Tổng Quan Hệ Điều Hành

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI BÁO CÁO Tìm hiểu Tổng Quan Về HĐH Giáo Viên Hướng Dẫn: Nguyễn Việt Hùng Sinh Viên Thực Hiện: Phạm Lê Minh Phan Đức Thắng Cao Đình Thuyên Nguyễn Hữu Trường I.KHÁI NIỆM VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH 1.Tài Nguyên Hệ Thống Tài nguyên chương trình thành phần máy tính sử dụng chương trình Được tổng hợp từ ba thành tố, tài nguyên phần cứng, tài nguyên phần mềm tài nguyên nguồn nhân lực trung tâm máy tính Về tài ngun phần cứng bao gồm : CPU, thiết bị nhập xuất (bộ nhớ đĩa, CDROM, đĩa USB, hình, bàn phím, chuột, card mạng, ) yếu tố quan tâm sớm thành tố dễ nhận biết sức mạnh trung tâm máy tính Tài nguyên phần mềm : Là file liệu hệ thống phần mềm khác mà chương trình cần truy xuất/tương tác tài nguyên phần mềm ý thông qua thông tin hệ điều hành sử dụng, phần mềm ứng dụng có sở tính tốn Hiện nay, trung tâm tính tốn mạnh, giá trị thực tài nguyên phần mềm lại cao vượt trội nhiều so với giá trị tài nguyên phần cứng Tài nguyên nguồn nhân lực ý, số trường hợp, thành tố lại khó nhận biết khó đánh giá so hai loại tài nguyên nói Năng lực nguồn nhân lực hệ thống nhằm đảm bảo việc thực chức bảo trì, phục vụ phát triển hệ thống (kỹ sư hệ thống, kỹ thuật viên, thao tác viên v.v…) thực lại đánh giá nhiều so với phần cứng phần mềm Khái niệm hệ điều hành Hệ điều hành phần mềm dùng để điều hành, quản lý thiết bị phần cứng tài nguyên phần mềm HĐH tập hợp chương trình tổ chức thành hệ thống với nhiệm vụ đảm bảo tương tác người dùng với máy tính, cung cấp phương tiện dịch vụ để điều phối việc thực chương trình, quản lí chặt chẽ tài nguyên máy, tổ chức khai thác chúng cách thuận tiện tối ưu, giúp cho việc thi hành chương trình dễ dàng hỗ trợ cho thao tác hệ thống máy tính hiệu -Xét phía người sử dụng hệ điều hành cần phải tạo mơi trường giao diện người sử dụng máy tính.Thơng qua môi trường cho phép người sử dụng đưa lệnh, thị điều khiển hoạt động máy tính -Về phía chương trình ứng dụng hệ điều hành phải tạo môi trường để chương trình hoạt động, cung cấp chế cho phép kích hoạt loại bỏ chương trình ứng dụng Mơ hình trừu tượng hệ thống máy tính Vì vậy, hệ điều hành tập hợp chương trình hệ thống có chức tạo mơi trường giao diện cho người dùng, tạo môi trường hoạt động cho chương trình ứng dụng, quản lý khai thác hiệu thiết bị phần cứng -Về phía phần cứng hệ điều hành phải quản lý thiết bị cách có hiệu quả, khai thác hết khả thiết bị, cung cấp cho chương trình người sử dụng tài nguyên phần cứng có yêu cầu, thu hồi cần thiết 2.Phân Loại HĐH 2.1 Các thành phần hệ điều hành Theo định nghĩa đây, hệ điều hành tập hợp chương trình cài đặt sẵn, chương trình đảm nhận chức hệ thống chức hệ điều hành Một nguyên tắc phổ biến để nhận biết thành phần hệ điều hành dựa theo chức chương trình có thành phần Theo ngun tắc thành phần hệ điều hành thành phần điều khiển (control programs), thành phần ứng dụng (application programs, gọi thành phần xử lý) chương trình tiện ích (utilities) Thành phần điều khiển Thành phần điều khiển liên quan đến chức điều khiển, phân phối công việc hệ điều hành Khi chương trình điều khiển hoạt động, khơng cho sản phẩm (sản phẩm File đĩa từ, kết in ra) mà cho tác động điều khiển hoạt động máy tính Dưới liệt kê số mơdun chương trình điển hình thuộc vào thành phần điều khiển: -Chương trình dẫn dắt (điều phối chính, monitor, chương trình giải thích lệnh): Tiếp nhận nhiệm vụ ( yêu cầu người dùng) từ dòng vào nhiệm vụ, xếp phân phối lịch thực v.v…đối với nhiệm vụ, sau trả lại kết cho người dùng -Điều khiển q trình (bài tốn): Thực ln phiên q trình (process; tốn –task) tồn nhớ, tốn có khối chứa thơng tin liên quan để chuyển việc thực từ trình sang trình khác cho việc sử dụng CPU đạt hiệu -Điều khiển liệu: Tổ chức lưu trữ liệu vật dẫn đảm bảo truy nhập liệu theo yêu cầu chương trình người dùng Cơng việc vào – nhớ nhớ liên quan đến hệ thống thiết bị ngoại vi đa dạng phong phú nên điều khiển liệu đa dạng -Mơdun chương trình tải (loader): Đảm bảo việc đưa mơdun chương trình từ nhớ vào nhớ địa nhớ Trong nhiều trường hợp, mơdun chương trình tải đảm bảo việc chuyển điều khiển để thực (execute) chương trình tải vào; -và nhiều thành phần khác… Thành phần ứng dụng Thành phần ứng dụng có hệ điều hành bao gồm chương trình mà thực tạo sản phẩm Các dịch ngơn ngữ lập trình (compiler), chương trình tính tốn, chương trình soạn thảo v.v…được hệ điều hành cung cấp nhằm giúp cho người sử dụng chọn lựa phần mềm thích hợp lĩnh vực khai thác máy tính Thành phần ứng dụng đa dạng tính chất đa dạng yêu cầu người dùng Thành phần điều khiển hướng đích hiệu khai thác máy tính; thành phần ứng dụng hướng đích việc thỏa mãn nhu cầu người dùng, tăng hiệu suất sử dụng máy tính lớp người dùng Các chương trình tiện ích Các chương trình tiện ích cung cấp thêm cho người dùng phương tiện phần mềm làm việc với hệ thống máy tính thuận tiện Các chương trình liên quan đến cách thức thâm nhập hệ thống, chương trình chép, in ấn nội dung File, chương trình làm việc với đĩa v.v…được xếp vào thành phần tiện ích 2.2 Phân loại hệ điều hành Một nguyên tắc phổ biến để phân loại hệ điều hành (truyền thống) dựa theo tính chất hoạt động thành phần điều khiển việc phân loại hệ điều hành thực theo ngun tắc Tính chất hoạt động chương trình điều khiển liên quan đến cách thức đưa chương trình vào nhớ trong, chọn chương trình có nhớ thực v.v… Theo cách thức phân loại này, kể đến hệ điều hành đơn chương trình, hệ điều hành đa chương trình hệ điều hành thời gian thực Hệ điều hành đơn chương trình Trong hệ điều hành đơn chương trình, tồn hệ thống máy tính phục vụ chương trình từ lúc bắt đầu chương trình đưa vào nhớ thời điểm kết thúc chương trình Khi chương trình người dùng đưa vào nhớ chiếm giữ tài ngun hệ thống chương trình người dùng khác đưa vào nhớ Do thiết bị vào có tốc độ làm việc chậm, nên người ta cải tiến chế độ đơn chương trình theo hướng sử dụng cách thức đặc biệt (có tên gọi SPOOLING: Simultaneous Peripheral Operation OnLine; đôi lúc dùng thuật ngữ chế độ SPOOLING với nghĩa cách thức này), mà theo cách thức này, vấn đề vào liên quan đến chương trình thực thơng qua đĩa từ Chương trình người dùng, thơng qua hệ điều hành, thực vào với đĩa từ, việc vào đĩa từ với thiết bị khác lại chế khác đảm nhận vậy, thời gian giải toán (thời gian chương trình thực hiện) giảm Hệ điều hành đa chương trình Đối với hệ điều hành đa chương trình máy tính, thời điểm có nhiều chương trình đồng thời có mặt nhớ Các chương trình có nhu cầu phân phối nhớ CPU để thực Như vậy, nhớ, CPU, thiết bị ngoại vi…là tài nguyên hệ thống chia cho chương trình Đặc điểm quan trọng cần lưu ý chương trình phải “bình đẳng” giải đòi hỏi tài nguyên Khái niệm chương trình nói chế độ đa chương trình dùng để chương trình người dùng lẫn chương trình hệ điều hành Khi so sánh với hệ điều hành đơn chương trình, nhận thấy điều chương trình cụ thể chế độ đơn chương trình, chương trình kết thúc nhanh (thời gian chạy ngắn hơn) so với chạy chế độ đa chương trình, bù lại, khoảng thời gian xác định theo chế độ đa chương trình hồn thiện nhiều chương trình (giải nhiều tốn) hơn, hiệu sử dụng máy tính cao Hệ điều hành thời gian thực Nhiều tài nguyên lĩnh vực điều khiển cần giải không muộn thời điểm định, vậy, máy tính lĩnh vực cần hệ điều hành thời gian thực (RT: Real Time) Trong hệ thời gian thực, toán gắn với thời điểm thời gian (deadtime) toán phải giải không muộn thời điểm cho đó: Nếu tốn hồn thiện muộn thời điểm việc giải trở nên khơng có ý nghĩa Hệ thời gian thực coi trường hợp hệ đa chương trình hoạt động theo chế độ mẻ có gắn thêm thời điểm kết thúc cho tốn 2.3 Tính chất hệ điều hành a)Tin cậy Mọi hoạt động, thông báo HĐH phải chuẩn xác, tuyệt đối biết chắn HĐH cung cấp thơng tin cho người sử dụng Để đảm bảo yêu cầu này, phần thiết bị kỹ thuật phải có phương tiện hỗ trợ kiểm tra tính đắn liệu phép lưu trữ xử lý Trong trường hợp lại HĐH thơng báo lỗi ngừng xử lý trao quyền định cho người vận hành người sử dụng b) An toàn Hệ thống phải tổ chức cho chương trình liệu khơng bị xố bị thay đổi ngồi ý muốn trường hợp chế độ hoạt động Điều đặc biệt quan trọng hệ thống đa nhiệm Các tài nguyên khác đòi hỏi yêu cầu khác việc đảm bảo an toàn c) Hiệu Các tài nguyên hệ thống phải đợc khai thác triệt để chon gay điều kiện tài nguyên hạn chế giải yêu cầu phức tạp Một khía cạnh quan trọng đảm bảo hiệu trì đồng tồn hệ thống, không để thiết bị tốc độ chậm trì hỗn hoạt động tồn hệ thống D) Tổng qt theo thời gian HĐH phải có tính kế thừa, đồng thời có khả thích nghi với thay đổi cso thể cso tương lai Tính thừa kế quan trọng với hệ điều hành hệ Đối với việc nâng cấp, tính kế thừa bắt buộc Các thao tác, thơng báo khơng thay đổi, có khơng đáng kể phải hướng dẫn cụ thể chuyển từ phiên sang phiên khác, phương tiện nhận biết hệ thống Đảm bảo tính kế thừa trì phát triển đội ngũ người sử dụng-một nhân tố quan trọng để HĐH tồn Ngồi người sử dụng quan tâm, liệu kinh nghiệm kiến thức HĐH sử dụng Khả thích nghi với thay đổi đòi hỏi HĐH phải thiết kế theo số nguyên tắc định e) Thuận tiện Hệ thống phải dễ dàng sử dụng, có nhiều mức hiệu khác tuỳ theo kiến thức kinh nghiệm người dùng Hệ thống trợ giúp phong phú để người sử dụng tự đào tạo q trình khai thác Trong chừng mực đó, tính chất mâu thuẫn lẫn Mỗi HĐH có giải pháp trung hồ, ưu tiên hợp lý tính chất hay tính chất khác 2.4 Phân lớp chương trình thành phần điều khiển Một cách phân lớp chương trình thuộc thành phần điều khiển dựa theo toán mà lớp chương trình giải Các tốn nảy sinh trình điều khiển hệ thống máy tính liệt kê Điều khiển liệu Điều khiển liệu (điều khiển file, điều khiển vào ra) bao gồm mơdun chương trình hệ điều hành liên quan đến việc tổ chức lưu trữ quản lý liệu vật dẫn ngoài, chuyển liệu từ nhớ vào nhớ ngược lại Quá trình chuyển liệu thường thực qua hai giai đoạn: chuyển đổi liệu thực khu vực ngoại vi với nhớ chuyển đổi liệu nội bộ nhớ Tính đa dạng thiết bị ngồi dẫn tới việc có nhiều cách tổ chức, lưu trữ, cập nhật liệu v.v… Điều khiển CPU, điều khiển trình Để tối ưu hóa làm việc CPU hoạt động CPU đảm bảo từ hệ thống điều khiển CPU: làm để thời gian hoạt động có ích CPU cao Có thể tiếp cận theo khía cạnh điều khiển q trình (chương trình, tốn) với việc phân chia tài nguyên dùng chung, đồng hóa, xử lý song song quan tâm đến mối quan hệ trình đồng thời tồn Điều khiển nhớ Việc quản lý nhớ để nắm vững vùng nhớ rỗi, vùng nhớ bận việc phân phối nhớ cho chương trình giải phóng nhớ thực xong chức điều khiển nhớ Điều khiển nhớ đạt mục tiêu sử dụng nhớ tối ưu tốt 2.5 Chức hệ điều hành Theo nguyên tắc, hệ điều hành cần thỏa mãn hai chức yếu sau: Quản lý chia sẻ tài nguyên Tài nguyên hệ thống (CPU, nhớ, thiết bị ngoại vi, ) vốn giới hạn, hệ thống đa nhiệm, nhiều người sử dụng đồng thời yêu cầu nhiều tài nguyên Để thỏa mãn yêu cầu sử dụng với tài nguyên hữu hạn nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên, hệ điều hành cần phải có chế chiến lược thích hợp để quản lý việc phân phối tài nguyên Ngoài yêu cầu dùng chung tài ngun để tiết kiệm chi phí, người sử dụng cần phải chia sẻ thông tin (tài nguyên phần mềm) lẫn nhau, hệ điều hành cần đảm bảo việc truy xuất đến tài nguyên hợp lệ, không xảy tranh chấp, đồng nhất, Giả lập máy tính mở rộng Hệ điều hành làm ẩn chi tiết phần cứng, người sử dụng cung cấp giao diện đơn giản, dễ hiểu, dễ sử dụng không phụ thuộc vào thiết bị phần cứng cụ thể Thực tế, ta xem Hệ điều hành hệ thống bao gồm nhiều máy tính trừu tượng xếp thành nhiều lớp chồng lên nhau, máy tính mức phục vụ cho máy tính mức Lớp giao diện trực quan để điều khiển Ngồi chia chức Hệ điều hành theo bốn chức sau: Quản lý trình (process management) Quản lý nhớ (memory management) Quản lý hệ thống lưu trữ Giao tiếp với người dùng (user interaction) 2.6 Nhân hệ điều hành, tải hệ điều hành - Nhân hệ điều hành (tiếng Anh: Kernel) thành phần trung tâm hầu hết hệ điều hành máy tính Nó có nhiệm vụ quản lý tài nguyên hệ thống (liên lạc thành phần phần cứng phần mềm) Thơng thường, với vai trò thành phần hệ điều hành, nhân cung cấp tầng trừu tượng mức thấp cho tài nguyên máy tính (đặc biệt nhớ, CPU, thiết bị vào mà phần mềm ứng dụng cần điều khiển để thực chức Nhân hệ điều hành thường cung cấp tiện ích xử lý cho tiến trình phần mềm ứng dụng qua chế liên lạc tiến trình (inter-process communication) hàm hệ thống (system call) - Các nhân khác thực tác vụ hệ điều hành theo cách khác nhau, tùy theo thiết kế cài đặt Các nhân kiểu nguyên khối (Monolithic kernel) thực nhiệm vụ cách thực thi tồn mã hệ điều hành địa nhớ để tăng hiệu hệ thống Trong nhân loại nhỏ (Microkernel) chạy hầu hết dịch vụ không gian người dùng (user space) với mục đích tăng khả bảo trì tính mơ đun hệ điều hành Có nhiều thiết kế nằm hai thái cực ví dụ (Hybrid kernel) nhân tự động phân luồng - Hầu hết hệ điều hành dựa sở nhân Sự tồn nhân hệ điều hành hệ tất yếu việc thiết kế hệ thống máy tính thành chuỗi tầng trừu tượng để phù hợp tiến trình xử lý cơng việc máy tính đơn giản hóa (đối với người) dần phức tạp hóa (đối với máy tính) Ở tầng trừu tượng cấp phức tạp thấp (đối với máy tính) lại dựa vào chức tầng chúng (các tầng phức tạp lớn máy tính) để xử lý Nhân hệ điều hành khía cạnh tên đơn giản biếu thị cho tầng trừu tượng mức thấp xử lý phần mềm trước qua trình biên dịch ngôn ngữ assembly sang ngôn ngữ máy đưa đến phần cứng máy tính để thi hành Trong số loại phần mềm nhằm tránh sử dụng nhân hệ điều hành bỏ qua nhân hệ điều hành để đưa trực tiếp đến thi hành phần cứng, người ta thiết kế toàn phần mềm hệ thống mà không sử dụng đến tầng trừu tượng (có thể hiểu tầng trừu tượng mức thấp tương đương với nhân nên bỏ qua nhân); điều làm gia tăng phức tạp việc thiết kế, lập trình phần mềm Việc thiết kế phần mềm bỏ qua nhân ví tạo hệ thống đơn giản (đối với máy tính) có tính khả thi cao thực thi phần mềm - Trong biết đến với tên phổ biến nhân hệ điều hành, cách gọi mẻ cho phần tương tự hệ thống máy tính biết đến hạt nhân - nucleus lõi - core, (Chú ý rằng, từ core sử dụng có liên quan tới nhớ hệ thống máy tính, máy tính đời trước sử dụng dạng nhớ gọi core memory), hình thành cách sáng tạo vùng chứa yếu tố cần thiết, cốt lõi hệ điều hành - Trong hầu hết trường hợp, boot loader bắt đầu thực thi nhân hệ điều hành supervisor mode, Nhân hệ điều hành sau nạp phần đầu thi hành tiến trình Sau khởi động hồn tất, nhân hệ điều hành khơng thực thi lập tức, nằm lời trả lời cho kiện bên ngồi (Ví dụ:, thơng qua hàm hệ thống,các ứng dụng yêu cầu dịch vụ từ nhân hệ điều hành, thông qua ngắt sử dụng phần cứng để thông báo cho nhân hệ điều hành kiện xảy ra) Ngoài ra, nhân hệ điều hành đặc biệt cung cấp vòng lặp thực thi lúc mà khơng có tiến trình thực thi; thường gọi tiến trình nhàn rỗi 3 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH Vì HĐH nằm cấp phần cứng nên lịch sử HĐH gắn liền với lịch sử phát triển phần cứng máy tính Ở tổng kết lại lịch sử phát triển máy tính số gồm hệ sau : Thế hệ (1945 – 1955) Vào khoảng thập niên 1940, Howard Aiken Havard John von Neumann Princeton, thành cơng việc xây dựng máy tính dùng ống chân không Những máy lớn với 10000 ống chân không chậm nhiều so với máy rẻ ngày Mỗi máy nhóm thực tất từ thiết kế, xây dựng lập trình, thao tác đến quản lý Lập trình ngôn ngữ máy tuyệt đối, thường cách dùng bảng điều khiển để thực chức Ngơn ngữ lập trình chưa biết đến hệ điều hành chưa nghe đến Vào đầu thập niên 1950, phiếu đục lổ đời viết chương trình phiếu thay cho dùng bảng điều khiển Thế hệ (1955 – 1965) Sự đời thiết bị bán dẫn vào thập niên 1950 làm thay đổi tranh tổng thể Máy tính trở nên đủ tin cậy Nó sản xuất cung cấp cho khách hàng Lần có phân chia rõ ràng người thiết kế, người xây dựng, người vận hành, người lập trình, người bảo trì Để thực cơng việc (một chương trình hay tập hợp chương trình), lập trình viên trước hết viết chương trình giấy (bằng hợp ngữ hay FORTRAN) sau đục lỗ phiếu cuối đưa phiếu vào máy Sau thực xong xuất kết máy in Hệ thống xử lý theo lơ đời, lưu yêu cầu cần thực lên băng từ, hệ thống đọc thi hành Sau đó, ghi kết lên băng từ xuất cuối người sử dụng đem băng từ xuất in Hệ thống xử lý theo lô hoạt động điều khiển chương trình đặc biệt tiền thân hệ điều hành sau Ngôn ngữ lập trình sử dụng giai đoạn chủ yếu FORTRAN hợp ngữ Thế hệ (1965 – 1980) Trong giai đoạn này, máy tính sử dụng rộng rãi khoa học thương mại Máy IBM 360 máy tính sử dụng mạch tích hợp (IC) Từ kích thước giá hệ thống máy giảm đáng kể máy tính phỗ biến Các thiết bị ngoại vi dành cho máy xuất ngày nhiều thao tác điều khiển bắt đầu phức tạp Hệ điều hành đời nhằm điều phối, kiểm soát hoạt động giải yêu cầu tranh chấp thiế bị Chương trình hệ điều hành dài triệu dòng hợp ngữ hàng ngàn lập trình viên thực Sau đó, hệ điều hành đời khái niệm đa chương CPU chờ thực thao tác nhập xuất Bộ nhớ chia làm nhiều phần, phần có cơng việc (job) khác nhau, công việc chờ thực nhập xuất CPU xử lý cơng việc lại Tuy nhiên có nhiều cơng việc xuất nhớ, vấn đề phải có chế bảo vệ tránh công việc ảnh hưởng đến Hệ điều hành cài đặt thuộc tính spool Giai đoạn đánh dấu đời hệ điều hành chia xẻ thời gian CTSS MIT Đồng thời hệ điều hành lớn đời MULTICS, UNIX hệ thống máy mini xuất DEC PDP-1 Thế hệ (1980 - ) Giai đoạn đánh dấu đời máy tính cá nhân, đặc biệt hệ thống IBM PC với hệ điều hành MS-DOS Windows sau Bên cạnh phát triển mạnh hệ điều hành tựa Unix nhiều hệ máy khác Linux Ngoài ra, từ đầu thập niên 90 đánh dấu phát triển mạnh mẽ hệ điều hành mạng hệ điều hành phân tán ... Các thành phần hệ điều hành Theo định nghĩa đây, hệ điều hành tập hợp chương trình cài đặt sẵn, chương trình đảm nhận chức hệ thống chức hệ điều hành Một nguyên tắc phổ biến để nhận biết thành... phần hệ điều hành dựa theo chức chương trình có thành phần Theo ngun tắc thành phần hệ điều hành thành phần điều khiển (control programs), thành phần ứng dụng (application programs, gọi thành... tiện ích 2.2 Phân loại hệ điều hành Một nguyên tắc phổ biến để phân loại hệ điều hành (truyền thống) dựa theo tính chất hoạt động thành phần điều khiển việc phân loại hệ điều hành thực theo ngun