Giáo trình hình thành quy trình điều khiển tổng quan về gia tốc hệ điều hành của hệ thống p5

Tham khảo tài liệu ''giáo trình hình thành quy trình điều khiển tổng quan về gia tốc hệ điều hành của hệ thống p5'', công nghệ thông tin, hệ điều hành phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

y o c u -tr a c k c  Đa tiểu trình thực tiến trình đơn, tiểu trình thực đồng thời processor khác  Cho phép thành phần khác hệ thống device driver, server process chạy tốt hệ thống multiprocessor I.6.8 Kiến trúc Windows 2000  Kernel Mode & User Mode Để bảo vệ hệ điều hành tránh truy cập và/hoặc thay đổi bất hợp lệ chương trình ứng dụng người sử dụng, Windows 2000 sử dụng hai chế độ xử lý truy cập: Kernel mode User mode Các chương trình ứng dụng người sử dụng chạy user mode, dịch vụ hệ thống chương trình điều khiển thiết bị hệ điều hành chạy kernel mode Kernel mode đến chế độ việc thực processor mà có tồn quyền truy cập đến tất hệ thống nhớ tất thị CPU Trong cấu trúc phần mềm hệ điều hành cung cấp mức đặc quyền cao so với mức đặc quyền chương trình ứng dụng người sử dụng Processor cung cấp sở cần thiết để người thiết kế hệ điều hành đảm bảo ứng dụng phá vỡ trạng thái ổn định hệ thống làm hỏng Các tiểu trình user mode thực không gian địa nhớ bảo vệ, thành phần user mode sở hữu khơng gian địa tiến trình riêng Trong Windows 2000 khơng cung cấp bảo vệ không gian nhớ riêng sử dụng thành phần chạy kernel mode Trong tuyên bố khác, kernel mode, mã hệ điều hành chương trình điều khiển thiết bị hồn tồn truy cập đến khơng gian nhớ hệ thống vượt qua giám sát an toàn Windows 2000 để truy cập đến đối tượng Bởi phần lớn mã hệ điều hành Windows 2000 chạy kernel mode, thành phần quan trọng hệ điều hành chạy kernel mode thiết kế kiểm tra cẩn thận để đảm bảo khơng vi phạm đến an toàn hệ thống Chú ý: Kiến trúc processor Intel x86 định nghĩa cấp/ vòng đặc quyền truy cập (Privilege levels/ Rings), để bảo vệ code data hệ thống, tránh ghi đè (overwrite) có chủ ý (maliciously) khơng chủ ý (inadvertently) code có cấp đặc quyền truy cập thấp Windows 2000 sử dụng cấp 0/ vòng cho Kernl mode cấp 3/ vòng cho Uer mode Nguyên nhân mà Windows 2000 sử dụng có cấp vài kiến trúc phần cứng trước đó, chẳng hạn Compaq Alpha Silicon Graphics, cài đặc cấp đặc quyền truy cập  Kiến trúc Windows 2000 Hình vẽ 1.12 sau cho ta thấy kiến trúc đơn giản hoá Windows 2000 .d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c System Support Processes Service Processes User Applicatioes Environment SubsystemÐ Subsystem DLLs User mode Kernel mode Executive Kernel Windows And Graphics Device Drivers Hard Abstraction Layer Hình 1.12: Kiến trúc đơn giản Windows 2000 Hình vẽ cho ta thấy kiến trúc hệ điều hành Windows 2000 chia thành hai phần: User mode Kernel mode User mode bao gồm thành phần: System support processes, Service Processes, User applications, Environment subsystems, thành phần sở hữu không gian địa tiến trình riêng  Các thành phần User mode:  System support processes (các tiến trình hỗ trợ hệ thống): Như tiến trình logon, quản lý Session, thành phần dịch vụ Windows 2000, khơng khởi động thành phần Service Control Manager Service processes (các tiến trình dịch vụ): Đó dịch vụ chủ Win32, dịch Task Scheduler Spooler, cungc ứng dụng server Windows 2000 Microsoft SQL Server, Exchange Server thành phần chạy dịch vụ  User applications (các ứng dụng người sử dụng): Nó năm loại sau: Win32, Windows 3.1, MS_DOS, POSIX, OS/2 1.2  Environment subsystems (các hệ thống mơi trường): đưa dịch vụ ngun thuỷ hệ điều hành, ứng dụng người sử dụng thơng qua tập hàm gọi được, cung cấp mơi trường hệ điều hành cho ứng dụng Windows 2000 đưa ba hệ thống môi trường: Win32, POSIX OS/2, Win32 hệ thống đặc biệt nhất, Windows 2000 khơng thể chạy khơng có nó, phải d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c trạng thái chạy sau hệ thống khởi động POSIX OS/2 cấu hình khởi tạo cần Các ứng dụng viết hệ điều hành khác chạy Windows 2000 nhờ sử dụng environment subsystem  Subsystem DLLs (hệ thống thư viện liên kết động): Hình cho thấy Windows 2000 ứng dụng người sử dụng gọi trực tiếp dịch vụ nguyên thủy hệ điều hành, mà chúng phải thông qua nhiều DLL Vai trò Subsystem DLL chuyển yêu cầu gọi hàm vào bên dịch vụ hệ thống Windows 2000  Các thành phần Kernel mode:  Windows 2000 Executive: Chứa dịch vụ sở hệ điều hành, là: quản lý nhớ, quản lý tiến trình tiểu trình, quản lý an tồn hệ thống, quản lý I/O, thực việc truyền thông liên tiến trình  Windows 2000 Kernel: Bao gồm chức cấp thấp hệ điều hành là: lập lịch tiểu trình, đồng cho hệ thống multiprocessor Nó cung cấp tập thường trình đối tượng sở mà Executive sử dụng để cài đặt chức cấp cao  Device drivers (các trình điều khiển thiết bị): Bao gồm hai: điều khiển thiết bị phần cứng điều khiển hệ thống file mạng Điều khiển thiết bị phần cứng có nhiệm vụ chuyển lời gọi hàm I/O từ phía người sử dụng thành yêu cầu I/O thiết bị phần cứng cụ thể  HAL: Hardware Abstraction Layer (lớp phần cứng trừu tượng): Lớp làm trừu tượng hoá chi tiết phần cứng bên PC, làm cho Windows 2000 Server tương thích với nhiều kiến trúc phần cứng khác Nó cho phép Windows 2000 chạy vi xử lý khác Intel Alpha, mà khơng cần trì version khác Windows 2000 Execute HAL bảo vệ tất phần cứng hỗ trợ cụ thể cần cho thành phần hệ thống tất phần cứng hỗ trợ nềm cụ thể HAL cài đặt DLL đóng vai trò giao diện thành phần phần cứng phần mềm  Window Manager and Graphical Device Interface (GDI): Window Manager GDI sử dụng để quản lý hệ thống hiển thị Window Manager bảo vệ hình nhận lệnh từ thiết bị nhập Mouse bàn phím GDI điều khiển việc vẽ thực thao tác đồ hoạ với giúp đỡ chức khác định nghĩa trước Sau tìm hiểu rõ số thành phần kiến trúc hệ điều hành Windows 2000:  Environment Subsystem Subsystem DLL: d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c Vai trò hệ thống môi trường đưa vài tập sở dịch vụ hệ thống Windows 2000 executive cho ứng dụng Mỗi hệ thống cung cấp truy cập đến tập khác dịch vụ nguyên thủy Windows 2000 Từ ứng dụng xây dựng hệ thống gọi đến ứng dụng xây dựng hệ thống khác Các lời gọi hàm lẫn lộn hệ thống Tức ứng dụng POSIX gọi dịch vụ đưa hệ thống POSIX, ứng dụng Win32 gọi dịch vụ đưa hệ thống Win32 Như biết ứng dụng người sử dụng gọi trực tiếp dịch vụ hệ thống Windows 2000 mà phải thông qua nhiều hệ thống DLL Các hệ thống DLL Win32 kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll Gdi32.dll, cài đặt hàm Win32 API, để ứng dụng người sử dụng gọi thơng qua tập hàm Khi ứng dụng gọi hàm hệ thống DLL, ba trường hợp sau xảy ra:  Hàm cài đặt hoàn toàn hệ thống DLL Nói cách khác khơng có thơng điệp gởi tới tiến trình Vai trị hệ thống mơi trường, khơng có dịch vụ hệ thống Windows 2000 executive gọi Hàm thực user mode kết trả cho chương trình gọi  Hàm yêu cầu nhiều lời gọi đến Windows 2000 executive Ví dụ hàm Win32 ReadFile WriteFile gọi phải gọi đến dịch vụ hệ thống I/O NtReadFile NtWriteFile Windows 2000  Hàm yêu cầu vài công việc để thực tiến trình,.của hệ thống mơi trường Các tiến trình hệ thống mơi trường chạy user mode, chịu trách nhiệm trì trạng thái ứng dụng client chạy điều khiển Trong trường hợp client/server yêu cầu tạo hệ thống môi trường qua thông điệp gởi tới hệ thống để thực vài thao tác Hệ thống DLL đợi trả lời trước trả cho ứng dụng gọi Một vài hàm kết hợp trường trên, hàm Win32: CreateProcess CreateThread Tập tin Ntdll.Dll hệ thống đặc biệt, hỗ trợ thư viện cho việc sử dụng hệ thống DLL Nó chứa hai loại hàm sau:  Dịch vụ hệ thống gởi đến dịch vụ hệ thống Windows 2000 executive  Các hàm hỗ trợ bên sử dụng hệ thống con, hệ d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c thống DLL hàm nguyên thủy điển hình khác Các hàm nhóm cung cấp giao diện để Windows 2000 executive gọi từ user mode Có 200 hàm hàm truy cập thơng qua Win32 API Ntdll chứa hàm hỗ trợ image loader, heap manager hàm truyền thông tiến trình Win32  Executive: Windows 2000 executive lớp Ntoskrnl.exe (kernel lớp thấp) Executive bao gồm hàm sau:  Các hàm đưa gọi từ user mode Đây hàm gọi đưa qua Ntdll Hầu hết dịch vụ truy cập thông qua hàm Win32 API API Vai trò hệ thống môi trường khác  Các hàm gọi từ kernel mode, đưa cung cấp in Windows 2000 DDK Windows 2000 Installable File System (IFS) Kit  Các hàm đưa gọi từ kernel mode không giới thiệu Windows 2000 DDK IFS Kit  Các hàm định nghĩa không đưa Đây hàm hỗ trợ bên trong, gọi phạm vi Ntoskrnl Windows 2000 Executive chứa thành phần quan trọng sau đây:  Configuration Manager (quản lý cấu hình): chịu trách nhiệm cài đặt quản lý Registry hệ thống  I/O Manager (quản lý I/O): Thành phần chuyển lệnh đọc/ ghi user mode đến việc đọc/ghi IRP (I/O Request Packets) Nó gồm có: hệ thống file, điều khiển thiết bị, quản lý nhớ cache, quản lý nhớ ảo  InterProcess Communication - IPC Manager (quản lý truyền thơng liên tiến trình): Quản lý IPC tạo liên kết client server Environment subsystem đóng vai trị client Executive đóng vai trị server Nó tạo từ thành phần: Remote Procedure Call - RPC: giữ thông tin kết nối client server máy tính khác Local Procedure Call - RPC: giữ thông tin kết nối client server máy tính  Security Manager (quản lý an toàn): Đây thành phần tạo nên an toàn hệ thống cách bắt buộc sách an tồn máy tính cục .d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c  Plug and Play Manager (quản lý plug and play): Plug and play theo dõi hoạt động thời điểm Boot thiết bị plug and play tương tác với HAL, điều khiển thiết bị Executive Nó xác định điều khiển bus thực việc cấu hình đếm Nó xác định điều khiển thiết bị thêm vào khởi tạo thiết bị  Process and Thread Manager (quản lý tiến trình tiểu trình): Tạo kết thúc tiến trình tiểu trình Hỗ trợ tiến trình tiểu trình cài đặt bên Windows 2000 kernel  Và số thành phần khác như: Power manager (quản lý nguồn); Cache manager (quản lý cache); Virtual memory manager (quản lý nhớ ảo), …  Ngồi executive cịn chứa bốn nhóm hàm hỗ trợ mà sử dụng thành phần executive liệt kê Sau bốn loại hàm hỗ trợ:  Object Manager (quản lý đối tượng): Tạo, quản lý, xoá đối tượng Windows 2000 executive loại liệu trừu tượng mà sử dụng để đến tài nguyên Windows 2000 như: tiến trình, tiểu trình, đối tượng đồng khác  LPC facility: Chuyển thơng điệp tiến trình client tiến trình server máy tính LPC có tính mềm dẻo, version tối ưu Remote Function Call (RPC)  Một tập hàm thư viện run-time là: xử lý string, thực phép tính, chuyển đổi kiểu liệu xử lý cấu trúc an toàn  Executive support routine: cấp phất nhớ hệ thống, khoá truy cập nhớ đối tượng đồng  Kernel: Kernel bao gồm tập hàm Ntoskrnl.exe mà cung cấp kỹ thuật bản, điều phối tiểu trình đồng dịch vụ, sử dụng thành phần executive, hỗ trợ cho kiến trúc phần cứng cấp thấp kiến trúc processor khác Đa số mã kernel viết C, số thành phần quan can thiệp sâu vào phần cứng viết assembly Một số hàm kernel đưa DDK, thành phần cần thiết cho việc cài đặt trình điều khiển thiết bị  Hardware Abstraction Layer (HAL): Như biết mục tiêu thiết kế Windows 2000 làm cho dễ d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c dàng tương thích phần cứng khác HAL thành phần chủ chốt tạo nên tương thích HAL modun kernel mode nạp (Hal.dll) mà cung cấp giao diện cấp thấp để Windows 2000 chạy phần cứng khác HAL làm ẩn chi tiết phần cứng, như: giao diện I/O, điều khiển ngắt chế truyền thông processor hệ thống multiprocessor, với hàm kiến trúc cụ thể máy phụ thuộc Trong Windows 2000 có nhiều tập tin Hal*.dll, tập tin hỗ trợ cho hệ thống máy tính Hal.dll hỗ trợ cho PC chuẩn, Halmps.dll hỗ trợ cho PC Multiprocessor, …  Device Drivers: Các Device Driver (*.sys) modun kernel, giao diện thành phần quản lý I/O phần cứng có liên quan Các device driver không thao tác trực tiếp phần cứng, gọi hàm HAL để giao tiếp với phần cứng Windows 2000 có loại Divice Driver sau đây:  Các hardware device driver thao tác phần cứng, sử dụng HAL, để ghi/đọc thiết bị vật lý mạng Loại bao gồm: điều khiển bus, điều khiển thiết bị giao tiếp với người sử dụng, điều khiển thiết bị lưu trữ khối, …  Các file system driver điều khiển mà Windows 2000 dùng để truy cập file hệ thống  …  Kernel Mode Drivers: Kernel Mode Drivers cài đặt thành phần, chứa tất chức cần thiết Nó gồm có: WMD (Windows Drive Model) driver, với nhiều driver để hỗ trợ cho yêu cầu thiết bị cụ thể I.14 Hệ điều hành Linux Linux hệ điều hành miễn phí xây dựng từ hệ điều hành Unix Nó phát triển Linus Torvalds, sinh viên trường Đại học Hensinki Linus chịu trách nhiệm tạo hệ thống kernel Kernel phần lõi hệ điều hành, chịu trách nhiệm thực tác vụ hệ thống Linux tập phần mềm mà bao gồm kernel thành phần khác để trở thành hệ điều hành hoàn chỉnh Một nguyên nhân làm cho Linux nhiều người biết đến cung cấp miễn phí với mã nguồn mở Hình vẽ 1.13 cho thấy cấu trúc hệ điều hành Unix Hình vẽ cho thấy hệ điều hành Linux chia thành cấp: User Level (cấp người sử dụng) Kernel Level (cấp lõi) .d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c  Kernel cấp đặc quyền, khơng có giới hạn kernel hệ thống Kernel sử dụng tất lệnh vi xử lý, điều khiển tồn bộ nhớ truyền thơng trực tiếp đến tất thiết bị ngoại vi  User cấp khơng có đặc quyền, tất chương trình người sử dụng phải hoạt động cấp Ở tiến trình khơng thể thực tất lệnh vi xử lý, truy cập trực tiếp vào hệ thống phần cứng quyền sử dụng không gian nhớ cấp phát Các tiến trình thực thao tác môi trường riêng mà khơng làm ảnh hưởng đến tiến trình khác bị ngắt lúc Các tiến trình hoạt động User Level khơng thể truy cập trực tiếp tài nguyên hệ thống mà phải thơng qua giao diện lời gọi hệ thống (System call Interface) Một lời gọi hệ thống yêu cầu gởi từ tiến trình chương trình người sử dụng đến Kernel, Kernel xử lý yêu cầu chế độ kernel sau trả kết lại cho tiến trình để tiến trình tiếp tục thực User Programs Trap Libraries User Level Kernel Level System Call Interface File Subsystem Process Inter Processor Communication d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c  Sau vài đặc điểm Linux:  Miễn phí (Free): Linux hệ điều hành cung cấp miễn phí Internet, khơng phải trả chi phí cho việc download Linux cung cấp với phâìn mềm chạy  Mã nguồn mở (Open Source): Điều có nghĩa người sử dụng khơng sử dụng hệ điều hành thực chương trình mà cịn xem sửa đổi mã nguồn nó, để phát triển theo mục đích cụ thể người sử dụng  Yêu cầu phần cứng (Hardware): Linux chạy hầu hết phần cứng có, hoạt động vi xử lý: 386, 486, Pentium MMX, Pentium II, Sparc, Dec Alpha Motorola 68000  Đa tác vụ (Multi-Tasking): Linux hệ điều hành đa tác vụ, tức người sử dụng chạy nhiều chương trình thời điểm Mỗi tác vụ tiến trình Theo cách người sử dụng không cần phải đợi cho d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c y o c u -tr a c k c tiến trình kế thúc hợp lệ để khởi động tiến trình khác  Đa người sử dụng (Multi-User): Điều có nghĩa có nhiều người sử dụng sử dụng hệ thống thời điểm Khái niệm multi user xuất phát trực tiếp từ khía cạnh multi-tasking Hệ thống điều khiển nhiều người sử dụng thời điểm giống cách mà điều khiển nhiều cơng việc  Hỗ trợ đa vi xử lý (Multi Processor Support): Linux điều hành hệ thống máy tính có nhiều vi xử lý  Máy chủ web (Web Server): Linux sử dụng để chạy web server, đáp ứng giao thức ứng dụng HTTP FTP  Hỗ trợ mạng TCP/IP (TCP/IP Networking Support): Hỗ trợ mạng TCP/IP xây dựng kernel Linux Linux hệ điều hành mạng tốt Nó bao gồm chương trình là: Telnet, Ftp, Rlogin, Rsh nhiều chương trình khác  Hỗ trợ lập trình (Programming Support): Linux cung cấp hỗ trợ lập trình cho Fortran, C, C++, Tcl/Tk, Perl nhiều ngơn ngữ lập trình khác  Độ an tồn cao (High Level Security): Một thuận lợi Linux cung cấp an tồn cao cấp cách sử dụng xác thực người sử dụng Nó lưu trữ password dạng thức mã hố, password mã hố giải mã Linux bao gồm hệ thống file an tồn, mở rộng từ hệ thống file tồn Chương II QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH Tất hệ điều hành đa chương, từ hệ điều hành đơn người sử dụng đến hệ điều hành hỗ trợ đến hàng ngàn người sử dụng, phải xây dụng dựa khái niệm tiến trình Vì thế, yêu cầu quan trọng thiết kế hệ điều hành thành phần quản lý tiến trình hệ điều hành phải đáp ứng tất liên quan đến tiến trình: d o m o w w w d o C lic k to bu y bu to k lic C w w w N O W ! h a n g e Vi e N PD ! XC er O W F- w m h a n g e Vi e w PD XC er F- c u -tr a c k c ... giải mã Linux bao gồm hệ thống file an tồn, mở rộng từ hệ thống file tồn Chương II QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH Tất hệ điều hành đa chương, từ hệ điều hành đơn người sử dụng đến hệ điều hành hỗ trợ đến hàng... (các trình điều khiển thiết bị): Bao gồm hai: điều khiển thiết bị phần cứng điều khiển hệ thống file mạng Điều khiển thiết bị phần cứng có nhiệm vụ chuyển lời gọi hàm I/O từ phía người sử dụng thành. .. xây dụng dựa khái niệm tiến trình Vì thế, yêu cầu quan trọng thiết kế hệ điều hành thành phần quản lý tiến trình hệ điều hành phải đáp ứng tất liên quan đến tiến trình: d o m o w w w d o C lic