Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Cấu trúc hệ điều hành - Trần Thị Như Nguyệt

Chương 2: Cấu trúc Hệ Điều Hành 
 01/2015 
 Ôn tập chương 1 
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? 
Định nghĩa hệ điều hành? 
 2 Cấu trúc hệ điều hành 
 Mục tiêu 
Biết được các thành phần của hệ điều hành 
Hiểu được các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp 
Hiểu được cấu trúc của một hệ thống máy tính 
 3 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 4 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 5 Cấu trúc hệ điều hành 
 Các thành phần của hệ điều hành 
Quản lý tiến trình 
Quản lý bộ nhớ chính 
Quản lý file 
Quản lý hệ thống I/O 
Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp 
Hệ thống bảo vệ 
Giao diện giữa người sử dụng và hệ điều hành 
 6 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý tiến trình 
Tiến trình (hay quá trình/process) là gì? 
Tiến trình (process) khác chương trình 
(program) ở điểm gì? 
 7 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý tiến trình 
Để hoàn thành công việc, một tiến trình cần: 
 CPU 
 Bộ nhớ 
 File 
 Thiết bị I/O,  
Các nhiệm vụ chính: 
 Tạo và hủy tiến trình 
 Tạm dừng/ thực thi tiếp tiến trình 
 Cung cấp các cơ chế 
 Đồng bộ hoạt động các tiến trình 
 Giao tiếp giữa các tiến trình 
 Khống chế tắc nghẽn 
 8 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý bộ nhớ chính 
Bộ nhớ chính là trung tâm của các thao tác, xử lý 
Để nâng cao hiệu suất sử dụng CPU, hệ điều hành cần có 
cách quản lý bộ nhớ thích hợp 
Các nhiệm vụ chính: 
 . Theo dõi, quản lý các vùng nhớ trống và đã cấp phát 
 . Quyết định sẽ nạp chương trình nào khi có vùng nhớ 
 trống 
 . Cấp phát và thu hồi các vùng nhớ khi cần thiết 
 9 Cấu trúc hệ điều hành 
Quản lý bộ nhớ chính 
 10 Cấu trúc hệ điều hành 
Quản lý bộ nhớ chính 
 11 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý file 
Hệ thống file 
. File 
. Thư mục 
Các dịch vụ chính: 
. Tạo và xóa file/ thư mục 
. Các thao tác xử lý file/ thư mục 
. “Ánh xạ” file/ thư mục vào thiết bị thứ cấp tương ứng 
. Sao lưu và phục hồi dữ liệu 
 12 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý hệ thống I/O 
Che dấu sự khác biệt của các thiết bị I/O trước người 
dùng 
Có chức năng: 
. Cơ chế: buffering, caching, spooling 
. Cung cấp giao diện chung đến các trình điều khiển 
 thiết bị 
. Cung cấp driver cho các thiết bị phần cứng riêng biệt 
 13 Cấu trúc hệ điều hành 
 Quản lý hệ thống lưu trữ thứ cấp 
 Bộ nhớ chính: kích thước nhỏ, là môi trường chứa tin không 
 bền vững cần hệ thống lưu trữ thứ cấp để lưu trữ bền 
 vững các dữ liệu, chương trình. 
 Phương tiện lưu trữ thông dụng là đĩa từ, đĩa quang 
 Nhiệm vụ của hệ điều hành trong quản lý đĩa 
 . Quản lý không gian trống trên đĩa (free space 
 management) 
 . Cấp phát không gian lưu trữ (storage allocation) 
 . Định thời họat động cho đĩa (disk scheduling) 
 Sử dụng thường xuyên ảnh hưởng lớn đến tốc độ của cả 
hệ thống cần hiệu quả 
 14 Cấu trúc hệ điều hành 
 Hệ thống bảo vệ 
Trong hệ thống cho phép nhiều user hay nhiều process diễn ra 
đồng thời phải: 
 . Kiểm soát tiến trình người dùng đăng nhập/xuất và sử dụng 
 hệ thống 
 . Kiểm soát việc truy cập các tài nguyên trong hệ thống 
 . Bảo đảm những user/process chỉ được phép sử dụng các tài 
 nguyên dành cho mình 
 . Các nhiệm vụ của hệ thống bảo vệ: 
 Cung cấp cơ chế kiểm soát đăng nhập/xuất 
 Phân định được sự truy cập tài nguyên hợp pháp và bất 
 hợp pháp (authorized/unauthorized) 
 Phương tiện thi hành các chính sách (enforcement of 
 policies) (ví dụ: cần bảo vệ dữ liệu của ai đối với ai) 
 15 Cấu trúc hệ điều hành 
 Giao diện giữa người sử dụng và hệ điều hành 
 Việc giao tiếp giữa người sử dụng và hệ điều 
hành thông thường theo 2 cách cơ bản: 
  Dùng Command Interpreters hoặc 
 command-line interface (tạm dịch Hệ 
 thống thông dịch lệnh) 
  Dùng Graphical User Interfaces (Viết tắt 
 GUI; tạm dịch giao diện người dùng đồ 
 họa) 
 16 Cấu trúc hệ điều hành 
 Giao diện giữa người sử dụng và hệ điều hành 
Command Interpreters: 
 Cho phép người sử dụng trực tiếp soạn những lệnh yêu cầu hệ điều 
 hành thực thi 
 Như thế nào trong Windows, UNIX, Linux? 
 Shell là gì? 
 (Sách tham khảo trang 58, phần 2.2.1) 
Các lệnh chủ yếu khi dùng Command Interpreters: 
  Tạo, hủy, và quản lý tiến trình, hệ thống 
  Kiểm soát I/O 
  Quản lý bộ lưu trữ thứ cấp 
  Quản lý bộ nhớ chính 
  Truy cập hệ thống file và cơ chế bảo mật 
 17 Cấu trúc hệ điều hành 
 Giao diện giữa người sử dụng và hệ điều hành 
Graphical User Interfaces: 
 Người sử dụng tương tác với hệ điều hành thông qua giao 
 diện hình ảnh, không cần dùng lệnh trực tiếp (mouse-based 
 windowand-menu system) 
 18 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 19 Cấu trúc hệ điều hành 
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Thực thi chương trình 
Thực hiện các thao tác I/O theo yêu cầu của chương trình 
Các thao tác trên hệ thống file 
Trao đổi thông tin giữa các tiến trình qua hai cách: 
 . Chia sẻ bộ nhớ (Shared memory) 
 . Chuyển thông điệp (Message passing) 
Phát hiện lỗi 
 . Trong CPU, bộ nhớ, trên thiết bị I/O: ví dụ dữ liệu hư, 
 hết giấy, 
 . Do chương trình: ví dụ lỗi chia cho 0, truy cập đến địa 
 chỉ bộ nhớ không cho phép. 
 20 Cấu trúc hệ điều hành 
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt) 
Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ 
thống: 
. Cấp phát tài nguyên (resource allocation) 
 Tài nguyên: CPU, bộ nhớ chính, ổ đĩa, 
 OS có các thủ tục (routines) tương ứng cho từng 
 hoạt động cấp phát trên 
. Kế toán (accounting) 
 Nhằm lưu vết user để tính phí hoặc đơn giản để 
 thống kê. 
 21 Cấu trúc hệ điều hành 
 Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp (tt) 
Ngoài ra còn các dịch vụ giúp tăng hiệu suất của hệ 
thống: 
 Bảo vệ (protection) 
 Hai tiến trình khác nhau không được ảnh hưởng 
 nhau 
 Kiểm soát được các truy xuất tài nguyên của hệ 
 thống 
 An ninh (security) 
 Chỉ các user được phép sử dụng hệ thống mới truy 
 cập được tài nguyên của hệ thống (vd: thông qua 
 username và password) 
 22 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 23 Cấu trúc hệ điều hành 
 Lời gọi hệ thống (system call) 
Dùng để giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành 
Cung cấp giao diện giữa tiến trình và hệ điều hành 
 Ví dụ: open, read, write file 
Xem như các thủ tục (routine) được viết bằng C/C++; nhưng với các 
công việc ở mức thấp (ví dụ, những công việc mà phần cứng phải 
được truy xuất trực tiếp) có thể viết bằng những lệnh hợp ngữ 
Trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao, việc truy xuất các system call 
này thường thông qua các “Application Programming Interface (API)”. 
Các API thông dụng: Windows API, thư viện GNU C/C++ như glibc, 
glibc++,  
Ba phương pháp truyền tham số khi sử dụng system call 
 . Qua thanh ghi 
 . Qua một vùng nhớ, địa chỉ của vùng nhớ được gửi đến hệ điều 
 hành qua thanh ghi 
 . Qua stack 
 24 Cấu trúc hệ điều hành 
Lời gọi hệ thống (tt) 
 25 Cấu trúc hệ điều hành 
 Lời gọi hệ thống (tt) 
Chuỗi các lời gọi hệ thống để copy nội dung từ file này đến file khác 
 26 Cấu trúc hệ điều hành 
 Lời gọi hệ thống (tt) 
Một số lời gọi hệ thống trong windows và unix 
 27 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 28 Cấu trúc hệ điều hành 
 Các chương trình hệ thống 
Chương trình hệ thống (system program, phân biệt với 
application program) gồm 
 . Quản lý hệ thống file: như create, delete, rename, list 
 . Thông tin trạng thái: như date, time, dung lượng bộ nhớ 
 trống 
 . Soạn thảo file: như file editor 
 . Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình: như compiler, assembler, 
 interpreter 
 . Nạp, thực thi, giúp tìm lỗi chương trình: như loader, 
 debugger 
 . Giao tiếp: như email, talk, web browser 
 .  
Người dùng chủ yếu làm việc thông qua các system program 
(không làm việc “trực tiếp” với các system call) 
 29 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 30 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống 
Hệ điều hành là một chương trình lớn 
Nó có nhiều dạng cấu trúc khác nhau: 
 . Cấu trúc đơn giản - MS-DOS 
 . Cấu trúc phức tạp hơn – UNIX 
 . Cấu trúc phân tầng 
 . Cấu trúc vi nhân 
 . Cấu trúc module 
 . Cấu trúc lai 
 31 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Cấu trúc đơn giản 
(monolithic) 
 MS-DOS: khi thiết kế, do 
 giới hạn về dung lượng bộ 
 nhớ nên không phân chia 
 thành các module 
 (modularization) và chưa 
 phân chia rõ chức năng 
 giữa các phần của hệ 
 thống 
 Cấu trúc phân tầng của MS-DOS 
 32 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Cấu trúc phức tạp hơn (more complex) 
 UNIX: gồm hai phần có thể tách rời nhau 
 Nhân: Kernel, cung cấp file system, CPU 
 scheduling, memory management, và một số chức 
 năng khác 
 System program 
 33 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Cấu trúc phân tầng: HĐH được chi thành nhiều lớp (layer). 
 . Lớp dưới cùng: hardware 
 . Lớp trên cùng là giao tiếp với user 
 . Lớp trên chỉ phụ thuộc lớp dưới 
 . Một lớp chỉ có thể gọi các hàm của lớp dưới và các hàm 
 của nó được gọi bởi lớp trên 
 . Mỗi lớp tương đương một đối tượng trừu tượng: cấu trúc 
 dữ liệu + thao tác 
 . Phân lớp có lợi ích gì? 
  Gỡ rối (debugger) 
  Kiểm tra hệ thống 
  Thay đổi chức năng 
 34 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Cấu trúc phân tầng: 
Lần đầu tiên được áp dụng cho HĐH THE (Technische 
Hogeschool Eindhoven) 
 35 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
 Vi nhân (microkernel): 
Khi hệ điều hành UNIX mở rộng, kernel trở nên lớn và 
khó quản lý. Một cách phát triển mới là phân chia kernel 
thành khối module nhỏ, gọi là microkernel (Carnegie 
Mellon University, Mach OS, 1980) 
 Chuyển một số chức năng của OS từ kernel space 
 sang user space 
 Thu gọn kernel thành microkernel, microkernel chỉ bao 
 gồm các chức năng tối thiểu như quản lý tiến trình, bộ 
 nhớ và cơ chế giao tiếp giữa các tiến trình 
 Giao tiếp giữa các module qua cơ chế truyền thông 
 điệp 
 36 Cấu trúc hệ điều hành 
 Microkernel System Structure 
 Application File Device user
 Program System Driver mode
 messages messages
 Interprocess memory CPU kernel
Communication managment scheduling mode
 microkernel
 hardware
 37 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Microkernel: 
 Lợi ích: dễ mở rộng HĐH 
Một số HĐH hiện đại sử dụng vi nhân: 
 . Mach là HĐH đầu tiên sử dụng microkernel 
 . Tru64 UNIX (Digital UNIX trước đây): nhân Mach 
 . Apple MacOS Server : nhân Mach 
 . QNX – vi nhân cung cấp: truyền thông điệp, định thời 
 CPU, giao tiếp mạng cấp thấp và ngắt phần cứng 
 . Windows NT: chạy các ứng dụng khác nhau win32, 
 OS/2, POSIX (Portable OS for uniX) 
 38 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
 Module: 
Các hệ điều hành hiện đại thường thiết kế theo kiểu: loadable 
kernel modules 
 • Sử dụng cách tiếp cận hướng đối tượng 
 • Mỗi thành phần nhân rời rạc 
 • Giao tiếp giữa các module với nhau thông qua các 
 interfaces đã biết trước 
 • Những gì cần thì có thể tải về từ kernel 
 Một cách tổng quát, thiết kế hệ điều hành dạng này giống với 
 cấu trúc phân tầng layer, nhưng linh hoạt hơn 
 • Linux, Solaris  
 39 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Module: 
 40 Cấu trúc hệ điều hành 
 Cấu trúc hệ thống (tt) 
Hệ thống lai (Hybrid Systems): 
 . Hầu hết hệ điều hành hiện đại hiện giờ không thật 
 sự theo một cấu trúc chuẩn nào thuần túy. Chúng 
 là sự kết hợp của nhiều cách tiếp cận để đạt được 
 hiệu suất, bảo mật và nhu cầu sử dụng tốt nhất. 
 . Linux, Solaris, Windows, Apple Mac OS, iOS, 
 Android 
 41 Cấu trúc hệ điều hành 
 Nội dung 
Các thành phần của hệ điều hành 
Các dịch vụ hệ điều hành cung cấp 
Lời gọi hệ thống (System call) 
Các chương trình hệ thống (System programs) 
Cấu trúc hệ thống 
Máy ảo (Virtual machine) 
 42 Cấu trúc hệ điều hành 
 Máy ảo 
Làm thế nào để thực thi một chương 
trình MS-DOS trên một hệ thống Sun 
với hệ điều hành Solaris? 
. Tạo một máy ảo Intel bên trên hệ Intel x86 Application 
 điều hành Solaris và hệ thống Sun 
 Intel x86 VM 
. Các lệnh Intel (x86) được máy ảo VM interpretation 
 Intel chuyển thành lệnh tương ứng Solaris kernel 
 của hệ thống Sun 
 Sun hardware 
 43 Cấu trúc hệ điều hành 
 Máy ảo 
Từ OS layer đến máy ảo (virtual machine) 
 44 Cấu trúc hệ điều hành 
 Máy ảo 
 Từ OS layer đến máy ảo (virtual machine) 
 processes 
 processes 
 processes 
 processes 
 programming kernel kernel kernel 
 interface 
 VM1 VM2 VM3 
 kernel Virtual-machine 
 implementation 
 hardware hardware 
Non-virtual machine Virtual machine system model 
 system model 
 45 Cấu trúc hệ điều hành 
 Máy ảo 
 Ảo hóa phần mềm 
 Ảo hóa phần cứng 
 46 Cấu trúc hệ điều hành 
Kết thúc chương 2 
 01/2015