Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 5: Tổng quan hệ điều hành

Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 5 giới thiệu tổng quan về hệ ddieuf hành của máy tính. Nội dung trình bày trong chương này gồm có: Hệ điều hành là gì? Các chức năng chính của OS, các thành phần của hệ điều hành, các dịch vụ hệ điều hành cung cấp, giao diện giữa quá trình và hệ điều hành, các chương trình hệ thống (system program), cấu trúc hệ điều hành, máy ảo (virtual machine).

TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH • Hệ điều hành gì? • “Phần mềm trung gian” phần cứng máy tính người sử dụng, có chức điều khiển phần cứng cung cấp dịch vụ cho ứng dụng • Mục tiêu • Giúp người dùng dễ dàng sử dụng hệ thống • Quản lý cấp phát tài nguyên hệ thống cách hiệu [yếu tố kinh tế] Người dùng Các ứng dụng Hệ Điều Hành Phần cứng Các chức OS  Phân chia thời gian xử lý CPU (định thời)  Phối hợp đồng hoạt động trình  Quản lý tài nguyên hệ thống hiệu  Kiểm soát trình truy cập, bảo vệ hệ thống  Duy trì quán hệ thống, kiểm soát lỗi phục hồi hệ thống có lỗi xảy  Cung cấp giao diện làm việc thuận tiện cho người dùng Why study Operating Systems? • Build, modify, or administer an operating system • Understand system performance • • • • Behavior of OS impacts entire machine Challenge to understand large, complex system Tune workload performance Apply knowledge across many areas • Computer architecture, programming languages, data structures and algorithms, and performance modeling Chương  Các thành phần hệ điều hành  Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp  Giao diện trình hệ điều hành  Các chương trình hệ thống (system program)  Cấu trúc hệ điều hành  Máy ảo (virtual machine) Các thành phần hệ điều hành (1/7)  Quản lý trình ● Quá trình vs chương trình ● Một trình cần tài nguyên hệ thống CPU, nhớ, file, thiết bị I/O,… để hoàn thành công việc ● Các nhiệm vụ  Tạo hủy trình  Tạm ngưng / tiếp tục thực thi (suspend / resume) trình  Cung cấp chế – đồng hoạt động trình – giao tiếp trình – xử lý deadlock 3.1.1 Các thành phần hệ điều hành (2/7)  Quản lý nhớ ● Tùy thuộc kiến trúc máy tính ● Để có hiệu suất cao, hệ điều hành cần dùng giải thuật quản lý nhớ thích hợp ● Các nhiệm vụ  Theo dõi, quản lý vùng nhớ trống cấp phát  Quyết định nạp chương trình có vùng nhớ trống  Cấp phát thu hồi vùng nhớ 3.1.2 Các thành phần hệ điều hành (3/7)  Quản lý file ● Hệ thống file (file system)  File  Thư mục ● Các dịch vụ mà thành phần cung cấp  Tạo xoá file/thư mục  Các tác vụ xửû lý file/thư mục (rename, copy, move, new,…)  “Ánh xạ” file/thư mục vào thiết bị lưu trữ thứ cấp tương ứng  Sao lưu phục hồi liệu 3.1.3 Các thành phần hệ điều hành (4/7)  Quản lý hệ thống I/O ● Che dấu đặc trưng riêng biệt thiết bị I/O user ● Có chức  Quản lý buffering, caching, spooling – Buffer: vùng nhớ để lưu liệu chúng truyền hai thiết bị hay thiết bị ứng dụng  Cung cấp giao diện chung đến trình điều khiển thiết bị (device-driver interface)  Trình điều khiển thiết bị cho chủng loại thiết bị phần cứng khác 3.1.4 Các thành phần hệ điều hành (5/7)  Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp ● Bộ nhớ chính: kích thước nhỏ, môi trường chứa tin không bền vững  cần hệ thống lưu trữ thứ cấp để lưu trữ bền vững liệu, chương trình ● Phương tiện lưu trữ thông dụng đóa từ, đóa quang ● Nhiệm vụ  Quản lý vùng trống  Cấp phát không gian lưu trữ (storage allocation)  Định thời đóa (disk scheduling) 3.1.5 Các thành phần hệ điều hành (6/7)  Hệ thống bảo vệ (protection system) – cần thiết hệ thống cho phép nhiều user hay nhiều trình ● Kiểm soát trình người dùng đăng nhập/xuất sử dụng hệ thống ● Kiểm soát việc truy cập tài nguyên hệ thống  Bảo đảm người dùng/quá trình đủ quyền hạn phép sử dụng tài nguyên tương ứng ● Các nhiệm vụ  Cung cấp chế kiểm soát đăng nhập/xuất (login, logout)  Phân định truy cập tài nguyên hợp pháp bất hợp pháp (authorized / unauthorized)  Phương tiện thi hành sách (enforcement of policies) Chính sách: cần bảo vệ liệu 3.1.7 10 Các thành phần hệ điều hành (7/7)  Trình thông dịch lệnh (command line interpreter) ● Là giao diện chủ yếu người dùng OS  Ví dụ: shell, mouse-based window-and-menu ● Khi user login  Hệ thốùng khởi tạo command line interpreter (shell) cho user, chờ nhận lệnh từ người dùng, thực thi lệnh trả kết ● Liên hệ chặt chẽ với thành phần khác hệ điều hành để thực thi yêu cầu người dùng 3.1.8 11 Các thành phần hệ điều hành (7/7)  Trình thông dịch lệnh (tt) ● Các nhóm lệnh trình thông dịch lệnh để  Tạo, hủy, xem thông tin trình, hệ thống  Điều khiển truy cập I/O  Quản lý, truy cập hệ thống lưu trữ thứ cấp  Quản lý, sử dụng nhớ  Truy cập hệ thống file … 3.1.8 12 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (1/2)  Một số dịch vụ chủ yếu mà người dùng hay chương trình cần ● Thực thi chương trình ● Thực tác vụ I/O yêu cầu chương trình ● Các tác vụ lên file  Đọc/ghi hay tạo/xóa file ● Giao tiếp, trao đổi thông tin trình  Shared memory  Message passing ● Phát lỗi  Trên thiết bị I/O: liệu hư, hết giấy,…  Chương trình ứng dụng: chia cho 0, truy cập đến địa nhớ không phép 3.2 13 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (2/2)  Các dịch vụ khác ● Cấp phát tài nguyên  Tài nguyên: tape drives,…  OS có routine tương ứng ● Kế toán (accounting)  Ví dụ để tính phí 3.2 14 Giao diện trình hệ điều hành  System call ● Cung cấp giao diện trình hệ điều hành  Vd: open, read, write file ● Thông thường dạng thư viện nhị phân (binary library) ● Trong ngôn ngữ lập trình cấp cao, số thư viện lập trình xây dựng dựa thư viện hệ thống (ví dụ Windows API, thư viện GNU C/C++ glibc, glibc++,…) ● Ba phương pháp truyền tham số sử dụng system call  Truyền tham số qua ghi  Truyền tham số thông qua vùng nhớ, địa vùng nhớ gửi đến hệ điều hành qua ghi  Truyền tham số qua stack 3.3 15 Các chương trình hệ thống  Chương trình hệ thống (phân biệt với application program) gồm ● Quản lý file: create, delete, rename, list ● Thông tin trạng thái hệ thống: time, dung lượng nhớ trống ● Soạn thảo file: file editor ● Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: compiler, assembler, interpreter ● Nạp, thực thi, giúp tìm lỗi chương trình: loader, debugger ● Giao tiếp: email, talk, web browser ● …  Người dùng cuối chủ yếu làm việc thông qua system program (không sử dụng “trực tiếp” system call) 16 3.4 Cấu trúc hệ điều hành (1/6)  Hệ thống đơn khối (monolithic) ● Các thành phần tổ chức tùy tiện, module tùy tiện gọi module khác www.buyya.com/microkernel/ 17 Cấu trúc hệ điều hành (2/6)  Trong hệ điều hành phân lớp (layered operating system) lớp gồm có cấu trúc liệu thủ tục gọi lớp mức cao ● Lớp thấp phần cứng ● Lớp cao giao diện người dùng ● Lớp che giấu cấu trúc liệu cách thực thủ tục lớp cao 18 Cấu trúc hệ điều hành (3/6)  Hệ thống đơn khối – ví dụ ● MS-DOS: thiết kế điều kiện giới hạn dung lượng nhớ – Intel 8088, MB nhớ, không dual mode  Nhìn lại, phân lớp: 19 Cấu trúc hệ điều hành (4/6)  Hệ thống đơn khối – ví dụ ● UNIX: gồm hai phần  system program vaø kernel (file system, CPU scheduling, memory management, vaø số chức khác) Nhìn lại, phân lớp: signals terminal handling character I/O system terminal drivers file system swapping block I/O system disk and tape drivers 20 Cấu trúc hệ điều hành (5/6)  Layered approach thiết kế OS cách phân chia module thành nhiều lớp Vd: hệ điều hành OS/2 21 Cấu trúc hệ điều hành (6/6)  Microkernel approach (CMU Mach OS, 1980) ● Dời số chức OS từ kernel space sang user space (vd: file server) ● Thu gọn kernel  microkernel, gồm chức tối thiểu quản lý trình, nhớ chế giao tiếp trình ● Giao tiếp module dùng kỹ thuật truyền thông điệp module Application File server POSIX application X-application POSIX server X-window server Microkernel 22 Máy ảo (1/2)  Từ OS layer đến máy ảo (VM, virtual machine) processes processes processes processes programming interface kernel kernel kernel VM1 VM2 VM3 kernel Virtual-machine implementation hardware hardware Non-virtual machine system model Virtual machine system model 23 Máy ảo (2/2)  Hiện thực ý niệm VM ● Làm để thực thi chương trình MS-DOS hệ thống Sun với hệ điều hành Solaris? Intel x86 Application Intel x86 VM Tạo máy ảo Intel “bên trên” hệ điều hành Solaris hệ thống Sun Các lệnh Intel (x86) máy ảo Intel chuyển thành lệnh tương ứng hệ thống Sun VM interpretation Solaris kernel Sun hardware 24 .. .Chương  Các thành phần hệ điều hành  Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp  Giao diện trình hệ điều hành  Các chương trình hệ thống (system program)  Cấu trúc hệ điều hành  Máy ảo (virtual... với hệ điều hành Solaris? Intel x86 Application Intel x86 VM Tạo máy ảo Intel “bên trên” hệ điều hành Solaris hệ thống Sun Các lệnh Intel (x86) máy ảo Intel chuyển thành lệnh tương ứng hệ thống. .. trúc hệ điều hành (1/6)  Hệ thống đơn khối (monolithic) ● Các thành phần tổ chức tùy tiện, module tùy tiện gọi module khác www.buyya.com/microkernel/ 17 Cấu trúc hệ điều hành (2/6)  Trong hệ điều