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

HỆ ĐIỀU HÀNH NÂNG CAO 
Trường đại học Khoa học tự nhiên 
Khoa Công nghệ Thông tin 
Trần Hạnh Nhi 
1 
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 : 
2 
Mục tiêu 
Kết quả mong đợi về lý thuyết : 
Hiểu được cách thức Hệ điều hành làm việc 
Nắm được các nguyên lý thiết kế Hệ điều hành 
Biết được một số cơ chế , chiến lược cơ bản để giải quyết các nhiệm vụ của Hệ điều hành 
Kết quả cần đạt được về thực hành 
Vận dụng được các kiến thức lý thuyết để cài đặt giả lặp một số module của Hệ điều hành 
Sử dụng được các cơ chế hỗ trợ của một Hệ điều hành cụ thể (Windows NT) để giải quyết các bài toán cơ bản . 
3 
Kiến thức yêu cầu 
Kiến trúc Máy tính 
Hệ điều hành cơ bản 
Lập trình C/C++ 
4 
Tính điểm 
70% Lý thuyết + 30% Thực hành 
Lý thuyết : 
 1 bài thi cuối khoá ( không tham khảo tài liệu ) 
Mỗi sinh viên làm bài độc lập 
Thực hành : 2 bài tập lớn 
Thời hạn và cách thức nộp bài sẽ do giáo viên phụ trách thực hành qui định 
Mỗi nhóm thực hành gồm 2 sinh viên 
Bắt buộc có nộp bài thực hành mới được thi lý thuyết 
5 
Tài liệu tham khảo 
Trần Hạnh Nhi : Giáo trình Hệ điều 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 Thư - Hạnh Nhi : Kỹ thuật lập trình trên Windows NT 
6 
Nội dung 
Chương 1 : Tổ chức Hệ điều hành 
Chương 2 : Quản lý tiến trình 
Chương 3 : Liên lạc giữa các tiến trình 
Chương 4 : Quản lý bộ nhớ chính 
Chương 5 : An toàn hệ thống 
7 
Bài giảng 1 : 	 Giới thiệu 
Tại sao phải tìm hiểu về Hệ điều hành ? 
Hệ điều hành là gì ? 
Vai trò trong hệ thống ? 
Chức năng ? 
Kiến trúc ? 
Các nguyên lý thiết kế Hệ điều hành 
8 
Tại sao cần tìm hiểu Hệ điều hành ? 
Để phá vỡ sự “ bí ẩn ” của hệ thống : 
Tại sao máy tính có thể “ biết ” được nội dung đĩa ? 
Tại sao có thể vừa soạn thảo , vừa nghe nhạc trên cùng 1 máy tính ( có 1 CPU ?) 
Tại sao 1 ứng dụng kích thước 1 M có thể hoạt động trên Windows mà bị báo “Not enough memory” trên DOS ? 
Để khai thác tốt hơn môi trường làm việc : 
Lập trình trên môi trường đa nhiệm (multitask), đa xử lý(multiprocessing ) với các mô hình multiprocess , multithreads.. 
Sử dụng bộ nhớ hiệu quả 
sử dụng các cơ chế Thông tin liên lạc , an toàn & bảo mật  
Vì là môn học bắt buộc  
9 
Hệ điều hành , anh là ai ? 
Ưùng dụng 
Hệ điều hành 
Phần cứng 
Giao diện ảo 
Giao diện vật lý 
10 
Chức năng của Hệ điều hành 
Quản trị tài nguyên (resource principle) : 
Tài nguyên : CPU, Mem , IO; Files, ports, mailboxes 
Đối tượng sử dụng tài nguyên : Process, Thread 
Nhiệm vụ : Cung cấp các giải thuật cấp phát , quản lý tài nguyên.cho các đối tượng hoạt động trong hệ thống 
Mục tiêu : Cấp phát đầy đủ , công bằng R cho Ps; Sử dụng hiệu quả Rs , Nâng cao thông lượng Ps 
Trừu tượng hoá hệ thống (beautification principle) 
Nhiệm vụ : Cung cấp các giải thuật để che dấu chi tiết phần cứng , tạo 1 môi trường dễ làm việc hơn (hope) cho user 
Mục tiêu : tạo môi trường an toàn , tạo sự trừu tượng hoá , độc lập thiết bị 
Ví dụ : device driver 
11 
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 
12 
Kiến trúc Hệ điều hành 
Đơn giản (Monolithic) 
Hạt nhân (Kernel) 
Phân lớp (Layered) 
Máy ảo (Virtual Machine) 
Hướng đối tượng (OOOS) 
Exokernel 
13 
Monolithic 
14 
Monolithic 
OS = Thư viện tiện ích 
Có thể tổ chức thành nhiều module : CPU scheduling, Mem Management, Device management nhưng chỉ có 1 trong những module này hoạt động tại một thời điểm 
Đơn nhiệm 
Quyền điều khiển được chuyển đổi thông qua lời gọi hàm 
Khi tầm vóc phát triển hệ thống trở nên thiếu tin cậy . 
Ví dụ : MS-DOS, Ultrix (mature Unix) 
15 
Kernel 
16 
Kernel 
OS = Kernel + System processes 
Kernel được 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 như trước 
Định nghĩa cứng các giao tiếp với ứng dụng trong kernel 
Ví dụ : Windows NT 
17 
Layered 
18 
Layered 
OS = các lớp trừu tượng hoá một tác vụ quản lý 
Lớp trên được sử dụng các hàm xử lýù tài nguyên thuộc tác vụ do lớp dưới cung cấp 
Khó xác định được các lớp xử lý rạch ròi , thứ tự lớp ? 
Tạo tiến trình -> PM gọi MM 
Bộ nhớ đầy -> 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 
19 
Virtual Machine 
20 
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 
Ưu điểm : 
Môi trường thuận lợi cho sự tương thích (compatibility) 
Tăng tính an toàn hệ thống do cung cấp các VM độc lập . 
Dể phát triển các HDH đơn nhiệm cho mỗi VM 
Khuyết điểm : 
Phức tạp cho việc giả lặp ( transput , add translation) 
Ví dụ : CMS(conversational Monitor System) trên VM/370 ( hỗ trợ hardware) 
21 
OOOS 
OS = tập các đối tượng 
Tiến trình , tập tin, hàm , khối nhớ  
Một hàm xử lý (kernel/non-kernel mode) thao tác trên một tập các đối tượng . 
Che dấu thông tin 
Ví dụ :CAP, StarOS , iMAX432 
22 
Exokernel 
23 
Exokernel 
Hướng đến một HDH linh đông trong giao tiếp với ứng dụng , cho phép ứng dụng chuyên biệt hoá hệ điều hành theo nhu cầu đặc thù một cách dễ dàng 
OS = Exokernel + Library OS 
Ưùng dụng có thể phát triển các mô hình tổ chức VM, IPC theo nhu cầu riêng 
Ví dụ : ý tưởng của project do Dawson R Engler et al phát triển tại MIT 
24