bài giảng hệ điều hành •Chương 1: Tổng quan•Chương 2: Quản lý tiến trình•Chương 3: Deadlock•Chương 4: Quản lý bộ nhớ•Chương 5: Hệ thống file•Chương 6: Quản lý nhập xuấtHệ Điều Hành (Operating Systems) là một thành phần không thể thiếu trong một hệ thống máy tính. Một máy tính mặc dù đắt tiền, cấu hình cao nhưng nếu không có hệ điều hành thì hầu như không thể sử dụng được. Hệ điều hành điều khiển mọi hoạt động của máy tính, giúp việc sử dụng máy tính trở nên đơn giản, dễ dàng và hiệu qủa hơn rất nhiều. Do vậy môn học Hệ điều hành là môn học quan trọng và rất cần thiết trong chương trình đào tạo chuyên nghành tin học ở hệ cao đẳng và kỹ sư.Giáo trình Hệ điều hành được biên soạn theo chương trình đào tạo chuyên nghành tin học ở hệ cao đẳng và kỹ sư của Bộ giáo dục và đào tạo. Giáo trình được chia thành 6 chương, chương 1,2 , 3,4 do giảng viên Ninh Xuân Hải biên soạn, chương 5,6 do giảng viên Huỳnh Trọng Thưa biên soạn. Tuy rằng chúng tôi đã có nhiều cố gắng trong công tác biên soạn nhưng chắc chắn giáo trình vẫn còn nhiều thiếu sót, nên rất mong được bạn đọc cũng như các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để giáo trình ngày càng hoàn thiện, nhằm mục đích phục vụ tốt hơn cho việc dạy và học tin học đang ngày càng phát triển ở nước ta.
17/10/2021 HỆ ĐIỀU HÀNH NỘI DUNG •Chương 1: Tổng quan •Chương 2: Quản lý tiến trình •Chương 3: Deadlock •Chương 4: Quản lý nhớ •Chương 5: Hệ thống file •Chương 6: Quản lý nhập xuất 17/10/2021 Tài liệu tham khảo •[1] Andrew S Tanenbaum, Modern Operating Systems, Pearson, 2015 •[2] Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Operating System Concepts, John Wiley, 2013 •[3] William Stallings,Operating Systems: Internals and Design Principles, Pearson, 2015 Chương Tổng quan www.cunghoclaptrinh.com 17/10/2021 Nội dung •Tổng quan hệ thống máy tính •Tổng quan hệ điều hành Tài liệu tham khảo •Andrew S Tanenbaum, Modern Operating Systems, Pearson, 2015 • Chương •Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Operating System Concepts, John Wiley, 2013 • Chương 1,2 17/10/2021 Tổng quan hệ thống máy tính •Một hệ thống máy tính gồm có • Phần cứng • Hệ điều hành • Các chương trình ứng dụng • Người sử dụng Tổng quan hệ thống máy tính (tt) •Bốn thành phần hệ thống máy tính compliler text editor database Operating System Hardware 17/10/2021 Tổng quan hệ thống máy tính (tt) •Phần cứng: cung cấp tài ngun tính toán bản: CPU, nhớ, thiết bị nhập xuất •Hệ điều hành: điều khiển phối hợp việc sử dụng phần cứng cho ứng dụng khác người dùng khác •Chương trình ứng dụng: chương trình dịch, hệ sở liệu, game,… sử dụng tài nguyên máy tính để giải yêu cầu người sử dụng Tổng quan Hệ điều hành •Khái niệm hệ điều hành •Các chức •Lịch sử phát triển hệ điều hành •Phân loại hệ điều hành 10 17/10/2021 2.1 Khái niệm Hệ diều hành •Hệ điều hành chương trình/hệ chương trình hoạt động người sử dụng (user) phần cứng máy tính •Mục tiêu HĐH: • Làm cho máy tính dễ sử dụng hiệu • Quản lý cấp phát tài nguyên hệ thống cách có hiệu 11 Khái niệm Hệ diều hành (tt) •Bản chất Hệ điều hành: • HĐH máy tính mở rộng • HĐH cung cấp khả trừu tượng hóa giúp thao tác người dùng dễ dàng mà không cần quan tâm đến kiến trúc phức tạp phần cứng • HĐH hệ thống quản lý tài ngun • HĐH phải có chức quản lý, cấp phát tài ngun để chương trình hoạt động xác hiệu Ví dụ: máy in 12 17/10/2021 2.2 Các chức HĐH •Cung cấp mơi trường để người sử dụng thực thi chương trình •Điều khiển phối hợp việc sử dụng phần cứng •Cung cấp dịch vụ cho ứng dụng •Phân chia thời gian xử lý, định thời CPU •Phối hợp đồng hoạt động tiến trình •Quản lý tài nguyên hệ thống (bộ nhớ, file,…) •Kiểm soát lỗi, bảo vệ 13 2.3 Phân loại hệ điều hành Hệ điều hành dành cho máy MainFrame (MainFrame OS) Hệ điều hành dành cho máy Server (Server OS) Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU (Multiprocessor OS) Hệ điều hành dành cho máy tính cá nhân (PC) Hệ điều hành dành cho thiết bị cầm tay (Handheld Computer OS) Hệ điều hành nhúng (Embedded OS) Hệ điều hành dành cho nút cảm biến (Sensor-Node OS) Hệ điều hành đáp ứng thời gian thực (Real-Time OS) Hệ điều hành dành cho thẻ chíp (SmartCard OS) 14 17/10/2021 2.3.1 Hệ điều hành dành cho máy MainFrame •HĐH dành cho máy tính lớn, tốc độ cao, thường dùng trung tâm liệu lớn cơng ty •Số lượng I/O lớn, đến hàng ngàn đĩa hàng triệu gigabyte liệu •Thường dùng làm máy chủ Web với quy mơ lớn •Xử lý nhiều công việc lúc, cung cấp ba loại dịch vụ: • Xử lý hàng loạt: xử lý tác vụ thường ngày mà khơng có tương tác với người dùng • Xử lý giao dịch: xử lý hàng nghìn u cầu nhỏ giây • Chia sẻ thời gian: cho phép nhiều người dùng từ xa thực thi máy tính thời điểm ( truy vấn sở liệu lớn) 15 2.3.2 Hệ điều hành dành cho máy Server •HĐH dùng cho máy chủ cung cấp dịch vụ qua mạng (truy cập tài ngun, sử dụng dịch vụ, ) •Máy tính sử dụng HĐH phải có cấu hình phần cứng tốc độ xử lý cao •Các hệ điều hành server phổ biến Solaris, FreeBSD, Linux Windows Server 20xx 16 17/10/2021 2.3.3 Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU •Dùng cho hệ thống có nhiều CPU •Các CPU chia sẻ hệ thống đường truyền liệu, đồng hồ, nhớ, thiết bị ngoại vi •Ưu điểm: • Nhiều xử lý song song nhanh • Độ tin cậy cao: • Các chức xử lý nhiều xử lý • Một xử lý hỏng không ảnh hưởng đến toàn hệ thống 17 2.3.4 Hệ điều hành dành cho máy tính cá nhân •Hỗ trợ đa chương trình •Được xây dựng đáp ứng cho nhu cầu sử dụng người dùng cá nhân: xử lý văn bản, bảng tính, trị chơi, truy cập Internet, •Các HĐH phổ biến: • Linux: Ubuntu, Fedora, Debian, • Windows 7, 8, 10 • Apple’s OS 18 17/10/2021 2.3.5 Hệ điều hành dành cho thiết bị cầm tay •HĐH dùng cho PDA (Personal Digital Assistant) • Máy tính bảng • Điện thoại thơng minh •Hầu hết thiết bị đầu có CPU đa lõi, hỗ trợ chức cảm biến, định vị (GPS), kết nối không dây, máy ảnh nhiều ứng dụng bên thứ ba •Các HĐH phổ biến: • Android Google • iOS Apple 19 2.3.6 Hệ điều hành nhúng •HĐH chạy thiết bị điều khiển • Lị vi sóng • Tivi • Ơ tơ • Các thiết bị điều khiển thơng minh khác •Các phần mềm cài đặt sẵn ROM người dùng tải cài đặt phần mềm HĐH •Khơng cần bảo vệ ứng dụng đơn giản hóa thiết kế •Phổ biến: • Embedded Linux • QNX • VxWorks 20 10 17/10/2021 Mục tiêu phần mềm nhập xuất (tt) •Chuyển đổi cách nhập/xuất liệu dạng bất đồng thành dạng đồng bộ: • Ở cấp vật lý: lần cần đọc sector đĩa, CPU xuất lệnh đọc controller, chờ ngắt có liệu, đọc khối liệu vào nhớ • Ở cấp ứng dụng: nên cung cấp hàm chức năng, ứng dụng gọi hàm trả kết ứng dụng có liệu để xử lý tiếp •Sử dụng đệm liệu nhập/xuất: • Dữ liệu từ thiết bị I/O đưa vào máy tính cần cache lại để cung cấp cho ứng dụng có u cầu •Thiết bị dùng chung (shared) • Tại thời điểm phục vụ cho nhiều ứng dụng đồng thời •Thiết bị dùng riêng (delicated): • Chỉ phục vụ ứng dụng thời điểm 397 6.2.2 Lập trình nhập/xuất •Ví dụ: 398 199 17/10/2021 Lập trình nhập/xuất (tt) •Nhận xét: • Đơn giản • Do CPU thực hồn toàn chiếm dụng CPU toàn thời gian tất I/O hồn thành • Khơng hiệu hệ thống phức tạp 399 Dùng chế ngắt •Để tận dụng CPU, I/O làm việc, CPU điều phối chuyển sang công việc khác chế ngắt •Ví dụ: ghi chuỗi lên máy in • (a) Code executed at the time the print system call is made • (b) Interrupt service procedure for the printer 400 200 17/10/2021 Dùng kỹ thuật DMA (DMA) •Ngắt lãng phí lượng thời gian CPU sử dụng DMA •Ý tưởng để điều khiển DMA nạp ký tự vào máy in lúc mà không cần CPU •DMA lập trình I/O để thực tất cơng việc thay cho CPU •u cầu phần cứng đặc biệt (bộ điều khiển DMA) giải phóng CPU tiến trình I/O để thực cơng việc khác 401 Dùng kỹ thuật DMA (DMA) •Ví dụ: in chuỗi dùng DMA • (a) Code executed when the print system call is made • (b) Interrupt-service procedure 402 201 17/10/2021 6.4 Đĩa từ •Giới thiệu •Định dạng đĩa •Các thuật toán điều phối đĩa •Xử lý lỗi 403 6.4.1 Giới thiệu đĩa •Cấu trúc đĩa 404 202 17/10/2021 Giới thiệu đĩa (tt) •Đĩa vật lý khơng gian liệu chiều, gồm nhiều cylinder •Mỗi cylinder gồm nhiều track •Mỗi track chứa nhiều sector •Sector đơn vị truy xuất tin nhỏ cấp vật lý (từ ngồi ta khơng thể truy xuất byte liệu disk được) •Muốn truy xuất sector, cần xác định tọa độ chiều (C,H,S) →khó 405 Giới thiệu đĩa (tt) •Đĩa SLED (Single Large Expensive Disk): • Tốc độ truy xuất chậm • Độ tin cậy thấp • khắc phục kỹ thuật RAID (Hệ thống đĩa dự phòng Redundant Array of Inexpensive Disks) •RAID: • Kết nối dãy ổ cứng có chi phí thấp lại với để hình thành đĩa logic có dung lượng lớn • Ưu điểm RAID • Dự phịng • Hiệu cao • Giá thành thấp 406 203 17/10/2021 Đĩa cứng RAID •Dùng kỹ thuật striping: gộp nhiều sector thành strip, phân bổ nhiều đĩa đĩa luận lý sau: • phân bổ strip theo kiểu round-robin • Nếu cần truy xuất khối liệu dài n strip, controller RAID0 biết khối liệu n strip nằm n đĩa khác đĩa truy xuất strip • Dữ liệu truy xuất hợp lại/phân controller 407 Đĩa cứng RAID (tt) •Ưu điểm: • Tăng tốc độ truy xuất lên n lần • Tăng hiệu lưu trữ • Khơng làm dung lượng liệu •Nhược điểm • Khơng có ổ dự phịng • Giảm độ tin cậy n lần 408 204 17/10/2021 Đĩa cứng RAID •Dùng kỹ thuật Master/Miror: nhân dự phịng •Mỗi đĩa có sẵn (master), cần thêm đĩa dự phịng (slave) •Ghi liệu: controller ghi liệu đồng thời lên master lẫn slave 409 Đĩa cứng RAID (tt) •Đọc liệu: controller yêu cầu master thực •Trường hợp master trục trặc, controller đổi vai trò master slave thực lại việc đọc liệu •Phục hồi: copy lại liệu •Ưu điểm: khả dự phòng liệu •Nhược điểm: • Sử dụng nhiều đĩa cứng hao phí • Khơng tăng hiệu suất thực thi • Tốn thời gian thay đổi ổ hoạt động có cố 410 205 17/10/2021 Đĩa cứng RAID •Để lưu 32 bit liệu, controller đổi 32 bit liệu thành mã sửa sai Hamming 39 bit, bit ghi lên đĩa khác •Tốc độ: tăng lên 32 lần so với SLED •Độ tin cậy: có lỗi disk, nhờ mã Hamming, controller tự sửa sai để xác định 32 bit liệu gốc 411 Đĩa cứng RAID •Tương tự RAID 0, dùng kỹ thuật stripping theo byte: chia file thành byte ghi đĩa •Sử dụng thêm đĩa chứa bit phát lỗi (parity) •Tốc độ truy xuất tập tin kích thước nhỏ nhanh •Độ tin cậy: có lỗi đĩa, nhờ bit parity phát lỗi + tín hiệu báo lỗi đĩa thứ i, controller tự sửa sai bit i để xác định 32 bit liệu gốc 412 206 17/10/2021 Đĩa cứng RAID •Dữ liệu ghi n đĩa + đĩa chứa bit phát lỗi (parity) •Độ tin cậy: có lỗi đĩa, nhờ bit parity phát lỗi + tín hiệu báo lỗi đĩa thứ i 413 Đĩa cứng RAID •Sử dụng kỹ thuật stripping theo Block phân chia thông tin “parity” (chẵn lẻ) •Cần đĩa •Dữ liệu ghi vào n đĩa + đĩa ghi bit parity dự phòng theo kiểu luân phiên 414 207 17/10/2021 Đĩa cứng RAID •Phát triển từ RAID •Cần đĩa •Dữ liệu ghi vào n đĩa + đĩa ghi bit parity dự phòng chẵn/lẻ độc lập với theo kiểu luân phiên 415 6.4.2 Định dạng đĩa •Trước đĩa sử dụng, mặt đĩa phải nhận định dạng cấp thấp phần mềm thực •Đĩa định dạng tạo thành hàng loạt track, track chứa sector •Mội sector bao gồm trường: • Preamble: bắt đầu với số bit định dùng để xác định vị trí bắt đầu sector, cylinder number, sector number thơng tin khác • Data: liệu, kích thước xác định chương trình định dạng cấp thấp, thường 512 byte • ECC: chứa thơng tin sử dụng để khơi phục lỗi, kích thước nội dung trường phụ thuộc vào nhà sản xuất 416 208 17/10/2021 Định dạng đĩa (tt) •Sau định dạng mức thấp, dung lượng đĩa bị giảm, thườngthấp 20% so với dung lượng chưa định dạng 417 6.4.3 Các thuật tốn điều phối đĩa •Tốc độ đọc/ghi đĩa phụ thuộc ba yếu tố: • Seek time: thời gian di chuyển đầu đọc tới track hay cylinder thích hợp • Rotational delay (rotational latency): thời gian quay đĩa đến sector cần đọc • Actual data transfer time: thời gian truyền liệu thực tế Seek Rotational Delay Data Transfer 209 17/10/2021 Các thuật toán điều phối đĩa (tt) •Các thuật toán điều phối đĩa dung để xác định thứ tự di chuyển track đĩa cách tối ưu •Các thuật tốn điển hình: • FCFS (First-Come, First-Served) • SSF (Shortest seek first) • SCAN (Elevator algorithm) • C-SCAN (One-way elevator) •… First in, First out (FIFO) •Di chuyển theo thứ tự truy xuất, lần nhận thao tác riêng lẻ •Ví dụ: truy xuất 1, 36, 16, 34, 9, 12 vị trí Cylinder 11 (Di chuyển trung bình = 111/6 = 18.5 cylinders) 10 11 12 20 16 30 40 34 36 210 17/10/2021 Shortest Seek First (SSF/SSTF) •Truy xuất có di chuyển thực trước •Ví dụ: 1, 36, 16, 34, 9, 12 vị trí Cylinder 11 : Di chuyển trung bình = 61/6 = 10.2 cylinders 10 11 12 20 30 16 40 34 36 SCAN (Elevator Algorithm) •Đầu đọc di chuyển từ phía Khi đến cylinder cuối yêu cầu phía đó, quay lại •Trong quay về, truy xuất cylinder u cầu •Ví dụ: truy xuất 1, 36, 16, 34, 9, 12 vị trí Cylinder 11 (Di chuyển trung bình = 60/6 = 10 cylinders) • 11, 12, 16, 34, 36 end, 9, 10 11 12 20 16 30 40 34 36 422 211 17/10/2021 C-SCAN (Circular SCAN - One-way Elevator) •Giống SCAN truy xuất cylinder theo chiều •Khi đến cylinder cuối cùng, đầu đọc quay vị trí bắt đầu Trong quay về, không phục vụ yêu cầu (1 chiều) •Ví dụ: truy xuất 1, 36, 16, 34, 9, 12 vị trí Cylinder 11 (Di chuyển trung bình = 78/6 = 13 cylinders) • 11, 12, 16, 34, 36, 40 end, 0, 1, 10 20 11 12 30 16 40 34 36 LOOK •Kết hợp SCAN C-SCAN •Quét phía, đến cylinder cuối yêu cầu phía quay lại, phục vụ u cầu đường (khơng đụng hai biên) Ngồi ra, cịn có C-LOOK •Ví dụ: truy xuất 1, 36, 16, 34, 9, 12 vị trí Cylinder 11 (Di chuyển trung bình = 68/6 = 11.3 cylinders) • 11, 12, 16, 34, 36 , 9, 10 11 12 20 16 30 40 34 36 424 212 17/10/2021 6.4.4 Quản lý lỗi (Error Handling) •Lỗi thường dạng: tạm thời âu dài •I/O Subsystem phục hồi hiệu lỗi tạm thời •Khi yêu cầu nhập xuất xảy lỗi trả mã lỗi (a)A disk track with a bad sector (b)Substituting a spare for thebad sector (c)Shifting all the sectors to bypass the bad one 425 213 ... Các hệ điều hành tựa Unix phát triển mạnh nhiều hệ máy khác Personal Computer Linux • Hệ điều hành mạng • Hệ điều hành phân tán 27 Lịch sử phát triển hệ điều hành •Thế hệ (từ 1990) • Hệ điều hành. .. Phân loại hệ điều hành Hệ điều hành dành cho máy MainFrame (MainFrame OS) Hệ điều hành dành cho máy Server (Server OS) Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU (Multiprocessor OS) Hệ điều hành dành... dịch, hệ sở liệu, game,… sử dụng tài nguyên máy tính để giải yêu cầu người sử dụng Tổng quan Hệ điều hành •Khái niệm hệ điều hành •Các chức •Lịch sử phát triển hệ điều hành •Phân loại hệ điều hành