Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành - Nghề: Quản trị mạng

Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành - Nghề: Quản trị mạng trình bày các nội dung chính sau: Giới thiệu chung về hệ điều hành, điều khiển dữ liệu, điều khiển bộ nhớ, điều khiển CPU và Tiến trình, hệ điều hành đa xử lý. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mơn học: Ngun lý hệ điều hành NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25/02/2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề) Hà Nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm MÃ TÀI LIỆU: MH 10 LỜI GIỚI THIỆU Trong hệ thống kiến thức chuyên ngành trang bị cho sinh viên nghề Quản trị mạng máy tính, mơn học Nguyên lý hệ điều hành góp phần cung cấp nội dung liên quan đến việc mô tả phương pháp giải toán điều khiển hoạt động hệ thống máy tính Các nội dung trình bày tài liệu gồm chương: -Giới thiệu chung hệ điều hành - Điều khiển liệu - Điều khiển nhớ - Điều khiển CPU Tiến trình - Hệ điều hành đa xử lý Mặc dầu có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi khiếm khuyết, mong nhận đóng góp ý kiến độc giả để giáo trình hoàn thiện Hà Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ biên Ths Nguyễn Văn Hưng CN Trương Văn Hiền MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Vị trí: Mơn học bố trí sau sinh viên học xong môn học chung, trước môn học, mô đun đào tạo chuyên môn nghề Tính chất: Là mơn học sở Ý nghĩa vai trị: Đây mơn học sở ngành ngành liên quan đến công nghệ thông tin, cung cấp cho sinh viên kiến thức hệ điều hành để làm tản cho việc lập trình giải vấn đề cần thiết, tối ưu hóa hệ thống máy tính .5 Hiểu vai trị chức hệ điều hành hệ thống máy tính; Biết giai đoạn phát triển hệ điều hành; .6 Hiểu nguyên lý thiết kế, thực hệ điều hành; Hiểu cách giải vấn đề phát sinh hệ điều hành .6 Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho người phương tiện học tập CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH .7 Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; Nắm khái niệm hệ điều hành, chức năng, phân loại thành phần hệ điều hành; .7 Khái niệm hệ điều hành Mục tiêu: Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; .7 1.1 Tài nguyên hệ thống 1.2 Khái niệm hệ điều hành 10 Phân loại hệ điều hành 11 Mục tiêu: Nắm chức năng, phân loại thành phần hệ điều hành 11 Nắm cách thức tải hệ điều hành 11 2.1 Các thành phần hệ điều hành 11 2.2 Phân loại hệ điều hành .13 2.3 Tính chất hệ điều hành 15 2.4 Phân lớp chương trình thành phần điều khiển 16 2.5 Chức hệ điều hành 17 2.6 Nhân hệ điều hành, tải hệ điều hành .20 3 Sơ lược lịch sử phát triển HĐH 22 Mục tiêu: nắm lịch sử phát triển hệ điều hành 22 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 24 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỮ LIỆU .25 Các phương pháp tổ chức truy nhập liệu 26 1.1 Các phương pháp tổ chức liệu 26 1.2 Các phương pháp truy nhập liệu .28 1.3 Chức hệ thống điều khiển liệu .29 Bản ghi khối .30 2.1 Bản ghi lôgic ghi vật lý 30 2.2 Kết khối tách khối 31 Điều khiển buffer 33 3.1 Vai trò buffer .33 3.2 Sử dụng buffers 33 3.3 Điều khiển buffer (vào liệu) .34 Quy trình điều khiển chung vào 36 4.1 Các khối điều khiển liệu 36 4.2 Ví dụ sơ đồ chung điều khiển vào hệ điều hành 37 Tổ chức lưu trữ liệu nhớ 38 Mục tiêu: Nắm cách thức tổ chức lưu trữ liệu, phương pháp quản lý nhớ 38 5.1 Các khái niệm 38 5.2 Các phương pháp quản lý không gian tự .38 5.3 Các phương pháp cấp phát không gian tự 40 5.4 Lập lịch cho đĩa 43 5.5 Hệ file 43 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 44 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ NHỚ .46 Quản lý bảo vệ nhớ 46 1.1 Một số khái niệm liên quan đến nhớ .46 1.2 Quản lý phân phối nhớ Vấn đề bảo vệ nhớ 47 Điều khiển nhớ liên tục theo đa toán .49 2.1 Chiến lược giới hạn tĩnh (cận cố định) 49 2.2 Chiến lược giới hạn động (cận thay đổi) 50 2.3 Cách thức Overlay swapping 51 2.4 Các phương thức phân phối vùng nhớ (first fit, best fit, worst fit) .54 Điều khiển nhớ gián đoạn 55 3.1 Tổ chức gián đoạn 55 3.2 Phân đoạn 57 3.3 Phân trang 61 3.4 Kết hợp phân đoạn phân trang .64 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 65 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CPU, ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 67 Các khái niệm 67 1.1.Khái niệm trình 67 1.2 Quan hệ trình 68 Trạng thái trình 69 2.1.Sơ đồ không gian trạng thái (SNAIL) 69 2.2 Một số khối điều khiển trình 71 Điều phối trình 72 3.1 Nguyên tắc chung .72 3.2 Các trình lập lịch (long term, short term) 72 Các thuật toán lập lịch 73 4.1 First Come First Served (FCFS) 73 4.2 Shortest Job First (SJF) .73 4.3 Shortest Remain Time (SRT) 75 4.4 Round Robin (RR) .76 4.5 Multi Level Queue (MLQ) 77 4.6 Multi Level Feedback Queues (MLFQ) 78 Hệ thống ngắt 79 5.1 Khái niệm ngắt 79 5.2 Xử lý ngắt 80 Hiện tượng bế tắc 82 6.3 Phát bế tắc 83 6.4 Xử lý bế tắc .84 6.5 Kết luận chung phòng tránh bế tắc 84 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 85 CHƯƠNG 5: HỆ ĐIỀU HÀNH ĐA XỬ LÝ .87 Hệ điều hành đa xử lý tập trung 87 1.1 Hệ thống đa xử lý 88 1.2 Hệ điều hành đa xử lý tập trung 90 Hệ điều hành đa xử lý phân tán .92 2.1 Giới thiệu hệ phân tán 92 2.2 Đặc điểm hệ phân tán 92 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH Mã mơn học:MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí sau sinh viên học xong môn học chung, trước môn học, mơ đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: Là môn học sở - Ý nghĩa vai trị: Đây mơn học sở ngành ngành liên quan đến công nghệ thông tin, cung cấp cho sinh viên kiến thức hệ điều hành để làm tản cho việc lập trình giải vấn đề cần thiết, tối ưu hóa hệ thống máy tính Mục tiêu mơn học: - Hiểu vai trò chức hệ điều hành hệ thống máy tính; - Biết giai đoạn phát triển hệ điều hành; - Hiểu nguyên lý thiết kế, thực hệ điều hành; - Hiểu cách giải vấn đề phát sinh hệ điều hành - Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho người phương tiện học tập + Nội dung mơn học (danh sách chương mục ): Thời gian Số TT I II III IV V Kiểm Tổng Lý Thực hành tra* (LT số thuyết TH) Tổng quan hệ điều hành 5 0 Khái niệm hệ điều hành 2 0 Phân loại hệ điều hành 2 0 Sơ lược lịch sử phát triển 1 0 HĐH 15 Điều khiển liệu Tên chương, mục Các phương pháp tổ chức truy nhập liệu Bản ghi khối 1 Điều khiển buffer Quy trình chung điều khiển vào – Tổ chức lưu trữ liệu nhớ Điều khiển nhớ Quản lý bảo vệ nhớ Điều khiển nhớ liên tục theo đa toán Điều khiển nhớ gián đoạn Điều khiển CPU, Điều khiển trình Các khái niệm Trạng thái trình Điều phối trình Các thuật toán lập lịch Hệ thống ngắt Hiện tượng bế tắc Hệ điều hành đa xử lý Hệ điều hành đa xử lý tập 2 0 1 20 10 0 10 25 12 12 10 10 2 3 2 0 0 1 trung Hệ điều hành đa xử lý phân tán Cộng 1 75 43 28 CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Mã chương: MH10-01 Mục tiêu: - Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; - Nắm khái niệm hệ điều hành, chức năng, phân loại thành phần hệ điều hành; - Thực thao tác an toàn với máy tính Khái niệm hệ điều hành Mục tiêu: Nắm yêu cầu cần có hệ điều hành; Nắm khái niệm hệ điều hành 1.1 Tài nguyên hệ thống Tài nguyên trung tâm máy tính tổng hợp từ ba thành tố, tài nguyên phần cứng, tài nguyên phần mềm tài nguyên nguồn nhân lực trung tâm máy tính Trong tài liệu giới thiệu trung tâm máy tính bất kỳ, số liệu thống kê phần cứng (số lượng chủng loại máy tính, hệ thống thiết bị ngoại vi, khả liên kết với mơi trường ngồi v.v…) ln yếu tố quan tâm sớm thành tố dễ nhận biết sức mạnh trung tâm máy tính Tài ngun phần mềm ý thông qua thông tin hệ điều hành sử dụng, phần mềm ứng dụng có sở tính tốn Hiện nay, trung tâm tính tốn mạnh, giá trị (tính theo tiền) thực tài nguyên phần mềm lại cao vượt trội nhiều so với giá trị tài nguyên phần cứng Tài nguyên nguồn nhân lực ý, số trường hợp, thành tố lại khó nhận biết khó đánh giá so hai loại tài nguyên nói Năng lực nguồn nhân lực hệ thống nhằm đảm bảo việc thực chức bảo trì, phục vụ phát triển hệ thống (kỹ sư hệ thống, kỹ thuật viên, thao tác viên v.v…) thực lại đánh giá nhiều so với phần cứng phần mềm Tuy nhiên, giáo trình này, hạn chế phạm vi tiếp cận công việc hệ điều hành hệ thống phần cứng có sẵn hệ điều hành cần phải hoạt động nhằm phát huy cao lực hệ thống phần cứng đề cập đến tài nguyên phần cứng (có thể kể tới phần tài nguyên phần mềm) định hướng tới vấn đề phát huy hiệu khai thác tài nguyên Để định hướng tới mục tiêu phát huy hiệu thành phần tài nguyên phần cứng, cần xem xét số đặc trưng đánh giá giá trị thành phần hệ thống phần cứng, hướng tới mục đích đưa chiến lược ưu tiên thích đáng (hoặc khả dụng) thành phần xây dựng hệ thống chương trình điều khiển hoạt động máy tính Theo cách tiếp cận hệ điều hành, tài nguyên điển hình thuộc phần cứng bao gồm: thiết bị xử lý trung tâm (CPU), nhớ trong, hệ thống vào – (kênh, thiết bị điều khiển thiết bị vào thiết bị vào ra, nhớ v.v…) CPU nhớ thuộc khu vực trung tâm hệ thống vào – thường xếp vào khu vực ngoại vi hệ thống máy tính Trong thiết bị nói trên, đáng ý phải kể đến CPU nhớ • Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit-CPU) 81 lý ngắt phải bảo vệ trạng thái trình bị ngắt việc lưu trữ hệ thống ghi chung cơng việc nói địi hỏi vùng nhớ định (chẳng hạn, với IBM, EC đòi hỏi vùng 72 bytes cho 16 địa chuyển đổi) Định danh chương trình xử lý ngắt Thông tin bước phận chương trình xử lý ngắt: loại ngắt chương trình ngắt riêng, ví dụ ngắt vào (thiết lập cách thức phương tiện bước 1) khác biệt hoàn toàn với ngắt hướng tới supervisor (phân tích tác động supervisor) - Thực tác động tương ứng với ngắt định danh Các tác động đơn giản Ví dụ, thiết lập dấu hiệu trạng thái tràn ô, quay lại băng từ chuyển sang việc chuẩn bị đọc đọc sai.v.v… Nếu khơng q gấp, chương trình xử lý ngắt tương ứng ghi vào dịng xếp hàng q trình trạng thái chuẩn bị Chương trình xử lý ngắt đảm bảo việc quay trạng thái bình thường CPU (chọn trình người dùng để thực hiện) tùy thuộc vào: -Kiểu ngắt; -Kiểu chương trình điều phối CPU sử dụng Từ yếu tố xác định công việc kết khối, trạng thái chuẩn bị công việc chọn tiếp theo… Chú ý: Một số tác động chương trình xử lý ngắt thực chậm để nhớ đưa giải pháp số phận chương trình xử lý ngắt đặt thường trực nhớ phần nhân hệ thống Nếu chương trình xử lý ngắt lớn, chia làm hai phần: phần thường trực phần khơng thường trực Nhiều ngắt có quan hệ đến điều khiển CPU (ngắt theo thời gian, ngắt theo hoạt động thiết bị, ngắt hồn thiện vào/ra) Q trình điều phối làm khơng q trình người dùng mà phận khác hệ điều hành (bao hàm chương trình xử lý ngắt mức 2; chương trình thống kê; điều phối chính; tải chí điều phối) Ngắt đa mức Ngắt xảy chương trình người dùng, xảy q trình xử lý ngắt Đây tình gọi ngắt đa mức Xử lý ngắt đa mức sao? -Phân cấp loại ngắt theo độ ưu tiên, thông thường ngắt liên quan tới cách thức kĩ thuật có độ ưu tiên thấp so với ngắt có liên quan đến hệ điều hành Ví dụ: ngắt gọi supervisor có độ ưu tiên cao so với ngắt vào/ra 82 -Chọn ngắt xử lý trước tiên: ngắt cũ ngắt mới, việc tùy thuộc vào kiểu hai ngắt Ngắt giải (ngắt trội hơn), bị hủy bỏ, chờ để giải Xử lý ngắt đa mức theo độ ưu tiên khác đảm bảo theo cách thức phương tiện khác ghi nhận kiểu ngắt khác ô nhớ khác Hiện tượng bế tắc Mục tiêu : Nắm khái niệm bế tắc, biện pháp phòng tránh, xử lý bế tắc 6.1 Khái niệm bế tắc Bế tắc tượng nhóm trình bị kết khối cách lâu dài q trình nhóm chiếm tập tài ngun để hồn thiện q trình chờ đợi việc giải phóng số tài ngun cịn lại bị q trình thuộc nhóm chiếm giữ Một ví dụ dễ thấy tượng u cầu chu trình thiết bị: có q trình, A chiếm giữ thiết bị địi hỏi thiết bị 2, B chiếm giữ thiết bị đòi hỏi thiết bị 3, C chiếm giữ thiết bị đòi hỏi thiết bị Chúng ta có hai q trình Pr1 Pr2 Chúng chia xẻ hai tài nguyên p1 p2 để loại trừ ràng buộc, hai trình sử dụng semaphore s1cho tài nguyên p1 semaphore s2 cho tài nguyên p2 Việc sử dụng semaphore nói thân thủ tục trình bày Pr1:… Pr2:… 1.P(s1) 5.P(s2) … … 2.P(s2) 6.P(s1) … … 3.V(s1) 7.V(s1) … … 4.V(s2) 8.V(s2) … … Ban đầu, hai semaphore có giá trị Xem xét trường hợp theo thời gian, dãy trạng thái đòi hỏi nhu cầu giải phóng biến chung dãy 1,2,5,3,4,6,7 Khi thủ tục Pr2 có nhu cầu p2 (lệnh 5), bị kết khối p2 Pr1 dùng Chỉ sau Pr1 thực giải phóng p2 (lệnh 4) Pr2 tách khối Đến dãy thực câu lệnh trở thành 5,1,6,2 Pr2 bị kết khối địi hỏi p1 (lệnh 6) Pr1 bị kết khối đòi hỏi p2 (lệnh 2): Pr1 chờ đợi Pr2 tới lệnh Pr2 83 chờ đợi Pr1 tới lệnh Hiện tượng bế tắc xuất hai trình chờ đợi lẫn 6.2 Các biện pháp phòng tránh bế tắc Chủ yếu có ba hương tiếp cận để xử lý tắc nghẽn : - Sử dụng vài giao thức (protocol) để bảo đảm hệ thống không xảy tắc nghẽn HĐH khơng có khả chống Deadlock Lý dung phương pháp này: Do xác suất xảy đealock nhỏ Giải deadlock đòi hỏi chi phí cao Xử lý tay người quản trị hệ thống làm Đây giải pháp hầu hết hệ điều hành - Cho phép xảy tắc nghẽn tìm cách sửa chữa tắc nghẽn - Hoàn toàn bỏ qua việc xử lý tắc nghẽn, xem hệ thống không xảy tắc nghẽn 6.3 Phát bế tắc Một câu hỏi đặt tính tốn để khẳng định hay khơng khẳng định q trình rơi vào tình trạng bế tắc Để tính tốn điều này, hệ điều hành cần đưa danh sách tài nguyên mà trình chờ đợi danh sách trình chờ đợi tài nguyên mà khơng thỏa mãn Để đốn nhận việc bế tắc xảy hay khơng cần có thơng tin để kiểm soát nhu cầu tài nguyên q trình Rõ ràng khơng phải tình trạng cần tài nguyên xảy bế tắc Có số thuật toán dựa vào danh sách liệt kê để đốn nhận bế tắc xảy để loại bỏ 84 6.4 Xử lý bế tắc Đình hoạt động tiến trình liên quan Cách tiếp cận dựa việc thu hồi lại tài nguyên tiến trình bị kết thúc Có thể sử dụng hai phương pháp sau : Đình tất tiến trình tình trạng tắc nghẽn Đình tiến trình liên quan khơng cịn chu trình gây tắc nghẽn : để chọn tiến trình thích hợp bị đình chỉ, phải dựa vào yếu tố độ ưu tiên, thời gian xử lý, số lượng tài nguyên chiếm giữ , số lượng tài nguyên yêu cầu Thu hồi tài nguyên Có thể hiệu chỉnh tắc nghẽn cách thu hồi số tài nguyên từ tiến trình cấp phát tài nguyên cho tiến trình khác loại bỏ chu trình tắc nghẽn Cần giải vấn đề sau: Chọn lựa nạn nhân: tiến trình bị thu hồi tài nguyên ? thu hồi tài nguyên ? Trở lại trạng thái trước tắc nghẽn: thu hồi tài nguyên tiến trình, cần phải phục hồi trạng thái tiến trình trở lại trạng thái gần trước mà khơng xảy tắc nghẽn Tình trạng « đói tài ngun »: bảo đảm khơng có tiến trình ln ln bị thu hồi tài nguyên ? 6.5 Kết luận chung phòng tránh bế tắc Trạng thái deadlock xảy hai hay nhiều q trình chờ khơng xác định kiện mà gây q trình chờ Về ngun tắc, có ba phương pháp giải deadlock: • Sử dụng số giao thức để ngăn chặn hay tránh deadlock, đảm bảo hệ thống không vào trạng thái deadlock • Cho phép hệ thống vào trạng thái deadlock, phát sau phục hồi • Bỏ qua vấn đề deadlock giả vờ deadlock chưa xảy 85 hệ thống Giải pháp giải pháp dùng hầu hết hệ điều hành bao gồm UNIX Trường hợp deadlock xảy bốn điều kiện cần xảy lúc hệ thống: loại trừ hỗ tương, giữ chờ cấp thêm tài ngun, khơng địi lại tài ngun, tồn chu trình đồ thị cấp phát tài nguyên Để ngăn chặn deadlock, đảm bảo điều kiện cần không xảy Một phương pháp để tránh deadlock mà nghiêm ngặt giải thuật ngăn chặn deadlock có thơng tin trước trình dùng tài nguyên Thí dụ, giải thuật Banker cần biết số lượng tối đa lớp tài nguyên u cầu q trình Sử dụng thơng tin định nghĩa giải thuật tránh deadlock Nếu hệ thống không thực giao thức để đảm bảo deadlock không xảy lược đồ phát phục hồi phải thực Giải thuật phát deadlock phải nạp lên để xác định deadlock xảy hay không Nếu deadlock phát hệ thống phải phục hồi cách kết thúc số trình bị deadlock hay đòi lại tài nguyên từ số q trình bị deadlock Trong hệ thống mà chọn nạn nhân để phụv hồi trạng thái trước chủ yếu dựa sở yếu tố chi phí, việc đói tài ngun xảy Kết q trình chọn khơng hồn thành tác vụ định CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Nêu khái niệm trình (tiến trình) Phân biệt trình với chương trình Vẽ sơ đồ không gian trạng thái Nêu ý nghĩa trạng thái trình 86 Thế lập lịch dài kỳ lập lịch ngắn kỳ Khái niệm ngắt qui trình xử lý ngắt Nêu tiêu chuẩn lập lịch cho CPU Cho trình với thời gian thực tương ứng sau: Quá trình (process) tthực P1 10 P2 P3 P4 P5 Tính thời gian chờ đợi trung bình q trình chiến lược FCFS, SJN, RR (với lượng tử thời gian 2) Nêu khái niệm bế tắc điều kiện xảy bế tắc hệ thống HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI Tiến trình đoạn chương trình hay đoạn liệu chương trình đưa vào CPU để xử lý Dựa vào khái niệm chương trình tiến trình để phân biệt Vẽ sơ đồ Nêu lên trình trạng thái sơ đồ Nêu phần lập lịch dài kỳ lập lịch ngắn kỳ Ở phần ngắt bước xử lý ngắt giáo trình Xem xét số tiến trình vào xử lý CPU, thời gian chờ tiến trình Áp dụng xem ví dụ chiến lược FCFS, SJN,RR nói để giải Ở phần bế tắc điều khiện xảy bế tắc 87 CHƯƠNG 5: HỆ ĐIỀU HÀNH ĐA XỬ LÝ Mã chương: MH10-05 Hiểu khái quát xu sử dụng hệ thống đa xử lý nay, hiểu nét hệ điều hành đa xử lý nhằm trang bị khả tự nghiên cứu tương lai Mục tiêu: Sau học xong học này, sinh viên có khả năng: Hệ điều hành đa xử lý tập trung Mục tiêu: Hiểu khái quát xu sử dụng hệ thống đa xử lý 88 1.1 Hệ thống đa xử lý a Hệ thống nhiều CPU Hiện nay, từ phát triển với tốc độ nhanh cơng nghệ, máy tính ngày phổ dụng xã hội Mức độ thâm nhập máy tính vào sống cao yêu cầu nâng 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, hình thức giao tiếp người – máy ngày đa dạng Như nói, CPU tài nguyên thể chủ yếu lực hệ thống máy tính, vấn đề trọng tâm để tăng cường lực hệ thống tăng cường lực CPU Về vấn đề này, nảy sinh giải pháp theo hai hướng: Giải pháp tăng cường lực CPU riêng cho máy máy tính: cơng nghệ vi mạch ngày phát triển lực CPU ngày nâng cao, dự án vi mạch VLSI với hàng triệu, hàng chục triệu transitor Tuy nhiên giải pháp nảy sinh hạn chế kĩ 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 pháp liên kết nhiều CPU để tạo hệ thống chung có lực đáng kể: việc đưa 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 nhân mà cịn cao khơng thời gian phải thực công việc trung gian Giải pháp cịn có lợi điểm tích hợp hệ thống máy có để tạo hệ thống với sức mạnh tăng gấp bội Trong chương này, xem xét việc chọn giải pháp đa xử lý theo nghĩa hệ thống tính tốn tổ hợp khơng CPU mà nhiều CPU 89 máy tính nhiều máy tính hệ thống thống Gọi chung hệ có nhiều CPU hệ đa xử lý b.Phân loại hệ đa xử lý Có số cách phân loại hệ đa xử lý: Ví dụ hệ đa xử lý tập trung tập xử lý siêu máy tính (supercomputer) Đặc trưng hệ thống CPU liên kết với máy tính nhất; Ví dụ hệ đa xử lý phân tán mạng máy tính: mạng gồm nhiều máy tính liên kết đặt vị trí khác nhau, với khoảng cách coi xa tùy ý Phân loại theo đặc tính CPU thành phần: hệ xử lý hệ đa xử lý khơng v.v… Một ví dụ dễ quen thuộc máy vi tính từ 80486 trở có hai CPU (80x86 80x87) hai CPU khơng Siêu máy tính ILLIAC-IV gồm nhiều CPU có đặc trưng giống ví dụ Phân loại theo cách CPU thành phần tiếp nhận xử lý liệu Trong cách phân loại bao gồm máy tính đơn xử lý thơng thường: - Đơn câu lệnh, đơn liệu (SISD: single data single instruction) thể máy tính thơng thường; Mỗi lần làm việc, CPU xử lý “một liệu” có câu lệnh thực - Đơn câu lệnh, đa liệu (SIMD: single instruction multiple data): Các xử lý nhịp thời gian thực câu lệnh Có thể lấy ví dụ từ việc cộng hai vector cho trước: Các CPU thành phần thực phép cộng; đổi số tương ứng có CPU; sau đó, chọn tiếp lệnh (chỉ thị) để điều khiển công việc Thơng thường có hệ chọn câu lệnh chung CPU thành phần thực hiện: siêu máy tính 90 ILLIAC-IV sử dụng cách thức này, có máy tính có tác dụng lưu giữ hệ điều hành để điều khiển ILLIAC.IV (bộ xử lý ma trận) - Đa câu lệnh, đơn liệu (MISD: multiple instruction single data) Trong máy tính thuộc loại này, hệ thống gồm nhiều CPU, CPU liên kết cách tuần tự: output xử lý input xử lý (ví dụ CRAY-1: Bộ xử lý vector) Các CPU kết nối theo kiểu gọi kết nối “dây chuyền” - Đa liệu, đa câu lệnh (MIMD) Mỗi xử lý có phân tích chương trình riêng; câu lệnh liệu CPU phải đảm nhận; hình dung CPU hoạt động hồn tồn “độc lập nhau” Các hệ điều hành mạng, hệ điều hành phân tán ví dụ đa liệu, đa câu lệnh Trong nội dung chương này, xem xét cách phân loại dạng tập trung/phân tán song thực chất quan tâm đến hệ đa xử lý tập trung với hệ đa xử lý phân tán, có chuyên đề riêng đáp ứng Chú ý, xu nghiên cứu triển khai hệ thống tính tốn đa xử lý thời nghiên cứu tính tốn cụm mơ hình SIMD, MISD MIMD tương ứng phát triển 1.2 Hệ điều hành đa xử lý tập trung Hệ đa xử lý tập trung hoạt động máy tính có nhiều CPU mà điển hình siêu máy tính: CRAY-1,ILLIAC-IV, Hitachi máy tính nhiều xử lý (máy tính khoa CNTT, trường ĐHKHTNĐHQGHN có hai xử lý) Các tài nguyên khác CPU phân chia cho CPU Trong hệ điều hành đa xử lý, hai tốn lớn kể đến phân phối nhớ phân phối CPU a.Phân phối nhớ 91 Các trình xuất nhớ chung Việc phân phối nhớ tiến hành cho trình theo chế độ điều khiển nhớ cài đặt: phân phối theo chế độ mẻ hay phân phối gián đoạn Để tăng tốc độ làm việc với nhớ (bài toán xử lý trỏ ngồi v.v.) gắn với CPU cache nhớ Phân hai loại thâm nhập cache: tĩnh động Thâm nhập tĩnh: CPU thâm nhập cache tương ứng, không thâm nhập liệu vùng cache CPU khác Thâm nhập động cho phép CPU máy thâm nhập cache CPU khác b.Bài toán điều khiển CPU Có nhiều CPU, việc điều khiển CPU phân số cách sau: Toàn CPU dành cho trình : trình phân phối CPU, song tự q trình nói nảy sinh trình con; trình giải CPU Các q trình coi tính tốn đơn giản đó: Máy tính đa xử lý vector chia cơng đoạn q trình CPU thực q trình (một cơng đoạn) q trình Máy tính đa xử lý ma trận cho phép CPU thực thao tác Về dịng xếp hàng xem xét theo hai mơ hình đây: Mơ hình tĩnh: Hoặc CPU có dịng xếp hàng riêng; tốn gắn với dòng xếp hàng, việc điều khiển dòng xếp hàng độc lập với dịng xếp hàng khác, q trình phát sinh gắn với dịng xếp hàng đó; Mơ hình động: tồn hệ thống gồm hay vài dịng xếp hàng, q trình xếp lên CPU rỗi (có thể sử dụng kiểu liệu semaphore nhiều giá trị để phân phối CPU cho trình này) 92 Hệ điều hành đa xử lý phân tán Mục tiêu: hiểu nét hệ điều hành đa xử lý phân tán nhằm trang bị khả tự nghiên cứu tương lai 2.1 Giới thiệu hệ phân tán Trong phần phân loại hệ thống đa xử lý, ý cách phân loại theo vị trí đặt CPU (tập trung phân tán) hệ phân tán xây dựng từ “ máy tính” rời rạc nhau: vị trí máy tính ngun vẹn, có đầy đủ chức xử lý, lưu trữ truyền liệu Hệ tập trung cho phép xử lý song song theo thao tác theo q trình, đó, hệ phân tán xử lý song song theo trình: trình xử lý máy tính khác Việc phân chia trình cho CPU thành phần theo chức CPU (server/client) theoo lịch phân công hệ thống chung Do phân tán nên vấn đề truyền dẫn liệu đóng vai trị quan trọng hệ phân tán Đây lí điển hình để cách thức xử lý song song hệ phân tán theo q trình mà khơng phải theo phép tốn 2.2 Đặc điểm hệ phân tán Hệ thống phân tán (kéo theo hình thành hệ điều hành phân tán) phát sinh nhu cầu tự nhiên việc nâng cao lực tài nguyên hệ thống (sức mạnh hệ thống tính tốn sở liệu chung v.v ) Giải pháp phân tán có tác dụng phát huy lực chung tồn hệ thống giải tốn với kích thước toán tăng lên đảm bảo hoạt động bình thường máy tính thành viên Hệ thống phân tán thiết lập hệ thống hồn tồn thiết kế theo mơ hình phân tán xây dựng hệ phân tán dựa tài nguyên địa phương (máy tính, sở liệu) sẵn có 93 Một trường hợp điển hình, hệ phân tán dùng để quản trị hệ thống sở liệu lớn Trong hệ sở liệu phân tán, tính dư thừa thông tin lại quan tâm ý khơng tới khía cạnh gây khó khăn tính đến tính qn liệu mà cịn tới khía cạnh thuận lợi vần đề an toàn: lưu trữ kép (ngồi cịn số sao) để phục hồi xảy cố hệ thống Để đảm bảo tính quán hệ thống định kỳ “làm tươi” thông tin hệ thống quản lý Như biết, toán lập lịch cho hệ thống chung phức tạp máy tính với CPU, hệ phân tán, tốn nói phức tạp (ngay hệ đồng nhất) người ta thường chọn phương án đơn giản Các nội dung kiến thức hệ thống phân tán trình bày chi tiết giáo trình chuyên đề” mạng hệ phân tán” Bản chất hệ điều hành mơ hình phân tán hệ điều hành đa chương trình Do tính chất khơng máy tính địa phương có liên quan chặt chẽ đến đường truyền thơng, tốn lập lịch hệ thống chương trình điều khiển phức tạp Các thuật toán điều khiển chọn lựa đủ đơn giản toán thời nghiên cứu CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày mục đích hệ nhiều CPU Hệ phân tán gì? Đặc điểm hệ phân tán HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI Tăng cường lực CPU giải pháp liên kết nhiều CPU để tạo hệ thống chung có lực đáng kể: việc đưa xử lý song song tạo nhiều lợi điểm 94 Hệ phân tán tập hợp máy tính ghép nối với đường truyền theo tiêu chuẩn qui định trước Đặc điểm hệ phân tán: tạo khả làm việc phân tán, nâng cao việc khai thác xử lý liệu, tăng độ tin cậy hệ thống, chia sẻ tài nguyên 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Hà Quang Thụy, Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành , NXB KH & KT, 2005 [2] Trần Hồ Thủy Tiên, Nguyên lý hệ điều hành, Đại học Đà Nẵng, Năm 2007 [3] Đặng Vũ Tùng, Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành,Nhà xuất Hà Nội, 2005 [4] James R.Pinkert, Operating systems, California State University ... chương trình ứng dụng, quản lý khai thác hiệu thiết bị phần cứng Chức hệ điều hành: quản lý tiến trình, quản lý nhớ, quản lý hệ thống vào-ra, quản lý hệ thống tập tin, hệ thông dịch lệnh MSDos hệ điều. .. loại này, kể đến hệ điều hành đơn chương trình, hệ điều hành đa chương trình hệ điều hành thời gian thực a Hệ điều hành đơn chương trình Trong hệ điều hành đơn chương trình, tồn hệ thống máy tính... mạnh hệ điều hành tựa Unix nhiều hệ máy khác Linux Ngoài ra, từ đầu thập niên 90 đánh dấu phát triển mạnh mẽ hệ điều hành mạng hệ điều hành phân tán Thế hệ Hệ điều hành tập trung Thế hệ Hệ điều hành