Bài giảng Nhập môn tin học: Chương 14 - Trần Thị Kim Chi

Bài giảng Nhập môn tin học - Chương 14: Hệ điều hành cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm hệ điều hành, quản lý tiến trình, quản lý bộ nhớ, quản lý tập tin, quản lý thiết bị, bảo mật, sự thông dịch câu lệnh, cấu trúc hệ điều hành, một số hệ điều hành phổ biến. Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

CHUONG 14

HE DIEU HANH

Trang 3

Khải niệm hệ điêu hành

e Hé diéu hanh (Operating system-OS) la mét phan

mém hệ thông gồm các chương trình kiểm sốt

các ngn tài ngun (CPU, bộ nhớ, thiết bị vào/ra, ) và điêu khiển các hoạt động của một hệ

thông máy tính và cung cấp cho người dùng một giao diện để tương tác với máy tính

e Hai mục tiêu chính của một hệ điêu hành:

° Tạo một hệ thông máy tính thuận tiện dé sử

dụng

Trang 6

Khái niệm hệ điều hành

Ví dụ

2 The word processing

application signals the printer Dyiver

operating system that a

document must be sent = —————

to the printer ae _ aa P 4, The device driver

controls the printer as

it prints the document

1 You issue the Print command while using

application software, such as a word processor

3 The operating system communicates the document data to the device driver for the printer

Trang 7

Các công việc của hệ điều hành

= Manage processor resources

Manage memory

Keep track of storage resources

ee Ensure that input and output proceed in an orderly manner

Trang 8

Khái niệm hệ điều hành

Hệ thông đo lường

1 Thơng lượng

2 Thời gian hồn thành

Trang 10

Quan ly tién trinh (processes)

Phụ thuộc vào khả năng của hệ điều hành và phân

cứng máy tính, tiễn trình có thể được quản ly theo

multitasking (da nhiém), multithreading (da luông),

va multiprocessing (da xu lý)

Multitasking: thực hiện nhiều chương trình cùng

một lúc trên một hệ máy tính

Multithreading: cho phép nhiều phần hay nhiều

tuyên đoạn (threads) đồng hành để giải quyết

nhiều việc cùng một lúc

Multiprocessing: là máy tính có nhiều bộ xử lý có

khả năng hỗ trợ phân chia thực hiện mỗi công trên

Trang 11

Quan ly tién trinh

wT "

- Là các tiễn trình được gửi đến hệ thông theo một

cơ chế nào đó đề giảm thiêu thời gian nhàn rỗi của

Trang 12

Quan li tién trinh trong hé thong so

khai

Một tiên trình thực thi theo các bước sau:

¡ Lập trình viên việt chương trình lên giấy

2 Chương trình được đục lỗ trên những thẻ hay

dải giây dài

3 Lớp phủ của thẻ hoặc dải giây có chứa chương

trình và dữ liệu được gửi tại bộ tiêp nhận của

Trang 13

Quan lí tiên trình trong hệ thông sơ khai

4 Bộ điều khiển sẽ đưa dữ liệu trên các thẻ hay dải giây nạp thủ công vào hệ thông từ đầu đọc thẻ hoặc đâu đọc dải giấy trên

Bộ điều khiển cũng phản hồi để nạp bất kì tài

nguyên phân mêm khác hoặc điều chỉnh thiết

bị phân cứng được yêu câu cho việc thực thi

tiên trình này

- Trước khi nạp tiễn trình, bộ điêu khiển sử dụng

bảng điêu khiển chuyên đổi ở mặt ngoài của hệ

thông máy tính để làm sạch bộ nhớ chính và

xóa những dữ liệu còn lại của tiễn trình trước

Trang 14

Quan li tién trinh trong hé thong so

khai

Trang 15

Quan li tién trinh trong hé thong so

khai

- Phương thức tự động luân chuyên các công việc

là nhóm các tiễn trình, các tiên trình thường

được thực hiện theo cách sau:

¡ Lập trình viên chuẩn bị các chương trình và dữ liệu trên thẻ hoặc dải giây và gửi chúng vào bộ tiếp nhận của trung tâm máy tính

2 Bộ xử lí tống hợp định kì tật cả những chương

trình được gửi đên và sẽ nhóm chúng với nhau,

sau đó nạp tất cả chúng vào thiết bị đầu vào của

Trang 16

Quan li tién trinh trong hé thong so

khai

3 Bộ xử lí ra lệnh tới hệ thống để bắt đầu thực

hiện các công việc

4 Các công việc tự động tải dữ liệu từ các thiết bị

đầu vào và thực hiện từng tiên trình một mà không có bất kì sự can thiệp của bộ xử lí nào 5 Khi tat cả các tiên trình trong nhóm được gửi

đên đã được xử lí, bộ xử lí sẽ xử lý riêng biệt

và xuất kết quả của mỗi công việc và giữ chúng

Trang 18

Cac loai tién trinh

Co 2 loai tién trinh:

e Cac tién trinh gidi han CPU: cac tiên trình thực

hiện tính toán số học, với một ít hoạt động I/O

Chúng sử dụng CPU nhiều trong suốt quá trình

xử lí

-e Các tiên trình giới hạn I/O: các tiên trình

thường nhập vào số lượng dữ liệu lớn, hoạt động tính toán thì rất ít, và số lượng thông tin

đầu ra lớn Chúng sử dụng CPU rất ít và hầu hết

Trang 19

wT Quan ly tién trinh Mam memory 5 | †

š Operatmg system OS area

——— User job User program area

—> CPU

Chương trình hệ thông chỉ thực thi một công việc tại một thời điểm va

tất cả tài nguyên hệ thống thì độc quyền cho công việc này cho đến

Trang 20

Đa chương (đa kênh)

‹ Hệ đa chương là thực thi xen kẽ hai hoặc nhiều tiên trình khác nhau và độc lập nhau trên máy

tính

e Cac tién trình cùng lúc thường trú ở bộ nhớ

chính, khi một tiễn trình thực thi (sử dụng CPU), bắt đầu hoạt động I/O thi CPU được cấp phát cho một tiễn trình khác trong bộ nhớ chính để

giảm việc nhàn rỗi của CPU

- Hệ đa kênh thì không được khai báo để thực thi

những chỉ thị từ nhiều chương trình cùng một

lúc CPU thực thi tôi ưu chỉ một chỉ thị tại một

Trang 22

Đa chương (đa kênh)

Hình 14.5 Ba trạng thái khác nhau mà những công việc có thê âược nạp vào

Trang 23

Đa chương (đa kênh)

Yêu câu của hệ thông đa chương

1 Bộ nhớ lớn

2 Sự bảo vệ bộ nhớ đề ngăn ngừa một tiền trình

thay đôi thông tin hoặc dữ liệu truyên vào { vùng của bộ nhớ khi một tiên trình khác đang xử lý hay truy xuất dữ liệu tại vùng nhớ này 3 Duy trì trạng thái tiên trình

4 Hòa trộn tiên trình một cách đúng đắn

Trang 25

Xt ly da luéng (Multithreading)

e Mét tién trình gồm có một địa chỉ và một hay

nhiêu luồng điều khiến

- Mỗi một luông của tiên trình có bộ đêm chương trình riêng, trạng thái đăng ký riêng, ngăn xếp

(stack) riêng của nó

e Tat cả các luông của tiên trình đều được dùng

chung một địa chỉ

e Cac luéng chia sẻ các biên toàn cục dùng

chung

- Các luông của tiên trình chia sẻ bộ tài nguyên

Trang 26

Xt ly da luéng (Multithreading) Địa chỉ trống ‘Thead ứ (b)

Trang 27

Xt ly da luéng (Multithreading)

Động cơ đề dùng đa các luông

e Tổng phí liên quan đến việc tạo ra một tiễn trình, nó sử dụng địa chỉ từ chính tiên trình của nó mà không cân phải được tạo ra từ vùng làm việc

e Tổng phí liên quan đến chuyển đổi CPU giữa

những luông ngang hàng là rât nhỏ so với chuyên

đổi CPU giữa những tiên trình có địa chỉ riêng

-e Nguôn tài nguyên chia sẻ giữa các luông của một

Trang 28

Đa xử ly (Multiprocessing)

e M6 ta may tính hoặc câu hình máy tính liên kết với hai CPU trở lên có khả năng đồng thời cùng

Trang 30

Đa xử ly (Multiprocessing)

Da xt? li co 2 kiéu:

e Hé thống liên kết chặt chẽ: là một hệ thông đơn,

Trang 31

Đa xử ly (Multiprocessing) Sự khác nhau giữa đa chương và đa xử li Đa chương Multitasking Đa xử lý Multiprocessing

Là sự thực thị đan xen nhau

giữa hai hay nhiêu tiên trình bởi hệ thông máy tính có 1

CPU

Là sự thực hiện đồng thời

hai hay nhiều tiên trình bởi hệ thông máy tính có nhiều hơn một CPU Thi hành một đoạn của một chương trình, sau đó là một mang khác của chương trình khác , trong khoảng

thời gian ngắn liên tục Thị hành cùng một lúc

nhiều phân đoạn chương trình của một hay nhiều

chương trình khác nhau

Trang 32

Đa xử ly (Multiprocessing)

Thuận lợi của “đa xử lý” e Nang suat tốt hơn

e Bo tin cay cao hon

Hạn chế của “đa xử lý”

°_ Đòi hỏi phải có một hệ điều hành hệt sức tinh vi đề đưa vao chương trinh, cân băng và phôi hợp

đầu vao, đầu ra và các tiên trình được kích hoạt

của nhiêu bộ vi xử lý

e Thiết kê của hệ điều hành là một công việc phức

tạp và tôn nhiêu thời gian

Trang 33

Chia se thoi gian (time-sharing)

e Chia se thoi gian là một phương thức mà hệ thông máy tính được nhiều người sử dụng cùng một lúc theo cách mà mỗi người đều có cảm

giác như là mình đang có một máy tính riêng

eỔ Một hệ thông chia sẻ thời gian có nhiều người

dùng cuối thực hiện kết nỗi đồng thời đến cùng

một máy tính

e Đặc tính đa chương cho phép nhiều chương

Trang 34

Chia se thoi gian (time-sharing)

Trang 35

Chia se thoi gian (time-sharing)

Những yêu câu của hệ chia sẻ thời gian - Kết nối đầu cuỗi đồng thời đến hệ thông

- Một bộ nhớ tương đối lớn để hỗ trợ đa chương

- _ Thiết bị bảo vệ bộ nhớ đề ngăn các tiễn trình và dữ liệu đến từ

các tiên trình khác trong môi trường đa chương

- _ Thiết bị bảo quản tình trạng tiễn trình đề duy trì trạng thái

thông tin khi CPU đem đên và khôi phục lại dữ liệu trước khi

CPU vận hành lại

- Một thuật toán lịch biểu CPU ấn định thời gian của từng CPU

đên môi tiên trình người dùng theo kiêu vòng tròn

Trang 36

Chia se thoi gian (time-sharing)

Ưu điểm của hệ thống Time-sharing

-_ Giảm thời gian nhàn rỗi của CPU e Thời gian đáp ứng nhanh

Trang 37

Quan lí bộ nhớ

Mô hình bộ nhớ đơn kênh

eỔ Chỉ một công việc được xử lí bởi hệ thống tại một

thời điểm và tất cả tài nguyên hệ thống chỉ dành riêng cho công việc này cho đến khi nó hoàn tất

e Hệ điều hành nạp một chương trình từ ỗ đĩa vào

trong bộ nhớ và thực thi nó Khi tiễn trình hoàn

thành, hệ điều hành dọn dẹp sạch vùng nhớ và nạp

Trang 39

Quan lí bộ nhớ

Mô hình bộ nhớ đa kênh

-_ Đa chương với số lượng những phân vùng bộ

nhớ cô định:

- Vùng sử dụng của bộ nhớ được chia thành một số

các phân vùng có kích thước cô định

s_ Các phân vùng này có thê có kích thước bằng nhau

hoặc không bằng nhau, nhưng kích thước của mỗi

phân vùng là cô định

- _ Mỗi phân vùng có thể chứa chính xác một tiễn trình

- _ Tại một thoi diém chỉ có n tiễn trình có thể được

Trang 40

Quan lí bộ nhớ Mô hình bộ nhớ đa kênh —+— Operating system area Operating system Vv A Partition 1 Partition 2

User area divided into —

n equal-sized partitions Partition 3 Partition n

Hinh14.12 = M6 hinh bé nhé da chuong trinh voi sé dinh cua

Trang 41

Quan lí bộ nhớ

Mô hình bộ nhớ đa kênh

Hệ đa chương với số lượng phân vùng biên đổi:

-_ Số lượng, kích thước và vị trí của những phân vùng

biên đổi linh động tương ứng với những tiễn trình

tới và đi

e Khi qua trình đến, phân vùng bộ nhớ sẽ được cấp phát và chỉ định, kích thước chính xác theo yêu câu bộ nhớ của quá trình mà nó được cập phát

-e Theo yêu cầu bộ nhớ của các quá trình khác nhau,

các bộ nhớ trồng sẽ tạo thành một khôi nhớ liên tục Hệ điều hành duy trì một bảng theo dõi của bộ nhớ

Trang 42

Quan lí bộ nhớ

Khi một quá trình mới đến, hệ điều hành tìm kiêm một bộ nhớ đủ lớn cho quá trình này

Nếu bộ nhớ quá lớn, nó sẽ tách ra làm 2 phân

-_ Một phân đủ lớn để đáp ứng nhu câu về bộ nhớ và cấp

phát cho quá trình

- Một phân bộ nhớ còn lại được đưa vào bộ nhớ trông trong

bảng theo dõi của hệ điều hành

Khi một quá trình kết thúc, nó sẽ giải phóng bộ nhớ được cấp phát trước đó

Nếu bộ nhớ được giải phóng nằm sát ngay các bộ nhớ trông, nó sẽ trộn với các bộ nhớ trỗng này

Trang 43

Sự phần mảnh bộ nhớ

Phân mảnh ngoại

e Phân mảnh ngoại là khi toàn bộ bộ nhớ còn trỗng

đủ đáp ứng cho một tiên trình, nhưng vẫn còn có

một vài quá trình không thê được nạp vào vì các bộ

nhớ trỗng có khả năng đáp ứng lại không nằm sát

với nhau

5s Phân mảnh ngoại phụ thuộc vào toàn bộ bộ nhớ

chính và yêu cầu bộ nhớ cân thiết của tiên trình Sự

Trang 44

Sự phần mảnh bộ nhớ

Phân mảnh nội

e La khi quá trình đên bộ nhớ chỉ định mà bộ nhớ đó

lớn hơn nhu câu thực tê nên bộ nhớ dư thừa không

dùng đến Phân mảnh nội xảy ra trong các trường hop sau:

„ Khi hệ thông sử dụng số lượng nhất định của một phân

vùng bộ nhớ cô định, bất cứ nơi nào trong phân vùng đó vượt quá yêu câu bộ nhớ của quá trình nạp vào thì nó trở

thành phân mảnh nội trong bộ nhớ

> Khi hệ thông sử dụng số lượng bộ nhớ khác với kích

Trang 46

~ Su phan manh bo nho

Khu vực của hệ điều | Hiệu Điêu Hành hành quá trình 1 ˆ , sxxxx>xxzzzzx>zzzzzzxxx„| Phần vùng thứ 1 “bi fy 2 hfe ⁄⁄⁄⁄ z⁄2| chỉ định cho quá thôn dược sử 2/4 tình thứ 1

khu vực sử d u vực sử dụng Milde With: ‡

chia đâu kích thước Z trì trình 2 su Ä ,

Trang 47

Su phan mảnh bộ nhớ

Phân trang

-Ổ Bộ nhớ vật lý của hệ thông máy tính được phan chia thành các khối có kích thước cô định gọi là

khung trang

‹Ổ Toàn bộ bộ nhớ được yêu câu cho một quá trình (bao gồm cả câu trúc và dữ liệu của nó) được phân

chia thành các khối có kích thước giỗng nhau gọi là

các trang

- _ Kích thước của mỗi trang có thể từ 1KB đến 8KB và

Trang 48

Sự phần mảnh bộ nhớ

2e Khi một quá trình thực thi, nó được nạp vào bộ nhớ, các

trang của nó được nạp vào các khung trang trỗng đã có

sẵn và một bảng ánh xạ được sắp xếp sẵn đề theo dõi

các trang của một quá trình được nạp vào bên trong

khung trang của bộ nhớ

-e _ Đề đảm bảo địa chỉ bộ nhớ đúng trong trường hợp phân

trang, mỗi địa chỉ được tạo ra bởi CPU thì được chia làm

2 phân bao gồm số trang và độ dời trang

e Bang trang được sử dụng để chứa thông tin của số

khung trang tương ứng với số trang, và độ dời trang kết

Trang 49

Su phan manh bo nhc trang cua qua trinh trang O trang 1 trang 2 trang 3 trang 4 : trang 5 trước khi tải sau khi tải số khung trang Me vào số khung trang O O 1 1 + số trang số khung trang O 2 trang 3 3 4 O zz trang 1 4 1 4 = 2 8 5 6 3 9 6 5 12 8 8

bảng trang được tạo

9 cho qua trinh 9 10 LO 1] trang 4 11 12 trang 5 l3 Lời 13 14 14

định vị phân vùng bộ nhớ vật lý thành khung trang trước khi tải quá trình (khung trang trống được biết như những dãy lộn xôn}

định vị trí phân vùng bộ nhớ vật lý sau khi tải quá trình vào (khung trang còn trống được biết như những dãy lộn xôn)