CHƢƠNG 2 TèM HIỂU KỸ CẤUTRÚC HỆĐIỀU HÀNH
2.3 CẤUTRÚC HỆĐIỀU HÀNH
2.3.2 Nhõn của hệđiều hành
Nhõn (kernel) là phần cốt lừi, là phần thực hiện cỏc chức năng cơ bản nhất, quan trọng nhất của hệ điều hành và thường xuyờn được giữ trong bộ nhớ.
Hệ điều hành là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều thành phần, nhiều chương trỡnh cấu thành. Vai trũ của những thành phần rất khỏc nhau. Cú những phần khụng thể thiếu, là cơ sở để cho toàn bộ hệ thống hoạt động, chẳng hạn như phần chịu trỏch nhiệm quản lý processor, quản lý bộ nhớ. Bờn cạnh đú, nhiều chương trỡnh thành phần của hệ điều hành cung cấp cỏc chức năng kộm quan trọng hơn. Cỏc chương trỡnh này cú thể cần cho một số người dựng nhất định trong một số cấu hỡnh nhất định, xong lại khụng cần cho người dựng khỏc trong cỏc trường hợp khỏc. Vớ dụ, một người sử dụng mỏy tớnh nghiệp dư sẽ khụng cần tới cỏc chương trỡnh dịch do hệ điều hành cung cấp. Hay một mỏy tớnh khụng nối mạng sẽ khụng bao giờ cần tới cỏc dịch vụ mạng của hệ điều hành.
Từ nhận xột trờn, thay vỡ tải toàn bộ hệ điều hành người ta chỉ chọn những thành phần quan trọng khụng thể thiếu được. Cỏc phần này tạo thành nhõn của hệ điều hành. Những phần cũn lại khụng thuộc vào nhõn cú thể được tải vào và chạy khi cần thiết.
Chế độ nhõn và chế độ ngƣời dựng. Thụng thường, nhõn của hệ điều hành được thực hiện
trong chế độ nhõn, hay cũn gọi là chế độ đặc quyền (privilege mode), chế độ hệ thống (system mode). Trong khi đú, cỏc chương trỡnh khỏc như cỏc trỡnh ứng dụng được thực hiện trong chế
độ người dựng (user mode), hay cũn gọi là chế độ bỡnh thường (normal mode). Mỏy tớnh hiện
đại thường được thiết kế với hai chế độ thực hiện chương trỡnh: chế độ nhõn và chế độ người
dựng. Chế độ nhõn là chế độ mà chương trỡnh thực hiện trong đú cú đầy đủ quyền truy cập và
điều khiển phần cứng mỏy tớnh, vớ dụ cú thể thay đổi nội dung tất cả cỏc thanh ghi của CPU, hay cú thể ghi vào bộ nhớ vật lý. Ngược lại, chương trỡnh thực hiện trong chế độ người dựng bị hạn chế rất nhiều quyền truy cập và điều khiển phần cứng. Việc quy định chế độ cụ thể phụ thuộc vào một bit đặc biệt trong một thanh ghi của CPU: nếu bit này cú giỏ trị bằng 0 thỡ chế độ là chế độ nhõn, giỏ trị bit bằng 1 tương ứng với chế độ bỡnh thường.
Việc phõn biệt chế độ nhõn và chế độ người dựng nhằm mục đớch ngăn khụng cho chương trỡnh ứng dụng vụ tỡnh hoặc cố ý thực hiện những thao tỏc làm ảnh hưởng tới hệ thống. Đõy là điều kiện cần thiết để hệ thống mỏy tớnh hoạt động ổn định và hiệu quả.
Do nhõn của hệ điều hành được thực hiện trong chế độ đặc quyền nờn cú toàn quyền kiểm soỏt và quản lý tài nguyờn phần cứng. Trỡnh ứng dụng phải thụng qua nhõn để cú thể tiếp cận tài nguyờn hệ thống. Vớ dụ, khi cần thực hiện vào/ra thụng tin, trỡnh ứng dụng chạy trong chế độ người dựng khụng cú quyền truy cập thiết bị ngoại vi để thực hiện vào ra. Thay vào đú, trỡnh ứng dụng yờu cầu hệ điều hành thực hiện thao tỏc vào/ra thụng qua lời gọi hệ thống. Khi đú, hệ thống chuyển từ chế độ người dựng sang chế độ nhõn, mụ đun vào/ra của hệ điều hành thực hiện yờu cầu này và trả lại kết quả cho trỡnh ứng dụng (xem hỡnh 1.13). Do việc truy cập tài nguyờn phải thụng qua hệ điều hành nờn cỏc yờu cầu khụng hợp lệ sẽ bị phỏt hiện và ngăn chặn.
Một vấn đề đặt ra khi thiết kế hệ điều hành là quyết định phần nào của hệ điều hành thuộc vào nhõn, phần nào khụng. Núi cỏch khỏc, nhõn phải gồm những gỡ? Nhõn càng lớn, càng gồm nhiều thành phần thỡ càng đảm đương được nhiều chức năng, và do vậy khụng cần gọi thờm cỏc thành phần khỏc. Tuy nhiờn, nhõn lớn thỡ chiếm nhiều bộ nhớ, ảnh hưởng tới khụng gian nhớ dành cho cỏc chương trỡnh ứng dụng. Ngoài ra, tổ chức nhõn lớn ảnh hưởng tới tớnh mềm dẻo, do việc thay đổi bất cứ thành phần nào của hệ điều hành đũi hỏi phải thay đổi nhõn. Việc
thay đổi, bổ sung cỏc thành phần của hệ điều hành sẽ dễ dàng hơn nếu cỏc thành phần được tổ chức dưới dạng cỏc mụ đun riờng lẻ (cỏc chương trỡnh) khụng thuộc nhõn và chỉ chạy khi cần thiết. Do vậy, khi thiết kế hệ điều hành cần cõn nhắc giữa cỏc ưu nhược điểm của hai cỏch tổ chức: 1) nhõn lớn, nhiều chức năng; và 2) nhõn nhỏ, chuyển chức năng cho cỏc mụ đun khỏc. Trong phần tiếp theo, ta sẽ xem xột một số cỏch tổ chức nhõn và hệ điều hành.