Hệ điều hành là một hệ thống lớn và phức tạp bao gồm nhiều thành phần, mỗi thành phần bao gồm inputs, outputs và functions được định hình rõ ràng. Các thành phần của hệ điều hành: quản lý quá trình, quản lý bộ nhớ chính, quản lý tập tin, quản lý hệ thống xuất/nhập, quản lý bộ nhớ thứ cấp, nối mạng, hệ thống bảo vệ, giao diện người dùng
HỆ ĐIỀU HÀNH (OPERATING SYSTEM) Trình bày:Nguyễn Hồng Việt Khoa Công Nghệ Thông Tin Đại Học Cần Thơ 2.1 Chương 2: Cấu trúc hệ điều hành Các thành phần hệ điều hành Các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp Lời gọi hệ thống Các chương trình hệ thống Cấu trúc hệ điều hành Cài đặt hệ điều hành Tạo mơi trường hệ thống Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.2 Các thành phần HĐH (1) HĐH hệ thống lớn phức tạp bao gồm nhiều thành phần, thành phần bao gồm có inputs, outputs functions định nghĩa rõ ràng Các thành phần HĐH: • • • • • • • • Quản lý trình Quản lý nhớ Quản lý tập tin Quản lý hệ thống xuất/nhập Quản lý nhớ thứ cấp Nối mạng Hệ thống bảo vệ Giao diện người dùng Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.3 Các thành phần HĐH (2) Quản lý trình (Process Management) Quá trình (process) chương trình thực thi Quá trình cần tài nguyên để thực tác vụ nó: thời gian phục vụ CPU, nhớ, tập tin, thiết bị vào Bộ quản lý trình (Process Manager) chịu trách nhiệm thực hoạt động sau: • Tạo hủy trình • Ngừng tiếp tục q trình • Đưa chế để: Đồng hóa q trình Thực việc giao tiếp trình Chống deadlock Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.4 Các thành phần HĐH (3) Quản lý nhớ (Main-Memory Management) Bộ nhớ mảng lớn words bytes, với địa riêng biệt • Là kho chứa liệu truy cập nhanh, chia sẻ CPU • thiết bị vào Là thiết bị lưu trữ bay (volatile storage device), bị nội dung hệ thống gặp cố Bộ quản lý nhớ (Main-Memory Manager) chịu trách nhiệm thực hoạt động sau: • Theo dõi phần nhớ sử dụng • Quyết định q trình nạp vào nhớ không gian • nhớ chỗ trống Cấp phát thu hồi khơng gian nhớ cần thiết Nguyễn Hồng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.5 Các thành phần HĐH (4) Quản lý tập tin (File Management) Một tập tin (File) tập hợp thơng tin có liên quan với nhau, định nghĩa người tạo Tập tin thường dùng để lưu chương trình liệu thiết bị lưu trữ, dĩa Bộ quản lý tập tin (File Manager) chịu trách nhiệm thực hoạt động sau: • • • • • Tạo xóa tập tin Tạo xóa thư mục (directory, folder) Hỗ trợ sở cho việc thao tác tập tin thư mục Ánh xạ tập tin lên thiết bị lưu trữ thứ cấp Chép phòng hờ (backup) tập tin lên phương tiện lưu trữ ổn định (khơng bay hơi) Nguyễn Hồng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.6 Các thành phần HĐH (5) Quản lý hệ thống xuất/nhập (I/O System Management) Hệ thống xuất/nhập bao gồm: • Hệ thống lưu trữ đệm (Buffer-Caching System: buffering, caching, spooling) • Giao diện điều khiển thiết bị tổng quát (General Device-Driver Interface) • Trình điều khiển thiết bị (driver) cho thiết bị cụ thể Hệ thống xuất/nhập giao tiếp với thành phần khác hệ thống, quản lý thiết bị, chuyển tải liệu, phát hồn thành xuất/nhập Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.7 Các thành phần HĐH (6) Quản lý nhớ thứ cấp (Secondary-Storage Management) Bộ nhớ (Primary Storage) bị bay nhỏ để chứa tất liệu chương trình lâu dài → dùng thiết bị lưu trữ thứ cấp (Secondary Storage) để hỗ trợ • Hầu hết sử dụng đĩa từ làm thiết bị lưu trữ trực tuyến yếu cho liệu chương trình Bộ quản lý đĩa (Disk Manager) chịu trách nhiệm thực hoạt động sau: • Quản lý khơng gian cịn trống • Cấp phát khơng gian lưu trữ • Định thời sử dụng đĩa Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.8 Các thành phần HĐH (7) Kết nối mạng (Networking) - Các hệ thống phân tán Hệ thống phân tán (Distributed System) tập hợp xử lý không dùng chung nhớ xung đồng hồ Mỗi xử lý có nhớ riêng Các xử lý hệ thống nối kết thông qua mạng truyền thông (Communication Network) Giao tiếp thực thông qua giao thức (protocol): FTP, NFS, http… Hệ thống phân tán cho phép người dùng truy cập nhiều loại tài nguyên hệ thống khác Việc truy cập đến tài nguyên chia sẻ giúp: • Tăng tốc độ tính tốn • Tăng mức độ sẵn dùng liệu • Tăng độ tin cậy Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.9 Các thành phần HĐH (7) Hệ thống bảo vệ (Protection System) Khái niệm bảo vệ nhằm chế điều khiển truy cập từ chương trình, trình người dùng đến tài nguyên hệ thống người dùng Cơ chế bảo vệ phải: • Phân biệt việc truy cập có thẩm quyền hay khơng • Xác định quyền điều khiển áp đặt • Cung cấp phương tiện để bảo vệ an ninh Nguyễn Hoàng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.10 Cấu trúc HĐH (2) Cấu trúc hệ thống MS-DOS MS-DOS – viết để cung cấp nhiều chức với dung lượng nhỏ • Khơng chia thành • modules Mặc dù MS-DOS có cấu trúc đó, mức chức giao diện chúng không tách biệt Cấu trúc phân tầng MS-DOS Nguyễn Hoàng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.26 Cấu trúc HĐH (3) Cấu trúc hệ thống UNIX UNIX – bị giới hạn chức phần cứng, HĐH UNIX khởi thủy có cấu trúc giới hạn HĐH UNIX bao gồm hai phần tách biệt • Các chương trình hệ thống • Nhân (kernel) Bao gồm thứ phía giao diện lời gọi hệ thống phía phần cứng vật lý Cung cấp chế quản lý hệ thống tập tin, định thời CPU, quản lý nhớ chức khác HĐH Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.27 Cấu trúc HĐH (4) Cấu trúc hệ thống UNIX Nguyễn Hoàng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.28 Cấu trúc HĐH - Vi nhân (1) (Microkernel) Di chuyển nhiều chức từ nhân lên mức người dùng, giữ lại phần yếu: quản lý q trình, nhớ, giao tiếp trình → nhân nhỏ Giao tiếp trình người dùng thực chế chuyển thông điệp gián tiếp thông qua nhân Lợi ích: • Dễ dàng mở rộng HĐH dịch vụ mới, đưa vào không gian • • người dùng Dễ dàng chuyển đổi HĐH sang kiến trúc nhân nhỏ Tin cậy an tồn (ít mã lệnh chạy mức nhân hơn) Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.29 Cấu trúc HĐH - Vi nhân (2) Kiến trúc Client-Server Windows NT Các ứng dụng khác (Win32, OS/2, POSIX) chạy không gian người dùng Server cho ứng dụng chạy không gian người dùng Message Passing client application programs application servers chạy không gian nhân Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.30 Cấu trúc HĐH - Phân tầng (1) (Layered Structure) HĐH chia thành số tầng (mức), tầng xây dựng tảng tầng khác thấp Tầng thấp (layer 0) tầng vật lý, tầng cao (layer N) giao diện với người dùng Sự phân chia chức thực cho tầng sử dụng chức (thao tác) dịch vụ cung cấp tầng mức thấp Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.31 Cấu trúc HĐH - Phân tầng (2) Kiến trúc phân tầng OS/2 Nguyễn Hoàng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.32 Cấu trúc HĐH - Phân tầng (3) Thuận lợi khó khăn Thuận lợi: • Tính module (modularity) → đơn giản hóa việc thiết kế, cài • đặt, gỡ rối kiểm tra hệ thống Đơn giản hóa thể qua việc sửa đổi, cải tiến tầng, khơng ảnh hưởng đến tầng khác Khó khăn: • Cần phải định nghĩa cẩn thận chức tầng tầng • • sử dụng tầng Đơi khó khăn việc xác định chức HĐH nằm tầng Tăng phí tổn thời gian cho việc gọi lời gọi hệ thống thông qua nhiều tầng Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.33 Cấu trúc HĐH - Máy ảo (1) (Virtual Machine) Máy ảo sử dụng mơ hình phân tầng Nó xem phần cứng nhân HĐH phần cứng Một máy ảo cung cấp giao diện đồng cho phần cứng thực bên Tài nguyên thực máy tính chia sẻ để tạo máy ảo HĐH tạo ảo giác nhiều máy (nhiều trình), máy sử dụng phần CPU nhớ ảo giống hệ thống truyền thống Khơng máy ảo Nguyễn Hồng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) Máy ảo 2.34 Cấu trúc HĐH - Máy ảo (2) Ưu điểm nhược điểm máy ảo Máy ảo cung cấp chế bảo vệ tuyệt đối tài nguyên hệ thống máy ảo tách biệt khỏi tất máy ảo khác Tuy nhiên, tách biệt không cho phép việc chia sẻ trực tiếp tài ngun Hệ thống máy ảo cơng cụ hồn hảo cho việc nghiên cứu phát triển HĐH • Việc phát triển hệ thống hoàn thành máy ảo thay máy tính vật lý thật, khơng ngắt qng hoạt động bình thường hệ thống Máy ảo khó cài đặt yêu cầu đặt phải cung cấp xác phần cứng máy thật Nguyễn Hoàng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.35 Cấu trúc HĐH - Máy ảo (3) Java Virtual Machine (JVM) Các chương trình Java biên dịch mã-byte trung lập (platformneutral bytecodes) thực JVM JVM bao gồm: • class loader • class verifier • runtime interpreter Việc đọc thơng dịch bytecodes chạy JVM làm giảm hiệu suất ứng dụng JIT (Just-In-Time) compilers giúp tăng hiệu suất • Biến đổi architecture-neural bytecodes thành ngôn ngữ máy Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.36 Cài đặt HĐH (1) Mục tiêu thiết kế hệ thống Mục tiêu người dùng: HĐH phải dễ dùng, dễ học, tin cậy, an toàn nhanh Mục tiêu hệ thống: HĐH phải dễ thiết kế, cài đặt, bảo trì, phải linh họat, tin cậy, khơng lỗi hiệu Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.37 Cài đặt HĐH (2) Các chế chiến lược Cơ chế (mechanism) xác định cách thực việc Chiến lược (policy) định làm Việc tách chiến lược khỏi chế cho phép đạt linh họat tối đa • Các định chiến lược thay đổi sau • HĐH hành dạng Microkernel cài đặt tập hợp hàm (primitive) cho phép tạo khối cho hầu hết chiến lược Các định chiến lược phải xác lập cho tất vấn đề cấp phát tài nguyên (resource allocation) định thời (scheduling) Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.38 Cài đặt HĐH (3) Cài đặt hệ thống Thay viết hợp ngữ theo truyền thống, ngày HĐH viết ngơn ngữ lập trình cấp cao Mã lệnh viết ngơn ngữ cấp cao: • Có thể viết nhanh • Gói gọn • Dễ hiểu sửa lỗi Một HĐH chuyển đổi (sang hệ thống phần cứng khác) dễ dàng nhiều viết ngơn ngữ lập trình cấp cao Nguyễn Hồng Việt – Khoa Công Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.39 Tạo môi trường hệ thống (SYSGEN – System Generation) HĐH thiết kế để chạy dạng máy • Hệ thống phải cấu hình cho dạng máy tính cụ thể - q trình gọi SYSGEN (System Generation) SYSGEN nhận thông tin cấu hình cụ thể phần cứng hệ thống tùy chọn cụ thể HĐH • CPU, nhớ, thiết bị • HĐH làm cho tương hợp cách tái biên dịch Booting: khởi động máy tính cách nạp kernel • Chương trình Bootstrap: mã lệnh trữ RAM Nó định vị kernel, nạp vào nhớ cho thực thi Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.40 ...Chương 2: Cấu trúc hệ điều hành Các thành phần hệ điều hành Các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp Lời gọi hệ thống Các chương trình hệ thống Cấu trúc hệ điều hành Cài đặt hệ điều hành... Cấu trúc phân tầng MS-DOS Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thông Tin ĐHCT (2007) 2.26 Cấu trúc HĐH (3) Cấu trúc hệ thống UNIX UNIX – bị giới hạn chức phần cứng, HĐH UNIX khởi thủy có cấu trúc. .. Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.27 Cấu trúc HĐH (4) Cấu trúc hệ thống UNIX Nguyễn Hồng Việt – Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin ĐHCT (2007) 2.28 Cấu trúc HĐH - Vi nhân (1) (Microkernel)