Bài giảng môn học hệ điều hành tổng quan hệ điều hành (đh khoa học tự nhiên)

Môn học: Hệ điều hành  Trình bày lịch sử phát triển đặc điểm số loại hệ điều hành  Phát biểu hệ điều hành gì? Giải thích vai trò hệ điều hành hệ thống máy tính  Liệt kê thành phần hệ điều hành  Trình bày đặc điểm số kiến trúc hệ điều hành  Trình bày trình khởi động máy tính • Đã nghe: – Máy tính thiết bị tính toán nhiều tính – Máy tính gồm thành phần: • Bộ xử lý • Bộ nhớ • Các thiết bị nhập xuất • Đã sử dụng máy tính: – Chơi game – Nghe nhạc – Lập trình • Đã sử dụng máy tính nào, không?3 1943 1946 1955 • Máy tính mainframe: cung cấp khả tính toán – Làm chia sẻ thiết bị đắt tiền nhiều người dùng? • Đăng kí sử dụng • Đưa chương trình cho người sử dụng máy tính • Họ chạy chương trình in kết trả lại cho bạn • Người sử dụng đưa cho máy tính chuỗi chương trình phân cách – Thông thường, chương trình nằm thẻ đọc (card) phân cách thẻ điều khiển (control card) Đầu đọc thẻ (card reader) đọc liệu thẻ • Hệ điều hành (HĐH) phát triển để thực công việc cách – HĐH nằm nhớ (Quản lý thường trú – Resident monitor) • CPU nhanh nhiều so với đầu đọc thẻ máy in • Ổ cứng đời, nhanh nhiều so với đầu đọc thẻ • Vậy làm gì? Đọc cv1 từ thẻ vào đĩa Thực thi cv1 lưu kết vào đĩa In kết cv1 Đọc cv2 từ thẻ vào đĩa Thực thi cv2 lưu kết vào đĩa In kết cv2 Đọc cv3 từ thẻ vào đĩa … • Gọi spooling: Simultaneous Peripheral Operation On-Line • CPU rảnh chương trình thực thi cần giao tiếp với thiết bị ngoại vi – Ý tưởng: chương trình tương tác với thiết bị ngoại vi CPU phục vụ chương trình khác • Hệ thống đa chương (Multiprogrammed system) đời – Nạp đồng thời nhiều chương trình vào đĩa (sau vào nhớ RAM) – Chuyển sang phục vụ chương trình khác chương trình thời tương tác với thiết bị ngoại vi • Thiết bị ngoại vi thường chậm đĩa (sau nhớ RAM) • Đặc điểm hệ thống đa chương – Đồng thời thực nhập/xuất chương trình tính toán cho chương trình khác – Tiêu chí: xử lý tình trạng làm việc – Phải biết công việc nhập xuất xong: ngắt vs polling • Vấn đề – Bạn yêu cầu công việc, đợi lúc, nhận kết quả, thấy lỗi, cố gắng sửa chỗ sai, yêu cầu lại, … • Công nghệ hơn: có thiết bị đầu cuối (màn hình, bàn phím) hỗ trợ giao diện tương tác – Làm chia sẻ máy tính (lúc đắt) nhiều người dùng trì giao diện giao tiếp với người dùng? • Chia sẻ thời gian – Nối nhiều thiết bị đầu cuối đầu cuối đến máy tính – Điều phối sử dụng máy tính cho nhiều người dùng – Chuyển đổi phục vụ chương trình người dùng cho đủ nhanh để người sử dụng tương tác với chương trình chúng chạy (tạo cảm giác người dùng dùng máy riêng mình) • Thực thi ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt thời gian hoàn thành • Hard real-time system – Hệ thống điều khiển bay, hệ thống điều khiển công nghiệp, v.v – Gây thảm họa ta trễ hạn – Thách thức: không trễ hạn mà không phung phí nhiều tài nguyên • Soft real-time system – Ứng dụng multimedia – Có thể gây khó chịu không thảm họa bị hạn đôi chút! – Thách thức: hệ thống tải • Vài ứng dụng có công việc thực đồng thời – Dự báo thời tiết, mô phỏng, tính toán lại bảng tính • Có thể tăng tốc độ cách chạy công việc xử lý khác song song đồng thời • Cần HĐH ngôn ngữ lập trình hỗ trợ chia nhỏ công việc thành hành động song song • Cần HĐH hỗ trợ đồng truyền thông nhanh • Nhiều kiến trúc song song khác 10 • Nhiều loại thiết bị lưu trữ đa dạng tốc độ truy xuất, đơn vị lưu trữ, phương thức truy xuất (đĩa cứng, USB, CD,…) • HĐH cung cấp nhìn logic đồng việc lưu trữ thông tin – tập tin • Tập tin thường tổ chức thư mục • Vai trò HĐH việc quản lý tập tin: – – – – Tổ chức tập tin, thư mục đĩa Hỗ trợ thao tác tập tin thư mục Quản lý quyền truy cập Sao lưu dự phòng tập tin thiết bị lưu trữ 25 • Hệ thống máy tính đứng trước mối nguy cơ: – Khách quan: thiên tai, lỗi sử dụng, lỗi phần cứng, phần mềm – Chủ quan: • Tấn công phá hoại: virus, worm, DoS, … • Ăn cắp tài nguyên: trojan horses, trap doors, Man-in-the-middle, … • Bảo vệ (protection) Bảo mật (security): – Kiểm soát trình truy xuất tài nguyên tiến trình/ người dùng – Phòng thủ, chống lại công • Một số chế: – – – – – Hoạt động chế độ (kernel mode vs user mode) Sao lưu dự phòng (Backup) Xác thực người dùng (User Authentication) Phân quyền (Authorization), sách bảo mật (Policy) Kiểm soát nhật ký (Audit log) 26 27 • Các ứng dụng, thư viện, nhân HĐH nằm chung không gian địa • Ưu điểm: – Xử lý yêu cầu nhanh – Dễ mở rộng – Phù hợp với môi trường đơn người dùng • Khuyết điểm – Không có bảo vệ nhân HĐH ứng dụng – Những mở rộng gây xung đột • MS-DOS, Mac OS 9, Windows ME, 98, 95, 3.1, Palm OS HĐH cho số hệ thống nhúng 28 29 • Nhân HĐH bao gồm toàn thành phần quản lý nằm không gian riêng biệt với ứng dụng • Ưu điểm: – Xử lý yêu cầu nhanh – Dễ hiểu người phát triển nhân HĐH – Bảo vệ phần nhân HĐH với ứng dụng • Nhược điểm: – Không có bảo vệ thành phần nhân HĐH – Cấu trúc phức tạp, khó mở rộng (do ranh giới rõ ràng thành phần) • Unix, Windows NT/XP, Linux, BSD 30 31 • Tiêu chí: nhân hệ điều hành (phụ thuộc phần cứng) đơn giản tốt • Các thành phần quản lý HĐH chạy dịch vụ server mức người dùng • Một dịch vụ server bị trục trặc không làm “treo” toàn hệ thống • Các chương trình ứng dụng hoạt động client yêu cầu dịch vụ server gửi thông điệp thông qua nhân HĐH • Mach, Chorus, QNX, GNU Hurd 32 • Ưu điểm: – Dễ mở rộng • Thêm tính cho HĐH cách thêm dịch vụ server – Phần nhân không xác định môi trường HĐH • • • • Cho phép hỗ trợ chạy nhiều HĐH Cần server giả lập cho hệ thống (Mac, Windows, Unix) Tất ứng dụng chạy microkenel Có thể tùy chọn HĐH để chạy ứng dụng – Các dịch vụ HĐH độc lập phần cứng – Các thành phần HĐH bảo vệ tốt – Dễ mở rộng cho hệ thống nhiều xử lý hệ thống phân tán • Khuyết điểm – Xử lý yêu cầu chậm – Khó khăn việc triển khai hệ thống 33 • Bộ xử lý gồm: ALU, CU, Register • Quá trình xử lý thực thi yêu cầu (dưới dạng lệnh): lấy lệnh – giải mã – thực thi (fetch – decode – Bộ nhớ execute) CPU Phép toán Phép logic Bộ đếm CT (PC) Thanh ghi Thanh ghi Thanh ghi n +,-,*,/ ,!= 8 34 • Hệ điều hành nằm đâu ? • Làm để máy tính nạp chạy HĐH lúc khởi động? – Quá trình để khởi động HĐH gọi booting • Quá trình khởi động máy đại gồm giai đoạn – CPU thực thi lệnh từ địa cố định biết trước (boot ROM) – Firmware nạp boot loader – Boot loader nạp HĐH • (1) CPU thực thi lệnh từ địa biết trước nhớ – Địa vùng nhớ thường trỏ tới vùng nhớ đọc (ROM – read-only memory) – Với x86, địa 0xFFFF0, trỏ tới địa chương trình BIOS (basic input-output system) ROM 35 • (2) ROM chứa mã nguồn “boot” – Loại phần mềm đọc gọi firmware – Với x86, chương trình BIOS thực công việc: • Kiểm tra cấu hình CMOS (complementary metal oxide semiconductor) • Nạp trình quản lý ngắt (interrupt handler) trình điều khiển thiết bị • Khởi tạo ghi quản lý nguồn cung cấp (power management) • Thực trình kiểm tra phần cứng (POST – power-on self-test) • Hiển thị thiết lập hệ thống • Xác định thiết bị có khả khởi động • Tiếp tục trình khởi động – Nạp thực thi chương trình boot loader 36 37 • (3) Boot loader sau nạp phần lại HĐH Chú ý thời điểm HĐH chưa chạy – Boot loader hiểu nhiều hệ điều hành khác – Boot loader hiểu nhiều phiên khác HĐH – Đã nghe “dual boot” ? 38 39 [...]... lời gọi hệ thống của hệ điều hành • Hệ điều hành thường cung cấp bộ thư viện các hàm lập trình, chẳng hạn Win32 API, POSIX API (application programming interface), giúp việc lập trình dễ dàng hơn phải dùng các lời gọi hệ thống • Tuy nhiên, thông thường người lập trình thường dùng các hàm thư viện của ngôn ngữ lập trình hơn như thư viện C, Java,… (do dễ sử dụng hơn các hàm thư viện của hệ điều hành) •... viện của hệ điều hành) • Cho dù là sử dụng hàm ngôn ngữ lập trình hay hàm thư viện hệ điều hành thì cuối cùng cũng sẽ chuyễn thành các lời gọi hệ thống tương ứng 17 ReadFile(…) read() read() 18 19 CPU Memory • • • • • Quản lý bộ xử lý – Quản lý tiến trình Quản lý bộ nhớ Quản lý nhập xuất Quản lý lưu trữ - Hệ thống tập tin Hệ thống bảo vệ và bảo mật memory bus I/O bus disk Net interface 20 • Tiến trình... (virtualize) các thành phần phần cứng nhằm giúp việc giao tiếp: dễ dàng và an toàn • Quản lý việc sử dụng chia sẻ các tài nguyên máy tính của các chương trình/người dùng: công bằng và hiệu quả • Cung cấp một tập các hàm thư viện để đơn giản hóa việc phát triển ứng dụng 15 • Là tập các hàm cơ bản nhất của hệ điều hành để phục vụ các yêu cầu từ các chương trình người dùng • Ví dụ, chuỗi các lời gọi hệ thống được... không có ranh giới rõ ràng giữa các thành phần) • Unix, Windows NT/XP, Linux, BSD 30 31 • Tiêu chí: nhân hệ điều hành (phụ thuộc phần cứng) càng đơn giản càng tốt • Các thành phần quản lý của HĐH chạy như các dịch vụ server ở mức người dùng • Một dịch vụ server bị trục trặc không làm “treo” toàn bộ hệ thống • Các chương trình ứng dụng hoạt động như các client yêu cầu các dịch vụ server bằng các gửi thông... nhiều HĐH Cần 1 server giả lập cho mỗi hệ thống (Mac, Windows, Unix) Tất cả các ứng dụng cùng chạy trên microkenel Có thể tùy chọn HĐH để chạy ứng dụng – Các dịch vụ của HĐH độc lập phần cứng – Các thành phần của HĐH được bảo vệ tốt – Dễ mở rộng cho hệ thống nhiều bộ xử lý và hệ thống phân tán • Khuyết điểm – Xử lý yêu cầu chậm – Khó khăn trong việc triển khai hệ thống 33 • Bộ xử lý gồm: ALU, CU, Register... cho một số hệ thống nhúng 28 29 • Nhân HĐH bao gồm toàn bộ các thành phần quản lý nằm ở không gian riêng biệt với các ứng dụng • Ưu điểm: – Xử lý yêu cầu nhanh – Dễ hiểu đối với những người phát triển nhân HĐH – Bảo vệ phần nhân HĐH với các ứng dụng • Nhược điểm: – Không có bảo vệ giữa các thành phần trong nhân HĐH – Cấu trúc phức tạp, khó mở rộng (do không có ranh giới rõ ràng giữa các thành phần)... Clustering – Hệ thống phân tán cục bộ – Dùng nhiều máy nhỏ để phục vụ các công việc lớn • Rẻ hơn là dùng một máy tính lớn • Độ tin cậy cao hơn, tăng khả năng mở rộng • Hệ thống phân tán trên diện rộng – Cho phép sử dụng tài nguyên phân tán • VD sử dụng PC để truy cập Web • Không cần mang nhiều thông tin cần thiết theo mình • HĐH hỗ trợ truyền thông và chia sẻ tài nguyên phân tán – VD hệ lưu trữ tập... trình/ một phần chương trình nào được nạp vào/ ra bộ nhớ như thế nào 23 • Hệ thống quản lý nhập xuất chịu trách nhiệm: – Tạo môi trường giao tiếp đơn giản, đồng nhất với các thiết bị nhập xuất • Trình điều khiển thiết bị: che đi đặc thù phức tạp của các thiết bị nhập xuất đối với người sử dụng – Quản lý hiệu quả nhập xuất: • Điều phối yêu cầu nhập xuất • Tổ chức lưu trữ đệm (buffering, spooling,…)... tin, thư mục trên đĩa Hỗ trợ các thao tác trên tập tin và thư mục Quản lý quyền truy cập Sao lưu dự phòng tập tin trên các thiết bị lưu trữ 25 • Hệ thống máy tính luôn đứng trước các mối nguy cơ: – Khách quan: thiên tai, lỗi sử dụng, lỗi phần cứng, phần mềm – Chủ quan: • Tấn công phá hoại: virus, worm, DoS, … • Ăn cắp tài nguyên: trojan horses, trap doors, Man-in-the-middle, … • Bảo vệ (protection) và... dạng các lệnh): lấy lệnh – giải mã – thực thi (fetch – decode – Bộ nhớ execute) 0 CPU Phép toán Phép logic Bộ đếm CT (PC) Thanh ghi 0 Thanh ghi 1 Thanh ghi n +,-,*,/ ,!= 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 34 • Hệ điều hành nằm ở đâu ? • Làm sao để máy tính nạp và chạy HĐH lúc khởi động? – Quá trình để khởi động HĐH gọi là booting • Quá trình khởi động của các máy hiện đại gồm 3 giai đoạn – CPU thực thi lệnh từ địa ... điểm số loại hệ điều hành  Phát biểu hệ điều hành gì? Giải thích vai trò hệ điều hành hệ thống máy tính  Liệt kê thành phần hệ điều hành  Trình bày đặc điểm số kiến trúc hệ điều hành  Trình... tin khác 16 • Thông thường, chương trình người dùng không gọi trực tiếp lời gọi hệ thống hệ điều hành • Hệ điều hành thường cung cấp thư viện hàm lập trình, chẳng hạn Win32 API, POSIX API (application... mình) • Thực thi ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt thời gian hoàn thành • Hard real-time system – Hệ thống điều khiển bay, hệ thống điều khiển công nghiệp, v.v – Gây thảm họa ta trễ hạn – Thách thức: