Bài giảng Hệ điều hành - Chương 1: Tổng quan về hệ điều hành - Trần Thị Như Nguyệt

Chapter 1: Tổng quan về 
 hệ điều hành 
 Mục tiêu 
̶ Biết được hệ điều hành là gì 
̶ Biết được các loại hệ điều hành 
̶ Biết được lịch sử phát triển hệ điều hành 
 2 Tổng quan về hệ điều hành 
 Chuẩn đầu ra của bài học 
̶ Hiểu và phát biểu lại được các khái niệm cơ 
 bản về hệ điều hành, và các thành phần của hệ 
 điều hành 
̶ Biết được sự khác biệt cơ bản giữa các loại hệ 
 điều hành 
 3 Tổng quan về hệ điều hành 
 Nội dung 
1. Tổng quan 
2. Phân loại hệ điều hành 
3. Lịch sử phát triển hệ điều hành 
 4 Tổng quan về hệ điều hành 
 Tổng quan 
a. Định nghĩa hệ điều hành 
b. Cấu trúc hệ thống máy tính 
c. Các chức năng chính của hệ điều hành 
 5 Tổng quan về hệ điều hành 
 a. Định nghĩa 
• Hệ điều hành là gì? Người dùng 
 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 Các ứng dụng 
 Chạy ứng dụng abc trên 
 cho các ứng dụng. phần cứng XYZ 
• Mục tiêu Hệ Điều Hành 
 ̶ Giúp người dùng dễ dàng sử 
 Phần cứng 
 dụng hệ thống. 
 ̶ Quản lý và cấp phát tài nguyên 
 hệ thống một cách hiệu quả. 
 6 Tổng quan về hệ điều hành 
 a. Định nghĩa (tt) 
Banking Airline 
 Web browser Application programs 
 system reservation 
 Command 
Compilers Editors 
 interpreter System programs 
 Operating system 
 Machine language 
 Microprogramming Hardware 
 Physical devices 
 [Nguồn: Dror G. Feitelson] 
 7 Tổng quan về hệ điều hành 
 b. Cấu trúc hệ thống máy tính 
Một hệ thống máy tính có thể được phân chia thành 4 
phần như sau: 
 Phần cứng (hardware) 
  Bao gồm các tài nguyên cơ bản của máy tính như CPU, bộ nhớ 
 (memory), các thiết bị xuất nhập (I/O devices) 
 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) 
  Là cách mà tài nguyên hệ thống được sử dụng để giải quyết các 
 vấn để tính toán của người sử dụng. 
  Ví dụ: compilers, database systems, video games, business 
 programs. 
 Người sử dụng (Users) 
 Tổng quan về hệ điều hành 
  Bao cả gồm người , máy hoặc8 những máy tính khác 
b. Cấu trúc hệ thống máy tính 
 9 Tổng quan về hệ điều hành 
 c. Các chức năng chính của hệ điều hành 
• Phân chia thời gian xử lý và định thời CPU 
• Phối hợp và đồng bộ hoạt động giữa các tiến trình 
 (coordination & synchronization) 
• Quản lý tài nguyên hệ thống như thiết bị I/O, bộ nhớ, 
 file chứa dữ liệu, 
• Kiểm soát quyền truy xuất và bảo vệ máy tính 
 (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 Tổng quan về hệ điều hành 
 c. Các chức năng chính của hệ điều hành 
Tuy nhiên, thật sự các tính năng của hệ điều hành 
phụ thuộc vào các góc nhìn khác nhau: 
• Trên phương diện người sử dụng: muốn thuận lợi, dễ dàng 
 sử dụng và hiệu suất tốt (người sử dụng không quan tâm 
 việc sử dụng tài nguyên phần cứng bên trong như thế nào) 
• Nhưng với những hệ thống chia sẻ (mainframe, 
 workstations, servers), việc chia sẻ tài nguyên phần cứng 
 phải được chú trọng hơn. 
• Trong khi đó, với những máy tính cá nhân (có tài nguyên 
 phần cứng yếu hơn) thì tối ưu cho việc sử dụng và năng 
 lương tiêu hao thường được chú trọng hơn. 
• Một vài máy tính có ít hoặc không có giao diện cho người sử 
 dụng (user interface), ví dụ như các máy tính nhúng. 
 11 Tổng quan về hệ điều hành 
 Nội dung 
1. Tổng quan 
2. Phân loại hệ điều hành 
3. Lịch sử phát triển hệ điều hành 
 12 Tổng quan về hệ điều hành 
 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 thông minh (Smart 
 Card) 
 13 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại hệ điều hành (tt) 
 • 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,  
 14 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại hệ điều hành (tt) 
• Dưới góc độ hình thức xử lý 
 ̶ Hệ thống xử lý theo lô (Batch systems) 
  Hệ thống đơn chương (uniprogramming OS) 
  Hệ thống đa chương (multiprogramming OS) 
 ̶ Hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing 
 system) 
 ̶ Hệ thống song song (parallel system) 
 ̶ Hệ thống phân tán (distributed system) 
 ̶ Hệ thống xử lý thời gian thực (real-time 
 system) 
 ̶ Hệ thống nhúng (embedded system) 
 15 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý 
 Hệ thống xử lý theo lô (Batch systems) 
  Hệ thống đơn chương 
 ̶ 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 các thao tác bên ngoài – Spooling 
 (Simultaneous Peripheral Operations Online) 
 Máy tính 
Nhập chính Xuất 
 16 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống xử lý theo lô (Batch 
 systems) 
  Hệ thống đa chương 
 ̶ Nhiều công việc được nạp đồng thời vào bộ nhớ 
 chính 
 ̶ Khi một tiến trình yêu cầu thực hiện I/O thì thời 
 gian chờ sẽ lâu, trong thời gian này một tiến trình 
 khác sẽ được thực thi. 
 ̶ Tận dụng được thời gian rảnh, tăng hiệu suất sử 
 dụng CPU 
 Tác vụ I/O 
 Bộ xử lý Kết thúc tác vụ 
 17 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống xử lý theo lô (Batch systems) 
  Hệ thống đa chương: yêu cầu đối với hệ 
 điều hành 
 ̶ Định thời công việc (job scheduling): 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 
 18 Tổng quan về hệ điều hành 
Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ điều hành đơn chương 
 Hệ điều hành đa chương 
 19 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing 
 system) 
 ̶ Hệ thống đa nhiệm (multitasking) 
 ̶ Lập lịch CPU 
 ̶ Thời gian chuyển đổi giữa các tác vụ rất 
 ngắn 
      
 Bộ xử lý 
 20 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing 
 system) 
 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) 
 21 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống song song (parallel system) 
Bộ xử lý: Có hai hoặc nhiều bộ xử lý 
  Các bộ xử lý có vai trò ngang nhau hoặc 
  Các bộ xử lý có vai trò khác nhau 
 (Master/Slave : một bộ xử lý chính kiểm soát 
 một số bộ xử lý I/O) 
Bộ nhớ: Có nhiều hình thức 
  Hai hoặc nhiều bộ xử lý cùng chia sẻ một bộ 
 nhớ hoặc 
  Chia sẻ một phần hoặc không chia sẻ bộ nhớ 
 22 Tổng quan về hệ điều hành 
 Loosely Coupled Shared Disk System 
 [Nguồn: https://docs.oracle.com] 
Tightly Coupled Shared Memory 
System Shared Nothing System 
 23 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống song song 
Riêng hệ thống nhiều processor , chia sẻ bộ nhớ và 
ngoại vi còn gọi là multiprocessor. 
 ̶ 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 
 24 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống song song 
Phân loại hệ thống song song 
 ̶ Đa xử lý đối xứng (symmetric multiprocessor) 
 Mỗi processor vận hành một bản sao hệ điều hành giống 
 nhau 
 Các copy dữ liệu cho 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) 
 25 Tổng quan về hệ điều hành 
[Nguồn comptereengineers] 
 26 Tổng quan về hệ điều hành 
 OP 
[Nguồn comptereengineers] 
 27 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống phân tán (distributed system, loosely-
 coupled system) 
 Hệ thống máy tính 1 Hệ thống máy tính 2 
 Giao tiếp mạng Giao tiếp mạng 
 Mạng 
 Bộ xử lý Bộ xử lý 
 Bộ nhớ Bộ nhớ 
 ̶ Mỗi processor có bộ nhớ riêng, giao tiếp với nhau qua 
 các kênh nối như mạng, bus tốc độ cao 
 ̶ Người dùng chỉ thấy một hệ thống đơn nhất 
 28 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
Một ví dụ khác của hệ thống phân tán mà có thêm “Shared Data” 
 [Nguồn: toadworld] 
 29 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống phân tán 
 Ưu điểm hệ thống phân tán 
 ̶ 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 
 30 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống phân tán 
 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 
 : VíGnutella dụ 
 31 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 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 
 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 
 32 Tổng quan về hệ điều hành 
 Phân loại dưới góc độ hình thức xử lý (tt) 
 Hệ thống nhúng 
 ̶ Trong nhiều thiết bị điện tử (như điện thoại di động, 
 máy tính bảng, xe ô tô ) 
 ̶ Đặc trưng của các thiết bị này 
 Bộ nhớ nhỏ (512 KB - 128 MB - 4GB) 
 Tốc độ processor thấp (để ít tốn pin) 
 Màn hình hiển thị có kích thước nhỏ 
 Có thể dùng các công nghệ kết nối như IrDA, 
 Bluetooth, wireless 
 Có thể có một hoặc nhiều cảm biến khác nhau 
 33 Tổng quan về hệ điều hành 
 Nội dung 
1. Tổng quan 
2. Phân loại hệ điều hành 
3. Lịch sử phát triển hệ điều hành 
 34 Tổng quan về hệ điều hành 
 Lịch sử phát triển của hệ điều hành 
• Thế hệ 1 (1945 - 1955) 
 ̶ Thiết kế, xây dựng, lập trình, thao tác: 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 
 35 Tổng quan về hệ điều hành 
 3. Lịch sử phát triển của hệ điều hành 
• 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 
• 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, 
 36 
 36 Tổng quan về hệ điều hành 
 Lịch sử phát triển của Windows và Linux 
Nhân Windows và Linux được dựa trên những 
nền tảng phát triển từ giữa những năm 1970s 
 1970 1980 1990 2000 
 1970 1980 1990 2000 
 (see  for diagrams showing history of Windows & Unix) 
 37 Tổng quan về hệ điều hành 
 Tổng kết 
• Định nghĩa HĐH 
• Các chức năng của HĐH 
 38 Tổng quan về hệ điều hành 
 Tổng kết 
• Dưới góc độ loại máy tính 
 ̶ MainFrame 
 ̶ Server 
 ̶ 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) 
 39 Tổng quan về hệ điều hành 
 Tổng kết 
• Dưới góc độ hệ thống xử lý 
 ̶ Hệ thống xử lý theo lô 
 ̶ Hệ thống chia sẻ thời gian 
 ̶ Hệ thống song song 
 ̶ Hệ thống phân tán 
 ̶ Hệ thống xử lý thời gian thực 
 40 Tổng quan về hệ điều hành 
 Câu hỏi ôn tập 
̶ Nêu cấu trúc hệ thống máy tính? 
̶ HĐH có những chức năng chính nào? 
̶ Theo góc độ hệ thống xử lý, HĐH được phân 
 thành mấy loại? Kể tên? 
̶ Những yêu cầu của hệ điều hành đối với hệ 
 thống chia sẻ thời gian? 
 41 Tổng quan về hệ điều hành 
Kết thúc chương 1 
 42 Tổng quan về hệ điều hành