Giáo trình Hệ điều hành - Chương I: Mở đầu

 hàm các chuẩn hiện hữu (MS- DOS, 16 bit-Windows, Unix và OS/2) và được thị trường chấp nhận một cách rộng rãi.
2. Nó phải chắc chắn và bền vững. Nghĩa là các chương trình vừa tương hổ nhau vừa không làm tổn hại hệ điều hành, các lỗi xuất hiện chỉ có hậu quả giới hạn.
3. Nó phải được truy cập một cách dễ dàng trên những phần cứng có phiên bản thấp.
4. Nó không được che phủ tất cả, mà nó phải đáp ứng một cách dễ dàng các yêu cầu chuyển đổi.
5. Điều quan trọng: nó phải là một hệ điều hành mạnh.
Nếu quan sát những dự kiến này, người ta thấy, đó là những điều nan giải. Những yêu cầu đồng thời ( như tương thích, bền vững, tiện lợi và mạnh) thì đối lập với chính nó, vì MS-DOS thì tuyệt đối không bền vững, không mạnh và hoàn toàn không tương thích với Unix. Tuy nhiên, tác giả vẫn đạt được mục đích, vì anh ta đã sử dụng kinh nghiệm của các hệ điều hành khác và đã biến điệu một cách mạnh mẽ. Việc phân lớp và những quan hệ gọi của nhân ở bản phác thảo gốc được trình bày trên hình 1.7. Nhân của hệ điều hành này mang tên Windows NT Executive, nó là phần dưới của khối chuyển đổi trạng thái người sử dụng và trạng thái hệ điều hành.
Để giải quyết vấn đề thiết kế, dưới đây ba tiêu chí quan trọng của hệ điều hành được nói tới.
Tính tương thích ( compatible)
Đó là khả năng đặc biệt của một hệ điều hành mà ta có thể truy cập được vào một hệ điều hành riêng lẻ. Với tư cách là cơ cấu hệ điều hành ảo, nó được chứa đựng trong khả năng dịch vụ của Windows NT Executive ( tức là gọi hệ thống được biểu thị bằng mũi tên vẽ đậm trên hình 1.7).
Việc xuất nhập định hướng ký tự được dẫn ra bởi dịch vụ của Win32. Những dịch vụ của hệ thống con (subsystem) được yêu cầu qua các thông tin ( gọi các local procedure, xem mũi tên vẽ nhạt trên hình 1.7) của các chương trình người sử dụng hay của khách hàng. Nếu là server, chúng cũng có quan hệ client/server.
Độ bền vững ( strengthen)
Nó đạt được nhờ sự phân chia chặt chẽ của các chương trình với nhau và nhờ việc luôn luôn giữ vững các quá trình ngoại vi (cơ cấu DOS ảo) đối với các chương trình chạy trên MS-DOS hay trên Windows. Các chức năng này là đồng đều, nhưng việc truy cập(số liệu) trực tiếp được tách ra trên phần cứng, do vậy với các chức năng này thì các chương trình cũ có thể chạy được. Những biện pháp phụ như một hệ thống files có độ chính xác lỗi và những cơ cấu bảo vệ chuyên dụng để kiểm tra sự chọn files, mạng và chương trình đã trợ giúp cho mục đích này.
Độ thuận tiện (commodity)
Đó là khả năng có thể bảo quản và mở rộng, qua đó, một hệ điều hành được viết bằng ngôn ngữ C, có thể trao đổi mạnh và được phân lớp ngay từ đầu. Với lớp HAL (xem hình 1.7), phần cứng được mô phỏng như là máy ảo và ở việc truy cập tới các bộ vi xử lý khác nó thu hẹp sự thay đổi cần thiết trên các đơn thể. Điều thú vị là từ các version 4.0 của hệ thống Win32 thì đã tiết kiệm thời gian để gọi hệ thống từ Win32 tới Win NT. Sự trợ giúp của chuẩn khác ( như hệ thống file OS/2 với version 4.0) thì hệ điều hành Win NT đã được điều chỉnh.
 Sự giao kết phần cứng và phần mềm.
Cấu tạo của các máy ảo cho phép giữ lại giao diện một cách tương tự tới các đơn thể và thay đổi sự thực thi. Do đó, nó sẽ có điều kiện để thực hiện việc thực thi nhờ một sự giao trộn qua lại từ phần cứng và phần mềm. Đối với khả năng dịch vụ thì điều đó không quan trọng. Vì phần cứng làm việc hầu như nhanh hơn, nhưng giá đắt hơn; ngược lại phần mềm làm việc chậm hơn, nhưng giá lại rẻ hơn và có thể thay đổi nhanh chóng hơn. Do đó, khi thiết kế cấu trúc một máy tính , người ta phải lưu ý giải quyết hai nguyên do kể trên. Hình 1.8 là một thí dụ, cho thấy sự phân lớp theo mã máy tượng trưng (trên hình vẽ ký hiệu p-code), mà nó hoặc là được giao kết bằng phần mềm qua bộ biên dịch (compiler) và bộ thông dịch(interpreter), hoặc là có thể được thực hiện bằng phần cứng qua các lệnh máy. Trong trường hợp thứ hai, lớp ở giữa được di chuyển trong phần cứng (xem hình 1.8 ở phía bên trái). Trong đó, mỗi lệnh p-code được thực hiện một chức năng (tức là được lập trình bằng mã microcode) ở trong CPU.
Program in p-code
p-code/machinecode
CPU- hardware
Program in p-code
Microcode-hardware and CPU-hardware
 Hình 1.8. Sự giao kết phần cứng và phần mềm bằng mã p-code
Đối với vấn đề vừa nêu, một điều khác cần phải nói, đó là sự trợ giúp của các chức năng mạng. Với các bộ điều khiển mạng rẻ tiền thì hầu hết có chỉ chứa đựng tập hợp các chip theo tiêu chuẩn, nó chỉ là cấu nối tín hiệu và có thời hạn làm việc nhất định. Tất cả những chức năng và giao thức cao hơn để kết hợp các gói dữ liệu hoặc để tìm thấy lộ trình của mạng đều phải được bộ nhớ chính và phần mềm tích hợp thực hiện, điều đó làm giảm đi đáng kể khả năng của bộ vi xử lý đối với các nhiệm vụ khác(như giao diện người sử dụng, xử lý text). Trên cơ sở đó, ở các bộ điều khiển mạng giá đắt hơn, các chức năng điều khiển mạng và quản lý dữ liệu được di chuyển trên phần cứng, nghĩa là bộ vi xử lý phải thực hiện một số quy trình để tiếp cận những chức năng ở mức độ cao.
Ở đây, điều chẳng có gì quan trọng đó là: những chức năng của bộ điều khiển mạng đã được hoàn thiện nhờ một bộ vi xử lý riêng lẻ hoặc nhờ kết cấu thích hợp của chip. Ngoài ra, nếu một ngôn ngữ hình thức được sử dụng để thiết kế các lệnh cho máy thì sự khác nhau của hai vấn đề trên không còn điều gì để nói. Điều quyết định còn lại cần phải được xem xét, đó là giá thành, chất lượng tiêu chuẩn và sự mong muốn của khách hàng.
 Cấu trúc nhiều bộ vi xử lý (multi- processorsystem)
Đối với vấn đề quản lý các phương tiện điều hành thì điều quan trọng là phải xem xét còn tồn tại những quan hệ và những sự phụ thuộc nào giữa chúng. Điều đó độc lập với việc sử dụng kiểu bộ vi xử lý, kiểu bus, hay loại sản phẩm vi mạch các bộ nhớ, vấn đề là, người ta phải biết phân biệt một vài kiểu cấu hình cơ bản. Trong trường hợp kinh điển và đơn giản, trước hết ta khảo sát hệ thống với chỉ một bộ vi xử lý được dùng làm bộ nhớ quảng đại (massen- memory) và bộ nhớ chính (main memory) để xây dựng hệ điều hành và thực hiện các chương trình của người sử dụng (xem hình 1.9). Ở đây, các thiết bị vào- ra (như màn hình, bàn phím, chuột) không chỉ ra trên hình vẽ.
 Các chương trình các dữ liệu 
 bộ nhớ chính 
Nhân HĐH
Chương trìnhNSD1
Chương trìnhNSDn
bộ nhớ
quảng đại 
processor
 Hình 1.9. Hệ thống một bộ vi xử lý đơn
Từ việc nghiên cứu hệ thống đơn vi xử lý như vừa nêu, người ta có thể thiết lập một hệ thống với nhiều bộ vi xử lý. Mỗi lần người ta kết nối các bộ vi xử lý khác nhau thì sẽ nhận cấu trúc hệ thống khác nhau. Cấu trúc đơn giản nhất cho thấy, đó là một CPU mà các bộ vi xử lý đơn được mắc song song qua một bảng kết nối, chẳng hạn qua một bus đa nhiệm (multi-master- systembus). Hình 1.10 mô tả một hệ thống nhiều bộ vi xử lý; trong đó P1.Pn là các bộ vi xử lý đơn và M1Mn là các bộ nhớ quảng đại.
Các đơn thể bộ vi xử lý được định vị trên một phía bảng kết nối, còn phía kia là các đơn thể bộ nhớ. Đối với mỗi việc truy cập mã chương trình hay mã dữ liệu thì một sự kết nối giữa chúng được tạo ra, sự kết nối này tồn tại trong suốt thời gian yêu cầu.
	 Bảng kết nối 
 (với multi-master-systembus)
M1
M2
P1
P2
Pn
Chương trìnhNSD1
Chương trìnhNSDn
Nhân HĐH
 Hình 1.10. Hệ thống đa vi xử lý
Một cấu trúc như vậy dẫn tới một cách dễ dàng sự giảm sút hiệu suất thực thi, vì bảng kết nối quá tải khi phải thường xuyên truy cập bộ nhớ. Trong trường hợp này, một sự trợ giúp được dẫn ra từ việc quan sát, rằng các bộ vi xử lý hầu như chỉ tham chiếu giới hạn hẹp một phần chương trình.
Ở đây, bộ nhớ có thể được phân chia và được dẫn ra một cách dày đặc hơn tới mỗi một bộ vi xử lý (xem hình 1.11). Tất nhiên, sự phân chia này phải được trợ giúp bởi bộ biên dịch để nó phân chia chương trìng người sử dụng một cách thích hợp.
Nhân HĐH
Chương trìnhNSD1
Nhân HĐH
Chương trìnhNSDn
P1
P1
 Bảng kết nối
M1
M2
 Hình 1.11. Hệ thống nhiều máy tính
Mạng máy tính tồn tại như là một kiểu kết nối thứ ba. Ở đây, các máy tính làm việc độc lập với hệ điều hành riêng lẻ (nghĩa là không cần thiết phải giống nhau), được kết nối với nhau trong một mạng (xem hình 1.12)
 Nhân HĐH
Chương trìnhNSD1
Nhân HĐH
Chương trìnhNSDn
P1
P1
 Bảng kết nối (mạng LAN, WAN)
M1
M2
 Hình 1.12. Mạng máy tính - cấu trúc đa vi xử lý
Nếu có một phần mềm được tạo lập trên máy tính, mà máy tính này làm việc như là một máy chủ (server), nó cung cấp các dịch vụ (các tài nguyên) cho các máy tính khác (client) thì người ta gọi cấu trúc này có quan hệ khách- chủ (client-server). Thông thường, máy chủ có những khả năng dịch vụ là quản lý chương trình (number- cruncher), quản lý in ấn (print server), quản lý dữ liệu (file server)
Mỗi một kiểu cấu trúc máy hệ điều hành máy tính được trình bày ở trên có những lợi thế và yếu thế khác nhau. Đối với chúng ta, điều quan trọng là, sử dụng cơ cấu nào để đạt được sự trao đổi thông tin qua các bộ vi xử lý và để đạt được sự truy cập đồng bộ ở các phương tiện điều hành. Đó chính là phương hướng được tiếp tục xem xét kỷ lưởng ở các chương sau.
1.6. Các bài tập của chương 1
Bài tập 1.1. Về hệ điều hành
Mục đích của hệ điều hành bao gồm việc phân bổ các phương tiện điều hành theo sự thỉnh cầu của người sử dụng.
a). Vì sao phải tạo thô một hệ điều hành ?
b). Có những phương tiện điều hành nào bạn biết?
c). Người sử dụng nào có thể được thỉnh cầu ? (Ở đây khái niệm người sử dụng là một khái niệm khái quát).
d). Người sử dụng đòi hỏi những yêu cầu gì ở hệ điều hành?
e). Bạn hãy giải thích các khái niệm máy ảo và giao diện.
Bài tập 1.2. Về hệ điều hành Unix
a). Trên phạm vi các máy tính của cơ quan bạn, hệ điều hành Unix có bao nhiêu gọi hệ thống ?
b). Các gọi hệ thống được phân thành máy nhóm chức năng ?
c). Một gọi hệ thống được thực thi trên máy tính của bạn như thế nào?
Gợi ý:Nếu bạn mở quyển sổ tay về lập trình Assembler hay C, hoặc nếu bạn thực hiện trình Debugger dịch trở lại một gọi hệ thống được viết bằng ngôn ngữ C thành Assembler; khi đó các tệp tin include của C (như syscall.h. trap.h, proc.h, kernel.h)sẽ đưa ra nhiều trợ giúp thú vị.