giáo trình nguyên lý hệ điều hành

Trong sự nghiệp cách mạng to lớn đó, công tác đào tạo nhân lực luôn giữ vai trò quan trọng. Báo cáo Chính trị của Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ ỈX đã chỉ rõ: “Phát triển giáo dục và đào tạo là một trong những động lực quan trọng thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, là điều kiện để phát triển nguồn lực con người yếu tô cơ bản để phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững”. Quấn triệt chủ trương, Nghị quyết của Đảng và Nhà nước và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chết lượng đào tạo, theo để nghị của Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội, ngày 2392003, ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội đã ra Quyết định số 5620QĐƯB cho phép Sở Giáo dục và Đào tạo thực hiện đề án biên soạn chương trình, giáo trình trong các trườìig Trung học chuyên nghiệp (THCN) Hà Nội. Quyết định này thể hiện sự quan tâm sâu sắc của Thành ủy, VBND thành phố trong việc nâng cao chất lượng đào tạo và phát triển nguồn nhẩn lực Thả đô.

r GJA0 BỤC - BA8 TAO S*HÀ NỘI   300  !!!! " !! mmm ■■ V i ị \ I X FKS ; #$'0 0 %&'() sỏ GIẢO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI ĐẶNG vt TÙNG GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỂU HÀNH (Dùng trong các trường THCN) NHÀ XUẤT BẢN HÀ NÔI - 2005 373 - 373.7 Mã sô' xuất bản: HN - 05 113/407 - 05 3 N Lời giởi thiêu ước ta đang hước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhằm đưa Việt Nơm trở thành nước công nghiệp văn minh, hiện đại, Trong sự nghiệp cách mạng to lớn đó, công tác đào tạo nhân lực luôn giữ vai trò quan trọng. Báo cáo Chính trị của Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ ỈX đã chỉ rõ: “Phát triển giáo dục và đào tạo là một trong những động lực quan trọng thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, là điều kiện để phát triển nguồn lực con người - yếu tô' cơ bản để phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững”. Quấn triệt chủ trương, Nghị quyết của Đảng và Nhà nước và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chết lượng đào tạo, theo để nghị của Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội, ngày 23/9/2003, ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội đã ra Quyết định số 5620/QĐ-ƯB cho phép Sở Giáo dục và Đào tạo thực hiện đề án biên soạn chương trình, giáo trình trong các trườìig Trung học chuyên nghiệp (THCN) Hà Nội. Quyết định này thể hiện sự quan tâm sâu sắc của Thành ủy, VBND thành phố trong việc nâng cao chất lượng đào tạo và phát triển nguồn nhẩn lực Thả đô. Trên cơ sở chương trình khung của Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành và những kinh nghiêm rút ra từ thực tế đào tạo, Sở Giáo dục và Đào tạo đã chỉ đạo các trường THCN tổ chức biền soạn chương trình, giáo trình một cách khoa học, hệ thống và cập nhật những kiến thức thực tiễn phù hợp với đối tượng học sinh THCN Hà Nội. Bộ giáo trình này ìà tài ỉiệu giảng dạy và học tập trong các trường THCN ỏ Hà Nội, đồng thời là tài liệu tham khảo hữu ích cho các trường có đào tạo các ngành kỹ thuật - nghiệp vụ và đông đảo bạn đọc quan tâm đến vấn đề hướng nghiệp, dạy nghề. Việc tổ chức biên soạn bộ chương trinh, giáo trình này là một trong nhiều hoạt động thiết thực của ngành giáo dục và đào tạo Thủ đô để kỷ niệm “50 năm giải phóng Thủ đô ”, "50 năm thành lập ngành " và hướng tới kỷ niệm '7000 năm Thăng Long - Hà Nội Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nộỉ chân thành cảm ơn Thành ủy, UBND, các sở, ban, ngành của Thành phô', Vụ Giáo dục chuyên nghiệp Bộ Giáo dục và Đào tạo, các nhà khoa học, các chuyên gia đầu ngành, các giảng viên, các nhà quản lý, các nhã doanh nghiệp đã tạo điều kiện giúp đố, đóng góp kiến, tham gia Hội đồng phân biện, Hội đồng thẩm định và Hội đồng nghiệm thu các chương trình, giáo trình. Đây là lần đầu tiên sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội tổ chức biên soạn chương trình, giáo trình. Dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, bất cập. Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc để từng bước hoãn thiện bộ giáo trình trong các lần tái bản sau. GIẤM ĐỐC SỞ GIÁO DUC VÀ ĐÀO TAO Lời nói đầu 5 rong hệ thôìỉg kiến thức chuyên ngành trang bị cho học sinh khoa Kỹ thuật máv tinh vờ khoa Tin học quàn lý, giáo trình Nguyên lý hộ điểu hành góp phần cung cấp những nội dung kiến thức chung nhất về hệ diều hành máy tính. Nó giúp ngirìti học nắm bắt dược những nguyên lý cơ bản vù nguyên tắc k)rn việc của một hệ điêu hành máy tính tổng quát. Từ đó có thê áp dụng dê lùm việc tất với các hệ điểu hành cụ thể trên thực tế, hình dung dược xu hướng phát (nến của cúc hệ điều hành mới trong tương lơi. Đê phục vụ công tác giàng dạy và học tập, chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Nguyên lý hệ điều hành nhằm cung cấp tới người học một so kiến thức cơ bản nhất vế lĩnh vực ncty. Chúng tôi xin trân trọng cấm ơn TS. Phó Đức Toàn - Học viện Công nghệ Bưu chinh viển thông và TS. Lê Bú Dũng - Viện Công nghệ thông tin dã dọc vù cho những nhận xét về nội dung giáo ninh. Chúng tôi xin trân trọng cơm ơn PGS. TS. Thái Quang Vinh - Viện Công nghệ thông tin, TS. Lương Cao Đông - Phó chù nhiệm khoa Công nghệ thông tin - Viện Đại học mà Hà Nội, TS. Nguyễn Văn Điệp - Chú nhiệm khoa Công nghệ thông tin trường Cao dẳtìg Điện lực dã cho những ý kiến đóng góp quý báu đế giáo trình dược hoàn thiện hơn. Chúng tỏi xin gửi lời cảm ơn tới Sở Giáo dục và Dtto tạo Hít Nội, Ban giâm hiệu trưởng Trung học bán công kỹ thuật tin học Hìi Nội - ESTÍH đã tạo điểu kiện cho chúìig tôi hoìm thành cuõh giáo trình này. Mạc dìi đã cố nhiều cổ gắng trong biên soạn nhưng do kiến thức vờ thời gian có hạn, dồng thời cũng /à lần biên soạn đấu tiên nên giáo trình không tránh khỏi những thiểu sót. Chúng tôi mong muốn nhận dược sự thống cảm vả ý kiến dóng góp của các thầy cô, các bạn học sinh, sinh viên và bạn đọc để cuốn giáo trình được tết hơn. TÁC GIẢ Bải mỏ đầu 7 áy tính điện tử ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX. Ban đầu, phạm vi sử dụng máy tính còn rất hạn hẹp, đa phần chỉ nhằm phục vụ mục đích nghiên cứu khoa học. Hơn nữa, để vận hành hệ thống cần phải sử dụng các công cụ phần cứng đặc biệt và thao tác vận hành rất phức tạp. M Cùng phát triển song song với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thế hệ máy tính về sau được cải tiến ngày một tinh vi hơn, có tốc độ xử lý nhanh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn và đã làm nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xử lý, tính toán, điều khiển tự động Với các thế hệ máy tính này đòi hỏi phải có sự điều khiển, vận hành một cách tự động để phát huy hiệu quả của nó một cách tối ưu nhất. Như vậy, cần phải có một chương trình phần mềm dam bảo việc giải quyết các vấn đề nói trên. Đó chính là các hệ điều hành máy tính. Hệ điều hành là một tập hợp các phẩn mềm hệ thống điều khiển mọi hoạt động của máy tính và tạo môi trường giao diện giữa người sử dụng và máy tính. Vì vậy, hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người sử dụng, tất cả mọi người sử dụng khi làm việc với máy tính cần phải biết thao tác {dù là những thao tác đơn giản) với một hệ điều hành cụ thể. Hiểu biết, nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ điều hành để từ đó có thể khai thác các hệ điều hành cụ thể một cách có hiệu quả là một nhu cầu thực tế không thể thiếu được đối với các cán bộ phụ trách kỹ thuật và quản lý các hệ thống máy tính. Nội dung cuốn giáo trình “Nguyên lý hệ điều hành” gổm các kiến thức về phần mềm hệ thống. Nó cung cấp cho người học những kiến thức chung nhất về hệ điều hành máy tính, giúp người học nắm bắt được những nguyên lý cơ bản và nguyên tắc làm việc của một hộ điều hành máy tính tổng quát, từ đó áp dụng để làm việc tốt với các hệ điều hành cụ thể trên thực tế, hiểu và xử lý được các vấn để có thể xảy ra trong hệ thống. Đồng thời nắm bắt được xu hướng phát triển của các hệ điều hành mới trong tương lai. Các vấn đề cụ thể trình bày trong giáo trình này được chia thành 9 chương: 8 Chucftig 1. Tổng quan về hệ điều hành: Cung cấp các kiến thức tổng quát về hệ điều hành, quá trinh phát triển và phân loại hệ điều hành; các tính chất cơ bản của hệ điểu hành và nguyên tắc thiết kế, xây dựng hệ điều hành. Trong chương này cũng trình bày về cấu trúc, các thành phần cơ bản và các phục vụ của hệ điều hành. Chương 2. Quản lý tiến trình: Trong hệ thống luôn tổn tại các tiến trình hoạt động song song mà trạng thái của chúng ảnh hưởng lẫn nhau và ảnh hưởng tới hoạt động của toàn hệ thống. Mục tiêu của chương này nhằm giới thiệu biện pháp quản lý các tiến trình song hành với nội dung chính là giải quyết bài toán tranh chấp tài nguyên giữa các tiến trình - Bài toán đoạn tới hạn. Trong chương này cũng đề cập tới hiện tượng bế tắc. Đó là tình trạng các tiến trình trong hộ thống rơi vào trạng thái chờ đợi vô hạn dẫn tới làm “treo” hệ thống. Chương 3. Lập lịch cho CPU: CPU là tài nguyên quan trọng nhất của hệ thống, nó thể hiện sức mạnh xử lý của toàn bộ hệ thống. Do vậy, thời gian mà CPU phục vụ cho các tiến trình hoạt động cần phải được khai thác một cách tối ưu nhất. Chương 3 nêu rõ tầm quan trọng của “giờ CPU” và trình bày các phương pháp, các thuật toán lâp lịch cho CPU của hệ điều hành nhằm đáp ứng yêu cầu được phục vụ của các tiến trình. Đồng thời, trong chương này cũng giới thiệu về ngắt - một công cụ để CPU có thể điều khiển hoạt động của các tiến trình một cách chính xác. Chương 4. Quản lý bộ nhớ trong: Nhiệm vụ của hệ điều hành là phải cấp phát không gian nhớ cho các chương trình hoạt động và thu hổi khi chương trình kết thúc. Chương này giải thích quá trình gán địa chỉ (cấp phát không gian nhớ) cho các biến khi thực hiện một chương trình, các cấu trúc cơ ban của chương trình phần mềm và các phương pháp cấp phát bộ nhớ của hệ điều hành. Chương 5. Quản lý bộ nhớ ngoài: Bộ nhớ ngoài là thiết bị dùng để lưu trữ thồng tin trước và sau quá trình xử lý, tính toán. Trong chương này trình bày các biện pháp quản lý và cấp phát không gian nhớ tự do trên đĩa từ, các thuật toán lập lịch cho đĩa từ và nguyên tắc quản lý thông tin trên bộ nhớ phụ - Hệ File. Chương 6. Quản lý thiết bị: Ngoài các thiết bị chuẩn mang tính chất bắt buộc, các hệ thống máy tính cần phải có khả năng kết nối với một số lượng tùy ý các thiết bị mở rộng. Trong'chương này trình bày nguyên tắc tổ chức và quản lý thiết bị ngoại vi của hệ điều hành, đồng thời đề cập tới một số kỹ thuật áp dụng trong quản lý thiết bị ngoại vi. Chương 7. Bảo vệ và an toàn hệ thống: Bảo vệ hệ thống tránh khỏi sự can thiệp bất hợp pháp từ bẽn ngoài cũng như các nguyên nhân tiềm ẩn bên trong là một vấn 9 đề cực kỳ phức tạp. Chương này nêu rô mục đích của việc bảo vệ hệ thống, đồng thời trình bày một số biện pháp bảo vệ và an toàn hệ thống. Chương 8. Hệ điều hành đa xử lý: Có hai phương pháp để tổ chức các hộ thống đa xử lý đó là hệ nhiều CPU (tập hợp các CPU trong một máy tính duy nhất) và hệ phân tán (thực chát là các mạng máy tính). Chương này trình bày mục đích và cấu trúc của hệ nhiêu CPU và hệ phân tán. Đồng thời nêu sơ lược một số vấn đề về quản lý tài nguyên, truyền thông tin, xử lý và truy nhập thông tin trong các hệ thống này. Chương 9. Hệ đỉẻu hành DOS: Chương này trình bày một số vấn đề vẻ hệ điều hành DOS - hệ điều hành đã đặt một mốc rất quan trọng trong quá trình phát triển của máy tính và các hệ điéu hành. Nó được sử dụng trong một thời gian tương đối dài cho các máy tính PC và là một hệ điều hành cơ bản nhất. Các vấn đề trình bày mang tính áp dụng thực tế của các kiến thức đã học trong các chương trước như: quản lý tiến trình, quản lý bộ nhớ, quán lý đĩa từ, quản lý thiết bị, v.v. Cuối cùng, cần xác định nội dung của giáo trình này về cơ bản là định hướng tới hệ điểu hành truyền thống. Một sô' nét sơ bộ về các hệ điều hành đa xử lý được trình bày chỉ nhằm mục đích định hướng cho người học tìm hiểu thêm các tài liệu bổ sung, nhằm hoàn thiện kiến thức chung về hệ điều hành. 10 Chương 1 TổNG QUAN VỂ HỆ ĐIỀU HÀNH *+,-$./ 01/,234565789563:$2,,;-2<5=>?@-A3B,,C,D$E5-2F,-G56H/C-IJ2K A$J/27529H/7- 52L2C--$<5I7L2M5NO$2KA$E/2752P,C,-Q52,2R-,4?S5,T12K A$J/2752I756/8.5-@,-2$E-DEUM8VW562KA$E/2752X$</A3B,,R/-Y,,T1,C, 2KA$J/27529,C,-2752L2Z5,4?S5I7,C,L2+,I+,T12KA$</2752X [$V/56  52?78,C,D2C$5$K>,4?S5IJ2KA$J/27529,C,,2F,5\56,4?S5,T12KA$</ 2752I7,C,-2752L2Z5,T12KA$J/2752X I. CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN ]X 7$56/8.52K-2^56 Một hệ thống máy tính bao gồm các thiết bị phần cứng và các chưưng trình phần mềm. Trong các tai liệu giới thiệu về một hệ thống máy tính bất kỳ, các số liệu thống kê về phần cứng luôn là những yếu tố được quan tâm đầu tiên và là thành tố để nhận biết sức mạnh của hệ thống máy tính đó. Tài nguyên về phần mềm cũng được chú ý thông qua mốì quan tâm về hệ điều hành, các chương trình ứng dụng, các cơ sở dữ liệu đã cài đặt trong hệ thống. Trong giai đoạn hiện nay, giá trị thực sự của tài nguyên phần mềm luôn cao hơn nhiều so với giá trị của tài nguyên phần cứng. Đứng trên phương diện hệ điều hành, mọi công việc của hệ điều hành đều bắt đầu từ một hệ thống phần cứng sẵn có và cẩn phải hoạt động như thế nào đe phát huy được hiệu quá cao nhất của hệ thống phần cứng đó. Vì vậy, trong giáo trình này, chúng ta sẽ lập chung chủ yếu đến tài nguyên phần cứng và định hướng tới vấn đề khai thác hiệu qua các tài nguyên đó. Để phát huy hiệu quả của các tài nguyên phần cứng, cần xem xét một sô' đặc [...]... di t mỏy ca cỏc chng loi CPU ny) di t mỏy cú quan h khỏ mt thit vi kh nng x lý thụng tin ca CPU, chng hn mt CPU cú di t mỏy 4 bytes (32 bits) mc dự cú tc x lý thp hn mt CPU cú di t mỏy 2 bytes (16 bits) nhng khỏ nng x lý thụng tin ca nú s cao hn rt nhiu Nh vy, tng kh nng x lý ca CPU, chỳng ta cõn cú gii phỏp tng c tc x lý v di t mỏy B nh cng l mt ti nguyờn quan trng ca h thng, cỏc c trng c bn... lp gia cỏc thit b v h thng Do ú, chc nng ca h iu hnh trong qun lý h thng vo/ra l: - Che du nhng c thự ca cỏc thit b vo/ra - To lp nhng chng trỡnh qun lý, iu khin thit b chung v cỏc thit b c bit 5.Qun lý fite Khi lu tr thụng tin trờn b nh ngoi, mi thit b lu tr s cú nhng c tớnh vt lý khỏc nhau to iu kin thun li trong cụng tỏc lu tr v qun lý thụng tin, h iu hnh s dng mt n v lu tr ng nht trờn tt c cỏc... gia cỏc tin trỡnh - To cỏc c ch x lý b tc 2 Qun lý b nh trong B nh trong l thit b lu tr m CPU cú th truy xut mt cỏch trc tip Khi t chc mt chng trỡnh, sau biờn dch chng trỡnh c chuyn sang ngụn ng mỏy tớnh, khi ú nú cú cỏc a ch tng i Khi thc hin, chng trỡnh c np vo b nh, cỏc a ch tng i s c chuyn i thnh cỏc a ch vt lý xỏc nh CPU cú th truy xut c trong quỏ trỡnh x lý, ú l quỏ trỡnh sinh a ch Sau khi... phai m bo c cỏc chc nng sau: - Qun lý khụng gian nh t do trn b nh ngoi - Cp phỏt khụng gian nh t do - Cung cp cỏc kh nóng nh v b nh ngoi - Lp lch cho b nh ngoi 4.Qun lý h thng vo/ra Mt trong nhng mc tiờu ca h iu hnh l che du cỏc chi tit phn cng c th i vi ngi s dng iu khin hot ng ca cỏc thit b bng cỏch gi cỏc lnh iu khin ti thit b v tip nhn, x lý cỏc tớn hiu ngt, x lý li Hn na, h iu hnh cn cung cp mt... iu hnh tp trung c ci t trờn h thng mỏy chu ca mng, nú iu hnh mi thao tỏc, x lý v tớnh toỏn ti cỏc mỏy trm H iộu hnh phõn tỏn gm hai thnh phn c ci t trờn mỏy ch v mỏy trm ca mng H iu hnh ti mỏy ch chu trỏch nhim cung ng dch v, qun lý h thng v thc hin cỏc thao tỏc x lý chung; h iu hnh ti mỏy trm cú th thc hin cỏc thao tỏc x lý riờng 5.Cỏc tớnh cht c bn ca h iu hnh - Tớnh tin cy: Mi hot ng, mi thụng bỏo... ra, i mt thao tỏc vo/ra hon tt, ht thi gian x lý Ti mi thi im, tin trỡnh cú th nhõn mt trong cỏc trng thỏi sau: - Khi to (new): tin trỡnh ang c to lp - Sn sng (ready): tin trỡnh ch c cp phỏt CPU x lý - Thc hin (running): tin trỡnh c x lý - i (waiting): tin trỡnh phi dng vỡ thiu ti nguyờn hoc ch mt s kin no - Kt thỳc (halt): tin trỡnh ó hon tt cụng vic x lý Cỏc trng thỏi ca tin trỡnh cú th c biu din... x lý, ú l quỏ trỡnh sinh a ch Sau khi chng trỡnh hot ng xong, h thng cn phi gii phúng cỏc a ch vt lý ó cp phỏt (gii phúng b nh) tng hiu xut x lý cua h thng, ti cựng mt thi im 18 2(t) - 184 h thng cú th cho phộp nhiu chng trỡnh cựng tn ti trong b nh Do ú, h iu hnh cn thc hin cỏc nhim v c bn trong qun lý b nh l: - Cp phỏt v thu hi khụng gian nh cho cỏc tin trỡnh - Lu tr du vt nhng thnh phn ca b nh hin... b nh c lp v cỏc tin trỡnh cú th c kt ni, x lý thụng qua h thng mng Khi ú h iu hnh phi h tr kh nng qun lý, chia s ti nguyờn, truyn thụng trờn mng thụng qua cỏc thnh phn iu khin giao tip mng 8 H thng gii thớch lnh (thụng dch lnh) H thng gii thớch lnh l thnh phn quan trng nht ca h iu hnh, úng vai trũ to giao din gia mỏy tớnh v ngi s ng Nú giỳp mỏy tớnh hiu v x -lý c cỏc ch th, cỏc lnh ca ngi s dng III CC... thc hin nhiu tỏc v x lý ng thi nhng vic iu khin hot ng song hnh cp phn cng l rt khú khn Vỡ vy, cỏc nh thit k h iu hnh xut mt mụ hỡnh song hnh gi lp bng cỏch chuyn i b x lý qua li gia cỏc chng trỡnh duy trỡ hot ng ca nhiu chng trỡnh ti cựng mt thi im Trong mụ hỡnh ny, cỏc chng trỡnh trong h thng c t chc thnh cỏc tin trỡnh (process) Nh vy, cú th coi tin trỡnh l mt chng trỡnh ang x lý, nú s hu mt con... ngoi), h thng vo/ra (cỏc thit b vo/ra v cỏc chng trỡnh iu khin thit b) Trong cỏc thit b núi trờn, CPU l ti nguyờn quan trng nht vỡ nú liờn quan trc tip n kh nõng x lý, tớnh toỏn ca h thng CPU c c trng bi hai yu t l tc x lý v di t mỏy - Tc x lý ca CPU thng c tớnh theo tn sụ' xung nhp ng h hoc s lng phộp tớnh c bn c thc hin trong mt giõy n v o tc c tớnh theo MHz (tn s xung nhp ca ng h trong mt giõy) . tế nhanh và bền vững”. Quấn triệt chủ trương, Nghị quyết của Đảng và Nhà nước và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chết lượng đào tạo, theo. lược ưu tiên thích đáng đới với từng thành phần khi xây dựng hç dieu hành và các chương trình điều khiển hoạt động hệ thống. Theo cách tiếp cận của hệ điều hành, các'tài nguyên phần cứng. độ xử lý của CPU thường được tính theo tần sô' xung nhịp đồng hồ hoặc số lượng phép tính cơ bản được thực hiện trong một giây. Đơn vị đo tốc độ được tính theo MHz (tần số xung nhịp của đổng