Theo thời gian, năng lực của máy tính được nâng cao: về tốc độ xử lý của CPU, về dung lượng bộ nhớ, về hệ thống thiết bị ngoại vi, về phần mềm hệ thống cũng như số lượng và năng lực ngườ[r]
(1)Giáo trình hệ điều hành phân tán Biên tập bởi:
(2)Giáo trình hệ điều hành phân tán Biên tập bởi:
Hà Quang Thụy Các tác giả: Hà Quang Thụy
(3)MỤC LỤC
1 Sự tiến hoá hệ điều hành đại Tổng quan hệ điều hành truyền thống Cấu trúc hệ điều hành truyền thống Sơ lược hệ điều hành mạng
5 Sơ lược hệ điều hành phân tán hệ tự trị cộng tác Khái niệm kiến trúc hệ phân tán
7 Tính suốt hệ phân tán dịch vụ Mơ hình kiến trúc hệ điều hành phân tán
9 Các giao thức mạng truyền thông 10 Kết thiết kế chủ yếu
11 Mơi trường tính tốn phân tán 12 Khái niệm q trình luồng
13 Mơ hình đồ thị thể trình dịch vụ thời gian 14 Cơ cấu ngôn ngữ cho đồng
15 Lập trình phân tán lập trình mạng 16 Truyền thơng CTĐ
17 Mơ hình đối tượng phục vụ tài ngun ngơn ngữ lập trình đồng thời 18 Truyền thơng hỏi-đáp
19 Truyền thông giao dịch 20 Dịch vụ tên thư mục 21 Loại trừ ràng buộc phân tán 22 Bầu thủ lĩnh
23 Mơ hình hiệu hệ thống 24 Lập lịch trình tĩnh 25 Chia sẻ cân động 26 Thi hành trình phân tán 27 Lập lịch thời gian thực 28 Đặc trưng DFS 29 Thiết kế thi hành DFS
30 Điều khiển đồng giao dịch 31 Nhân liệu file
(4)Sự tiến hoá hệ điều hành đại
Khái niệm hệ điều hành
Hệ điều hành (Operating System - OS, viết tắt tiếng Việt HĐH) hệ thống chương trình (và liệu -tham số hệ thống) cài đặt sẵn (dưới dạng file đĩa từ - băng từ) thực hai chức bản:
- Chức hệ thống quản trị tài nguyên: Quản trị, phân phối công việc cho hệ thống thiết bị để hệ thống thiết bị hoạt động hiệu nhất,
- Chức máy tính mở rộng (máy tính ảo): Phục vụ nhu cầu đa dạng người dùng cách tốt
Theo cách nói cụ thể hơn, HĐH môđun phần mềm hệ thống đóng vai trị giao diện chương trình ứng dụng với phần cứng hệ thống, với mục tiêu đạt tới hệ thống máy tính hiệu quả, tin cậy dễ sử dụng Một cách đại thể, tồn chức riêng biệt HĐH lập lịch làm việc xử lý (hoặc xử lý), phối hợp thực trình (QT: process) tương tác nhau, quản lý tài nguyên hệ thống (chẳng hạn thiết bị vào/ra, nhớ trong, File ) nhằm nâng cao năng lực điều khiển bảo vệ, trì tính tồn vẹn hệ thống, thi hành khôi phục lỗivà cung cấp giao diện người dùng HĐH thường cấu trúc hai yêu cầu thành hai lớp: dịch vụ hệ thống nhân HĐH
Dịch vụ hệ thốnglà chức mức cao chương trình ứng dụng nhận biết cịnnhân(thường trực nhớ trong) đảm bảo chức mang tính phụ thuộc vào kiến trúc hạ tầng.Hình 1.1 mơ tả khung nhìn đơn giản hệ thống máy tính theo cấu trúc lớp Vị trí dịch vụ hệ thống hình cho thấy vai trò quan trọng lớp
(5)* Với ý nghĩa đóngvai trị máy tính ảo, theo cách nhìn củangười dùng(từ lớp chương trình ứng dụng), HĐH trừu tượng hóa hệ thống máy tính trình diễn dịch vụ hệ thống: HĐH dẫn máy mở rộng (máy tính ảo) Mục đích lớp dịch vụ hệ thống nhằm che đậy chi tiết hệ thống (phần cứng phần mềm) người dùng
* Theo cách nhìn người quản trị hệ thống, dịch vụ hệ thống nhân coi người quản lý tài nguyên Quản lý hệ thống tài nguyên (CPU, nhớ, hệ thống vào ra, file) khơng kiểm sốt tình trạng tài nguyên mà nhằm khai thác hiệu Một số tốn điển điều khiển nhớ, lập lịch QT, điều khiển liên QT, điều khiển file, điều khiển vào
Máy tính mở rộng quản lý tài nguyên hai thuật ngữ chung dùng để xác định HĐH Máy tính mở rộng (trừu tượng máy) mục tiêu thiết kế nguyên thủy HĐH quản lý tài nguyên giải nghĩa cho việc thực mục tiêu
Thiết kế HĐH truyền thống thường yếu tố quan trọng quản lý tài nguyên, thiết kế HĐH đại lại tập trung nhiều vào yếu tố trừu tượng máy Và lẽ tất nhiên yếu tố quan trọng lại phụ thuộc vào quan tâm từ phía người dùng
Sơ tién hóa hệ điều hành
Trong máy tính thuộc hệ khơng có HĐH Các thao tác chọn công việc, phân công công việc thao tác viên (và chí người lập trình) thực Theo thời gian, lực máy tính nâng cao: tốc độ xử lý CPU, dung lượng nhớ, hệ thống thiết bị ngoại vi, phần mềm hệ thống số lượng lực người sử dụng tăng trưởng cần có hệ thống chương trình điều khiển tự động hệ thống máy tính Những yếu tố thực tế làm nảy sinh điều kiện cần thiết cho việc xuất HĐH đơn giản
Lịch sử tiến hóa HĐH trình diễn q trình chuyển hóa bước việc thiết kế, từ nhấn mạnh chức quản trị tài nguyên sang nhấn mạnh chức máy tính mở rộng Theo mơ hình hình 1.1 điều thể việc chuyển hóa từnhấn mạnh nhânsangnhấn mạnh dịch vụ hệ thống
(6)
Phân bố hệ điều hành theo độ kết dính
* Độ kết dính phần cứng-phần mềm cho biết hệ thống "tập trung đến mức độ nào", đo tổ hợp kết dính phần cứng kết dính phần mềm Theo đó, phân bố hệ HĐH xếp hình 1.2 Tỷ số tổng phí truyền thơng liên xử lý so với thời gian truyền thông nột xử lý thấp thìkết dính phần cứngcàng chặt
Kết dính phần mềm chặtnếu phần mềm điều khiển tập trung sử dụng thơng tin tồn cục
- HĐH tập trung kết dính phần cứng - phần mềm chặt
- HĐH phân tán (DOS): phần mềm kết dính chặt phần cứng kết dính lỏng, - HĐH mạng (NOS): phần mềm lẫn phần cứng kết dính lỏng,
- Hệ tự trị cộng tác (CAS) làm giảm kết dính chặt phần mềm (cách nhìn lơgic tập trung DOS) CAS nằm NOS DOS
*Phân biệt HĐH theo tổ hợp mục tiêu-đặc trưng
Bảng 1.1 trình bày phân biệt hệ HĐH theo tổ hợp mục tiêu-đặc trưng Thế
hệ Hệ
thống Đặc trưng Mục tiêu
1
HĐH tập trung
Quản trị trìnhQuản trị nhớQuản trị vào-raQuản trị file
Quản trị tài nguyênMáy tính mở rộng (ảo)
2 HĐHmạng Truy nhập từ xaTrao đổi thôngtinDuyệt mạng Chia xẻ tài nguyên(liên thao tác)
HĐH phân tán
Khung cảnh toàn cục của: Hệ thống file,Khơng gian tên,Thời gian, an tồn,Năng lực tính tốn
(7)4
Hệ tự trị cộng tác
Các ứng dụng phân tán mở
cộng tác Làm việc cộng tác (tự trị)
Mục tiêu nguyên thủy HĐH làmáy tính ảo(virtual computer) Ba mục tiêu bổ sung liên thao tác, suốt tự trị nội dung nghiên cứu, phát triển
- Mục tiêu liên thao tác hướng tới lực tạo điều kiện thuận tiện cho việc trao đổi thông tin thành phần hỗn tạp hệ thống Đây mục tiêu gợi mở nguyên thuỷ dẫn tới việc thiết kế
HĐH mạng môi trường hỗn tạp
- Khái niệm trong suốt (transparency) khái niệm ảo tương tự chỗ cung cấp tính trừu tượng cao cho hệ thống Điều khác biệt hai khái niệm theo tínhảo, người dùng nhìn thấy họ muốn, tính suốt đảm bảo người dùng khơng nhìn thấy họ không muốn.ảo mục tiêu quan trọng HĐH tập trung trong suốt mục tiêu quan trọng DOS Khái niệm suốt cho phép mô tả DOS hệ thống cung cấp khung cảnh lôgic hệ thống cho người dùng, độc lập với hạ tầng vật lý Người dùng có cách nhìn máy tính đơn cho hệ thống máy tính phức hợp: tồn hạ tầng mạng hoạt động hệ thống suốt với người dùng Từ "trong suốt" hiểu theo nghĩa 'thuần khiết" môi trường
- Trong suốt mục tiêu cao Hơn nữa, không bắt buộc phải cố đạt tới tính suốt bao gói độ tập trung Điều chắn phù hợp với người dùng họ thích có nhìn riêng hệ thống Người dùng cần môi trường mở không địi hỏi thiết tính suốt mà cần hệ thống cung cấp tính mở để người dùng biến đổi, chuyển, di trú, mở rộng phần mềm ứng dụng họ cách độc lập hỗn tạp hệ thống Lý là, lẽ tự nhiên, người dùng biết tồn tài nguyên phức diện người dùng khác, người dùng trở thành cộng tác hồn tồn với hệ thống Từ đó, hệ thống phần mềm xây dựng nhờ việc tích hợp dịch vụ cộng tác, cung cấp từ đơn vị tự trị Kiểu hoạt động hệ tự trị cộng tác giống xã hội loài người Hiện số hệ thống phần mềm lớp (middleware) xây dựng phiên (version) ban đầu hệ tự trị cộng tác
(8)(9)Tổng quan hệ điều hành truyền thống
Như biết, HĐH truyền thống (cũn gọi HĐH tập trung với đơn/đa xử lý) chạy trờn mỏy tớnh hệ HĐH đầu tiên, với độ kết dính chặt chẽ phần mềm -phần cứng tài nguyên chia xẻ cách nội truyền thông liên xử lý/liên QT thực qua chia xẻ nhớ ngắt QT trực tiếp Trong HĐH tập trung, hệ thống máy tính tập trung: CPU (một nhiều) nhớ thỏa số tớnh chất nguyờn thủy chỳng (vớ dụ, tốc độ truy nhập CPU tới địa nhớ đồng ) Coi có "một CPU" "một nhớ trong" không quan tâm đến khác biệt thời gian truyền thông CPU hay phận nhớ Trong HĐH truyền thống, chức hệ quản trị tài nguyên nhấn mạnh việc thiết kế chúng định hướng vào khai thác hiệu tài nguyên phần cứng hệ thống Các toán điều khiển CPU (lập lịch), điều khiển nhớ trong, điều khiển liệu đặc biệt ý HĐH truyền thống tiến hóa từ chương trỡnh đơn giản (cung cấp giao diện người dùng điều khiển vào - ra) tới hệ đa người dùng/đa toán hoàn hảo với yêu cầu quản trị phức tạp QT, nhớ, file thiết bị Sự tiến hóa thể bảng 1.2 mà chức quản lý đặt nhằm đáp ứng yêu cầu bổ sung
Bảng 1.2 Chức hệ điều hành tập trung Thế
hệ Hệ
thống Đặc trưng Mục tiêu
1
HĐH tập trung
Quản trị trìnhQuản trị nhớQuản trị vào-raQuản trị file
Quản trị tài nguyênMáy tính mở rộng (ảo)
2 HĐH
mạng
Truy nhập từ xaTrao đổi thông
tinDuyệt mạng Chia xẻ tài nguyên(liên thao tác)
HĐH phân tán
Khung cảnh toàn cục của: Hệ thống file,Khơng gian tên,Thời gian, an tồn,Năng lực tính tốn
Cách nhìn máy tính hệ thống phức hợp máy tính (tính suốt)
Hệ tự trị cộng tác
Các ứng dụng phân tán mở
cộng tác Làm việc cộng tác (tự trị)
(10)biệt tài liệu thiết kế HĐH, "hệ điều hành" hiểu theo nội dung trỡnh bày trờn Nhưng khơng tài liệu khác, "hệ điều hành" hiểu chương trỡnh hệ thống (xem hỡnh 1.3) cung cấp cho người sử dụng ngồi thành tố núi - tương ứng vớithành phần điều kiển, HĐH cũn cúthành phần ứng dụng thành phần tiện ớch Lý việc mở rộng nội dung khái niệm HĐH liên quan đến sản phẩm kết cung cấp cho người sử dụng "bộ phần mềm hệ điều hành" Tuy nhiên, trỡnh bày chất HĐH, cách quan niệm quán với cách quan niệm núi nội dung giỏo trỡnh quỏn theo cỏch quan niệm
Một cách nhân khác kiến trúc mức hệ thống máy tính
Tiếp theo mục đây, mô tả sơ lược trỡnh tiến húa HĐH truyền thống
Tiến hóa hệ điều hành truyền thống Hệ điều hành đơn chương trình
HĐH đơn chương trỡnh (HĐH dóy: serial OS) xuất đầu tiên: chương trỡnh người dùng xếp hàng để đưa vào nhớ chạy (thực hiện) Một chương trỡnh sau nạp từ dũng xếp hàng vào nhớ hệ thống (cùng toàn tài nguyên) phục vụ từ chương trỡnh bắt đầu chạy lúc chương trỡnh kết thỳc Một chương trỡnh nạp vào nhớ thực với nhiều liệu Chỉ chương trỡnh kết thỳc thỡ nạp tiếp chương trỡnh khỏc dũng đợi vào nhớ Trong hệ thống đơn chương trỡnh thực chất khụng cần giải toỏn điều khiển CPU (lập lich) vỡ CPU dành riêng cho chương trỡnh
(11)bị vào chuẩn) máy in (thiết bị chuẩn) Và tới thời điểm, đời CPU tốc độ cao, tốc độ nạp bỡa tốc độ in không theo kịp với tốc độ CPU, vỡ làm tăng thời gian nghỉ vơ ích CPU mà gây lóng phớ Đũi hỏi cần cải tiến nhằm tăng hiệu hoạt động Một cải tiến HĐH đơn chương trỡnh hoạt động theo chế độ SPOOLING (Simultaneous Peripheral Operation OnLine), mà theo tất việc vào - HĐH làm việc với đĩa cứng cũn vào - từ đĩa cứng với vật mang tin khác đảm bảo cơ chế riêng Tốc độ toàn hệ thống tăng lên đáng kể Chế độ SPOOLING cũn sử dụng HĐH đa chương trỡnh xuất sau
Hệ điều hành đa chương trình
Sự tiến nhanh chóng cơng nghệ máy tính dẫn tới dung lượng nhớ tăng lên đáng kể (vượt xa dung lượng trung bỡnh cỏc chương trỡnh người dùng) tốc độ CPU tăng nhanh, chế độ hoạt động đa chương trỡnh xuất Chế độ đa chương trỡnh (multiprogramming) phân loại theo hướng độc lập người dùng (chế độ mẻ) hướng thân thiện người dùng (chế độ đa người dùng)
Đối với HĐH đa chương trỡnh, thời điểm có nhiều chương trỡnh đồng thời có mặt nhớ Các chương trỡnh có nhu cầu phân phối nhớ CPU để thực Như vậy, nhớ, CPU, thiết bị ngoại vi v.v tài nguyên hệ thống chia xẻ cho chương trỡnh Đặc điểm quan trọng cần lưu ý chương trỡnh phải “bỡnh đẳng” giải yêu cầu tài nguyên Khái niệmchương trỡnhnói chế độ đa chương trỡnh dùng để chương trỡnh người dùng lẫn chương trỡnh HĐH
Khi so sánh với HĐH đơn chương trỡnh, cú thể nhận thấy điều chương trỡnh cụ thể thỡ chế độ đơn chương trỡnh, chương trỡnh kết thúc nhanh (thời gian chạy ngắn hơn) so với chạy chế độ đa chương trỡnh; bù lại, khoảng thời gian xác định thỡ chế độ đa chương trỡnh hoàn thiện nhiều chương trỡnh (giải nhiều tốn) hơn, hiệu sử dụng máy tính cao
Một tài nguyên quan trọng hệ thống máy tính CPU Việc chia xẻ CPU dạng điển hỡnh việc chia xẻ tài nguyên Tính chất chia xẻ CPU lại phân lớp HĐH đa chương trỡnh thành cỏc lớp con: HĐH hoạt động theo
chế độ mẻ (batch)và HĐH hoạt động theochế độ phân chia thời gian (time shared) -Hệ điều hành hoạt động theo chế độ mẻ
(12)ta năm trước đây, máy tính EC-1022, EC-1035 (HĐH OS), IBM 360/40-50 (HĐH DOS) phổ biến hoạt động theo chế độ mẻ Trong HĐH chế độ mẻ, cách thức điều khiển CPU điển hỡnh chương trỡnh trạng thỏi sẵn sàng chọn thực (được phân phối CPU) chương trỡnh chạy phải ngừng vỡ nú cần đến tài nguyên khác CPU
Các HĐH theo chế độ mẻ lại phân biệt thành hai loại điển hỡnh MFT MVT: phõn biệt chỳng theo cỏch điều khiển nhớ
MFT: Multiprogramming with Fixed number of Tasks
Khi hệ thống làm việc, quy định sẵn số lượng cố định toán đồng thời nhớ trong: Bộ nhớ chia thành số vùng nhớ cố định, vùng có biên cố định mà vùng dùng để chứa chương trỡnh thời điểm Mỗi chương trỡnh người dùng đưa vào vùng nhớ xác định tương ứng với chương trỡnh Một chương trỡnh cú thể làm việc giới hạn vựng nhớ chứa nó: chương trỡnh tồn vùng nhớ tương ứng suốt thời gian thực máy tính, kể từ lúc bắt đầu lúc kết thúc MVT: Multiprogramming with Variable number of Tasks
Khác với chế độ MFT, chế độ MVT, nhớ không bị chia sẵn thành vùng, việc nạp chương trỡnh vào nhớ cũn tiếp diễn mà nhớ cũn đủ để chứa thêm chương trỡnh
Có thể quan niệm chế độ MFT nhớ phân thành vùng có vách ngăn cố định, cũn chế độ MVT, khơng có vách ngăn sẵn, chương trỡnh nạp vào hỡnh thành vỏch ngăn tạm thời Nếu gặp chương trỡnh đũi hỏi ớt nhớ thỡ theo chế độ MVT, số lượng chương trỡnh đồng thời có mặt nhớ nhiều lên
-Chế độ phân chia thời gian (Time Shared System: TSS)
Chế độ phân chia thời gian chế độ hoạt động điển hỡnh cỏc HĐH đa người dùng (multi-users) HĐH hoạt động theo chế độ định hướng phục vụ trực tiếp người dùng chương trỡnh người dùng thực hiện, làm cho giao tiếp người dùng với máy tính thân thiện Liên quan đến HĐH hoạt động theo chế độ khái niệm lượng tử thời gian, nhớ ảo v.v
(13)Khác với cách thức điều khiển CPU chế độ mẻ, HĐH phân phối CPU cho chương trỡnh người dùng, chương trỡnh chiếm giữ CPU khoảng thời gian (khoảng thời gian gọi lượng tử thời gian: time quantum): thấy phổ biến lượng tử thời gian điển hỡnh khoảng 0,05s Mỏy tớnh làm việc với tốc độ cao, chu kỳ quay lại phục vụ cho chương trỡnh người dùng nhanh so với giác quan người dựng, vỡ vậy, người dùng có cảm giác mỡnh chiếm hữu toàn tài nguyên hệ thống
Điều khiển nhớ chế độ đa người dùng có nhiều khác biệt chất so với chế độ mẻ Bộ nhớ chứa chương trỡnh người dùng, vỡ xảy tỡnh toàn bộ nhớ khụng đủ để chứa tất chương trỡnh người dùng thực hiện; vỡ vậy, HĐH TSS nảy sinh giải pháp sử dụng nhớ ảo: sử dụng đĩa từ vùng mở rộng không gian nhớ nhớ
HĐH UNIX (và Linux) HĐH đa người dùng điển hỡnh
Cú thể nhận xột rằng,tính quản trị tài nguyờnđược nhấn mạnh HĐH mẻ vàtớnh chất máy tính ảođó quan tâm HĐH đa người dùng
Hệ điều hành thời gian thực
Nhiều toán lĩnh vực điều khiển cần giải không muộn thời điểm định, vỡ vậy, máy tính lĩnh vực cần HĐH thời gian thực (RT: Real Time) Trong hệ thời gian thực, toán gắn với thời điểm tới hạn (tiếng Anh làdeadtime) toỏn phải giải không muộn thời điểm cho đó: Nếu tốn hồn thiện muộn thời điểm thỡ việc giải nú trở nờn khụng cũn ý nghĩa Hệ thời gian thực cú thể coi trường hợp hệ đa chương trỡnh hoạt động theo chế độ mẻ có gắn thêm thời điểm kết thúc cho toán
Hệ điều hành kết hợp
Các nhà thiết kế HĐH đại chọn lựa việc thiết kế HĐH có khả khởi tạo hoạt động theo số chế độ hoạt động HĐH núi trờn Chẳng hạn, HĐH OS cho hệ thống máy EC IBM hoạt động theo chế độ mẻ (MFT, MVT) theo chế độ phân chia thời gian (SYS); HĐH LINUX hoạt động theo chế độ đơn người dùng (với superuser) chế độ đa người dùng (với người dùng khác) Kiểu hệ điều hành quan niệm kết hợp nội dung nhiều loại hệ điều hành (Combination Operating System)
(14)Hiện nay, từ tốc độ phát triển nhanh cơng nghệ, máy tính ngày phổ dụng xó hội Mức độ thâm nhập mỏy tớnh vào sống cao thỡ yờu cầu nõng cao lực máy tính lại ngày trở nên cấp thiết Bộ nhớ ngày rộng lớn; đĩa từ có dung lượng rộng, tốc độ truy nhập ngày cao; hệ thống thiết bị ngoại vi phong phú, hỡnh thức giao tiếp người-máy ngày đa dạng Như núi, CPU tài nguyờn thể chủ yếu lực hệ thống máy tính, vỡ vấn đề trọng tâm để tăng cường lực hệ thống tăng cường lực CPU Đối với vấn đề này, nảy sinh giải pháp theo hai hướng: Giải phỏptăng cường lực CPU riêng cho mỏy tớnh: cụng nghệ vi mạch ngày phỏt triển vỡ lực CPU ngày nâng cao, dự án vi mạch VLSI với hàng triệu, hàng chục tiệu transitor triển khai Tuy nhiên giải pháp nảy sinh hạn chế kỹ thuật: tốc độ truyền thông tin không vượt qua tốc độ ánh sáng; khoảng cách gần hai thành phần giảm thiểu nhỏ v.v
Song song với giải pháp tăng cường lực CPU giải phápliờn kết nhiều CPU
để tạo hệ thống chung có lực đáng kể: việc xử lý song song tạo nhiều lợi điểm Thứ nhất, chia phần nhỏ công việc cho CPU đảm nhận, suất tăng không theo tỷ lệ thuận với hệ số nhõn mà cũn cao không thời gian phải thực công việc trung gian
Thứ hai, giải phỏp cũn cú lợi điểm tích hợp hệ thống máy cú để tạo hệ thống với sức mạnh tăng gấp bội
Chỳng ta khảo sỏt số nội dung chọn giải pháp đa xử lý theo nghĩa hệ thống tính tốn tổ hợp không CPU mà nhiều CPU máy tính (hệ đa xử lý tập trung) nhiều máy tính hệ thống thống Gọi chung hệ có nhiều CPU làhệ đa xử lý.
Phõn loại hệ đa xử lý
Có số cách phân loại hệ đa xử lý:
-Phõn loại theovị trí đặt CPU: tập trung phõn tỏn
Các siêu máy tính (supercomputer) ví dụ hệ đa xử lý tập trung Đặc trưng hệ thống CPU liên kết với máy tính đảm bảo độ kết dính phần cứng chặt Ví dụ hệ đa xử lý phân tán hệ thống tính tốn phân tán dựa mạng máy tính với độ kết dính phần cứng lỏng
(15)trong mỏy vi tớnh gồm CPU xử lý chung CPU xử lý dấu phảy động Siêu máy tính ILLIAC-IV gồm nhiều CPU có đặc trưng giống ví dụ hệ - Cách phân loại điển hỡnh dựa theo kiểu cỏc CPU thành phầntiếp nhận xử lý dữ liệutrong nhịp làm việc Cách phân loại bao gồm máy tính đơn xử lý thụng thường:
- Đơn thị, đơn liệu (SISD: Single Data Single Instruction) thể máy tính thơng thường; Mỗi lần làm việc, CPU xử lý “một liệu” cú thị (instruction, câu lệnh) thực Đây máy tính đơn xử lý
- Đơn thị, đa liệu (SIMD: Single Instruction Multiple Data):
Cỏc xử lý cựng nhịp làm việc thực cựng thị Ví dụ phép cộng hai vector cho trước: Các CPU thành phần thực phép cộng theo đối số tương ứng CPU; sau đó, chọn tiếp thị để tiếp tục công việc Thông thường, hệ thống có phận điều khiển riêng cho việc chọn thị CPU thành phần thực thị (bộ xử lý ma trận)
- Đa thị, đơn liệu (MISD: Multiple Instruction Single Data):
Trong cỏc mỏy tớnh thuộc loại này, hệ thống gồm nhiều CPU, cỏc CPU liờn kết tuần tự: output CPU input CPU (Bộ xử lý vector) Cỏc CPU kết nối theo kiểu gọi kết nối “dây chuyền”
- Đa thị, đa câu lệnh (MIMD):
(16)Cấu trúc hệ điều hành truyền thống
HĐH phần mềm lớn có kích thước từ hàng nghỡn tới hàng triệu dũng mó lệnh, cho nờn thi hành cần thiết phải kiến trỳc phần mềm HĐH từ môđun dễ dàng quản lý (phự hợp với phương pháp chung phát triển phần mềm) Kỳ vọng kết thiết kế cung cấp giao diện xác định tường minh môđun cách đặt ràng buộc cho tương tác môđun Hai cách tiếp cận truyền thống thông dụng phân hoạch môđun phân hoạch ngang phân hoạch dọc Phân hoạch dọc dựa khái niệm mức, theo phân chia mơđun thành nhóm theo mức khác với ràng buộc cho phép tương tác môđun thuộc hai mức liền kề Đây giao diệnmột vào - ragiữa mức Các môđun mức (phân hoạch ngang) lại tổ chức thành thành phần lớn rời rạc nhau, thành phần lại tinh chế tổ hợp phân hoạch ngang dọc (hỡnh 1.4) Kiểu điển hỡnh mụđun tập dũng lệnh thi hành dịch vụ hệ thống riờng biệt Trong hệ thống hướng đối tượng, môđun cần thi hành đối tượng với thao tác (hoàn toàn xác định) đối tượng dịch vụ thành phần Mơđun hóa dựa đối tượng tốt so với mó húa Mọi tài nguyờn, bao gồm file QT, cần tiếp cận đối tượng liệu mà thể vật lý chúng phải che giấu cấu trúc liệu trừu tượng Hoạt động (thực hiện) môđun giới hạn tập thao tác luật hỡnh thức gỏn cho đối tượng Môđun hướng đối tượng cung cấp hàng loạt lợi thế, có tính đồng truy nhập bảo vệ Vỡ đồng nhất, chúng dễ dàng biến đổi làm tăng tính khả chuyển hệ thống
Tính khả chuyển HĐH cũn tăng lên tách mó phụ thuộc-mỏy từ hệ thống Đa phần phần mềm HĐH (các dịch vụ hệ thống) độc lập phần cứng Từ đó, hệ thống cần cấu trúc theo cách mà phần phụ thuộc-máy giữ ởmức tối thiểu nhất
tỏch rời khỏi cỏc dịch vụ hệ thống Cách tiếp cận nhân tối thiểu làm giảm bớt độ phức tạp tính khả chuyển hệ thống từ kiểu kiến trúc máy tính sang kiểu kiến trúc máy tính khác vỡ cú nhõn phải viết lại Cỏc chức điển hỡnh thi hành nhân tối thiểu bao gồm: tính đa thành phần xử lý với hỗ trợ đa chương trỡnh, kiểm soỏt ngắt, điều khiển thiết bị, (dịch vụ) nguyên thuỷ đồng QT (ĐBQT), phương tiện truyền thông liên QT (TTLQT, tiếng Anh Interprocess Communication, IPC) Cấu trúc nhân thườngnguyờn khốitheo nghĩa khụng cũn phõn hoạch ngang dọc mà mơđun hóa theo mó Cấu trỳc đạt nhân tối thiểu Triết lý thiết kế hiệu cho phộp chỳ ý tới cỏch liờn kết nhõn cấu trỳc nhõn Hỡnh 1.4 thể cỏc khỏi niệm mụđun hóa cấu trúc hóa với số thành phần mức phần mềm hệ thống
(17)phục vụ Chúng thi hành gián tiếp thông qua nhân HĐH Lời gọi hệ thống chia xẻ lối vào quán tới hệ thống Cơ chế làm đơn giản hóa tương tác tới HĐH cho phép người thiết kế hệ thống chuyển thêm nhiều dịch vụ hệ thống tới mức cao (trong nhiều trường hợp tới không gian QT người dùng) kết nhân nhỏ dễ quản lý Mô hỡnh Client/Server cỏch tự nhiờn mô tả tương tác QT hệ phân tán chuyển thông điệp (một khái niệm quan trọng) có nghĩa chuyển vận liệu thực thể truyền thông
Sự phân biệt chương trỡnh ứng dụng với chương trỡnh hệ thống thường mơ hồ Chương trỡnh nhõn dịch vụ hệ thống phần mềm hệ thống (xem hỡnh 1.4) Tuy nhiờn, theo quan niệm khỏc (như trỡnh bày hỡnh 1.3), chương trỡnh hệ thống cũn bao gồm trỡnh biờn dịch, trỡnh soạn thảo hệ thống, trỡnh thụng dịch [3] Chớnh lý mà người viết trỡnh biờn dịch tự coi họ người lập trỡnh hệ thống Tuy nhiờn, trỡnh biờn dịch theo quan điểm HĐH xem ứng dụng Mặt khác, phần mềm sở liệu ứng dụng trỡnh biờn dịch ngụn ngữ, đến lượt mỡnh nú lại chương trỡnh hệ thống người dùng Kiến trúc phát triển thêm vài mức Người dùng nhỡn hệ thống qua hệ thống đặc trưng dịch vụ cung cấp cho họ Mối quan hệ chương trỡnh hệ thống chương trỡnh ứng dụng gần gũi
Hệ thống vi nhân
(18)Các mức API SPI
Kiến trúc hệ thống Windows NT
Các dịch vụ hệ thống đồng hạng môđun đầy đủ vỡ chỳng dùng chế để hỗ trợ lớp rộng lớn ứng dụng Người thiết kế phần mềm cần biết giao diện chuẩn tới mơđun dịch vụ thi hành chọn tập chúng theo đũi hỏi Kiến trỳc thuyết phục vỡ tớnh mụđun hóa, dễ mang chuyển khả tiếp thị (mơđun thi hành thuộc quyền nhà cung cấp hệ thống khác) Ngành cơng nghiệp cú vài cố gắng hướng tới kiến trúc vi nhân chung, đáng kể Microkernel IBM Windows NT Microsoft
(19)khác Lời gọi hệ thống dựa API dịch vụ hệ thống thi hành cách độc lập với việc thực mức nhân mức phần cứng Như chọn lựa, hệ thống tương tác gián tiếp với dịch vụ hệ thống qua hệ thống Win32, hệ hỗ trợ phương tiện lập trỡnh window Kiến trỳc hỡnh vẽ đạt khái niệm kiến trúc hệ thống thảo luận: mụđun hóa, phân mức, mô hỡnh Client/Server, mụ hỡnh đối tượng, nhân tối thiểu Hầu hết HĐH hện đại theo đuổi triết lý thiết kế với vài khác biệt nhỏ thi hành
Các chức quản trị
HĐH có chức quản trị tài ngun Mỗi tài ngun hệ thống máy tính nói chung thuộc vào bốn lớp: Bộ xử lý/quỏ trỡnh, nhớ, I/O liệu/file Mô tả cách tóm tắt vấn đề sở HĐH truyền thống Tóm tắt thơng tin tảng cho thảo luận HĐH mạng, HĐH phân tán hệ tự trị cộng tác -?Quản trị Bộ xử lý/Quỏ trỡnh mức hệ thống thấp cung cấp ỏnh xạ (lập lịch: scheduling) cỏc xử lý tới cỏc QT, ngược lại Để thuận tiện cho việc mở rộng đa người dùng đa toán (đa nhiệm), cần tới tính đa thành phần-khơng gian nhớ (nơi đặt QT) tính đa thành phần-thời gian xử lý (nơi QT thực hiện) Thi hành tính đa thành phần thơng qua tính đa chương trỡnh phõn chia thời gian chế kiểm soát ngắt đầy đủ hỗ trợ Tại mức cao, việc thi hành suốt tới QT thực đồng thời Người dùng quan tâm tới việc phối hợp tương tác QT đồng thời Các tương tác đũi hỏi ĐBQT TTLQT Trong hai chục năm trở lại đây, hàng loạt phương pháp ĐBQT đề xuất nhằm giải toán đồng nhờ loại trừ ràng buộc kết hợp trạng thái
(20)Các phương tiện TTLQT phát triển song hành với ĐBQT Trong HĐH tập trung, TTLQT xuyên qua chia xẻ nhớdường giải pháp dễ dàng Tuy nhiên, chia xẻ nhớ vi phạm giả thiết QT không đồng nhỡn chung khụng chia xẻ khụng gian địa chung Lựa chọn cũn lại làtruyền thụngthông qua chuyển thông điệp (ghi tắt CTĐ,message passing) ưu điểm CTĐ phần chất hệ phân tán đưa việc phát triển HĐH tập trung thích hợp với việc phát triển hệ phân tán
Điều có giá trị mối quan hệ thân thiết ĐBQT truyền thông QT (TTQT) TTQT đũi hỏi số giả thiết tảng từ ĐBQT, chẳng hạn đồng gửi nhận liệu Với dịch vụ nguyên thủy truyền thơng QT, cấu trúc đồng mức cao thi hành dựa TTQT nguyên thủy Khởi đầu từ nguyên thủy đồng truyền thông dẫn đến việc phát triển ngôn ngữ đồng thời: ngôn ngữ cho phép đặc tả QT đồng thời, đồng TTLQT Ngôn ngữ đồng thời đồng bộ/truyền thông hệ phân tán bàn luận tương ứng chương chương
Cùng với ĐBQT TTQT, quản trị QT cũn cú chức lập lịch Quá trỡnh đangsẵn sàng(ready) ởdũng xếp hàng(waiting sequence) cần lập lịch lại để thực tài nguyên sẵn sàng điều kiện thỏa Rất nhiều chiến lược dùng nhằm đạt hàm mục tiêu, chẳng hạn tối thiểu thời gian chuyển lịch tối đa thông lượng hệ thống (system throughput) Lập lịch toỏn (task, quỏ trỡnh - process) cho mỏy đơn-đa xử lý vấn đề nghiên cứu thao tác cổ điển ứng dụng lập lịch toán vào hệ phân tán phức tạp tồn đa máy tính tổng phí (overhead) truyền thơng buộc phải tính đến lập lịch Tồn hai kiểu lập lịch: Lập lịch QT tĩnhdựa trờn mụ hỡnh quan hệ trước vàchia xẻ tải động trỡnhdựa trờn mụ hỡnh quan hệ phụ thuộc quỏ trỡnh Quan hệ trước biểu diễn QT buộc phải đồng nào, quan hệ phụ thuộc cho biết dấu hiệu tương tác QT Hai kiểu lập lịch biểu diễn độ hiểu biết khác mối tương tác QT đồng truyền thông Lập lịch tĩnh, chia xẻ động cân tải trỡnh bày chương
http://voer.edu.vn/c/2e32f7cb