Bài giảng Nguyên lí hệ điều hành trình bày nội dung thông qua các chương sau: chương 1 những khái niệm cơ bản, chương 2 quản lý tiến trình, chương 3 quản lý bộ nhớ, chương 4 quản lý thiết bị, chương 5 hệ điều hành nhiều Processor.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG TÊN HỌC PHẦN : NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH MÃ HỌC PHẦN 17303 HỆ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY HẢI PHỊNG, 09/2014 BM.05-QT.DT.04 15/3/12-REV:0 MỤC LỤC Chƣơng I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Cấu trúc phân lớp hệ thống tính toán 1.2 Tài nguyên hệ thống 1.3 Định nghĩa hệ điều hành 1.4 Phân loại hệ điều hành 1.5 Tính chất chung hệ điều hành 1.6 Nguyên tắc xây dựng hệ điều hành 10 1.7 Thành phần hệ điều hành 11 Chƣơng II: QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH 13 2.1 Quản lý tiến trình 13 2.2 Quản lý Processor 20 Chƣơng III: QUẢN LÝ BỘ NHỚ 24 3.1 Đặt vấn đề 24 3.2 Quản lý nhớ logic - cấu trúc chƣơng trình 25 3.3 Quản lý nhớ vật lý 27 3.4 Quản lý nhớ IBM PC MSDOS 30 Chƣơng IV: QUẢN LÝ THIẾT BỊ 32 4.1 Quan hệ phân cấp tổ chức quản lý thiết bị ngoại vi 32 4.2 Cơ chế phòng đệm (Buffer) 33 4.3 Cơ chế SPOOL 35 4.4 Quản lý file 36 4.5 Quản lý file hệ điều hành MSDOS 37 Chƣơng V: HỆ ĐIỀU HÀNH NHIỀU PROCESSOR 46 5.1 Hệ điều hành nhiều Processor 46 5.2 Hệ điều hành phân tán (Distribute Operating System) 47 5.3 Quản lý tài nguyên hệ điều hành phân tán 49 -1- YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Nguyên lý hệ điều hành Mã HP: 17303 a Số tín chỉ: TC BTL ĐAMH b Đơn vị giảng dạy: Bộ môn Kỹ thuật Máy tính c Phân bổ thời gian: - Tổng số (TS): 30 tiết - Lý thuyết (LT): 28 tiết - Thực hành (TH): tiết - Bài tập (BT): tiết - Hƣớng dẫn BTL/ĐAMH (HD): tiết - Kiểm tra (KT): tiết d Điều kiện đăng ký học phần: Học phần học trƣớc: Kiến trúc máy tính TBNV e Mục đích, yêu cầu học phần: Kiến thức: - Các khái niệm hệ điều hành - Các tính chất chung nguyên tắc xây dựng hệ điều hành - Tài nguyên hệ thống phƣơng thức quản lí Kĩ năng: - Có thể cài đặt đƣợc hệ điều hành phần mềm ứng dụng, tối ƣu hóa hoạt động hệ thống - Có thể xây dựng đƣợc hệ thống giả lập, mô hoạt động hệ điều hành Thái độ nghề nghiệp: - Hiểu biết nắm vững nguyên lí hoạt động hệ điều hành, đánh giá đƣợc hiệu hệ thống từ khai thác sử dụng hệ thống có hiệu - Hiểu xử lí đƣợc vấn đề xảy hệ thống, đồng thời nắm bắt đƣợc xu hƣớng phát triển hệ điều hành tƣơng lai f Mô tả nội dung học phần: Học phần trang bị cho ngƣời học kiến thức chung hệ điều hành, nguyên lí nguyên tắc xây dựng, tài nguyên hệ thống phƣơng thức quản lí chúng: Quản lí thiết bị, quản lý nhớ quản lý tiến trình hệ điều hành đơn Processor, đa Processcer g Người biên soạn: Nguyễn Trọng Đức - Bộ mơn Kỹ thuật máy tính h Nội dung chi tiết học phần: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƢƠNG MỤC TS LT BT TH HD KT Chƣơng Những khái niệm 7 1.1 Cấu trúc phân lớp hệ thống tính tốn 1.2 Tài nguyên hệ thống 1.3 Định nghĩa hệ điều hành 0.5 1.4 Phân loại hệ điều hành 1.5 Tính chất chung hệ điều hành 1.6 Nguyên tắc xây dựng hệ điều hành 1.7 Thành phần hệ điều hành 0.5 -2- TÊN CHƢƠNG MỤC PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TS LT BT TH HD KT Nội dung tự học (14t): - Tìm hiểu hệ điều hành MSDOS 6.2, Windows - Đối sánh, đưa ví dụ minh họa cho khái niệm trình bày chương Chƣơng Quản lí tiến trình 2.1 Quản lý tiến trình 2.2 Quản lý Processor Nội dung tự học (10t): - Bài toán tới hạn - thuật tốn xử lí - Bài tốn bế tắc - thuật tốn xử lí - Lập lịch cho tiến trình - cài đặt thuật tốn mơ - Xử lí ngắt Chƣơng Quản lí nhớ 6 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Quản lý nhớ logic - cấu trúc chương trình 3.3 Quản lý nhớ vật lý 3.4 Quản lý nhớ IBM PC MSDOS Nội dung tự học (12t): - Quản lí nhớ hệ điều hành windows - Cơ chế lập lịch nhớ - Các phương pháp cấp phát nhớ Chƣơng Quản lí thiết bị 4.1 Quan hệ phân cấp tổ chức quản lý thiết bị ngoại vi 4.2 Cơ chế phòng đệm 4.3 Cơ chế SPOOL 4.4 Quản lý file 4.5 Quản lý file hệ điều hành MSDOS Nội dung tự học (12t): - Cơ chế quản lí file hệ điều hành windows - Cơ chế quản lí file hệ điều hành Linux Chƣơng Hệ điều hành nhiều vi xử lí 4 5.1 Hệ điều hành nhiều Processor 5.2 Hệ điều hành phân tán 5.3 Quản lý tài nguyên hệ điều hành phân tán Nội dung tự học (8t): - Multiprocessor multicomputer - Hệ phân tán, hệ điều hành phân tán i Mô tả cách đánh giá học phần: - Sinh viên phải tham dự học tập lớp ≥75% số tiết quy định học phần 1 -3- - Các điểm thành phần Xi ≥ 4, bao gồm: X2: trung bình cộng kiểm tra (02 kiểm tra; tập (điểm trung bình), dịch) Điểm trình X: điểm X2 - Thi kết thúc học phần (điểm Y): Thi trắc nghiệm máy tính - Điểm đánh giá học phần: Z = 0.3X + 0.7Y - Thang điểm: Thang điểm chữ A+, A, B+, B, C+, C, D+, D, F k Giáo trình: Hồ Đức Phƣơng, iáo trình Nguyên lý hệ điều hành, NXB Giáo dục, 2011 l Tài liệu tham khảo: Nguyễn Thanh Tùng, iáo trình Hệ điều hành, ĐH Bách Khoa HN Hà Quang Thụy, iáo trình nguyên lý Hệ điều hành, NXB KHKT, 2009 Trần Hồ Thủy Tiên, iáo trình Nguyên lý hệ điều hành, Đại học Đà Nẵng, 2007 Milan Milenkovic, Operating systems concept and design, Tata Mcgraw Hill, 2001 Achyut Godbole, Operating system, Mc Graw Hill, 2010 Andrew S Tanenbaum, Modern Operating system, Prentice Hall m Ngày phê duyệt: / / n Cấp phê duyệt: Trƣởng Khoa Trƣởng Bộ môn Ngƣời biên soạn TS Lê Quốc Định ThS Ngô Quốc Vinh TS Nguyễn Trọng Đức -4- Chƣơng I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Quan tâm người dùng - Các hệ thống chƣơng trình có cấu trúc nhƣ nào? - Các hệ thống có đặc trƣng gì? - Hệ thống cung cấp cho ngƣời dùng tài nguyên gì? 1.1 Cấu trúc phân lớp hệ thống tính tốn Khi ngƣời dùng thực chƣơng trình, hệ thống có đáp ứng đƣợc yêu cầu hay không Bao gồm: - Hệ thống có chƣơng trình cần thực hay khơng - Có đủ nhớ để làm việc hay khơng - Có thiết bị ngoại vi theo yêu cầu hay không Tuy nhiên yêu cầu ngƣời dùng đa dạng, khả hệ thống có hạn nên đơi chi phí cho hệ thống cao song lợi ích mà hệ thống mang lại nhỏ Để khắc phục đƣa giải pháp tăng tính vạn hệ thống qua processor: 1.1.1 Cơ sở hoá hệ lệnh Trƣớc máy tính lắp ráp nhiều vi mạch thực chức chuyên dụng tính căn, sin, e_mũ, loga sử dụng khó sửa chữa, thay đổi đƣợc Hiện chức đƣợc thay phần mềm máy tính vạn hơn, tốc độ cao hơn, độ ổn định giá thành hạ Các Chƣơng trình bao quanh phần kỹ thuật tạo thành mơi trƣờng tính tốn Mỗi Chƣơng trình muốn đƣợc thực phải gắn với môi trƣờng thừa hƣởng môi trƣờng khả hệ thống Làm cho thông tin lƣu chuyển dễ dàng thành phần hệ thống Thơng tin đầu module làm đầu vào cho module khác Mọi biến đổi trung gian hệ thống đảm nhiệm suốt với ngƣời sử dụng 1.1.2 Tách thiết bị ngoại vi khỏi processor (micro hoá procesor) - Chuyển giao số công việc cho thiết bị ngoại vi đảm nhiệm - Processor tập trung xử lý bit - Đề suất thuật toán giải tác vụ phép xử lý bit, byte, hoàn thiện phƣơng pháp xử lý máy tính điện tử - Xây dựng sẵn Modul chƣơng trình cung cấp cho ngƣời dùng dƣới dạng chƣơng trình chuẩn - thƣ viện chƣơng trình Tuy nhiên thực tế yêu cầu gia tăng chƣơng trình dƣới dạng thƣ viện ngày tăng nên số lƣợng, nội dung thƣ viện tăng Giải pháp: - Cung cấp cho ngƣời dùng công cụ cho phép họ mô tả giải thuật cần thiết, đồng thời sở hố thƣ viện ngơn ngữ thuật tốn chƣơng trình dịch đời - Ngƣời dùng tác động lên máy tính điện tử thơng qua chƣơng trình mẫu chƣơng trình dịch 1.1.3 Chuyển nguyên tắc Lệnh thành Menu Cơ chế lệnh - Ngƣời dùng phải tự nắm bắt trƣớc công việc mà hệ thống làm đƣợc, qua thị cho hệ thống làm việc -5- Cơ chế Menu - Hệ thống giới thiệu cho ngƣời dùng khả phục vụ dƣới dạng bảng chọn, ngƣời dùng chờ cho hệ thống trình bày danh mục cơng việc lựa chọn cơng việc u cầu - Các cơng việc đƣợc phân nhóm theo phạm trù để dễ tìm kiếm - Hệ thống mang tính chất tự đào tạo: làm việc hiểu sâu Nguyên tắc xây dựng Menu Bằng lời: Dùng lời xác cơng việc thực hiện, tổ chức độ phân giải tốt Dễ thực Chịu hàng rào ngôn ngữ Bằng biểu tượng: Mỗi công việc đƣợc miêu tả hình ảnh Hấp dẫn, dễ hiểu với loại đối tƣợng Chống đƣợc hàng rào ngôn ngữ Khó tổ chức độ phân giải thấp Khắc phục nhược điểm hai hình thức tổ chức trên: tổ chức hai hình thức: Khi đƣa hộp sáng hay khung tích cực tới biểu tƣợng dịng thích xuất Khi đƣa hộp sáng hay khung tích cực áp vào mục lời biểu tƣợng xuất Ngồi cịn tồn chế phím nóng, lệnh chuẩn Tóm lại: Hệ thống phải có trách nhiệm đảm bảo điều kiện vật chất chƣơng trình thực đƣợc đồng thời phải trì hệ thống trạng thái đồng (có nghĩa hệ thống phải có chức quản lý tài nguyên) 1.2 Tài nguyên hệ thống Bao gồm: - Không gian: Không gian nhớ - Thời gian: Thời gian thực lệnh - Thiết bị ngoại vi 1.2.1 Bộ nhớ - Bộ nhớ nơi lƣu trữ thông tin - Đặc trƣng nhớ Thời gian truy nhập Phân cấp Phân loại - Thời gian truy nhập Thời gian truy nhập trực tiếp: thời gian trực tiếp để truy nhập tới địa nhớ Thời gian truy nhập tuần tự: Khi tồn cách tổ chức lƣu trữ - Phân cấp nhớ Bộ nhớ thƣờng đƣợc phân cấp theo tốc độ truy nhập trực tiếp hay Bộ nhớ đƣợc gọi thực processor thực câu lệnh ghi Đặc điểm nhớ thời gian truy nhập thực truy nhập Bộ nhớ nhớ thực Không gian nhớ Giá thành - Phân loại nhớ Bộ nhớ trong: Có tốc độ truy nhập cao nhƣng không gian nhớ nhỏ -6- Bộ nhớ ngồi: Có khơng gian nhớ lớn nhƣng tốc độ truy nhập thấp Thời gian truy nhập trực tiếp thƣờng lớn thời gian truy Loại nhớ phổ biến nhớ đĩa cứng, đĩa mềm, băng từ, đĩa quang 1.2.2 Thời gian thực lệnh - Processor tài nguyên quan trọng hệ thống, đƣợc truy nhập mức câu lệnh có làm cho câu lệnh đƣợc thực - Processor đƣợc dùng cho nhiều tiến trình khác việc phân chia thời gian sử dụng processor tiến trình phải đƣợc tối ƣu hố, đặc biệt chúng dùng chung tài nguyên khác: Chƣơng trình, liệu, thiết bị vào - Thời gian: thời gian thực câu lệnh - Trong hệ thống có nhiều processor thời gian processor đƣợc quản lý phân phối riêng biệt nhƣ tài nguyên độc lập 1.2.3 Thiết bị ngoại vi - Số lƣợng nhiều - Chủng loại đa dạng - Tốc độ xử lý địa vùng nhớ Chú ý: Giá trị Sector gồm bit Cylinder 10bit: 15 14 13 12 11 10 Cylinder Sector Thủ tục mã hoá Cylinder Sector Function CylSecEncode(Cylinder, Sector : Word) : Word; Begin CylSecEncode := (Lo(Cylinder) shl 8) or (Hi(Cylinder) shl 6) or Sector; End; Output: Nếu có lỗi: Carry Flag=CY=1 mã lỗi AH Nếu không lỗi: AH = ES:BX => địa vùng nhớ Một đĩa cứng bao gồm: - Phần hệ thống - Phần liệu Phần hệ thống bao gồm: - Master boot record - 38 - - Boot sector FAT ROOT Hình ảnh cấu trúc: HDD MBR FDD Boot Sector FAT1 FAT2 Root File Vùng hệ thống - MBR: Master Boot Boot đĩa từ cứng - MBR trỏ tới Boot Sector Boot Sector cịn lại (nếu có) - Boot Sector trỏ tới Root từ Root truy nhập vào FAT1, từ FAT1 truy nhập tới File Boot sector: tồn đĩa từ Nó bao gồm hai phần: - Xác định tham số tổ chức đĩa: đặc thù cho đĩa - Chƣơng trình mồi phục vụ cho việc nạp hệ điều hành: vùng bắt buộc với đĩa hệ thống, với đĩa ghi liệu tì bỏ trống Nạp hệ thống: Thực chất đọc Boot Sector ghi vào vùng địa 7C00h Phần tham số đĩa từ Cung từ mồi Boot strap loader 55AA Để truy nhập thông tin đĩa cần quan tâm tới thông số: - Số byte cho sector - Số sector trƣớc FAT - Số bảng FAT - Số mục vào (entry) cho root (32 byte cho entry) - Tổng số sector đĩa - Số lƣợng sector cho bảng FAT - Số sector track - Số đầu đọc, ghi Truy nhập Boot Sector - Xác định vị trí đĩa - Đọc trực tiếp sector thông qua ngắt 13h 25h Vị trí Boot Sector: - Đĩa mềm: sec1, đầu đọc 0, cylinder - Đĩa cứng: sec1, đầu đọc 1, cylinder - 39 - A/ Bảng tham số: Số Địa Chiều dài hiệu offset (byte) 3 B 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ý nghĩa EBxx90 (số hiệu đặc biệt) Tên hệ thống format đĩa Số byte/sector (byte thấp đƣợc lƣu trữ trƣớc 1234 34|12) D Sec/clus kích thƣớc bảng phân phối cho ngƣời dùng E K/c từ đầu logic đĩa từ tới bảng FAT1 10 Số bảng FAT 11 Số phần tử thƣ mục gốc root 13 Số sec đĩa dung lƣợng đĩa nhỏ 32MB 15 Loại đĩa: F8: HD; F9: FD(1.2M); F10: FD (1.44M) 16 Số sec/FAT 18 Số sec/track 1A Số đầu từ 1C Đ/c tuyệt đối boot sector 20 Số sec đĩa dung lƣợng đĩa lớn 32MB 24 Đ/c vật lý đĩa từ: 80: C, 81: D, 00: FD 25 Dự trữ 26 Dấu hiệu 29h 27 Serial number 2B 11 Volume name 36 FAT Còn lại 482 byte chứa Chƣơng trình mồi Ví dụ: EB 01 12 D2 46 BC 90 4D 53 44 4F 53 35 2E 30 00 02 20 00 02 00 02 00 00 F8 80 00 00 BC 19 00 00 0E 00 10 00 50 00 15 BE 18 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20 41 54 31 36 20 20 20 F1 33 3D 00 29 Đọc MBR uses crt,MSDOS; const s16:string[16]='0123456789abcdef'; var reg:registers; B:array[0 511]of byte; i:integer; j,k:byte;ch:char; begin clrscr; with reg begin dl:=$80;dh:=0; cl:=1;ch:=0; al:=1;ah:=2; bx:=ofs (b);es:=seg (b); end; intr ($13,reg); for i:=$1be to 511 begin j:=b[i]shr 4+1; k:=b[i]and$0f+1; - 40 - write (s16[j]:2,s16[k]); if (i+1)mod 16 =0 then begin write (' ':5); for j:=i-15 to i if (b[j]