Giáo trình Hệ điều hành

HỆ ĐIỀU HÀHH Nội dung chương 2 2.1. Tổng quan về HĐH 2.2. Các khái niệm cơ bản 2.3. Thành phần của hệ điều hành 2.4 . Lịch sử phát triển Vấn đề chung • Phần mềm gồm các lệnh hướng dẫn máy tính thực hiện một tác vụ nhất định • Có hai loại: ứng dụng và hệ thống • Các phần mềm có – các phiên bản mới (version): Windows 3.1, Windows 95, Windows 98, Windows Me,... – các phiên bản nâng cấp (release) – đều mang tính tương thích (compatibility) ở mức độ nào đó Vấn đề chung • A computer system consists of – hardware – system programs – application programs Phần mềm hệ thống • Là các phần mềm cho phép các phần mềm ứng dụng tương tác với máy tính và giúp máy tính quản lý và điều khiển hoạt động các tài nguyên phần cứng • Có ba loại: – Hệ điều hành (Operating System) – Các chương trình ứng dụng (Utility program) – Các chương trình dịch (Language translator) dịch các văn bản nguồn viết bằng ngôn ngữ lập trình sang chương trình thực thi trên máy tính Vấn đề chung • Khái niệm về hệ điều hành: – Hệ điều hành là hệ thống chương trình đảm bảo quản lý tài nguyên của hệ thống tính toán và cung cấp các dịch vụ cho người sử dụng. • Hệ điều hành được cài đặt trên đĩa • Ví dụ: – IBM360 có hệ điều hành là DOS, TOS – EC-1022 có hệ điều hành là OC-EC – Windows, Linux, Unix, – Hệ điều hành mạng: Netware, Win-NT, Vấn đề chung • Các nhiệm vụ của hệ điều hành: – Khởi động máy tính, tạo môi trường giao tiếp cho người sử dụng. – Tự động điều khiển và kiểm soát hoạt động của các thiết bị – Quản lý việc cấp phát tài nguyên của máy tính – Quản lý các chương trình đang thực hiện trên máy tính. – Thực hiện giao tiếp với người sử dụng để nhận lệnh và thực hiện lệnh. Vấn đề chung • Các nhiệm vụ của hệ điều hành: – Khởi động máy tính, tạo môi trường giao tiếp cho người sử dụng. – Tự động điều khiển và kiểm soát hoạt động của các thiết bị – Quản lý việc cấp phát tài nguyên của máy tính – Quản lý các chương trình đang thực hiện trên máy tính. – Thực hiện giao tiếp với người sử dụng để nhận lệnh và thực hiện lệnh. – Quản lý tập tin và – Quản lý các tác vụ. Nội dung chương 2 2.1. Tổng quan về HĐH 2.2. Các khái niệm cơ bản 2.3. Cấu trúc của hệ điều hành 2.4 . Lịch sử phát triển Các khái niệm cơ bản • Quá trình (process) • Deadlock • Quản lý bộ nhớ (memory management) • Nhập/xuất dữ liệu (input/output) • Tập tin (file) • An ninh dữ liệu (security) • The shell Các khái niệm cơ bản • Quá trình (process) – Quá trình là một chương trình đang thực thi – Một cây quá trình (process tree) • A đã tạo hai quá trình con, B và C • B đã tạo ba quá trình con, D, E, và F Các khái niệm cơ bản • Deadlocks – Khi hai hay nhiều quá trình tương tác với nhau thì chúng có thể lâm vào tình trạng deadlock – Ví dụ: một máy tính với một ổ băng từ và một ổ ghi CD. Hai quá trình A và B muốn ghi lên CD từ dữ liệu trên băng từ • Quá trình A yêu cầu và được cấp phát ổ băng từ • Quá trình B yêu cầu và được cấp phát ổ ghi CD • Quá trình A yêu cầu ổ ghi CD, bị tạm dừng • Quá trình B yêu cầu ổ băng từ, bị tạm dừng Các khái niệm cơ bản • Deadlocks – Khi hai hay nhiều quá trình tương tác với nhau thì chúng có thể lâm vào tình trạng deadlock – Ví dụ: một máy tính với một ổ băng từ và một ổ ghi CD. Hai quá trình A và B muốn ghi lên CD từ dữ liệu trên băng từ • Quá trình A yêu cầu và được cấp phát ổ băng từ • Quá trình B yêu cầu và được cấp phát ổ ghi CD • Quá trình A yêu cầu ổ ghi CD, bị tạm dừng • Quá trình B yêu cầu ổ băng từ, bị tạm dừng Khởi động - Boot • Là tiến trình nạp hệ điều hành từ đĩa vào bộ nhớ chính của máy tính • Được thực hiện bởi chương trình nạp • Các bước thực hiện khởi động: 1. Chương trình chẩn đoán thực hiện kiểm tra bộ nhớ chính, CPU và các thành phần khác của hệ thống 2. BIOS được nạp vào bộ nhớ chính để điều khiển nhập/xuất ký tự (nhập từ bàn phím và xuất ra màn hình hoặc đĩa) 3. chương trình khởi động nạp HĐH từ đĩa vào bộ nhớ 4. HĐH hiển thị giao diện người dùng • Hệ điều hành nằm trong bộ nhớ chính cho đến khi tắt máy Quản lý thiết bị lưu trữ • Định dạng (format) các đĩa trước khi sử dụng • Quản lý và điều khiển xuất/nhập trên các thiết bị lưu trữ Cung cấp giao diện người dùng • Giao diện cho phép người dùng tương tác với hệ điều hành • Có bốn loại giao diện: – Giao diện dòng lệnh (command-driven): người dùng phải nhập lệnh bằng cách gõ bàn phím tên các lệnh vd: dir, copy – Giao diện thực đơn (menu-driven): các lệnh được liệt kê thành các mục trong thực đơn • Giao diện đồ họa (GUI): sử dụng hình ảnh, biểu tượng, thực đơn và cả hệ thống phím để tương tác. Windows, desktop. Cho phép thao tác bằng chuột rất linh hoạt: di chuyển con trỏ, chọn, thực hiện lệnh, kéo (drag) và thả (drop), thay đổi kích thước đối tượng... • Giao diện người dùng mạng (NUI – Network User Interface): cung cấp các chức năng tương tác với các đối tượng trong mạng máy tính. Cơ bản dựa trên GUI. Cung cấp giao diện người dùng (tt) Quản lý tài nguyên máy tính • Tình huống: A đang sử dụng chương trình soạn thảo văn bản. A muốn vừa in ra máy in một báo cáo vừa tiếp tục viết một báo cáo khác. HĐH thực hiện như thế nào? • Một chương trình điều phối chung (supervisor, kernel) trong HĐH nằm thường trực trong bộ nhớ chính sẽ phối hợp các tài nguyên máy tính: – quản lý CPU, “hướng dẫn” các module, chương trình khác (có thể không nằm thường trú trong bộ nhớ) thực hiện các tác vụ hỗ trợ cho các chương trình ứng dụng. – quản lý bộ nhớ, thiết bị lưu trữ. Định vị chương trình và dữ liệu trong bộ nhớ. Quản lý tập tin • Các tập tin được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ thứ cấp. • HĐH hỗ trợ các thao tác quản lý tập tin: – tìm kiếm tập tin, – di chuyển tập tin, – đổi tên tập tin, – xóa tập tin, – định vị và truy cập tập tin – tạo và quản lý hệ thống các thư mục (directory) Quản lý tác vụ • HĐH có thể phục vụ cho nhiều người dùng, thực hiện cùng lúc nhiều công việc khác nhau. • Cách hoạt động: – Đa tác vụ (multitasking): thực hiện nhiều chương trình đồng thời cho một người dùng. Chiến lược: phân chia xử lý của CPU. – Đa chương trình (Multiprogramming): trong các hệ thống đa người dùng, thực thi các chương trình của nhiều người dùng đồng thời. Quản lý tác vụ (tt) • Chia xẻ thời gian (Time-sharing): trong các hệ thống đa người dùng, thực thi các chương trình của các người dùng theo chiến lược phân chia xoay vòng (round-robin) Thường thấy trong các mạng máy tính: các máy tính được nối vào một máy trung tâm. • Đa xử lý (Multiprocessing): trong các hệ thống đơn và đa người dùng. Xử lý đồng thời một hoặc nhiều chương trình bằng nhiều máy tính kết hợp. Thành phần của HĐH (1) • Quản lý tiến trình Tiến trình (process) là ctrình đang thực thi – Tạo lập, hủy bỏ 1 ttrình – Tạm dừng, tái kích họat 1 ttrình – Cung cấp cơ chế trong đổi thông tin giữa các ttrình – Cung cấp cơ chế đồng bồ hóa các ttrình Thành phần của HĐH (2) • Quản lý bộ nhớ chính – Cấp phát, thu hồi 1 vùng nhớ cho ttrình khi cần thiết. – Ghi nhận tình trạng của bộ nhớ chính: phần nào đã được cấp phát, phần nào có thể sdụng, – Quyết định ttrình nào được nạp vao bộ nhớ chính khi có 1 vùng nhớ trống Thành phần của HĐH (3) • Quản lý nhập/xuất – Việc đkhiển thiết bị là nhiệm vụ chính của HĐH. – Gởi lệnh đkhiển đến thiết bị, tiếp nhận ngắt và xử lý lỗi Thành phần của HĐH (4) • Quản lý tập tin – Thiết lập mối liên hệ tương ứng giữa file và thiết bị lưu trữ vật lý chứa nó. – Tạo lập, hủy bỏ file, thư mục – Cung cấp các thao tác xử lý tập tin và TM – Tạo lập quan hệ tương ứng giữa file va bộ nhớ phụ chứa nó. Thành phần của HĐH (5) • Bảo vệ hệ thống – Khi hệ thống cho phép nhiều users đồng thời, các ttrình cần được bảo vệ để tránh xâm phạm lẫn nhau. – HĐH cần xdựng các cơ chế bảo vệ cho phép đặc tả kiểm soát Thành phần của HĐH (6) • Quản lý mạng – Hỗ trợ việc truy cập đầu cuối để đkhiển máy chủ từ xa. – Gọi thủ tục từ xa – Hỗ trợ truyền nhận file. Thành phần của HĐH (7) • Hệ thông dịch lệnh – Shell: trình thông dịch lệnh – Ví dụ một shell: UNIX command interpreter • Là chương trình đợi và nhận lệnh của người dùng từ terminal, gọi system call tương ứng với lệnh Khởi động (boot) • Quá trình khởi động hoặc khởi động lại máy tính cold boot Cung cấp điện cho máy tinh để hoạt động sau khi mất điện warm boot Khởi động lại máy tính vẫn còn nguồn điện Thông điệp hiển thị khi khởi động Tải sound card và CD-ROM driver Hiển thị thông điệp hệ điều hành Kiểm tra phần cứng Lượng bộ nhớ có trong máy tính Phiên bản BIOS và bản quyền Step 1 1: nguồn cấp điện gởi tín hiệu đến các thành phần của đơn vị hệ thống 2: Vi xử lý chạy chương trình trong BIOS để khởi động máy tính Quá trình khởi động máy tính cá nhân Step 2 Processor BIOS processor B I O S CD-ROM drive Step 3 3: BIOS kiểm tra chuột, bàn phím, các cổng ngoại vi và khe cắm mở rộng expansion cards 4: kết quả của POST được so sánh với dữ liệu lưu trong CMOS chip processor B I O S CD-ROM drive CMOS Step 4 expansion cards 5: BIOS tìm tập tin hệ thống của hệ điều hành trong đĩa mềm, đĩa cứng hoặc đĩa CD processor B I O S hard disk CD-ROM drive CMOS floppy disk drive Step 5 expansion cards ổ đĩa chứa hệ điều hành gọi là đĩa khởi động (boot drive) Nội dung chương 2 2.1. Tổng quan về HĐH 2.2. Các khái niệm cơ bản 2.3. Cấu trúc của hệ điều hành 2.4 . Lịch sử phát triển Cấu trúc HĐH (1) • Các hệ cấu trúc đơn giản (monolithique) Thủ tục chính Thủ tục dịch vụ Thủ tục tiện ích Cấu trúc HĐH (2) • Các hệ cấu trúc đơn giản (tt) Drivers ROM BIOS Drivers MS-DOS Ctrình hệ thống thường trú Ctrình ứng dụng Cấu trúc MS-DOS Cấu trúc HĐH (3) • Các hệ cấu trúc đơn giản (tt) – Khuyết điểm: • Không che dấu dữ liệu (1 thủ tục có thể gọi đến tất cả các thủ tục khác) • Khó kiểm soát và bảo vệ hệ thống • Thiếu chủ động trong quản lý môi trường do hệ thống thủ tục mang tính chất tĩnh (chỉ được kích hoạt khi cần thiết) Cấu trúc HĐH (4) • Cấu trúc phân lớp Lớp N -1 Lớp N Vd: cấu trúc hđh THE Lớp 5: ctrình ứng dụng Lớp 4: Quản lý bộ đệm cho t/bị xuất nhập Lớp 3:Trình quản lý thao tác console Lớp 2: Quản lý bộ nhớ Lớp 1: Điều phối CPU Lớp 0: Phần cứng Cấu trúc HĐH (5) • Cấu trúc phân lớp (tt) –Ưu điểm: • đơn giản việc tìm lỗi và kiểm chứng hệ thống • Đơn giản trong việc thiết kế và cài đặt – Khuyết điểm: • Bao nhiêu lớp là đủ ?, thứ tự sắp xếp các lớp ? • Kém hiệu quả do 1 lời gọi thủ tục có thể kích hoạt lan truyền các thủ tục ở các lớp bên trong => chi phí truyền thông số, chuyển đổi ngữ cảnh tăng Cấu trúc HĐH (6) • Máy ảo (virtual machines) – Đa nhiệm và phân chia thời gian – Phân tách 2 chức năng của hđh: • Cung cấp đa chương (multiprogramming) • Cung cấp 1 máy tính mở rộng Cấu trúc HĐH (7) • Máy ảo (virtual machines) (tt) TTrình HĐH Phần cứng Phần cứng Máy ảo HĐH TTrình HĐH TTrình HĐH TTrình Giao diện lập trình Cấu trúc HĐH (8) • Máy ảo (virtual machines) –Ưu điểm • Tài nguyên hệ thống được bảo vệ hoàn toàn • Phân tách đa chương và máy tính mở rộng • Giải quyết vấn đề tương thích – Khuyết điểm • Cài đặt phần mềm giả lặp phần cứng thường rất khó khăn. Mô hình client-server • Kernel cực tiểu hóa, chỉ phụ thuộc vàp phần cứng. • Các tác vụ của hđh do lớp bên ngoài đảm nhiệm. • HĐH bao gồm nhiều ttrình server có các chức năng chuyên biệt (quản lý ttrình, bộ nhớ, ) • Kernel đóng vai trò liên lạc giữa các ttrình client và ttrình server. Mô hình client-server (tt) Client server Yêu cầu Hồi đáp Nội dung chương 2 2.1. Tổng quan về HĐH 2.2. Các khái niệm cơ bản 2.3. Cấu trúc của hệ điều hành 2.4 . Lịch sử phát triển TỔNG QUAN ™Sơ lược lịch sử hệ điều hành cho máy tính – Có rất nhiều loại hệ điều hành (HĐH) được sử dụng trên máy tính ngày nay: o mainframe thường dùng các hệ điều hành của IBM nhưMVS (Multiple Virtual System) hay OS/390. o minicomputer hay server thường dùng HĐH chuyên dụng của chính hãng chế tạo như OpenVMS (Compaq), MPE/X (Hewlett Packard) hay HĐH Unix như HP-UX, Solaris, Tru64Unix. o máy tính cá nhân phổ biến dùng HĐH Windows hay MacOS – Hệ điều hành ra đời cho phép việc thực thi chương trình theo batch (một nhóm các chương trình liên quan) – Thế hệ HĐH tiếp theo cho phép sự giao tiếp giữa người dùng và chương trình, cũng như nạp nhiều chương trình vào bộ nhớ máy tính ( được gọi là multiprogramming/ batch system) – HĐH kế tiếp là multiprogramming/ timesharing, trong đó nguồn lực được HĐH kiểm soát hoàn toàn và chia sẻ cho các chương trình theo từng time-slice TỔNG QUAN ™Sơ lược lịch sử hệ điều hành cho máy tính – Các cải tiến trên của HĐH chỉ tập trung vào chức năng quản lý công việc và nguồn lực. – việc giao tiếp giữa người dùng và máy vẫn dựa trên dòng lệnh khó nhớ và hay gây lầm lẫn. o Giao diện đồ họa với biểu tượng (icon) và trình đơn (menu) được phát triển tại trung tâm nghiên cứu của Xerox, và sử dụng cho các máy tính Star. o Khái niệm giao diện đồ họa nhanh chóng được Apple tiếp thu và đưa vào các máy tính cá nhân Lisa và tiếp theo là họ máy Macintosh. o Ngày nay giao diện đồ họa đã thành chuẩn bắt buộc và có mặt trong tất cả loại HĐH nhưWindows, Unix, MacOS v.v. TỔNG QUAN ™Phân loại hệ điều hành – Single-user và multi-user (đơn người dùng và đa người dùng) – Single- tasking và multi-tasking (đơn nhiệm và đa nhiệm) – Standalone và Network (độc lập và mạng) o Đa nhiệm cộng tác (cooperative multi- tasking) o Đa nhiệm ưu tiên (pre-emptive multi- tasking) – Uniprocessor và multiprocessor (một bộ xử lý và đa bộ xử lý) Lịch sử hệ điều hành • First generation 1945 - 1955 – vacuum tubes, plug boards – Inventors: Aiken (USA), Zuse (Germany) – Lập trình bằng ngôn ngữ máy. – Dùng các bảng tổng đài để điều khiển máy tính. – Người sử dụng ngồi trước bảng điều khiển. – Không có sự chồng nhau giữa việc tính toán, I/O và thời gian suy nghĩa của người dùng. – Lập trình bằng cách đưa phiếu đục lỗ vào bằng tay. – Đã có thư viện được viết dùng chung cho mọi người, tiền thân của hệ điều hành. – Vấn đề: chờ đợi quá lâu, quá nhiều. Lịch sử hệ điều hành Thế hệ thứ 2 Early batch system (hệ thống xử lý bó) – bring cards to 1401 – read cards to tape – put tape on 7094 that does computing – put tape on 1401 that prints output Lịch sử hệ điều hành Thế hệ thứ 2 • HĐH hỗ trợ làm việc theo lô: một chương trình tải công việc của người dùng vào, thi hành nó và làm tiếp công việc kế tiếp. • Nếu chương trình lỗi, HĐH ghi lại nội dung của bộ nhớ và lưu lại ở đâu đó. • Sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn, nhưng debug lại khó hơn! • Các kênh dữ liệu và ngắt cho phép I/O và tính toán chồng nhau. – Vùng đệm và xử lý ngắt được hỗ trợ bởi hệ điều hành. – Xuất hiện công việc spool. • Vấn đề – Tiện ích còn thấp; mỗi thời điểm chỉ chạy một công việc. – Không có sự bảo vệ giữa các công việc khác nhau. – Công việc có thời gian thi hành ngắn sẽ phải đợi rất lâu nếu nó được sắp sau công việc có thời gian thi hành dài hơn. Lịch sử hệ điều hành Thế hệ thứ 2 • Giải pháp – Bảo vệ phần cứng: bảo vệ vùng nhớ và tái định vị vùng nhớ. – Lập trình đa chương (Multiprogramming): nhiều người dùng có thể chia sẻ cùng một hệ thống. – Công việc nhỏ có thể nhanh chóng được hoàn thành. – HĐH phải quản lý tương tác giữa các công việc đồng thời. – HĐH trở nên một khoa học quan trọng. – OS/360: HĐH đầu tiên thiết kế cho một họ các máy tính: từ máy tính nhỏ nhất đến máy tính lớn nhất. Lịch sử hệ điều hành Thế hệ thứ 3 • Multiprogramming system • Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line) • Time sharing (Các vùng của bộ nhớ) OS/360 của IBM MULTICS (MIT, Bell Labs) Lịch sử hệ điều hành Thế hệ thứ 4 • 1974, first microcomputer – Intel 8080, first general-purposed 8-bit CPU – floppy disk – CP/M (Control Program for Microcomputers) • early 1980s, IBM PC – DOS (Disk Operating System) – MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) • 1983, IBM PC/AT (Intel 80286 CPU) • 1985-1995, Windows on top of MS-DOS • Pentium PC – UNIX, Linux, Windows 2000 – X Windows system (UNIX, Linux) HỆ ĐIỀU HÀNH MS-DOS ™Lịch sử phát triển – HDH này được viết dựa vào HĐH CP/M (của Digital Research). – MSDOS vẫn là một HĐH đơn nhiệm, real-time, đơn người dùng, 16 bit. – Tới 1995, với sự ra đời của Windows 95, MSDOS không còn được bán trên thị trường. – MSDOS vẫn ích lợi do các hệ điều hành Windows của MicroSoft tiếp tục cho phép ta gõ lệnh tương tự DOS (rất cần thiết trong các trường hợp sự cố!). – MSDOS có những ưu khuyết điểm như sau: o Đòi hỏi đơn giản về phần cứng. Có thể sử dụng với tất cả các máy tính họ Intel 86 với 1 Mb bộ nhớ. o Không có giao diện đồ họa. o Không hỗ trợ đa người dùng, đa nhiệm (multi-user, multi tasking) HỆ ĐIỀU HÀNH MS-DOS ™Các thành phần cơ bản của MSDOS – Trình IO.SYS cung cấp các trình điều khiển (device driver) phần cứng cơ bản cho hệ điều hành: màn hình (display), bàn phím (keyboard), máy in (Printer), cổng nối tiếp (serial port), đồng hồ (clock), ổ đĩa khởi động (boot disk drive). – TrìnhMSDOS.SYS cung cấp các chức năng cơ bản mà hệ điều hành phải có: quản lý file (file management), quản lý bộ nhớ (memory management), bộ nhập và xuất ký tự (character device input output), khả năng thực thi các ứng dụng (execution of application file), truy cập đồng hồ thời gian thực ( access of real-time clock). – COMMAND.COM là chương trình vỏ của MSDOS (shell program). Command.com có nhiệm vụ diễn giải các lệnh được nhập vào và cung cấp cả các lệnh nội trú (internal commands): dir, ren. – Ngoài ra MSDOS còn cung cấp các chương trình tiện ích (utilities programs) Các chương trình này thường được gọi là các lệnh ngoại trú: backup, xcopy, mem v.v. 5.3. Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows là một bộ chương trình do hãng Microsoft sản xuất. – Từ version 3.0 ra đời vào tháng 5 năm 1990 đến nay, Microsoft đã không ngừng cải tiến làm cho môi trường này ngày càng được hoàn thiện. – Hệ điều hành Windows đã phát triển qua nhiều phiên bản Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 1.0: Ra mắt vào ngày 20 tháng 11 năm 1985, chạy trên nền 16bit Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 2.0: cho phép các cửa sổ nằm chồng lên nhau, có các nút “maximize” và “minimize” trên thanh tác vụ Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 3.0: Chào đời ngày 22/5/1990 công của Windows 3.0, cũng như phiên bản 3.1 tiếp sau đến từ cơ chế quản lý bộ nhớ tiên tiến và tích hợp thành công với MS-DOS Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows NT: Phát hành rộng rãi vào tháng 6/1993, Windows NT là hệ điều hành thuần 32 bit Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 95: Ra mắt ngày 24/8/1995, Windows 95 là thành công rực rỡ của Microsoft. Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 98-Me: bổ sung khả năng tương thích với nhiều hệ thống phần cứng khác nhau Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows 2000: hệ điều hành thiết kế cho doanh nghiệp, thuộc dòng Windows NT, sử dụng định dạng NTFS Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows XP: ra mắt vào 25/10/2001 giao diện đồ họa cải tiến, nâng cao độ ổn định và bảo mật Hệ điều hành Windows • Lịch sử phát triển: – Windows Vista: ra mắt tháng 1/2007 giao diện đồ họa đẹp mắt, khả năng tìm kiếm nâng cao, ổn định và bảo mật