NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH (3 Tín chỉ) GV: Đặng Quang Hiển Khoa: Khoa Học Máy Tính GIỚI THIỆU MƠN HỌC Tên môn học: Nguyên lý hệ điều hành Thời lượng: TC (45 LT) Mục tiêu học phần: cung cấp cho sinh viên: Các khái niệm, cấu trúc, nguyên lý, tổ chức hoạt động hệ điều hành Quản lý tiến trình, nhớ, tài ngun máy tính Giới thiệu hệ thống tập tin, hệ thống nhập/xuất chế bảo vệ an toàn cho hệ thống Các phương pháp giải vấn đề nảy sinh Xem xét số hệ điều hành tiếng Linux, Windows 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành GIỚI THIỆU MÔN HỌC  Tài liệu tham khảo: Trường CĐ CNTT HN Việt Hàn, Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành tháng (03/2008 ) Nguyễn Kim Tuấn (2005), Nguyên lý hệ điều hành, nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Hạnh Nhi, Giáo trình Hệ điều hành nâng cao Đại học khoa học tự nhiên TP Hồ Chí Minh Operating System Conceps (2003), nhà xuất Wiley năm 2003 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành NỘI DUNG MƠN HỌC Nội dung mơn học có chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH Chương 2: QUẢN LÝ TIẾN TRÌNH Chương 3: QUẢN LÝ BỘ NHỚ Chương 4: QUẢN LÝ TẬP TIN VÀ ĐĨA Chương 5: QUẢN LÝ NHẬP/XUẤT Chương 6: BẢO VỆ AN TOÀN HỆ THỐNG 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH 1.1 Chức lịch sử phát triển HĐH 1.2 Một số khái niệm HĐH 1.3 Hệ điều hành phân loại 1.4 Thành phần, dịch vụ, cấu trúc HĐH 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH 1.1.1 Chức HĐH (1/4) - Hệ thống máy tính gồm: phần cứng, HĐH, chương trình ứng dụng người sử dụng HĐH quan trọng khơng thể thiếu, nhờ có HĐH mà người sử dụng làm việc khai thác chức phần cứng máy tính - HĐH chương trình chạy máy tính, dùng để điều hành, quản lý thiết bị phần cứng tài nguyên phần mềm - HĐH hệ thống, đóng vai trị trung gian người sử dụng phần cứng Mục tiêu cung cấp môi trường thuận lợi để người sử dụng dễ dàng thực chương trình ứng dụng máy tính khai thác triệt để chức phần cứng máy tính 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH 1.1.1 Chức hệ điều hành (2/4) Để đạt mục tiêu HĐH thực chức năng: - Giả lập máy tính mở rộng: máy tính cấu thành từ CPU, memory, I/O… để hiểu chế NSD tác động vào ngôn ngữ máy Để đơn giản HĐH che đậy phần cứng máy tính mở rộng Khi tác động vào máy tính thực người sử dụng tác động vào máy tính mở rộng, việc chuyển đổi thông tin HĐH thực Như chức HĐH giúp người sử dụng khai thác chức phần cứng máy tính dễ dàng hiệu 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH 1.1.1 Chức hệ điều hành (3/4) - Quản lý tài nguyên hệ thống: processor, memory, I/O device, printer, file dùng để cấp phát cho tiến trình, chương trình Khi thực chương trình hay cần nạp thêm tiến trình cần cấp không gian nhớ HĐH đa nhiệm cần nạp nhiều tiến trình, chương trình vào nhớ, nhớ có giới hạn nên phải cấp phát cho hợp lý để đảm bảo tất chương trình, tiến trình cần nạp vào nhớ để hoạt động HĐH phải bảo vệ không gian nhớ cấp cho chương trình, tiến trình để tránh truy cập bất hợp lệ tranh chấp Đặc biệt tiến trình đồng thời hoạt động hệ thống 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH 1.1.1 Chức hệ điều hành (4/4) Mục tiêu nhà thiết kế, cài đặt hướng tới chức HĐH là: - HĐH cho phép thực nhiều chương trình đồng thời mơi trường đa tác vụ - Hệ điều hành tự nạp vào nhớ: boot - Hệ điều hành API: (Application Programming Interface):các hàm thủ tục xây dựng sẵn shutdown gọi thủ tục khác - Nạp liệu cần thiết vào nhớ: lưu lại địa cất giữ liệu - Hệ điều hành biên dịch thị chương trình: đọc, giải mã thao tác cần thực thông báo lỗi hệ thống gặp lỗi - HĐH quản lý tài nguyên : đảm bảo thích hợp tài nguyên hệ thống 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH 1.1.2 Lịch sử phát triển hệ điều hành (1/2)  Thế hệ 1:1946-1955: máy tính dùng đèn điện tử chân khơng, người lập trình dùng ngơn ngữ máy để thực hiện, dùng bảng điều khiển, sau phiếu đục lỗ viết c/trình phiếu thay bảng điều khiển  Thế hệ 2: 1956-1965: máy tính dùng bán dẫn đời, người lập trình dùng ngơn ngữ assembly Fortran để viết chương trình phiếu đục lỗ đưa vào máy thực đưa kết máy in  Thế hệ 3: 1965-1980: máy tính sử dụng mạch tích hợp IC, máy tính phổ biến hơn, máy tính phát triển nhiều phức tạp cần có HĐH để điều phối kiểm sốt hoạt động hệ thống  Thế hệ 4: từ 1980 đến nay: máy tính cá nhân đời, hệ thống máy tính IBM với hệ điều hành MSDOS, hệ điều hành Windows sau 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 10 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.1 Các thành phần hệ điều hành (7/7) 1.4.1.7 Thành phần bảo vệ hệ thống - HĐH đa nhiệm có nhiều tiến trình hoạt động đồng thời, tiến phải có chế bảo vệ để khơng bị tác động Nghĩa File, Memory, CPU tài nguyên khác mà HĐH cấp cho chương trình, tiến trình có chương trình tiến trình quyền tác động đến - Đặc biệt với tài nguyên dùng chung tiến trình hoạt động đồng thời, HĐH không cho xảy tranh chấp tài nguyên không truy xuất bất hợp lệ vùng nhớ Hệ thống bảo vệ chế kiểm sốt q trình truy xuất chương trình, tiến trình người sử dụng với tài nguyên hệ thống 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 36 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.2 Các dịch vụ hệ điều hành (1/4) Hệ điều hành cung cấp môi trường để thi hành chương trình, cách cung cấp dịch vụ cho chương trình cho người sử dụng - Thực thi chương trình: hệ thống có nhiệm vụ nạp chương trình người sử dụng vào nhớ, chuẩn bị đầy đủ điều kiện tài nguyên để chương trình chạy kết thúc được, kết thúc bình thường bị lỗi Khi chương trình kết thúc hệ điều hành phải thu hồi tài nguyên cấp cho chương trình - Thao tác nhập xuất: Khi chương trình chạy u cầu nhập xuất liệu từ tập tin từ thiết bị nhập xuất Để tăng hiệu quả, người sử dụng không truy xuất trực tiếp thiết bị nhập xuất mà thông qua cách thức hệ điều hành cung cấp 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 37 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.2 Các dịch vụ hệ điều hành (2/4) - Thao tác hệ thống tập tin: HĐH cần cung cấp cơng cụ để chương trình dễ dàng thực thao tác đọc ghi tập tin, thao tác phải thực an toàn, đặc biệt môi trường đa nhiệm - Trao đổi thơng tin tiến trình: Trong mơi trường HĐH đa nhiệm, với nhiều tiến trình hoạt động đồng thời, tiến trình trao đổi thơng tin với nhiều tiến trình khác Trao đổi xảy hai cách Một thực máy tính; hai thay tiến trình khác hệ thống mạng 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 38 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.2 Các dịch vụ hệ điều hành (3/4) - Phát lỗi xử lý lỗi: HĐH phải có cơng cụ để giúp chương trình người sử dụng phát lỗi hệ thống (CPU, Memory, I/O device, Program) phát sinh Đối với dạng lỗi HĐH có cách giải tương ứng cho hiệu - Cấp phát tài nguyên: Khi nhiều người dùng đăng nhập vào hệ thống hay nhiều công việc chạy lúc, HĐH quản lý tài nguyên cung cấp tới người dùng nhiều loại tài nguyên khác 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 39 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.2 Các dịch vụ hệ điều hành (4/4) - Tính tốn: Chúng ta muốn giữ vết người dùng sử dụng loại tài nguyên máy tính Giữ vết dùng để tính tốn (tính tiền người dùng) hay đơn giản thống kê sử dụng - Bảo vệ : Khi nhiều trình riêng lẻ thực thi đồng hành, khơng thể cho q trình can thiệp tới q trình khác hay tới HĐH Bảo vệ đảm bảo tất truy xuất tài nguyên hệ thống kiểm sốt An tồn hệ thống từ người dùng bên vấn đề quan trọng An tồn bắt đầu với người dùng có quyền hệ thống, thường mật để phép truy xuất tài nguyên 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 40 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (1/7) - Hệ thống đơn khối Chương trình người sử dụng Gọi Kernel Chương trình người sử dụng Chương trình người sử dụng chạy Uer mode Main memory     Thủ tục dịch vụ Hệ điều hành chạy Kernel mode Bảng mô tả Chương trình người sử dụng gởi yêu cầu đến Kernel Hệ điều hành kiểm tra yêu cầu dịch vụ Hệ điều hành xác định (vị trí) gọi thủ tục dịch vụ tương ứng Hệ điều hành trả điều khiển lại cho chương trình người sử dụng 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 41 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (2/7) - Cấu trúc hệ thống đơn khối gồm thủ tục chia thành lớp + Một chương trình (chương trình người sử dụng) gọi đến thủ tục dịch vụ hệ điều hành Lời gọi gọi lời gọi hệ thống + Một tập thủ tục dịch vụ (service) để đáp ứng lời gọi hệ thống từ chương trình người sử dụng + Một tập thủ tục tiện ích (utility) hỗ trợ cho thủ tục dịch việc thực cho lời gọi hệ thống Lời gọi hệ thống gọi thủ tục Thủ tục dịch vụ, tiện ích thực Thủ tục dịch vụ thủ tục dịch vụ cần, nhận Thủ tục tiện ích liệu từ chương trình NSD 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 42 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (3/7) - Hệ thống phân lớp: Hệ thống chia thành lớp, lớp xây dựng dựa vào lớp bên Lớp thường phần cứng, lớp giao diện với người sử dụng Giao diện người sử dụng Người sử dụng Giao diện thư viện Giao diện lời gọi hệ thống Chương trình tiện ích chuẩn (Shell, Editor, compiler, ) Thư viện chuẩn (Open, Close, Read, Write, ) Hệ diều hành Unix (process management, memory management the file system, I/O, …) Uesr Mode Kernel Mode Phần cứng (CPU, memory, disks, I/O, ) 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 43 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (4/7) - Hệ thống phân lớp Lớp 5: Chương trình ứng dụng Lớp 4: Quản lý đệm cho thiết bị nhập xuất Lớp 3: Trình điều khiển thao tác console Lớp 2: Quản lý nhớ Lớp 1: Điều phối processor Lớp 0: Phần cứng hệ thống 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 44 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (5/7) - Máy ảo: chương trình người sử dụng gọi dễ dàng chương trình hệ thống xem thành phần chương trình hệ thống phần cứng máy tính Lớp ứng dụng sử dụng khái niệm máy ảo Tiến trình Tiến trình Tiến trình a Tiến trình b Giao diện lập trình OS OS OS Máy ảo Máy ảo Máy ảo OS Máy ảo Phần cứng 6/28/2014 Phần cứng Chương Tổng quan hệ điều hành 45 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (6/7) + Ở cần phân biệt khác máy ảo máy tính mở rộng, máy ảo xác đặc tính phần cứng máy tính thực cho phép HĐH hoạt động nó, sau HĐH xây dựng máy tính mở rộng để cung cấp cho người sử dụng + Với cấu trúc tiến trình hoạt động máy ảo độc lập có cảm giác sở hữu máy tính thực + Bảo vệ tài nguyên hệ thống tài nguyên cấp phát cho tiến trình, trở nên đơn giản tiến trình thực máy tính(ảo) độc lập với nên việc tranh chấp tài nguyên không xảy + Nhờ hệ thống máy ảo mà ứng dụng xây dựng HĐH hoạt động HĐH khác 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 46 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1.4.3 Cấu trúc hệ điều hành (7/7) - Mơ hình Client/server: Để u cầu dịch vụ, đọc khối từ tập tin, xử lý người sử dụng (còn gọi tiến trình client) gởi u cầu cho xử lý phận dịch vụ (còn gọi tiến trình server) sau thực gởi kết trở lại User mode Tiến trình client Tiến trình client Tiến Tiến trình terminal servert … Server tập tin Server nhớ Kernel (hạt nhân) Kernel mode 6/28/2014 Client nhận dịch vụ cách gởi thơng điệp đến tiến trình server Khi cần thực chức hệ thống tiến trình Client gởi yêu cầu tới tiến trình server tương ứng, tiến trình server xử lý trả lời kết cho tiến trình Client Chương Tổng quan hệ điều hành 47 TỔNG KẾT Trong chương này, học:  Chức năng: Giả lập máy tính mở rộng quản lý tài nguyên hệ thống  Quá trình phát triển HĐH qua giai đoạn  Một số khái niệm HĐH: tiến trình, tiểu trình, shell, phân lớp, tài nguyên lời gọi hệ thống  Khái niệm phân loại: HĐH xử lý theo lô đơn giản, đa chương, chia sẻ thời gian, đa vi xử lý, mạng t/g thực  Các thành phần HĐH: thành phần quản lý tiến trình, nhớ chính, phụ, nhập xuất, quản lý tập tin, dòng lệnh bảo vệ hệ thống  Các dịch vụ HĐH:  Cấu trúc HĐH: đơn khối, phân lớp, máy ảo client/server 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 48 CÂU HỎI  Trả lời câu hỏi : Chức HĐH Lịch sử phát triển HĐH Chương trình, tiến trình, tiểu trình Bộ xử lý lệnh shell Phân lớp Tài nguyên hệ thống Lời gọi hệ thống Khái niệm HĐH phân loại 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 49 CÂU HỎI  Trả lời câu hỏi giáo trình trang 27  Xem trước phần giáo trình chương 2: Quản lý tiến trình 6/28/2014 Chương Tổng quan hệ điều hành 50 ... trúc HĐH phức tạp 6/28/2 014 Chương Tổng quan hệ điều hành 29 THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH 1. 4 .1 Các thành phần hệ điều hành (1/ 7) 1. 4 .1. 1 Thành phần quản lý tiến trình + HĐH có nhiệm... 6/28/2 014 Chương Tổng quan hệ điều hành 25 HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI 1. 3.2 Phân loại hệ điều hành (4/7) - Hệ điều hành đa vi xử lý: HĐH có sử dụng điều khiển có nhiều vi xử lý gồm: + Đa xử lý đối... 6/28/2 014 Chương Tổng quan hệ điều hành 22 HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI 1. 3.2 Phân loại hệ điều hành (1/ 7) - Hệ điều hành xử lý theo lô đơn chương: HĐH loại này, hệ thống cần thực tác vụ phải lưu chương