Bài giảng nguyên lý hệ điều hành chương 1 GV đặng quang hiển

NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH
(3 Tín chỉ)

GV: Đặng Quang Hiển
Khoa: Khoa Học Máy Tính


GIỚI THIỆU MÔN HỌC
Tên

môn học: Nguyên lý hệ điều hành
Thời lượng: 3 TC (45 LT)
Mục tiêu của học phần: cung cấp cho sinh viên:
Các khái niệm, cấu trúc, nguyên lý, tổ chức hoạt động
của hệ điều hành.
Quản lý tiến trình, bộ nhớ, tài nguyên máy tính.

Giới thiệu về hệ thống tập tin, hệ thống nhập/xuất và
cơ chế bảo vệ an toàn cho hệ thống.
Các phương pháp giải quyết các vấn đề nảy sinh.
Xem xét một số hệ điều hành nổi tiếng Linux, Windows
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

2


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 bản 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 bản
Wiley năm 2003.
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

3


NỘI DUNG MÔN HỌC
Nội dung môn học có 6 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 1. Tổng quan về hệ điều hành

4


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

1.1. Chức năng và lịch sử phát triển HĐH
1.2. Một số khái niệm của HĐH
1.3. Hệ điều hành và phân loại
1.4. Thành phần, dịch vụ, cấu trúc cơ bản
của HĐH

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

5


CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.1 Chức năng của HĐH (1/4)
- Hệ thống máy tính gồm: phần cứng, HĐH, các chương trình ứng
dụng và người sử dụng. HĐH rất quan trọng và không thể thiếu, nhờ
có HĐH mà người sử dụng có thể làm việc và khai thác được các
chức năng của phần cứng máy tính
- HĐH là một chương trình chạy trên máy tính, dùng để điều hành,
quản lý các thiết bị phần cứng và các tài nguyên phần mềm
- HĐH là một hệ thống, đóng vai trò trung gian giữa người sử dụng và
phần cứng. Mục tiêu chính là cung cấp môi trường thuận lợi để người
sử dụng dễ dàng thực hiện các chương trình ứng dụng của mình trên

máy tính và khai thác triệt để các chức năng của phần cứng máy tính
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

6


CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.1 Chức năng của hệ điều hành (2/4)
Để đạt được mục tiêu HĐH thực hiện 2 chức năng:
- Giả lập một máy tính mở rộng: máy tính được cấu thành từ CPU,
memory, I/O… để hiểu được cơ chế NSD tác động vào ngôn ngữ
máy. Để đơn giản HĐH che đậy các phần cứng bởi các máy tính mở
rộng. Khi tác động vào máy tính thực thì người sử dụng tác động vào
máy tính mở rộng, mọi việc chuyển đổi thông tin do HĐH thực hiện.
Như vậy chức năng chính của HĐH giúp người sử dụng khai thác các
chức năng của phần cứng máy tính dễ dàng và hiệu quả hơn

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

7


CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.1 Chức năng của hệ điều hành (3/4)

- Quản lý tài nguyên của hệ thống: processor, memory, I/O device,
printer, file... dùng để cấp phát cho tiến trình, chương trình. Khi thực
hiện chương trình hay cần nạp thêm một tiến trình mới thì cần cấp
không gian bộ nhớ.
HĐH đa nhiệm cần được nạp nhiều tiến trình, chương trình vào bộ
nhớ, nhưng bộ nhớ có giới hạn nên phải cấp phát sao cho hợp lý để
đảm bảo tất cả chương trình, tiến trình khi cần đều được nạp vào bộ
nhớ để hoạt động.
HĐH phải bảo vệ các không gian nhớ đã cấp cho chương trình, tiến
trình để tránh sự truy cập bất hợp lệ và tranh chấp. Đặc biệt là các tiến
trình đồng thời hoạt động trên hệ thống.
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

8


CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.1 Chức năng của hệ điều hành (4/4)
Mục tiêu các nhà thiết kế, cài đặt hướng tới chức năng của HĐH là:
- HĐH cho phép thực hiện nhiều chương trình đồng thời trong môi
trường đa tác vụ.
- Hệ điều hành tự nạp nó vào bộ nhớ: khi boot
- Hệ điều hành và API: (Application Programming Interface):các hàm
và thủ tục xây dựng sẵn như shutdown hoặc có thể gọi thủ tục khác
- Nạp dữ liệu cần thiết vào bộ nhớ: lưu lại địa chỉ cất giữ dữ liệu
- Hệ điều hành biên dịch các chỉ thị chương trình: đọc, giải mã các
thao tác cần thực hiện và thông báo các lỗi khi hệ thống gặp lỗi

- HĐH quản lý tài nguyên : đảm bảo thích hợp các tài nguyên của hệ
thống
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

9


CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ điều hành (1/2)
 Thế hệ 1:1946-1955: máy tính dùng đèn điện tử chân không, người
lập trình dùng ngôn ngữ máy để thực hiện, dùng bảng điều khiển,
sau đó phiếu đục lỗ và viết c/trình trên phiếu thay bảng điều khiển
 Thế hệ 2: 1956-1965: máy tính dùng bán dẫn ra đời, người lập trình
dùng ngôn ngữ assembly hoặc Fortran để viết chương trình trên
phiếu đục lỗ và đưa vào máy thực hiện đưa kết quả ra máy in.
 Thế hệ 3: 1965-1980: máy tính sử dụng mạch tích hợp IC, máy tính
càng phổ biến hơn, máy tính phát triển nhiều và phức tạp hơn cần có
HĐH để điều phối kiểm soát hoạt động hệ thống
 Thế hệ 4: từ 1980 đến nay: máy tính cá nhân ra đời, hệ thống máy
tính IBM với hệ điều hành MSDOS, hệ điều hành Windows sau này.
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

10

CHỨC NĂNG VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HĐH

1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ điều hành (1/2)
Tóm lại: Qua đây chúng ta thấy quá trình hình thành của HĐH gắn
liền với quá trình hình thành máy tính. Có một số điểm nổi bậc sau:
 Các ngôn ngữ lập trình cấp thấp ra đời trước các HĐH và các HĐH
đều được xây dựng từ ngôn ngữ lập trình cấp thấp. Đặc biệt HĐH
Unix xây dựng từ C ngôn ngữ lập trình cấp cao.
 Nếu không có HĐH thì việc khai thác và sử dụng máy tính sẽ khó
khăn và phức tạp và không phải ai cũng sử dụng được máy tính .
 Sự ra đời và phát triển của HĐH gắn liền với sự phát triển của máy
tính và ngược lại. HĐH thực sự phát triển khi máy tính PC xuất hiện
trên thị trường
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

11


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.1 Tiến trình và tiểu trình
 Tiến trình là một bộ phận của chương trình đang thực hiện. Tiến
trình là đơn vị làm việc cơ bản của hệ thống, có thể tồn tại nhiều
tiến trình cùng hoạt động, trong đó có cả tiến trình của HĐH và tiến
trình của chương trình người sử dụng và có thể hoạt động đồng thời
với nhau bằng cách phân chia thời gian CPU giữa chúng
 Tiểu trình là thành phần của tiến trình, trong một tiến trình có thể có
nhiều tiểu trình. Tiểu trình cũng là đơn vị xử lý cơ bản trong hệ
thống, xử lý tuần tự đoạn code, sở hữu một con trỏ lệnh, một tập các

thanh ghi và một vùng nhớ stack riêng và các tiểu trình cũng chia sẻ
thời gian xử lý của processor như các tiến trình

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

12


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.2 Bộ xử lý lệnh (Shell)
 Shell là một tiến trình đặc biệt của HĐH, nó có nhiệm vụ nhận,
phân tích lệnh của người sử dụng, phát sinh tiến trình mới để thực
hiện yêu cầu, tiến trình mới được gọi là tiến trình đáp ứng yêu cầu.
 Shell là nơi giao tiếp giữa người sử dụng và HĐH thông qua dòng
lệnh, mỗi HĐH khác nhau có cơ chế dòng lệnh khác nhau.
+ MSDOS đó là con trỏ lệnh và dấu nhắc hệ điều hành (C:\>_)
+ Windows 9x đó là nút Start\Run
Lệnh Shell đối với :
+ HĐH đơn nhiệm: khi tiến trình thực hiện lệnh shell chờ
+ HĐH đa nhiệm: khi tiến tiến trình thực hiện shell sẵn sàng
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

13


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH

1.2.3 Sự phân lớp hệ thống (1/2)
HĐH là một hệ thống các chương trình bao quanh máy tính thực
(vật lý) nhằm tạo ra một máy tính mở rộng (logic).
Mỗi người sử dụng yêu cầu HĐH khác nhau:
 Người sử dụng thông thường chỉ cần một môi trường thuận lợi để
họ thực hiện các ứng dụng.
 Lập trình viên cần một môi trường lập trình tốt để họ có thể triển
khai các ứng dụng.
 Chuyên viên lập trình hệ thống cần HĐH cung cấp cho họ các công
cụ để họ can thiệp sâu hơn vào hệ thống phần cứng máy tính ...
Để đáp ứng yêu cầu của nhiều đối tượng người sử dụng khác
nhau, HĐH thực hiện hệ thống phân lớp
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

14


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.3 Sự phân lớp hệ thống (2/2)
Hệ thống phân lớp:

Người
dùng
Người lập
trình
Trình
ứng dụng

Các tiện ích

Hệ điều hành

Phần cứng

6/28/2014

Người thiết kế
hệ điều hành

- Người thiết kế hệ điều hành là
phải truy cập trực tiếp vào các
chi tiết của phần cứng máy tính.
- Người sử dụng và người lập
trình truy cập vào các chi tiết của
phần cứng máy tính thông qua hệ
điều hành.
 Như vậy người sử dụng tác
động vào lớp trong cùng sẽ gặp
nhiều khó khăn

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

15


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.4 Tài nguyên hệ thống (1/2)
 Tài nguyên không gian: Là các không gian lưu trữ của hệ thống như

đĩa, bộ nhớ chính, quan trọng nhất là không gian bộ nhớ chính, nơi
lưu trữ các chương trình đang được CPU thực hiện.
 Tài nguyên thời gian: chính là thời gian thực hiện lệnh của bộ xử lý
và thời gian truy xuất dữ liệu trên bộ nhớ
- Sau đây là các tài nguyên của hệ thống:
 Bộ nhớ: (Memory): là nơi chứa dữ liệu, còn thời gian truy cập bộ
nhớ là quá trình tìm đến dữ liệu trên bộ nhớ. Bộ nhớ Ram là bộ nhớ
trong

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

16


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.4 Tài nguyên hệ thống (1/2)
+ Bộ xử lý: (Processor): là tài nghuyên quan trọng nhất của hệ thống,
dùng để xử lý các câu lệnh đưa tiến trình vào trạng thái hoạt động.
Khi xét về bộ xử lý thì xét đến thời gian xử lý của bộ xử lý
+ Tài nguyên ảo/Tài nguyên logic: Là loại tài nguyên cung cấp cho
chương trình người sử dụng dưới dạng đã được biến đổi, nó xuất hiện
khi hệ thống cần và mất đi khi hệ thống kết thúc.
▪ Tài nguyên phân chia được: Là những tài nguyên mà tại một thời
điểm nó có thể cấp phát cho nhiều tiến trình khác nhau cùng một lúc.
Ví dụ như bộ nhớ chính và Processor
▪ Tài nguyên không phân chia được: Là những tài nguyên mà tại một
thời điểm nó chỉ có thể cấp phát cho một tiến trình duy nhất. Ví dụ
như máy in

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

17


MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
1.2.5 Lời gọi hệ thống
- Để tạo môi trường giao tiếp giữa chương trình của người sử dụng và
HĐH, HĐH đưa ra các lời gọi hệ thống. Chương trình của người sử
dụng dùng các lời gọi hệ thống để liên lạc với HĐH và yêu cầu các
dịch vụ từ HĐH
- Lời gọi hệ thống có thể được chia thành các loại: quản lý tiến trình,
thao tác trên tập tin, thao tác trên thiết bị nhập/xuất ...
- Cần phải phân biệt sự khác nhau giữa Shell và System Call. Shell tạo
môi trường giao tiếp giữa người sử dụng và HĐH, System Call tạo
môi trường giao tiếp giữa chương trình người sử dụng và HĐH

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

18


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI
1.3.1 Khái niệm hệ điều hành (1/4)
Có nhiều người sử dụng HĐH dưới các góc độ khác nhau vì thế họ có
thể định nghĩa về hệ điều hành khác nhau:

Đối với người sử dụng: HĐH là tập hợp các chương trình, phục vụ khai
thác hệ thống tính toán một cách dễ dàng, thuận tiên
Đối với người làm quản lý:HĐH là tập hợp các chương trình, phục vụ
quản lý chặt chẽ, sử dụng tối ưu các tài nguyên của hệ thống tính toán
Đối với cán bộ kỹ thuật: HĐH là một hệ thống bao trùm lên một máy
tính vật lý cụ thể để tạo ra một máy tính logic với những tài nguyên
mới và khả năng mới
Các khái niệm trên cho ta thấy mỗi người sử dụng đều mong muốn
khác nhau và muốn công việc của mình được thực hiện dễ dàng
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

19


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI
1.3.1 Khái niệm hệ điều hành (2/4)
Đối với người lập trình hệ thống: HĐH là hệ thống mô hình hóa, mô
phỏng các hoạt động của máy tính, của người sử dụng và thao tác hoạt
động trong các hệ thống đối thoại nhằm tạo ra môi trường để quản lý
chặt chẽ các tài nguyên và tổ chức khai thác chúng thuận tiện và tối ưu
Đối với người lập trình hệ thống, vị trí của họ ở bên trong HĐH họ
quan sát các modul, các thành phần của hệ thống, quan sát mối quan hệ
giữa chúng.
Chương trình
người sử dụng

6/28/2014

OS

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

Phần cứng

20


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI
1.3.1 Khái niệm hệ điều hành (3/4)
- HĐH là một chương trình hoạt động giữa người sử dụng (user) và
phần cứng của máy tính. Mục tiêu của HĐH là cung cấp một môi
trường để người sử dụng có thể thi hành các chương trình của mình.
Nó làm cho máy tính dễ sử dụng, thuận lợi và hiệu quả hơn
- Hệ điều hành ra đời tồn tại và phát triển là để giải quyết các vấn đề sử
dụng hệ thống máy tính của người sử dụng, nhằm giúp người sử dụng
khai thác hết các chức năng của phần cứng máy tính, giúp người sử
dụng thực hiện được các chương trình của mình trên máy tính. Nghĩa
là nó là giúp cho việc thi hành các chương trình hiệu quả hơn, thực
hiện các thao tác trên hệ thống máy tính dễ dàng hơn

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

21


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI

1.3.1 Khái niệm hệ điều hành (4/4)
- Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy
tính. Một hệ thống máy tính được chia thành các phần chính như:
phần cứng, HĐH, các chương trình ứng dụng và người sử dụng.
-Phần cứng bao gồm CPU, bộ
Người sử Người sử Người sử ..... Người sử
nhớ, các thiết bị
dụng 3
dụng 1
dụng 2
dụng n
-Chương trình ứng dụng
chương trình dịch, CSDL…
Chương trình Hợp ngữ
Soạn thảo
CSDL
dịch
văn bản
-Hệ điều hành điều khiển và
Các chương trình ứng dụng
phối hợp việc sử dụng phần
Hệ điều hành
cứng cho những ứng dụng
Phần cứng
khác nhau của nhiều người sd
6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về 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, khi hệ
thống cần thực hiện một tác vụ thì nó phải lưu chương trình và dữ liệu
của các tác vụ vào hàng đợi các công việc, sau đó thực hiện lần lượt
từng bộ chương trình, dữ liệu của tác vụ tương ứng trong hàng đợi và
cho ra lần lượt các kết quả
Môi trường người sử dụng
Nhập tác vụ
Môi trường máy tính

Hàng đợi tác vụ

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

Kết quả
23


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI
1.3.2 Phân loại hệ điều hành (2/7)
- Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương: HĐH xử lý theo lô đa
chương thực hiện được nhiều tác vụ, nhiều chương trình đồng thời
bằng cách nạp một phần code và data của các tác vụ vào bộ nhớ (các
phần còn lại sẽ được nạp sau tại thời điểm thích hợp) và tất cả đều ở
trạng thái sẵn sàng thực hiện. Sau đó HĐH bắt đầu thực hiện một tác

vụ nào đó, nhưng khi tác vụ đang thực hiện cần truy xuất thiết bị
nhập/xuất thì processor sẽ được chuyển sang thực hiện các tác vụ
khác và cứ như thế HĐH tổ chức chuyển hướng processor để thực
hiện hết các phần tác vụ trong bộ nhớ cũng như các tác vụ mà hệ
thống yêu cầu

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

24


HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHÂN LOẠI
1.3.2 Phân loại hệ điều hành (3/7)
- Hệ điều hành xử lý theo thời gian: Giống HĐH xử lý theo lô đa
chương nhưng việc chuyển processor từ tác vụ, tiến trình này sang tác
vụ, không phụ thuộc vào việc tác vụ, tiến trình hiện tại có truy xuất
đến thiết bị nhập/xuất hay không mà chỉ phụ thuộc vào sự điều phối
processor của HĐH
Trong HĐH này thời gian chuyển đổi processor giữa các tác vụ là rất
nhỏ nên ta có cảm giác các tác vụ thực hiện song song với nhau. Với
HĐH này người sử dụng có thể yêu cầu HĐH thực hiện nhiều chương
trình, tiến trình, tác vụ đồng thời với nhau

6/28/2014

Chương 1. Tổng quan về hệ điều hành

25