Bài giảng hệ điều hành chương 1 giới thiệu

Khoa Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông Đại học Cần Thơ Giảng viên: Hà Duy An Hệ điều hành gì? Tổ chức hệ thống máy tính Các thành phần hệ điều hành Các môi trường điện toán 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Là chương trình quản lý tài nguyên máy tính, đóng vai trò lớp trung gian người sử dụng máy tính phần cứng máy tính • Mục đích hệ điều hành: o Thực thi chương trình người dùng giúp giải vấn người dùng dễ dàng o Làm cho hệ thống máy tính dễ sử dụng o Sử dụng tài nguyên phần cứng máy tính hiệu 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Hệ thống máy tính chia thành thành phần: o Phần cứng (Hardware): cung cấp tài nguyên tính toán sở • CPU, memory, I/O devices o Hệ điều hành • Điều khiển phối hợp việc sử dụng phần cứng ứng dụng người dùng o Chương trình ứng dụng: Xác định cách tài nguyên hệ thống dùng để giải vấn đề tính toán người dùng • Các chương trình xử lý văn (Word processors), trình biên dịch (compilers), trình duyệt Web (web browsers), hệ thống sở liệu (database systems), trò chơi điện tử (video games) o Các người dùng • Người, máy móc, máy tính khác 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Tùy thuộc vào góc nhìn: user view, system view • Người dùng cần tiện lợi, dễ sử dụng, hiệu cao => không quan tâm đến việc chia nguồn tài nguyên • Share computer (mainframe, minicomputer): chia công tận dụng nguồn tài nguyên hiệu • Người dùng ngồi máy trạm (workstation) sử dụng nguồn tài nguyên dùng chung: networking and servers (file, compute, and print servers) => hài hòa việc sử dụng tài nguyên cá nhân tận dụng tài nguyên chia • Các thiết bị cầm tay: tài nguyên tính toán, lượng giới hạn 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Bộ cấp phát tài nguyên (Resource Allocator): o Quản lý tất tài nguyên o Đảm bảo cạnh tranh sử dụng hiệu công nguồn tài nguyên • Chương trình điều khiển (Control Program): o Điều khiển thực thi chương trình để ngăn chặn lỗi việc sử dụng không hợp lý máy tính 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Không có định nghĩa chấp nhận hoàn toàn • Có thể xem hệ điều hành “mọi thứ có phân phối hệ điều hành” Hay: • Nhân (Kernel): chương trình hoạt động toàn thời gian (còn lại chương trình hệ thống hay ứng dụng) 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Một mục đích HĐH ẩn đặc tính riêng biệt thiết bị phần cứng với người dùng • Hệ thống I/O chịu trách nhiệm: o Quản lý vào nhớ bao gồm buffering, caching, spooling o Giao diện điều khiển thiết bị tổng quát o Trình điều khiển cho thiết bị chuyên biệt 8/8/2013 38 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Protection – chế điều khiển truy cập nguồn tài nguyên tiến trình người dùng định nghĩa hệ điều hành • Security – chế bảo vệ hệ thống chống lại công từ bên hay bên o Rất đa dạng: denial-of-service, worrms, viruses, identity theft, theft of service • Hệ thống trước tiên phải nhận dạng người dùng, để xác định quyền hạn người truy cập o Định danh người dùng (User ID hay Security ID) – gồm tên kết hợp với số cho người dùng o User ID kết hợp với tất file, tiến trình mà người dùng phép truy cập o Định danh nhóm (group ID) 8/8/2013 39 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Các máy tính đa mục đích, độc lập (Stand-alone general purpose machines) • Hầu hết hệ thống ngày điều kết nối với => phân biệt giữ hệ thống không rõ ràng • Portals cung cấp truy cập thông qua giao diện web vào bên hệ thống • Network computers (thin clients) xem Web terminals • Kết nối Internet trở nên phổ biến, chí hệ thống nhà trang bị tường lửa máy tính khỏi mối nguy từ bên 8/8/2013 41 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Các thiết bị cầm tay, tablet,… • Có kích thước nhỏ, nhẹ, nhớ CPU có khả giới hạn • Có tính chuyên biệt (GPS, gyroscope) • Tạo kiểu ứng dụng augmented reality • Sử dụng IEEE 802.11 wireless, hay cellular data network • Hệ điều hành: Apple iOS, Google Android 8/8/2013 42 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Tập hợp hệ thống máy tính riêng biệt, có cấu trúc phần cứng không giống nhau, kết nối với o Kết nối thông qua mạng, dùng TCP/IP • • • • Local Area Network (LAN) Wide Area Network (WAN) Metropolitan Area Network (MAN) Personal Area Network (PAN) o Cho phép máy tính hệ thống truy cập đến nhiều nguồn tài nguyên đa dạng khác có hệ thống => khả truy cập nguồn tài nguyên chia giúp gia tăng tốc độ tính toán, sẳn sàng liệu độ tin cậy hệ thống o HĐH phân tán (Distributed OS) điều khiển hệ thống máy tính khác hệ thống để thực chức chung hệ thống • Cho phép hệ thống máy tính trao đổi thông điệp với • Gây cảm giác hệ thống 8/8/2013 43 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Dumb terminals thay smart PC • Hệ thống máy chủ chia làm loại: o Compute-server system: cung cấp giao diện để client yêu cầu dịch vụ (vd: database) o File-server system: cung cấp giao diện cho phép client lưu trữ truy xuất file 8/8/2013 44 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Là kiểu mô hình phân tán • P2P không phân biệt clients servers o Tất node ngang hàng o Có thể client, server hay hai o Node kết nối vào mạng P2P: • Đăng ký dịch vụ với trung tâm tìm kiếm dịch vụ mạng, hay • Sử dụng discovery protocol để yêu cầu dịch vụ o Ví dụ: Napster, Gnutella, VoIP Skype 8/8/2013 45 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Cho phép hệ điều hành chạy chương trình ứng dụng hệ điều hành khác o Đây lĩnh vực rộng phát triển nhanh chóng • Giả lập (Emulation) dùng kểu CPU nguồn khác với CPU đích (ví dụ: PowerPC Intel x86) o Nhìn chung tốc độ chậm chạy trực tiếp o Thông dịch (Interpretation) dạng giả lập • Ảo hóa – HĐH vốn biên dịch để thực thi CPU chạy bên hệ điều hành khác o VD: VMware chạy WinXP guest, chạy ứng dụng nó, tất chạy WinXP host OS o Vmware hay VMM (Virtual machine manager) cung cấp dịch vụ ảo hóa 8/8/2013 46 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • VMM cho phép chạy nhiều HĐH PC với mục đích khám phá hay vấn đề tương thích o Apple laptop dùng HĐH Mac OS X, chạy HĐH Windows guest OS o Phát triển ứng dụng cho nhiều hệ điều hành khác mà không cần có nhiều hệ thống vật lý khác o Thực thi quản lý môi trường điện toán trung tâm liệu (data centers) • Một số VMM Vmware ESX hay Citrix XenServer không cần chạy host OS 8/8/2013 47 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành 8/8/2013 48 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Cloud Computing hay điện toán đám mây: Giúp cung cấp tài nguyên tính toán, lưu trữ, ứng dụng dịch vụ thông qua mạng • Là bước mở rộng ảo hóa dựa tảng ảo hóa o Amazon EC2 cung cấp hàng ngàng server, hàng triệu máy ảo, hàng Petabytes lưu trữ sẳn dùng cho người dùng internet (người dùng phải trả phí cho tài nguyên mà họ dùng) • Các loại cloud Computing: o Public cloud o Private cloud o Hybrid cloud • Các loại dịch vụ cung cấp: o Software as a Service (SaaS) o Platform as a Service (PaaS) o Infrastructure as a Service (IaaS) 8/8/2013 49 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Môi trường điện toán đám mây gồm: traditional OS + VMM + cloud management tools o Cần đảm bảo kết nối vào hệ thống an toàn (firewalls) o Load balancer: đảm bảo cân tải hệ thống 8/8/2013 50 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Là hệ thống máy tính thường thấy o Rất khác biệt mục đích sử dụng, HĐH có mục đích giới hạn, hệ điều hành thời gian thực (real-time OS), có HĐH o Được sử dụng rộng rãi • Real-time OS dùng hệ thống có ràng buộc thời gian chặt chẽ o Các tiến trình phải hoàn tất phạm vi thời gian định o Thao tác xem xác hoàn thành hạn 8/8/2013 51 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành [...]... nhớ 8/8/2 013 27 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành 8/8/2 013 28 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Hướng ngắt (interrupt driven) • Lỗi phần mềm hay một yêu cầu từ phía người dùng chương trình tạo ra các exception hay trap o Chia 0, yêu cầu dịch vụ của hệ điều hành • Các vấn đề khác: vòng lặp vô hạn, các tiến trình can thiệp lẫn nhau hay hệ điều hành • HĐH bảo vệ chính nó và các thành phần hệ thống... dùng • Hệ điều hành hướng ngắt (interrupt driven) 8/8/2 013 12 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Hệ điều hành dừng công việc đang thực hiện o Lưu giữ trạng thái của CPU bằng cách lưu trữ các thanh ghi và bộ đếm chương trình • Xác định loại ngắt xảy ra: o Generic routine o Interrupt vetor • Thực thi intrrupt service routine • Tiếp tục thực thi công việc trước khi bị ngắt 8/8/2 013 13 Chương 1: Tổng... tính o Bộ điều khiển điều khiển đĩa điều khiển các tương tác giữa thiết bị và máy tính • Đĩa bán dẫn (solid-state disks) – nhanh hơn đĩa từ, không bay hơi o Có nhiều kỹ thuật khác nhau o Đang ngày càng trở nên phổ biến hơn 8/8/2 013 19 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Hệ thống lưu trữ tổ chức phân cấp: o o o o 8/8/2 013 Tốc độ Giá Kích thước Tính bay hơi 20 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Là... song song của hệ thống o Cluster có thể được trang bị khả năng DLM (distributed lock manager) để tránh các thao tác xung đột trên dữ liệu chia sẽ dùng chung 8/8/2 013 24 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành 8/8/2 013 25 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • • Multiprogramming (đa chương) – hiệu quả khi sử dụng CPU o Một chương trình người dùng không thể giữ cho CPU và thiết bị I/O luôn bận o Đa chương giữ... đệm lưu trữ của thiết bị trực tiếp vào bộ nhớ chính mà không có sự can thiệp của CPU • Chỉ một ngắt sinh ra cho mỗi block thay vì mỗi byte 8/8/2 013 17 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành A von Neumann architecture 8/8/2 013 18 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Bộ nhớ chính – là phương tiên lưu trữ lớn nhất mà CPU có thể truy cập trực tiếp o Truy cập ngẫu nhiên o Bị bay hơi • Lưu trữ thứ cấp – mở... 1: Tổng quan về hệ điều hành 8/8/2 013 14 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Các thiết bị nhập/xuất (I/O devices) và CPU có thể thực thi đồng thời • Mỗi bộ điều khiển thiết bị (device controller) sẽ chịu trách nhiệm điều khiển một loại thiết bị khác nhau • Device Driver – cho mỗi bộ điều khiển thiết bị để quán lý I/O o Cung cấp giao diện đồng nhất giữa controller và kernel • Mỗi bộ điều khiển thiết... ghi để thực thi thao tác tương ứng • Khi hoàn thành I/O, device controller báo cho device driver thông qua ngắt • Device driver chuyển quyển điều khiển cho hệ điều hành có thể bao gồm dữ liệu hay một con trỏ 8/8/2 013 16 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Được sử dụng cho các thiết bị I/O tốc độ cao, có thể chuyển dữ liệu gần bằng với tốc độ bộ nhớ • Bộ điều khiển thiết bị chuyển các khối dữ liệu từ... • Tăng độ tin cậy o 2 loại: • Đa xử lý bất đối xứng (Asymmetric Multiprocessing) • Đa xử lý đối xứng (Symmetric Multiprocessing) 8/8/2 013 22 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành 8/8/2 013 23 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Giống như multiprocessor, nhưng nhiều hệ thống máy tính riêng lẽ được tổ chức để hoạt động cùng nhau: o Thông thường chia sẽ lưu trữ thông qua vùng lưu trữ mạng (Storage-area... được quản lý bởi HĐH hay một ứng dụng nào đó o Có thể là WORM (write-once, read-many-times) hay RW(read-write) 8/8/2 013 35 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Việc di chuyển giữa các cấp độ lưu trữ trong bộ nhớ phân cấp có thể rõ ràng hoặc không 8/8/2 013 36 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành ... phát tính hiệu ngắt Thiết lặp trước khi định thời tiến trình để thu hồi lại quyền điều khiển hay hủy bỏ chương trình vượt quá thời gian cho phép Transition from user to kernel mode 8/8/2 013 30 Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành • Tiến trình (process) là một chương trình đang thực thi Là một đơn vị công việc trong hệ thống Chương trình là một thực thể bị động, tiến trình là một thực thể chủ động • Tiến ...1 Hệ điều hành gì? Tổ chức hệ thống máy tính Các thành phần hệ điều hành Các môi trường điện toán 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Là chương trình quản lý tài... xem hệ điều hành “mọi thứ có phân phối hệ điều hành Hay: • Nhân (Kernel): chương trình hoạt động toàn thời gian (còn lại chương trình hệ thống hay ứng dụng) 8/8/2013 Chương 1: Tổng quan hệ điều. .. (write-once, read-many-times) hay RW(read-write) 8/8/2013 35 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành • Việc di chuyển cấp độ lưu trữ nhớ phân cấp rõ ràng không 8/8/2013 36 Chương 1: Tổng quan hệ điều hành