bài giảng nguyên lý hệ điều hành - nguyễn vũ quốc hưng

Định nghĩa và các khái niệm Định nghĩa hệ điều hành Operating System  OS là phần mềm hoạt động ở lớp trung gian giữa người sử dụng máy tính và phần cứng..  Hệ thống làm việc của máy

Những mục tiêu chính:

Các kiến thức cần thiết

 Kiến trúc máy tính và Cấu trúc máy tính

 Cấu trúc dữ liệu và Giải thuật

 Ngôn ngữ lập trình: Pascal, C,…

 …

Tài liệu tham khảo

 A Silberschatz, G Gagne, and P.B Galvin, “Operating System Concepts”, Addison Wesley

 A.S Tanenbaum, “Modern Operating Systems”, Prentice Hall, 1992

 Bill McCarty, “Learning Redhat Linux 3 rd Edition” , O’Reilly,

Phân phối, Bài tập và Kiểm tra

 Phân phối thời gian

 75% dành cho giảng bài

 25% dành cho các bài tập lớn

 Thi hết học phần

 Thi vấn đáp

 Điểm đánh giá.

 Bài tập lớn: lấy điểm kiểm tra giữa kì

 Kiểm tra: theo quy chế

Nội dung

 Chương 1: Dẫn nhập

 Chương 2: Quản lý tiến trình

 Chương 3: Quản lý bộ nhớ

 Chương 4: Quản lý hệ thống file

 Chương 5: Bài toán DeadLock

 Chương 6: Bài toán miền găng

1 Định nghĩa và các khái niệm

 Định nghĩa hệ điều hành (Operating System)

 OS là phần mềm hoạt động ở lớp trung gian giữa người sử dụng máy tính và phần cứng.

 Mục tiêu của OS là làm cho người sử dụng:

 Hệ thống làm việc của máy tính bao gồm 4 thành phần:

 Phần cứng (Hardware) – cung cấp các tài nguyên cơ bản

 CPU, memory, I/O devices

 Hệ điều hành (OS - Operating system)

 Trung gian điều khiển và bố trí việc sử dụng phần cứng cho các ứng dụng và đối tượng sử dụng

 Các chương trình ứng dụng (Application programs) – Các phần mềm phục vụ tác nghiệp của người sử dụng.

 Word processors, compilers, web browsers, database systems, video games

 Đối tượng sử dụng (Users):

 Người, thiết bị hoặc máy tính khác

4 lớp của hệ thống làm việc

của máy tính

Các định nghĩa khác

 OS là tài nguyên:

 Quản lý tất cả các tài nguyên khác

 Làm trung gian giữa những mâu thuẫn về hiệu năng của tài nguyên và sự sử dụng chúng một cách thuận tiện

 OS là chương trình điều khiển

 Điều khiển sự thực hiện các chương trình, ngăn ngừa lỗi và sự sử dụng không thích hợp

 “Chương trình chạy trong toàn bộ thời gian hoạt động của máy tính” đó chính là kernel Mọi chương trình khác là chương trình hệ thống hoặc chương trình ứng dụng

2 Phân loại OS theo nguyên lý

 Hệ thống thời gian thực (Real – Time Systems)

 Hệ thống cầm tay (Handheld Systems)

 Môi trường tính toán

2.1 Mainframe Systems

a) Nguyên lý điều khiển theo lô đơn giản

 Lô (batch) là tập hợp công việc được sắp thứ tự

 Chi phí cài đặt thấp bởi điều khiển đơn giản Hàng đợi công việc tự động chuyển điều khiển từ công

việc này đến công việc khác

 Hạt nhân là bộ giám sát

 Khởi động công việc

 Điều khiển chuyển đổi công việc

 Khi công việc được hoàn thành việc điều khiển chuyển lại cho bộ giám sát

Sơ đồ bộ nhớ của một hệ thống theo lô đơn

giản (Simple Batch System)

b) Hệ thống lô đa chương (Multiprogramming

Systems)

Multiprogramming có các khả năng:

 Một user đơn lẻ không được sử dụng CPU và

thiết bị I/O toàn thời gian

 Khi các công việc được tổ chức đa chương (code and data) thì CPU luôn luôn thực thi một trong nó

 Một tập con của tất cả các công việc được lưu trữ trong bộ nhớ

 Một trong những công việc đó được chọn và hoạt động theo job scheduling

 Khi một công việc rơi vào trạng thái chờ (ví dụ

Hệ thống theo lô đa chương (Multiprogrammed Batch Systems)

Một vài công việc được lưu trữ trong bộ nhớ chính tại cùng môt thời

điểm, CPU phục vụ một trong những công việc đó

 Lập lịch CPU – hệ thống phải lựa chọn

một vài công việc sẵn sàng để chạy.

 Định vị các thiết bị.

c) Hệ thống chia sẻ thời gian (Timesharing

Systems)

 Timesharing (multitasking – đa nhiệm) là khái niệm mở rộng về mặt logic chỉ việc chuyển điều khiển giữa các công việc thường xuyên đến mức các users tương tác được đến mỗi công việc khi nó đang chạy, tạo ra máy tính tương tác.

 Thời gian điều chuyển phù hợp < 1 second

 Mỗi user có ít nhất một chương trình trong bộ nhớ tiến trình (process)

 Nếu một vài công việc sẵn sàng chạy tại cùng một thời điểm  CPU scheduling

 Nếu các tiến trình không đặt vừa trong bộ nhớ, swapping

sẽ được thực hiện.

 Virtual memory cho phép thi hành các tiến trình không

 Có thể chạy với một vài OS (Windows, MacOS, UNIX, Linux)

2.3 Parallel Systems

 Multiprocessor systems có nhiều CPU trong một

hệ thống liên lạc khép kín

nhớ và đồng hồ xung; truyền tin luôn luôn thông qua bộ nhớ được chia sẻ

 Các lợi ích của parallel system:

 Gia tăng thông lượng truyền tin

 Kinh tế

 Gia tăng độ tin cậy

Parallel Systems (Cont.)

(slave)

Phổ biến trên những hệ thống lớn

Symmetric Multiprocessing Architecture

2.4 Distributed Systems

 Phân tán sự tính toán trên một vài bộ xử lý

vật lý

một bộ nhớ riêng của nó Các bộ xử lý truyền

thông tin cho nhau trên đường truyền tốc độ

cao

 Các lợi ích của distributed systems

 Chia xẻ tài nguyên

 Tăng tốc độ tính toán

 Đáng tin cậy

Distributed Systems (tiếp)

 Đòi hỏi cơ sở hạ tầng mạng máy tính.

 Local area networks (LAN) hoặc Wide

area networks (WAN)

 Có hai dạng hệ thống client-server hoặc

hệ thống peer-to-peer.

Cấu trúc chung của Client-Server

2.5 Clustered Systems

 Tập hợp hai hoặc nhiều hệ thống có bộ lưu trữ chia sẻ.

 Cung cấp độ an toàn cao.

ứng dụng trong khi các server khác dự

phòng.

chạy ứng dụng.

2.6 Real-Time Systems

 Luôn được sử dụng như những thiết bị điều

khiển trong những ứng dụng chuyên biệt: Thí

nghiệm khoa học, hệ mô phỏng y học, điều

khiển công nghiệp,

 Phải hoàn thành công việc trong một thời

gian xác định cưỡng bức

 Hệ thống Real-Time có thể là hard hoặc soft

real-time

Real-Time Systems (tiếp)

 Hard real-time:

 Bộ lưu trữ thứ cấp có giới hạn hoặc không

có, dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ nhỏ

hoặc trong ROM

 Trái ngược với hệ thống time-sharing và

không hỗ trợ các hệ điều hành đa năng

 Soft real-time

 Sử dụng điều khiển các robot công nghiệp

 Sử dụng trong các ứng dụng multimedia,

thực tại ảo (virtual reality) đòi hỏi các tính

năng cao cấp của hệ điều hành

2.7 Handheld Systems

 Personal Digital Assistants (PDAs)

 Cellular telephones (điện thoại di động)

 Một số đặc điểm:

 Bộ nhớ giới hạn

 Bộ xử lý tốc đô chậm

 Màn hình nhỏ.

 Sử dụng các máy tính đơn, kết nối modem

 Không firewall, không kết nối mạng.

Computing Environments (tiếp)

 Client-Server Computing

 Dumb terminals được thay thế bởi PC thông minh.

 Có nhiều loại server, phù hợp với các đòi hỏi của clients

 Compute-server cung cấp giao diện cho client yêu cầu

dịch vụ (chẳng hạn database)

 File-server cung cấp giao diện cho client lưu trữ và

nạp tập tin

Peer-to-Peer Computing

 Một mô hình khác của hệ thống phân tán.

 P2P không phân chia các máy thành client và server.

 Coi tất cả các nút đều có vai trò như nhau.

 Mỗi nút hoạt động như client, server hoặc đóng vai trò

cả hai.

 Mỗi nút phải kết nối bởi mạng P2P

 Đăng kí dịch vụ với một trung tâm tra cứu dịch vụ trên mạng,

 Quảng bá yêu cầu dịch vụ và đáp ứng các yêu cầu dịch vụ theo giao thức discovery protocol

 Ví dụ: Napster và Gnutella

Web-Based Computing

 Web đã trở thành phổ biến

 Máy tính PC trở thành thiết bị thông dụng

 Nhiều thiết bị được kết nối mạng và liên kết theo kiểu web

 Nhiều thiết bị loại mới quản lý truyền tải web

tương đương server: load balancers

 Sử dụng các hệ điều hành Windows 95 kiểu

client-side và phát triển thành Linux và Windows

XP có thể phân chia thành clients và servers