[r]
(1)CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU HÀNH
I Mục đích
Sau học xong chương này, người học nắm kiến thức sau:
o Hiểu hệđiều hành từ ba khía cạnh: người dùng, người lập trình người
thiết kế
o Hiểu dịch vụ mà hệđiều hànhcung cấp
o Biết phương pháp dùng để thiết kế kiến trúc hệđiều hành II Giới thiệu
Hệđiều hành cung cấp mơi trường cho chương trình thực thi Nội tại, hệ điều hành khác biệt kiến trúc, chúng tổ chức với dòng khác Thiết kế hệđiều hành cơng việc quan trọng Các mục đích hệ thống phải định nghĩa rõ ràng trước thiết kế bắt đầu Kiểu hệ thống mong muốn sở cho việc chọn lựa giải thuật chiến lược khác
Hệđiều hành có thểđược nhìn từ nhiều lợi điểm khác Người xem xét dịch vụ mà hệđiều hành cung cấp Người quan tâm đến giao diện mà hệđiều hành mang lại cho người dùng người lập trình Người khác lại phân rã hệ thống thành thành phần mối quan hệ bên chúng Trong chương tìm hiểu ba khía cạnh hệđiều hành, thể ba quan điểm người dùng, người lập trình người thiết kế hệđiều hành Chúng ta xem xét dịch vụ
mà hệđiều hành cung cấp, cách chúng cung cấp phương pháp khác
được dùng cho việc thiết kế hệđiều hành
III Các thành phần hệ thống
Chúng ta tạo hệ thống lớn phức tạp hệđiều hành phân chia hệđiều hành thành phần nhỏ Mỗi phần nên thành phần
được mô tả rõ ràng hệ thống, với xuất, nhập chức định nghĩa cẩn thận Tuy nhiên, nhiều hệ thống đại chia sẻ mục tiêu hỗ trợ thành phần hệ thống liệt kê sau đây:
III.1 Quản lý q trình
Một chương trình khơng làm trừ thị thực thi CPU Một q trình có thểđược xem chương thực thi, định nghĩa mở rộng khám phá chi tiết Một chương trình người dùng chia thời chẳng hạn trình biên dịch trình Một chương trình xử lý văn thực thi người dùng PC trình Một tác vụ hệ thống, gởi liệu xuất máy in xem q trình Bây xem xét q trình cơng việc hay chương trình chia thời, nghiên cứu khái niệm tổng quát chương sau
Một trình cần tài nguyên xác định-gồm thời gian CPU, nhớ, tập tin, thiết bị xuất/nhập-để hồn thành tác vụ Các tài nguyên cấp cho
(2)quá trình tạo ra, hay cấp phát tới nó chạy Ngồi ra, tài nguyên vật lý luận lý khác mà trình nhận tạo,
liệu khởi tạo khác (hay nhập) có thểđược truyền qua Thí dụ, xem xét q trình có chức hiển thị trạng thái tập tin hình thiết bị đầu cuối Quá trình sẽđược cho liệu vào tên tập tin, thực thi thị thích hợp lời gọi hệ thống đạt xuất thiết bị cuối thơng tin mong muốn Khi q trình kết thúc, hệđiều hành sẽđòi lại tài nguyên dùng lại
Chúng ta nhấn mạnh chương trình khơng phải trình; chương trình thực thể thụđộng, nội dung tập tin lưu
đĩa, trái lại trình thực thể hoạt động, với bộđếm chương trình xác
định thị để thực thi Việc thực thi trình phải CPU thực thi thị trình sau thực thi thực trước q trình hồn thành Ngồi ra, thời điểm nào, tối đa thịđược thực thi cho q trình Do đó, hai q trình có thểđược liên kết với trình, chúng xem hai chuỗi thực thi riêng Thông thường có chương trình sinh nhiều q trình thực thi
Một q trình đơn vị công việc hệ thống Một hệ thống chứa tập trình, vài trình trình hệđiều hành (thực thi mã hệ
thống) q trình cịn lại trình người dùng (chúng thực thi mã người dùng) Tất q trình có tiềm thực thi đồng hành cách đa hợp CPU q trình
Hệđiều hành có nhiệm vụ cho hoạt động sau đề cập đến chức quản lý q trình:
o Tạo xố q trình người dùng hệ thống o Tạm dừng thực thi tiếp trình
o Cung cấp chếđồng hố q trình o Cung cấp chế giao tiếp trình o Cung cấp chế quản lý deadlock III.2 Quản lý bộ nhớ
Bộ nhớ trung tâm điều hành máy tính đại Bộ nhớ mảng từ (words) hay bytes có kích thước lớn từ hàng trăm ngàn tới hàng tỉ Mỗi từ hay byte có địa riêng Bộ nhớ kho chứa liệu có khả truy xuất nhanh chia sẻ CPU thiết bị xuất/nhập Bộ xử lý trung tâm
đọc thị từ nhớ chu kỳ lấy thị, đọc viết liệu từ nhớ
chính chu kỳ lấy liệu Bộ nhớ thường thiết bị lưu trữ lớn mà CPU có thểđịnh địa truy xuất trực tiếp Thí dụ, CPU xử lý liệu từđĩa,
liệu trước tiên chuyển tới nhớ lời gọi xuất/nhập sinh CPU Tương tự, thị phải nhớ cho CPU thực thi chúng
Đối với chương trình thực thi, phải ánh xạ địa
được nạp vào nhớ Khi chương trình thực thi, truy xuất thị chương trình liệu từ nhớ cách tạo địa tuyệt đối Cuối cùng, chương trình kết thúc, khơng gian nhớ khai báo sẳn, chương trình nạp thực thi
Để cải tiến việc sử dụng CPU tốc độđáp ứng máy tính cho người dùng, phải giữ nhiều chương trình vào nhớ Nhiều chế quản lý nhớ khác dùng tính hiệu giải thuật phụ thuộc vào trường hợp cụ
thể Chọn chế quản lý nhớ cho hệ thống xác định phụ thuộc vào nhiều
(3)yếu tố-đặc biệt thiết kế phần cứng hệ thống Mỗi giải thuật đòi hỏi hỗ trợ
phần cứng
Hệđiều hành có nhiệm vụ cho hoạt động sau đề cập tới việc quản lý nhớ
o Giữ vết phần nhớ dùng trình
đang dùng
o Quyết định trình nạp vào nhớ khơng gian nhớ
trở nên sẳn dùng
o Cấp phát thu hồi không gian nhớ yêu cầu III.3 Quản lý tập tin
Quản lý tập tin thành phần nhìn thấy hệ điều hành Máy tính lưu thơng tin nhiều loại phương tiện lưu trữ vật lý khác Băng từ, đĩa từ, đĩa quang phương tiện thông dụng Mỗi phương tiện có đặc điểm tổ chức riêng Mỗi phương tiện điều khiển thiết bị, ổđĩa hay ổ băng từ Các thuộc tính bao gồm tốc độ truy xuất, dung lượng, tốc độ truyền liệu phương pháp truy xuất (tuần tự hay ngẫu nhiên)
Nhờ vào việc sử dụng thuận lợi hệ thống máy tính, hệđiều hành cung cấp tầm nhìn luận lý việc lưu trữ thơng tin đồng Hệđiều hành trừu tượng hố thuộc tính vật lý thiết bị lưu trữđểđịnh nghĩa đơn vị lưu trữ luận lý tập tin Hệđiều hành ánh xạ tập tin thiết bị lưu trữ vật lý, truy xuất tập tin thiết bị lưu trữ
Tập tin tập hợp thơng tin có quan hệđược định nghĩa người tạo Thông thường, tập tin biểu diễn chương trình liệu Các tập tin liệu số, chữ cái, chữ số Các tập tin có dạng (thí dụ, tập tin văn bản) hay định dạng có cấu trúc (thí dụ, trường cốđịnh) Một tập tin chứa chuỗi bits, bytes, dòng hay mẫu tin mà ý nghĩa định nghĩa người tạo Khái niệm tập tin khái niệm thông dụng
Hệđiều hành cài đặt khái niệm trừu tượng tập tin cách quản lý phương tiện lưu trữ nhưđĩa, băng từ thiết bịđiều khiển chúng Các tập tin thường tổ chức thư mục để dễ dàng sử dụng chúng Cuối cùng, nhiều người dùng truy xuất tập tin, muốn kiểm soát cách (thí dụ: đọc, viết, chèn, ) tập tin có thểđược truy xuất
Hệđiều hành có nhiệm vụ thực hoạt động việc quản lý hệ thống tập tin:
o Tạo xoá tập tin o Tạo xoá thư mục
o Hỗ trợ hàm nguyên thuỷđể thao tác tập tin thư mục o Ánh xạ tập tin thiết bị lưu trữ phụ
o Sao lưu dự phòng tập tin phương tiện lưu trữổđịnh III.4 Quản lý hệ thống xuất/nhập
Một mục đích hệđiều hành che giấu khác biệt thiết bị
phần cứng từ người dùng Thí dụ, UNIX khác biệt thiết bị xuất/nhập bị che giấu từ phần hệđiều hành hệ thống xuất/nhập Hệ thống xuất/nhập chứa:
o Thành phần quản lý nhớ chứa vùng đệm (buffering), lưu trữ
(caching) spooling (vùng chứa)
(4)o Giao diện trình điều khiển thiết bị chung o Trình điều khiển cho thiết bị xác định
Chỉ trình điều khiển thiết bị biết khác biệt thiết bị xác định mà gán III.5 Quản lý việc lưu trữ phụ
Mục đích hệ thống máy tính thực thi chương trình Những chương trình với liệu chúng truy xuất phải nằm nhớ hay lưu trữ q trình thực thi Vì nhớ q nhỏđể lưu tất liệu chương trình liệu quản lý bị mất điện, hệ thống máy tính phải cung cấp việc lưu trữ phụđể lưu dự phịng nhớ Hầu hết hệ thống máy tính đại dùng đĩa phương tiện lưu trữ trực tuyến cho chương trình liệu Hầu hết chương trình – gồm trình biên dịch, trình dịch hợp ngữ, thủ tục xếp, trình soạn thảo trình định dạng – lưu đĩa nạp vào nhớ sau dùng đĩa hai nguồn đích việc xử lý Do đó, quản lý hợp lý việc lưu trữđĩa có vai trị quan trọng hệ thống máy tính
Hệđiều hành có nhiệm vụ thực hoạt động sau việc quản lý đĩa:
o Quản lý không gian trống o Cấp phát lưu trữ
o Định thời đĩa
Vì lưu trữ phụđược dùng thường xuyên nên phải dùng cách hiệu Tốc độ tồn thao tác máy tính xoay quanh tốc độ hệ thống đĩa giải thuật thao tác hệ thống
III.6 Mạng
Hệ phân tán tập hợp xử lý, chúng không chia sẻ nhớ, thiết bị
ngoại vi hay đồng hồ Thay vào xử lý có nhớ, đồng hồ xử lý giao tiếp với thông qua đường giao tiếp bus tốc độ cao hay mạng Các xử lý hệ thống phân tán khác kích thước chức Chúng
chứa vi xử lý, trạm làm việc, máy vi tính hệ thống máy tính thơng thường
Các xử lý hệ thống nối với thông qua mạng truyền thơng có thểđược cấu hình nhiều cách khác Mạng có thểđược nối kết phần hay tồn Thiết kế mạng truyền thông phải xem xét vạch đường thông điệp chiến lược nối kết, vấn đề cạnh tranh hay bảo mật
Hệ thống phân tán tập hợp hệ thống vật lý riêng rẻ, có kiến trúc khơng
đồng thành hệ thống chặt chẻ, cung cấp người dùng với truy xuất tới tài nguyên khác mà hệ thống trì Truy xuất tới tài ngun chia sẻ cho phép tăng tốc độ tính tốn, chức năng, khả sẳn dùng liệu, khả tin cậy Hệ điều hành thường tổng quát hoá việc truy xuất mạng dạng truy xuất tập tin, với chi tiết mạng chứa trình điều khiển thiết bị giao diện mạng Các giao thức tạo hệ thống phân tán có ảnh hưởng to lớn tiện ích tính phổ biến hệ thống Sựđổi World Wide Web tạo phương pháp truy xuất cho thơng tin chia sẻ Nó cải tiến giao thức truyền tập tin (File Transfer Protocol-FTP) hệ thống tập tin mạng (Network File System-NFS)
đã có cách xoá yêu cầu cho người dùng đăng nhập trước người dùng
được phép dùng tài nguyên xa Định nghĩa giao thức mới, giao thức truyền siêu văn (hypertext transfer protocol-http), dùng giao tiếp trình phục vụ
web trình duyệt web Trình duyệt web cần gởi u cầu thơng tin tới trình
(5)phục vụ web máy xa, thông tin (văn bản, đồ hoạ, liên kết tới thông tin khác) trả
III.7 Hệ thống bảo vệ
Nếu hệ thống máy tính có nhiều người dùng cho phép thực thi đồng hành nhiều trình, trình khác phải bảo vệ từ hoạt
động trình khác Cho mục đích này, chếđảm bảo tập tin, phân
đoạn nhớ, CPU, tài nguyên khác có thểđược điều hành q trình có quyền phù hợp từ hệđiều hành
Thí dụ, phần cứng định địa nhớđảm bảo q trình thực thi khơng gian địa Bộđịnh thời đảm bảo khơng có q trình có thểđạt điều khiển CPU mà cuối không trả lại điều khiển Các ghi điều khiển thiết bị khơng thể truy xuất tới người dùng tính
đúng đắn thiết bị ngoại vi khác bảo vệ
Bảo vệ chếđểđiều khiển truy xuất chương trình, trình hay người dùng tới tài nguyên định nghĩa hệ thống máy tính Cơ chế
này phải cung cấp phương tiện đểđặc tả điều khiển áp đặt phương tiện cho việc ép buộc
Bảo vệ cải tiến khả tin cậy cách phát lỗi tiềm tàng giao diện hệ thống thành phần Phát lỗi giao diện sớm thường ngăn chặn nguy cơảnh hưởng tới hệ thống hệ thống khác Tài nguyên không bảo vệ ngăn chặn việc sử dụng người dùng khơng có quyền Hệ thống hướng bảo vệ (protection-oriented system) cung cấp phương tiện để phân biệt việc dùng có quyền khơng có quyền
III.8 Hệ thống thông dịch lệnh
Một chương trình hệ thống quan trọng hệđiều hành trình thơng dịch lệnh Nó giao diện người dùng hệđiều hành Một vài hệ điều hành chứa trình thơng dịch lệnh nhân (kernel) Các hệđiều hành khác MS-DOS UNIX xem trình thơng dịch lệnh chương trình đặc biệt
đang chạy công việc khởi tạo hay người dùng đăng nhập lần (trên hệ thống chia thời)
Nhiều lệnh (commands) cung cấp tới hệđiều hành lệnh điều khiển (control statements) Khi công việc bắt đầu hệ thống bó, hay người dùng đăng nhập tới hệ thống chia thời, chương trình đọc thơng dịch câu lệnh điều khiển thực thi tựđộng Chương trình cịn gọi trình thơng dịch thẻđiều khiển (control-card interpreter) hay trình thơng dịch dịng lệnh thường biết nhưshell Chức đơn giản là: lấy câu lệnh thực thi
Các hệđiều hành thường khác vùng shell, với trình thơng dịch lệnh thân thiện với người dùng làm cho hệ thống chấp nhập nhiều người dùng Một dạng giao diện thân thiện người dùng hệ thống trình đơn-cửa sổ
trên sở chuột (mouse-based window-and-menu system) dùng
Macintosh Microsoft Windows Chuột di chuyển tới vị trí trỏ chuột
ảnh hay biểu tượng hình biểu diễn chương trình, tập tin, hàm hệ
(6)VIII.1 Cài đặt
Mặc dù khái niệm máy ảo hữu ích khó cài đặt Nhiều cơng việc
được yêu cầu cung cấp xác máy bên Máy bên có hai chếđộ: chếđộ người dùng chếđộ kiểm soát Phần mềm máy ảo chạy chếđộ kiểm sốt hệđiều hành Chính máy ảo thực thi chếđộ
người dùng Tuy nhiên, máy vật lý có hai chếđộ máy ảo Do đó, phải có chếđộ người dùng ảo chếđộ kiểm soát ảo Cả hai chạy chếđộ người dùng vật lý Các hoạt động gây chuyển từ chếđộ
người dùng tới chếđộ kiểm soát máy thật (như lời gọi hệ thống hay cố gắng thực thi thịđược cấp quyền) phải gây chuyển đổi từ chếđộ người dùng ảo tới chếđộ kiểm soát ảo máy ảo
VIII.2 Lợi điểm
Có hai lợi điểm việc sử dụng máy ảo Thứ nhất, cách bảo vệ
hoàn toàn tài nguyên hệ thống, máy ảo cung cấp mức độ bảo mật cao Thứ hai, máy ảo cho phép phát triển hệ thống thực mà không cần phá vỡ hoạt động hệ thống thơng thường
Mỗi máy ảo hồn tồn bị lập từ máy ảo khác, không gặp phải vấn đề bảo mật tài nguyên hệ thống khác hoàn toàn bảo vệ Thí dụ, ứng dụng khơng tin cậy tải từ Internet có thểđược chạy máy ảo riêng Một bất lợi môi trường khơng có chia sẻ tài ngun trực tiếp Hai tiếp cận cung cấp chia sẻđược cài đặt Thứ nhất, chia sẻ đĩa nhỏ Cơ chế làm mẫu sau đĩa chia sẻ vật lý Thứ hai, có thểđịnh nghĩa mạng máy ảo, máy ảo gửi thơng tin qua mạng giao tiếp cài đặt phần mềm
Những hệ thống máy ảo phương tiện truyền thông hữu hiệu cho việc nghiên cứu phát triển hệđiều hành Thông thường, thay đổi hệđiều hành tác vụ khó Vì hệđiều hành chương trình lớn phức tạp, thay
đổi phần gây lỗi khó hiểu phần khác Sức mạnh hệđiều hành làm cho trường hợp nguy hiểm Vì hệđiều hành thực thi chếđộ kiểm soát, thay đổi sai trỏ gây lỗi
phá hủy tồn hệ thống tập tin Do đó, cần phải kiểm tra tất thay đổi hệđiều hành cách cẩn thận
Tuy nhiên, hệđiều hành chạy máy điều khiển hoàn tồn máy Do
đó, hệ thống hành phải bị dừng ngừng việc sử dụng thay đổi
được thực kiểm tra Thời điểm thường gọi thời gian phát triển hệ
thống Vì làm cho hệ thống không sẳn dùng người sử dụng nên thời gian phát triển hệ thống thường lập thời biểu vào buổi tối hay cuối tuần, tải hệ
thống thấp
Một hệ thống máy ảo loại trừ nhiều vấn đề Người lập trình hệ thống
được cung cấp máy ảo họ, phát triển hệ thống thực máy
ảo thay máy vật lý thật Một hệđiều hành thơng thường bị phá vỡ phát triển hệ thống Mặc dù thuận lợi này, cải tiến kỹ thuật thực gần
(7)IX Tóm tắt
Hệđiều hành cung cấp số dịch vụ Tại cấp thấp nhất, lời gọi hệ thống cho phép chương trình chạy thực yêu cầu trực tiếp từ hệ thống Tại cấp cao hơn, trình thơng dịch cung cấp chế cho người dùng đưa u cầu mà khơng viết chương trình Các lệnh xuất phát từ tập tin suốt thời gian thực thi theo chếđộ xử lý theo lô, hay trực tiếp từ bàn phím chếđộ tương tác hay chia sẻ thời gian Các chương trình hệ thống cung cấp để thoả mãn nhiều yêu cầu thông thường người dùng
Các loại yêu cầu khác dựa theo cấp yêu cầu Cấp gọi hệ thống phải cung cấp chức bản, nhưđiều khiển trình, quản lý tập tin thiết bị Các yêu cầu cấp cao thoả mãn trình thơng dịch lệnh chương trình hệ
thống dịch vào chuỗi lời gọi hệ thống Các dịch vụ hệ thống có thểđược phân cấp thành nhiều loại: điều khiển chương trình, yêu cầu trạng thái, yêu cầu
nhập/xuất Lỗi chương trình xem xét yêu cầu ẩn cho dịch vụ
Một dịch vụ hệ thống định nghĩa, cấu trúc hệđiều hành phát triển Các bảng khác cần ghi thông tin định nghĩa trạng thái hệ thống máy tính trạng thái cơng việc hệ thống
Thiết kế hệđiều hành công việc quan trọng Thiết kế hệ thống thứ tự tầng hay sử dụng vi nhân xem kỹ thuật tốt Khái niệm máy ảo thực tiếp cận phân tầng xem nhân hệđiều hành phần cứng
là phần cứng Các hệđiều hành khác có thểđược nạp đỉnh máy ảo