Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Cấu trúc hệ điều hành cung cấp cho người học các kiến thức: Các thành phần của hệ điều hành, các dịch vụ của hệ điều hành, lời gọi hệ thống, các chương trình hệ thống, kiến trúc hệ điều hành, thiết kế và cài đặt hệ điều hành. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
CT107 Hệ Điều Hành Chương Cấu Trúc Hệ Điều Hành Giảng viên: Trần Công Án (tcan@cit.ctu.edu.vn) https://sites.google.com/site/tcanvn/ Bộ môn Mạng máy tính & Truyền thơng Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin & Truyền Thông Đại học Cần Thơ 2014 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Mục Tiêu Giới thiệu dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp phương pháp thiết kế kiến trúc cài đặt hệ điều hành TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Nội Dung Các thành phần Hệ điều hành Các dịch vụ Hệ điều hành Lời gọi hệ thống Các chương trình hệ thống Kiến trúc hệ điều hành Thiết kế & Cài đặt hệ điều hành TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Các Thành Phần Của Hệ Điều Hành Là hệ thống phức tạp bao gồm nhiều thành phần với input, output chức định nghĩa rõ ràng: Quản lý tiến trình (process management) Quản lý nhớ (main-memory management) Quản lý hệ thống tập tin (file management) Quản lý hệ thống nhập/xuất (I/O management) Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp (secondary storage management) Hệ thống kết nối mạng (networking) Hệ thống bảo vệ (protection system) Giao diện người dùng (user interface) TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Quản lý tiến trình Quản Lý Tiến Trình Tiến trình (process) chương trình thực thi Tiến trình cần tài nguyên để thực tác vụ nó: thời gian phục vụ CPU, nhớ, tập tin, thiết bị vào Bộ quản lý tiến trình chịu trách nhiệm thực tác vụ sau: Tạo hủy tiến trình Ngừng tiếp tục tiến trình Đưa chế để: đồng hóa tiến trình thực việc giao tiếp tiến trình chống deadlock TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Quản lý nhớ Quản Lý Bộ Nhớ Chính Bộ nhớ mảng lớn words bytes, với địa riêng biệt Là kho chứa liệu truy cập nhanh, chia sẻ CPU thiết bị vào Là thiết bị lưu trữ bay (volatile storage device), bị nội dung hệ thống gặp cố∗ Bộ quản lý nhớ chịu trách nhiệm thực tác vụ: Theo dõi phần nhớ sử dụng tiến trình Quyết định tiến trình nạp vào nhớ khơng gian nhớ chỗ trống Cấp phát thu hồi không gian nhớ cần thiết TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Quản lý tập tin Quản Lý Tập Tin Một tập tin: tập hợp thơng tin có liên quan với nhau, dùng để lưu chương trình liệu thiết bị lưu trữ, đĩa, băng từ Bộ quản lý tập tin chịu trách nhiệm thực tác vụ: Tạo xóa tập tin, thư mục Hỗ trợ sở cho việc thao tác tập tin thư mục Ánh xạ tập tin lên thiết bị lưu trữ thứ cấp Sao lưu tập tin lên phương tiện lưu trữ không bay TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Quản lý hệ thống nhập/xuất Quản Lý Hệ Thống Nhập/Xuất Hệ thống xuất/nhập bao gồm: Hệ thống lưu trữ đệm (buffer-caching system): buffering, caching, spooling Giao diện điều khiển thiết bị tổng quát (general device-driver interface) Trình điều khiển thiết bị (driver) cho thiết bị cụ thể Thành phần quản lý hệ thống xuất/nhập giao tiếp với thành phần khác hệ thống để quản lý thiết bị, chuyển tải liệu, phát hoàn thành xuất/nhập TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp Quản Lý Hệ Thống Lưu Trữ Thứ Cấp Bộ nhớ bị bay nhỏ để chứa tất liệu chương trình lâu dài ⇒ dùng thiết bị lưu trữ thứ cấp để hỗ trợ Hầu hết sử dụng đĩa từ làm thiết bị lưu trữ trực tuyến yếu cho liệu chương trình Bộ quản lý đĩa chịu trách nhiệm thực tác vụ: Quản lý không gian trống Cấp phát khơng gian lưu trữ Định thời sử dụng đĩa TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Các thành phần Hệ điều hành Hệ thống nối kết mạng – Hệ thống phân tán Hệ Thống Nối Kết Mạng – Phân Tán Hệ thống phân tán tập hợp xử lý không dùng chung nhớ xung đồng hồ Các xử lý hệ thống nối kết thông qua mạng truyền thông (communication network) Giao tiếp thực thông qua giao thức: FTP, NFS, HTTP Hệ thống phân tán cho phép người dùng truy cập nhiều loại tài nguyên hệ thống khác nhau, giúp: Tăng tốc độ tính toán Tăng mức độ sẵn dùng liệu Tăng độ tin cậy TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 10 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến Trúc Hệ Điều Hành Là cách thức tổ chức thành phần HĐH để xác định đặc quyền mà thành phần thực Ba loại kiến trúc: Nguyên khối (monolithic): tất thành phần chứa nhân (kernel) Phân tầng (layered): phương pháp trên-xuống (top-down), tách biệt chức đặc điểm thành phần Vi nhân (microkernel): thành phần chủ yếu bao gồm kernel TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 25 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Một số hệ điều hành có kiến trúc đơn giản Kiến Trúc Hệ Điều Hành MS-DOS Khơng có kiến trúc rõ ràng Được viết để cung cấp nhiều chức với dung lượng nhỏ application program resident system program Không chia thành modules Mặc dù MS-DOS tổ chức có cấu trúc, lớp chức giao diện chúng không phân chia tốt TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH MS-DOS device drivers ROM BIOS device drivers 26 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Một số hệ điều hành có kiến trúc đơn giản Kiến Trúc Hệ Điều Hành UNIX Cổ Điển Hệ điều hành UNIX khởi thủy có kiến trúc giới hạn giới hạn phần cứng Hệ điều hành UNIX bao gồm hai phần tách biệt: Các chương trình hệ thống Nhân (kernel) Bao gồm thứ phía giao diện lời gọi hệ thống phía phần cứng vật lý Cung cấp chế quản lý hệ thống tập tin, định thời CPU, quản lý nhớ chức khác hệ điều hành TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 27 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Một số hệ điều hành có kiến trúc đơn giản Kiến Trúc Hệ Điều Hành UNIX Cổ Điển (the users) shells and commands compilers and interpreters system libraries kernel system-call interface to the kernel signals terminal handling character I/O system terminal drivers file system swapping block I/O system disk and tape drivers CPU scheduling page replacement demand paging virtual memory kernel interface to the hardware terminal controllers terminals TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) device controllers disks and tapes [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH memory controllers physical memory 28 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến trúc phân tầng Kiến Trúc Phân Tầng Hệ điều hành chia thành số tầng, tầng xây dựng tảng tầng khác thấp Tầng thấp tầng vật lý, tầng cao giao diện với người dùng layer N user interface • • • layer layer hardware Sự phân chia chức năng: tầng sử dụng hàm (thao tác) dịch vụ cung cấp tầng phía liền kề TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 29 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến trúc phân tầng Kiến Trúc Phân Tầng – Ưu Nhược Điểm Ưu điểm: Tính module (modularity) ⇒ đơn giản hóa việc thiết kế, cài đặt, gỡ rối kiểm tra hệ thống Đơn giản hóa thể qua việc sửa đổi, cải tiến tầng, không ảnh hưởng đến tầng khác Nhược điểm: Cần phải định nghĩa cẩn thận chức tầng tầng sử dụng tầng Đơi khó khăn việc xác định chức HĐH nằm tầng Tăng chi phí cho việc gọi lời gọi hệ thống thông qua nhiều tầng TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 30 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến trúc vi nhân Kiến Trúc Vi Nhân Di chuyển nhiều chức từ nhân lên mức người dùng Việc giao tiếp module người dùng thực cách sử dụng chế chuyển thơng điệp Lợi ích: dễ dàng mở rộng microkernel dễ dàng chuyển đổi hệ điều hành sang kiến trúc tin cậy an tồn (ít mã lệnh chạy mức nhân hơn) Nhược điểm: chi phí giao tiếp tiến trình người dùng nhân TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 31 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến trúc vi nhân Kiến Trúc Của Một Hệ Vi Nhân Kiểu Mẫu Application Program File System messages Interprocess Communication Device Driver user mode messages memory managment CPU scheduling kernel mode microkernel hardware TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 32 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Máy ảo (Virtual machine) Máy Ảo (Virtual Machine) Máy ảo sử dụng mơ hình phân tầng: xem phần cứng nhân HĐH phần cứng Một máy ảo cung cấp giao diện đồng cho phần cứng thực bên Tài nguyên thực máy tính chia sẻ để tạo máy ảo HĐH tạo cảm giác nhiều máy, máy sử dụng phần CPU nhớ ảo giống hệ thống truyền thống TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 33 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Máy ảo (Virtual machine) Mô Hình Hệ Thống Máy Ảo processes processes processes processes programming interface kernel kernel VM1 kernel VM2 VM3 virtual machine manager hardware TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) kernel hardware [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 34 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Máy ảo (Virtual machine) Ưu Nhược Điểm Của Hệ Thống Máy Ảo Máy ảo cung cấp chế bảo vệ tuyệt đối tài nguyên hệ thống máy ảo tách biệt khỏi tất máy ảo khác Tuy nhiên, tách biệt không cho phép việc chia sẻ trực tiếp tài ngun Hệ thống máy ảo cơng cụ hồn hảo cho việc nghiên cứu phát triển HĐH Việc phát triển hệ thống hoàn thành máy ảo thay máy tính vật lý thật ⇒ khơng ngắt quãng hoạt động bình thường hệ thống Máy ảo khó cài đặt yêu cầu đặt phải cung cấp xác phần cứng máy thật TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 35 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Thiết kế & Cài đặt hệ điều hành Thiết Kế Hệ Điều Hành Có nhiều hướng tiếp cận Bắt đầu việc xác định mục tiêu đặc tả kỹ thuật: phần cứng, kiểu hệ điều hành (batch, time-sharing, distributed, ) Yêu cầu: Đối với người dùng: HĐH phải dễ dùng, dễ học, tin cậy, an toàn nhanh Đối với hệ thống: HĐH phải dễ thiết kế, cài đặt, bảo trì, phải linh hoạt, tin cậy, không lỗi hiệu TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 36 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Thiết kế & Cài đặt hệ điều hành Cơ Chế Và Chính Sách Cơ chế (mechanism) xác định cách thực việc Chính sách (policy) định làm Việc tách chiến lược khỏi chế cho phép đạt linh hoạt tối đa: Các định sách thay đổi sau HĐH hành dạng microkernel cài đặt tập hợp hàm (primitive) sách, cho phép thêm vào sách chế dựa hàm Các định sách phải xác lập cho tất vấn đề cấp phát tài nguyên (resource allocation) định thời (scheduling) TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 37 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Thiết kế & Cài đặt hệ điều hành Cài Đặt Hệ Thống Thay viết hợp ngữ theo truyền thống, ngày HĐH viết ngơn ngữ lập trình cấp cao Mã lệnh viết ngôn ngữ cấp cao: Có thể viết nhanh Gói gọn Dễ hiểu sửa lỗi Một HĐH chuyển đổi (sang hệ thống phần cứng khác) dễ dàng nhiều viết ngơn ngữ lập trình cấp cao TS Trần Cơng Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 38 ... thành phần Hệ điều hành Các dịch vụ Hệ điều hành Lời gọi hệ thống Các chương trình hệ thống Kiến trúc hệ điều hành Thiết kế & Cài đặt hệ điều hành TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc... nhìn HĐH qua chương trình hệ thống, khơng qua lời gọi hệ thống TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 24 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Kiến Trúc Hệ Điều Hành Là... hệ điều hành TS Trần Công Án (Khoa CNTT&TT) [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH 27 [CT107] Ch2 Cấu trúc HĐH Kiến trúc hệ điều hành Một số hệ điều hành có kiến trúc đơn giản Kiến Trúc Hệ Điều Hành UNIX Cổ