Chương 1: Kiến trúc hệ thống & Tổng quan Hệ điều hành Mục tiêu: Hệ thống lại kiến trúc hệ thống phần cứng Tìm hiểu tổng quan chức thành phần Hệ điều hành Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - HvKTMM Nội dung  Cấu trúc Hệ thống  Tổng quan Hệ điều hành Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - Kiến trúc hệ thống  Hoạt động hệ thống máy tính  Cơ chế vào-ra  Phân cấp hệ thống nhớ  Bảo vệ phần cứng (Hardware Protection) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.1 Hoạt động hệ thống máy tính(1): Kiến trúc phần cứng Interruptdriven CPU CPU Keyboard Disks Mouse Disk controller Disk controller Printer USB controller USB controller Monitor Graphics adapter Graphics adapter MEMORY MEMORY Kiến trúc Hệ thống máy tính đại Đệm liệu (local buffer) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.1 Hoạt động hệ thống máy tính(2): Mơ hình trừu tượng User Hợp ngữ User User Đồ họa Soạn thảo User Cơ sở liệu Các chương trình ứng dụng Hệ điều hành Phần cứng Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.1 Hoạt động hệ thống máy tính(3)  Hệ thống hoạt động interrupt driven (q trình điều khiển ngắt):   Thơng thường ngắt chuyển điều khiển cho chương trình phục vụ ngắt thông qua vector ngắt (interrupt vector)     Mã lệnh gọi đến ngắt xuất Bảng vector ngắt chứa địa tất chương trình phục vụ ngắt (interrupt service routine) Kiến trúc ngắt (Interrupt architecture) phải lưu địa lệnh bị ngắt Các ngắt đến bị vô hiệu (disabled) ngắt thực để tránh bị ngắt (lost interrupt) Một bẫy lỗi(trap) ngắt mềm gây lỗi yêu cầu người sử dụng Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.1 Hoạt động hệ thống máy tính(3)     Hệ thống trì trạng thái CPU cách lưu giữ nội dung ghi, đếm chương trình (program counter - PC) địa lệnh bị ngắt Xác định loại ngắt xuất có hành động tương ứng Chương trình phục vụ ngắt (interrupt service routine) chịu trách nhiệm thực ngắt, CPU dành cho xử lý ngắt Sau phục vụ ngắt, khôi phục lại ngữ cảnh trước ngắt Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.1 Hoạt động hệ thống máy tính(5): Q trình Xử lý ngắt User Program Interrupt vector table 0 … i 21 … 00ffe23f 00ffe23f … interrupt 0x21 routine ret int 0x21 i+1 N ffffffff M Interrupt handler Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.2 Các chế I/O(1)  Cơ chế Polling (xoay vòng):    CPU hỏi (hoặc xoay vòng) thiết bị I/O để xác định xem thiết bị có yêu cầu trao đổi tt Chương trình điều khiển I/O viết sẵn Hoạt động: liệu trao đổi thông qua I/O Port  CPU ghi byte liệu vào ghi liệu, thiết lập bit ghi điều khiển để báo hiệu cho module điều khiển I/O  Module điều khiển I/O đọc byte liệu, xoá bit thiết lập ghi điều khiển, CPU tiếp tục gửi byte  Module điều khiển I/O không gây ngắt xong việc -> CPU phải dùng chế xoay vòng để kiểm tra trạng thái thiết bị Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 1.2 Các chế I/O(2)  Cơ chế I/O sử dụng ngắt    CPU không thực Polling mà thiết bị I/O chủ động kích hoạt trình Thiết bị I/O gây ngắt có u cầu thực trình I/O Trong thực I/O, CPU thực q trình khác Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 10 2.3 Các thành phần hệ điều hành   Điều phối hoạt động: Quản lý tiến trình (Process Management ) Thành phần quản lý phân phối tài nguyên:        Quản lý nhớ (Main Memory Management) Quản lý File (File Management) Quản lý hệ thống vào-ra (I/O System Management) Quản lý nhớ thứ cấp (Secondary Storage Management) Hoạt động mạng (Networking) Hệ thống bảo vệ (Protection System) Hệ thống thông dịch lệnh (Command-Interpreter System) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 30 2.3.1 Process Management   Các chương trình thực theo tiến trình để hồn thành cơng việc HĐH chịu trách nhiệm việc quản lý tiến trình:    Tạo xố process người sử dụng hệ thống Tạm ngừng tiếp tục lại process Cung cấp chế cho:   Sự đồng hoá process Sự giao tiếp process Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 31 2.3.2 Main Memory Management  Bộ nhớ mảng lớn từ nhớ byte có địa riêng    Main memory thiết bị lưu trữ tạm   Chứa liệu truy nhập nhanh chóng Được chia sẻ CPU thiết bị vào-ra Mất nội dung bên hệ thống ngừng hoạt động Hoạt động quản lý nhớ HĐH:    Lưu lại dấu vết phần nhớ sử dụng đuợc sử dụng tiến trình Quyết định xem tiến trình nạp có nhớ trống Phân phối thu hồi nhớ cho tiến trình Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 32 2.3.3 File Management    Một file tập hợp thông tin liên quan tổ chức cách lôgic, lưu trữ thiết bị nhớ phụ Thông thường, file đại diện cho liệu chương trình (cả source, data object forms) HĐH chịu trách nhiệm hoạt động sau nối kết với file management:      Tạo xoá file Tổ chức file (Tạo xoá thư mục) Hỗ trợ từ gốc (primitive) việc thao tác với file thư mục (read/write) Ánh xạ file vào nhớ thứ cấp Backup file phương tiện lưu trữ ổn định Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 33 2.3.4 I/O System Management     Một chức hệ điều hành quản lý tất thiết bị I/O HĐH phải thị điều khiển thiết bị, kiểm soát ngắt lỗi HĐH phải cung cấp cách giao tiếp đơn giản tiện dụng thiết bị phần lại hệ thống giao tiếp phải độc lập với thiết bị Hệ thống vào-ra bao gồm:     Một thành phần quản lý nhớ I/O Một giao diện device-driver chung Các driver cho thiết bị phần cứng riêng biệt Chỉ device driver biết tính chất đặc biệt thiết bị mà điều khiển Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 34 2.3.5 Secondary-Storage Management  Dữ liệu nhớ (primary storage):     Tạm thời, dung lượng nhỏ Để lưu trữ lâu dài, dung lượng lớn -> sử dụng nhớ thứ cấp (secondary storage) để back up nhớ Hầu hết hệ thống máy tính đại sử dụng ổ đĩa phương tiện lưu trữ trực tuyến sở cho chương trình liệu HĐH chịu trách nhiệm hoạt động sau nối kết với disk management:    Quản lý vùng nhớ tự Phân phối nhớ Lập lịch ổ đĩa (Disk scheduling) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 35 2.3.6 Nhân Hệ điều hành (Kernel)   Hệ điều hành có dung lượng lớn => khơng thể đưa tất vào nhớ Các ctr hệ điều hành phân thành loại:    Nhân HĐH: gồm ctr tồn nhớ để điều khiển máy tính làm việc Các ctr nạp vào nhớ cần thiết Theo chức Nhân HĐH thường bao gồm nhóm ctr:     Module ctr tải(loader) có chức đưa ctr vào nhớ cho phép ctr tải nhận điều khiển hay khơng Module ctr điều phối chính: đảm nhận việc lựa chọn bước làm việc toàn hệ thống Module ctr lập lịch: chọn tiến trình làm việc Các thơng tin hệ thống(các tham số hệ thống) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 36 2.4 Các dịch vụ hệ điều hành      Thực chương trình (Program execution) – khả hệ thống để nạp chương trình vào nhớ chạy Thực vào-ra (I/O operations) – chương trình người sử dụng thực trực tiếp hoạt động vào/ra, HĐH phải cung cấp số phương pháp để thực vào/ra Thao tác với hệ thống file (File-system manipulation) – khả chương trình để đọc, ghi, tạo, xoá file Giao tiếp (Communications) – trao đổi thơng tin tiến trình thực máy tính hệ thống khác nối mạng Việc thực thông qua nhớ chia sẻ (shared memory) chuyển thông điệp (message passing) Phát lỗi (Error detection) – bảo đảm việc tính tốn đắn cách phát lỗi CPU nhớ, thiết bị vào-ra, chương trình người sử dụng Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 37 2.4.1 Các chức mở rộng HĐH  Các chức cộng thêm tồn để giúp người sử dụng mà để đảm bảo cho hoạt động hệ thống hiệu    Resource allocation – phân phối tài nguyên cho nhiều người sử dụng cho nhiều công việc chạy lúc Accounting – theo dõi ghi lại loại tài nguyên thời gian sử dụng (tài nguyên) user nhằm mục đích thống kê Protection – đảm bảo kiểm sốt tất truy nhập tới tài nguyên hệ thống Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 38 2.5 System Calls(1)  System calls cung cấp giao diện tiến trình HĐH     Mục đích yêu cầu sử dụng dịch vụ HĐH Thường câu lệnh viết ngôn ngữ assembly Các ngôn ngữ bậc cao (vd: C, C++) thay ngơn ngữ assembly phép việc lập trình hệ thống tạo trực tiếp system call Ba phương thức chung sử dụng để truyền tham số tiến trình HĐH    Truyền tham số ghi Chứa tham số bảng tham số nhớ, địa bảng truyền tham số ghi Đẩy (push, store) tham số vào stack chương trình, lấy khỏi stack (pop) HĐH Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 39 2.3 System Calls(2): Phân loại  Điều khiển tiến trình (Process control)       Kết thúc, bỏ dở (abort) Nạp, thực Tạo, kết thúc tiến trình Lấy/ thiết lập thuộc tính tiến trình chờ đợi Đợi kiện, báo hiệu kiện Phân phối giải phóng nhớ Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 40 2.3 System Calls(3): Phân loại  Quản lý file (File management)      Tạo file, xóa file Mở, đóng Đọc, ghi, định vị Lấy/ thiết lập thuộc tính file Quản lý thiết bị (Device management)     Yêu cầu thiết bị, giải phóng thiết bị Đọc, ghi, định vị Lấy/ thiết lập thuộc tính thiết bị Gắn kết (attack), tháo gỡ (detach) mức logic thiết bị Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 41 2.3 System Calls(4): Phân loại  Duy trì thơng tin (Information maintenance)     Lấy/ thiết lập ngày Lấy/ thiết lập liệu hệ thống Lấy/ thiết lập thuộc tính tiến trình, file, thiết bị Giao tiếp (Communications)     Tạo, xóa kết nối giao tiếp Gửi, nhận thông điệp Truyền lại thông tin trạng thái Gắn kết, tháo gỡ logic thiết bị xa (remote device) Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 42 2.3 System Calls(5): Phương thức giao tiếp  Sự giao tiếp thực cách sử dụng phương thức: message passing shared memory Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 43 Q&A Jul 4, 2014 HuongPv - Khoa CNTT - 44 ...Nội dung  Cấu trúc Hệ thống  Tổng quan Hệ điều hành Jul 4, 2 014 HuongPv - Khoa CNTT - Kiến trúc hệ thống  Hoạt động hệ thống máy tính  Cơ chế vào-ra  Phân cấp hệ thống nhớ  Bảo vệ phần... loại:   Hệ điều hành hoạt động theo mẻ Hệ điều hành chia sẻ thời gian Jul 4, 2 014 HuongPv - Khoa CNTT - 24 2.2 Phân loại Hệ điều hành( 3)  Hệ điều hành đa chương trình(tiếp)  Hệ điều hành hoạt... dung lượng Jul 4, 2 014 HuongPv - Khoa CNTT - 25 2.2 Phân loại Hệ điều hành( 4)  Hệ điều hành đa chương trình(tiếp)  Hệ điều hành phân chia thời gian:      Điển hình hệ điều hành đa người dùng