Bài giảng Hệ điều hành - Phần 1: Tổng quan về hệ điều hành - Nguyễn Lê Minh

TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNHThS. Nguyễn Lê MinhKhoa CNTT, ĐH Giao thông vận tải Email: nlminh@utc2.edu.vnNỘI DUNGHỆ ĐIỀU HÀNH LÀ GÌ?1QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐH22HỆ ĐIỀU HÀNH LÀ GÌ?3Tại sao cần tới Hệ điều hành?HAI CÁCH NHÌN HỆ ĐIỀU HÀNHTheo người dùng (User view)Dễ sử dụngHiệu quảỨng dụng phong phúTheo phần cứng (system view)Quản lý và cấp phát tài nguyên một cách hiệu quả và công bằngQuản lý việc thực thi của các chương trình ứng dụngQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsMAINFRAME SYSTEMSBatch systemsMultiprogramming systemsTime sharing systemBATCH SYSTEMSHệ điều hành sơ khai nhấtTác vụ chính là chuyển điều khiển tự động từ công việcnày sang công việc khácCần có người vận hànhGiảm thời gian xử lý bằng cách ghép nhóm các công việc có cùng yêu cầu (batching jobs)Ghép 2 công việc cùng dùng trình biên dịch Fortran để tiết kiệm thời gian load trình biên dịch FortranBATCH SYSTEMSMULTIPROGRAMMING SYSTEMSMultiprogramming làm tăng hiệu năng của CPU bằng cách tổ chức các công việc để CPU luôn có 1 công việc cần thực hiện.Các công việc đó được lưu trong bộ nhớ chính tạicùng một thời điểm và CPU là đa nhiệm giữa chúngKhi một công việc phải đợi tác vụ nào đó, Hệ điều hành sẽ chuyển CPU cho một công việc khác.MULTIPROGRAMMING SYSTEMSMULTIPROGRAMMING SYSTEMSHệ điều hành cần có các chức năng cơ bản sauCác hàm nhập/xuât - I/O routinesĐịnh thời công việc - Job schedulingQuản lý bộ nhớ - Memory managementĐịnh thời CPU - CPU schedulingPhân bổ thiết bị - Allocation of devicesTIME SHARING SYSTEMSCPU luân phiên chuyển đổi thực thi giữa các công việc và sự chuyển đổi diễn ra rất thường xuyênNgười dùng có thể tương tác với mỗi chương trình đang chạyTime sharing systems cung cấp sự tương tác giữa hệ thống và người dùngTime sharing systems cho phép nhiều người dùng chia sẻ hệ thống cùng một lúcNgười dùng cảm giác là toàn bộ hệ thống đang được dành riêng cho mìnhCác công việc được giữ trong bộ nhớ chính và thiết bị lưu trữChỉ công việc nằm trong bộ nhớ chính được chiếm CPU để xử lýKhi cần thiết một công việc có thể được chuyển từ bộ nhớ chính ra thiết bị lưu trữ và ngược lạiTIME SHARING SYSTEMSTIME SHARING SYSTEMSYêu cầu đối với HĐH trong Time sharing systemsĐịnh thời công việc - Job schedulingQuản lý bộ nhớ - Memory managementJob swapVirtual memoryQuản lý tiến trình – Process managementĐịnh thời CPU – CPU schedulingĐồng bộ các công việc – SynchronizationTương tác giữa các công việc – Process communicationTránh bế tắc – DeadlockQuản lý hệ thống lưu trữ - Disk managementPhân bổ các thiết bị tài nguyên – Allocation of devicesCơ chế bảo vệ - ProtectionQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsDESKTOP SYSTEMSPersonal computers - single userHướng tới sự tiện lợi (convenience) cho người dùng và khả năng đáp ứng cao (responsiveness)I/O devices: bàn phím, chuột, màn hình, máy inCó thể áp dụng công nghệ được phát triển cho các HĐH lớn hơnCó thể vận hành nhiểu HĐH khác nhau: Windows, MacOS, UNIX, LinuxQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsMULTIPROCESSOR SYSTEMSParallel systemsTightly coupled system: Hệ thống có nhiều hơn một CPU được kết nối chặt chẽCác processor chia sẻ bộ nhớ chung và đồng hồ (clock)Sự giao tiếp thường xuyên diễn ra qua bộ nhớ chungƯu điểmTăng thông lượng (increased throughput)Tiết kiệm tài nguyên (economy of scale)Tăng độ tin cậy (increased reliablility)Graceful degradationMULTIPROCESSOR SYSTEMSMULTIPROCESSOR SYSTEMSSymmetric multiprocessing (SMP)Các processor vận hành cùng một hệ điều hành duy nhấtNhiều ứng dụng thực thi cùng lúc với hiệu suất (performance) caoĐa số các hệ điều hành hỗ trợ SMPAsymmetric multiprocessingMỗi processor thực thi một công việc khác nhau, master processor định thời và phân cong việc cho các slave processorQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsDISTRIBUTED SYSTEMSPhân bố công việc trên nhiều processorsLoosely coupled system – Hệ thống được kết nối lỏngMỗi processor có bộ nhớ riêng (local processor)Các processor giao tiếp thông qua mạngƯu điểmChia sẻ tài nguyên (resource sharing)Tăng tốc độ tính toán (Computation speed up)Độ tin cậy cao (high reliability)DISTRIBUTED SYSTEMSQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsCLUSTERED SYSTEMLà sự hợp thành của hai hay nhiều hệ thống đơn (individual systems or nodes)Mỗi node có thể là single processor system hoặc multicore systemLoosely coupled systemChia sẻ chung bộ nhớ (storage)Đáng tin cậy (provide high reliability)Phân loại:Asymmetric clustering – cụm không đối xứngSymmetric clustering – cụm đối xứngCLUSTERED SYSTEMQUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực – Real-time SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsREAL-TIME SYSTEMSHệ thống đảm bảo hoàn thành công việc trong một khoảng thời gian cho phép (deadline)Ứng dụngĐiều khiển các thí nghiệm khoa họcHệ thống điều khiển công nghiệpPhân loại:Hard real-timeSoft real-timeREAL-TIME SYSTEMSHard real-time systemsNếu không đáp ứng yêu cầu thời gian thực hệ thống sẽ sụp đổVí dụ: hệ thống làm mát nhà máy điện hạt nhân, hệthống báo cháy tự động, hệ thống điều khiển máy bayBộ nhớ phụ hạn chế hoặc không cóDữ liệu nằm trong RAM hoặc ROMSoft real-time systemsNếu không đáp ứng yêu cầu thời gian thực hệ thống sẽ bị suy giảm về chất lượng dịch vụVí dụ: Hệ thống Video/Audio streaming, thực tế ảo (virtual reality)QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HĐHHệ thống mainframe - Mainframe SystemsHệ để bàn - Desktop SystemsHệ đa xử lý - Multiprocessor SystemsHệ phân tán - Distributed SystemsHệ thống cụm - Clustered systemHệ thời gian thực - Realtime SystemsHệ thống nhúng – Embedded SystemsEMBEDDED SYSTEMSNhúng trong các thiết bị gia dụng, máy đồ chơi, Một số vấn đềBộ nhớ có dung lượng nhỏTốc độ processor không caoMàn hình nhỏCÂU HỎI THẢO LUẬNTrình bày sự khác biệt giữa phần mềm hệ thống và phần mềm ứng dụng ?Tại sao phải có Hệ điều hành nằm giữa hệ thống phần mềm và phần cứng ?