Đề cương môn học Hệ điều hành

Nội dung text: Đề cương môn học Hệ điều hành

1. Đề cương môn học Hệ điều hành
2. ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC MÔN: HỆ ĐIỀU HÀNH Mà MÔN HỌC: TH338 SỐ ĐVHT: 3 HỌC KÌ: 6 GIẢNG VIÊN: NGUYỄN PHÚ TRƯỜNG I MỤC ĐÍCH YÊU CẦU ƒ Giúp sinh viên hiểu được vai trò của hệ điều hành và cơ chế hoạt động của hệ điều hành. ƒ Cách thiết kế hệ điều hành ƒ Cách ứng dụng các cơ chế trong việc thiết kế các hệ điều hành hiện đại II KIẾN THỨC NỀN CẦN THIẾT Mức độ yêu cầu STT Nội dung kiến thức nền Vận dụng khái Vận dụng kỹ năng/ Tiên quyết niệm/ mô hình phương pháp 1 Kiến trúc máy tính x III KIẾN THỨC TOÁN CẦN THIẾT STT Nội dung kiến thức Mức độ yêu cầu Hiểu Vận dụng Chứng minh Vận dụng Khái Công thức/ Công thức/ Phương pháp niệm định lý định lý 1 Giải thuật x 2 Ngôn ngữ Pascal và C x IV TÓM TẮT NỘI DUNG MÔN HỌC ƒ Mô tả các điểm chính yếu của hệ điều hành ƒ Vai trò và năng lực của hệ điều hành trong hệ thống máy tính. ƒ Những vấn đề phát sinh trong quá trình thiết kế hệ điều hành cũng như những tiếp cận khác nhau được dùng để phân tích và giải quyết những vấn đề đó. ƒ Xem xét những chiến lược hệ điều hành phổ biến và cách chúng tác động đến những dịch vụ của các hệ điều hành hiện đại.
3. V ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT CÁC CHƯƠNG CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH1 I.1 Mục tiêu I.2 Giới thiệu I.3 Hệ điều hành là gì? I.4 Hệ thống mainframe I.5 Hệ để bàn (Desktop system) I.6 Hệ đa xử lý I.7 Hệ phân tán I.8 Hệ thống nhóm (Clustered Systems) I.9 Hệ thời thực I.10 Hệ xách tay I.11 Tóm tắt CHƯƠNG II - CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU HÀNH II.1 Mục đích II.2 Giới thiệu II.3 Các thành phần hệ thống II.4 Các dịch vụ hệ điều hành II.5 Lời gọi hệ thống II.6 Các chương trình hệ thống II.7 Cấu trúc hệ thống II.8 Máy ảo II.9 Tóm tắt CHƯƠNG III - QUÁ TRÌNH III.1 Mục đích III.2 Giới thiệu III.3 Khái niệm quá trình III.4 Lập thời biểu quá trình III.5 Thao tác trên quá trình III.6 Giao tiếp liên quá trình III.7 Tóm tắt CHƯƠNG IV - ĐỊNH THỜI BIỂU CPU IV.1 Mục tiêu IV.2 Giới thiệu IV.3 Các khái niệm cơ bản IV.4 Các tiêu chuẩn định thời IV.5 Các giải thuật định thời IV.6 Định thời biểu đa bộ xử lý IV.7 Định thời thời gian thực IV.8 Đánh giá giải thuật IV.9 Tóm tắt CHƯƠNG V - ĐỒNG BỘ HOÁ QUÁ TRÌNH V.1 Mục tiêu V.2 Giới thiệu V.3 Tổng quan V.4 Vấn đề vùng tương trục V.5 Giải pháp V.6 Các bài toán đồng bộ hoá nguyên thuỷ V.7 Tóm tắt CHƯƠNG VI - DEADLOCK VI.1 Mục đích
4. VI.2 Giới thiệu VI.3 Mô hình hệ thống VI.4 Đặc điểm deadlock VI.5 Các phương pháp xử lý deadlock VI.6 Ngăn chặn deadlock VI.7 Tránh deadlock VI.8 Phát hiện Deadlock VI.9 Phục hồi deadlock VI.10 Tóm tắt CHƯƠNG VII - QUẢN LÝ BỘ NHỚ VII.1 Mục đích VII.2 Giới thiệu VII.3 Đặt vấn đề VII.4 Hoán vị VII.5 Cấp phát bộ nhớ liên tục VII.6 Cấp phát không liên tục VII.7 Tóm tắt CHƯƠNG VIII - BỘ NHỚ ẢO VIII.1 Mục đích VIII.2 Giới thiệu VIII.3 Kiến thức nền VIII.4 Phân trang theo yêu cầu VIII.5 Thay thế trang VIII.6 Cấp phát khung trang VIII.7 Trì trệ toàn hệ thống VIII.8 Các vấn đề khác VIII.9 Tóm tắt CHƯƠNG IX - HỆ THỐNG TẬP TIN IX.1 Mục đích IX.2 Giới thiệu IX.3 Khái niệm tập tin IX.4 Các phương pháp truy xuất IX.5 Cấu trúc thư mục IX.6 Gắn hệ thống tập tin IX.7 Chia sẻ tập tin IX.8 Bảo vệ IX.9 Tóm tắt CHƯƠNG X - CÀI ĐẶT HỆ THỐNG TẬP TIN X.1 Mục đích X.2 Giới thiệu X.3 Cấu trúc hệ thống tập tin X.4 Cài đặt hệ thống tập tin X.5 Cài đặt thư mục X.6 Các phương pháp cấp phát X.7 Quản lý không gian trống X.8 Tóm tắt CHƯƠNG XI - QUẢN LÝ HỆ THỐNG NHẬP/XUẤT T XI.1 Mục đích XI.2 Giới thiệu XI.3 Các khái niệm cơ bản XI.4 Phần cứng nhập/xuất XI.5 Giao diện nhập/xuất ứng dụng
5. XI.6 Hệ thống con nhập/xuất của nhân (kernel I/O subsytem) XI.7 Chuyển nhập/xuất tới hoạt động phần cứng XI.8 Năng lực XI.9 Tóm tắt VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. [Jean Bacon & Tim Harris], Operating Systems, Addison-Wesley, 2003. 2. [Nguyễn Hoàng Việt], Bài giảng Hệ Điều Hành, Khoa CNTT-ĐH Cần Thơ, 1998 3. [Silberschatz, Galvin, Gagne], Operating System Concepts, John Wiley & Sons, 2003 4. [Lê Khắc Nhiên Ân, Hoàng Kiếm], Giáo trình Nhập môn hệ điều hành, Đại học Khoa học Tự nhiên, 2003. 5. [Trần Hạnh Nhi, Hoàng Kiếm], Giáo trình hệ điều hành nâng cao, Đại học Khoa học Tự nhiên,1999. Ngày 23 tháng 04 năm 2004 VI.1.1 DUYỆT BỘ MÔN CÁN BỘ BIÊN SOẠN Nguyễn Phú Trường
6. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH I Mục tiêu Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau: o Hiểu vai trò của hệ điều hành trong hệ thống máy tính o Biết các giai đoạn phát triển của hệ điều hành o Hiểu sự khác biệt của các hệ điều hành qua từng giai đoạn o Hiểu cách giải quyết các vấn đề phát sinh trong từng hệ điều hành II Giới thiệu Hệ điều hành là một chương trình quản lý phần cứng máy tính. Nó cung cấp nền tảng cho các chương trình ứng dụng và đóng vai trò trung gian giao tiếp giữa người dùng máy tính và phần cứng của máy tính đó. Hệ điều hành thiết lập cho các tác vụ này rất đa dạng. Một vài hệ điều hành thiết kế tiện dụng trong khi một số khác thiết kế hiệu quả hoặc kết hợp cả hai. Để hiểu hệ điều hành là gì, trước hết chúng ta phải hiểu chúng được phát triển như thế nào. Trong chương này chúng ta điểm lại sự phát triển của hệ điều hành từ những hệ thử nghiệm đầu tiên tới những hệ đa chương và chia thời. Thông qua những giai đoạn khác nhau chúng ta sẽ thấy cách thức mà những thành phần của hệ điều hành được cải tiến như những giải pháp tự nhiên cho những vấn đề trong những hệ thống máy tính ban đầu. Xem xét những lý do phía sau sự phát triển của hệ điều hành cho chúng ta một đánh giá về những tác vụ gì hệ điều hành làm và cách hệ điều hành thực hiện chúng. III Hệ điều hành là gì? Một hệ điều hành là một thành phần quan trọng của mọi hệ thống máy tính. Một hệ thống máy tính có thể được chia thành bốn thành phần: phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và người dùng. o Phần cứng (Hardware): bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, thiết bị xuất/nhập, cung cấp tài nguyên cơ bản cho hệ thống. o Các chương trình ứng dụng (application programs): trình biên dịch (compiler), trình soạn thảo văn bản (text editor), hệ cơ sở dữ liệu (database system), trình duyệt Web, định nghĩa cách mà trong đó các tài nguyên được sử dụng để giải quyết yêu cầu của người dùng. o Người dùng (user): có nhiều loại người dùng khác nhau, thực hiện những yêu cầu khác nhau, do đó sẽ có nhiều ứng dụng khác nhau. o Hệ điều hành (operating system): hay còn gọi là chương trình hệ thống, điều khiển và hợp tác việc sử dụng phần cứng giữa những chương trình ứng dụng khác nhau cho những người dùng khác nhau. Hệ điều hành có thể được khám phá từ hai phía: người dùng và hệ thống. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 1
7. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 User1 User2 . . . UserN compliler text editor . . . database t System andOperating Application System Programs Hardware Hình 0-1 Tầm nhìn trừu tượng các thành phần của một hệ thống máy tính III.1 Tầm nhìn người dùng Tầm nhìn người dùng của máy tính rất đa dạng bởi giao diện được dùng. Hầu hết những người dùng máy tính ngồi trước máy tính cá nhân gồm có màn hình, bàn phím, chuột và bộ xử lý hệ thống (system unit). Một hệ thống như thế được thiết kế cho một người dùng độc quyền sử dụng tài nguyên của nó để tối ưu hoá công việc mà người dùng đang thực hiện. Trong trường hợp này, hệ điều hành được thiết kế dễ dàng cho việc sử dụng với sự quan tâm về năng lực nhưng không quan tới việc sử dụng tài nguyên. Năng lực thực hiện là quan trọng với người dùng nhưng không là vấn đề nếu hầu hết hệ thống đang rãnh, chờ tốc độ xuất/nhập chậm từ phía người dùng. Vài người dùng ngồi tại thiết bị đầu cuối (terminal) được nối kết tới máy tính lớn (mainframe) hay máy tính tầm trung (minicomputer). Những người khác đang truy xuất cùng máy tính thông qua các thiết bị đầu cuối khác. Những người dùng này chia sẻ các tài nguyên và có thể trao đổi thông tin. Hệ điều hành được thiết kế để tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên-để đảm bảo rằng tất cả thời gian sẳn dùng của CPU, bộ nhớ và thiết bị xuất nhập được sử dụng hữu hiệu và không cá nhân người dùng sử dụng độc quyền tài nguyên hơn là chia sẻ công bằng. Những người dùng khác ngồi tại trạm làm việc, được nối kết tới mạng của các trạm làm việc khác và máy chủ. Những người dùng này có tài nguyên tận hiến là trạm làm việc của mình nhưng họ cũng chia sẻ các tài nguyên trên mạng và các máy chủ- tập tin, tính toán và các máy phục vụ in. Do đó, hệ điều hành của họ được thiết kế để thoả hiệp giữa khả năng sử dụng cá nhân và việc tận dụng tài nguyên. Gần đây, sự đa dạng của máy tính xách tay trở thành thời trang cho những người làm việc trong lãnh vực công nghệ thông tin. Các thiết bị này được sử dụng chỉ bởi cá nhân người dùng. Một vài máy tính này được nối mạng hoặc nối trực tiếp bằng dây hay thông qua các modem không dây. Do sự giới hạn về năng lượng (điện) và giao diện, chúng thực hiện tương đối ít các thao tác ở xa. Hệ điều hành được thiết kế chủ yếu cho việc sử dụng cá nhân nhưng năng lực thực hiện trên thời gian sống của pin cũng là yếu tố quan trọng. Một số máy tính có rất ít hay không có tầm nhìn người dùng. Thí dụ, các máy tính được nhúng vào các thiết bị gia đình và xe ôtô có thể có một bảng số và các đèn hiển thị trạng thái mở, tắt nhưng hầu hết chúng và các hệ điều hành được thiết kế để chạy mà không cần giao tiếp. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 2
8. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 III.2 Tầm nhìn hệ thống Từ quan điểm của máy tính, hệ điều hành là chương trình gần gủi với phần cứng. Chúng ta có thể thấy một hệ điều hành như bộ cấp phát tài nguyên. Hệ thống máy tính có nhiều tài nguyên - phần cứng và phần mềm - mà có thể được yêu cầu để giải quyết một vấn đề: thời gian CPU, không gian bộ nhớ, không gian lưu trữ tập tin, các thiết bị xuất/nhập, Hệ điều hành hoạt động như bộ quản lý tài nguyên. Đương đầu với một lượng lớn các yêu cầu có thể xung đột về tài nguyên, hệ điều hành phải quyết định cách cấp phát tài nguyên tới những chương trình cụ thể và người dùng để có thể điều hành hệ thống máy tính hữu hiệu và công bằng. Một tầm nhìn khác của hệ điều hành nhấn mạnh sự cần thiết để điều khiển các thiết bị xuất/nhập khác nhau và chương trình người dùng. Một hệ điều hành là một chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển quản lý sự thực thi của các chương trình người dùng để ngăn chặn lỗi và việc sử dụng không hợp lý máy tính. Nó đặc biệt quan tâm với những thao tác và điều khiển các thiết bị nhập/xuất. Nhìn chung, không có định nghĩa hoàn toàn đầy đủ về hệ điều hành. Các hệ điều hành tồn tại vì chúng là cách hợp lý để giải quyết vấn đề tạo ra một hệ thống máy tính có thể sử dụng. Mục tiêu cơ bản của hệ thống máy tính là thực thi chương trình người dùng và giải quyết vấn đề người dùng dễ dàng hơn. Hướng đến mục tiêu này, phần cứng máy tính được xây dựng. Tuy nhiên, chỉ đơn thuần là phần cứng thì không dễ sử dụng và phát triển các chương trình ứng dụng. Các chương trình khác nhau này đòi hỏi những thao tác chung nào đó, chẳng hạn như điều khiển thiết bị xuất/nhập. Sau đó, những chức năng chung về điều khiển và cấp phát tài nguyên được đặt lại với nhau vào một bộ phận phần mềm gọi là hệ điều hành. Cũng không có định nghĩa bao quát nào được chấp nhận để xác định phần gì thuộc về hệ điều hành, phần gì không. Một quan điểm đơn giản là mọi thứ liên quan khi chúng ta ra lệnh hệ điều hành nên được xem xét. Tuy nhiên, những yêu cầu về bộ nhớ và những đặc điểm bên trong rất khác nhau trong từng hệ thống. Một định nghĩa bao quát hơn về hệ điều hành là một chương trình chạy liên tục trên máy tính (thường gọi là nhân kernel), những chương trình còn lại thuộc về chương trình ứng dụng. III.3 Mục tiêu hệ thống Định nghĩa những gì hệ điều hành làm thì dễ hơn xác định hệ điều hành là gì. Mục đích chính của hệ điều hành là dễ dàng sử dụng. Vì sự tồn tại của hệ điều hành hỗ trợ nhiều cho máy tính trong việc đáp ứng các ứng dụng của người dùng. Tầm nhìn này đặc biệt rõ ràng hơn khi nhìn hệ điều hành trên các máy tính cá nhân. Mục tiêu thứ hai của hệ điều hành là điều hành hữu hiện hệ thống máy tính. Mục tiêu này đặc biệt quan trọng cho các hệ thống lớn, được chia sẻ, nhiều người dùng. Những hệ thống tiêu biểu này khá đắt, khai thác hiệu quả nhất các hệ thống này luôn là điều mong muốn. Tuy nhiên, hai mục tiêu tiện dụng và hữu hiệu đôi khi mâu thuẫn nhau. Trong quá khứ, xem xét tính hữu hiệu thường quan trọng hơn tính tiện dụng. Do đó, lý thuyết hệ điều hành tập trung nhiều vào việc tối ưu hoá sử dụng tài nguyên tính toán. Hệ điều hành cũng phát triển dần theo thời gian. Thí dụ, UNIX bắt đầu với bàn phím và máy in như giao diện của nó giới hạn tính tiện dụng đối với người dùng. Qua thời gian, phần cứng thay đổi và UNIX được gắn vào phần cứng mới với giao diện thân thiện với người dùng hơn. Nhiều giao diện người dùng đồ hoạ GUIs (graphical user interfaces) được bổ sung cho phép tiện dụng hơn với người dùng trong khi vẫn quan tâm tính hiệu quả. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 3
9. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Thiết kế hệ điều hành là một công việc phức tạp. Người thiết kế gặp phải nhiều sự thoả hiệp trong thiết kế và cài đặt. Nhiều người tham gia không chỉ mang đến hệ điều hành những lợi điểm mà còn liên tục xem xét và nâng cấp. Để thấy rõ những hệ điều hành là gì và những gì hệ điều hành làm, chúng ta xem xét cách chúng phát triển trong bốn mươi lăm năm qua. Bằng cách lần theo sự tiến triển, chúng ta có thể xác định những thành phần của hệ điều hành và thấy cách thức và lý do hệ điều hành phát triển như chúng có. Hệ điều hành và kiến trúc máy tính có mối quan hệ khăng khít nhau. Để dễ dàng sử dụng phần cứng, hệ điều hành được phát triển. Sau đó, các người dùng hệ điều hành đề nghị những chuyển đổi trong thiết kế phần cứng để đơn giản chúng. Nhìn lại lịch sử ngắn ngủi này, chú trọng cách giải quyết những vấn đề về hệ điều hành để giới thiệu những đặc điểm phần cứng. IV Hệ thống mainframe Những hệ thống máy tính mainframe là những máy tính đầu tiên được dùng để xử lý ứng dụng thương mại và khoa học. Trong phần này, chúng ta lần theo sự phát triển của hệ thống mainframe từ các hệ thống bó (batch systems), ở đó máy tính chỉ chạy một-và chỉ một -ứng dụng, tới các hệ chia sẻ thời gian (time-shared systems), mà cho phép người dùng giao tiếp với hệ thống máy tính. IV.1 Hệ thống bó Những máy tính thời kỳ đầu là những máy cực lớn chạy từ một thiết bị cuối (console). Những thiết bị nhập thường là những bộ đọc thẻ và các ổ đĩa băng từ. Các thiết bị xuất thông thường thường là những máy in dòng (line printers), các ổ đĩa từ và các phiếu đục lỗ. Người dùng không giao tiếp trực tiếp với các hệ thống máy tính. Thay vào đó, người dùng chuẩn bị một công việc- chứa chương trình, dữ liệu và các thông tin điều khiển về tính tự nhiên của công việc-và gởi nó đến người điều hành máy tính. Công việc này thường được thực hiện trong các phiếu đục lỗ. Tại những thời điểm sau đó (sau vài phút, giờ hay ngày), dữ liệu xuất xuất hiện. Dữ liệu xuất chứa kết quả chương trình cũng như kết xuất bộ nhớ cuối cùng và nội dung các thanh ghi cho việc gở rối. Hệ điều hành trong các máy tính thời kỳ đầu này tương đối đơn giản. Tác vụ chính là chuyển điều khiển tự động từ một công việc này sang công việc khác. Hệ điều hành luôn được thường trú trong bộ nhớ. Hệ điều hành Vùng chương trình ng ười dùng Hình 0-2 Sắp xếp bộ nhớ cho một hệ thống bó đơn giản Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 4
10. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Để tăng tốc việc xử lý, người điều hành bó các công việc có cùng yêu cầu và chạy chúng thông qua máy tính như một nhóm. Do đó, các lập trình viên sẽ đưa chương trình của họ cho người điều hành. Người điều hành sẽ sắp xếp chương trình thành những bó với cùng yêu cầu và khi máy tính sẳn dùng sẽ chạy mỗi bó này. Dữ liệu xuất từ mỗi công việc sẽ gởi lại cho lập trình viên tương ứng. Trong môi trường thực thi này, CPU luôn rảnh vì tốc độ của các thiết bị xuất/nhập dạng cơ thực chất chậm hơn tốc độ của các thiết bị điện. Ngay cả một CPU chậm (với hàng ngàn chỉ thị lệnh được thực thi trên giây) cũng chỉ làm việc trong vài phần trăm giây. Thêm vào đó, một bộ đọc thẻ nhanh có thể đọc 1200 thẻ trong thời gian 1 phút (hay 20 thẻ trên giây). Do đó, sự khác biệt giữa tốc độ CPU và thiết bị xuất/nhập của nó có thể là 3 lần hay nhiều hơn. Dĩ nhiên theo thời gian, sự tiến bộ trong công nghệ dẫn đến sự ra đời những thiết bị nhập/xuất nhanh hơn. Tuy nhiên, tốc độ CPU tăng tới một tỷ lệ lớn hơn vì thế vấn đề không những không được giải quyết mà còn làm tăng. Giới thiệu công nghệ đĩa cho phép hệ điều hành giữ tất cả công việc trên một đĩa hơn trong một bộ đọc thẻ tuần tự. Với việc truy xuất trực tiếp tới nhiều công việc, hệ điều hành có thể thực hiện định thời công việc, để sử dụng tài nguyên và thực hiện các tác vụ hữu hiệu. IV.2 Hệ đa chương Một khía cạnh quan trọng nhất của định thời công việc là khả năng đa chương. Thông thường, một người dùng giữ CPU hay các thiết bị xuất/nhập luôn bận. Đa chương gia tăng khả năng sử dụng CPU bằng cách tổ chức các công việc để CPU luôn có một công việc để thực thi. Ý tưởng của kỹ thuật đa chương có thể minh hoạ như sau: Hệ điều hành giữ nhiều công việc trong bộ nhớ tại một thời điểm. Tập hợp các công việc này là tập con của các công việc được giữ trong vùng công việc-bởi vì số lượng các công việc có thể được giữ cùng lúc trong bộ nhớ thường nhỏ hơn số công việc có thể có trong vùng đệm. Hệ điều hành sẽ lấy và bắt đầu thực thi một trong các công việc có trong bộ nhớ. Cuối cùng, công việc phải chờ một vài tác vụ như một thao tác xuất/nhập để hoàn thành. Trong hệ thống đơn chương, CPU sẽ chờ ở trạng thái rỗi. Trong hệ thống đa chương, hệ điều hành sẽ chuyển sang thực thi công việc khác. Cuối cùng, công việc đầu tiên kết thúc việc chờ và nhận CPU trở lại. Chỉ cần ít nhất một công việc cần thực thi, CPU sẽ không bao giờ ở trạng thái rỗi. 0 Hệ điều hành Công việc 1 Công việc 2 Công việc 3 Công việc 4 512K Hình 0-3 Sắp xếp bộ nhớ cho hệ đa chương Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 5
11. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Đa chương là một trường hợp đầu tiên khi hệ điều hành phải thực hiện quyết định cho những người dùng. Do đó, hệ điều hành đa chương tương đối tinh vi. Tất cả công việc đưa vào hệ thống được giữ trong vùng công việc. Vùng này chứa tất cả quá trình định vị trên đĩa chờ được cấp phát bộ nhớ chính. Nếu nhiều công việc sẳn sàng được mang vào bộ nhớ và nếu không đủ không gian cho tất cả thì hệ điều hành phải chọn một trong chúng. Khi hệ điều hành chọn một công việc từ vùng công việc, nó nạp công việc đó vào bộ nhớ để thực thi. Có nhiều chương trình trong bộ nhớ tại cùng thời điểm yêu cầu phải có sự quản lý bộ nhớ. Ngoài ra, nếu nhiều công việc sẳn sàng chạy cùng thời điểm, hệ thống phải chọn một trong chúng. Thực hiện quyết định này là định thời CPU. Cuối cùng, nhiều công việc chạy đồng hành đòi hỏi hoạt động của chúng có thể ảnh hưởng tới một công việc khác thì bị hạn chế trong tất cả giai đoạn của hệ điều hành bao gồm định thời quá trình, lưu trữ đĩa, quản lý bộ nhớ. IV.3 Hệ chia thời Hệ thống bó-đa chương cung cấp một môi trường nơi mà nhiều tài nguyên khác nhau (chẳng hạn như CPU, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi) được sử dụng hiệu quả. Tuy nhiên, nó không cung cấp giao tiếp người dùng với hệ thống máy tính. Chia thời (hay đa nhiệm) là sự mở rộng luận lý của đa chương. CPU thực thi nhiều công việc bằng cách chuyển đổi qua lại giữa chúng, nhưng những chuyển đổi xảy ra quá thường xuyên để người dùng có thể giao tiếp với mỗi chương trình trong khi chạy. Một hệ thống máy tính giao tiếp (interactive computer) hay thực hành (hands- on computer system) cung cấp giao tiếp trực tuyến giữa người dùng và hệ thống. Người dùng cho những chỉ thị tới hệ điều hành hay trực tiếp tới một chương trình, sử dụng bàn phím hay chuột và chờ nhận kết quả tức thì. Do đó, thời gian đáp ứng nên ngắn-điển hình trong phạm vi 1 giây hay ít hơn. Một hệ thống chia thời cho phép nhiều người dùng chia sẻ máy tính cùng một thời điểm. Vì mỗi hoạt động hay lệnh trong hệ chia thời được phục vụ ngắn, chỉ một ít thời gian CPU được yêu cầu cho mỗi người dùng. Khi hệ thống nhanh chóng chuyển từ một người dùng này sang người dùng kế, mỗi người dùng được cho cảm giác rằng toàn bộ hệ thống máy tính được tận hiến cho mình, nhưng thật sự máy tính đó đang được chia sẻ cho nhiều người dùng. Một hệ điều hành chia thời sử dụng định thời CPU và đa chương để cung cấp mỗi người dùng với một phần nhỏ của máy tính chia thời. Mỗi người dùng có ít nhất một chương trình riêng trong bộ nhớ. Một chương trình được nạp vào trong bộ nhớ và thực thi thường được gọi là một quá trình. Khi một quá trình thực thi, điển hình nó thực thi chỉ tại một thời điểm ngắn trước khi nó kết thúc hay cần thực hiện xuất/nhập. Xuất/nhập có thể được giao tiếp; nghĩa là dữ liệu xuất hiển thị trên màn hình cho người dùng và dữ liệu nhập từ bàn phím, chuột hay thiết bị khác. Vì giao tiếp xuất/nhập chủ yếu chạy ở “tốc độ người dùng”, nó có thể mất một khoảng thời gian dài để hoàn thành. Thí dụ, dữ liệu nhập có thể bị giới hạn bởi tốc độ nhập của người dùng; 7 ký tự trên giây là nhanh đối với người dùng, nhưng quá chậm so với máy tính. Thay vì để CPU rảnh khi người dùng nhập liệu, hệ điều hành sẽ nhanh chóng chuyển CPU tới một chương trình khác. Hệ điều hành chia thời phức tạp hơn nhiều so với hệ điều hành đa chương. Trong cả hai dạng, nhiều công việc được giữ cùng lúc trong bộ nhớ vì thế hệ thống phải có cơ chế quản lý bộ nhớ và bảo vệ. Để đạt được thời gian đáp ứng hợp lý, các công việc có thể được hoán vị vào ra bộ nhớ chính. Một phương pháp chung để đạt mục tiêu này là bộ nhớ ảo, là kỹ thuật cho phép việc thực thi của một công việc có thể không hoàn toàn ở trong bộ nhớ. Ưu điểm chính của cơ chế bộ nhớ ảo là các chương Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 6
12. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 trình có thể lớn hơn bộ nhớ vật lý. Ngoài ra, nó trừu tượng hoá bộ nhớ chính thành mảng lưu trữ lớn và đồng nhất, chia bộ nhớ luận lý như được thấy bởi người dùng từ bộ nhớ vật lý. Sự sắp xếp này giải phóng lập trình viên quan tâm đến giới hạn lưu trữ của bộ nhớ. Các hệ chia thời cũng phải cung cấp một hệ thống tập tin. Hệ thống tập tin định vị trên một tập hợp đĩa; do đó quản lý đĩa phải được cung cấp. Hệ chia thời cũng cung cấp cơ chế cho việc thực thi đồng hành, yêu cầu cơ chế định thời CPU tinh vi. Để đảm bảo thứ tự thực thi, hệ thống phải cung cấp các cơ chế cho việc đồng bộ hoá và giao tiếp công việc, và có thể đảm bảo rằng các công việc không bị deadlock, chờ đợi công việc khác mãi mãi. Ý tưởng chia thời được giới thiệu trong những năm 1960, nhưng vì hệ chia thời là phức tạp và rất đắt để xây dựng, chúng không phổ biến cho tới những năm 1970. Mặc dù xử lý theo bó vẫn được thực hiện nhưng hầu hết hệ thống ngày nay là chia thời. Do đó, đa chương và chia thời là những chủ đế trung tâm của hệ điều hành hiện đại và chúng là chủ đề trọng tâm của giáo trình này. V Hệ để bàn (Desktop system) Máy tính cá nhân (PC) xuất hiện vào những năm 1970. Trong suốt thập niên đầu, CPU trong PC thiếu các đặc điểm cần thiết để bảo vệ hệ điều hành từ chương trình người dùng. Do đó, các hệ điều hành PC không là đa người dùng hoặc đa nhiệm. Tuy nhiên, các mục tiêu của hệ điều hành này thay đổi theo thời gian; thay vì tối ưu hoá việc sử dụng CPU và thiết bị ngoại vi, các hệ thống chọn lựa tối ưu hoá sự tiện dụng và đáp ứng người dùng. Các hệ thống này gồm các PC chạy các hệ điều hành Microsoft Windows và Apple Macintosh. Hệ điều hành MS-DOS từ Microsoft được thay thế bằng nhiều ấn bản của Microsoft Windows và IBM đã nâng cấp MS-DOS thành hệ đa nhiệm OS/2. Hệ điều hành Apple Macintosh được gắn nhiều phần cứng hiện đại hơn và ngày nay chứa nhiều đặc điểm mới như bộ nhớ ảo và đa nhiệm. Với sự phát hành MacOS X, lõi của hệ điều hành ngày nay dựa trên Mach và FreeBSD UNIX cho sự mở rộng, năng lực và đặc điểm nhưng nó vẫn giữ lại giao diện đồ hoạ người dùng GUI. LINUX, một hệ điều hành tương tự như UNIX sẳn dùng cho máy PC trở nên phổ biến gần đây. Hệ điều hành cho các máy tính này có những thuận lợi trong nhiều cách từ sự phát triển của hệ điều hành cho mainframes. Máy vi tính (microcomputer) lập tức có thể được chấp nhận một số công nghệ được phát triển cho hệ điều hành lớn hơn. Thêm vào đó, chi phí phần cứng cho máy vi tính đủ thấp để các cá nhân có thể một mình sử dụng máy tính, và sử dụng CPU không còn quan trọng nữa. Do đó, những quyết định thiết kế được thực hiện trong hệ điều hành cho mainframes có thể không hợp lý cho các hệ thống nhỏ hơn. Những quyết định thiết kế khác vẫn được áp dụng. Thí dụ, trước hết bảo vệ hệ thống tập tin không cần thiết trên máy cá nhân. Tuy nhiên, hiện nay các máy tính này thường được nối vào các máy tính khác qua mạng cục bộ hay Internet. Khi những máy tính khác và người dùng khác có thể truy xuất các tập tin này trên một PC, bảo vệ tập tin một lần nữa cũng trở thành một đặc điểm cần thiết của hệ điều hành. Sự thiếu bảo vệ tạo điều kiện dễ dàng cho những chương trình hiểm phá huỷ dữ liệu trên những hệ thống như MS-DOS và hệ điều hành Macintosh. Các chương trình này có thể tự nhân bản và phát tán nhanh chóng bằng cơ chế worm hay virus và làm tê liệt mạng của các công ty hay thậm chí mạng toàn cầu. Đặc điểm chia thời được cải tiến như bộ nhớ bảo vệ và quyền tập tin là chưa đủ để bảo vệ một hệ thống từ sự tấn công. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 7
13. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 VI Hệ đa xử lý Hầu hết các hệ thống ngày nay là các hệ thống đơn xử lý; nghĩa là chỉ có một CPU chính. Tuy nhiên, các hệ thống đa xử lý (hay còn gọi là hệ song song hay hệ kết nối chặt) được phát triển rất quan trọng. Các hệ thống như thế có nhiều hơn một bộ xử lý trong giao tiếp gần, chia sẻ bus máy tính, đồng hồ, đôi khi còn là bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi. Hệ thống đa xử lý có ba ưu điểm chính: o Thông lượng được gia tăng: bằng cách tăng số lượng bộ xử lý, chúng ta hy vọng thực hiện nhiều công việc hơn với thời gian ít hơn. Tỉ lệ giữa sự tăng tốc với N bộ xử lý không là N; đúng hơn nó nhỏ hơn N. Trong khi nhiều bộ xử lý cộng tác trên một công việc, một lượng chi phí phải chịu trong việc giữ các thành phần làm việc phù hợp. Chi phí này cộng với chi phí cạnh tranh tài nguyên được chia sẻ, làm giảm kết quả được mong đợi từ những bộ xử lý bổ sung. Tương tự như một nhóm gồm N lập trình viên làm việc với nhau không dẫn đến kết quả công việc đang đạt được tăng N lần. o Tính kinh tế của việc mở rộng: hệ thống đa xử lý có thể tiết kiệm nhiều chi phí hơn hệ thống đơn bộ xử lý, bởi vì chúng có thể chia sẻ ngoại vi, thiết bị lưu trữ và điện. Nếu nhiều chương trình điều hành trên cùng tập hợp dữ liệu thì lưu trữ dữ liệu đó trên một đĩa và tất cả bộ xử lý chia sẻ chúng sẽ rẻ hơn là có nhiều máy tính với đĩa cục bộ và nhiều bản sao dữ liệu. o Khả năng tin cậy được gia tăng: nếu các chức năng được phân bổ hợp lý giữa các bộ xử lý thì lỗi trên một bộ xử lý sẽ không dừng hệ thống, chỉ năng lực bị giảm. Nếu chúng ta có 10 bộ xử lý và có 1 bộ xử lý bị sự cố thì mỗi bộ xử lý trong 9 bộ xử lý còn lại phải chia sẻ của công việc của bộ xử lý bị lỗi. Do đó, toàn bộ hệ thống chỉ giảm 10% năng lực hơn là dừng hoạt động. Các hệ thống được thiết kế như thế được gọi là hệ thống có khả năng chịu lỗi (fault tolerant). Việc điều hành vẫn tiếp tục trong sự hiện diện của lỗi yêu cầu một cơ chế cho phép lỗi được phát hiện, chuẩn đoán và sửa lỗi nếu có thể. Hệ thống Tandem sử dụng sự nhân đôi phần cứng và phần mềm để đảm bảo sự điều hành vẫn tiếp tục mặc dù có lỗi xảy ra. Hệ thống này chứa hai bộ xử lý, mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các bộ xử lý được nối kết bởi một bus. Một bộ xử lý chính và bộ xử lý kia là dự phòng. Cả hai bản sao được giữ ở mỗi bộ xử lý: một là chính và một là dự phòng. Tại các điểm kiểm tra (checkpoints) trong việc thực thi của hệ thống, thông tin trạng thái của mỗi công việc-gồm một bản sao hình ảnh bộ nhớ-được chép từ máy chính tới máy dự phòng. Nếu một lỗi được phát hiện, bản sao dự phòng được kích hoạt và được khởi động lại từ điểm kiểm tra mới nhất. Giải pháp này đắt vì nó bao gồm việc nhân đôi phần cứng. Các hệ thống đa xử lý thông dụng nhất hiện nay sử dụng đa xử lý đối xứng (symmetric multiprocessing-SMP). Trong hệ thống này mỗi bộ xử lý chạy bản sao của hệ điều hành và những bản sao này giao tiếp với các bản sao khác khi cần. Vài hệ thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng (asymmetric multiprocessing). Trong hệ thống này mỗi bộ xử lý được gán một công việc xác định. Một bộ xử lý chủ điều khiển hệ thống; những bộ xử lý còn lại hoặc chờ bộ xử lý chủ ra chỉ thị hoặc có những tác vụ được định nghĩa trước. Cơ chế này định nghĩa mối quan hệ chủ-tớ. Bộ xử lý chính lập thời biểu và cấp phát công việc tới các bộ xử lý tớ. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 8
14. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Đa xử lý đối xứng có nghĩa tất cả bộ xử lý là ngang hàng; không có mối quan hệ chủ-tớ tồn tại giữa các bộ xử lý. Hình I-4 minh hoạ một kiến trúc đa xử lý đối xứng điển hình. Một thí dụ của đa xử lý đối xứng là ấn bản của Encore của UNIX cho máy tính Multimax. Máy tính này có thể được cấu hình như nó đang thực hiện nhiều bộ xử lý, tất cả bộ xử lý đều chạy bản sao của UNIX. Ưu điểm của mô hình này là nhiều quá trình có thể chạy cùng một lúc - N quá trình có thể chạy nếu có N CPU- không gây ra sự giảm sút to lớn về năng lực. Tuy nhiên, chúng ta phải điều khiển cẩn thận xuất/nhập để đảm bảo rằng dữ liệu dẫn tới bộ xử lý tương ứng. Vì các CPU là riêng rẻ, một CPU có thể đang rảnh trong khi CPU khác quá tải dẫn đến việc sử dụng không hữu hiệu tài nguyên của hệ thống. Sự không hiệu quả này có thể tránh được nếu các bộ xử lý chia sẻ các cấu trúc dữ liệu. Một hệ thống đa xử lý của dạng này sẽ cho phép các quá trình và tài nguyên – như bộ nhớ - được chia sẻ tự động giữa các quá trình khác nhau và có thể làm giảm sự khác biệt giữa các bộ xử lý. Hầu như tất cả hệ điều hành hiện đại - gồm Windows NT, Solaris, Digital UNIX, OS/2 và LINUX - hiện nay cung cấp sự hỗ trợ đa xử lý đối xứng. Hình 0-4 Kiến trúc đa xử lý đối xứng Sự khác biệt giữa đa xử lý đối xứng và bất đối xứng có thể là do phần cứng hoặc phần mềm. Phần cứng đặc biệt có thể khác nhau trên nhiều bộ xử lý, hoặc phần mềm có thể được viết để cho phép chỉ một chủ và nhiều tớ. Thí dụ, SunOS ấn bản 4 cung cấp đa xử lý không đối xứng, ngược lại, ấn bản 5 (Solaris 2) là đối xứng trên cùng phần cứng. Khi các bộ vi xử lý trở nên rẻ hơn và mạnh hơn các chức năng bổ sung của hệ điều hành là chuyển tới bộ xử lý tớ. Thí dụ, tương đối dễ để thêm bộ vi xử lý với bộ nhớ riêng để quản lý hệ thống đĩa. Bộ vi xử lý có thể nhận một chuỗi các yêu cầu từ bộ nhớ chính và cài đặt hàng đợi đĩa riêng và giải thuật định thời. Sự sắp xếp này làm giảm chi phí định thời đĩa của CPU. PC chứa một bộ vi xử lý trong bàn phím để chuyển những phím nóng thành mã để gởi tới CPU. Thực tế, việc sử dụng các bộ vi xử lý trở nên quá phổ biến đến nổi mà đa xử lý không còn được xem xét. VII Hệ phân tán Một mạng, trong thuật ngữ đơn giản nhất, là một đường dẫn truyền thông giữa hai hay nhiều hệ thống. Hệ phân tán phụ thuộc vào mạng với những khả năng của nó. Bằng cách cho phép truyền thông, hệ phân tán có thể chia sẻ các tác vụ tính toán và cung cấp nhiều chức năng tới người dùng. Các mạng với sự đa dạng về giao thức được dùng, khoảng cách giữa các nút và phương tiện truyền. TCP/IP là giao thức mạng phổ biến nhất mặc dù ATM và các giao thức khác được sử dụng rộng rãi. Tương tự, hệ điều hành hỗ trợ sự đa dạng về giao thức. Hầu hết các hệ điều hành hỗ trợ TCP/IP, gồm Windows và UNIX. Một số hệ điều hành khác hỗ trợ các giao thức riêng phù hợp với yêu cầu của chúng. Đối với một hệ điều hành, một giao thức mạng chỉ cần một thiết bị giao diện – thí dụ: một Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 9
15. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 card mạng-với một trình điều khiển thiết bị để quản lý nó và một phần mềm để đóng gói dữ liệu trong giao thức giao tiếp để gởi nó và mở gói để nhận nó. Mạng thường dựa trên các khoảng cách giữa các nút. Một mạng cục bộ (LAN- Local Area Network) tồn tại trong phạm vi một phòng, một tầng, hay một toà nhà. Một mạng diện rộng (Wide-Area Network) thường tồn tại giữa các toà nhà, các thành phố, các quốc gia. Một công ty toàn cầu có thể có một mạng diện rộng để nối kết tới các văn phòng của nó. Các mạng này có thể chạy với một hay nhiều giao thức. Sự tiến bộ liên tục của công nghệ mới hình thành nhiều dạng mạng khác nhau. Thí dụ, mạng đô thị (MAN-Metropolitan Area Network) cũng liên kết các toà nhà trong cùng một thành phố. Các thiết bị BlueTooth giao tiếp qua một khoảng cách ngắn khoảng vài bộ (feet), chủ yếu tạo ra một mạng phạm vi nhỏ (small-area network). Các phương tiện truyền thông làm các mạng tương đối khác nhau. Chúng gồm cáp đồng, cáp quang, truyền không dây giữa vệ tinh, các đĩa vi sóng (microware dishes) và sóng radio. Khi các thiết bị tính toán được nối kết tới các điện thoại di động, chúng tạo ra một mạng. Thậm chí rất nhiều giao tiếp hồng ngoại dãy ngắn có thể được dùng cho mạng. Tại cấp độ cơ bản, bất cứ khi nào các máy tính giao tiếp chúng sử dụng hay tạo ra một mạng. Các mạng này cũng rất khác nhau về năng lực và khả năng tin cậy. VII.1 Hệ khách hàng-máy phục vụ Một PC có thể trở nên nhanh hơn, mạnh hơn, rẻ hơn nếu người thiết kế thay đổi rất xa từ kiến trúc hệ thống tập trung. Các thiết bị đầu cuối được nối kết tới các hệ tập trung hiện nay đang được thay thế bởi các PC. Tương ứng, chức năng giao diện người dùng được dùng quản lý trực tiếp bởi các hệ tập trung đang được quản lý tăng dần bởi các PC. Do đó, các hệ tập trung ngày nay hoạt động như hệ máy phục vụ để thoả mãn các yêu cầu phát sinh bởi hệ thống khách hàng. Đặc điểm chung của hệ khách hàng- máy phục vụ được mô tả trong hình-I-5: Hình 0-5 Cấu trúc chung của hệ khách hàng-máy phục vụ Các hệ máy chủ có thể được phân loại rộng rãi như máy phục vụ tính toán và máy phục vụ tập tin o Hệ máy phục vụ tính toán (Compute-server systems): cung cấp giao diện mà khách hàng có thể gởi các yêu cầu để thực hiện hoạt động. Chúng thực thi hoạt động và gởi kết quả cho khách hàng. o Hệ máy phục vụ tập tin (File-server systems ): cung cấp một giao diện hệ thống tập tin nơi khách hàng có thể tạo, cập nhật, đọc và xoá tập tin. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 10
16. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 VII.2 Hệ ngang hàng Sự phát triển của mạng máy tính-đặc biệt là Internet và Word Wide Web (WWW)-có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển gần đây của hệ điều hành. Khi PC được giới thiệu vào những năm 1970, chúng được thiết kế cho việc sử dụng “cá nhân” và thường được xem như là các máy tính đơn lẻ (standalone computer). Với việc bắt đầu sử dụng Internet phổ biến và rộng rãi vào những năm 1980 với e-mail, ftp, gopher, nhiều PC được nối vào mạng máy tính. Với sự giới thiệu dịch vụ Web vào giữa những năm 1990, nối kết mạng trở thành một thành phần quan trọng của một hệ thống mạng máy tính. Gần như tất cả máy tính PC hiện đại và các trạm làm việc có thể chạy trình duyệt Web để truy xuất tài liệu siêu văn bản trên Web. Các hệ điều hành (như Windows, OS/2, MacOS và UNIX) hiện nay cũng chứa phần mềm hệ thống (như TCP/IP và PPP) cho phép một máy tính truy xuất Internet qua một mạng cục bộ hay nối kết qua đường điện thoại. Nhiều hệ điều hành chứa trình duyệt Web cũng như khách hàng và máy phục vụ e-mail, đăng nhập từ xa, và ftp. Tương phản với các hệ thống kết nối chặt được thảo luận trong phần I.6, mạng máy tính được dùng trong các ứng dụng này gồm tập hợp các bộ xử lý không chia sẻ bộ nhớ hay đồng hồ. Thay vào đó, mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Bộ xử lý giao tiếp với bộ xử lý khác thông qua các đường truyền thông như các bus tốc độ cao hay các đường điện thoại. Các hệ thống này thường được xem như các hệ thống kết nối lỏng (hay hệ thống phân tán). Vài hệ điều hành thực hiện khái niệm mạng hơn là chú trọng cung cấp nối kết mạng. Một hệ điều hành mạng là một hệ điều hành cung cấp các đặc tính như chia sẻ tập tin qua mạng, nó chứa một cơ chế giao tiếp cho phép các quá trình khác nhau trên các máy khác nhau trao đổi thông điệp. Một máy tính chạy một hệ điều hành mạng hoạt động tự trị từ tất cả máy tính khác trên mạng, mặc dù nó nhận thức sự hiện diện của mạng và có thể giao tiếp với các máy tính được nối mạng khác. Một hệ điều hành phân tán là một môi trường ít tự trị hơn: Các hệ điều hành phân tán giao tiếp đủ gần để cung cấp một hình ảnh mà chỉ một hệ điều hành đơn lẻ điều khiển mạng. VIII Hệ thống nhóm (Clustered Systems) Tương tự các hệ song song, hệ thống nhóm tập hợp nhiều CPUs với nhau để thực hiện công việc tính toán. Tuy nhiên, hệ thống nhóm khác hệ thống song song ở điểm chúng được hợp thành từ hai hay nhiều hệ thống đơn được kết hợp với nhau. Định nghĩa của thuật ngữ nhóm (clustered) là không cụ thể. Định nghĩa thông thường có thể chấp nhận là các máy tính nhóm chia sẻ việc lưu trữ và được liên kết gần qua LAN. Nhóm thường được thực hiện để cung cấp khả năng sẳn dùng cao. Một lớp phần mềm nhóm chạy trên các nút nhóm (cluster nodes). Mỗi nút có thể kiểm soát một hay nhiều hơn một nút (qua mạng LAN). Nếu máy bị kiểm soát gặp sự cố, máy kiểm soát có thể lấy quyền sở hữu việc lưu trữ của nó và khởi động lại (các) ứng dụng mà chúng đang chạy trên máy bị sự cố. Máy bị sự cố vẫn chưa hoạt động nhưng người dùng và khách hàng của ứng dụng chỉ thấy một sự gián đoạn ngắn của dịch vụ. Trong nhóm bất đối xứng (asymmetric clustering), một máy ở trong chế độ dự phòng nóng (hot standby) trong khi các máy khác đang chạy các ứng dụng. Máy dự phòng không là gì cả ngoại trừ theo dõi server hoạt động. Nếu server đó bị lỗi, máy chủ dự phòng nóng trở thành server hoạt động. Trong chế độ đối xứng (symmetric mode), hai hay nhiều máy chủ đang chạy ứng dụng và chúng đang kiểm soát lẫn nhau. Chế độ Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 11
17. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 này chú trọng tính hiệu quả khi nó sử dụng tất cả phần cứng sẳn có. Nó thực hiện yêu cầu nhiều hơn một ứng dụng sẳn dùng để chạy. Các hình thức khác của nhóm gồm các nhóm song song (parallel clusters) và nhóm qua một WAN. Các nhóm song song cho phép nhiều máy chủ truy xuất cùng dữ liệu trên thiết bị lưu trữ được chia sẻ. Vì hầu hết các hệ điều hành hỗ trợ nghèo nàn việc truy xuất dữ liệu đồng thời bởi nhiều máy chủ, các nhóm song song thường được thực hiện bởi các ấn bản phần mềm đặc biệt và sự phát hành của các ứng dụng đặc biệt. Thí dụ, Oracle Parallel Server là một ấn bản cơ sở dữ liệu của Oracle, và lớp phần mềm ghi vết việc truy xuất tới đĩa được chia sẻ. Mỗi máy có truy xuất đầy đủ tới dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Mặc dù có nhiều cải tiến trong tính toán phân tán, hầu hết các hệ thống không cung cấp các hệ thống tập tin phân tán mục đích chung (general-purpose distributed file systems). Do đó, hầu hết các nhóm không cho phép truy xuất được chia sẻ tới dữ liệu trên đĩa. Cho mục đích này, các hệ thống tập tin phân tán phải cung cấp điều khiển truy xuất và khoá các tập tin để đảm bảo không có các thao tác xung đột xảy ra. Loại dịch vụ này thường được gọi là bộ quản lý khoá phân tán (distributed lock manager-DLM). Công nghệ nhóm đang nhanh chóng thay đổi. Những định hướng nhóm gồm các nhóm toàn cục, trong đó các máy có thể định vị bất cứ nơi nào trên thế giới (hay bất cứ nơi nào một WAN đạt tới). Các dự án như thế vẫn là chủ đề cho nghiên cứu và phát triển. Việc sử dụng hệ thống nhóm và các đặc tính nên mở rộng như mạng vùng lưu trữ (storage-area networks-SANs) chiếm ưu thế. SANs cho phép gán dễ dàng nhiều máy chủ tới nhiều đơn vị lưu trữ. Các nhóm hiện tại thường bị giới hạn tới hai hay bốn máy chủ do sự phức tạp của nối kết các máy chủ tới thiết bị lưu trữ được chia sẻ. IX Hệ thời thực Một dạng khác của hệ điều hành có mục đích đặc biệt là hệ thời thực (real-time system). Hệ thời thực được dùng khi các yêu cầu thời gian khắt khe được đặt trên thao tác của một bộ xử lý hay dòng dữ liệu; do đó, nó thường được dùng như một thiết bị điều khiển trong một ứng dụng tận hiến. Các bộ cảm biến mang dữ liệu tới máy tính. Máy tính phải phân tích dữ liệu và có thể thích ứng các điều khiển để hiệu chỉnh các dữ liệu nhập cảm biến. Các hệ thống điều khiển các thí nghiệm khoa học, hệ thống ảnh hoá y tế, hệ thống điều khiển công nghệ và các hệ thống hiển thị, Các hệ thống phun dầu động cơ ôtô, các bộ điều khiển dụng cụ trong nhà, hệ thống vũ khí cũng là các hệ thống thời thực. Một hệ thống thời thực có sự ràng buộc cố định, rõ ràng. Xử lý phải được thực hiện trong phạm vi các ràng buộc được định nghĩa hay hệ thống sẽ thất bại. Một hệ thời thực thực hiện đúng chức năng chỉ nếu nó trả về kết quả đúng trong thời gian ràng buộc. Tương phản với yêu cầu này trong hệ chia thời, ở đó nó mong muốn (nhưng không bắt buộc) đáp ứng nhanh, hay đối với hệ thống bó, nó không có ràng buộc thời gian gì cả. Hệ thời thực có hai dạng: cứng và mềm. Hệ thời thực cứng đảm bảo rằng các tác vụ tới hạn được hoàn thành đúng giờ. Mục tiêu này đòi hỏi tất cả trì hoãn trong hệ thống bị giới hạn, từ việc lấy lại dữ liệu được lưu trữ thời gian hệ điều hành hoàn thành bất cứ yêu cầu cho nó. Các ràng buộc thời gian như thế ra lệnh các phương tiện sẳn có trong hệ thời thực cứng. Thiết bị lưu trữ phụ của bất cứ thứ hạng nào thường bị giới hạn hay bị mất với dữ liệu đang được lưu trong bộ nhớ lưu trữ ngắn hạn (short- term memory) hay trong bộ nhớ chỉ đọc (ROM). Hầu hết các hệ điều hành hiện đại Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 12
18. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 không cung cấp đặc điểm này vì chúng có khuynh hướng tách rời người dùng từ phần cứng và sự tách rời này dẫn đến lượng thời gian không xác định mà thao tác sẽ mất. Thí dụ, bộ nhớ ảo hầu như chưa bao giờ thấy trong hệ thời thực. Do đó, những hệ thời thực cứng xung đột với thao tác của hệ chia thời và hai hệ này không thể đan xen nhau. Vì không có hệ điều hành đa mục đích đã có hỗ trợ chức năng thời thực cứng; chúng ta không tập trung với loại hệ thống này trong chương này. Một loại thời thực ít hạn chế hơn là hệ thời thực mềm, ở đó tác vụ thời thực tới hạn có độ ưu tiên hơn các tác vụ khác và duy trì độ ưu tiên đó cho đến khi chúng hoàn thành. Như trong hệ thời thực cứng, sự trì hoãn nhân (kernel) của hệ điều hành trì hoãn yêu cầu được giới hạn. Một tác vụ thời thực không thể giữ việc chờ không xác định đối với nhân để thực thi. Thời thực mềm là mục tiêu có thể đạt được và có thể được đan xen với các loại hệ thống khác. Tuy nhiên, hệ thời thực mềm có những tiện ích giới hạn hơn hệ thời thực cứng. Vì không hỗ trợ tốt cho thời điểm tới hạn, nên hệ thời thực mềm dễ gây rủi ro khi dùng cho việc kiểm soát công nghệ và tự động hoá. Tuy nhiên, chúng có ích trong nhiều lĩnh vực như đa phương tiện, thực tế ảo, dự án khoa học tiên tiến-như khám phá trong lòng đại dương và khám phá hành tinh. Những hệ thống này cần những đặc điểm hệ điều hành tiên tiến mà không được hỗ trợ bởi hệ thời thực cứng. Vì việc sử dụng chức năng thời thực mềm được mở rộng nên chúng ta đang tìm cách đưa chúng vào trong hầu hết các hệ điều hành hiện tại, gồm các ấn bản chính thức của UNIX. X Hệ xách tay Hệ xách tay gồm các máy hỗ trợ cá nhân dùng kỹ thuật số (personal digital assistants-PDAs) như Palm hay điện thoại di động (cellular telephone) với nối kết tới mạng như Internet. Những người phát triển hệ xách tay và ứng dụng gặp phải nhiều thử thách, nhất là sự giới hạn về kích thước của thiết bị. Thí dụ, một PDA điển hình cao khoảng 5 inches và rộng khoảng 3 inches và trọng lượng của nó ít hơn 0.5 pound. Do sự giới hạn về kích thước này, hầu hết các thiết bị xách tay có bộ nhớ nhỏ gồm các bộ xử lý thấp và màn hình hiển thị nhỏ. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét mỗi sự giới hạn này. Nhiều thiết bị xách tay có dung lượng bộ nhớ 512KB và 8 MB (ngược lại, các máy PC hay trạm làm việc có hàng trăm MB bộ nhớ). Do đó, hệ điều hành và các ứng dụng phải quản lý bộ nhớ hiệu quả. Điều này gồm trả về tất cả bộ nhớ được cấp phát tới bộ quản lý bộ nhớ một khi bộ nhớ không còn được dùng nữa. Hiện nay, nhiều thiết bị xách tay không dùng kỹ thuật bộ nhớ ảo do đó buộc người phát triển chương trình làm việc trong phạm vi giới hạn của bộ nhớ vật lý. Vấn đề thứ hai quan tâm đến người phát triển các thiết bị xách tay là tốc độ của bộ xử lý được dùng trong thiết bị. Các bộ xử lý đối với hầu hết các thiết bị xách tay thường chạy với tốc độ chỉ bằng một phần tốc độ của một bộ xử lý trong máy PC. Các bộ xử lý nhanh hơn yêu cầu điện năng nhiều hơn. Để chứa một bộ xử lý nhanh hơn bên trong thiết bị xách tay nên yêu cầu nhiều pin hơn hơn và phải được nạp lại thường xuyên. Để tối thiểu hoá kích thước của các thiết bị xách tay đòi hỏi bộ xử lý nhỏ hơn, chậm hơn tiêu thụ ít điện năng hơn. Do đó, hệ điều hành và các ứng dụng phải được thiết kế không đòi hỏi sử dụng nhiều bộ xử lý. Vấn đề cuối cùng gây khó khăn cho người thiết kế chương trình cho các thiết bị xách tay là màn hình hiển thị nhỏ. Trong khi một màn hình cho máy tính ở nhà kích thước có thể 21 inches, màn hình cho thiết bị xách tay thường có diện tích không quá 3 inches. Những tác vụ quen thuộc như đọc e-mail hay hiển thị các trang web, phải được cô đọng vào màn hình nhỏ hơn. Một phương pháp để hiển thị nội dung các trang Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 13
19. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 web là cắt xén web (web clipping), ở đó chỉ một tập hợp nhỏ trang web được phân phát và hiển thị trên thiết bị xách tay. Một số thiết bị xách tay có thể dùng công nghệ không dây như BlueTooth, cho phép truy xuất từ xa tới e-mail và trình duyệt web. Các điện thoại di động với nối kết Internet thuộc loại này. Tuy nhiên, nhiều PDAs hiện tại không cung cấp truy xuất không dây. Để tải dữ liệu xuống các thiết bị này, trước tiên người dùng tải dữ liệu xuống PC hay trạm và sau đó tải dữ liệu xuống PDA. Một số PDA cho phép dữ liệu chép trực tiếp từ một thiết bị này tới thiết bị khác dùng liên kết hồng ngoại. Nhìn chung, các giới hạn trong chức năng của PDA được cân bằng bởi những tiện dụng và linh động của chúng. Việc sử dụng chúng tiếp tục mở rộng khi các nối kết mạng trở nên sẳn dùng và các chọn lựa khác như máy ảnh và MP3 players, mở rộng tiện ích của chúng. XI Tóm tắt Hệ điều hành được phát triển hơn 45 năm qua với hai mục đích chính. Mục đích thứ nhất, hệ điều hành cố gắng lập thời biểu các hoạt động tính toán để đảm bảo năng lực thực hiện của hệ thống là tốt. Mục đích thứ hai, nó cung cấp một môi trường tiện dụng để phát triển và thực thi chương trình. Ban đầu, hệ thống máy tính được dùng từ một màn hình và bàn phím (thiết bị đầu cuối). Các phần mềm như bộ hợp ngữ (assembler), bộ nạp (loader), bộ liên kết (linkers) và các trình biên dịch (compiler) cải tiến sự tiện dụng của việc lập trình hệ thống nhưng cũng yêu cầu thời gian thiết lập đáng kể. Để giảm thời gian thiết lập, các phương tiện thuê người điều hành và các công việc tuơng tự được bó. Các hệ thống xử lý theo lô cho phép sắp xếp công việc tự động bởi hệ điều hành và cải tiến rất nhiều việc tận dụng toàn bộ máy tính. Máy tính không còn phải chờ các thao tác của người dùng. Tuy nhiên, việc tận dụng CPU vẫn còn thấp vì tốc độ của thiết bị xuất nhập thấp hơn nhiều so với tốc độ của CPU. Thao tác ngoại vi (off-line operation) của các thiết bị chậm cung cấp một phương tiện sử dụng nhiều hệ thống bộ đọc tới băng từ (reader-to-tape) và băng từ tới máy in (tape-to-printer) cho một CPU. Để cải tiến toàn bộ năng lực thực hiện của hệ thống máy tính, người phát triển giới thiệu khái niệm đa chương để mà nhiều công việc có thể được giữ cùng lúc trong bộ nhớ tại cùng một thời điểm. CPU được chuyển qua lại giữa chúng để gia tăng việc tận dụng CPU và giảm toàn bộ thời gian được yêu cầu để thực thi các công việc. Đa chương cũng cho phép chia sẻ thời gian. Hệ điều hành chia sẻ thời gian cho phép nhiều người dùng (từ một tới vài trăm) sử dụng hệ thống máy tính giao tiếp tại cùng một thời điểm. PC là máy vi tính; chúng xem như nhỏ hơn và rẻ hơn hệ thống mainframe. Các hệ điều hành cho các máy tính này lợi hơn việc phát triển hệ điều hành cho máy tính mainframe trong nhiều cách. Tuy nhiên, vì mỗi cá nhân là người dùng duy nhất sử dụng máy tính nên việc tận dụng CPU không còn là mối quan tâm chủ yếu. Do đó, một vài quyết định thiết kế được thực hiện cho hệ điều hành cho máy mainframe có thể không phù hợp cho cả hệ thống nhỏ và lớn, hiện nay khi các PCs có thể được nối kết tới các máy tính khác và người dùng thông qua mạng và Web. Các hệ song song có nhiều hơn một CPU trong giao tiếp gần; các CPU chia sẻ bus máy tính và đôi khi chia sẻ bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Những hệ thống như thế có thế cung cấp thông lượng và khả năng tin cậy tăng. Các hệ thống phân tán cho phép chia sẻ tài nguyên trên những máy chủ được phân tán về mặt địa lý. Các hệ thống được nhóm cho phép nhiều máy thực hiện việc tính toán trên dữ liệu được chứa trên Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 14
20. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 thiết bị lưu trữ chia sẻ và để việc tính toán tiếp tục trong trường hợp lỗi của tập hợp con các thành viên nhóm. Một hệ thời thực cứng thường được dùng như một thiết bị điều khiển trong một ứng dụng tận hiến. Một hệ điều hành thời thực cứng có ràng buộc hoàn toàn xác định và thời gian cố định. Xử lý phải được thực hiện trong các ràng buộc được xác định hoặc hệ thống sẽ bị lỗi. Các hệ thống thời thực mềm có ràng buộc thời gian ít nghiêm khắc hơn và không hỗ trợ thời biểu tới hạn. Gần đây sự tác động của Internet và World Wide Web khuyến khích sự phát triển của các hệ điều hành hiện đại. Các hệ điều hành này chứa các trình duyệt Web, mạng và phần mềm truyền thông như là các đặc điểm tích hợp. Chúng ta đã thể hiện tiến trình luận lý của sự phát hệ điều hành, được định hướng bởi sự bao gồm các đặc điểm trong phần cứng CPU được yêu cầu cho chức năng tiên tiến. Xu hướng này có thể được thấy ngày nay trong cuộc cách mạng của PC, với phần cứng ngày một rẻ hơn và đang được cải tiến đủ để cho phép cải tiến các đặc điểm. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 15
21. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU HÀNH I Mục đích Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau: o Hiểu hệ điều hành từ ba khía cạnh: người dùng, người lập trình và người thiết kế o Hiểu các dịch vụ mà hệ điều hànhcung cấp o Biết các phương pháp được dùng để thiết kế kiến trúc hệ điều hành II Giới thiệu Hệ điều hành cung cấp môi trường cho các chương trình thực thi. Nội tại, các hệ điều hành rất khác biệt nhau về kiến trúc, chúng được tổ chức cùng với các dòng khác nhau. Thiết kế một hệ điều hành mới là một công việc quan trọng. Các mục đích của hệ thống phải được định nghĩa rõ ràng trước khi thiết kế bắt đầu. Kiểu hệ thống mong muốn là cơ sở cho việc chọn lựa giữa các giải thuật và chiến lược khác nhau. Hệ điều hành có thể được nhìn từ nhiều lợi điểm khác nhau. Người này xem xét các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp. Người kia quan tâm đến giao diện mà hệ điều hành mang lại cho người dùng và người lập trình. Người khác lại phân rã hệ thống thành những thành phần và các mối quan hệ bên trong của chúng. Trong chương này chúng ta tìm hiểu cả ba khía cạnh của hệ điều hành, thể hiện ba quan điểm của người dùng, người lập trình và người thiết kế hệ điều hành. Chúng ta xem xét các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp, cách chúng được cung cấp và các phương pháp khác nhau được dùng cho việc thiết kế hệ điều hành. III Các thành phần hệ thống Chúng ta có thể tạo ra một hệ thống lớn và phức tạp như hệ điều hành chỉ khi phân chia hệ điều hành thành những phần nhỏ hơn. Mỗi phần nên là một thành phần được mô tả rõ ràng của hệ thống, với xuất, nhập và các chức năng được định nghĩa cẩn thận. Tuy nhiên, nhiều hệ thống hiện đại chia sẻ mục tiêu hỗ trợ các thành phần hệ thống được liệt kê sau đây: III.1 Quản lý quá trình Một chương trình không làm gì trừ khi các chỉ thị của nó được thực thi bởi một CPU. Một quá trình có thể được xem như một chương đang thực thi, nhưng định nghĩa của nó sẽ mở rộng khi chúng ta khám phá chi tiết hơn. Một chương trình người dùng được chia thời chẳng hạn như một trình biên dịch là một quá trình. Một chương trình xử lý văn bản đang được thực thi bởi một người dùng trên một PC cũng là một quá trình. Một tác vụ hệ thống, như gởi dữ liệu xuất ra máy in cũng được xem là một quá trình. Bây giờ chúng ta có thể xem xét một quá trình là một công việc hay chương trình chia thời, nhưng chúng ta sẽ nghiên cứu khái niệm này tổng quát hơn trong các chương sau. Một quá trình cần các tài nguyên xác định-gồm thời gian CPU, bộ nhớ, tập tin, các thiết bị xuất/nhập-để hoàn thành tác vụ của nó. Các tài nguyên này được cấp cho Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 18
22. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 quá trình khi nó được tạo ra, hay được cấp phát tới nó khi nó đang chạy. Ngoài ra, các tài nguyên vật lý và luận lý khác nhau mà quá trình nhận được khi nó được tạo, dữ liệu khởi tạo khác nhau (hay nhập) có thể được truyền qua. Thí dụ, xem xét một quá trình có chức năng hiển thị trạng thái của một tập tin trên màn hình của một thiết bị đầu cuối. Quá trình này sẽ được cho dữ liệu vào là tên của tập tin, và sẽ thực thi các chỉ thị thích hợp và các lời gọi hệ thống đạt được và xuất trên thiết bị cuối thông tin mong muốn. Khi quá trình này kết thúc, hệ điều hành sẽ đòi lại bất cứ tài nguyên nào có thể dùng lại. Chúng ta nhấn mạnh một chương trình chính nó không phải là một quá trình; một chương trình là một thực thể thụ động, như là nội dung của tập tin được lưu trên đĩa, trái lại một quá trình là một thực thể hoạt động, với một bộ đếm chương trình xác định chỉ thị kế tiếp để thực thi. Việc thực thi của quá trình phải là tuần tự. CPU thực thi một chỉ thị của quá trình sau khi đã thực thi một chỉ thực trước đó cho đến khi quá trình hoàn thành. Ngoài ra, tại bất kỳ thời điểm nào, tối đa một chỉ thị được thực thi cho quá trình. Do đó, mặc dù hai quá trình có thể được liên kết với cùng một quá trình, vì thế chúng được xem như hai chuỗi thực thi riêng. Thông thường có một chương trình sinh ra nhiều quá trình khi nó thực thi. Một quá trình là một đơn vị công việc trong hệ thống. Một hệ thống chứa tập các quá trình, một vài quá trình này là các quá trình hệ điều hành (thực thi mã hệ thống) và các quá trình còn lại là các quá trình người dùng (chúng thực thi mã người dùng). Tất cả các quá trình này có tiềm năng thực thi đồng hành bằng cách đa hợp CPU giữa các quá trình. Hệ điều hành có nhiệm vụ cho các hoạt động sau khi đề cập đến chức năng quản lý quá trình: o Tạo và xoá các quá trình người dùng và hệ thống o Tạm dừng và thực thi tiếp quá trình o Cung cấp các cơ chế đồng bộ hoá quá trình o Cung cấp các cơ chế giao tiếp quá trình o Cung cấp cơ chế quản lý deadlock III.2 Quản lý bộ nhớ chính Bộ nhớ chính là trung tâm điều hành của một máy tính hiện đại. Bộ nhớ chính là một mảng các từ (words) hay bytes có kích thước lớn từ hàng trăm ngàn tới hàng tỉ. Mỗi từ hay byte có địa chỉ riêng. Bộ nhớ chính là một kho chứa dữ liệu có khả năng truy xuất nhanh được chia sẻ bởi CPU và các thiết bị xuất/nhập. Bộ xử lý trung tâm đọc các chỉ thị từ bộ nhớ trong chu kỳ lấy chỉ thị, nó đọc và viết dữ liệu từ bộ nhớ chính trong chu kỳ lấy dữ liệu. Bộ nhớ chính thường là thiết bị lưu trữ lớn mà CPU có thể định địa chỉ và truy xuất trực tiếp. Thí dụ, đối với CPU xử lý dữ liệu từ đĩa, dữ liệu trước tiên được chuyển tới bộ nhớ chính bởi lời gọi xuất/nhập được sinh ra bởi CPU. Tương tự, các chỉ thị phải ở trong bộ nhớ cho CPU thực thi chúng. Đối với một chương trình được thực thi, nó phải được ánh xạ các địa chỉ và được nạp vào bộ nhớ. Khi chương trình thực thi, nó truy xuất các chỉ thị chương trình và dữ liệu từ bộ nhớ bằng cách tạo ra các địa chỉ tuyệt đối này. Cuối cùng, chương trình kết thúc, không gian bộ nhớ của nó được khai báo sẳn, và chương trình có thể được nạp và thực thi. Để cải tiến việc sử dụng CPU và tốc độ đáp ứng của máy tính cho người dùng, chúng ta phải giữ nhiều chương trình vào bộ nhớ. Nhiều cơ chế quản lý bộ nhớ khác nhau được dùng và tính hiệu quả của các giải thuật phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Chọn một cơ chế quản lý bộ nhớ cho một hệ thống xác định phụ thuộc vào nhiều Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 19
23. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 yếu tố-đặc biệt trên thiết kế phần cứng của hệ thống. Mỗi giải thuật đòi hỏi sự hỗ trợ phần cứng của nó. Hệ điều hành có nhiệm vụ cho các hoạt động sau khi đề cập tới việc quản lý bộ nhớ o Giữ vết về phần nào của bộ nhớ hiện đang được dùng và quá trình nào đang dùng. o Quyết định quá trình nào được nạp vào bộ nhớ khi không gian bộ nhớ trở nên sẳn dùng. o Cấp phát và thu hồi không gian bộ nhớ khi được yêu cầu. III.3 Quản lý tập tin Quản lý tập tin là một trong những thành phần có thể nhìn thấy nhất của hệ điều hành. Máy tính có thể lưu thông tin trên nhiều loại phương tiện lưu trữ vật lý khác nhau. Băng từ, đĩa từ, đĩa quang là những phương tiện thông dụng nhất. Mỗi phương tiện này có đặc điểm và tổ chức riêng. Mỗi phương tiện được điều khiển bởi một thiết bị, như một ổ đĩa hay ổ băng từ. Các thuộc tính này bao gồm tốc độ truy xuất, dung lượng, tốc độ truyền dữ liệu và phương pháp truy xuất (tuần tự hay ngẫu nhiên). Nhờ vào việc sử dụng thuận lợi hệ thống máy tính, hệ điều hành cung cấp tầm nhìn luận lý của việc lưu trữ thông tin đồng nhất. Hệ điều hành trừu tượng hoá các thuộc tính vật lý của các thiết bị lưu trữ để định nghĩa một đơn vị lưu trữ luận lý là tập tin. Hệ điều hành ánh xạ các tập tin trên các thiết bị lưu trữ vật lý, và truy xuất các tập tin này bằng các thiết bị lưu trữ. Tập tin là tập hợp thông tin có quan hệ được định nghĩa bởi người tạo. Thông thường, các tập tin biểu diễn chương trình và dữ liệu. Các tập tin dữ liệu có thể là số, chữ cái, chữ số. Các tập tin có dạng bất kỳ (thí dụ, các tập tin văn bản) hay có thể được định dạng có cấu trúc (thí dụ, các trường cố định). Một tập tin chứa một chuỗi các bits, bytes, các dòng hay các mẫu tin mà ý nghĩa của nó được định nghĩa bởi người tạo. Khái niệm tập tin là một khái niệm cực kỳ thông dụng. Hệ điều hành cài đặt một khái niệm trừu tượng của tập tin bằng cách quản lý phương tiện lưu trữ như đĩa, băng từ và các thiết bị điều khiển chúng. Các tập tin cũng thường được tổ chức trong các thư mục để dễ dàng sử dụng chúng. Cuối cùng, khi nhiều người dùng truy xuất tập tin, chúng ta muốn kiểm soát ai và trong cách gì (thí dụ: đọc, viết, chèn, ) các tập tin có thể được truy xuất. Hệ điều hành có nhiệm vụ thực hiện các hoạt động trong việc quản lý hệ thống tập tin: o Tạo và xoá tập tin o Tạo và xoá thư mục o Hỗ trợ các hàm nguyên thuỷ để thao tác tập tin và thư mục o Ánh xạ các tập tin trên các thiết bị lưu trữ phụ o Sao lưu dự phòng tập tin trên các phương tiện lưu trữ ổ định III.4 Quản lý hệ thống xuất/nhập Một trong những mục đích của hệ điều hành là che giấu sự khác biệt của các thiết bị phần cứng từ người dùng. Thí dụ, trong UNIX sự khác biệt của các thiết bị xuất/nhập bị che giấu từ phần chính của hệ điều hành bởi các hệ thống con xuất/nhập. Hệ thống con xuất/nhập chứa: o Thành phần quản lý bộ nhớ chứa vùng đệm (buffering), lưu trữ (caching) và spooling (vùng chứa). Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 20
24. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 o Giao diện trình điều khiển thiết bị chung. o Trình điều khiển cho các thiết bị xác định. Chỉ trình điều khiển thiết bị biết sự khác biệt của các thiết bị xác định mà nó được gán III.5 Quản lý việc lưu trữ phụ Mục đích chính của một hệ thống máy tính là thực thi các chương trình. Những chương trình này với dữ liệu chúng truy xuất phải nằm trong bộ nhớ chính hay lưu trữ chính trong quá trình thực thi. Vì bộ nhớ chính quá nhỏ để lưu tất cả dữ liệu và chương trình và vì dữ liệu quản lý bị mất khi mất điện, hệ thống máy tính phải cung cấp việc lưu trữ phụ để lưu dự phòng bộ nhớ chính. Hầu hết các hệ thống máy tính hiện đại dùng đĩa như phương tiện lưu trữ trực tuyến cho cả chương trình và dữ liệu. Hầu hết các chương trình – gồm trình biên dịch, trình dịch hợp ngữ, thủ tục sắp xếp, trình soạn thảo và trình định dạng – được lưu trên đĩa cho tới khi được nạp vào trong bộ nhớ và sau đó dùng đĩa khi cả hai nguồn và đích của việc xử lý. Do đó, quản lý hợp lý việc lưu trữ đĩa có vai trò quan trọng đối với một hệ thống máy tính. Hệ điều hành có nhiệm vụ thực hiện các hoạt động sau trong việc quản lý đĩa: o Quản lý không gian trống o Cấp phát lưu trữ o Định thời đĩa Vì lưu trữ phụ được dùng thường xuyên nên nó phải được dùng một cách hiệu quả. Tốc độ toàn bộ của các thao tác của máy tính có thể xoay quanh tốc độ hệ thống con đĩa và các giải thuật thao tác trên hệ thống con đó. III.6 Mạng Hệ phân tán là tập hợp các bộ xử lý, chúng không chia sẻ bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi hay đồng hồ. Thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ, đồng hồ và các bộ xử lý giao tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp như bus tốc độ cao hay mạng. Các bộ xử lý trong hệ thống phân tán khác nhau về kích thước và chức năng. Chúng có thể chứa các bộ vi xử lý, trạm làm việc, máy vi tính và các hệ thống máy tính thông thường. Các bộ xử lý trong hệ thống được nối với nhau thông qua mạng truyền thông có thể được cấu hình trong nhiều cách khác nhau. Mạng có thể được nối kết một phần hay toàn bộ. Thiết kế mạng truyền thông phải xem xét vạch đường thông điệp và các chiến lược nối kết, và các vấn đề cạnh tranh hay bảo mật. Hệ thống phân tán tập hợp những hệ thống vật lý riêng rẻ, có thể có kiến trúc không đồng nhất thành một hệ thống chặt chẻ, cung cấp người dùng với truy xuất tới các tài nguyên khác nhau mà hệ thống duy trì. Truy xuất tới các tài nguyên chia sẻ cho phép tăng tốc độ tính toán, chức năng, khả năng sẳn dùng của dữ liệu, khả năng tin cậy. Hệ điều hành thường tổng quát hoá việc truy xuất mạng như một dạng truy xuất tập tin, với những chi tiết mạng được chứa trong trình điều khiển thiết bị của giao diện mạng. Các giao thức tạo một hệ thống phân tán có thể có một ảnh hưởng to lớn trên tiện ích và tính phổ biến của hệ thống đó. Sự đổi mới của World Wide Web đã tạo ra một phương pháp truy xuất mới cho thông tin chia sẻ. Nó đã cải tiến giao thức truyền tập tin (File Transfer Protocol-FTP) và hệ thống tập tin mạng (Network File System-NFS) đã có bằng cách xoá yêu cầu cho một người dùng đăng nhập trước khi người dùng đó được phép dùng tài nguyên ở xa. Định nghĩa một giao thức mới, giao thức truyền siêu văn bản (hypertext transfer protocol-http), dùng trong giao tiếp giữa một trình phục vụ web và trình duyệt web. Trình duyệt web chỉ cần gởi yêu cầu thông tin tới một trình Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 21
25. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 phục vụ web của máy ở xa, thông tin (văn bản, đồ hoạ, liên kết tới những thông tin khác) được trả về. III.7 Hệ thống bảo vệ Nếu một hệ thống máy tính có nhiều người dùng và cho phép thực thi đồng hành của nhiều quá trình, thì các quá trình khác nhau phải được bảo vệ từ các hoạt động của quá trình khác. Cho mục đích này, các cơ chế đảm bảo rằng các tập tin, phân đoạn bộ nhớ, CPU, và các tài nguyên khác có thể được điều hành chỉ bởi các quá trình có quyền phù hợp từ hệ điều hành. Thí dụ, phần cứng định địa chỉ bộ nhớ đảm bảo rằng một quá trình có thể thực thi chỉ trong không gian địa chỉ của chính nó. Bộ định thời đảm bảo rằng không có quá trình nào có thể đạt được điều khiển của CPU mà cuối cùng không trả lại điều khiển. Các thanh ghi điều khiển thiết bị không thể truy xuất tới người dùng vì thế tính đúng đắn của các thiết bị ngoại vi khác nhau được bảo vệ. Bảo vệ là một cơ chế để điều khiển truy xuất của các chương trình, quá trình hay người dùng tới tài nguyên được định nghĩa bởi một hệ thống máy tính. Cơ chế này phải cung cấp phương tiện để đặc tả các điều khiển được áp đặt và phương tiện cho việc ép buộc. Bảo vệ có thể cải tiến khả năng tin cậy bằng cách phát hiện các lỗi tiềm tàng tại các giao diện giữa các hệ thống con thành phần. Phát hiện các lỗi giao diện sớm thường có thể ngăn chặn nguy cơ ảnh hưởng tới hệ thống con bởi một hệ thống con khác. Tài nguyên không được bảo vệ không thể ngăn chặn việc sử dụng bởi người dùng không có quyền. Hệ thống hướng bảo vệ (protection-oriented system) cung cấp một phương tiện để phân biệt giữa việc dùng có quyền và không có quyền. III.8 Hệ thống thông dịch lệnh Một trong những chương trình hệ thống quan trọng nhất đối với hệ điều hành là trình thông dịch lệnh. Nó là giao diện giữa người dùng và hệ điều hành. Một vài hệ điều hành chứa trình thông dịch lệnh trong nhân (kernel). Các hệ điều hành khác nhau như MS-DOS và UNIX xem trình thông dịch lệnh như một chương trình đặc biệt đang chạy khi một công việc được khởi tạo hay khi người dùng đăng nhập lần đầu tiên (trên các hệ thống chia thời). Nhiều lệnh (commands) được cung cấp tới hệ điều hành bởi các lệnh điều khiển (control statements). Khi một công việc mới được bắt đầu trong hệ thống bó, hay khi một người dùng đăng nhập tới hệ thống chia thời, một chương trình đọc và thông dịch các câu lệnh điều khiển được thực thi tự động. Chương trình này còn được gọi trình thông dịch thẻ điều khiển (control-card interpreter) hay trình thông dịch dòng lệnh và thường được biết như shell. Chức năng của nó đơn giản là: lấy câu lệnh tiếp theo và thực thi nó. Các hệ điều hành thường khác nhau trong vùng shell, với một trình thông dịch lệnh thân thiện với người dùng làm cho hệ thống có thể chấp nhập nhiều hơn đối với người dùng. Một dạng giao diện thân thiện người dùng là hệ thống trình đơn-cửa sổ trên cơ sở chuột (mouse-based window-and-menu system) được dùng trong Macintosh và Microsoft Windows. Chuột được di chuyển tới vị trí con trỏ chuột trên ảnh hay biểu tượng trên màn hình biểu diễn các chương trình, tập tin, và các hàm hệ thống. Phụ thuộc vào vị trí con trỏ chuột, nhấn một nút trên chuột có thể nạp một chương trình, chọn một tập tin hay thư mục hay kéo xuống một trình đơn chứa các câu lệnh. Các shell mạnh hơn, phức tạp hơn và khó học hơn được đánh giá cao bởi một số người dùng khác. Trong những shell này, các lệnh được đánh vào từ bàn phím Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 22
26. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 được hiển thị trên màn hình hay in ra thiết bị đầu cuối, với phím enter (hay return) chỉ rằng một lệnh hoàn thành và sẳn sàng được thực thi. Shell của MS-DOS và UNIX điều hành theo cách này. Các câu lệnh giải quyết việc tạo và quản lý quá trình, quản lý xuất/nhập, quản lý việc lưu trữ phụ, quản lý bộ nhớ chính, truy xuất hệ thống tập tin, bảo vệ và mạng. IV Các dịch vụ hệ điều hành Hệ điều hành cung cấp một môi trường cho việc thực thi các chương trình. Nó cung cấp các dịch vụ xác định tới chương trình và tới người dùng của các chương trình đó. Dĩ nhiên, các dịch vụ được cung cấp khác nhau từ hệ điều hành này với hệ điều hành kia nhưng chúng có thể xác định các lớp chung. Các dịch vụ hệ điều hành được cung cấp sự tiện dụng cho người lập trình để thực hiện tác vụ lập trình dễ dàng. o Thực thi chương trình: hệ thống phải có thể nạp chương trình vào bộ nhớ và chạy chương trình đó. Chương trình phải có thể kết thúc việc thực thi của nó bình thường hay không bình thường (hiển thị lỗi). o Thao tác xuất/nhập: một chương trình đang chạy có thể yêu cầu xuất/nhập. Xuất/nhập này có thể liên quan tới tập tin hay thiết bị xuất/nhập. Đối với các thiết bị cụ thể, các chức năng đặc biệt có thể được mong muốn (như quay lại từ đầu một ổ băng từ, hay xoá màn hình). Đối với tính hiệu quả và tính bảo vệ, người dùng thường không thể điều khiển các thiết bị xuất/nhập trực tiếp. Do đó, hệ điều hành phải cung cấp một phương tiện để thực hiện xuất/nhập o Thao tác hệ thống tập tin: hệ thống tập tin có sự quan tâm đặc biệt. Các chương trình cần đọc từ và viết tới các tập tin. Chương trình cũng cần tạo và xoá tập tin bằng tên. o Giao tiếp: trong nhiều trường hợp, một quá trình cần trao đổi thông tin với các quá trình khác. Giao tiếp như thế có thể xảy ra trong hai cách chính. Cách đầu tiên xảy ra giữa các quá trình được thực thi trên cùng máy tính; cách thứ hai xảy ra giữa hai quá trình đang được thực thi trên các máy tính khác nhau được kết nối với nhau bởi một mạng máy tính. Các giao tiếp có thể được thực hiện bằng bộ nhớ được chia sẻ, hay bằng kỹ thuật truyền thông điệp, trong đó các gói tin được di chuyển giữa các quá trình bởi hệ điều hành. o Phát hiện lỗi: hệ điều hành liên tục yêu cầu nhận biết các lỗi có thể phát sinh. Các lỗi có thể xảy ra trong CPU và phần cứng bộ nhớ (như lỗi bộ nhớ hay lỗi về điện), trong các thiết bị xuất/nhập (như lỗi chẳn lẻ trên băng từ, lỗi nối kết mạng, hết giấy in) và trong chương trình người dùng (như tràn số học, cố gắng truy xuất một vị trí bộ nhớ không hợp lệ, dùng quá nhiều thời gian CPU). Đối với mỗi loại lỗi, hệ điều hành nên thực hiện một hoạt động hợp lý để đảm bảo tính toán đúng và không đổi. Ngoài ra, một tập chức năng khác của hệ điều hành tồn tại không giúp người dùng, nhưng đảm bảo các điều hành hữu hiệu của chính hệ thống. Các hệ thống với nhiều người dùng có thể đạt tính hữu hiệu bằng cách chia sẻ tài nguyên máy tính giữa các người dùng. o Cấp phát tài nguyên: khi nhiều người dùng đăng nhập vào hệ thống hay nhiều công việc đang chạy cùng lúc, tài nguyên phải được cấp tới mỗi người dùng. Nhiều loại tài nguyên khác nhau được quản lý bởi hệ điều hành. Một số tài nguyên (như chu kỳ CPU, bộ nhớ chính, lưu trữ tập tin) có mã cấp Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 23
27. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 phát đặt biệt, trái lại các tài nguyên khác (như thiết bị xuất/nhập) có mã yêu cầu và giải phóng thường hơn. Thí dụ, xác định cách tốt nhất để dùng CPU, hệ điều hành có các thủ tục định thời biểu CPU. Các thủ tục này xem xét tốc độ CPU, các công việc phải được thực thi, số thanh ghi sẳn dùng và các yếu tố khác. Cũng có các thủ tục cấp phát ổ băng từ để dùng cho một công việc. Một thủ tục như thế định vị ổ băng từ chưa được dùng và đánh dấu một bảng bên trong để ghi người dùng mới của ổ băng từ. Một thủ tục khác được dùng để xoá bảng đó. Các thủ tục này cũng có thể cấp phát các máy vẽ, modem, các thiết bị ngoại vi khác. o Tính toán: chúng ta muốn giữ vết người dùng nào sử dụng bao nhiêu và loại tài nguyên máy tính nào. Giữ vết này có thể được dùng để tính toán (tính tiền người dùng) hay đơn giản thống kê sử dụng. Thống kê sử dụng có thể là công cụ có giá trị cho người nghiên cứu muốn cấu hình lại hệ thống để cải tiến các dịch vụ tính toán. o Bảo vệ: người sở hữu thông tin được lưu trong hệ thống máy tính đa người dùng muốn điều khiển thông tin này. Khi nhiều quá trình riêng rẻ thực thi đồng hành, không thể cho một quá trình can thiệp tới các quá trình khác hay tới chính hệ điều hành. Bảo vệ đảm bảo rằng tất cả truy xuất tài nguyên của hệ thống được kiểm soát. An toàn hệ thống từ người dùng bên ngoài cũng là vấn đề quan trọng. An toàn bắt đầu với mỗi người dùng có quyền đối với hệ thống, thường bằng mật khẩu để được phép truy xuất tài nguyên. Mở rộng việc bảo vệ đối với các thiết bị xuất/nhập bên ngoài, bao gồm modem, card mạng từ những truy xuất không hợp lệ, và ghi lại các nối kết để phát hiện đột nhập vào hệ thống. Nếu hệ thống bảo vệ và bảo mật, những cảnh báo phải được thiết lập xuyên suốt. V Lời gọi hệ thống Lời gọi hệ thống cung cấp giao diện giữa một quá trình và hệ điều hành. Các lời gọi này thường sẳn dùng như các chỉ thị hợp ngữ và chúng thường được liệt kê trong những tài liệu hướng dẫn sử dụng được dùng bởi những người lập trình hợp ngữ. Những hệ thống xác định cho phép lời gọi hệ thống được thực hiện trực tiếp từ một chương trình ngôn ngữ cấp cao, trong đó các lời gọi thường tương tự lời gọi hàm hay thủ tục được định nghĩa trước. Chúng có thể tạo ra một lời gọi tới một chương trình con tại thời điểm thực thi cụ thể. Lời gọi hệ thống xảy ra trong nhiều cách khác nhau, phụ thuộc vào máy tính đang dùng. Thường nhiều thông tin được yêu cầu hơn là đơn giản xác định lời gọi hệ thống mong muốn. Loại chính xác và lượng thông tin khác nhau dựa vào hệ điều hành và lời gọi cụ thể. Thí dụ, để nhập dữ liệu, chúng ta có thể cần xác định tập tin hay thiết bị dùng như nguồn nhập, địa chỉ và chiều dài vùng đệm bộ nhớ mà dữ liệu nhập sẽ được đọc vào. Dĩ nhiên, thiết bị hay tập tin và chiều dài có thể ẩn trong lời gọi. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 24
28. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Hình 0-1-Truyền tham số như bảng Có ba phương pháp thông dụng để truyền tham số tới hệ điều hành. Phương pháp đơn giản nhất là truyền tham số trong các thanh ghi. Trong một vài trường hợp, các tham số thường lưu trữ trong một khối hay bảng trong bộ nhớ và địa chỉ của khối được truyền như một tham số trong thanh ghi (Hình II.1). Các tham số cũng có thể được thay thế, hay được đẩy vào trong ngăn xếp bởi chương trình, và được lấy ra khỏi ngăn xếp bởi hệ điều hành. Một vài hệ điều hành dùng phương pháp khối hay ngăn xếp vì các phương pháp này không giới hạn số lượng hay chiều dài của tham số đang được truyền. VI Các chương trình hệ thống Một khía cạnh khác của hệ thống hiện đại là tập hợp các chương trình hệ thống. Xem lại hình I.1, nó minh họa cấu trúc phân cấp máy tính luận lý. Tại cấp thấp nhất là phần cứng. Kế đến là hệ điều hành, sau đó các chương trình hệ thống và cuối cùng là các chương trình ứng dụng. Các chương trình hệ thống cung cấp môi trường thuận lợi cho việc phát triển và thực thi chương trình. Vài trong chúng là các giao diện người dùng đơn giản cho các lời gọi hệ thống; các hệ thống còn lại được xem xét phức tạp hơn. Chúng có thể được chia thành các loại sau: o Quản lý tập tin: các chương trình tạo, xóa, chép, đổi tên, in, kết xuất, liệt kê, và các thao tác tập tin thư mục thông thường. o Thông tin trạng thái: một vài chương trình đơn giản yêu cầu hệ thống ngày, giờ, lượng bộ nhớ hay đĩa sẳn dùng, số lượng người dùng, hay thông tin trạng thái tương tự. Sau đó, thông tin được định dạng và được in tới thiết bị đầu cuối hay thiết bị xuất khác hoặc tập tin. o Thay đổi tập tin: nhiều trình soạn thảo văn bản có thể sẳn dùng để tạo và thay đổi nội dung của tập tin được lưu trên đĩa hay băng từ. o Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: trình biên dịch, trình hợp ngữ và trình thông dịch cho các ngôn ngữ lập trình thông dụng (như C, C++, Java, Visual Basic và PERL) thường được cung cấp tới người dùng với hệ điều hành. Hiện nay, một vài chương trình này được cung cấp riêng và có giá cả riêng. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 25
29. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 o Nạp và thực thi chương trình: một khi chương trình được tập hợp hay được biên dịch, nó phải được nạp vào bộ nhớ để được thực thi. Hệ thống có thể cung cấp bộ nạp tuyệt đối, bộ nạp có thể tái định vị, bộ soạn thảo liên kết và bộ nạp phủ lắp. Các hệ thống gỡ rối cho các ngôn ngữ cấp cao hay ngôn ngữ máy cũng được yêu cầu. o Giao tiếp: các chương trình này cung cấp cơ chế tạo các nối kết ảo giữa các quá trình, người dùng, các hệ thống máy tính khác. Chúng cho phép người dùng gởi các thông điệp tới màn hình của người dùng khác, hiển thị các trang web, gởi thư điện tử, đăng nhập từ xa hay để chuyển các tập tin từ máy tính này tới máy tính khác. Nhiều hệ điều hành được cung cấp với các chương trình giải quyết các vấn đề giao tiếp thông thường hay thực hiện các thao tác phổ biến. Những chương trình như thế gồm các trình duyệt Web, bộ xử lý văn bản và bộ định dạng văn bản, hệ cơ sở dữ liệu, trình biên dịch, các gói phần mềm đồ họa và phân tích thống kê, trò chơi, Những chương trình này được gọi là các tiện ích hệ thống hay chương trình ứng dụng. Hầu hết người dùng nhìn hệ điều hành như các chương trình hệ thống hơn các lời gọi hệ thống thực sự. Nghĩ về việc sử dụng một PC. Khi máy tính của chúng ta chạy hệ điều hành Microsoft Windows, chúng ta có thể thấy một trình thông dịch dòng lệnh MS-DOS hay giao diện cửa sổ và trình đơn đồ họa. Cả hai sử dụng cùng một tập lời gọi hệ thống như lời gọi hệ thống trông rất khác và hoạt động trong các cách khác nhau. Do đó, tầm nhìn của chúng ta về thực chất có thể bị tách rời với cấu trúc hệ thống thực sự. Vì thế, thiết kế một giao diện tiện dụng và thân thiện không là một chức năng trực tiếp của hệ điều hành. Trong giáo trình này chúng ta sẽ tập trung các vấn đề cơ bản của việc cung cấp dịch vụ đầy đủ cho các chương trình người dùng. Từ quan điểm hệ điều hành, chúng ta không phân biệt sự khác nhau giữa các chương trình người dùng và các chương trình hệ thống. VII Cấu trúc hệ thống Một hệ thống lớn và phức tạp như một hệ điều hành hiện đại phải được xây dựng cẩn thận nếu nó thực hiện chức năng hợp lý và được hiệu chỉnh dễ dàng. Một phương pháp thông thường là chia tác vụ thành các thành phần nhỏ hơn là có một hệ thống nguyên khối. Mỗi modules này nên là một thành phần hoàn toàn xác định với nhập, xuất, chức năng được định nghĩa cẩn thận. Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận về cách thức mà các thành phần được nối kết và trộn lẫn trong một nhân. VII.1 Cấu trúc đơn giản Hình 0-2-Cấu trúc phân tầng của MS-DOS Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 26
30. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Nhiều hệ thống thương mại không có kiến trúc rõ ràng. Thường các hệ điều hành như thế được bắt đầu như các hệ thống nhỏ, đơn giản và có giới hạn. Sau đó chúng lớn lên ngoài giới hạn mã ban đầu của chúng. MS-DOS là một thí dụ cho hệ thống dạng này. Ban đầu, nó được thiết kế và thực hiện bởi một vài người mà họ không tưởng rằng chúng sẽ trở nên quá phổ biến. Nó được viết để cung cấp các khả năng nhiều nhất trong không gian ít nhất (vì bị giới hạn bởi phần cứng mà nó đang chạy) vì nó không được phân chia thành các modules một cách cẩn thận. Hình II.2, hiển thị cấu trúc của nó. UNIX là một hệ điều hành khác mà ban đầu nó bị giới hạn bởi chức năng phần cứng. Nó chứa hai phần có thể tách rời nhau: nhân và các chương trình hệ thống. Nhân lại được chia thành một loạt các giao diện và trình điều khiển thiết bị mà chúng được thêm vào và mở rộng qua nhiều năm khi UNIX được cải tiến. Chúng ta có thể hiển thị hệ điều hành UNIX truyền thống khi nó được phân tầng như hình II.3. Mọi thứ bên dưới giao diện lời gọi hệ thống và bên trên phần cứng vật lý là nhân. Nhân cung cấp hệ thống tập tin, bộ định thời CPU, quản lý bộ nhớ và các chức năng khác của hệ điều hành thông qua lời gọi hệ thống. Có rất nhiều chức năng được nối kết trong cấp thứ nhất. Điều này làm cho UNIX khó có thể nâng cấp khi những thay đổi trong phần một ảnh hưởng bất lợi cho những phần khác. Hình 0-3 – Cấu trúc hệ thống của UNIX Lời gọi hệ thống định nghĩa giao diện lập trình ứng dụng (API-Application Programming Interface) cho UNIX; tập hợp các chương trình hệ thống thường sẳn dùng định nghĩa giao diện người dùng. Người lập trình và giao diện người dùng định nghĩa ngữ cảnh mà nhân phải hỗ trợ. Những ấn bản mới của UNIX được thiết kế để dùng phần cứng tiên tiến hơn. Được cung cấp sự hỗ trợ phần cứng hợp lý, các hệ điều hành có thể được chia thành nhiều phần nhỏ hơn và phù hợp hơn là các hệ thống MS-DOS và UNIX ban đầu. Sau đó, các hệ điều hành có thể giữ lại việc điều khiển lớn hơn qua máy tính và qua các ứng dụng thực hiện việc sử dụng máy tính đó. Những người cài đặt thoải mái hơn trong việc thực hiện những thay đổi các hoạt động bên trong của hệ thống và trong việc tạo các hệ điều hành theo module. Dưới phương pháp từ trên-xuống (top-down), toàn bộ các chức năng và đặc điểm được xác định và được chia thành các thành phần. Sự phân chia này cho phép các người lập trình che giấu thông tin; do đó họ tự do cài đặt các thủ tục cấp thấp khi họ thấy thích hợp, được cung cấp các giao diện bên ngoài của các thủ tục không bị thay đổi do chính thủ tục đó thực hiện các tác vụ thông thường. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 27
31. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 VII.2 Phương pháp phân tầng Việc phân chia từng phần của một hệ thống có thể được thực hiện trong nhiều cách. Một trong những phương pháp này là thực hiện tiếp cận phân tầng. Trong tiếp cận này hệ điều hành được chia thành nhiều tầng (hay cấp), mỗi tầng được xây dựng trên đỉnh của tầng dưới nó. Tầng cuối cùng (tầng 0) là phần cứng; tầng cao nhất (tầng N) là giao diện người dùng. Một tầng hệ điều hành là sự cài đặt của một đối tượng trừu tượng. Đối tượng trừu tượng này là sự bao gói dữ liệu và các điều hành có thể thao tác dữ liệu đó. Một tầng hệ điều hành điển hình –tầng M- được mô tả trong hình II.4. Nó chứa các cấu trúc dữ liệu và tập hợp các thủ tục có thể được gọi bởi các tầng cấp cao hơn. Sau đó, tầng M có thể gọi các thao tác trên tầng cấp thấp hơn. Hình 0-4-Một tầng hệ điều hành Lợi điểm chủ yếu của tiếp cận phân tầng là tính module. Các tầng được chọn dựa trên cơ sở tầng trên sử dụng chức năng (hay các điều hành) và các dịch vụ chỉ của tầng cấp dưới nó. Tiếp cận này đơn giản hóa việc gỡ rối và kiểm tra hệ thống. Tầng đầu tiên có thể được gỡ rối mà không có bất cứ sự quan tâm nào cho phần còn lại của hệ thống. Bởi vì theo định nghĩa, nó chỉ sử dụng phần cứng cơ bản để cài đặt các chức năng của nó. Một khi tầng đầu tiên được gỡ rối, chức năng sửa lỗi của nó có thể được đảm đương trong khi tầng thứ hai được gỡ rối, Nếu một lỗi được tìm thấy trong khi gỡ rối cho một tầng xác định, lỗi phải được nằm trên tầng đó vì các tầng bên dưới đã được gỡ rối rồi. Do đó, thiết kế và cài đặt hệ thống được đơn giản hóa khi hệ thống được phân chia thành nhiều tầng. Mỗi tầng được cài đặt chỉ với các thao tác được cung cấp bởi các tầng bên dưới. Một tầng không cần biết các thao tác được cài đặt như thế nào; nó chỉ cần biết các thao tác đó làm gì. Do đó, mỗi tầng che giấu sự tồn tại của cấu trúc dữ liệu, thao tác và phần cứng từ các tầng cấp cao hơn. Khó khăn chính của tiếp cận phân tầng liên quan tới việc định nghĩa cẩn thận các tầng vì một tầng chỉ có thể sử dụng các tầng bên dưới nó. Thí dụ, trình điều khiển thiết bị cho không gian đĩa được dùng bởi các giải thuật bộ nhớ ảo phải nằm ở tại cấp thấp hơn trình điều khiển thiết bị của các thủ tục quản lý bộ nhớ vì quản lý bộ nhớ yêu cầu khả năng sử dụng không gian đĩa. Các yêu cầu có thể không thật sự rõ ràng. Thường thì các trình điều khiển lưu trữ dự phòng nằm trên bộ định thời CPU vì trình điều khiển cần phải chờ nhập/xuất và CPU có thể được định thời lại trong thời gian này. Tuy nhiên, trên hệ thống lớn, bộ Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 28
32. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 định thời có thể có nhiều thông tin hơn về tất cả quá trình đang hoạt động hơn là có thể đặt vừa trong bộ nhớ. Do đó, thông tin này có thể cần được hoán vị vào và ra bộ nhớ, yêu cầu thủ tục trình điều khiển lưu trữ dự phòng nằm bên dưới bộ định thời CPU. Vấn đề cuối cùng với các cài đặt phân tầng là chúng có khuynh hướng ít hiệu quả hơn các loại khác. Thí dụ, khi chương trình người dùng thực thi thao tác nhập/xuất, nó thực thi một lời gọi hệ thống. Lời gọi hệ thống này được bẫy (trapped) tới tầng nhập/xuất, nó yêu cầu tầng quản lý bộ nhớ, sau đó gọi tầng định thời CPU, sau đó được truyền tới phần cứng. Tại mỗi tầng, các tham số có thể được hiệu chỉnh, dữ liệu có thể được truyền, Mỗi tầng thêm chi phí cho lời gọi hệ thống; kết quả thực sự là lời gọi hệ thống mất thời gian lâu hơn khi chúng thực hiện trên hệ thống không phân tầng. Hình 0-5 Cấu trúc phân tầng của OS/2 Những giới hạn này gây một phản ứng nhỏ chống lại việc phân tầng trong những năm gần đây. Rất ít các tầng với nhiều chức năng được thiết kế, cung cấp nhiều lợi điểm của mã được module trong khi tránh những vấn đề khó khăn của định nghĩa và giao tiếp tầng. Thí dụ, OS/2 bổ sung thêm tính năng đa tác vụ và điều hành hai chế độ cùng một số đặc điểm mới. Vì tính phức tạp được bổ sung và phần cứng mạnh hơn mà OS/2 được thiết kế, hệ thống được cài đặt trong dạng phân tầng. VII.3 Vi nhân (Microkernels) Khi hệ điều hành UNIX được mở rộng, nhân trở nên lớn và khó quản lý. Vào giữa những năm 1980, các nhà nghiên cứu tại đại học Carnegie Mellon phát triển một hệ điều hành được gọi là Match mà module hóa nhân dùng tiếp cận vi nhân (micro kernel). Phương pháp này định kiến trúc của hệ điều hành bằng xóa tất cả thành phần không quan trọng từ nhân và cài chúng như các chương trình cấp người dùng và hệ thống. Kết quả này làm cho nhân nhỏ hơn. Có rất ít sự nhất trí liên quan đến việc quyết định dịch vụ nào nên để lại trong nhân và dịch vụ nào nên được cài đặt trong không gian người dùng. Tuy nhiên, thường thì các vi nhân điển hình cung cấp quá trình và quản lý bộ nhớ tối thiểu ngoài phương tiện giao tiếp. Chức năng chính của vi nhân là cung cấp tiện nghi giao tiếp giữa chương trình khách hàng và các dịch vụ khác mà chúng đang chạy trong không gian người dùng. Giao tiếp được cung cấp bằng truyền thông điệp. Thí dụ, nếu chương trình khách hàng muốn truy xuất một tập tin, nó phải giao tiếp với trình phục vụ tập tin (file server). Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 29
33. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Chương trình người dùng và dịch vụ không bao giờ giao tiếp trực tiếp. Đúng hơn là chúng giao tiếp gián tiếp bằng cách truyền thông điệp với vi nhân. Thuận lợi của tiếp cận vi nhân là dễ dàng mở rộng hệ điều hành. Tất cả dịch vụ mới được thêm tới không gian người dùng và do đó không yêu cầu phải hiệu chỉnh nhân. Kết quả là hệ điều hành dễ dàng hơn để chuyển đổi từ thiết kế phần cứng này sang thiết kế phần cứng khác. Vi nhân cũng cung cấp khả năng an toàn và tin cậy hơn vì hầu hết các dịch vụ đang chạy như người dùng –hơn là nhân- các quá trình. Nếu một dịch vụ bị lỗi, phần còn lại của hệ điều hành vẫn không bị ảnh hưởng. Một số hệ điều hành hiện đại dùng tiếp cận vi nhân. Tru64 UNIX (Digital UNIX trước đây) cung cấp giao diện UNIX tới người dùng, nhưng nó được cài đặt với nhân Mach. Nhân Mach ánh xạ các lời gọi hệ thống vào các thông điệp tới các dịch vụ cấp người dùng tương ứng. Hệ điều hành Apple MacOS Server được dựa trên cơ sở nhân Mach. QNX là hệ điều hành thời thực cũng dựa trên cơ sở thiết kế vi nhân. Vi nhân QNX cung cấp các dịch vụ cho việc truyền thông điệp và định thời quá trình. Nó cũng quản lý giao tiếp mạng cấp thấp và các ngắt phần cứng. Tất cả dịch vụ khác trong QNX được cung cấp bởi các quá trình chuẩn chạy bên ngoài nhân trong chế độ người dùng. Windows NT dùng một cấu trúc tổng hợp. Windows NT được thiết kế để chạy các ứng dụng khác nhau, gồm Win32 (ứng dụng thuần Windows), OS/2, và POSIX (Portable Operating System Interface for uniX). Nó cung cấp một server chạy trong không gian người dùng cho mỗi loại ứng dụng. Các chương trình khách hàng cho mỗi loại ứng dụng chạy trong không gian người dùng. Nhân điều phối việc truyền thông điệp giữa các ứng dụng khách hàng và server ứng dụng. Cấu trúc client-server của Windows NT được mô tả trong hình II.6 Hình 0-6 – Cấu trúc client-server của Windows NT VIII Máy ảo Về mặt khái niệm, một hệ thống máy tính được cấu thành từ các tầng. Phần cứng là cấp thấp nhất trong tất cả hệ thống như thế. Nhân chạy tại cấp kế tiếp dùng các chỉ thị phần cứng để tạo một tập lời gọi hệ thống cho việc sử dụng các tầng bên ngoài. Do đó, các chương trình hệ thống trên nhân có thể dùng các lời gọi hệ thống hay các chỉ thị phần cứng. Trong nhiều trường hợp, các chương trình này không có sự khác biệt giữa hai cách thực hiện. Do đó, mặc dù chúng được truy xuất khác nhau, nhưng cả hai cung cấp chức năng mà chương trình có thể dùng để tạo thậm chí nhiều chức năng tiên tiến hơn. Sau đó, các chương trình hệ thống xem phần cứng và các lời gọi hệ thống như chúng đang ở cùng một cấp. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 30
34. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Một vài hệ thống thực hiện cơ chế này một cách chi tiết hơn bằng cách cho phép các chương trình hệ thống được gọi dễ dàng bởi các chương trình ứng dụng. Trước đó, mặc dù các chương trình hệ thống ở tại cấp cao hơn các thủ tục khác, nhưng các chương trình ứng dụng có thể hiển thị mọi thứ dưới chúng trong cấu trúc phân cấp như là một phần của chính máy đó. Tiếp cận phân tầng này được đưa đến một kết luận luận lý trong khái niệm máy ảo (virtual machine). Một hệ điều hành máy ảo cho các hệ thống IBM là một thí dụ điển hình nhất về khái niệm máy ảo vì IBM tiên phong thực hiện trong lĩnh vực này. Bằng cách sử dụng bộ định thời CPU và kỹ thuật bộ nhớ ảo, một hệ điều hành có thể tạo một hình ảnh mà một quá trình có bộ xử lý của chính nó với bộ nhớ (ảo) của chính nó. Dĩ nhiên, thường thì một quá trình có các đặc điểm khác nhau, như các lời gọi hệ thống và hệ thống tập tin, mà không được cung cấp bởi phần cứng trơ. Thêm vào đó, tiếp cận máy ảo không cung cấp bất kỳ chức năng bổ sung nào; nhưng đúng hơn là cung cấp một giao diện giống hệt như phần cứng trơ ở bên dưới. Mỗi quá trình được cung cấp với một bản sao (ảo) của máy tính bên dưới (Hình II.7). Một khó khăn chính với tiếp cận máy ảo liên quan đến hệ thống đĩa. Giả sử rằng máy vật lý có ba ổ đĩa nhưng muốn hỗ trợ bảy máy ảo. Rõ ràng, nó không thể cấp phát một ổ đĩa tới mỗi máy ảo. Nhớ rằng chính phần mềm máy ảo sẽ cần không gian đĩa liên tục để cung cấp bộ nhớ ảo. Giải pháp này cung cấp đĩa ảo, mà nó đúng trong tất cả khía cạnh ngoại trừ kích thước-được thuật ngữ hóa đĩa nhỏ (minidisks) trong hệ điều hành máy ảo của IBM. Hệ thống cài đặt nhiều đĩa nhỏ bằng cách cấp phát nhiều rảnh ghi trên đĩa vật lý như là các đĩa nhỏ khi cần. Hiển nhiên, tổng kích thước của tất cả đĩa nhỏ là nhỏ hơn kích thước của không gian đĩa vật lý sẳn có. Hình 0-7-Các mô hình hệ thống. (a) Máy không ảo. (b) máy ảo Do đó, người dùng được cho máy ảo của chính họ. Sau đó, họ có thể chạy bất kỳ hệ điều hành hay gói phần mềm nào sẳn dùng trên phần cứng bên dưới. Đối với hệ thống IBM VM, một người dùng thường chạy CMS-một hệ điều hành giao tiếp đơn người dùng. Phần mềm máy ảo được quan tâm với đa máy ảo đa chương trên một máy vật lý nhưng không cần xem xét bất cứ phần mềm hỗ trợ người dùng. Việc sắp xếp này có thể cung cấp một sự phân chia hữu ích thành hai phần nhỏ hơn của vấn đề thiết kế một hệ thống giao tiếp đa người dùng. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 31
35. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 VIII.1 Cài đặt Mặc dù khái niệm máy ảo là hữu ích nhưng rất khó cài đặt. Nhiều công việc được yêu cầu cung cấp một bản sao chính xác của máy bên dưới. Máy bên dưới có hai chế độ: chế độ người dùng và chế độ kiểm soát. Phần mềm máy ảo có thể chạy trong chế độ kiểm soát vì nó là hệ điều hành. Chính máy ảo có thể thực thi chỉ trong chế độ người dùng. Tuy nhiên, chỉ khi máy vật lý có hai chế độ thì nó mới là máy ảo. Do đó, chúng ta phải có một chế độ người dùng ảo và một chế độ kiểm soát ảo. Cả hai đều chạy trong chế độ người dùng vật lý. Các hoạt động đó gây ra sự chuyển từ chế độ người dùng tới chế độ kiểm soát trên một máy thật (như lời gọi hệ thống hay cố gắng thực thi một chỉ thị được cấp quyền) cũng phải gây ra sự chuyển đổi từ chế độ người dùng ảo tới chế độ kiểm soát ảo trên một máy ảo. VIII.2 Lợi điểm Có hai lợi điểm chính trong việc sử dụng máy ảo. Thứ nhất, bằng cách bảo vệ hoàn toàn các tài nguyên hệ thống, máy ảo cung cấp mức độ bảo mật cao. Thứ hai, máy ảo cho phép phát triển hệ thống được thực hiện mà không cần phá vỡ hoạt động hệ thống thông thường. Mỗi máy ảo hoàn toàn bị cô lập từ các máy ảo khác, vì thế chúng ta không gặp phải bất kỳ vấn đề bảo mật nào như tài nguyên hệ thống khác hoàn toàn được bảo vệ. Thí dụ, các ứng dụng không được tin cậy được tải về từ Internet có thể được chạy trong một máy ảo riêng. Một bất lợi của môi trường này là không có sự chia sẻ tài nguyên trực tiếp. Hai tiếp cận cung cấp sự chia sẻ được cài đặt. Thứ nhất, có thể chia sẻ một đĩa nhỏ. Cơ chế này được làm mẫu sau một đĩa được chia sẻ vật lý. Thứ hai, có thể định nghĩa một mạng của các máy ảo, mỗi máy ảo có thể gửi thông tin qua các mạng giao tiếp này nhưng nó được cài đặt bằng phần mềm. Những hệ thống máy ảo như thế là một phương tiện truyền thông hữu hiệu cho việc nghiên cứu và phát triển hệ điều hành. Thông thường, thay đổi một hệ điều hành là một tác vụ khó. Vì các hệ điều hành là các chương trình lớn và phức tạp, sự thay đổi trên một phần này có thể gây một lỗi khó hiểu trong những phần khác. Sức mạnh của hệ điều hành làm cho trường hợp này là cực kỳ nguy hiểm. Vì hệ điều hành thực thi trong chế độ kiểm soát, một thay đổi sai trong một con trỏ có thể gây lỗi và có thể phá hủy toàn hệ thống tập tin. Do đó, cần phải kiểm tra tất cả thay đổi của hệ điều hành một cách cẩn thận. Tuy nhiên, hệ điều hành chạy trên máy và điều khiển hoàn toàn máy đó. Do đó, hệ thống hiện hành phải bị dừng và ngừng việc sử dụng trong khi những thay đổi được thực hiện và kiểm tra. Thời điểm này thường được gọi là thời gian phát triển hệ thống. Vì nó làm cho hệ thống không sẳn dùng đối với người sử dụng nên thời gian phát triển hệ thống thường được lập thời biểu vào buổi tối hay cuối tuần, khi tải hệ thống thấp. Một hệ thống máy ảo có thể loại trừ nhiều vấn đề này. Người lập trình hệ thống được cung cấp chính máy ảo của họ, và phát triển hệ thống được thực hiện trên máy ảo thay vì trên máy vật lý thật sự. Một hệ điều hành thông thường ít khi bị phá vỡ vì phát triển hệ thống. Mặc dù những thuận lợi này, nhưng rất ít cải tiến trên kỹ thuật này được thực hiện gần đây. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 32
36. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 IX Tóm tắt Hệ điều hành cung cấp một số dịch vụ. Tại cấp thấp nhất, lời gọi hệ thống cho phép một chương trình đang chạy thực hiện yêu cầu trực tiếp từ hệ thống. Tại cấp cao hơn, trình thông dịch cung cấp cơ chế cho người dùng đưa ra yêu cầu mà không viết chương trình. Các lệnh có thể xuất phát từ tập tin trong suốt thời gian thực thi theo chế độ xử lý theo lô, hay trực tiếp từ bàn phím trong chế độ tương tác hay chia sẻ thời gian. Các chương trình hệ thống được cung cấp để thoả mãn nhiều yêu cầu thông thường của người dùng. Các loại yêu cầu khác nhau dựa theo cấp yêu cầu. Cấp gọi hệ thống phải cung cấp các chức năng cơ bản, như điều khiển quá trình, quản lý tập tin và thiết bị. Các yêu cầu cấp cao hơn được thoả mãn bởi trình thông dịch lệnh và chương trình hệ thống được dịch vào một chuỗi các lời gọi hệ thống. Các dịch vụ hệ thống có thể được phân cấp thành nhiều loại: điều khiển chương trình, yêu cầu trạng thái, yêu cầu nhập/xuất. Lỗi chương trình được xem xét các yêu cầu ẩn cho dịch vụ. Một khi dịch vụ hệ thống được định nghĩa, cấu trúc của hệ điều hành được phát triển. Các bảng khác nhau cần được ghi thông tin định nghĩa trạng thái của hệ thống máy tính và trạng thái của công việc hệ thống. Thiết kế một hệ điều hành mới là công việc rất quan trọng. Thiết kế hệ thống như thứ tự của các tầng hay sử dụng vi nhân được xem là một kỹ thuật tốt. Khái niệm máy ảo thực hiện tiếp cận phân tầng và xem nhân của hệ điều hành và phần cứng như là phần cứng của nó. Các hệ điều hành khác có thể được nạp trên đỉnh của máy ảo. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 33
37. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 QUÁ TRÌNH I Mục đích Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau: • Hiểu các khái niệm về quá trình • Hiểu cách lập thời biểu quá trình • Biết các thao tác trên quá trình • Hiểu cách giao tiếp liên quá trình II Giới thiệu Những hệ thống máy tính ban đầu cho phép chỉ một chương trình được thực thi tại một thời điểm. Chương trình này có toàn quyền điều khiển hệ thống và có truy xuất tới tất cả tài nguyên của hệ thống. Những hệ thống máy tính hiện nay cho phép nhiều chương trình được nạp vào bộ nhớ và được thực thi đồng hành. Sự phát triển này yêu cầu sự điều khiển mạnh mẽ hơn và phân chia nhiều hơn giữa các quá trình. Yêu cầu này dẫn đến khái niệm quá trình, một chương trình đang thực thi. Quá trình là một đơn vị công việc trong một hệ điều hành chia thời hiện đại. Một hệ điều hành phức tạp hơn được mong đợi nhiều hơn trong việc thực hiện các hành vi của người dùng. Mặc dù quan tâm chủ yếu của hệ điều hành là thực thi chương trình người dùng, nhưng nó cũng quan tâm đến các tác vụ khác nhau bên ngoài nhân. Do đó, một hệ thống chứa tập hợp các quá trình: quá trình hệ điều hành thực thi mã hệ thống, quá trình người dùng thực thi mã người dùng. Tất cả quá trình này có tiềm năng thực thi đồng hành, với một CPU (hay nhiều CPU) được đa hợp giữa chúng. Bằng cách chuyển đổi CPU giữa các quá trình, hệ điều hành có thể làm cho máy tính hoạt động với năng suất cao hơn. III Khái niệm quá trình Một vấn đề cần thảo luận là cái gì được gọi trong tất cả hoạt động của CPU? Một hệ thống bó thực thi công việc, trái lại một hệ thống chia thời thực thi chương trình người dùng hay tác vụ. Thậm chí trên hệ thống đơn người dùng như Microsoft Windows và Macintosh OS, một người dùng có thể chạy nhiều chương trình tại một thời điểm: bộ xử lý văn bản, trình duyệt web, e-mail. Thậm chí nếu người dùng có thể thực thi chỉ một quá trình tại một thời điểm, thì một hệ điều hành cần hỗ trợ những hoạt động được lập trình bên trong, như quản lý bộ nhớ. Trong nhiều khía cạnh, tất cả hoạt động là tương tự vì thế chúng ta gọi tất cả chúng là quá trình. Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 37
38. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 III.1 Quá trình Thật vậy, một quá trình là một chương trình đang thực thi. Một quá trình không chỉ là mà chương trình, nó còn bao gồm hoạt động hiện hành như được hiện diện bởi giá trị của bộ đếm chương trình và nội dung các thanh ghi của bộ xử lý. Ngoài ra, một quá trình thường chứa ngăn xếp quá trình, chứa dữ liệu tạm thời (như các tham số phương thức, các địa chỉ trả về, các biến cục bộ) và phần dữ liệu chứa các biến toàn cục. Chúng ta nhấn mạnh rằng, một chương trình không phải là một quá trình; một chương trình là một thực thể thụ động, như nội dung của các tập tin được lưu trên đĩa, trái lại một quá trình là một thực thể chủ động, với một bộ đếm chương trình xác định chỉ thị lệnh tiếp theo sẽ thực thi và tập hợp tài nguyên có liên quan. Mặc dù hai quá trình có thể được liên kết với cùng chương trình nhưng chúng được chứa hai thứ tự thực thi riêng rẻ. Thí dụ, nhiều người dùng có thể đang chạy các bản sao của chương trình gởi nhận thư, hay cùng người dùng có thể nạp lên nhiều bản sao của một chương trình soạn thảo văn bản. Mỗi bản sao của chúng là một quá trình riêng và mặc dù các phần văn bản là giống nhau, các phần dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, một quá trình có thể tạo ra nhiều quá trình khi nó thực thi. III.2 Trạng thái quá trình Khi một quá trình thực thi, nó thay đổi trạng thái. Trạng thái của quá trình được định nghĩa bởi các hoạt động hiện hành của quá trình đó. Mỗi quá trình có thể ở một trong những trạng thái sau: • Mới (new): quá trình đang được tạo ra • Đang chạy (running): các chỉ thị đang được thực thi • Chờ (waiting): quá trình đang chờ sự kiện xảy ra (như hoàn thành việc nhập/xuất hay nhận tín hiệu) • Sẳn sàng (ready): quá trình đang chờ được gán tới một bộ xử lý. • Kết thúc (terminated): quá trình hoàn thành việc thực thi • Các tên trạng thái này là bất kỳ, và chúng khác nhau ở các hệ điều hành khác nhau. Tuy nhiên, các trạng thái mà chúng hiện diện được tìm thấy trên tất cả hệ thống. Các hệ điều hành xác định mô tả trạng thái quá trình. Chỉ một quá trình có thể đang chạy tức thì trên bất kỳ bộ xử lý nào mặc dù nhiều quá trình có thể ở trạng thái sẳn sàng và chờ. Hình 0-1-Lưu đồ trạng thái quá trình Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 38