Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành (Nghề: Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính - Cao đẳng) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

(NB) Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về hệ điều hành để làm nền tản cho việc lập trình giải quyết các vấn đề cần thiết, tối ưu hóa hệ thống máy tính.

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ -š› & š› - GIÁO TRÌNH MƠN HỌC : NGUN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA LẮP RÁP MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 248b/QĐ-CĐNKTCN ngày 17 tháng năm 2019 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ Hà Nội, năm 2021 (Lưu hành nội bộ) 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: MHSCMT 16 LỜI GIỚI THIỆU Trong hệ thống kiến thức chuyên ngành trang bị cho sinh viên nghề Quản trị mạng máy tính, mơn học Ngun 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 23 tháng 04 năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên Cù Ngọc Quỳnh giảng viên khoa CNTT Tập thể Giảng viên Khoa CNTT Mọi thơng tin đóng góp chia sẻ xin gửi hòm thư tienphungktcn@gmail.com, liên hệ số điện thoại 0913393834-0983393834 MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Khái niệm hệ điều hành 1.1 Tài nguyên hệ thống 1.2 Khái niệm hệ điều hành 10 Phân loại hệ điều hành 11 2.1 Các thành phần hệ điều hành 11 2.2 Phân loại hệ điều hành 12 2.3 Tính chất hệ điều hành 14 2.4 Phân lớp chương trình thành phần điều khiển 15 2.5 Chức hệ điều hành 16 2.6 Nhân hệ điều hành, tải hệ điều hành 19 Sơ lược lịch sử phát triển HĐH 20 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 22 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỮ LIỆU 23 Các phương pháp tổ chức truy nhập liệu 23 1.1 Các phương pháp tổ chức liệu 23 1.2 Các phương pháp truy nhập liệu 25 1.3 Chức hệ thống điều khiển liệu 26 Bản ghi khối 27 2.1 Bản ghi lôgic ghi vật lý 27 2.2 Kết khối tách khối 28 Quy trình điều khiển chung vào 30 3.1 Các khối điều khiển liệu 30 3.2 Ví dụ sơ đồ chung điều khiển vào hệ điều hành 30 Tổ chức lưu trữ liệu nhớ 31 4.1.Các khái niệm 31 4.2.Các phương pháp quản lý không gian tự 32 4.3.Các phương pháp cấp phát không gian tự 34 4.4.Lập lịch cho đĩa 37 4.5.Hệ file 37 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 38 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ NHỚ 39 Quản lý bảo vệ nhớ 39 1.1 Một số khái niệm liên quan đến nhớ 39 1.2 Quản lý phân phối nhớ Vấn đề bảo vệ nhớ 40 Điều khiển nhớ liên tục theo đa toán 41 2.1 Chiến lược giới hạn tĩnh (cận cố định) 41 2.2 Chiến lược giới hạn động (cận thay đổi) 43 2.3 Cách thức Overlay swapping 44 2.4 Các phương thức phân phối vùng nhớ (first fit, best fit, worst fit) 47 Điều khiển nhớ gián đoạn 47 3.1 Tổ chức gián đoạn 47 3.2 Phân đoạn 49 3.3 Phân trang 53 3.4 Kết hợp phân đoạn phân trang 56 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 58 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CPU, ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 59 Các khái niệm 59 1.1.Khái niệm trình 59 1.2 Quan hệ trình 60 Trạng thái trình 60 2.1.Sơ đồ không gian trạng thái (SNAIL) 60 2.2 Một số khối điều khiển trình 61 Điều phối trình 63 3.1 Nguyên tắc chung 63 3.2 Các trình lập lịch (long term, short term) 63 Các thuật toán lập lịch 63 4.1 First Come First Served (FCFS) 63 4.2 Shortest Job First (SJF) 64 4.3 Shortest Remain Time (SRT) 65 4.4 Round Robin (RR) 66 4.5 Multi Level Queue (MLQ) 67 4.6 Multi Level Feedback Queues (MLFQ) 67 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 69 CHƯƠNG 5: HỆ ĐIỀU HÀNH ĐA XỬ LÝ 70 Hệ điều hành đa xử lý tập trung 70 1.1 Hệ thống đa xử lý 70 1.2 Hệ điều hành đa xử lý tập trung 72 Hệ điều hành đa xử lý phân tán 72 2.1 Giới thiệu hệ phân tán 72 2.2 Đặc điểm hệ phân tán 73 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Ngun lý hệ điều hành Mã mơn học: MHSCMT 16 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, mô đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: Là mơn học sở - Ý nghĩa vai trị: Đây môn 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: - Về kiến thức: + 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; - Về kỹ năng: + giải vấn đề phát sinh hệ điều hành - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an tồn cho người phương tiện học tập Nội dung môn học: Thời gian Số TT I Tên chương, mục Tổng số Tổng quan hệ điều hành Kiểm Lý Thực hành tra* (LT thuyết TH) 2 10 1.Khái niệm hệ điều hành 2.Phân loại hệ điều hành 3.Sơ lược lịch sử phát triển HĐH II Điều khiển liệu 1.Các phương pháp tổ chức truy nhập liệu 2.Bản ghi khối 3.Quy trình chung điều khiển vào – 4.Tổ chức lưu trữ liệu nhớ III Điều khiển nhớ 13 13 45 30 13 1.Quản lý bảo vệ nhớ 2.Điều khiển nhớ liên tục theo đa toán 3.Điều khiển nhớ gián đoạn IV Điều khiển CPU, Điều khiển trình 1.Các khái niệm 2.Trạng thái trình 3.Điều phối trình 4.Các thuật tốn lập lịch V Hệ điều hành đa xử lý 1.Hệ điều hành đa xử lý tập trung 2.Hệ điều hành đa xử lý phân tán Cộng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Mã chương: MHSCMT 16.01 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 tồn với máy tính Nội dung chính: 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) Trước hết xem xét đặc trưng liên quan đến CPU Việc đánh giá tài nguyên CPU dựa đặc trưng này: tốc độ xử lý, độ dài từ máy, phương pháp thiết kế hệ lệnh máy CPU Tốc độ xử lý thông số thể mức độ làm việc nhanh chậm CPU dựa đơn vị biểu diễn tốc độ Tốc độ xử lý CPU thường tính theo tần số đồng hồ nhịp (với đơn vị MHz-triệu nhịp giây) xem xét tần số đồng hồ nhịp số lượng phép tính thực giây (với đơn vị MIPS – Million Instruction Per Second – triệu phép tính giây) xem xét theo tốc độ thực phép tính (phép cộng tĩnh – không dấu CPU thường coi phép tính CPU đó) Thơng thường, đơn vị đo MHz dùng cho CPU cụ thể máy vi tính cịn đơn vị đo MIPS dùng cho hệ thống CPU máy tính lớn Độ dài từ máy: Từ máy lượng thông tin đồng thời mà CPU xử lý nhịp làm việc Độ dài từ máy số lượng bit nhị phân toán hạng đối số phép tính CPU Trong thời gian gần đây, quen thuộc với CPU bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit,… số lượng bit nói độ dài từ máy Độ dài từ máy có quan hệ với tốc độ xử lý Khi nói đến lực hoạt động (tốc độ xử lý thông tin) thực CPU mà nói đến tốc độ xử lý mà khơng nói kèm theo độ dài từ máy chưa hồn tồn đầy đủ Điều diễn giải theo phát biểu sau “năng lực hoạt động thực củaCPU đánh giá thông qua tốc độ xử lý độ dài từ máy” · Bộ nhớ (Operative Memory-OM) có số đặc trưng tiêu biểu sau: Dung lượng nhớ: Khả đồng thời lưu trữ thông tin nhớ Hiện dung lượng nhớ từ vài MB đến vài GB Đặc trưng nhớ phù hợp với nguyên lý thứ hai theo Von Neumann là: Bộ nhớ địa hóa để truy nhập Đa số máy tính địa hóa theo byte số trường hợp lại địa hóa theo từ máy Địa nhớ địa Lý việc chọn địa liên quan đến tính chia hết, số chia hết cho số Khi phân phối nhớ cho đối tượng, nhiều trường hợp, địa vùng nhớ đối tượng phải chia hết cho độ dài vùng nhớ dành cho đối tượng chia hết cho số (ví dụ, phân phối cho chương trình MS-DOS bắt đầu địa đoạn địa chia hết cho 16) Một đặc trưng (hay yêu cầu) mang tính chất nhớ là: Thời gian truy cập nhớ tới địa nhớ phải đồng nhất; khơng thể có khác biệt thời gian truy cập tới địa cao với thời gian truy cập tới địa thấp Từ đặc trưng dẫn đến việc đặt yêu cầu phải tổ chức nhớ theo khối phân cấp để cục dần việc cục dần làm cho việc truy nhập cân Nguồn gốc yêu cầu liên quan đến tính xác định thuật tốn, hay nói cách khác đi, yêu cầu nhằm mục tiêu đảm bảo độ tin cậy hệ thống máy tính Chúng ta thường thấy nhớ cấu trúc từ “ nhớ”, nhớ lại phân nhỏ việc truy nhập nhớ theo cách phân cấp dần theo thanh, lại theo phận nhỏ có v.v… truy nhập phần nhỏ có sai khác thời gian không đáng kể Để tăng tốc độ truy nhập CPU nhớ trong, người ta thường gắn CPU với nhớ tạm thời CPU (được gọi nhớ cache CPU) Bộ nhớ cache thiết bị nhớ đặc biệt với tốc độ truy cập CPU tới cache cao nhiều so với tốc độ truy cập vào nhớ Trong cache chứa phần nội dung nhớ thường phần nhớ thời (chương trình liệu) CPU hướng tới Quá trình hướng truy nhập nhớ (theo địa chỉ) CPU việc hướng tới cache, cache chứa phần nhớ việc hướng địa kết thúc thực công việc, ngược lại thực việc hướng tới nhớ theo quy tắc thơng thường Chương trình chạy chương trình liệu tương ứng chương trình phải có mặt nhớ (chính xác cần phận thời chương trình liệu liên quan đến phận nằm nhớ trong) Cách thức sử dụng nhớ đóng vai trị quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng hoạt động hệ thống vậy, tốn điều khiển nhớ có độ ưu tiên cao sau toán điều khiển CPU · Hệ thống ngoại vi Hệ thống ngoại vi đảm bảo việc chuyển đổi thơng tin mơi trường ngồi khu vực trung tâm Có phân cấp hệ thống ngoại vi: gần khu vực trung tâm kênh, sau thiết bị điều khiển thiết bị ngoại vi thiết bị ngoại vi 1.2 Khái niệm hệ điều hành Hệ thống máy tính hệ thống kết hợp thiết bị phần cứng vấn đề điều khiển phân phối cơng việc tồn hệ thống Để giải tốn này, khơng thể dùng phương pháp thủ cơng mà cần có chế tự động hóa, tức cần có chương trình điều khiển hoạt động hệ thống máy tính Chương trình gọi hệ điều hành, thành phần quan trọng hệ thống máy tính -Xét phía người sử dụng hệ điều hành cần phải tạo môi trường giao diện người sử dụng máy tính.Thơng qua mơi trường cho phép người sử dụng đưa lệnh, thị điều khiển hoạt động máy tính 10 Hình 4.1 Sơ đồ khơng gian trạng thái SNAIL Tại thời điểm bắt đầu xử lý, q trình thực lệnh (nó phân phối CPU) Quá trình nằm trạng thái sử dụng (hay trạng thái thực hiện-running), chiếm hữu CPU thực Q trình để tới trạng thái sử dụng trạng thái chuẩn bị (chuẩn bị sử dụng, gọi trạng thái sẵn sàng-ready) Các trình trạng thái chuẩn bị coi cung cấp đầy đủ nhu cầu khác: nhớ tài nguyên khác để thực chờ đợi tài nguyên CPU Khi q trình trạng thái sử dụng địi hỏi tài ngun khác CPU, rơi vào trạng thái chờ đợi (còn gọi trạng thái kết khối) kết khối (chờ đợi tài nguyên); chưa thể rơi vào trạng thái chuẩn bị tài ngun cần thiết chưa có Sự thiếu vắng kể đến: vắng segment hay trang, thao tác vào/ra, trình phát sinh bao gồm nhận tín hiệu terminal truyền tin 2.2 Một số khối điều khiển trình Để chuyển trạng thái trình, hệ thống cần quản lý số thơng tin nó: mơ tả q trình Mơ tả trình trạng thái khác theo 61 phương pháp khác Thông thường người ta sử dụng dịng xếp hàng cho mơ tả đó, gọi tên hàng đợi dù trường hợp chung không hoạt động theo nguyên tắc dòng xếp hàng (FIFO) Trong số hệ điều hành, q trình có khối điều khiển q trình (Process control Block-viết tắt PCB) cịn số hệ điều hành khác, khối tương ứng gọi khối điều khiển toán (Task Control Block-TCB) gắn với q trình đó, phần tử dịng xếp hàng nói Nội dung PCB (hay TCB) gồm tồn hay phận thơng tin nêu đây: -Tên số trình; -Độ ưu tiên trình; -Trạng thái trình: chờ đợi (kết khối), sẵn sàng (chuẩn bị) hay sử dụng (thực hiện); -Thông tin thời gian; -Trạng thái phần cứng (các ghi cờ) -Thơng tin lập lịch tình trạng sử dụng (ví dụ thời gian dự kiến trình thực v.v…); -Thơng tin quản lý nhớ (thanh ghi, bảng v v) -Tình trạng vào – (thiết bị, thao tác.v.v…) -Thông tin quản lý File; -Thông tin thống kê (chẳng hạn thời gian trình thực nhớ trong…) Các PCB (TCB) q trình tồn máy tính liên kết hay số dòng xếp hàng để điều phối CPU sử dụng để chọn trình để phân phối CPU Chức điều khiển CPU (điều phối CPU cho trình): -Phân phối phân phối lại xử lý thực; -Tách xử lý ảo (khơng có phân phối lại) Chức điều phối chính: thành phần điều phối q trình có tên điều phối Chức điều phối lên phương án (chọn công việc) Với công việc chọn, điều phối tạo q trình gói đưa vào trạng thái chuẩn bị Điều phối thực chức liên quan đến hoàn thiện q trình (xem hình trên: giai đoạn từ dịng xếp hàng vào tới trạng thái chuẩn bị (được gọi giai đoạn phát sinh khởi tạo trình) giai đoạn từ trạng thái sử dụng dòng xếp hàng (được gọi giai đoạn kết thúc – hồn thiện) điều phối đảm nhận) Như vậy, chức điều phối chính: điều phối đảm bảo việc điều phối trình mức độ chung cịn chuyển trạng thái q trình chương trình có tên điều phối supervisor hay monitor Người ta sử dụng số thuật ngữ khác -Nếu sử dụng khởi tạo kết thúc giải phóng xử lý ảo 62 -Điều phối mức cho việc giải phóng xử lý ảo điều phối mức cho giải phóng xử lý thực Một đặc điểm phân biệt hai điều phối: với cơng việc, điều phối thực lần điều phối thực nhiều lần Điều phối trình Mục tiêu : Nắm nguyên lý điều phối trình thực CPU, tối ưu hóa sử dụng tài nguyên CPU 3.1 Nguyên tắc chung Điều phối chọn q trình có mặt hàng đợi, trạng thái sẵn sàng có độ ưu tiên cao Tồn nhiều quan điểm liên quan đến việc xác định độ ưu tiên, chẳng hạn: thời điểm tạo q trình, thời điểm xuất cơng việc, thời gian phục vụ, thời gian dành cho phục vụ, thời gian trung bình trình chưa phục vụ v.v… Các yếu tố tính tốn, đánh giá theo phương pháp khác tồn nhiều nguyên tắc điều phối khác Tiêu chuẩn chọn cách thức điều phối CPU là: cần ý tới việc ảnh hưởng tới thời gian chờ đợi xử lý, tức thời gian chi phí q trình trạng thái chuẩn bị tới trạng thái sử dụng Đối với người dùng, kiểu chờ đợi sau trình hệ thống khơng phân biệt: -Thời gian trạng thái chuẩn bị; -Thời gian trạng thái kết khối; -Thời gian trình đầu vào chờ đợi tài nguyên Như nói, có nhiều nguyên lý để điều phối; xem xét nguyên lý chung phổ biến khảo sát chiến lược để cài đặt nguyên lý 3.2 Các trình lập lịch (long term, short term) Định thời biểu dài (long-term scheduling) (hay định thời biểu công việc) chọn trình phép cạnh tranh CPU Thông thường, định thời biểu dài bị ảnh hưởng nặng nề việc xem xét cấp phát tài nguyên, đặc biệt quản lý nhớ Định thời ngắn (short-term scheduling) chọn lựa trình từ hàng đợi sẵn sàng Các thuật toán lập lịch Mục tiêu:Nắm giải pháp lập lịch mà hệ điều hành thực nhằm điều phối trình thực CPU 4.1 First Come First Served (FCFS) Tiến trình có u cầu sử dụng CPU trước thực trước Ưu điểm thuật thoán đơn giản Nhược điểm la hiệu thuật toán phụ thuộc vào thứ tự tiến trình hàng đợi 63 Hình 4.2 hàng đợi FCFS Giả sử có tiến trình P1 , P2 , P3 với thời gian thực tương ứng 24ms, 3ms, 6ms Giả sử ba tiến trình xếp hàng theo thứ tự P1, P2, P3 Thời gian chờ tiến trình là: P1chờ 0ms, P2 chờ 24ms, P3 chờ 27ms Thời gian chờ trung bình: (0+24+27)/3=17ms Thời gian chờ trung bình khơng đạt cực tiểu, biến đổi đáng kể giá trị thời gian yêu cầu xử lý thứ tự khác tiến trình danh sách sẵn sàng Có thể xảy tượng tích lũy thời gian chờ, tất tiến trình (có thể có u cầu thời gian ngắn) phải chờ đợi tiến trình có u cầu thời gian dài kết thúc xử lý Giải thuật đặc biệt không phù hợp với hệ phân chia thời gian, hệ này, cần cho phép tiến trình cấp phát CPU đặn khoảng thời gian 4.2 Shortest Job First (SJF) Nguyên tắc : Đây trường hợp đặc biệt giải thuật điều phối với độ ưu tiên Trong giải thuật này, độ ưu tiên p gán cho tiến trình nghịch đảo thời gian xử lý t mà tiến trình yêu cầu : p = 1/t Khi CPU tự do, cấp phát cho tiến trình u cầu thời gian để kết thúc- tiến trình ngắn Giải thuật độc quyền hay khơng độc quyền Sự chọn lựa xảy có tiến trình đưa vào danh sách sẵn sàng tiến trình khác xử lý Tiến trình sỡ hữu yêu cầu thời gian sử dụng CPU cho lần (CPU-burst) ngắn thời gian lại mà tiến trình hành cần xử lý Giải thuật SJF không độc quyền dừng hoạt động tiến trình hành, giải thuật độc quyền cho phép tiến trình hành tiếp tục xử lý Nếu hai tiến trình có thời gian sử dụng CPU, tiến trình đến trước đựơc yêu cầu CPU trước Ví dụ : Tiến trình Thời điểm vào RL Thời gian xử lý P1 P2 P3 P4 64 Sử dụng thuật giải SJF độc quyền, thứ tự cấp phát CPU sau: P1 P4 P3 P2 12 20 Sử dụng thuật giải SJF không độc quyền, thứ tự cấp phát CPU sau: P1 P4 P1 P3 P2 12 20 Thảo luận : Giải thuật cho phép đạt thời gian chờ trung bình cực tiểu Khó khăn thực giải thuật SJF biết thời gian yêu cầu chu kỳ CPU tiếp theo? Chỉ dự đoán giá trị theo cách tiếp cận sau : gọi tn độ dài thời gian xử lý lần thứ n, t n+1 giá trị dự đoán cho lần xử lý Với hy vọng giá trị dự đoán gần giống với giá trị trước đó, sử dụng cơng thức: t n+1 = a tn + (1-a )t n Trong công thức này,tn chứa đựng thông tin gần ; t n chứa đựng thơng tin q khứ tích lũy Tham số a ( độ ưu tiên 3) Tiến trình Thời RL P1 điểm vào Độ tiên 65 ưu Thời gian xử lý 24 P2 1 P3 2 Sử dụng thuật giải độc quyền, thứ tự cấp phát CPU sau : P1 P2 P3 ‘24 27 30 Sử dụng thuật giải không độc quyền, thứ tự cấp phát CPU sau : P1 P2 P3 P1 ‘1 30 Thảo luận : Tình trạng ‘đói CPU’ (starvation) vấn đề yếu giải thuật sử dụng độ ưu tiên Các giải thuật để tiến trình có độ ưu tiên thấp chờ đọi CPU vô hạn ! Để ngăn cản tiến trình có độ ưu tiên cao chiếm dụng CPU vô thời hạn, điều phối giảm dần độ ưu tiên tiến trình sau ngắt đồng hồ Nếu độ ưu tiên tiến trình giảm xuống thấp tiến trình có độ ưu tiên cao thứ nhì, xảy chuyển đổi quyền sử dụng CPU.Quá trình gọi ‘lão hóa’ tiến trình 4.4 Round Robin (RR) Nguyên tắc : Danh sách sẵn sàng xử lý danh sách vòng, điều phối cấp phát cho tiến trình danh sách khoảng thời gian tối đa sử dụng CPU cho trước gọi quantum Tiến trình đến trước cấp phát CPU trước Đây giải thuật điều phối khơng độc quyền : tiến trình sử dụng CPU đến hết thời gian quantum dành cho nó, hệ điều hành thu hồi CPU cấp cho tiến trình danh sách Nếu tiến trình bị khóa hay kết thúc trước sử dụng hết thời gian quantum, hệ điều hành cấp phát CPU cho tiến trình khác Khi tiến trình tiêu thụ hết thời gian CPU dành cho mà chưa hồn tất, tiến trình đưa trở lại vào cuối danh sách sẵn sàng để đợi cấp CPU lượt Ví dụ : Hình 4.3 Điều phối Round Robin Tiến trình Thời điểm vào Thời gian xử lý RL P1 24 P2 P3 66 Nếu sử dụng quantum milisecondes, thứ tự cấp phát CPU P1 P2 P3 P1 P1 P1 P1 P1 ‘4 10 14 18 22 26 30 Thời gian chờ đợi trung bình (0+6+3+5)/3 = 4.66 milisecondes Nếu có n tiến trình danh sách sẵn sàng sử dụng quantum q, tiến trình cấp phát CPU 1/n khoảng thời gian q Mỗi tiến trình khơng phải đợi (n-1)q đơn vị thời gian trước nhận CPU cho lượt Vấn đề đáng quan tâm giải thuật RR độ dài quantum Nếu thời lượng quantum bé phát sinh nhiều chuyển đổi tiến trình khiến cho việc sử dụng CPU hiệu Nhưng sử dụng quantum lớn làm tăng thời gian hồi đáp giảm khả tương tác hệ thống 4.5 Multi Level Queue (MLQ) Để phân lớp trình trạng thái chuẩn bị chọn lựa trình chuyển sang trạng thái sử dụng sử dụng thơng tin cho người tạo q trình thơng tin nhận việc điều phối trình Các thơng tin là: - Thơng tin có sẵn, cho trước; - Thời gian sử dụng thực tế; - Số nhu cầu vào-ra tiến hành… Với hệ thống tổ chức trang nhớ, tiện lợi sử dụng số dòng xếp hàng khác để phân biệt trình trạng thái đặt/tách trang với trình chờ đợi kết thúc vào/ra - Đầu tiên, CPU có q trình dịng đợi có độ ưu tiên cao Q trình hàng đợi có lượng tử thời gian: thời đoạn lượng tử thời gian khơng hồn thiện xếp vào cuối hàng đợi với độ ưu tiên sát (ngay địi hỏi thời gian trạng thái kết khối) Chỉ có q trình rơi vào dòng đợi với độ ưu tiên thấp hoạt động theo chế độ vòng hàng đợi khác hoạt động theo kiểu FCFS - Ý nghĩa lôgic điều phối kiểu chỗ trình địi hỏi thời gian lâu kết thúc muộn theo xác xuất Sự điều phối đa mức xem xét với liên kết ngược hiệu điều kiện tốc độ hoàn thiện trình giảm theo lượng thời gian phục vụ 4.6 Multi Level Feedback Queues (MLFQ) Nguyên tắc : Ý tưởng giải thuật phân lớp tiến trình tùy theo độ ưu tiên chúng để có cách thức điều phối thích hợp cho nhóm Danh sách sẵn sàng phân tách thành danh sách riêng biệt theo cấp độ ưu tiên, danh sách bao gồm tiến trình có độ ưu tiên áp dụng giải 67 thuật điều phối thích hợp để điều phối Ngồi ra, cịn có giải thuật điều phối nhóm, thường giải thuật giải thuật không độc quyền sử dụng độ ưu tiên cố định.Một tiến trình thuộc danh sách cấp ưu tiên i cấp phát CPU danh sách cấp ưu tiên lớn i trống Hình 4.4 Điều phối nhiều cấp ưu tiên Thơng thường, tiến trình gán vĩnh viễn với danh sách cấp ưu tiên i đưa vào hệ thống Các tiến trình khơng di chuyển danh sách Cách tổ chức làm giảm chi phí điều phối, lại thiếu linh động dẫn đến tình trạng ‘đói CPU’ cho tiến trình thuộc danh sách có độ ưu tiên thấp Do xây dựng giải thuật điều phối nhiều cấp ưu tiên xoay vòng Giải thuật chuyển dần tiến trình từ danh sách có độ ưu tiên cao xuống danh sách có độ ưu tiên thấp sau lần sử dụng CPU Cũng vậy, tiến trình chờ lâu danh sách có độ ưu tiên thấp chuyển dần lên danh sách có độ ưu tiên cao Khi xây dựng giải thuật điều phối nhiều cấp ưu tiên xoay vòng cần quyếtđịnh tham số : Số lượng cấp ưu tiên Giải thuật điều phối cho danh sách ứng với cấp ưu tiên Phương pháp xác định thời điểm di chuyển tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên cao Phương pháp xác định thời điểm di chuyển tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên thấp Phương pháp sử dụng để xác định tiến trình đưa vào hệ thống thuộc danh sách ứng với độ tiên Hình 4.5 Điều phối Multilevel Feedback 68 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Nêu khái niệm trình (tiến trình) Phân biệt q trình với chương trình Vẽ sơ đồ khơng gian trạng thái Nêu ý nghĩa trạng thái trình Thế lập lịch dài kỳ lập lịch ngắn kỳ 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 trình chiến lược FCFS, SJN, RR (với lượng tử thời gian 2) 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 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 69 CHƯƠNG 5: HỆ ĐIỀU HÀNH ĐA XỬ LÝ Mã chương: MHSCMT 16.05 Mục tiêu: Sau học xong học này, sinh viên có khả năng: - 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 Nội dung chính: Hệ điều hành đa xử lý tập trung Mục tiêu: Hiểu khái quát xu sử dụng hệ thống đa xử lý 1.1 Hệ thống đa xử lý a Hệ thống nhiều CPU Hiện nay, từ phát triển với tốc độ nhanh công 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 không CPU mà nhiều CPU 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: 70 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 không v.v… Một ví dụ dễ quen thuộc máy vi tính từ 80486 trở có hai CPU (80x86 80x87) hai CPU không 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 cơng việc Thơng thường có hệ chọn câu lệnh chung CPU thành phần thực hiện: siêu máy tính 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 toàn “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 71 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 ĐHKHTN-ĐHQGHN có hai xử lý) Các tài nguyên khác CPU phân chia cho CPU Trong hệ điều hành đa xử lý, hai toán lớn kể đến phân phối nhớ phân phối CPU a.Phân phối nhớ 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 tốn 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 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 dòng 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) 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 72 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 tốn 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 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 không 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 Hệ phân tán tập hợp máy tính ghép nối với đường truyền theo tiêu chuẩn qui định trước 73 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 74 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 75 ... 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... 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; - Về kỹ năng: + giải vấn đề phát sinh hệ điều hành - Về lực tự... dùng Chương trình ứng dụng Dịch vụ hệ thống Nhân Phần cứng máy tính Hình 1.2 Cấu trúc mức hệ thống máy tính · Tải hệ điều hành Hệ điều hành tự đặt máy tính Do hệ điều hành tập hợp chương trình cài