Ch­¬ng v: Kh¸i niÖm hÖ ®iÒu hµnh

Hệ điều hành:

          - Là một hệ thống các chương trình hoạt động giữa người sử dụng (user) và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của hệ điều hành là cung cấp một môi trường để người sử dụng có thể thi hành các chương trình. Nó làm cho máy tính dễ sử dụng hơn, thuận lợi hơn và hiệu quả hơn.

- Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy tính. Một hệ thống máy tính thường được chia làm bốn phần chính : phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng.

Phần cứng: 

- Bao gồm CPU, bộ nhớ, các thiết bị nhập xuất, đây là những tài nguyên của máy tính.

Chương trình ứng dụng:

          - Như các chương trình dịch, hệ thống cơ sở dữ liệu, các trò chơi, và các chương trình thương mại. Các chương trình này sử dụng tài nguyên của máy tính để giải quyết các yêu cầu của người sử dụng.

Hệ điều hành:

       - Điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng cho những ứng dụng khác nhau của nhiều người sử dụng khác nhau. Hệ điều hành cung cấp một

môi trường mà các chương trình có thể làm việc hữu hiệu trên đó.

- Hệ điều hành có thể được coi như là bộ phân phối tài nguyên của máy tính. Hệ điều hành hoạt động như một bộ quản lý các tài nguyên và phân phối chúng cho các chương trình và người sử dụng khi cần thiết. Do có rất

nhiều yêu cầu, hệ điều hành phải giải quyết vấn đề tranh chấp và phải quyết định cấp phát tài nguyên cho những yêu cầu theo thứ tự nào để hoạt động của máy tính là hiệu quả nhất. Một hệ điều hành cũng có thể được coi như là một chương trình kiểm soát việc sử dụng máy tính, đặc biệt là các thiết bị nhập xuất.

- Nhìn chung chưa có định nghĩa nào là hoàn hảo về hệ điều hành. Hệ điều hành tồn tại để giải quyết các vấn đề sử dụng hệ thống máy tính. Mục tiêu cơ bản của nó là giúp cho việc thi hành các chương trình dễ dàng hơn. Ngoài ra hỗ trợ cho các thao tác trên hệ thống máy tính hiệu quả hơn. Tuy nhiên hai mục tiêu này cũng có phần tương  phản vì vậy lý thuyết về hệ điều hành tập trung vào việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên của máy tính.

5.2 . Phân loại hệ thống:

5.2.1 Hệ thống xử lý theo lô

- Bộ giám sát thường trực được thiết kế để giám sát việc thực hiện dãy các công việc một cách tự động, chương trình này luôn luôn thường trú trong bộ nhớ chính.

Hệ điều hành theo lô:  

- Thực hiện các công việc lần lượt theo những chỉ thị định trước.

5.2.2 Hệ thống xử lý theo lô đa chương

- Đa chương (multiprogram) gia tăng khai thác CPU bằng cách tổ chức các công việc sao cho CPU luôn luôn phải trong tình trạng làm việc .

- Ý tưởng như sau : hệ điều hành lưu giữ một phần của các công việc ở nơi lưu trữ trong  bộ nhớ . CPU sẽ lần lượt thực hiện các phần công việc này. Khi đang thực hiện, nếu có yêu cầu truy xuất thiết bị thì CPU không nghỉ mà thực hiện tiếp công việc thứ hai…

- Với hệ đa chương hệ điều hành ra quyết định cho người sử dụng vì vậy, hệ điều hành đa chương rất tinh vi. Hệ phải xử lý các vấn đề lập lịch cho công việc, lập lịch cho bộ nhớ và cho cả CPU nữa.

5.2.3 Hệ thống chia xẻ thời gian

- Hệ thống chia xẻ thời gian là một mở rộng logic của hệ đa chương. Hệ thống này còn được gọi là hệ thống đa nhiệm (multitasking). Nhiều công việc cùng được thực hiện thông qua cơ chế chuyển đổi của CPU như hệ đa chương nhưng thời gian mỗi lần chuyển đổi diễn ra rất nhanh.

- Hệ thống chia xẻ được phát triển để cung cấp việc sử dụng bên trong của một máy tính có giá trị hơn. Hệ điều hành chia xẻ thời gian dùng lập lịch CPU và đa chương để cung cấp cho mỗi người sử dụng một phần nhỏ trong máy tính chia xẻ. Một chương trình khi thi hành được gọi là một tiến trình. Trong quá trình thi hành của một tiến trình, nó phải thực hiện các thao tác nhập xuất và trong khoảng thời gian đó CPU sẽ thi hành một tiến trình khác. Hệ điều hành chia xẻ cho phép nhiều người sử dụng chia xẻ máy tính một cách đồng bộ do thời gian chuyển đổi nhanh nên họ có cảm giác là các tiến trình đang được thi hành cùng lúc.

- Hệ điều hành chia xẻ phức tạp hơn hệ điều hành đa chương. Nó phải có các chức năng : quản trị và bảo vệ bộ nhớ, sử dụng bộ nhớ ảo. Nó cũng cung cấp hệ thống tập tin truy xuất on-line…

- Hệ điều hành chia xẻ là kiểu của các hệ điều hành hiện đại ngày nay.

5.2.4 Hệ thống song song

- Ngoài các hệ thống chỉ có một bộ xử lý còn có các hệ thống có nhiều bộ xử lý cùng chia xẻ hệ thống đường truyền dữ liệu, đồng hồ, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Các bộ xử lý này liên lạc bên trong với nhau .

- Với sự gia tăng số lượng bộ xử lý, công việc được thực hiện nhanh chóng hơn. Hệ thống với máy nhiều bộ xử lý sẽ tối ưu hơn hệ thống có nhiều máy có một bộ xử lý vì các bộ xử lý chia xẻ các thiết bị ngoại vi, hệ thống lưu trữ, nguồn … và rất thuận tiện cho nhiều chương trình cùng làm việc trên cùng một tập hợp dữ liệu.

- Một lý do nữa là độ tin cậy. Các chức năng được xử lý trên nhiều bộ xử lý và sự hỏng hóc của một bộ xử lý sẽ không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

Hệ thống đa xử lý:

          - Thông thường sử dụng cách đa xử lý đối xứng, trong cách này mỗi bộ xử lý chạy với một bản sao của hệ điều hành, những bản sao này liên lạc với nhau khi cần thiết. Một số hệ thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng, trong đó mỗi bộ xử lý được giao một công việc riêng biệt.. Một bộ xử lý chính kiểm soát toàn bộ hệ thống, các bộ xử lý khác thực hiện theo lệnh của bộ xử lý chính hoặc theo những chỉ thị đã được định nghĩa trước. Mô hình này theo dạng quan hệ chủ tớ. Bộ xử lý chính sẽ lập lịch cho các bộ xử lý khác.

- Hệ thống đa xử lý không đồng bộ thường xuất hiện trong những hệ thống lớn, trong đó hầu hết thời gian hoạt động đều dành cho xử lý nhập xuất.

5.2.5 Hệ thống phân tán

- Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống chia xẻ thời gian nhưng các bộ xử lý không chia xẻ bộ nhớ và đồng hồ, thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các bộ xử lý thông tin với nhau thông qua các đường truyền thông như những bus tốc độ cao hay đường dây điện thoại.

- Các bộ xử lý trong hệ phân tán thường khác nhau về kích thước và chức năng. Nó có thể bao gồm máy vi tính, trạm làm việc, máy mini, và những hệ thống máy lớn.

- Các nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là:Chia xẻ tài nguyên,Tăng tốc độ tính toán,An toàn,Thông tin liên lạc với nhau

5.2.6 Hệ thống xử lý thời gian thực

Hệ thống xử lý thời gian thực:

          - Được sử dụng khi có những đòi hỏi khắt khe về thời gian trên các thao tác của bộ xử lý hoặc dòng dữ liệu.

- Một hệ điều hành xử lý thời gian thực phải được định nghĩa tốt, thời gian xử lý nhanh. Hệ thống phải cho kết quả chính xác trong khoảng thời gian bị thúc ép nhanh nhất. Có hai hệ thống xử lý thời gian thực là hệ thống thời gian thực cứng và hệ thống thời gian thực mềm..

- Hệ thống thời gian thực cứng là công việc được hoàn tất đúng lúc. Lúc đó dữ liệu thường được lưu trong bộ nhớ ngắn hạn hay trong ROM. Việc xử lý theo thời gian thực sẽ xung đột với tất cả hệ thống liệt kê ở trên.

Dạng thứ hai là hệ thống thời gian thực mềm, mỗi công việc có một độ ưu tiên riêng và sẽ được thi hành theo độ ưu tiên đó. Có một số lĩnh vực áp dụng hữu hiệu phương pháp này là multimedia hay thực tại ảo.

5.3 Các tính chất cơ bản của hệ điều hành

a) Tin cậy

- Mọi hoạt động, mọi thông báo của HĐH đều phải chuẩn xác, tuyệt đối. chỉ khi nào biết chắc chắn là đúng thì HĐH mới cung cấp thông tin cho người sử dụng. Để đảm bảo được yêu cầu này, phần thiết bị kỹ thuật phải có những phương tiện hỗ trợ kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu trong các phép lưu trữ và xử lý. Trong các trường hợp còn lại HĐH thông báo lỗi và ngừng xử lý trao quyền quyết định cho người vận hành hoặc người sử dụng.

b) An toàn

- Hệ thống pahỉ tổ chức sao cho chương trình và dữ liệu không bị xoá hoặc bị thay đổi ngoài ý muốn trong mọi trường hợp và mọi chế độ hoạt

động. Điều này đặc biệt quan trọng khi hệ thống là đa nhiệm. Các tài nguyên khác nhau đòi hỏi những yêu cầu khác nhau trong việc đảm bảo an toàn.

c) Hiệu quả

- Các tài nguyên của hệ thống phải đợc khai thác triệt để sao chon gay cả điều kiện tài nguyên hạn chế vẫn có thể giải quyết những yêu cầu phức tạp. Một khía cạnh quan trọng của đảm bảo hiệu quả là duy trì đồng bộ trong toàn bộ hệ thống, không để các thiết bị tốc độ chậm trì hoãn hoạt động của toàn bộ hệ thống.

d) Tổng quát theo thời gian

- HĐH phải có tính kế thừa, đồng thời có khả năng thích nghi với những thay đổi có thể có trong tương lai. Đối với việc nâng cấp, tính kế thừa là bắt buộc. Các thao tác, thông báo là không được thay đổi, hoặc nếu có thì không đáng kể và phải được hướng dẫn cụ thể khi chuyển từ phiên bản này sang phiên bản khác, bằng các phương tiện nhận biết của hệ thống. Đảm bảo tính kế thừa sẽ duy trì và phát triển đội ngũ người sử dụng-một nhân tố quan trọng để HĐH có thể tồn tại. Ngoài ra người sử dụng cũng rất quan tâm, liệu những kinh nghiệm và kiến thức của mình về HĐH hiện tại còn được sử dụng bao lâu nữa. Khả năng thích nghi với những thay đổi đòi hỏi HĐH phải được thiết kế theo một số nguyên tắc nhất định.

e) Thuận tiện

- Hệ thống phải dễ dàng sử dụng, có nhiều mức hiệu quả khác nhau tuỳ theo kiến thức và kinh nghiệm người dùng. Hệ thống trợ giúp phong phú để người sử dụng có thể tự đào tạo ngay trong quá trình khai thác.

- Trong một chừng mực nào đó, các tính chất trên mâu thuẫn lẫn nhau. Mỗi HĐH có một giải pháp trung hoà, ưu tiên hợp lý ở tính chất này hay tính chất khác.

5.4  Chức năng của hệ điều hành:

Quản lý chia sẻ tài nguyên

- Tài nguyên của hệ thống (cpu, bộ nhớ, thiết bị ngoại vi,...) vốn rất giới hạn, nhưng trong các hệ thống đa nhiệm, nhiều người sử

dụng có thể đồng thời yêu cầu nhiều tài nguyên. Để thỏa mãn yêu cầu sử dụng chỉ với tài nguyên hữu hạn và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, hệ điều hành cần phải có cơ chế và chiến lược thích hợp để quản lý việc phân phối tài nguyên.

- Ngoài yêu cầu dùng chung tài nguyên để tiết kiệm chi phí, người sử dụng còn cần phải chia sẻ thông tin (tài nguyên phần mềm) lẫn nhau, khi đó hệ điều hành cần đảm bảo việc truy xuất đến các tài nguyên này là hợp lệ, không xảy ra tranh chấp, mất đồng nhất,...

Giả lập một máy tính mở rộng

- Hệ điều hành làm ẩn đi các chi tiết phần cứng, người sử dụng được cung cấp một giao diện đơn giản, dễ hiểu, dễ sử dụng và không phụ thuộc vào thiết bị phần cứng cụ thể.

- Thực tế, ta có thể xem Hệ điều hành như là một hệ thống bao gồm nhiều máy tính trừu tượng xếp thành nhiều lớp chồng lên nhau, máy tính mức dưới phục vụ cho máy tính mức trên. Lớp trên cùng là giao diện trực quan nhất để chúng ta điều khiển.

- Ngoài ra có thể chia chức năng của Hệ điều hành theo bốn chức năng sau:

§                     Quản lý quá trình (process management)

§                     Quản lý bộ nhớ (memory management)

§                     Quản lý hệ thống lưu trữ (storage management)

§                     Giao tiếp với người dùng (user interaction)

5.5 Các thành phần của hệ điều hành

Quản lý tiến trình:

- Một tiến trình là một chương trình đang được thi hành.

- Một tiến trình phải sử dụng tài nguyên như thời gian sử dụng CPU, bộ nhớ, tập tin, các thiết bị nhập xuất để hoàn tất công việc của nó. Các tài nguyên này được cung cấp khi tiến trình được tạo hay trong quá trình thi hành. Khi tiến trình được tạo, nó sử dụng rất nhiều tài nguyên vật lý và luận lý.cũng như một số khởi tạo dữ liệu nhập. Ví dụ , khảo sát tiến trình hiển thị trạng thái của tập tin lên màn hình. Đầu vào của tiến trình là tên tập tin, và

tiến trình sẽ thực hiện những chỉ thị thích hợp, thực hiện lời gọi hệ thống để nhận được những thông tin mong muốn và hiển thị nó lên màn hình. Khi tiến trình kết thúc, hệ điều hành sẽ tái tạo lại các tài nguyên có thể được dùng lại..

- Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tiến trình là :

+ Tạo và hủy các tiến trình của người sử dụng và của hệ thống.

+Ngưng và thực hiện lại một tiến trình.

+Cung cấp cơ chế đồng bộ tiến trình.

+Cung cấp cách thông tin giữa các tiến trình.

+Cung cấp cơ chế kiểm soát deadlock

Quản lý bộ nhớ chính :

- Một chương trình muốn thi hành trước hết phải được ánh xạ thành địa chỉ tuyệt đối và nạp vào bộ nhớ chính.Khi chương trình thi hành, hệ thống truy xuất các chỉ thị và dữ liệu của chương trình trong bộ nhớ chính. Ngay cả khi tiến trình kết thúc , dữ liệu vẫn còn trong bộ nhớ cho đến khi một tiến trình khác được ghi chồng lên.

- Hệ điều hành có những vai trò như sau trong việc quản lý bộ nhớ chính :

+ Lưu giữ thông tin về các vị trí trong bộ nhớ đã được sử dụng và ai sử dụng.

+ Quyết định tiến trình nào được nạp vào bộ nhớ chính, khi bộ nhớ đã có thể dùng được.

+ Cấp phát và thu hồi bộ nhớ khi cần thiết.

Quản lý bộ nhớ phụ :

- Mục tiêu chính của hệ thống máy tính là thi hành chương trình. Những chương trình với dữ liệu truy xuất của chúng phải được đặt trong bộ nhớ chính trong suốt quá trình thi hành. Nhưng bộ nhớ chính quá nhỏ để có thể lưu giữ mọi dữ liệu và chương trình, ngoài ra dữ liệu sẽ mất khi không còn được cung cấp năng lượng. Hệ thống máy tính ngày nay cung cấp hệ thống lưu trữ phụ. Đa số các máy tính đều dùng đĩa cứng để lưu trữ cả chương trình và dữ liệu. Hầu như tất cả chương trình : chương trình dịch, hợp ngữ, thủ tục, trình soạn thảo, định dạng... đều được lưu trữ trên đĩa cho tới khi nó được thực hiện, nạp vào trong bộ nhớ chính và cũng sử dụng đĩa để chứa dữ liệu và kết quả xử lý. Vì vậy một bộ quản lý hệ thống đĩa rất quan trọng cho hệ thống máy tính.

- Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý đĩa :

+Quản lý v ùng trống trên đĩa.

+Định vị lưu trữ.

+Lập lịch cho đĩa.

- Vì hệ thống đĩa được sử dụng thường xuyên, nên nó phải được dùng hiệu quả.Tốc độ của toàn bộ hệ thống tuỳ thuộc rất nhiều vào tốc độ truy xuất đĩa.

Quản lý hệ thống nhập xuất :

- Một trong những mục tiêu của hệ điều hành là che dấu những đặc thù của các thiết bị phần cứng đối với người sử dụng thay vào đó là một lớp thân thiện hơn, người sử dụng dể thao tác hơn. Một hệ thống nhập/xuất bao gồm :

+Hệ thống buffer caching.

+Giao tiếp điều khiển thiết bị (device drivers) tổng quát.

+Bộ điều khiển cho các thiết bị phần cứng.

- Chỉ có device driver mới hiểu đến cấu trúc đặc thù của thiết bị mà nó mô tả.

Quản lý hệ thống tập tin

-Để cho việc sử dụng hệ thống máy tính thuận tiện, hệ điều hành cung cấp một cái nhìn logic đồng nhất về hệ thống lưu trữ thông tin. Hệ điều hành định nghĩa một đơn vị lưu trữ logic là tập tin. Hệ điều hành tạo một ánh xạ từ tập tin đến vùng thông tin trên đĩa và truy xuất những tập tin này thông qua thiết bị lưu trữ.

-Một tập tin là một tập hợp những thông tin do người tạo ra nó xác định. Thông thường một tập tin đại diện cho một chương trình và dữ liệu. Dữ liệu của tập tin có thể là số, là ký tự, hay ký số.

-Vai trò của hệ điều hành trong việc quản lý tập tin :

+Tạo và xoá một tập tin.

+Tạo và xoá một thư mục.

+Hỗ trợ các thao tác trên tập tin và thư mục.

+Ánh xạ tập tin trên hệ thống lưu trữ phụ.

+Backup tập tin trên các thiết bị lưu trữ.

Hệ thống bảo vệ

- Trong một hệ thống nhiều người sử dụng và cho phép nhiều tiến trình diễn ra đồng thời, các tiến trình phải được bảo vệ đối với những hoạt động khác.Do đó, hệ thống cung cấp cơ chế để đảm bảo rằng tập tin, bộ nhớ, CPU, và những tài nguyên khác chỉ được truy xuất bởi những tiến trình có quyền. Ví dụ, bộ nhớ đảm bảo rằng tiến trình chỉ được thi hành trong phạm vi địa chỉ của nó. Bộ thời gian đảm bảo rằng không có tiến trình nào độc chiếm CPU. Cuối cùng các thiết bị ngoại vi cũng được bảo vệ.

Hệ thống bảo vệ:

- Là một cơ chế kiểm soát quá trình truy xuất của chương trình, tiến trình, hoặc người sử dụng với tài nguyên của hệ thống. Cơ chế này cũng cung cấp cách thức để mô tả lại mức độ kiểm soát.

Hệ thống thông dịch lệnh:

- Một trong những phần quan trọng của chương trình hệ thống trong một hệ điều hành là hệ thống thông dịch lệnh, đó là giao tiếp giữa người sử dụng và hệ điều hành. Một số hệ điều hành đặt cơ chế dòng lệnh bên trong hạt nhân, số khác như MS-DOS và UNIX thì xem hệ điều hành như là một chương trình đặt biệt, được thi hành khi các công việc bắt đầu hoặc khi người sử dụng login lần đầu tiên.

- Các lệnh đưa vào hệ điều hành thông qua bộ điều khiển lệnh. Trong các hệ thống chia xẻ thời gian một chương trình có thể đọc và thông dịch các lệnh điều khiển được thực hiện một cách tự động. Chương trình này thường được gọi là bộ thông dịch điều khiển card, cơ chế dòng lệnh hoặc Shell.

-Chức năng của nó rất đơn giản đó là lấy lệnh kế tiếp và thi hành.

- Mỗi hệ điều hành sẽ có những giao tiếp khác nhau, dạng đơn giản theo cơ chế dòng lệnh, dạng thân thiện với người sử dụng như giao diện của Macintosh có các biểu tượng, cửa sổ thao tác dùng chuột.

- Các lệnh có quan hệ với việc tạo và quản lý các tiến trình, kiểm soát nhập xuất, quản lý bộ lưu trữ phụ, quản lý bộ nhớ chính, truy xuất hệ thống tập tin và cơ chế bảo vệ.

5.6 Các hình thái giao tiếp

a) Hình thái dòng lệnh

- Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành qua các dòng lệnh, mỗi lệnh có các tham số tương ứng

-Ưu điểm:Dễ xây dựng và giảm công sức cho người xây dựng hệ thống và Người sử dụng có thể đưa tham số của lệnh một cách chính xác theo mong muốn.

- Nhược điểm:Tốc độ đưa lệnhvào chậm, người sử dụng phải nhớ các tham số và Đối với các thao tác viên không có kinh nghiệm, thì hình thái này gây cản trở đến hiệu quả làm việc.

Hình thái giao tiếp này bị cản trở bởi hàng rào ngôn ngữ.

b) Hình thái thực đơn

- Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành thông qua các thực đơn, các thực đơn thường có dạng trải xuống(popup). Mỗi thực đơn con tương ứng với một chức năng. Các tham số có thể được đưa vào thông qua giao tiếp với người sử dụng.

-Ưu điểm:Hình thái này không yêu cầu nhớ lệnh và Người sử dụng có thể truy nhập vào thực đơn qua bàn phím hoặc qua chuột.

- Nhược điểm:Hình thái giao tiếp này bị cản trở bởi hàng rào ngôn ngữ và Đôi khi các từ trên thực đơn không nêu bật được chức năng của nó.

c) Hình thái cửa sổ-biểu tượng

- Người sử dụng giao tiếp với hệ điều hành thông qua các thanh công cụ và các biểu tượng. Mỗi biểu tượng tương ứng với một chức năng. Các tham số có thể được đưa vào thông qua giao tiếp với người sử dụmg.

-Ưu điểm:Hình thái này không yêu cầu nhớ lệnh và Người sử dụng không bị ờang rào ngôn ngữ gây cản trở.

- Nhược điểm:Có thể có rất nhiều biểu tượng do đó gây sự nhập nhằng về chức năng và Không thuận lợi khi thao tác bằng bàn phím.

d) Hình thái kết hợp

- HĐH thường kết hợp nhiều hình thái giao tiếp để tạo ra tính thân thiện với người sử dụng. Ví dụ: việc kết hợp thực đơn với các biểu tượng, hoặc kết hợp giữa các biểu tượng với các từ gợi ý.

- Hình thái giao tiếp kết hợp này khắc phục được các nhược điểm của các hình thái giao tiếp đơn lẻ.