Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu

pdf 40 trang vanle 24/05/2021 70
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfhe_thong_may_tinh_chuong_1_gioi_thieu.pdf

Nội dung text: Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu

  1. CHCHƯƠƯƠNGNG 1:1: GIGIỚỚII THITHIỆỆUU
  2. NNỘỘII DUNGDUNG „ Hệđiều hành là gì? „ Tổ chứchệ thống máy tính (Computer-System Organization) „ Kiếntrúchệ thống máy tính (Computer-System Architecture) „ Cấutrúchệđiều hành (Operating-System Structure) „ Các hoạt động hệđiều hành (Operating-System Operations) „ Quảntrị quá trình (Process Management) „ Quảntrị bộ nhớ (Memory Management) „ Quảntrị lưutrữ (Storage Management) „ Bảovệ và an ninh (Protection and Security) „ Các hệ thống phân tán (Distributed Systems) „ Các hệ thống mục đích đặcbiệt (Special-Purpose Systems) „ Môi trường tính toán (Computing Environments) Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.2 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  3. MMỤỤCC TIÊUTIÊU „ Cung cấp cái nhìn bao quát về hệđiều hành và các thành phần củanó „ Cung cấp cái nhìn bao quát về tổ chứchệ thống máy tính Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.3 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  4. HHỆỆ ĐĐIIỀỀUU HHÀÀNHNH LLÀÀ GÌ?GÌ? „ Chương trình giữ vai trò trung gian giữangười dùng và phần cứng máy tính. „ Đích của HĐH: z Thựchiệncácchương trình người dùng và làm cho các vấn đề người dùng đang giảiquyếtdễ dàng hơn. z Làm cho hệ thống máy tính trở nên thuậnlợi trong việcsử dụng. z Sử dụng hiệuquả phầncứng máy tính. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.4 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  5. CCẤẤUU TRTRÚÚCC HHỆỆ THTHỐỐNGNG MMÁÁYY TTÍÍNHNH „ Hệ thốngmáytínhcóthểđược chia thành 4 thành phần: z Phầncứng (Hardware): cung cấp các tài nguyên tính toán cơ sở  CPU, memory, I/O devices z Hệđiều hành  Điềukhiểnvàphốihợpsử dụng phầncứng giữacácứng dụng và các người dùng z Các trình ứng dụng: Xác định cách các tài nguyên hệ thống được dùng để giảiquyếtcácvấn đề tính toán củangười dùng  Các bộ xử lý từ (Word processors), các trình biên dịch (compilers), các trình duyệt Web (web browsers), các hệ cơ sở dữ liệu (database systems), các trò chơi điệntử (video games) z Các người dùng  Người, các máy móc, các máy tính khác Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.5 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  6. BBỐỐNN THTHÀÀNHNH PHPHẦẦNN HHỆỆ THTHỐỐNGNG MMÁÁYY TINHTINH Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.6 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  7. ĐĐỊỊNHNH NGHNGHĨĨAA HHỆỆ ĐĐIIỀỀUU HHÀÀNHNH „ HĐH là một nhà cấp phát tài nguyên: z Quảntrị tấtcả các tài nguyên z Quyết định giảiquyếtcácyêucầu xung đột để sự sử dụng tài nguyên hiệuquả và hợplý „ HĐH là mộtchương trình điềukhiển z Điềukhiểnsự thựchiệncácchương trình để ngănngừalỗivà sự sử dụng máy tính không đúng Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.7 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  8. ĐĐỊỊNHNH NGHNGHĨĨAA HHĐĐHH (Cont.)(Cont.) „ Không có định nghĩa nào đượcchấpnhậnbởitấtcả mọingười „ “Chương trình chạy toàn thời gian trên máy tính” là hạt nhân (kernel). Mọichương trình khác hoặclàchương trình hệ thống (gắnvới HĐH) hoặclàchương trình ứng dụng Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.8 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  9. KHKHỞỞII ĐĐỘỘNGNG MMÁÁYY TTÍÍNHNH „ Chương trình bootstrap đượcnạpkhibậtmáyhoặc reboot z Thường đượclưu trong ROM / EPROM, đượcbiếtdướitên firmware z Khởi động tấtcả các sắc thái hệ thống z Nạphạt nhân HĐH và bắt đầusự thựchiện Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.9 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  10. TTỔỔ CHCHỨỨCC HHỆỆ THTHỐỐNGNG MMÁÁYY TTÍÍNHNH „ Sự hoạt động hệ thống máy tính z Một/ nhiềuCPU, cácbộđiềukhiểnthiếtbị nối qua bus chung cung cấptruyxuấtbộ nhớ chia sẻ z Sự thựchiện đồng thờicủaCPU vàcácthiếtbị cạnh tranh các chu ký bộ nhớ Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.10 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  11. SSỰỰ HOHOẠẠTT ĐĐỘỘNGNG HHỆỆ THTHỐỐNGNG MMÁÁYY TTÍÍNHNH „ Các thiếtbị I/O và CPU có thể thựchiện đồng thời. „ Mỗibộđiềukhiểnthiếtbịđảm trách mộtkiểuthiếtbị riêng. „ Mỗibộđiềukhiểnthiếtbị có buffer cụcbộ. „ CPU di chuyểndữ liệutừ/ đếnbộ nhớ chính đến/ từ các buffer cục bộ „ I/O là từ thiếtbịđến buffer cụcbộ. „ Bộđiềukhiểnthiếtbị báo cho CPU hoạt động củanóđãkếtthức bởimột interrupt. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.11 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  12. CHCHỨỨCC NNĂĂNGNG CHUNGCHUNG CCỦỦAA CCÁÁCC INTERRUPTSINTERRUPTS „ Interrupt chuyển điềukhiểnchothủ tụcdịch vụ interrupt, thông qua interrupt vector (chứa địachỉ củatoànbộ các thủ tụcdịch vụ). „ Kiến trúc Interrupt phảibảo toàn địachỉ củachỉ thị bị gián đoạn. „ Các interrupts đếnbị vô hiệu hóa khi interrupt khác đang đượcxử lý để ngănngừathấtlạc interrupt. „ Trap là một interrupt đượcsinhrakhicómộtlỗihoặc đòi hỏicủa người dùng. „ Một HĐH là sự truyền interrupt (interrupt driven). Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.12 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  13. QUQUẢẢNN LÝLÝ INTERRUPTINTERRUPT „ HĐH bảotồntrạng thái củaCPU bởilưutrữ các thanh ghi và bộ đếmchương trình. „ Xác định kiểu interrupt nào đãxảyra: z polling z vectored interrupt system „ Tách biệtcácđoạnmãxácđịnh hành động sẽđượcchọnchomỗi kiểu interrupt. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.13 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  14. ĐƯĐƯỜỜNGNG THTHỜỜII GIANGIAN INTERRUPTINTERRUPT Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.14 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  15. CCẤẤUU TRTRÚÚCC I/OI/O „ Sau khi I/O bắt đầu, điềukhiểntrả lạichochương trình người dùng chỉ khi I/O hoàn tất. z Chỉ thị chờ làm “nhàn rỗi” CPU đếntận khi interrupt kế tiếp z Vòng lặpchờ (tranh chấptruyxuấtbộ nhớ). z Tạimộithời điểm, nhiềunhấtmộtyêucầu I/O đượcthực hiện, không có xử lý I/O đồng thời. „ Sau khi I/O bắt đầu, điềukhiểntrả lạichochương trình người dùng không chờ I/O hoàn tất. z Lờigọihệ thống (System call) : yêu cầu HĐH cho phép người dùng chờ sự hoàn tấtI/O. z Bảng tình trạng thiếtbị (Device-status table) chứa đầuvào cho mỗithiếtbị I/O chỉ ra kiểucủanó, địachỉ và trạng thái. z HĐH lậpchỉ mụcbảng thiếtbị I/O để xác định tình trạng thiếtbị và để sửa đổi đầuvàobảng bao gồmcả interrupt. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.15 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  16. HAIHAI PHPHƯƠƯƠNGNG PHPHÁÁPP I/OI/O Synchronous Asynchronous Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.16 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  17. BBẢẢNGNG TÌNHTÌNH TRTRẠẠNGNG THITHIẾẾTT BBỊỊ Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.17 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  18. CCẤẤUU TRTRÚÚCC TRUYTRUY XUXUẤẤTT BBỘỘ NHNHỚỚ TRTRỰỰCC TITIẾẾPP „ Được dùng cho các thiếtbị I/O tốc độ cao (tốc độ truyền thông tin sát vớitốc độ bộ nhớ). „ Bộđiềukhiểnthiếtbị truyềncáckhốidữ liệutừ lưutrữ buffer trực tiếp đếnbộ nhớ chính không cầnsự can thiệpcủaCPU. „ Chỉ một interrupt đượcsinhrachomộtkhốithayvìmột interrupt cho mộtbyte. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.18 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  19. CCẤẤUU TRTRÚÚCC LLƯƯUU TRTRỮỮ „ Bộ nhớ chính: phương tiệnlưutrữ lớnduynhất CPU có thể truy xuấttrựctiếp. „ Lưutrữ thứ cấp: Mở rộng bộ nhớ chính, cung cấpkhả năng lưutrữ lớnvàổn định. „ Đĩatừ: z Bề mặt đĩa được chia logic thành các rãnh (tracks), mỗi rãnh được chia thành các sectors. z Bộđiềukhiển đĩaxácđịnh trao đổi logic giữathiếtbị và máy tính. Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.19 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  20. PHÂNPHÂN CCẤẤPP LLƯƯUU TRTRỮỮ „ Các hệ thống lưutrữđượctổ chức theo phân cấp. z Tốc độ (Speed) z Giá (Cost) z Tính không ổn định (Volatility) „ Caching : sao chép thông tin vào hệ thống lưutrữ nhanh hơn(bộ nhớ chínhcóthể xem như cache đốivớilưutrữ thứ cấp). Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.20 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  21. PHÂPPHÂP CCẤẤPP THITHIẾẾTT BBỊỊ LLƯƯUU TRTRỮỮ Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.21 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  22. CachingCaching „ Nguyên lý quan trọng, đượcthựchiện ở nhiềumức trong máy tính (hardware, operating system, software) „ Thông tin cần dùng được sao chép tạmthờitừ bộ nhớ chậm sang bộ nhớ nhanh hơn. „ Lưutrữ nhanh hơn (cache) đượckiểmtrađể xác định thông tin đã tồntại ởđó? z Nếu đãtồntại, thông tin đượcsử dụng trựctiếptừ cache. z Nếu không, dữ liệu được sao chép đến cache và được dùng ở đó „ Cache nhỏ hơnlưutrữ được cached z Vấn đề quảntrị cache z Kích thước cache và chính sách thay thế Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.22 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  23. HIHIỆỆUU NNĂĂNGNG CCỦỦAA CCÁÁCC MMỨỨCC LLƯƯUU TRTRỮỮ „ Di chuyểngiữacácmức phân cấplưutrữ có thể tường minh hay ẩn Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.23 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  24. SSỰỰ DIDI TRTRÚÚ MMỘỘTT SSỐỐ NGUYÊNNGUYÊN AA TTỪỪ ĐĐĨĨAA ĐĐẾẾNN THANHTHANH GHIGHI „ Các môi trường đanhiệmphảithậntrọng trong sử dụng giá trị mới nhất „ Môi trường đaxử lý (Multiprocessor) phải cung cấpsự kếtdính cahe trong phầncứng sao cho tấtcả các CPUs có giá trị mớinhất trong cache của chúng „ Tình huống môi trường phân tán phứctạphơn: Có thể tồntạimột vài bảnsaocủa cùng mộtdữ liệu Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.24 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  25. CCẤẤUU TRTRÚÚCC HHĐĐHH „ Đachương (Multiprogramming) sự cầnthiết cho tính hiệuquả z Mộtngưới dùng không dùng CPU và thiếtbị I/O toàn thờigian z Đachương tổ chức các công việcsaochoCPU “bậnrộnnhấtnhư có thể z Mộttập con các công việc đượclưu trong bộ nhớ z Một công việc đượcchọnvàchạy thông qua lậplịch biểucôngviệc(job scheduling) z Khi một công việcphảichờ (ví dụ I/O), HĐH chuyểnCPU chocôngviệc khác „ Chia sẻ thời gian (Timesharing /multitasking) là mở rộng logic trong đó CPU đượcchuyển nhanh giữa các công việc sao cho các người dùng có thể trao đổivớimỗi công việc khi nó chạytạoratínhtoántương tác z Thờigianđáp ứng (Response time) ( quá trình (process) z Nếucùnglúccómột vài công việcsẵn sàng chạy > CPU scheduling z Nếu các quá trình không thể cùng chứa trong bộ nhớ, swapping di chuyển chúng vào và ra z Bộ nhớảo (Virtual memory) cho phép thựchiện nhiều quá trình không hoàn toàn nằm trong bộ nhớ Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.25 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  26. BBỐỐ TRTRÍÍ BBỘỘ NHNHỚỚ TRONGTRONG HHỆỆ ĐĐAA CHCHƯƠƯƠNGNG Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.26 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  27. CCÁÁCC HOHOẠẠTT ĐĐỘỘNGNG HHĐĐHH „ Truyền Interrupt bởi hardware „ Lỗi software hoặcyêucầutạoraexception / trap „ Các vấn đề quá trình khác bao hàm vòng lặpvôhạn, các quá trình sửa đổilẫnnhauhoặc HĐH „ Hoạt động phương thức đốingẫu(Dual-mode) cho phép HĐH bảo vệ chính nó và các thành phầnhệ thống khác z User mode và kernel mode z Mode bit được cung cấpbởi hardware  Cung cấpkhả năng phân biệtkhihệ thống đang chạy code người dùng hoặc code hạt nhân  Mộtsố chỉ thịđặcquyềnchỉ có thể thựchiệntrongphương thứchạt nhân (kernel mode)  Lờigọihệ thống thay đổiphương thức sang phương thức hạt nhân, return từ lờigọi đặtlại nó sang phương thức người dùng Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.27 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  28. CHUYCHUYỂỂNN TTỪỪ USERUSER MODEMODE SANGSANG KERNELKERNEL MODEMODE „ Bộđếmthờigianngănngừa vòng lặpvôhạn / quá trình lấnphần tài nguyên z Đặt interrupt sau chu kỳ xác định z HĐH giảmbộđếm z Khi bộđếmvề zero sinh ra một interrupt z Dựng lên trướclậplịch biểu quá trình để thu hồi điềukhiển/ kết thúc chương trình vượt quá thờigianđược phân phối Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.28 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  29. QUQUẢẢNN TRTRỊỊ QUQUÁÁ TRÌNHTRÌNH „ Một quá trình là mộtchương trình trong sự thựchiện, là một đơnvị công việc trong hệ thống. Chương trình là một thựcthể bịđộng, quá trình là một thựcthể chủđộng „ Quá trình cần các tài nguyên để hoàn thành nhiệmvụ củanó z CPU, memory, I/O, files z Dữ liệukhởi đầu (Initialization data) „ Kết thúc quá trình đòi hỏithuhồibấtkỳ tài nguyên nào có thể sử dụng lại „ Quá trình đơnluồng (Single-threaded process) có mộtbộđếmchương trình xác định vị trí củachỉ thị kế tiếp z Quá trình thựchiệncácchỉ thị tuầntự, mộttạimộtthời điểm đếntận khi kết thúc „ Quá trình đaluồng (Multi-threaded process) mỗiluồng có mộtbộđếm chương trình Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.29 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  30. CCÁÁCC HOHOẠẠTT ĐĐỘỘNGNG QUQUẢẢNN TRTRỊỊ QUQUÁÁ TRÌNHTRÌNH HĐH có trách nhiệm đốivới các hoạt động sau vớitư cách quảntrị quá trình. „ Tạo, xóa các quá trình người dùng và quá trình hệ thống „ Treo và phụchồilại các quá trình „ Cung cấpcơ chếđồng bộ hóa quá trình „ Cung cấpcơ chế liên lạc quá trình „ Cung cấpcơ chế quả lý deadlock Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.30 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  31. QUQUẢẢNN TRTRỊỊ BBỘỘ NHNHỚỚ „ Toàn bộ dữ liệu trong bộ nhớ trướcvàsauxử lý „ Toàn bộ các chỉ thị trong bộ nhớđểthựchiện „ Quảntrị bộ nhớ xác định cái trong bộ nhớ khi z Tối ưu hóa sự sử dụng CPU và đáp ứng người dùng „ Các hoạt động quảntrị bộ nhớ z Lưuvết các phầnbộ nhớ hiện đang đượcdùngvàbởiai z Quyết định các quá trình nào, dữ liệu nào di chuyểnvào/ rabộ nhớ z Cấp phát, thu hồi không gian bộ nhớ khi cầnthiết Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.31 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  32. QUQUẢẢNN TRTRỊỊ LLƯƯUU TRTRỮỮ „ Quảntrị hệ thống file z Các files thường đượctổ chứctrongcácthư mục z Điềukhiểntruyxuấttrênhầuhếtcáchệ thống xác định “ai có thể truy xuất cái gì” z Các hoạt động HĐH bao gồm:  Tạo và xóa các files và các thư mục  Các nguyên thủy thao tác files và thư mục  Ánh xạ các file lên lưutrữ thứ cấp  Backup files Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.32 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  33. QUQUẢẢNN TRTRỊỊ LLƯƯUU TRTRỮỮ LLỚỚNN MassMass StorageStorage ManagementManagement „ Thông thường đĩa được dùng để lưutrữ dữ liệulớnvàđượcgiữ trong khoảng thời gian dài. „ Tốc độ tổng thể củahoạt động máy tính xoay quanh hệ thống con đĩavàcácthuật toán củanó „ Các hoạt động HĐH z Quảntrị không gian tự do z Cấpphátlưutrữ z Lậplịch biểu đĩa „ Lưutrữ tốc độ chậmvẫnphải đượcquảntrị: z Lưutrữ tam cấp(lưutrữ quang học, băng từ) Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.33 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  34. HHỆỆ THTHỐỐNGNG CONCON I/OI/O „ Hệ thống con I/O có trách nhiệm: z Quảntrị bộ nhớ I/O bao gồm buffer, cache, spooling (sự gối đầu output củamột công việcvới input của các công việc khác) z Giao diện device-driver chung z Các Drivers cho các thiếtbị phầncứng đặcbiệt Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.34 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  35. BBẢẢOO VVỆỆ VVÀÀ ANAN NINHNINH „ Protection : cơ chếđiềukhiểntruyxuấtcủa các quá trình, các người dùng đến các tài nguyên bởi HĐH „ Security : Phòng thủ củahệ thống chống lạicáctấn công trong và ngoài Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.35 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  36. CCÁÁCC MÔIMÔI TRTRƯƯỜỜNGNG TTÍÍNHNH TOTOÁÁNN „ Traditional computer z Blurring over time z Office environment  PCs connected to a network, terminals attached to mainframe or minicomputers providing batch and timesharing  Now portals allowing networked and remote systems access to same resources z Home networks  Used to be single system, then modems  Now firewalled, networked Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.36 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  37. ComputingComputing EnvironmentsEnvironments (Cont.)(Cont.) „ Client-Server Computing z Dumb terminals supplanted by smart PCs z Many systems now servers, responding to requests generated by clients  Compute-server provides an interface to client to request services (i.e. database)  File-server provides interface for clients to store and retrieve files Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.37 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  38. PeerPeer toto PeerPeer ComputingComputing „ Another model of distributed system „ P2P does not distinguish clients and servers z Instead all nodes are considered peers z May each act as client, server or both z Node must join P2P network  Registers its service with central lookup service on network, or  Broadcast request for service and respond to requests for service via discovery protocol z Examples include Napster and Gnutella Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.38 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  39. WebWeb BasedBased ComputingComputing „ Web has become ubiquitous „ PCs most prevalent devices „ More devices becoming networked to allow web access „ New category of devices to manage web traffic among similar servers: load balancers „ Use of operating systems like Windows 95, client-side, have evolved into Linux and Windows XP, which can be clients and servers Operating System Concepts – 7th Edition, Jan 12, 2005 1.39 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2005
  40. EndEnd ofof ChapterChapter 11