I. KHÁI NIỆM VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH. 1)Khái niệm: Hệ điều hành là một chương trình đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa người sử dụng và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của hệ điều hành là cung cấp một môi trường để người sử dụng có thể thi hành các chương trình. Nó làm cho máy tính dễ sử dụng hơn, thuận lợi (convenient) hơn và có hiệu quả (efficient) hơn. Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy tính. Một hệ thống máy tính thường được chia làm 4 phần: phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng. 2) Chức năng: a) Là bộ phân phối tài nguyên: (resource allocator) Hệ điều hành đóng vai trò là bộ phân phối tài nguyên: Tài nguyên hệ thống, đặc biệt là các tài nguyên phần cứng như CPU, bộ nhớ, thiết bò ngoại vi,… thường rất giới hạn về số lượng. Trong các hệ thống đa nhiệm, nhiều chương trình chạy đồng thời và cùng yêu cầu các tài nguyên hữu hạn. Hệ điều hành sẽ giữ vai trò quản lý và phân phối các tài nguyên cho các chương trình. Việc phân phối tài nguyên cho các chương trình phải theo một trình tự nào đó để tránh tranh chấp và làm cho máy tính hoạt động có hiệu quả. Ngoài ra, có nhiều trường hợp người dùng cần chia sẻ thông tin với nhau. Khi đó, hệ điều hành phải bảo đảm việc truy xuất đến các thông tin chia sẻ đó là hợp lệ, không xảy ra sai trái hay mất đồng nhất dữ liệu. b) Là một chương trình điều khiển: (control program) Hệ điều hành đóng vai trò là một chương trình điều khiển: Một hệ điều hành cũng có thể được xem như là một chương trình kiểm soát việc sử dụng máy tính, đặc biệt là các thiết bò nhập xuất. Giúp người dùng ngăn chặn lỗi, tránh lỗi, kiểm soát việc sử dụng máy tính một cách đúng đắn. Điều khiển việc thực thi chương trình của người dùng. Che giấu đi cấu trúc phức tạp của các phần cứng, tạo ra một giao diện sử dụng phần cứng đơn giản, dễ dùng nhưng đầy đủ chức năng. 3) Các nhiệm vụ của hệ điều hành: a) Quản lý tiến trình: (process management) Một chương trình không thực hiện được gì cả nếu nó không được CPU thi hành. Một tiến trình (process) là một chương trình đang được thi hành. Khi một process được khởi tạo, nó phải được cung cấp các tài nguyên để hoạt động, khi không còn dùng tài nguyên, process phải trả lại tài nguyên cho hệ thống để hệ thống tiếp tục cấp cho process khác. Có các process của người dùng và có các process của hệ thống. Một process được xem như là một đơn vò làm việc của hệ thống. Tại cùng một thời điểm trong hệ thống có thể có nhiều process cùng chạy đồng thời. Các tài nguyên mà một process có thể cần dùng là: CPU, vùng nhớ, các tập tin, các thiết bò nhập xuất,… Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý process là: - Create/Destroy: tạo và hủy các process. - Suspend/Resume: tạm ngưng và thực hiện lại một process. - Synchronization: đồng bộ các process. - Inter-Process Communications: truyền thông giữa các process. b) Quản lý bộ nhớ chính: (main memory management) Bộ nhớ chính là thiết bò duy nhất mà CPU có thể truy xuất trực tiếp. Một chương trình muốn được thi hành, trước hết phải được nạp vào trong bộ nhớ chính, dữ liệu của chương trình cũng được nạp vào trong bộ nhớ chính. Khi process kết thúc thì dữ liệu và chương trình vẫn còn trong trong bộ nhớ cho đến khi có một process khác được ghi chồng lên. Trong một hệ thống đa nhiệm, để tăng hiệu suất sử dụng CPU thì hệ điều hành cố gắng giữ nhiều process trong bộ nhớ chính tại cùng một thời điểm. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý bộ nhớ chính: - Cấp phát và thu hồi vùng nhớ cho các process. - Ghi nhận tình trạng bộ nhớ: phần nào đã được cấp phát, phần nào còn có thể sử dụng được. - Quyết đònh process nào được nạp vào bộ nhớ chính khi có một vùng trống. c) Quản lý hệ thống tập tin : (file management) Máy tính có thể lưu trữ thông tin trên nhiều loại thiết bò vật lý khác nhau: đóa mềm, CD-ROM, đóa cứng, flash, băng từ… Mỗi loại thiết bò có tính chất và cấu trúc vật lý khác nhau. Để thống nhất trong lưu trữ, hệ điều hành đònh nghóa một đơn vò lưu trữ logic là tập tin. Hệ điều hành tạo một ánh xạ từ tập tin đến đến vùng lưu trữ thông tin trên đóa và truy xuất thông tin này thông qua thiết bò lưu trữ. Hệ điều hành còn tổ chức lưu trữ các tập tin thành các thư mục. Để dễ dàng truy xuất, hệ điều hành tổ chức lưu trữ các tập tin một cách có hệ thống gọi là hệ thống tập tin (filesystem). Có nhiều loại hệ thống tập tin khác nhau. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tập tin: - Tạo và xóa một tập tin. - Tạo và xóa một thư mục. - Hỗ trợ thao tác cơ bản trên tập tin và thư mục. - Ánh xạ tập tin trên hệ thống lưu trữ phụ. - Backup tập tin trên các thiết bò lưu trữ. d) Quản lý nhập xuất: (I/O system management) Một trong những mục tiêu của hệ điều hành là che dấu những chi tiết phức tạp của các thiết bò phần cứng đối với người sử dụng. Thay vào đó là một lớp giao diện thân thiện độc lập với thiết bò, giúp cho người dùng dễ thao tác hơn. Thường thì các giao diện là các trình điều khiển (driver). Chỉ có các driver mới hiểu đến cấu trúc đặc thù của thiết bò mà nó mô tả. Hệ điều hành đảm trách việc điều khiển các thiết bi nhập xuất. Nó gởi các lệnh điều khiển đến các thiết bò, tiếp nhận các ngắt và xử lý các lỗi nhập xuất. Một hệ thống nhập xuất bao gồm: - Hệ thống buffer caching. - Giao tiếp điều khiển thiết bò (device drivers) tổng quát. - Bộ điều khiển (driver) cho các thiết bò phần cứng. e) Quản lý bộ nhớ phụ : (secondary-storage management) Muốn thực thi chương trình thì phải đưa chương trình và dữ liệu của chương trình vào trong bộ nhớ chính. Nhưng bộ nhớ chính quá nhỏ để lưu trữ mọi dữ liệu và chương trình. Mặt khác, bộ nhớ chính chỉ là nơi lưu trữ tạm thời, dữ liệu sẽ bò mất khi không cung cấp điện cho nó. Vì vậy cần phải có một hệ thống lư u trữ phụ như đóa mềm, đóa cứng, CD-ROM, flash, băng từ…. Hầu như tất các các chương trình, dữ liệu đều được lưu trữ trên bộ nhớ phụ dưới dạng các tập tin. Khi cần thiết thì chúng được nạp vào bộ nhớ chính để thực thi. Tốc độ của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ truy xuất các thiết bò lưu trữ phụ. Vì vậy một bộ quản lý hệ thống đóa rất quan trọng cho hệ thống máy tính. Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý bộ nhớ phụ: - Quản lý vùng trống trên đóa. - Đònh vò lưu trữ đóa. - Điều phối đóa (disk scheduling). f) Nối mạng: (networking) Một hệ thống phân bố (distributed system) là một tập hợp các bộ xử lý (processor) không cùng chia sẻ bộ nhớ chung. Mỗi bộ xử lý có một bộ nhớ riêng độc lập. Các bộ xử lý giao tiếp với nhau thông qua mạng truyền thông bằng các đường truyền vật lý như: đường truyền tốc độ cao, đường điện thoại, vệ tinh… Nhờ có nối mạng mà người dùng có thể truy cập đến các tài nguyên khác nhau trong mạng. Việc truy cập các tài nguyên dùng chung cho phép: - Gia tăng tốc độ tính toán (speedup). - Gia tăng sự sẵn dùng (available) của dữ liệu. - Tăng độ tin cậy (reliability) g) Hệ thống bảo vệ: (protection system) Hệ thống bảo vệ là một cơ chế kiểm soát sự hợp lệ của việc truy xuất các tài nguyên hệ thống và các tài nguyên của người dùng. Trong hệ thống có nhiều người sử dụng hoặc có nhiều process diễn ra đồng thời, các process cần phải được bảo vệ để tránh sự xâm phạm vô tình hay cố ý có thể dẫn đến sai lạc cho toàn hệ thống. Hệ thống phải cung cấp được cơ chế để đảm bảo rằng tập tin, bộ nhớ, CPU và những tài nguyên khác chỉ được truy xuất bởi những process có quyền. Ví dụ: phải bảo đảm rằng một process chỉ được thi hành trong phạm vi vùng nhớ cấp phát cho nó, phải bảo đảm không có process nào độc chiếm CPU, phải bảo vệ các thiết bò ngoại vi như printer… Hệ thống bảo vệ cũng phải làm tăng tốc độ an toàn trong giao tiếp giữa các hệ thống nhỏ bên trong. Một hệ thống bảo vệ cần phải: - Đònh rõ được phép dùng và không được phép dùng các tài nguyên. - Đònh rõ các loại kiểm soát cần phải áp dụng trong hệ thống. - Cung cấp các cơ chế buộc process, người dùng phải thi hành theo. h) Hệ thông dòch lệnh: (command-interpreter system) Đây là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ điều hành, đóng vai trò giao diện giữa hệ điều hành và người sử dụng. Các lệnh được chuyển đến hệ điều hành dưới dạng phát biểu điều khiển (control statements). Bộ thông dòch lệnh có nhiệm vụ tiếp nhận lệnh và thông dòch lệnh đó để hệ điều hành có xử lý tương ứng. Có hai loại giao diện giữa người dùng và bộ thông dòch lệnh: - Giao diện đồ họa (menu, cửa sổ, chuột ). - Giao diện dòng lệnh (như MS-DOS, shell của Unix). 4) Tiến trình khởi động máy và nạp hệ điều hành: a) Khởi động máy tính: (starting the computer) Tiến trình khởi động máy tính được thực hiện khi ta bật điện máy tính lên. Tiến trình này gọi là cold boot. Cold boot gồm các bước theo trình tự sau: - ROM nạp BIOS (basic input/output sysytem – hệ thống nhập xuất cơ bản) vào bộ nhớ máy tính. - BIOS kiểm tra các thiết bò nhập xuất xem có khả năng hoạt động được không. Công đoạn này được gọi là POST (Power-on Self-test). BIOS xác đònh xem partition nào là active partition trong Master Boot Record (MBR). Đi đến active partition để nạp kernel vào bộ nhớ chính. Kernel là lõi của hệ điều hành, là nơi chứa các thành phần cơ bản nhất của hệ điều hành. - Lúc này hệ điều hành đã nắm được quyền kiểm soát máy tính. b) Cấu hình hệ thống: (configuring the system) Sau khi nắm quyền điều khiển máy tính, hệ điều hành tiến hành cấu hình lại hệ thống, gồm các bước sau: - Hệ thống được cấu hình lại dựa trên thông tin từ Registry của hệ điều hành. - Các trình điều khiển (driver) và các chương trình tiện ích (utility program) được nạp vào bộ nhớ. Các trình tiện ích như: volume control, antivirus software, file manager,…). - Chứng thực việc đăng nhập của người dùng. - Giao diện người dùng bắt đầu cho phép người dùng tương tác với máy tính. Chú ý: Một số máy tính lưu trữ toàn bộ hệ điều hành vào trong bộ nhớ chính. Một số máy tính khác thì chỉ nạp phần cơ bản của hệ điều hành vào trong bộ nhớ chính, phần còn lại sẽ nạp vào bộ nhớ khi có nhu cầu. Hầu hết các hoạt động của hệ điều hành diễn ra ở dạng hậu trường (behind the scences). II. PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH Các loại hệ điều hành: 1) Hệ thống tuần tự: (sequential system) Các chỉ thò của chương trình được thực hiện tuần tự, hết chỉ thò này đến chỉ thò khác. Được dùng cho các máy tính to lớn, cồng kềnh ngày xưa. Vào giữa thập niên 1940, xuất hiện các máy tính mainframe cồng kềnh, tốc độ rất chậm, dùng ống chân không. Người lập trình cũng chính là người vận hành máy. Chương Trình được viết chủ yếu bằng ngôn ngữ máy dưới dạng các bít 0 và 1. Chương trình được đưa bằng tay vào bộ nhớ dung lượng thấp của mainframe thông qua việc đục lỗ trên băng giấy hay thẻ đục lỗ. Chương trình được chạy từng lệnh một. Người lập trình phải luôn quan sát khi chạy chương trình để phát hiện lỗi. Khi có lỗi thì dừng hệ thống lại, sửa lỗi rồi chạy lại từ đầu. Dữ liệu xuất được in ra máy in hay đục lỗ trên thẻ, băng giấy. 2) Hệ thống xử lý theo lô: (batch system) Hệ thống loại này sẽ tập trung tất cả tài nguyên để xử lý một công việc tại một khoảng thời gian. Khi công việc chấm dứt, hệ thống sẽ thực hiện công việc kế tiếp mà không cần sự can thiệp của người lập trình, do đó thời gian thực hiện công việc sẽ nhanh hơn. Một chương trình gọi là bộ giám sát (resident monitor) nằm thường trú [...]... mà thực hiên tiếp công việc thứ hai Vì vậy hệ điều hành loại này phải thực hiện được các vấn đề điều phối (scheduling) công việc, điều phối bộ nhớ và điều phối CPU 4) Hệ thống chia xẻ thời gian: (time-sharing system): Còn được gọi là hệ thống đa nhiệm (multitasking) Là sự mở rộng của hệ thống đa chương Nhiều công việc cùng thực hiện thông qua cơ chế chuyển đổi CPU giống như hệ điều hành đa chương nhưng... mại Máy IBM 360 là máy tính đầu tiên sử dụng mạch tích hợp (IC) Từ đó kích thước và giá cả của các hệ thống máy tính giảm đáng kể Máy tính ngày càng phổ biến hơn, các thiết bò ngoại vi dành cho máy tính xuất hiện ngày càng nhiều và xuất hiện các thao tác điều khiển phức tạp Hệ điều hành ra đời nhằm điều phối, kiểm soát hoạt động và giải quyết tranh chấp thiết bò giữa các yêu cầu Chương trình hệ điều hành. .. ở Princeton đã thành công trong việc xây dựng máy tính dùng ống chân không Những máy này rất lớn với hơn 10.000 ống chân không nhưng chậm hơn rất nhiều so với máy rẻ nhất ngày nay Mỗi máy được thực hiện bởi một nhóm người Họ thực hiện thiết kế, lập trình, thao tác, quản lý máy Chương trình được lập trình bằng ngôn ngữ máy tuyệt đối Chương trình được thực thi bằng cách vận hành bảng điều khiển (control... (problem) đòi hỏi hệ thống máy tính thực thi và cho kết quả chính xác trong một khoảng thời gian cụ thể (bò thúc ép về thời gian) như: hệ thống điều khiển vũ khí, điều khiển các thí nghiệm khoa học, dự báo thời tiết Hệ thống xử lý thời gian thực được sử dụng khi có những đòi hỏi khắt khe về thời gian trên các thao tác của bộ xử lý hoặc dòng dữ liệu Máy tính phân tích dữ liệu và có thể điều chỉnh thứ... các điều khiển nhằm giải quyết kòp thời cho dữ liệu nhập Chia 2 loại: Hệ thống thời gian thực cứng (hard real-time system): công việc được hoàn tất đúng lúc, dữ liệu được lưu trong bộ nhớ ngắn hạn (short-time memory) hay ROM Hệ thống thời gian thực mềm (soft real-time system): mỗi công việc có một độ ưu tiên riêng và sẽ được thực thi theo độ ưu tiên III LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH: 1) Thế hệ. .. mô tả ngắn gọn về chương trình Nhờ vậy mà resident monitor tích lũy các tài nguyên cần thiết cho chương trình 3) Hệ thống đa chương theo lô: (multiprogrammed batched system): Gia tăng khai thác CPU bằng cách tổ chức các công việc sao cho CPU luôn luôn phải trong tình trạng làm việc Ý tưởng như sau: Hệ điều hành lưu giữ một phần các công việc ở trong bộ nhớ CPU sẽ lần lượt thực hiện các công việc này... lúc 5) Hệ thống song song: (parallel system) Ngoài các hệ thống máy tính chỉ có một bộ xử lý (singleprocessor system) còn có hệ thống máy tính có nhiều bộ xử lý bên trong nó Chúng cùng chia xẻ các đường truyền dữ liệu (bus), đồng hồ hệ thống (clock), bộ nhớ và các thiết bò ngoại vi (peripheral devices) Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý mà công việc được thực hiện nhanh chóng hơn, tối ưu hơn các máy có... trình lên các CPU) Hệ thống loại này có độ tin cậy cao vì sự hỏng hóc của một bộ xử lý sẽ không làm ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống 6) Hệ thống phân bố: (distributed system) Tương tự như hệ thống song song nhưng hệ thống này không chia sẻ đồng hồ hệ thống và bộ nhớ chung Thay vào đó mỗi bộ xử lý có một bộ nhớ cục bộ riêng Giữa các bộ xử lý có sự truyền thông (communication) với nhau thông qua các đường... thực hiện được các thao tác cơ bản rất đơn giản Ngôn ngữ lập trình và hệ điều hành đều chưa được biết đến Vào đầu thập niên 1950, phiếu đục lỗ ra đời Nhờ vậy mà chương trình được viết trên phiếu thay cho bảng điều khiển 2) Thế hệ 2: (1955-1965) Sự ra đời của thiết bò bán dẫn vào giữa thập niên 1950 làm thay đổi bức tranh tổng thể Máy tính trở nên đủ tin cậy hơn Nó được sản xuất và cung cấp cho khách... hệ thống sẽ đọc và thi hành lần lượt Sau đó nó sẽ ghi kết quả lên băng từ xuất và cuối cùng người dùng sẽ đem băng từ xuất đi in Hệ thống xử lý theo lô hoạt động dưới sự điều khiển của một chương trình đặc biệt là tiền thân của hệ điều hành sau này Ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong giai đoạn này chủ yếu là FORTRAN và hợp ngữ 3) Thế hệ 3: (1965-1980) Trong giai đoạn này, máy tính được sử dụng rộng . quyền điều khiển máy tính, hệ điều hành tiến hành cấu hình lại hệ thống, gồm các bước sau: - Hệ thống được cấu hình lại dựa trên thông tin từ Registry của hệ điều hành. - Các trình điều. chính. Kernel là lõi của hệ điều hành, là nơi chứa các thành phần cơ bản nhất của hệ điều hành. - Lúc này hệ điều hành đã nắm được quyền kiểm soát máy tính. b) Cấu hình hệ thống: (configuring. người dùng tương tác với máy tính. Chú ý: Một số máy tính lưu trữ toàn bộ hệ điều hành vào trong bộ nhớ chính. Một số máy tính khác thì chỉ nạp phần cơ bản của hệ điều hành vào trong bộ nhớ