Giáo trình môn Hệ điều hành (Operating Systems)

22/10/2013 Khoa KTMT 1 TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH Heä Ñieàu Haønh (Operating Systems) 22/10/2013 Khoa KTMT 2 Heä Ñieàu Haønh • Khoa Kỹ thuật máy tính • GV: ThS. Hà Lê Hoài Trung • Email: trunghlh@uit.edu.vn • Site : https://sites.google.com/site/trunghlhitu/he- dhieu-hanh/dao-tao-tu-xa 22/10/2013 Khoa KTMT 3 Nội dung môn học Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành Chương 2: Cấu trúc Hệ điều hành Chương 3: Quản lý tiến trình (Processes) Chương 4: Định thời CPU Chương 5: Đồng bộ hóa tiến trình Chương 6: Tắc nghẽn (Deadlocks) Chương 7: Quản lý bộ nhớ Chương 8: Bộ nhớ ảo 22/10/2013 Khoa KTMT 4 Tài liệu tham khảo 1. Trần Hạnh Nhi, Lê Khắc Nhiên Ân. Giáo trình hệ điều hành. Trung tâm phát triển công nghệ thông tin-ĐHQG.HCM, 2005. 2. Nguyễn Phú Trường. Giáo trình hệ điều hành. ĐH Cần Thơ, 2005. 3. Silberschatz, Galvin, Gagne. Operating System Concepts. Sixth edition, John Wiley & Sons,2003 4. Mark E. Russinovich and David A. Solomon, Microsoft Windows Internals, 4th Edition, Microsoft Press, 2004. 22/10/2013 Khoa KTMT 5 Chương I: Tổng quan hệ điều hành 22/10/2013 Khoa KTMT 6 1.1. Toång quan • Giôùi thieäu – Ñònh nghóa heä ñieàu haønh – Caáu truùc heä thoáng maùy tính – Caùc chöùc naêng chính cuûa heä ñieàu haønh 22/10/2013 Khoa KTMT 7 Ñònh nghóa • Heä ñieàu haønh laø gì? – Chöông trình trung gian giöõa phaàn cöùng maùy tính vaø ngöôøi söû duïng, coù chöùc naêng ñieàu khieån vaø phoái hôïp veäc söû duïng phaàn cöùng vaø cung caáp caùc dòch vuï cô baûn cho caùc öùng duïng. • Muïc tieâu – Giuùp ngöôøi duøng deã daøng söû duïng heä thoáng. – Quaûn lyù vaø caáp phaùt taøi nguyeân heä thoáng moät caùch hieäu quaû. Phaàn cöùng Heä Ñieàu Haønh Caùc öùng duïng Ngöôøi duøng 22/10/2013 Khoa KTMT 8 Ñònh nghóa (tt) Hình cuûa Dror G. Feitelson System Physical devices Microprogramming Machine language Operating system Compilers Editors Command interpreter Banking system Airline reservation Web browser Application programs Hardware System programs 22/10/2013 Khoa KTMT 9 Caùc thaønh phaàn cuûa heä thoáng User 22/10/2013 Khoa KTMT 10 Caùc thaønh phaàn cuûa heä thoáng (tt)  Phaàn cöùng (hardware) Bao goàm caùc taøi nguyeân cô baûn cuûa maùy tính nhö CPU, boä nhôù, caùc thieát bò I/O,...  Heä ñieàu haønh (operating system) Phaân phoái taøi nguyeân, ñieàu khieån vaø phoái hôïp caùc hoaït ñoäng cuûa caùc chöông trình trong heä thoáng.  Chöông trình öùng duïng (application programs) Söû duïng taøi nguyeân heä thoáng ñeå giaûi quyeát moät vaán ñeà tính toaùn naøo ñoù cuûa ngöôøi söû duïng, ví duï: compilers, database systems, video games, business programs.  Döõ lieäu 22/10/2013 Khoa KTMT 11 Caùc chöùc naêng chính cuûa OS  Phaân chia thôøi gian xöû lyù vaø ñònh thôøi CPU  Phoái hôïp vaø ñoàng boä hoaït ñoäng giöõa caùc processes (coordination & synchronization)  Quaûn lyù taøi nguyeân heä thoáng (thieát bò I/O, boä nhôù, file chöùa döõ lieäu,)  Thöïc hieän vaø kieåm soaùt access control, protection  Duy trì söï nhaát quaùn (integrity) cuûa heä thoáng, kieåm soaùt loãi vaø phuïc hoài heä thoáng khi coù loãi (error recovery)  Cung caáp giao dieän laøm vieäc cho users 22/10/2013 Khoa KTMT 12 Các dạng HĐH • Same machine, different operating systems: – IBM PC: DOS, Linux, NeXTSTEP, Windows, SCO Unix – DEC VAX: VMS, Ultrix-32, 4.3 BSD UNIX • Same OS, different machines: UNIX – PC (XENIX 286, APPLE A/UX) – CRAY-Y/MP (UNICOS - AT&T Sys V) – IBM 360/370 (Amdahl UNIX UTS/580, IBM UNIX AIX/ESA) • Windows NT, XP, 2000, 2003 – Intel i386 (i486 an NT 4.0), Alpha, PowerPC, MIPS, Itanium 22/10/2013 Khoa KTMT 13 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH Dưới góc độ loại máy tính Hệ điều hành dành cho máy MainFrame Hệ điều hành dành cho máy Server Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU Hệ điều hành dành cho máy tính cá nhân (PC) Hệ điều hành dành cho máy PDA (Embedded OS - hệ điều hành nhúng) Hệ điều hành dành cho máy chuyên biệt Hệ điều hành dành cho thẻ chíp (SmartCard) 22/10/2013 Khoa KTMT 14 Dưới góc độ số chương trình được sử dụng cùng lúc – Hệ điều hành đơn nhiệm – Hệ điều hành đa nhiệm Dưới góc độ người dùng (truy xuất tài nguyên cùng lúc) – Một người dùng – Nhiều người dùng •Mạng ngang hàng •Mạng có máy chủ: LAN, WAN, ... 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 15 Dưới góc độ hình thức xử lý –Hệ thống xử lý theo lô –Hệ thống chia sẻ –Hệ thống song song –Hệ thống phân tán –Hệ thống xử lý thời gian thực 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 16 HEÄ THOÁNG XÖÛ LYÙ ÑÔN CHÖÔNG  Ñôn chöông - Taùc vuï ñöôïc thi haønh tuaàn töï. - Boä giaùm saùt thöôøng tröïc, - CPU vaø caùc thao taùc nhaäp xuaát, - Xöû lyù offline, - Ñoàng boä hoùa caùc thao taùc beân ngoaøi - Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line) Nhaäp Xuaát Maùy tính chính 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 17 HEÄ THOÁNG XÖÛ LYÙ ÑA CHÖÔNG Boä xöû lyù Keát thuùc taùc vuï Taùc vuï I/O  Nhieàu taùc vuï saün saøng thi haønh cuøng moät thôøi ñieåm.  Khi moät taùc vuï thöïc hieän I/O, baét ñaàu taùc vuï khaùc.  Boä xöû lyù vaø thieát bò thi haønh toaøn thôøi gian. 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 18 • Multiprogrammed systems – Nhieàu coâng vieäc ñöôïc naïp ñoàng thôøi vaøo boä nhôù chính – Khi moät tieán trình thöïc hieän I/O, moät tieán trình khaùc ñöôïc thöïc thi – Taän duïng ñöôïc thôøi gian raûnh, taêng hieäu suaát söû duïng CPU (CPU utilization) – Yeâu caàu ñoái vôùi heä ñieàu haønh Ñònh thôøi coâng vieäc (job scheduling): choïn job trong job pool treân ñóa vaø naïp noù vaøo boä nhôù ñeå thöïc thi. Quaûn lyù boä nhôù (memory management) Ñònh thôøi CPU (CPU scheduling) Caáp phaùt taøi nguyeân (ñóa, maùy in,) Baûo veä 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 19 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 20 HEÄ THOÁNG CHIA XEÛ THÔØI GIAN  Heä thoáng ña nhieäm (multitasking).  Laäp lòch CPU.  Thôøi gian chuyeån ñoåi giöõa caùc taùc vuï raát ngaén.      Boä xöû lyù 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 21 • Time-sharing systems – Multiprogrammed systems khoâng cung caáp khaû naêng töông taùc hieäu quaû vôùi users – CPU luaân phieân thöïc thi giöõa caùc coâng vieäc • Moãi coâng vieäc ñöôïc chia moät phaàn nhoû thôøi gian CPU (time slice, quantum time) • Cung caáp töông taùc giöõa user vaø heä thoáng vôùi thôøi gian ñaùp öùng (response time) nhoû (1 s) – Moät coâng vieäc chæ ñöôïc chieám CPU khi noù naèm trong boä nhôù chính. – Khi caàn thieát, moät coâng vieäc naøo ñoù coù theå ñöôïc chuyeån töø boä nhôù chính ra thieát bò löu tröõ (swapping), nhöôøng boä nhôù chính cho coâng vieäc khaùc. HEÄ THOÁNG CHIA XEÛ THÔØI GIAN 22/10/2013 Khoa KTMT 22 • Yeâu caàu ñoái vôùi OS trong heä thoáng time-sharing – Ñònh thôøi coâng vieäc (job scheduling) – Quaûn lyù boä nhôù (memory management) • Virtual memory – Quaûn lyù caùc quaù trình (process management)  Ñònh thôøi CPU  Ñoàng boä caùc quaù trình (synchronization)  Giao tieáp giöõa caùc quaù trình (process communication)  Traùnh deadlock – Quaûn lyù heä thoáng file, heä thoáng löu tröõ – Caáp phaùt hôïp lyù caùc taøi nguyeân – Baûo veä (protection) HEÄ THOÁNG CHIA XEÛ THÔØI GIAN 22/10/2013 Khoa KTMT 23 HEÄ THOÁNG ÑA XÖÛ LYÙ Boä xöû lyù Boä xöû lyù Boä nhôù chính Hai hoaëc nhieàu boä xöû lyù cuøng chia seû moät boä nhôù.  Master/Slave : moät boä xöû lyù chính kieåm soaùt moät soá boä xöû lyù I/O 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 24 • Heä thoáng song song (parallel, multiprocessor, hay tightly- coupled system) – Nhieàu CPU – Chia seû computer bus, clock – Öu ñieåm • Naêng xuaát heä thoáng (System throughput): caøng nhieàu processor thì caøng nhanh xong coâng vieäc • Multiprocessor system ít toán keùm hôn multiple single- processor system: vì coù theå duøng chung taøi nguyeân (ñóa,) • Ñoä tin caäy: khi moät processor hoûng thì coâng vieäc cuûa noù ñöôïc chia seû giöõa caùc processor coøn laïi HEÄ THOÁNG ÑA XÖÛ LYÙ 22/10/2013 Khoa KTMT 25 • Phaân loaïi heä thoáng song song – Ña xöû lyù ñoái xöùng (symmetric multiprocessor - SMP) • Moãi processor vaän haønh moät identical copy cuûa heä ñieàu haønh • Caùc copy giao tieáp vôùi nhau khi caàn • (Windows NT, Solaris 5.0, Digital UNIX, OS/2, Linux) – Ña xöû lyù baát ñoái xöùng (asymmetric multiprocessor) • Moãi processor thöïc thi moät coâng vieäc khaùc nhau • Master processor ñònh thôøi vaø phaân coâng vieäc cho caùc slave processors • (SunOS 4.0) HEÄ THOÁNG ÑA XÖÛ LYÙ 22/10/2013 Khoa KTMT 26 HEÄ THOÁNG PHAÂN TAÙN  Nhieàu maùy tính lieân keát vôùi nhau baèng ñöôøng truyeàn thoâng ñaëc bieät.  Töông töï heä thoáng ña xöû lyù nhöng khoâng chia xeû boä nhôù. Giao tieáp maïng Boä xöû lyù Boä nhôù Heä thoáng maùy tính 1 Giao tieáp maïng Boä xöû lyù Boä nhôù Heä thoáng maùy tính 2 Maïng 1.2. PHAÂN LOAÏI HEÄ ÑIEÀU HAØNH 22/10/2013 Khoa KTMT 27 • Heä thoáng phaân taùn (distributed system, loosely-coupled system) – Moãi processor coù boä nhôù rieâng, caùc processor giao tieáp qua caùc keânh noái nhö maïng, bus toác ñoä cao – Ngöôøi duøng chæ thaáy moät heä thoáng ñôn nhaát – Öu ñieåm  Chia seû taøi nguyeân (resource sharing)  Chia seû söùc maïnh tính toaùn (computational sharing)  Ñoä tin caäy cao (high reliability)  Ñoä saün saøng cao (high availability): caùc dòch vuï cuûa heä thoáng ñöôïc cung caáp lieân tuïc cho duø moät thaønh phaàn hardware trôû neân hoûng HEÄ THOÁNG PHAÂN TAÙN 22/10/2013 Khoa KTMT 28 • Heä thoáng phaân taùn (tt) Caùc moâ hình heä thoáng phaân taùn – Client-server  Server: cung caáp dòch vuï  Client: coù theå söû duïng dòch vuï cuûa server – Peer-to-peer (P2P)  Caùc peer (maùy tính trong heä thoáng) ñeàu ngang haøng nhau  Khoâng coù cô sôû döõ lieäu taäp trung  Caùc peer laø töï trò  Vd: Gnutella HEÄ THOÁNG PHAÂN TAÙN 22/10/2013 Khoa KTMT 29 Heä thoáng thôøi gian thöïc (real-time system) • Heä thoáng thôøi gian thöïc (real-time system) – Söû duïng trong caùc thieát bò chuyeân duïng nhö ñieàu khieån caùc thöû nghieäm khoa hoïc, ñieàu khieån trong y khoa, daây chuyeàn coâng nghieäp, thieát bò gia duïng, quaân söï – Raøng buoäc veà thôøi gian: hard vaø soft real-time Phaân loaïi – Hard real-time • Haïn cheá (hoaëc khoâng coù) boä nhôù phuï, taát caû döõ lieäu naèm trong boä nhôù chính (RAM hoaëc ROM) • Yeâu caàu veà thôøi gian ñaùp öùng/xöû lyù raát nghieâm ngaët, thöôøng söû duïng trong ñieàu khieån coâng nghieäp, robotics, – Soft real-time • Thöôøng ñöôïc duøng trong lónh vöïc multimedia, virtual reality vôùi yeâu caàu meàm deûo hôn veà thôøi gian ñaùp öùng 22/10/2013 Khoa KTMT 30 • Thieát bò caàm tay (handheld system) – Personal digital assistant (PDA): Palm, Pocket-PC – Ñieän thoaïi di ñoäng (cellular phones) – Ñaëc tröng • Boä nhôù nhoû (512 KB – 128 MB) • Toác ñoä processor thaáp (ñeå ít toán pin) • Maøn hình hieån thò coù kích thöôùc nhoû vaø ñoä phaân giaûi thaáp. • Coù theå duøng caùc coâng ngheä keát noái nhö IrDA, Bluetooth, wireless Thieát bò caàm tay (handheld system) Tổng kết • Định nghĩa HĐH • Các chức năng của HĐH 22/10/2013 Khoa KTMT 31 Tổng kết MainFrame Server CPU Máy tính cá nhân (PC) PDA (Embedded OS - hệ điều hành nhúng) Hệ điều hành dành cho máy chuyên biệt Hệ điều hành dành cho thẻ chíp (SmartCard) 22/10/2013 Khoa KTMT 32 Tổng kết –Hệ thống xử lý theo lô –Hệ thống chia sẻ –Hệ thống song song –Hệ thống phân tán –Hệ thống xử lý thời gian thực 22/10/2013 Khoa KTMT 33