Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH

I

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau:

o Hiểu vai trò của hệ điều hành trong hệ thống máy tính

o Biết các giai đoạn phát triển của hệ điều hành

o Hiểu sự khác biệt của các hệ điều hành qua từng giai đoạn

o Hiểu cách giải quyết các vấn đề phát sinh trong từng hệ điều hành

II Giới thiệu

Hệ điều hành là một chương trình quản lý phần cứng máy tính. Nó cung cấp nền

tảng cho các chương trình ứng dụng và đóng vai trò trung gian giao tiếp giữa người

dùng máy tính và phần cứng của máy tính đó. Hệ điều hành thiết lập cho các tác vụ

này rất đa dạng. Một vài hệ điều hành thiết kế tiện dụng trong khi một số khác thiết kế

hiệu quả hoặc kết hợp cả hai.

Để hiểu hệ điều hành là gì, trước hết chúng ta phải hiểu chúng được phát triển

như thế nào. Trong chương này chúng ta điểm lại sự phát triển của hệ điều hành từ

những hệ thử nghiệm đầu tiên tới những hệ đa chương và chia thời. Thông qua những

giai đoạn khác nhau chúng ta sẽ thấy cách thức mà những thành phần của hệ điều

hành được cải tiến như những giải pháp tự nhiên cho những vấn đề trong những hệ

thống máy tính ban đầu. Xem xét những lý do phía sau sự phát triển của hệ điều hành

cho chúng ta một đánh giá về những tác vụ gì hệ điều hành làm và cách hệ điều hành

thực hiện chúng.

III Hệ điều hành là gì?

Một hệ điều hành là một thành phần quan trọng của mọi hệ thống máy tính. Một hệ

thống máy tính có thể được chia thành bốn thành phần: phần cứng, hệ điều hành, các

chương trình ứng dụng và người dùng.

o Phần cứng (Hardware): bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, thiết

bị xuất/nhập,..cung cấp tài nguyên cơ bản cho hệ thống.

o Các chương trình ứng dụng (application programs): trình biên dịch

(compiler), trình soạn thảo văn bản (text editor), hệ cơ sở dữ liệu (database

system), trình duyệt Web,..định nghĩa cách mà trong đó các tài nguyên

được sử dụng để giải quyết yêu cầu của người dùng.

o Người dùng (user): có nhiều loại người dùng khác nhau, thực hiện những

yêu cầu khác nhau, do đó sẽ có nhiều ứng dụng khác nhau.

o Hệ điều hành (operating system): hay còn gọi là chương trình hệ thống,

điều khiển và hợp tác việc sử dụng phần cứng giữa những chương trình

ứng dụng khác nhau cho những người dùng khác nhau. Hệ điều hành có

thể được khám phá từ hai phía: người dùng và hệ thống.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 1

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

...

UserN

User1

User2

...

compliler

text editor

database

t

System and Application Programs

Operating System

Hardware

Hình 0-1 Tầm nhìn trừu tượng các thành phần của một hệ thống máy tính

III.1 Tầm nhìn người dùng

Tầm nhìn người dùng của máy tính rất đa dạng bởi giao diện được dùng. Hầu

hết những người dùng máy tính ngồi trước máy tính cá nhân gồm có màn hình, bàn

phím, chuột và bộ xử lý hệ thống (system unit). Một hệ thống như thế được thiết kế

cho một người dùng độc quyền sử dụng tài nguyên của nó để tối ưu hoá công việc mà

người dùng đang thực hiện. Trong trường hợp này, hệ điều hành được thiết kế dễ dàng

cho việc sử dụng với sự quan tâm về năng lực nhưng không quan tới việc sử dụng tài

nguyên. Năng lực thực hiện là quan trọng với người dùng nhưng không là vấn đề nếu

hầu hết hệ thống đang rãnh, chờ tốc độ xuất/nhập chậm từ phía người dùng.

Vài người dùng ngồi tại thiết bị đầu cuối (terminal) được nối kết tới máy tính

lớn (mainframe) hay máy tính tầm trung (minicomputer). Những người khác đang

truy xuất cùng máy tính thông qua các thiết bị đầu cuối khác. Những người dùng này

chia sẻ các tài nguyên và có thể trao đổi thông tin. Hệ điều hành được thiết kế để tối

ưu hoá việc sử dụng tài nguyên-để đảm bảo rằng tất cả thời gian sẳn dùng của CPU,

bộ nhớ và thiết bị xuất nhập được sử dụng hữu hiệu và không cá nhân người dùng sử

dụng độc quyền tài nguyên hơn là chia sẻ công bằng.

Những người dùng khác ngồi tại trạm làm việc, được nối kết tới mạng của các

trạm làm việc khác và máy chủ. Những người dùng này có tài nguyên tận hiến là trạm

làm việc của mình nhưng họ cũng chia sẻ các tài nguyên trên mạng và các máy chủ-

tập tin, tính toán và các máy phục vụ in. Do đó, hệ điều hành của họ được thiết kế để

thoả hiệp giữa khả năng sử dụng cá nhân và việc tận dụng tài nguyên.

Gần đây, sự đa dạng của máy tính xách tay trở thành thời trang cho những

người làm việc trong lãnh vực công nghệ thông tin. Các thiết bị này được sử dụng chỉ

bởi cá nhân người dùng. Một vài máy tính này được nối mạng hoặc nối trực tiếp bằng

dây hay thông qua các modem không dây. Do sự giới hạn về năng lượng (điện) và

giao diện, chúng thực hiện tương đối ít các thao tác ở xa. Hệ điều hành được thiết kế

chủ yếu cho việc sử dụng cá nhân nhưng năng lực thực hiện trên thời gian sống của

pin cũng là yếu tố quan trọng.

Một số máy tính có rất ít hay không có tầm nhìn người dùng. Thí dụ, các máy

tính được nhúng vào các thiết bị gia đình và xe ôtô có thể có một bảng số và các đèn

hiển thị trạng thái mở, tắt nhưng hầu hết chúng và các hệ điều hành được thiết kế để

chạy mà không cần giao tiếp.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 2

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

III.2 Tầm nhìn hệ thống

Từ quan điểm của máy tính, hệ điều hành là chương trình gần gủi với phần

cứng. Chúng ta có thể thấy một hệ điều hành như bộ cấp phát tài nguyên. Hệ thống

máy tính có nhiều tài nguyên - phần cứng và phần mềm - mà có thể được yêu cầu để

giải quyết một vấn đề: thời gian CPU, không gian bộ nhớ, không gian lưu trữ tập tin,

các thiết bị xuất/nhập,..Hệ điều hành hoạt động như bộ quản lý tài nguyên. Đương đầu

với một lượng lớn các yêu cầu có thể xung đột về tài nguyên, hệ điều hành phải quyết

định cách cấp phát tài nguyên tới những chương trình cụ thể và người dùng để có thể

điều hành hệ thống máy tính hữu hiệu và công bằng.

Một tầm nhìn khác của hệ điều hành nhấn mạnh sự cần thiết để điều khiển các

thiết bị xuất/nhập khác nhau và chương trình người dùng. Một hệ điều hành là một

chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển quản lý sự thực thi của các chương

trình người dùng để ngăn chặn lỗi và việc sử dụng không hợp lý máy tính. Nó đặc biệt

quan tâm với những thao tác và điều khiển các thiết bị nhập/xuất.

Nhìn chung, không có định nghĩa hoàn toàn đầy đủ về hệ điều hành. Các hệ

điều hành tồn tại vì chúng là cách hợp lý để giải quyết vấn đề tạo ra một hệ thống máy

tính có thể sử dụng. Mục tiêu cơ bản của hệ thống máy tính là thực thi chương trình

người dùng và giải quyết vấn đề người dùng dễ dàng hơn. Hướng đến mục tiêu này,

phần cứng máy tính được xây dựng. Tuy nhiên, chỉ đơn thuần là phần cứng thì không

dễ sử dụng và phát triển các chương trình ứng dụng. Các chương trình khác nhau này

đòi hỏi những thao tác chung nào đó, chẳng hạn như điều khiển thiết bị xuất/nhập.

Sau đó, những chức năng chung về điều khiển và cấp phát tài nguyên được đặt lại với

nhau vào một bộ phận phần mềm gọi là hệ điều hành.

Cũng không có định nghĩa bao quát nào được chấp nhận để xác định phần gì

thuộc về hệ điều hành, phần gì không. Một quan điểm đơn giản là mọi thứ liên quan

khi chúng ta ra lệnh hệ điều hành nên được xem xét. Tuy nhiên, những yêu cầu về bộ

nhớ và những đặc điểm bên trong rất khác nhau trong từng hệ thống. Một định nghĩa

bao quát hơn về hệ điều hành là một chương trình chạy liên tục trên máy tính (thường

gọi là nhân kernel), những chương trình còn lại thuộc về chương trình ứng dụng.

III.3 Mục tiêu hệ thống

Định nghĩa những gì hệ điều hành làm thì dễ hơn xác định hệ điều hành là gì.

Mục đích chính của hệ điều hành là dễ dàng sử dụng. Vì sự tồn tại của hệ điều hành

hỗ trợ nhiều cho máy tính trong việc đáp ứng các ứng dụng của người dùng. Tầm nhìn

này đặc biệt rõ ràng hơn khi nhìn hệ điều hành trên các máy tính cá nhân.

Mục tiêu thứ hai của hệ điều hành là điều hành hữu hiện hệ thống máy tính.

Mục tiêu này đặc biệt quan trọng cho các hệ thống lớn, được chia sẻ, nhiều người

dùng. Những hệ thống tiêu biểu này khá đắt, khai thác hiệu quả nhất các hệ thống này

luôn là điều mong muốn. Tuy nhiên, hai mục tiêu tiện dụng và hữu hiệu đôi khi mâu

thuẫn nhau. Trong quá khứ, xem xét tính hữu hiệu thường quan trọng hơn tính tiện

dụng. Do đó, lý thuyết hệ điều hành tập trung nhiều vào việc tối ưu hoá sử dụng tài

nguyên tính toán. Hệ điều hành cũng phát triển dần theo thời gian. Thí dụ, UNIX bắt

đầu với bàn phím và máy in như giao diện của nó giới hạn tính tiện dụng đối với

người dùng. Qua thời gian, phần cứng thay đổi và UNIX được gắn vào phần cứng mới

với giao diện thân thiện với người dùng hơn. Nhiều giao diện người dùng đồ hoạ

GUIs (graphical user interfaces) được bổ sung cho phép tiện dụng hơn với người dùng

trong khi vẫn quan tâm tính hiệu quả.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 3

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

Thiết kế hệ điều hành là một công việc phức tạp. Người thiết kế gặp phải

nhiều sự thoả hiệp trong thiết kế và cài đặt. Nhiều người tham gia không chỉ mang

đến hệ điều hành những lợi điểm mà còn liên tục xem xét và nâng cấp.

Để thấy rõ những hệ điều hành là gì và những gì hệ điều hành làm, chúng ta xem xét

cách chúng phát triển trong bốn mươi lăm năm qua. Bằng cách lần theo sự tiến triển,

chúng ta có thể xác định những thành phần của hệ điều hành và thấy cách thức và lý

do hệ điều hành phát triển như chúng có.

Hệ điều hành và kiến trúc máy tính có mối quan hệ khăng khít nhau. Để dễ

dàng sử dụng phần cứng, hệ điều hành được phát triển. Sau đó, các người dùng hệ

điều hành đề nghị những chuyển đổi trong thiết kế phần cứng để đơn giản chúng.

Nhìn lại lịch sử ngắn ngủi này, chú trọng cách giải quyết những vấn đề về hệ điều

hành để giới thiệu những đặc điểm phần cứng.

IV Hệ thống mainframe

Những hệ thống máy tính mainframe là những máy tính đầu tiên được dùng để

xử lý ứng dụng thương mại và khoa học. Trong phần này, chúng ta lần theo sự phát

triển của hệ thống mainframe từ các hệ thống bó (batch systems), ở đó máy tính chỉ

chạy một-và chỉ một -ứng dụng, tới các hệ chia sẻ thời gian (time-shared systems), mà

cho phép người dùng giao tiếp với hệ thống máy tính.

IV.1 Hệ thống bó

Những máy tính thời kỳ đầu là những máy cực lớn chạy từ một thiết bị cuối

(console). Những thiết bị nhập thường là những bộ đọc thẻ và các ổ đĩa băng từ. Các

thiết bị xuất thông thường thường là những máy in dòng (line printers), các ổ đĩa từ và

các phiếu đục lỗ. Người dùng không giao tiếp trực tiếp với các hệ thống máy tính.

Thay vào đó, người dùng chuẩn bị một công việc- chứa chương trình, dữ liệu và các

thông tin điều khiển về tính tự nhiên của công việc-và gởi nó đến người điều hành

máy tính. Công việc này thường được thực hiện trong các phiếu đục lỗ. Tại những

thời điểm sau đó (sau vài phút, giờ hay ngày), dữ liệu xuất xuất hiện. Dữ liệu xuất

chứa kết quả chương trình cũng như kết xuất bộ nhớ cuối cùng và nội dung các thanh

ghi cho việc gở rối.

Hệ điều hành trong các máy tính thời kỳ đầu này tương đối đơn giản. Tác vụ

chính là chuyển điều khiển tự động từ một công việc này sang công việc khác. Hệ

điều hành luôn được thường trú trong bộ nhớ.

Hệ điều hành

Vùng chương

trình người

dùng

Hình 0-2 Sắp xếp bộ nhớ cho một hệ thống bó đơn giản

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 4

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

Để tăng tốc việc xử lý, người điều hành bó các công việc có cùng yêu cầu và

chạy chúng thông qua máy tính như một nhóm. Do đó, các lập trình viên sẽ đưa

chương trình của họ cho người điều hành. Người điều hành sẽ sắp xếp chương trình

thành những bó với cùng yêu cầu và khi máy tính sẳn dùng sẽ chạy mỗi bó này. Dữ

liệu xuất từ mỗi công việc sẽ gởi lại cho lập trình viên tương ứng.

Trong môi trường thực thi này, CPU luôn rảnh vì tốc độ của các thiết bị

xuất/nhập dạng cơ thực chất chậm hơn tốc độ của các thiết bị điện. Ngay cả một CPU

chậm (với hàng ngàn chỉ thị lệnh được thực thi trên giây) cũng chỉ làm việc trong vài

phần trăm giây. Thêm vào đó, một bộ đọc thẻ nhanh có thể đọc 1200 thẻ trong thời

gian 1 phút (hay 20 thẻ trên giây). Do đó, sự khác biệt giữa tốc độ CPU và thiết bị

xuất/nhập của nó có thể là 3 lần hay nhiều hơn. Dĩ nhiên theo thời gian, sự tiến bộ

trong công nghệ dẫn đến sự ra đời những thiết bị nhập/xuất nhanh hơn. Tuy nhiên, tốc

độ CPU tăng tới một tỷ lệ lớn hơn vì thế vấn đề không những không được giải quyết

mà còn làm tăng.

Giới thiệu công nghệ đĩa cho phép hệ điều hành giữ tất cả công việc trên một

đĩa hơn trong một bộ đọc thẻ tuần tự. Với việc truy xuất trực tiếp tới nhiều công việc,

hệ điều hành có thể thực hiện định thời công việc, để sử dụng tài nguyên và thực hiện

các tác vụ hữu hiệu.

IV.2 Hệ đa chương

Một khía cạnh quan trọng nhất của định thời công việc là khả năng đa chương.

Thông thường, một người dùng giữ CPU hay các thiết bị xuất/nhập luôn bận. Đa

chương gia tăng khả năng sử dụng CPU bằng cách tổ chức các công việc để CPU luôn

có một công việc để thực thi.

Ý tưởng của kỹ thuật đa chương có thể minh hoạ như sau: Hệ điều hành giữ

nhiều công việc trong bộ nhớ tại một thời điểm. Tập hợp các công việc này là tập con

của các công việc được giữ trong vùng công việc-bởi vì số lượng các công việc có thể

được giữ cùng lúc trong bộ nhớ thường nhỏ hơn số công việc có thể có trong vùng

đệm. Hệ điều hành sẽ lấy và bắt đầu thực thi một trong các công việc có trong bộ nhớ.

Cuối cùng, công việc phải chờ một vài tác vụ như một thao tác xuất/nhập để hoàn

thành. Trong hệ thống đơn chương, CPU sẽ chờ ở trạng thái rỗi. Trong hệ thống đa

chương, hệ điều hành sẽ chuyển sang thực thi công việc khác. Cuối cùng, công việc

đầu tiên kết thúc việc chờ và nhận CPU trở lại. Chỉ cần ít nhất một công việc cần thực

thi, CPU sẽ không bao giờ ở trạng thái rỗi.

0

Hệ điều hành

Công việc 1

Công việc 2

Công việc 3

Công việc 4

512K

Hình 0-3 Sắp xếp bộ nhớ cho hệ đa chương

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 5

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

Đa chương là một trường hợp đầu tiên khi hệ điều hành phải thực hiện quyết định cho

những người dùng. Do đó, hệ điều hành đa chương tương đối tinh vi. Tất cả công việc

đưa vào hệ thống được giữ trong vùng công việc. Vùng này chứa tất cả quá trình định

vị trên đĩa chờ được cấp phát bộ nhớ chính. Nếu nhiều công việc sẳn sàng được mang

vào bộ nhớ và nếu không đủ không gian cho tất cả thì hệ điều hành phải chọn một

trong chúng. Khi hệ điều hành chọn một công việc từ vùng công việc, nó nạp công

việc đó vào bộ nhớ để thực thi. Có nhiều chương trình trong bộ nhớ tại cùng thời điểm

yêu cầu phải có sự quản lý bộ nhớ. Ngoài ra, nếu nhiều công việc sẳn sàng chạy cùng

thời điểm, hệ thống phải chọn một trong chúng. Thực hiện quyết định này là định thời

CPU. Cuối cùng, nhiều công việc chạy đồng hành đòi hỏi hoạt động của chúng có thể

ảnh hưởng tới một công việc khác thì bị hạn chế trong tất cả giai đoạn của hệ điều

hành bao gồm định thời quá trình, lưu trữ đĩa, quản lý bộ nhớ.

IV.3 Hệ chia thời

Hệ thống bó-đa chương cung cấp một môi trường nơi mà nhiều tài nguyên

khác nhau (chẳng hạn như CPU, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi) được sử dụng hiệu quả.

Tuy nhiên, nó không cung cấp giao tiếp người dùng với hệ thống máy tính. Chia thời

(hay đa nhiệm) là sự mở rộng luận lý của đa chương. CPU thực thi nhiều công việc

bằng cách chuyển đổi qua lại giữa chúng, nhưng những chuyển đổi xảy ra quá thường

xuyên để người dùng có thể giao tiếp với mỗi chương trình trong khi chạy.

Một hệ thống máy tính giao tiếp (interactive computer) hay thực hành (hands-

on computer system) cung cấp giao tiếp trực tuyến giữa người dùng và hệ thống.

Người dùng cho những chỉ thị tới hệ điều hành hay trực tiếp tới một chương trình, sử

dụng bàn phím hay chuột và chờ nhận kết quả tức thì. Do đó, thời gian đáp ứng nên

ngắn-điển hình trong phạm vi 1 giây hay ít hơn.

Một hệ thống chia thời cho phép nhiều người dùng chia sẻ máy tính cùng một

thời điểm. Vì mỗi hoạt động hay lệnh trong hệ chia thời được phục vụ ngắn, chỉ một ít

thời gian CPU được yêu cầu cho mỗi người dùng. Khi hệ thống nhanh chóng chuyển

từ một người dùng này sang người dùng kế, mỗi người dùng được cho cảm giác rằng

toàn bộ hệ thống máy tính được tận hiến cho mình, nhưng thật sự máy tính đó đang

được chia sẻ cho nhiều người dùng.

Một hệ điều hành chia thời sử dụng định thời CPU và đa chương để cung cấp

mỗi người dùng với một phần nhỏ của máy tính chia thời. Mỗi người dùng có ít nhất

một chương trình riêng trong bộ nhớ. Một chương trình được nạp vào trong bộ nhớ và

thực thi thường được gọi là một quá trình. Khi một quá trình thực thi, điển hình nó

thực thi chỉ tại một thời điểm ngắn trước khi nó kết thúc hay cần thực hiện xuất/nhập.

Xuất/nhập có thể được giao tiếp; nghĩa là dữ liệu xuất hiển thị trên màn hình cho

người dùng và dữ liệu nhập từ bàn phím, chuột hay thiết bị khác. Vì giao tiếp

xuất/nhập chủ yếu chạy ở "tốc độ người dùng", nó có thể mất một khoảng thời gian

dài để hoàn thành. Thí dụ, dữ liệu nhập có thể bị giới hạn bởi tốc độ nhập của người

dùng; 7 ký tự trên giây là nhanh đối với người dùng, nhưng quá chậm so với máy tính.

Thay vì để CPU rảnh khi người dùng nhập liệu, hệ điều hành sẽ nhanh chóng chuyển

CPU tới một chương trình khác.

Hệ điều hành chia thời phức tạp hơn nhiều so với hệ điều hành đa chương.

Trong cả hai dạng, nhiều công việc được giữ cùng lúc trong bộ nhớ vì thế hệ thống

phải có cơ chế quản lý bộ nhớ và bảo vệ. Để đạt được thời gian đáp ứng hợp lý, các

công việc có thể được hoán vị vào ra bộ nhớ chính. Một phương pháp chung để đạt

mục tiêu này là bộ nhớ ảo, là kỹ thuật cho phép việc thực thi của một công việc có thể

không hoàn toàn ở trong bộ nhớ. Ưu điểm chính của cơ chế bộ nhớ ảo là các chương

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 6

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

trình có thể lớn hơn bộ nhớ vật lý. Ngoài ra, nó trừu tượng hoá bộ nhớ chính thành

mảng lưu trữ lớn và đồng nhất, chia bộ nhớ luận lý như được thấy bởi người dùng từ

bộ nhớ vật lý. Sự sắp xếp này giải phóng lập trình viên quan tâm đến giới hạn lưu trữ

của bộ nhớ.

Các hệ chia thời cũng phải cung cấp một hệ thống tập tin. Hệ thống tập tin

định vị trên một tập hợp đĩa; do đó quản lý đĩa phải được cung cấp. Hệ chia thời cũng

cung cấp cơ chế cho việc thực thi đồng hành, yêu cầu cơ chế định thời CPU tinh vi.

Để đảm bảo thứ tự thực thi, hệ thống phải cung cấp các cơ chế cho việc đồng bộ hoá

và giao tiếp công việc, và có thể đảm bảo rằng các công việc không bị deadlock, chờ

đợi công việc khác mãi mãi.

Ý tưởng chia thời được giới thiệu trong những năm 1960, nhưng vì hệ chia

thời là phức tạp và rất đắt để xây dựng, chúng không phổ biến cho tới những năm

1970. Mặc dù xử lý theo bó vẫn được thực hiện nhưng hầu hết hệ thống ngày nay là

chia thời. Do đó, đa chương và chia thời là những chủ đế trung tâm của hệ điều hành

hiện đại và chúng là chủ đề trọng tâm của giáo trình này.

V Hệ để bàn (Desktop system)

Máy tính cá nhân (PC) xuất hiện vào những năm 1970. Trong suốt thập niên

đầu, CPU trong PC thiếu các đặc điểm cần thiết để bảo vệ hệ điều hành từ chương

trình người dùng. Do đó, các hệ điều hành PC không là đa người dùng hoặc đa nhiệm.

Tuy nhiên, các mục tiêu của hệ điều hành này thay đổi theo thời gian; thay vì tối ưu

hoá việc sử dụng CPU và thiết bị ngoại vi, các hệ thống chọn lựa tối ưu hoá sự tiện

dụng và đáp ứng người dùng. Các hệ thống này gồm các PC chạy các hệ điều hành

Microsoft Windows và Apple Macintosh. Hệ điều hành MS-DOS từ Microsoft được

thay thế bằng nhiều ấn bản của Microsoft Windows và IBM đã nâng cấp MS-DOS

thành hệ đa nhiệm OS/2. Hệ điều hành Apple Macintosh được gắn nhiều phần cứng

hiện đại hơn và ngày nay chứa nhiều đặc điểm mới như bộ nhớ ảo và đa nhiệm. Với

sự phát hành MacOS X, lõi của hệ điều hành ngày nay dựa trên Mach và FreeBSD

UNIX cho sự mở rộng, năng lực và đặc điểm nhưng nó vẫn giữ lại giao diện đồ hoạ

người dùng GUI. LINUX, một hệ điều hành tương tự như UNIX sẳn dùng cho máy

PC trở nên phổ biến gần đây.

Hệ điều hành cho các máy tính này có những thuận lợi trong nhiều cách từ sự

phát triển của hệ điều hành cho mainframes. Máy vi tính (microcomputer) lập tức có

thể được chấp nhận một số công nghệ được phát triển cho hệ điều hành lớn hơn.

Thêm vào đó, chi phí phần cứng cho máy vi tính đủ thấp để các cá nhân có thể một

mình sử dụng máy tính, và sử dụng CPU không còn quan trọng nữa. Do đó, những

quyết định thiết kế được thực hiện trong hệ điều hành cho mainframes có thể không

hợp lý cho các hệ thống nhỏ hơn.

Những quyết định thiết kế khác vẫn được áp dụng. Thí dụ, trước hết bảo vệ hệ

thống tập tin không cần thiết trên máy cá nhân. Tuy nhiên, hiện nay các máy tính này

thường được nối vào các máy tính khác qua mạng cục bộ hay Internet. Khi những

máy tính khác và người dùng khác có thể truy xuất các tập tin này trên một PC, bảo vệ

tập tin một lần nữa cũng trở thành một đặc điểm cần thiết của hệ điều hành. Sự thiếu

bảo vệ tạo điều kiện dễ dàng cho những chương trình hiểm phá huỷ dữ liệu trên

những hệ thống như MS-DOS và hệ điều hành Macintosh. Các chương trình này có

thể tự nhân bản và phát tán nhanh chóng bằng cơ chế worm hay virus và làm tê liệt

mạng của các công ty hay thậm chí mạng toàn cầu. Đặc điểm chia thời được cải tiến

như bộ nhớ bảo vệ và quyền tập tin là chưa đủ để bảo vệ một hệ thống từ sự tấn công.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 7

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

VI Hệ đa xử lý

Hầu hết các hệ thống ngày nay là các hệ thống đơn xử lý; nghĩa là chỉ có một

CPU chính. Tuy nhiên, các hệ thống đa xử lý (hay còn gọi là hệ song song hay hệ kết

nối chặt) được phát triển rất quan trọng. Các hệ thống như thế có nhiều hơn một bộ xử

lý trong giao tiếp gần, chia sẻ bus máy tính, đồng hồ, đôi khi còn là bộ nhớ hay thiết

bị ngoại vi.

Hệ thống đa xử lý có ba ưu điểm chính:

o Thông lượng được gia tăng: bằng cách tăng số lượng bộ xử lý, chúng ta

hy vọng thực hiện nhiều công việc hơn với thời gian ít hơn. Tỉ lệ giữa sự

tăng tốc với N bộ xử lý không là N; đúng hơn nó nhỏ hơn N. Trong khi

nhiều bộ xử lý cộng tác trên một công việc, một lượng chi phí phải chịu

trong việc giữ các thành phần làm việc phù hợp. Chi phí này cộng với chi

phí cạnh tranh tài nguyên được chia sẻ, làm giảm kết quả được mong đợi

từ những bộ xử lý bổ sung. Tương tự như một nhóm gồm N lập trình viên

làm việc với nhau không dẫn đến kết quả công việc đang đạt được tăng N

lần.

o Tính kinh tế của việc mở rộng: hệ thống đa xử lý có thể tiết kiệm nhiều

chi phí hơn hệ thống đơn bộ xử lý, bởi vì chúng có thể chia sẻ ngoại vi,

thiết bị lưu trữ và điện. Nếu nhiều chương trình điều hành trên cùng tập

hợp dữ liệu thì lưu trữ dữ liệu đó trên một đĩa và tất cả bộ xử lý chia sẻ

chúng sẽ rẻ hơn là có nhiều máy tính với đĩa cục bộ và nhiều bản sao dữ

liệu.

o Khả năng tin cậy được gia tăng: nếu các chức năng được phân bổ hợp lý

giữa các bộ xử lý thì lỗi trên một bộ xử lý sẽ không dừng hệ thống, chỉ

năng lực bị giảm. Nếu chúng ta có 10 bộ xử lý và có 1 bộ xử lý bị sự cố thì

mỗi bộ xử lý trong 9 bộ xử lý còn lại phải chia sẻ của công việc của bộ xử

lý bị lỗi. Do đó, toàn bộ hệ thống chỉ giảm 10% năng lực hơn là dừng hoạt

động. Các hệ thống được thiết kế như thế được gọi là hệ thống có khả năng

chịu lỗi (fault tolerant).

Việc điều hành vẫn tiếp tục trong sự hiện diện của lỗi yêu cầu một cơ chế cho

phép lỗi được phát hiện, chuẩn đoán và sửa lỗi nếu có thể. Hệ thống Tandem sử dụng

sự nhân đôi phần cứng và phần mềm để đảm bảo sự điều hành vẫn tiếp tục mặc dù có

lỗi xảy ra. Hệ thống này chứa hai bộ xử lý, mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các

bộ xử lý được nối kết bởi một bus. Một bộ xử lý chính và bộ xử lý kia là dự phòng.

Cả hai bản sao được giữ ở mỗi bộ xử lý: một là chính và một là dự phòng. Tại các

điểm kiểm tra (checkpoints) trong việc thực thi của hệ thống, thông tin trạng thái của

mỗi công việc-gồm một bản sao hình ảnh bộ nhớ-được chép từ máy chính tới máy dự

phòng. Nếu một lỗi được phát hiện, bản sao dự phòng được kích hoạt và được khởi

động lại từ điểm kiểm tra mới nhất. Giải pháp này đắt vì nó bao gồm việc nhân đôi

phần cứng.

Các hệ thống đa xử lý thông dụng nhất hiện nay sử dụng đa xử lý đối xứng

(symmetric multiprocessing-SMP). Trong hệ thống này mỗi bộ xử lý chạy bản sao

của hệ điều hành và những bản sao này giao tiếp với các bản sao khác khi cần. Vài hệ

thống sử dụng đa xử lý bất đối xứng (asymmetric multiprocessing). Trong hệ thống

này mỗi bộ xử lý được gán một công việc xác định. Một bộ xử lý chủ điều khiển hệ

thống; những bộ xử lý còn lại hoặc chờ bộ xử lý chủ ra chỉ thị hoặc có những tác vụ

được định nghĩa trước. Cơ chế này định nghĩa mối quan hệ chủ-tớ. Bộ xử lý chính lập

thời biểu và cấp phát công việc tới các bộ xử lý tớ.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 8

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

Đa xử lý đối xứng có nghĩa tất cả bộ xử lý là ngang hàng; không có mối quan

hệ chủ-tớ tồn tại giữa các bộ xử lý. Hình I-4 minh hoạ một kiến trúc đa xử lý đối xứng

điển hình. Một thí dụ của đa xử lý đối xứng là ấn bản của Encore của UNIX cho máy

tính Multimax. Máy tính này có thể được cấu hình như nó đang thực hiện nhiều bộ xử

lý, tất cả bộ xử lý đều chạy bản sao của UNIX. Ưu điểm của mô hình này là nhiều quá

trình có thể chạy cùng một lúc - N quá trình có thể chạy nếu có N CPU- không gây ra

sự giảm sút to lớn về năng lực. Tuy nhiên, chúng ta phải điều khiển cẩn thận

xuất/nhập để đảm bảo rằng dữ liệu dẫn tới bộ xử lý tương ứng. Vì các CPU là riêng

rẻ, một CPU có thể đang rảnh trong khi CPU khác quá tải dẫn đến việc sử dụng không

hữu hiệu tài nguyên của hệ thống. Sự không hiệu quả này có thể tránh được nếu các

bộ xử lý chia sẻ các cấu trúc dữ liệu. Một hệ thống đa xử lý của dạng này sẽ cho phép

các quá trình và tài nguyên - như bộ nhớ - được chia sẻ tự động giữa các quá trình

khác nhau và có thể làm giảm sự khác biệt giữa các bộ xử lý. Hầu như tất cả hệ điều

hành hiện đại - gồm Windows NT, Solaris, Digital UNIX, OS/2 và LINUX - hiện nay

cung cấp sự hỗ trợ đa xử lý đối xứng.

Hình 0-4 Kiến trúc đa xử lý đối xứng

Sự khác biệt giữa đa xử lý đối xứng và bất đối xứng có thể là do phần cứng

hoặc phần mềm. Phần cứng đặc biệt có thể khác nhau trên nhiều bộ xử lý, hoặc phần

mềm có thể được viết để cho phép chỉ một chủ và nhiều tớ. Thí dụ, SunOS ấn bản 4

cung cấp đa xử lý không đối xứng, ngược lại, ấn bản 5 (Solaris 2) là đối xứng trên

cùng phần cứng.

Khi các bộ vi xử lý trở nên rẻ hơn và mạnh hơn các chức năng bổ sung của hệ

điều hành là chuyển tới bộ xử lý tớ. Thí dụ, tương đối dễ để thêm bộ vi xử lý với bộ

nhớ riêng để quản lý hệ thống đĩa. Bộ vi xử lý có thể nhận một chuỗi các yêu cầu từ

bộ nhớ chính và cài đặt hàng đợi đĩa riêng và giải thuật định thời. Sự sắp xếp này làm

giảm chi phí định thời đĩa của CPU. PC chứa một bộ vi xử lý trong bàn phím để

chuyển những phím nóng thành mã để gởi tới CPU. Thực tế, việc sử dụng các bộ vi

xử lý trở nên quá phổ biến đến nổi mà đa xử lý không còn được xem xét.

VII Hệ phân tán

Một mạng, trong thuật ngữ đơn giản nhất, là một đường dẫn truyền thông giữa

hai hay nhiều hệ thống. Hệ phân tán phụ thuộc vào mạng với những khả năng của nó.

Bằng cách cho phép truyền thông, hệ phân tán có thể chia sẻ các tác vụ tính toán và

cung cấp nhiều chức năng tới người dùng.

Các mạng với sự đa dạng về giao thức được dùng, khoảng cách giữa các nút và

phương tiện truyền. TCP/IP là giao thức mạng phổ biến nhất mặc dù ATM và các

giao thức khác được sử dụng rộng rãi. Tương tự, hệ điều hành hỗ trợ sự đa dạng về

giao thức. Hầu hết các hệ điều hành hỗ trợ TCP/IP, gồm Windows và UNIX. Một số

hệ điều hành khác hỗ trợ các giao thức riêng phù hợp với yêu cầu của chúng. Đối với

một hệ điều hành, một giao thức mạng chỉ cần một thiết bị giao diện - thí dụ: một

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 9

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

card mạng-với một trình điều khiển thiết bị để quản lý nó và một phần mềm để đóng

gói dữ liệu trong giao thức giao tiếp để gởi nó và mở gói để nhận nó.

Mạng thường dựa trên các khoảng cách giữa các nút. Một mạng cục bộ (LAN-

Local Area Network) tồn tại trong phạm vi một phòng, một tầng, hay một toà nhà.

Một mạng diện rộng (Wide-Area Network) thường tồn tại giữa các toà nhà, các thành

phố, các quốc gia. Một công ty toàn cầu có thể có một mạng diện rộng để nối kết tới

các văn phòng của nó. Các mạng này có thể chạy với một hay nhiều giao thức. Sự tiến

bộ liên tục của công nghệ mới hình thành nhiều dạng mạng khác nhau. Thí dụ, mạng

đô thị (MAN-Metropolitan Area Network) cũng liên kết các toà nhà trong cùng một

thành phố. Các thiết bị BlueTooth giao tiếp qua một khoảng cách ngắn khoảng vài bộ

(feet), chủ yếu tạo ra một mạng phạm vi nhỏ (small-area network).

Các phương tiện truyền thông làm các mạng tương đối khác nhau. Chúng gồm

cáp đồng, cáp quang, truyền không dây giữa vệ tinh, các đĩa vi sóng (microware

dishes) và sóng radio. Khi các thiết bị tính toán được nối kết tới các điện thoại di

động, chúng tạo ra một mạng. Thậm chí rất nhiều giao tiếp hồng ngoại dãy ngắn có

thể được dùng cho mạng. Tại cấp độ cơ bản, bất cứ khi nào các máy tính giao tiếp

chúng sử dụng hay tạo ra một mạng. Các mạng này cũng rất khác nhau về năng lực và

khả năng tin cậy.

VII.1 Hệ khách hàng-máy phục vụ

Một PC có thể trở nên nhanh hơn, mạnh hơn, rẻ hơn nếu người thiết kế thay đổi rất xa

từ kiến trúc hệ thống tập trung. Các thiết bị đầu cuối được nối kết tới các hệ tập trung

hiện nay đang được thay thế bởi các PC. Tương ứng, chức năng giao diện người dùng

được dùng quản lý trực tiếp bởi các hệ tập trung đang được quản lý tăng dần bởi các

PC. Do đó, các hệ tập trung ngày nay hoạt động như hệ máy phục vụ để thoả mãn các

yêu cầu phát sinh bởi hệ thống khách hàng. Đặc điểm chung của hệ khách hàng- máy

phục vụ được mô tả trong hình-I-5:

Hình 0-5 Cấu trúc chung của hệ khách hàng-máy phục vụ

Các hệ máy chủ có thể được phân loại rộng rãi như máy phục vụ tính toán và máy

phục vụ tập tin

o Hệ máy phục vụ tính toán (Compute-server systems): cung cấp giao diện

mà khách hàng có thể gởi các yêu cầu để thực hiện hoạt động. Chúng thực

thi hoạt động và gởi kết quả cho khách hàng.

o Hệ máy phục vụ tập tin (File-server systems ): cung cấp một giao diện hệ

thống tập tin nơi khách hàng có thể tạo, cập nhật, đọc và xoá tập tin.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 10

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

VII.2 Hệ ngang hàng

Sự phát triển của mạng máy tính-đặc biệt là Internet và Word Wide Web

(WWW)-có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển gần đây của hệ điều hành. Khi PC

được giới thiệu vào những năm 1970, chúng được thiết kế cho việc sử dụng "cá nhân"

và thường được xem như là các máy tính đơn lẻ (standalone computer). Với việc bắt

đầu sử dụng Internet phổ biến và rộng rãi vào những năm 1980 với e-mail, ftp,

gopher, nhiều PC được nối vào mạng máy tính. Với sự giới thiệu dịch vụ Web vào

giữa những năm 1990, nối kết mạng trở thành một thành phần quan trọng của một hệ

thống mạng máy tính.

Gần như tất cả máy tính PC hiện đại và các trạm làm việc có thể chạy trình

duyệt Web để truy xuất tài liệu siêu văn bản trên Web. Các hệ điều hành (như

Windows, OS/2, MacOS và UNIX) hiện nay cũng chứa phần mềm hệ thống (như

TCP/IP và PPP) cho phép một máy tính truy xuất Internet qua một mạng cục bộ hay

nối kết qua đường điện thoại. Nhiều hệ điều hành chứa trình duyệt Web cũng như

khách hàng và máy phục vụ e-mail, đăng nhập từ xa, và ftp.

Tương phản với các hệ thống kết nối chặt được thảo luận trong phần I.6, mạng

máy tính được dùng trong các ứng dụng này gồm tập hợp các bộ xử lý không chia sẻ

bộ nhớ hay đồng hồ. Thay vào đó, mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Bộ xử lý giao

tiếp với bộ xử lý khác thông qua các đường truyền thông như các bus tốc độ cao hay

các đường điện thoại. Các hệ thống này thường được xem như các hệ thống kết nối

lỏng (hay hệ thống phân tán).

Vài hệ điều hành thực hiện khái niệm mạng hơn là chú trọng cung cấp nối kết

mạng. Một hệ điều hành mạng là một hệ điều hành cung cấp các đặc tính như chia sẻ

tập tin qua mạng, nó chứa một cơ chế giao tiếp cho phép các quá trình khác nhau trên

các máy khác nhau trao đổi thông điệp. Một máy tính chạy một hệ điều hành mạng

hoạt động tự trị từ tất cả máy tính khác trên mạng, mặc dù nó nhận thức sự hiện diện

của mạng và có thể giao tiếp với các máy tính được nối mạng khác. Một hệ điều hành

phân tán là một môi trường ít tự trị hơn: Các hệ điều hành phân tán giao tiếp đủ gần

để cung cấp một hình ảnh mà chỉ một hệ điều hành đơn lẻ điều khiển mạng.

VIII Hệ thống nhóm (Clustered Systems)

Tương tự các hệ song song, hệ thống nhóm tập hợp nhiều CPUs với nhau để

thực hiện công việc tính toán. Tuy nhiên, hệ thống nhóm khác hệ thống song song ở

điểm chúng được hợp thành từ hai hay nhiều hệ thống đơn được kết hợp với nhau.

Định nghĩa của thuật ngữ nhóm (clustered) là không cụ thể. Định nghĩa thông thường

có thể chấp nhận là các máy tính nhóm chia sẻ việc lưu trữ và được liên kết gần qua

LAN.

Nhóm thường được thực hiện để cung cấp khả năng sẳn dùng cao. Một lớp phần

mềm nhóm chạy trên các nút nhóm (cluster nodes). Mỗi nút có thể kiểm soát một hay

nhiều hơn một nút (qua mạng LAN). Nếu máy bị kiểm soát gặp sự cố, máy kiểm soát

có thể lấy quyền sở hữu việc lưu trữ của nó và khởi động lại (các) ứng dụng mà chúng

đang chạy trên máy bị sự cố. Máy bị sự cố vẫn chưa hoạt động nhưng người dùng và

khách hàng của ứng dụng chỉ thấy một sự gián đoạn ngắn của dịch vụ.

Trong nhóm bất đối xứng (asymmetric clustering), một máy ở trong chế độ dự phòng

nóng (hot standby) trong khi các máy khác đang chạy các ứng dụng. Máy dự phòng

không là gì cả ngoại trừ theo dõi server hoạt động. Nếu server đó bị lỗi, máy chủ dự

phòng nóng trở thành server hoạt động. Trong chế độ đối xứng (symmetric mode), hai

hay nhiều máy chủ đang chạy ứng dụng và chúng đang kiểm soát lẫn nhau. Chế độ

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 11

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

này chú trọng tính hiệu quả khi nó sử dụng tất cả phần cứng sẳn có. Nó thực hiện yêu

cầu nhiều hơn một ứng dụng sẳn dùng để chạy.

Các hình thức khác của nhóm gồm các nhóm song song (parallel clusters) và

nhóm qua một WAN. Các nhóm song song cho phép nhiều máy chủ truy xuất cùng dữ

liệu trên thiết bị lưu trữ được chia sẻ. Vì hầu hết các hệ điều hành hỗ trợ nghèo nàn

việc truy xuất dữ liệu đồng thời bởi nhiều máy chủ, các nhóm song song thường được

thực hiện bởi các ấn bản phần mềm đặc biệt và sự phát hành của các ứng dụng đặc

biệt. Thí dụ, Oracle Parallel Server là một ấn bản cơ sở dữ liệu của Oracle, và lớp

phần mềm ghi vết việc truy xuất tới đĩa được chia sẻ. Mỗi máy có truy xuất đầy đủ tới

dữ liệu trong cơ sở dữ liệu.

Mặc dù có nhiều cải tiến trong tính toán phân tán, hầu hết các hệ thống không

cung cấp các hệ thống tập tin phân tán mục đích chung (general-purpose distributed

file systems). Do đó, hầu hết các nhóm không cho phép truy xuất được chia sẻ tới dữ

liệu trên đĩa. Cho mục đích này, các hệ thống tập tin phân tán phải cung cấp điều

khiển truy xuất và khoá các tập tin để đảm bảo không có các thao tác xung đột xảy ra.

Loại dịch vụ này thường được gọi là bộ quản lý khoá phân tán (distributed lock

manager-DLM).

Công nghệ nhóm đang nhanh chóng thay đổi. Những định hướng nhóm gồm

các nhóm toàn cục, trong đó các máy có thể định vị bất cứ nơi nào trên thế giới (hay

bất cứ nơi nào một WAN đạt tới). Các dự án như thế vẫn là chủ đề cho nghiên cứu và

phát triển.

Việc sử dụng hệ thống nhóm và các đặc tính nên mở rộng như mạng vùng lưu

trữ (storage-area networks-SANs) chiếm ưu thế. SANs cho phép gán dễ dàng nhiều

máy chủ tới nhiều đơn vị lưu trữ. Các nhóm hiện tại thường bị giới hạn tới hai hay

bốn máy chủ do sự phức tạp của nối kết các máy chủ tới thiết bị lưu trữ được chia sẻ.

IX Hệ thời thực

Một dạng khác của hệ điều hành có mục đích đặc biệt là hệ thời thực (real-time

system). Hệ thời thực được dùng khi các yêu cầu thời gian khắt khe được đặt trên thao

tác của một bộ xử lý hay dòng dữ liệu; do đó, nó thường được dùng như một thiết bị

điều khiển trong một ứng dụng tận hiến. Các bộ cảm biến mang dữ liệu tới máy tính.

Máy tính phải phân tích dữ liệu và có thể thích ứng các điều khiển để hiệu chỉnh các

dữ liệu nhập cảm biến. Các hệ thống điều khiển các thí nghiệm khoa học, hệ thống

ảnh hoá y tế, hệ thống điều khiển công nghệ và các hệ thống hiển thị,... Các hệ thống

phun dầu động cơ ôtô, các bộ điều khiển dụng cụ trong nhà, hệ thống vũ khí cũng là

các hệ thống thời thực.

Một hệ thống thời thực có sự ràng buộc cố định, rõ ràng. Xử lý phải được thực

hiện trong phạm vi các ràng buộc được định nghĩa hay hệ thống sẽ thất bại. Một hệ

thời thực thực hiện đúng chức năng chỉ nếu nó trả về kết quả đúng trong thời gian

ràng buộc. Tương phản với yêu cầu này trong hệ chia thời, ở đó nó mong muốn

(nhưng không bắt buộc) đáp ứng nhanh, hay đối với hệ thống bó, nó không có ràng

buộc thời gian gì cả.

Hệ thời thực có hai dạng: cứng và mềm. Hệ thời thực cứng đảm bảo rằng các

tác vụ tới hạn được hoàn thành đúng giờ. Mục tiêu này đòi hỏi tất cả trì hoãn trong hệ

thống bị giới hạn, từ việc lấy lại dữ liệu được lưu trữ thời gian hệ điều hành hoàn

thành bất cứ yêu cầu cho nó. Các ràng buộc thời gian như thế ra lệnh các phương tiện

sẳn có trong hệ thời thực cứng. Thiết bị lưu trữ phụ của bất cứ thứ hạng nào thường bị

giới hạn hay bị mất với dữ liệu đang được lưu trong bộ nhớ lưu trữ ngắn hạn (short-

term memory) hay trong bộ nhớ chỉ đọc (ROM). Hầu hết các hệ điều hành hiện đại

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 12

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

không cung cấp đặc điểm này vì chúng có khuynh hướng tách rời người dùng từ phần

cứng và sự tách rời này dẫn đến lượng thời gian không xác định mà thao tác sẽ mất.

Thí dụ, bộ nhớ ảo hầu như chưa bao giờ thấy trong hệ thời thực. Do đó, những hệ thời

thực cứng xung đột với thao tác của hệ chia thời và hai hệ này không thể đan xen

nhau. Vì không có hệ điều hành đa mục đích đã có hỗ trợ chức năng thời thực cứng;

chúng ta không tập trung với loại hệ thống này trong chương này.

Một loại thời thực ít hạn chế hơn là hệ thời thực mềm, ở đó tác vụ thời thực tới

hạn có độ ưu tiên hơn các tác vụ khác và duy trì độ ưu tiên đó cho đến khi chúng hoàn

thành. Như trong hệ thời thực cứng, sự trì hoãn nhân (kernel) của hệ điều hành trì

hoãn yêu cầu được giới hạn. Một tác vụ thời thực không thể giữ việc chờ không xác

định đối với nhân để thực thi. Thời thực mềm là mục tiêu có thể đạt được và có thể

được đan xen với các loại hệ thống khác. Tuy nhiên, hệ thời thực mềm có những tiện

ích giới hạn hơn hệ thời thực cứng. Vì không hỗ trợ tốt cho thời điểm tới hạn, nên hệ

thời thực mềm dễ gây rủi ro khi dùng cho việc kiểm soát công nghệ và tự động hoá.

Tuy nhiên, chúng có ích trong nhiều lĩnh vực như đa phương tiện, thực tế ảo, dự án

khoa học tiên tiến-như khám phá trong lòng đại dương và khám phá hành tinh. Những

hệ thống này cần những đặc điểm hệ điều hành tiên tiến mà không được hỗ trợ bởi hệ

thời thực cứng. Vì việc sử dụng chức năng thời thực mềm được mở rộng nên chúng ta

đang tìm cách đưa chúng vào trong hầu hết các hệ điều hành hiện tại, gồm các ấn bản

chính thức của UNIX.

X Hệ xách tay

Hệ xách tay gồm các máy hỗ trợ cá nhân dùng kỹ thuật số (personal digital

assistants-PDAs) như Palm hay điện thoại di động (cellular telephone) với nối kết tới

mạng như Internet. Những người phát triển hệ xách tay và ứng dụng gặp phải nhiều

thử thách, nhất là sự giới hạn về kích thước của thiết bị. Thí dụ, một PDA điển hình

cao khoảng 5 inches và rộng khoảng 3 inches và trọng lượng của nó ít hơn 0.5 pound.

Do sự giới hạn về kích thước này, hầu hết các thiết bị xách tay có bộ nhớ nhỏ gồm các

bộ xử lý thấp và màn hình hiển thị nhỏ. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét mỗi sự giới hạn

này.

Nhiều thiết bị xách tay có dung lượng bộ nhớ 512KB và 8 MB (ngược lại, các

máy PC hay trạm làm việc có hàng trăm MB bộ nhớ). Do đó, hệ điều hành và các ứng

dụng phải quản lý bộ nhớ hiệu quả. Điều này gồm trả về tất cả bộ nhớ được cấp phát

tới bộ quản lý bộ nhớ một khi bộ nhớ không còn được dùng nữa. Hiện nay, nhiều thiết

bị xách tay không dùng kỹ thuật bộ nhớ ảo do đó buộc người phát triển chương trình

làm việc trong phạm vi giới hạn của bộ nhớ vật lý.

Vấn đề thứ hai quan tâm đến người phát triển các thiết bị xách tay là tốc độ của

bộ xử lý được dùng trong thiết bị. Các bộ xử lý đối với hầu hết các thiết bị xách tay

thường chạy với tốc độ chỉ bằng một phần tốc độ của một bộ xử lý trong máy PC. Các

bộ xử lý nhanh hơn yêu cầu điện năng nhiều hơn. Để chứa một bộ xử lý nhanh hơn

bên trong thiết bị xách tay nên yêu cầu nhiều pin hơn hơn và phải được nạp lại thường

xuyên. Để tối thiểu hoá kích thước của các thiết bị xách tay đòi hỏi bộ xử lý nhỏ hơn,

chậm hơn tiêu thụ ít điện năng hơn. Do đó, hệ điều hành và các ứng dụng phải được

thiết kế không đòi hỏi sử dụng nhiều bộ xử lý.

Vấn đề cuối cùng gây khó khăn cho người thiết kế chương trình cho các thiết bị

xách tay là màn hình hiển thị nhỏ. Trong khi một màn hình cho máy tính ở nhà kích

thước có thể 21 inches, màn hình cho thiết bị xách tay thường có diện tích không quá

3 inches. Những tác vụ quen thuộc như đọc e-mail hay hiển thị các trang web, phải

được cô đọng vào màn hình nhỏ hơn. Một phương pháp để hiển thị nội dung các trang

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 13

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

web là cắt xén web (web clipping), ở đó chỉ một tập hợp nhỏ trang web được phân

phát và hiển thị trên thiết bị xách tay.

Một số thiết bị xách tay có thể dùng công nghệ không dây như BlueTooth, cho

phép truy xuất từ xa tới e-mail và trình duyệt web. Các điện thoại di động với nối kết

Internet thuộc loại này. Tuy nhiên, nhiều PDAs hiện tại không cung cấp truy xuất

không dây. Để tải dữ liệu xuống các thiết bị này, trước tiên người dùng tải dữ liệu

xuống PC hay trạm và sau đó tải dữ liệu xuống PDA. Một số PDA cho phép dữ liệu

chép trực tiếp từ một thiết bị này tới thiết bị khác dùng liên kết hồng ngoại. Nhìn

chung, các giới hạn trong chức năng của PDA được cân bằng bởi những tiện dụng và

linh động của chúng. Việc sử dụng chúng tiếp tục mở rộng khi các nối kết mạng trở

nên sẳn dùng và các chọn lựa khác như máy ảnh và MP3 players, mở rộng tiện ích

của chúng.

XI Tóm tắt

Hệ điều hành được phát triển hơn 45 năm qua với hai mục đích chính. Mục đích

thứ nhất, hệ điều hành cố gắng lập thời biểu các hoạt động tính toán để đảm bảo năng

lực thực hiện của hệ thống là tốt. Mục đích thứ hai, nó cung cấp một môi trường tiện

dụng để phát triển và thực thi chương trình. Ban đầu, hệ thống máy tính được dùng từ

một màn hình và bàn phím (thiết bị đầu cuối). Các phần mềm như bộ hợp ngữ

(assembler), bộ nạp (loader), bộ liên kết (linkers) và các trình biên dịch (compiler) cải

tiến sự tiện dụng của việc lập trình hệ thống nhưng cũng yêu cầu thời gian thiết lập

đáng kể. Để giảm thời gian thiết lập, các phương tiện thuê người điều hành và các

công việc tuơng tự được bó.

Các hệ thống xử lý theo lô cho phép sắp xếp công việc tự động bởi hệ điều hành

và cải tiến rất nhiều việc tận dụng toàn bộ máy tính. Máy tính không còn phải chờ các

thao tác của người dùng. Tuy nhiên, việc tận dụng CPU vẫn còn thấp vì tốc độ của

thiết bị xuất nhập thấp hơn nhiều so với tốc độ của CPU. Thao tác ngoại vi (off-line

operation) của các thiết bị chậm cung cấp một phương tiện sử dụng nhiều hệ thống bộ

đọc tới băng từ (reader-to-tape) và băng từ tới máy in (tape-to-printer) cho một CPU.

Để cải tiến toàn bộ năng lực thực hiện của hệ thống máy tính, người phát triển giới

thiệu khái niệm đa chương để mà nhiều công việc có thể được giữ cùng lúc trong bộ

nhớ tại cùng một thời điểm. CPU được chuyển qua lại giữa chúng để gia tăng việc tận

dụng CPU và giảm toàn bộ thời gian được yêu cầu để thực thi các công việc.

Đa chương cũng cho phép chia sẻ thời gian. Hệ điều hành chia sẻ thời gian cho phép

nhiều người dùng (từ một tới vài trăm) sử dụng hệ thống máy tính giao tiếp tại cùng

một thời điểm.

PC là máy vi tính; chúng xem như nhỏ hơn và rẻ hơn hệ thống mainframe.

Các hệ điều hành cho các máy tính này lợi hơn việc phát triển hệ điều hành cho máy

tính mainframe trong nhiều cách. Tuy nhiên, vì mỗi cá nhân là người dùng duy nhất

sử dụng máy tính nên việc tận dụng CPU không còn là mối quan tâm chủ yếu. Do đó,

một vài quyết định thiết kế được thực hiện cho hệ điều hành cho máy mainframe có

thể không phù hợp cho cả hệ thống nhỏ và lớn, hiện nay khi các PCs có thể được nối

kết tới các máy tính khác và người dùng thông qua mạng và Web.

Các hệ song song có nhiều hơn một CPU trong giao tiếp gần; các CPU chia sẻ bus

máy tính và đôi khi chia sẻ bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Những hệ thống như thế có

thế cung cấp thông lượng và khả năng tin cậy tăng. Các hệ thống phân tán cho phép

chia sẻ tài nguyên trên những máy chủ được phân tán về mặt địa lý. Các hệ thống

được nhóm cho phép nhiều máy thực hiện việc tính toán trên dữ liệu được chứa trên

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 14

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành - V1.0

thiết bị lưu trữ chia sẻ và để việc tính toán tiếp tục trong trường hợp lỗi của tập hợp

con các thành viên nhóm.

Một hệ thời thực cứng thường được dùng như một thiết bị điều khiển trong

một ứng dụng tận hiến. Một hệ điều hành thời thực cứng có ràng buộc hoàn toàn xác

định và thời gian cố định. Xử lý phải được thực hiện trong các ràng buộc được xác

định hoặc hệ thống sẽ bị lỗi. Các hệ thống thời thực mềm có ràng buộc thời gian ít

nghiêm khắc hơn và không hỗ trợ thời biểu tới hạn.

Gần đây sự tác động của Internet và World Wide Web khuyến khích sự phát

triển của các hệ điều hành hiện đại. Các hệ điều hành này chứa các trình duyệt Web,

mạng và phần mềm truyền thông như là các đặc điểm tích hợp.

Chúng ta đã thể hiện tiến trình luận lý của sự phát hệ điều hành, được định

hướng bởi sự bao gồm các đặc điểm trong phần cứng CPU được yêu cầu cho chức

năng tiên tiến. Xu hướng này có thể được thấy ngày nay trong cuộc cách mạng của

PC, với phần cứng ngày một rẻ hơn và đang được cải tiến đủ để cho phép cải tiến các

đặc điểm.

Biên soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 15