Hệ điều hành

10/17/2010
Vũ Đức Lung
1
Chương I:
Tổng quan hệ điều hành
Nội dung
Tổng quan
Phân loại hệ điều hành
Lịch sử phát triển hệ điều hành


10/17/2010
Vũ Đức Lung
2

1.1. Tổng quan
Giới thiệu
Định nghĩa hệ điều hành
Cấu trúc hệ thống máy tính
Các chức năng chính của hệ điều hành
10/17/2010
Vũ Đức Lung
3

10/17/2010
Vũ Đức Lung
4
Định nghĩa
Hệ điều hành là gì?
Chương trình trung gian giữa phần cứng máy tính và người sử dụng, có chức năng điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng và cung cấp các dịch vụ cơ bản cho các ứng dụng.
Mục tiêu
Giúp người dùng dễ dàng sử dụng hệ thống.
Quản lý và cấp phát tài nguyên hệ thống một cách hiệu quả.
Phần cứng
Hệ Điều Hành
Các ứng dụng
Người dùng
10/17/2010
Vũ Đức Lung
5
Định nghĩa (tt)
Hình của Dror G. Feitelson
Hình chính xác hơn
Physical devices
Microprogramming
Machine language
Operating system
Compilers
Editors
Command interpreter
Banking system
Airline reservation
Web browser
Application programs
Hardware
System programs
10/17/2010
Vũ Đức Lung
6
Các thành phần của hệ thống
10/17/2010
Vũ Đức Lung
7
Các thành phần của hệ thống (tt)
Phần cứng (hardware)
Bao gồm các tài nguyên cơ bản của máy tính như CPU, bộ nhớ, các thiết bị I/O
Hệ điều hành (operating system)
Phân phối tài nguyên, điều khiển và phối hợp các hoạt động của các chương trình trong hệ thống.
Chương trình ứng dụng (application programs)
Sử dụng hệ thống tài nguyên để giải quyết một bài toán tính toán nào đó của người sử dụng. (Ví dụ: compilers, database systems, video games, business programs.)
Users (people, machines, other computers)
10/17/2010
Vũ Đức Lung
8
Các chức năng chính của h? điều hành
Phân chia thời gian xử lý và định thời CPU
Phối hợp và đồng bộ hoạt động giữa các processes (coordination & synchronization)
Quản lý tài nguyên hệ thống (thiết bị I/O, bộ nhớ, file chứa dữ liệu,.)
Thực hiện và kiểm soát access control, protection
Duy trì sự nhất quán (integrity) của hệ thống, kiểm soát lỗi và phục hồi hệ thống khi có lỗi (error recovery)
Cung cấp giao diện làm việc cho users
10/17/2010
Vũ Đức Lung
9
Các dạng hệ điều hành
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
10/17/2010
Vũ Đức Lung
10
1.2. PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH
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)
10/17/2010
Vũ Đức Lung
11
Du?i gĩc d? s? chuong trình du?c s? d?ng c�ng l�c
H? di?u h�nh don nhi?m
H? di?u h�nh da nhi?m
Du?i gĩc d? ngu?i d�ng (truy xu?t t�i nguy�n c�ng l�c)
M?t ngu?i d�ng
Nhi?u ngu?i d�ng
M?ng ngang h�ng
M?ng cĩ m�y ch?: LAN, WAN, ...
1.2. PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH (tt)
10/17/2010
Vũ Đức Lung
12
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. PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU HÀNH (tt)
10/17/2010
Vũ Đức Lung
13
Tác vụ được thi hành tuần tự.
Bộ giám sát thường trực
CPU và các thao tác nhập xuất
Xử lý offline
Đồng bộ hóa cácthao tác bên ngoài - Spooling(dong tac) (Simultaneous Peripheral Operation On Line)
Nhập
Xuất
Máy tính chính
HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐƠN CHƯƠNG
10/17/2010
Vũ Đức Lung
14
Bộ xử lý
Kết thúc tác vụ
Tác vụ
I/O
Nhiều tác vụ sẵn sàng thi hành cùng một thời điểm.

Khi một tác vụ thực hiện I/O, bắt đầu tác vụ khác.

Bộ xử lý và thiết bị thi hành toàn thời gian.
HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐA CHƯƠNG
10/17/2010
Vũ Đức Lung
15
Multiprogrammed systems
Nhiều công việc được nạp đồng thời vào bộ nhớ chính
Khi một tiến trình thực hiện I/O, một tiến trình khác được thực thi
Tận dụng được thời gian rảnh, tăng hiệu suất sử dụng CPU (CPU utilization-tan dung)
HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐA CHƯƠNG
10/17/2010
Vũ Đức Lung
16
Yêu cầu đối với hệ điều hành
Định thời công việc ( job scheduling-lap danhmuc): chọn job trong job pool trên đĩa và nạp nó vào bộ nhớ để thực thi.
Quản lý bộ nhớ ( memory management)
Định thời CPU ( CPU scheduling)
Cấp phát tài nguyên ( đĩa, máy in,.)
Bảo vệ
HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐA CHƯƠNG
10/17/2010
Vũ Đức Lung
17
HỆ THỐNG XỬ LÝ ĐA CHƯƠNG
10/17/2010
Vũ Đức Lung
18
Hệ thống đa nhiệm (multitasking).

Lập lịch CPU.

Thời gian chuyển đổi giữa các tác vụ rất ngắn.
    
Bộ xử lý
HỆ THỐNG CHIA XẺ THỜI GIAN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
19
Time-sharing systems
Multiprogrammed systems không cung cấp khả năng tương tác hiệu quả với users
CPU luân phiên thực thi giữa các công việc
Mỗi công việc được chia một phần nhỏ thời gian CPU (time slice, quantum time
Cung cấp tương tác giữa user và hệ thống với thời gian đáp ứng (response time) nhỏ (1 s)
Một công việc chỉ được chiếm CPU khi nó nằm trong bộ nhớ chính.
Khi cần thiết, một công việc nào đó có thể được chuyển từ bộ nhớ chính ra thiết bị lưu trữ (swapping), nhường bộ nhớ chính cho công việc khác.
HỆ THỐNG CHIA XẺ THỜI GIAN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
20
Yêu cầu đối với OS trong hệ thống time-sharing
Định thời công việc (job scheduling)
Quản lý bộ nhớ (memory management)
Virtual memory
Quản lý các quá trình (process management)
Định thời CPU
Đồng bộ các quá trình (synchronization)
Giao tiếp giữa các quá trình (process communication)
Tránh deadlock
Quản lý hệ thống file, hệ thống lưu trữ
Cấp phát hợp lý các tài nguyên
Bảo vệ (protection)
HỆ THỐNG CHIA XẺ THỜI GIAN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
21
Bộ
xử lý
Bộ
xử lý
Bộ nhớ chính
Hai hoặc nhiều bộ xử lý cùng chia sẻ một bộ nhớ.

Master/Slave : một bộ xử lý chính kiểm soát một số bộ xử lý I/O


HỆ THỐNG ĐA XỬ LÝ
10/17/2010
Vũ Đức Lung
22
Hệ thống song song (parallel, multiprocessor, hay tightly-coupled system)
Nhiều CPU
Chia sẻ computer bus, clock
Ưu điểm
Năng xuất hệ thống (System throughput): càng nhiều processor thì càng nhanh xong công việc
Multiprocessor system ít tốn kém hơn multiple single-processor system: vì có thể dùng chung tài nguyên (đĩa,.)
Độ tin cậy: khi một processor hỏng thì công việc của nó được chia sẻ giữa các processor còn lại
HỆ THỐNG ĐA XỬ LÝ
10/17/2010
Vũ Đức Lung
23
Phân loại hệ thống song song
Đa xử lý đối xứng (symmetric multiprocessor - SMP)
Mỗi processor vận hành một identical copy của hệ điều hành
Các copy giao tiếp với nhau khi cần
(Windows NT, Solaris 5.0, Digital UNIX, OS/2, Linux)
Đa xử lý bất đối xứng (asymmetric multiprocessor)
Mỗi processor thực thi một công việc khác nhau
Master processor định thời và phân công việc cho các slave processors
(SunOS 4.0)
HỆ THỐNG ĐA XỬ LÝ
10/17/2010
Vũ Đức Lung
24
Nhiều máy tính liên kết với nhau bằng đường truyền thông đặc biệt.
Tương tự hệ thống đa xử lý nhưng không chia xẻ bộ nhớ.
Giao tiếp mạng

Bộ xử lý

Bộ nhớ
Hệ thống máy tính 1
Giao tiếp mạng

Bộ xử lý

Bộ nhớ
Hệ thống máy tính 2
Mạng
HỆ THỐNG PHÂN TÁN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
25
Hệ thống phân tán (distributed system, loosely-coupled system)
Mỗi processor có bộ nhớ riêng, các processor giao tiếp qua các kênh nối như mạng, bus tốc độ cao
Người dùng chỉ thấy một hệ thống đơn nhất
Ưu điểm
Chia sẻ tài nguyên (resource sharing)
Chia sẻ sức mạnh tính toán (computational sharing)
Độ tin cậy cao (high reliability)
Độ sẵn sàng cao (high availability): các dịch vụ của hệ thống được cung cấp liên tục cho dù một thành phần hardware trở nên hỏng
HỆ THỐNG PHÂN TÁN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
26
Hệ thống phân tán (tt)
Các mô hình hệ thống phân tán
Client-server
Server: cung cấp dịch vụ
Client: có thể sử dụng dịch vụ của server
Peer-to-peer (P2P)
Các peer (máy tính trong hệ thống) đều ngang hàng nhau
Không có cơ sở dữ liệu tập trung
Các peer là tự trị
Vd: Gnutella
HỆ THỐNG PHÂN TÁN
10/17/2010
Vũ Đức Lung
27
Hệ thống thời gian thực
(real-time system)
Hệ thống thời gian thực (real-time system)
Sử dụng trong các thiết bị chuyên dụng như điều khiển các thử nghiệm khoa học, điều khiển trong y khoa, dây chuyền công nghiệp, thiết bị gia dụng, quân sự
Ràng buộc về thời gian: hard và soft real-time
Phân loại
Hard real-time
Hạn chế (hoặc không có) bộ nhớ phụ, tất cả dữ liệu nằm trong bộ nhớ chính (RAM hoặc ROM)
Yêu cầu về thời gian đáp ứng/xử lý rất nghiêm ngặt, thường sử dụng trong điều khiển công nghiệp, robotics,.
Soft real-time
Thường được dùng trong lĩnh vực multimedia, virtual reality với yêu cầu mềm dẻo hơn về thời gian đáp ứng
10/17/2010
Vũ Đức Lung
28
Thiết bị cầm tay (handheld system)
Personal digital assistant (PDA): Palm, Pocket-PC
Điện thoại di động (cellular phones)
Đặc trưng
Bộ nhớ nhỏ (512 KB - 128 MB)
Tốc độ processor thấp (để ít tốn pin)
Màn hình hiển thị có kích thước nhỏ và độ phân giải thấp.
Có thể dùng các công nghệ kết nối như IrDA, Bluetooth, wireless
Thiết bị cầm tay
(Handheld system)
10/17/2010
Vũ Đức Lung
29
1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
Thế hệ 1 (1945 - 1955)
- Thiết kế, xây dựng, lập trình, thao tác: đều do 1 nhóm người
- Lưu trên phiếu đục lỗ
Thế hệ 2 (1955 - 1965)
Xuất hiện sự phân công công việc
Hệ thống sử lý theo lô ra đời, lưu trên băng từ
Hoạt động dưới sự điều khiển đặc biệt của 1 chương trình
Thế hệ 3 (1965 - 1980)
Ra đời hệ điều hành, khái niệm đa chương
HĐH chia sẻ thời gian như CTSS của MIT
MULTICS, UNIX
10/17/2010
Vũ Đức Lung
30
1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH
Thế hệ 4 (1980 - )
Ra đời máy tính cá nhân, IBM PC
HĐH MS-DOS, MacOS (Apple Macintosh), MS Windows, OS/1
Linux, QNX, HĐH mạng,.
10/17/2010
Vũ Đức Lung
31
Operating Systems Evolution
55

60

65

70

75

80

85

90

95

00

03
IOCS
DOS/360
DOS/VDSE
VS
VS/ESA
OS/360
MVS/370
MVS/XA
MVS/ES
TSO
IBSYS
CTSS
CP/CM5
VM/370
VM/XA
VM/ESA
SYSTEM III
SYSTEM V
SYSTEM V.4
MULTICS
UNIX
UNIXV.7
AIX/370
AIX
SUN OS
POSIX
SOLARIS 2
4.1BSD
4.2BSD
4.3BSD
4.4BSD
MACH
OSF/1
AIX/ESA
XENIX
MS-DOS 1.0
CP/M
DR/DOS
OS/2
WIN 3.0
WIN NT
WIN 2000
WIN 9X
WIN XP
LINUX
RSX-11M
VMS 1.0
VMS 5.4
VMS 7.3
WIN 3.1
SOLARIS 10
RT-11
LINUX 2.6
WIN Server 2003
10/17/2010
Vũ Đức Lung
32
Windows And Linux Evolution
Windows and Linux kernels are based on foundations developed in the mid-1970s
1970
1980
1990
2000
VMS v1.0
Windows NT 3.1
NT 4.0
Windows 2000
Windows XP
Server 2003
1970
1980
1990
2000
UNIX born
UNIX public
UNIX V6
Linux v1.0
v2.0
v2.2
v2.3
v2.4
v2.6
(see http://www.levenez.com for diagrams showing history of Windows & Unix)