Bài giảng hệ điều hành chương 1 giới thiệu

Khoa Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông
Đại học Cần Thơ
Giảng viên: Hà Duy An


1.
2.
3.
4.

Hệ điều hành là gì?
Tổ chức hệ thống máy tính
Các thành phần của hệ điều hành
Các môi trường điện toán

8/8/2013

2

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành



• Là một chương trình quản lý tài nguyên của máy tính, đóng
vai trò như một lớp trung gian giữa người sử dụng máy tính và
phần cứng của máy tính.
• Mục đích của hệ điều hành:
o Thực thi chương trình người dùng và giúp giải quyết các vấn của
người dùng dễ dàng hơn
o Làm cho hệ thống máy tính dễ sử dụng hơn.
o Sử dụng tài nguyên phần cứng máy tính hiệu quả.

8/8/2013

4

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Hệ thống máy tính có thể được chia thành 4 thành phần:
o Phần cứng (Hardware): cung cấp các tài nguyên tính toán cơ sở
• CPU, memory, I/O devices
o Hệ điều hành
• Điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng giữa các ứng
dụng và các người dùng
o Chương trình ứng dụng: Xác định cách các tài nguyên hệ thống
được dùng để giải quyết các vấn đề tính toán của người dùng
• Các chương trình xử lý văn bản (Word processors), các trình
biên dịch (compilers), các trình duyệt Web (web browsers),
các hệ thống cơ sở dữ liệu (database systems), các trò chơi
điện tử (video games)
o Các người dùng
• Người, các máy móc, các máy tính khác
8/8/2013

5

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


8/8/2013

6

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Tùy thuộc vào góc nhìn: user view, system view
• Người dùng cần tiện lợi, dễ sử dụng, hiệu năng cao => không
quan tâm đến việc chia sẽ các nguồn tài nguyên.
• Share computer (mainframe, minicomputer): chia sẽ công
bằng và tận dụng các nguồn tài nguyên hiệu quả nhất có thể.
• Người dùng ngồi tại máy trạm (workstation) sử dụng các
nguồn tài nguyên dùng chung: networking and servers (file,
compute, and print servers) => hài hòa giữa việc sử dụng các
tài nguyên cá nhân và tận dụng tài nguyên chia sẽ
• Các thiết bị cầm tay: tài nguyên tính toán, năng lượng giới hạn
8/8/2013

7

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Bộ cấp phát tài nguyên (Resource Allocator):
o Quản lý tất cả các tài nguyên
o Đảm bảo cạnh tranh sử dụng hiệu quả và công bằng
các nguồn tài nguyên

• Chương trình điều khiển (Control Program):
o Điều khiển sự thực thi của các chương trình để ngăn

chặn lỗi và việc sử dụng không hợp lý máy tính

8/8/2013

8

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Không có định nghĩa nào được chấp nhận hoàn toàn
• Có thể xem hệ điều hành là “mọi thứ có trong một bản phân
phối hệ điều hành”
Hay:
• Nhân (Kernel): một chương trình duy nhất hoạt động toàn
thời gian (còn lại là các chương trình hệ thống hay ứng dụng).

8/8/2013

9

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành



• Một hay nhiều CPU, các bộ điều khiển thiết bị (device
controller) truy cập bộ nhớ thông qua một bus chung
• Các truy cập đồng thời (CPU và thiết bị) sẽ cạnh tranh nhau
chu kỳ bộ nhớ

8/8/2013

11

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Ngắt chuyển điều khiển đến các thường trình dịch vụ xử lý
ngắt (interrupt service routine) thông qua vector ngắt (chứa địa
chỉ của thường trình dịch vụ)
• Kiến trúc ngắt phải lưu trữ địa chỉ của các lệnh xử lý ngắt
• Một trap hay exeption là một ngắt phát sinh bởi phần mềm do
một lỗi hay một yêu cầu của người dùng
• Hệ điều hành hướng ngắt (interrupt driven)

8/8/2013

12

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Hệ điều hành dừng công việc đang thực hiện
o Lưu giữ trạng thái của CPU bằng cách lưu trữ các thanh ghi và
bộ đếm chương trình

• Xác định loại ngắt xảy ra:
o Generic routine
o Interrupt vetor

• Thực thi intrrupt service routine

• Tiếp tục thực thi công việc trước khi bị ngắt

8/8/2013

13

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


8/8/2013

14

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Các thiết bị nhập/xuất (I/O devices) và CPU có thể thực thi đồng
thời
• Mỗi bộ điều khiển thiết bị (device controller) sẽ chịu trách nhiệm
điều khiển một loại thiết bị khác nhau
• Device Driver – cho mỗi bộ điều khiển thiết bị để quán lý I/O
o Cung cấp giao diện đồng nhất giữa controller và kernel

• Mỗi bộ điều khiển thiết bị có một vùng đệm cục bộ (local buffer)
và các thanh ghi (special-purpose registers), chịu trách nhiệm di
chuyển dữ liệu giữa thiết bị và vùng đệm cục bộ
• I/O là việc di chuyển dữ liêu giữa thiết bị và vùng đệm cục bộ
• Bộ điều khiển thiết bị báo cho CPU biết nó đã hoàn thành tác vụ của
nó bằng cách sinh ra một ngắt (interrupt)
• CPU di chuyển dữ liệu từ bộ nhớ chính đến vùng đệm cục bộ và

ngược lại
8/8/2013

15

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Để bắt đầu một thao tác I/O, device driver nạp vào các thanh
ghi trong device controller thao tác cần thực hiện
• Device controller dựa vào nội dung của các thanh ghi để thực
thi thao tác tương ứng
• Khi hoàn thành I/O, device controller báo cho device driver
thông qua ngắt
• Device driver chuyển quyển điều khiển cho hệ điều hành có
thể bao gồm dữ liệu hay một con trỏ

8/8/2013

16

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Được sử dụng cho các thiết bị I/O tốc độ cao, có thể chuyển dữ
liệu gần bằng với tốc độ bộ nhớ
• Bộ điều khiển thiết bị chuyển các khối dữ liệu từ vùng đệm
lưu trữ của thiết bị trực tiếp vào bộ nhớ chính mà không có sự
can thiệp của CPU
• Chỉ một ngắt sinh ra cho mỗi block thay vì mỗi byte

8/8/2013

17

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


A von Neumann architecture

8/8/2013

18

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Bộ nhớ chính – là phương tiên lưu trữ lớn nhất mà CPU có thể truy
cập trực tiếp
o Truy cập ngẫu nhiên
o Bị bay hơi

• Lưu trữ thứ cấp – mở rộng khả năng lưu trữ của bộ nhớ chính và
cung cấp lượng lớn khả năng lưu trữ không bay hơi
• Đĩa từ (magnetic disks) – là đĩa kim loại hay kính được phủ một lớp
chất liệu ghi nhớ từ tính
o Bộ điều khiển điều khiển đĩa điều khiển các tương tác giữa thiết bị và
máy tính

• Đĩa bán dẫn (solid-state disks) – nhanh hơn đĩa từ, không bay hơi

o Có nhiều kỹ thuật khác nhau
o Đang ngày càng trở nên phổ biến hơn.
8/8/2013

19

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Hệ thống lưu trữ tổ chức phân cấp:
o
o
o
o

8/8/2013

Tốc độ
Giá
Kích thước
Tính bay hơi

20

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Là một nguyên lý quan trọng, được cài đặt nhiều mức độ trong
một máy tính (phần cứng, hệ điều hành, phần mềm)
• Thông tin được sao chép tạm thời từ thiết bị lưu trữ chậm đến

thiết bị lưu trữ nhanh hơn.
• Thiết bị lưu trữ nhanh hơn (cache) được kiểm tra trước để xác
định thông tin cần thiết có trong đó không?
o Nếu có, thông tin được sử dụng từ trong cache
o Nếu không, dữ liệu được copy vào cache và sử dụng

• Cache luôn nhỏ hơn thiết bị lưu trữ được cache
o Quản lý cache là một vấn đề thiết kế quan trọng
o Kích thước cache và chính sách thay thế

8/8/2013

21

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Single-processor: Hầu hết các hệ thống dùng một bộ xử lý đa
mục đích (general-purpose processor), kèm với các bộ xử lý có
mục đích xử lý riêng biệt (special-purpose processors) vd:
disk, keyboard, graphics controllers.
• Multiprocessors (Hệ thống có nhiều bộ xử lý) đang được sử
dụng và ngày càng đóng vai trò quan trọng: được biết như là
parallel systems hay tightly-coupled systems
o Ưu điểm:
• Tăng thông lượng
• Tăng khả năng mở rộng
• Tăng độ tin cậy

o 2 loại:

• Đa xử lý bất đối xứng (Asymmetric Multiprocessing)
• Đa xử lý đối xứng (Symmetric Multiprocessing)
8/8/2013

22

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


8/8/2013

23

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


• Giống như multiprocessor, nhưng nhiều hệ thống máy tính
riêng lẽ được tổ chức để hoạt động cùng nhau:
o Thông thường chia sẽ lưu trữ thông qua vùng lưu trữ mạng
(Storage-area network hay SAN)
o Cung cấp các dịch vụ có tính sẵn dùng cao, khả năng chịu lỗi:
• Asymmetric clustering
• Symmetric clustering

o Cluster dùng cho high-performance computing (HPC): các ứng
dụng phải được thiết kế để tận dụng khả năng tính toán song
song của hệ thống
o Cluster có thể được trang bị khả năng DLM (distributed lock
manager) để tránh các thao tác xung đột trên dữ liệu chia sẽ dùng
chung

8/8/2013

24

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành


8/8/2013

25

Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành