Bài giảng Hệ điều hành nâng cao - Bài 1: Tổ chức Hệ điều hành - Trần Hạnh Nhi

1 
HỆ ĐIỀU HÀNH NÂNG CAO 
Tr ư ờng đ ại học Khoa học tự nhiên 
Khoa Công nghệ Thông tin 
Trần Hạnh Nhi 
2 
Tổ chức 	 
Phụ trách Lý thuyết : 
Trần Hạnh Nhi 
Phụ trách thực hành: 
Phạm Nguyễn Anh Huy 
Trần Anh Tuấn 
Lê Thụy Anh	 
Đinh Bá Tiến 
Trang web của môn học : 
3 
Mục tiêu 
Kết quả mong đ ợi về lý thuyết : 
Hiểu đư ợc cách thức Hệ đ iều hành làm việc 
Nắm đư ợc các nguyên lý thiết kế Hệ đ iều hành 
Biết đư ợc một số c ơ chế, chiến l ư ợc c ơ bản đ ể giải quyết các nhiệm vụ của Hệ đ iều hành 
Kết quả cần đ ạt đư ợc về thực hành 
Vận dụng đư ợc các kiến thức lý thuyết đ ể cài đ ặt giả lặp một số module của Hệ đ iều hành 
Sử dụng đư ợc các c ơ chế hỗ trợ của một Hệ đ iều hành cụ thể (Windows NT) đ ể giải quyết các bài toán c ơ bản. 
4 
Kiến thức yêu cầu 
Kiến trúc Máy tính 
Hệ đ iều hành c ơ bản 
Lập trình C/C++ 
5 
Tính đ iểm 
70% Lý thuyết + 30% Thực hành 
Lý thuyết : 
 1 bài thi cuối khoá (không tham khảo tài liệu) 
Mỗi sinh viên làm bài đ ộc lập 
Thực hành: 2 bài tập lớn 
Thời hạn và cách thức nộp bài sẽ do giáo viên phụ trách thực hành qui đ ịnh 
Mỗi nhóm thực hành gồm 2 sinh viên 
Bắt buộc có nộp bài thực hành mới đư ợc thi lý thuyết 
6 
Tài liệu tham khảo 
Trần Hạnh Nhi : Giáo trình Hệ đ iều hành Nâng cao 
A.Silberschatz & P/Galvin : OS concepts (5e) 
Slides : 
W. Stallings : Operating Systems 
A.Tanenbaum et al : OS Design and Implementation 
Minix : 
R.Finkel :: An OS vade mecum 
Book online : 
Jeffrey Richter : Advanced Windows 
Tiến Huy- Đan Th ư - Hạnh Nhi : Kỹ thuật lập trình trên Windows NT 
7 
Nội dung 
Ch ươ ng 1 : Tổ chức Hệ đ iều hành 
Ch ươ ng 2 : Quản lý tiến trình 
Ch ươ ng 3 : Liên lạc giữa các tiến trình 
Ch ươ ng 4 : Quản lý bộ nhớ chính 
Ch ươ ng 5 : An toàn hệ thống 
8 
Bài giảng 1 : 	Giới thiệu 
Tại sao phải tìm hiểu về Hệ đ iều hành ? 
Hệ đ iều hành là gì ? 
Vai trò trong hệ thống ? 
Chức n ă ng ? 
Kiến trúc ? 
Các nguyên lý thiết kế Hệ đ iều hành 
9 
Tại sao cần tìm hiểu Hệ đ iều hành ? 
Để phá vỡ sự “bí ẩn” của hệ thống : 
Tại sao máy tính có thể “biết” đư ợc nội dung đ ĩa ? 
Tại sao có thể vừa soạn thảo, vừa nghe nhạc trên cùng 1 máy tính (có 1 CPU ?) 
Tại sao 1 ứng dụng kích th ư ớc 1 M có thể hoạt đ ộng trên Windows mà bị báo “Not enough memory” trên DOS ? 
Để khai thác tốt h ơ n môi tr ư ờng làm việc : 
Lập trình trên môi tr ư ờng đ a nhiệm (multitask), đ a xử lý(multiprocessing) với các mô hình multiprocess, multithreads.. 
Sử dụng bộ nhớ hiệu quả 
sử dụng các c ơ chế Thông tin liên lạc, an toàn & bảo mật 
Vì là môn học bắt buộc  
10 
Hệ đ iều hành, anh là ai ? 
Ư ùng dụng 
Hệ đ iều hành 
Phần cứng 
Giao diện ảo 
Giao diện vật lý 
11 
Chức n ă ng của Hệ đ iều hành 
Quản trị tài nguyên (resource principle) : 
Tài nguyên : CPU, Mem, IO; Files, ports, mailboxes 
Đối t ư ợng sử dụng tài nguyên : Process, Thread 
Nhiệm vụ : Cung cấp các giải thuật cấp phát, quản lý tài nguyên.cho các đ ối t ư ợng hoạt đ ộng trong hệ thống 
Mục tiêu : Cấp phát đ ầy đ ủ, công bằng R cho Ps; Sử dụng hiệu quả Rs, Nâng cao thông l ư ợng Ps 
Trừu t ư ợng hoá hệ thống (beautification principle) 
Nhiệm vụ : Cung cấp các giải thuật đ ể che dấu chi tiết phần cứng, tạo 1 môi tr ư ờng dễ làm việc h ơ n (hope) cho user 
Mục tiêu : tạo môi tr ư ờng an toàn, tạo sự trừu t ư ợng hoá, đ ộc lập thiết bị 
Ví dụ : device driver 
12 
Các thành phần 
Quản lý tiến trình 
Quản lý bộ nhớ chính 
Quản lý nhậäp xuất 
Quản lý bộ nhớ phụ 
Hệ thống tập tin 
Hệ thống bảo vệ 
Giao tiếp mạng 
Bộ thông dịch lệnh 
13 
Kiến trúc Hệ đ iều hành 
Đ ơ n giản (Monolithic) 
Hạt nhân (Kernel) 
Phân lớp (Layered) 
Máy ảo (Virtual Machine) 
H ư ớng đ ối t ư ợng (OOOS) 
Exokernel 
14 
Monolithic 
15 
Monolithic 
OS = Th ư viện tiện ích 
Có thể tổ chức thành nhiều module : CPU scheduling, Mem Management, Device managementnh ư ng chỉ có 1 trong những module này hoạt đ ộng tại một thời đ iểm 
Đ ơ n nhiệm 
Quyền đ iều khiển đư ợc chuyển đ ổi thông qua lời gọi hàm 
Khi tầm vóc phát triển hệ thống trở nên thiếu tin cậy. 
Ví dụ : MS-DOS, Ultrix (mature Unix) 
16 
Kernel 
17 
Kernel 
OS = Kernel + System processes 
Kernel đư ợc bảo vệ 
Đa nhiệm 
Kernel chịu trách nhiệm phân chia thời gian sử dụng CPU, Giao tiếp giữa các tiến trình 
Chỉ có 2 mức kernel/non-kernel =>kernel lớn, thiếu tin cậy nh ư tr ư ớc 
Định nghĩa cứng các giao tiếp với ứng dụng trong kernel 
Ví dụ : Windows NT 
18 
Layered 
19 
Layered 
OS = các lớp trừu t ư ợng hoá một tác vụ quản lý 
Lớp trên đư ợc sử dụng các hàm xử lýù tài nguyên thuộc tác vụ do lớp d ư ới cung cấp 
Khó xác đ ịnh đư ợc các lớp xử lý rạch ròi, thứ tự lớp ? 
Tạo tiến trình -> PM gọi MM 
Bộ nhớ đ ầy -> MM gọi PM 
Xếp lớp theo hàm xử lý , thay vì tác vụ 
Seg management- P scheduling- Seg creation- P creation 
Ví dụ : THE , MULTICS 
20 
Virtual Machine 
21 
Virtual Machine 
OS = Virtualizing kernel + virtual machines 
Virtual machine = physical hardware 
Virtualizing kernel tạo ra nhiều VM trên 1 máy tính. 
Process interface = hardware interface 
Ư u đ iểm : 
Môi tr ư ờng thuận lợi cho sự t ươ ng thích (compatibility) 
T ă ng tính an toàn hệ thống do cung cấp các VM đ ộc lập. 
Dể phát triển các HDH đơ n nhiệm cho mỗi VM 
Khuyết đ iểm: 
Phức tạp cho việc giả lặp (transput, add translation) 
Ví dụ : CMS(conversational Monitor System) trên VM/370 (hỗ trợ hardware) 
22 
OOOS 
OS = tập các đ ối t ư ợng 
Tiến trình, tập tin, hàm, khối nhớ 
Một hàm xử lý (kernel/non-kernel mode) thao tác trên một tập các đ ối t ư ợng. 
Che dấu thông tin 
Ví dụ :CAP, StarOS, iMAX432 
23 
Exokernel 
24 
Exokernel 
H ư ớng đ ến một HDH linh đ ông trong giao tiếp với ứng dụng, cho phép ứng dụng chuyên biệt hoá hệ đ iều hành theo nhu cầu đ ặc thù một cách dễ dàng 
OS = Exokernel + Library OS 
Ư ùng dụng có thể phát triển các mô hình tổ chức VM, IPC theo nhu cầu riêng 
Ví dụ : ý t ư ởng của project do Dawson R Engler et al phát triển tại MIT