng phụ

thuộc vào cách sử dụng và hiệu suất của thiết bị

- Vi xử lý (CPU): CPU hoặc vi xử lý là "bộ não" của smartphone Nó

thực hiện các phép tính và quản lý các tác vụ của hệ thống CPU của

smartphone thường được tích hợp trên một chip SoC (System on a Chip)

chứa nhiều thành phần khác nhau như CPU, GPU, bộ điều khiển bộ nhớ

và nhiều chức năng khác

- Bộ nhớ (RAM và ROM): RAM (Random Access Memory) là nơi lưu

trữ dữ liệu tạm thời cho các ứng dụng đang chạy, trong khi ROM

(Read-Only Memory) chứa hệ điều hành và dữ liệu cố định RAM làm cho

smartphone chạy nhanh hơn và hỗ trợ nhiều ứng dụng mở cùng một lúc

- Lưu trữ: Lưu trữ trong smartphone thường dựa vào bộ nhớ flash, và nó

có thể được mở rộng thông qua thẻ nhớ microSD Lưu trữ dùng để lưu

trữ ảnh, video, tài liệu và các ứng dụng đã tải về

- Kết nối: Smartphone hỗ trợ nhiều kết nối, bao gồm Wi-Fi, Bluetooth,

4G/5G, NFC, và cổng USB-C Những kết nối này cho phép bạn kết nối

với internet, chia sẻ dữ liệu và sử dụng các phụ kiện khác

- Máy ảnh: Máy ảnh trước và sau là một phần quan trọng của

smartphone ngày nay Chất lượng máy ảnh được đo bằng megapixel,

nhưng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như cảm biến, khẩu độ, ổn

định hình ảnh và tính năng chụp ảnh

- Cảm biến: Cảm biến như gia tốc kế, con quay hồi chuyển, cảm biến

ánh sáng, cảm biến vân tay và GPS giúp smartphone thu thập thông tin

môi trường và cung cấp tính năng như định vị, quay video ổn định và

bảo mật

- Loa và micro: Loa và micro tích hợp trong smartphone cho phép bạn

nghe cuộc gọi, nghe nhạc, xem video và ghi âm

Tùy thuộc vào mẫu smartphone cụ thể, các thành phần này có thể khác

nhau về hiệu suất và tính năng Smartphone ngày càng được phát triển

với công nghệ mới, làm cho chúng trở nên mạnh mẽ và đa dạng hơn để

đáp ứng nhu cầu của người dùng

2 Cách thức hoạt động của Smartphone:

Phần mềm hệ thống trong smartphone tương tác với nhau và với phần

cứng thông qua một loạt quy trình và cơ chế hoạt động Dưới đây là cách

chúng tương tác:

2.1 Kernel và phần cứng:

- Kernel là lõi của hệ điều hành và có trách nhiệm quản lý tài nguyên

phần cứng của thiết bị như CPU, bộ nhớ, thiết bị đầu vào/ra

- Kernel tương tác trực tiếp với các driver phần cứng để điều khiển và

giao tiếp với các linh kiện như camera, màn hình cảm ứng, loa, cảm

biến, v.v

- Kernel cũng quản lý nguồn điện và các chức năng tiết kiệm năng lượng

để quản lý thời lượng pin

- Hệ điều hành quản lý các tiến trình và ứng dụng chạy trên thiết bị Nó

cung cấp quyền truy cập và kiểm soát tài nguyên hệ thống cho các ứng

dụng

- Ứng dụng tương tác với hệ điều hành thông qua giao diện lập trình ứng

dụng (API) API cho phép các ứng dụng sử dụng các tính năng và dịch

vụ của hệ thống như gửi tin nhắn, kết nối mạng, chụp ảnh, v.v

2.3 Bảo mật và quyền truy cập:

- Hệ thống bảo mật quản lý quyền truy cập của ứng dụng vào các tài

nguyên và dịch vụ Ứng dụng phải yêu cầu quyền từ người dùng và

được hệ thống kiểm tra trước khi truy cập tài nguyên hoặc chức năng

nào đó

- Các cơ chế bảo mật như mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng đảm

bảo an toàn thông tin trên thiết bị

2.4 Firmware và bootloader:

- Bootloader là phần mềm đầu tiên chạy khi thiết bị được khởi động và

kiểm tra chữ ký của hệ điều hành trước khi nạp nó vào bộ nhớ

- Firmware quản lý các linh kiện phần cứng cụ thể và có thể cung cấp

cập nhật firmware để sửa lỗi hoặc cải thiện tính năng

- Tất cả các phần này tương tác với nhau để đảm bảo hoạt động hợp nhất

của smartphone Hệ điều hành là trung tâm của mọi hoạt động và đảm

bảo sự tương tác mượt mà giữa phần mềm ứng dụng và phần cứng

PHẦN II:

SO SÁNH VỀ KIẾN TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

SMARTPHONE VỚI HỆ THỐNG MÁY TÍNH CÁ NHÂN PC

1 Khái quát về máy tính cá nhân PC:

Máy tính cá nhân (PC) bao gồm cả phần mềm và phần cứng, và chúng

hoạt động cùng nhau để thực hiện các tác vụ tính toán và giải quyết các

vấn đề

1.1 Phần mềm máy tính:

- Hệ điều hành (Operating System - OS): Hệ điều hành là phần mềm

quản lý toàn bộ hệ thống máy tính Nó cung cấp giao diện người dùng,

quản lý tài liệu và chương trình ứng dụng, điều khiển phần cứng và hỗ

trợ việc thực hiện các tác vụ như sao lưu dữ liệu, quản lý mạng, và nhiều

chức năng khác Một số hệ điều hành phổ biến bao gồm Windows,

macOS và Linux

- Ứng dụng và phần mềm ứng dụng: Đây là các chương trình mà người

dùng sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như trình

duyệt web (ví dụ: Google Chrome, Mozilla Firefox), văn bản (ví dụ:

Microsoft Word, LibreOffice), đồ họa (ví dụ: Adobe Photoshop,

Blender), và nhiều ứng dụng khác

- Phần mềm hệ thống: Bên cạnh hệ điều hành, máy tính cũng cần nhiều

phần mềm hệ thống khác như trình điều khiển (driver), phần mềm bảo

mật, phần mềm nén và giải nén tập tin, và các ứng dụng tiện ích như

bảng xếp hạng, máy tính cá nhân và lịch

1.2 Phần cứng máy tính:

- CPU (Central Processing Unit): CPU là "bộ não" của máy tính, thực

hiện các phép tính và quản lý hoạt động của các thành phần khác Nó xử

lý dữ liệu và thực hiện các chương trình ứng dụng

- RAM (Random Access Memory): RAM là nơi lưu trữ tạm thời dữ liệu

và chương trình mà máy tính đang sử dụng Điều này giúp tăng tốc độ

truy cập và xử lý dữ liệu

- Thẻ đồ họa (GPU): Thẻ đồ họa xử lý đồ họa và video, giúp hiển thị

hình ảnh trên màn hình Nó đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng đòi

hỏi đồ họa cao như trò chơi và biên tập video

- Mainboard (Bo mạch chính): Mainboard kết nối tất cả các phần cứng

với nhau và cung cấp các cổng kết nối cho các thiết bị ngoại vi như bàn

phím, chuột, và loa

- Nguồn cung cấp điện: Nguồn cung cấp điện cung cấp năng lượng cho

toàn bộ hệ thống máy tính

+ Màn hình: hiển thị hình ảnh và dữ liệu cho người dùng.

+ Bàn phím và chuột: là các thiết bị đầu vào mà người dùng sử dụng để

tương tác với máy tính

+ Loa và tai nghe: cho phép người dùng nghe âm thanh từ máy tính, bao

gồm âm nhạc, âm thanh video và cuộc gọi trực tuyến

Tất cả các thành phần này hoạt động cùng nhau để tạo nên một máy

tính cá nhân hoàn chỉnh, cho phép người dùng thực hiện nhiều tác vụ

khác nhau từ công việc đến giải trí và nhiều nhiệm vụ khác

2 So sánh giữa Smartphone và PC:

Dựa trên tài liệu trên, chúng ta có thể so sánh chức năng và cấu trúc hệ

thống của smartphone và máy tính cá nhân (PC) như sau:

2.1 Kiến trúc phần cứng (Hardware Architecture):

- Smartphone: Sử dụng kiến trúc System on a Chip (SoC) với các thành

phần chính bao gồm Application processor (bộ xử lý ứng dụng),

baseband processor (bộ xử lý baseband hoặc modem), và các thiết bị

ngoại vi quan trọng như màn hình, loa, camera, GPS, bluetooth, WiFi,

và nhiều thiết bị khác

- PC: Bao gồm các thành phần chính như CPU (Central Processing

Unit), bộ nhớ, thiết bị đầu vào và đầu ra, bootloader, hệ điều hành, bus,

và các thành phần hỗ trợ khác PC không sử dụng kiến trúc SoC như

smartphone

2.2 Thiết kế truyền thông (Communication Design):

- Smartphone: Sử dụng các thành phần như radio interface và baseband

processor để nhận và gửi dữ liệu âm thanh, video và dữ liệu

- PC: Dữ liệu được truyền đi thông qua các thành phần như bus và thiết

bị đầu ra như màn hình, loa, và các thiết bị ngoại vi khác

- Smartphone: Chạy các ứng dụng như trình duyệt internet, trình phát

nhạc/video, trò chơi, xử lý hình ảnh, xử lý văn bản, vv Sử dụng GPU

(Graphics Processing Unit) để hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi đồ họa cao

- PC: Chạy các ứng dụng đa nhiệm như trình duyệt, ứng dụng văn

phòng, trò chơi, và các ứng dụng chuyên sâu khác PC thường có sức

mạnh xử lý cao hơn do không bị hạn chế về pin và hạn chế không gian

như smartphone

2.4 Bộ vi xử lý (Processors):

- Smartphone: Sử dụng các bộ vi xử lý ARM (Advanced RISC

Machines) được thiết kế để cân bằng tiêu thụ năng lượng và hiệu suất,

giúp giảm tiêu hao pin

- PC: Sử dụng nhiều loại bộ vi xử lý khác nhau, từ các bộ vi xử lý đơn

lõi đến đa lõi, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng Có thể sử dụng các bộ vi

xử lý của Intel, AMD, hoặc các nhà sản xuất khác

2.5 Bộ nhớ (Memory):

- Smartphone: Sử dụng bộ nhớ RAM có dung lượng từ 1-2 GB và bộ

nhớ không thể xóa có dung lượng từ 10 GB trở lên

- PC: Có thể có dung lượng RAM lớn hơn (từ vài GB đến hàng chục

GB) tùy thuộc vào mục đích sử dụng PC thường có khả năng nâng cấp

bộ nhớ dễ dàng hơn smartphone

→ Kết luận:

Smartphone và PC đều có các thành phần cơ bản giống nhau như

CPU, bộ nhớ, và các thiết bị đầu vào/đầu ra Tuy nhiên, chúng có các

thiết kế và ứng dụng riêng biệt dựa trên yêu cầu sử dụng và hạn chế về

pin, kích thước và hiệu suất Smartphone thường được thiết kế để di

động, tiện lợi và tiêu hao ít năng lượng hơn so với PC, trong khi PC có

thể cung cấp hiệu suất xử lý cao hơn và có khả năng đa nhiệm tốt hơn