Nguyên Lý Hệ Điều Hành

Đây là một trong những môn học thiên về lý thuyết nhiều hơn. Nhưng đôi khi có những bài tập thực hành cũng dễ lắm, không khó như các bạn đang nghĩ đâu. Bản thân Tâm Gà cũng đọc khá nhiều tài liệu về giáo trình Nguyên Lý Hệ Điều Hành rồi. Nên khả năng các bạn vượt qua được môn học này là chuyện hết sức bình thường thôi. Hãy an tâm vấn đề này nhé. Không quá khó như bạn nghĩ đâu nhé. Cố gắng lên nào các bạn ơi !!!

I. Chức năng của Hệ Điều Hành

Hệ thống máy tính gồm: phần cứng, Hệ Điều Hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng. Hệ Điều Hành rất quan trọng và không thể thiếu, nhờ có Hệ Điều Hành mà người sử dụng có thể làm việc và khai thác được các chức năng của phần cứng máy tính. Hệ Điều Hành là một chương trình chạy trên máy tính, dùng để điều hành, quản lý các thiết bị phần cứng và các tài nguyên phần mềm. Hệ Điều Hành là một hệ thống, đóng vai trò trung gian giữa người sử dụng và phần cứng. Mục tiêu chính là cung cấp môi trường thuận lợi để người sử dụng dễ dàng thực hiện các chương trình ứng dụng của mình trên máy tính và khai thác triệt để các chức năng của phần cứng máy tính.

*** Để đạt được mục tiêu Hệ Điều Hành thực hiện 2 chức năng

- Giả lập một máy tính mở rộng: máy tính được cấu thành từ CPU, memory, I/O… để hiểu được cơ chế NSD tác động vào ngôn ngữ máy. Để đơn giản Hệ Điều Hành che đậy các phần cứng bởi các máy tính mở rộng. Khi tác động vào máy tính thực thì người sử dụng tác động vào máy tính mở rộng, mọi việc chuyển đổi thông tin do Hệ Điều Hành thực hiện. Như vậy chức năng chính của Hệ Điều Hành giúp người sử dụng khai thác các chức năng của phần cứng máy tính dễ dàng và hiệu quả hơn.

- Quản lý tài nguyên của hệ thống: processor, memory, I/O device, printer, file... dùng để cấp phát cho tiến trình, chương trình. Khi thực hiện chương trình hay cần nạp thêm một tiến trình mới thì cần cấp không gian bộ nhớ. Hệ Điều Hành đa nhiệm cần được nạp nhiều tiến trình, chương trình vào bộ nhớ, nhưng bộ nhớ có giới hạn nên phải cấp phát sao cho hợp lý để đảm bảo tất cả chương trình, tiến trình khi cần đều được nạp vào bộ nhớ để hoạt động. Hệ Điều Hành phải bảo vệ các không gian nhớ đã cấp cho chương trình, tiến trình để tránh sự truy cập bất hợp lệ và tranh chấp. Đặc biệt là các tiến trình đồng thời hoạt động trên hệ thống.

II. Mục tiêu các nhà thiết kế, cài đặt hướng tới chức năng

- Hệ Điều Hành cho phép thực hiện nhiều chương trình đồng thời trong môi trường đa tác vụ.

- Hệ điều hành tự nạp nó vào bộ nhớ: khi boot

- Hệ điều hành và API: (Application Programming Interface):các hàm và thủ tục xây dựng sẵn như shutdown hoặc có thể gọi thủ tục khác

- Nạp dữ liệu cần thiết vào bộ nhớ: lưu lại địa chỉ cất giữ dữ liệu

- Hệ điều hành biên dịch các chỉ thị chương trình: đọc, giải mã các thao tác cần thực hiện và thông báo các lỗi khi hệ thống gặp lỗi.

- Hệ Điều Hành quản lý tài nguyên : đảm bảo thích hợp các tài nguyên của hệ thống

III. Lịch sử phát triển của hệ điều hành

- Thế hệ 1:1946-1955: máy tính dùng đèn điện tử chân không, người lập trình dùng ngôn ngữ máy để thực hiện, dùng bảng điều khiển, sau đó phiếu đục lỗ và viết c/trình trên phiếu thay bảng điều khiển.

- Thế hệ 2: 1956-1965: máy tính dùng bán dẫn ra đời, người lập trình dùng ngôn ngữ assembly hoặc Fortran để viết chương trình trên phiếu đục lỗ và đưa vào máy thực hiện đưa kết quả ra máy in.

- Thế hệ 3: 1965-1980: máy tính sử dụng mạch tích hợp IC, máy tính càng phổ biến hơn, máy tính phát triển nhiều và phức tạp hơn cần có Hệ Điều Hành để điều phối kiểm soát hoạt động hệ thống.

- Thế hệ 4: từ 1980 đến nay: máy tính cá nhân ra đời, hệ thống máy tính IBM với hệ điều hành MSDOS, hệ điều hành Windows sau này.

*** Tóm lại: Qua đây chúng ta thấy quá trình hình thành của Hệ Điều Hành gắn liền với quá trình hình thành máy tính. Có một số điểm nổi bậc sau: Các ngôn ngữ lập trình cấp thấp ra đời trước các Hệ Điều Hành và các Hệ Điều Hành đều được xây dựng từ ngôn ngữ lập trình cấp thấp. Đặc biệt Hệ Điều Hành Unix xây dựng từ C ngôn ngữ lập trình cấp cao. Nếu không có Hệ Điều Hành thì việc khai thác và sử dụng máy tính sẽ khó khăn và phức tạp và không phải ai cũng sử dụng được máy tính. Sự ra đời và phát triển của Hệ Điều Hành gắn liền với sự phát triển của máy tính và ngược lại. Hệ Điều Hành thực sự phát triển khi máy tính PC xuất hiện trên thị trường.

IV. Tiến trình và tiểu trình Nguyên Lý Hệ Điều Hành

- Tiến trình là một bộ phận của chương trình đang thực hiện. Tiến trình là đơn vị làm việc cơ bản của hệ thống, có thể tồn tại nhiều tiến trình cùng hoạt động, trong đó có cả tiến trình của Hệ Điều Hành và tiến trình của chương trình người sử dụng và có thể hoạt động đồng thời với nhau bằng cách phân chia thời gian CPU giữa chúng.

- Tiểu trình là thành phần của tiến trình, trong một tiến trình có thể có nhiều tiểu trình. Tiểu trình cũng là đơn vị xử lý cơ bản trong hệ thống, xử lý tuần tự đoạn code, sở hữu một con trỏ lệnh, một tập các thanh ghi và một vùng nhớ stack riêng và các tiểu trình cũng chia sẻ thời gian xử lý của processor như các tiến trình.

V. Bộ xử lý lệnh (Shell)

- Shell là một tiến trình đặc biệt của Hệ Điều Hành, nó có nhiệm vụ nhận, phân tích lệnh của người sử dụng, phát sinh tiến trình mới để thực hiện yêu cầu, tiến trình mới được gọi là tiến trình đáp ứng yêu cầu. Shell là nơi giao tiếp giữa người sử dụng và Hệ Điều Hành thông qua dòng lệnh, mỗi Hệ Điều Hành khác nhau có cơ chế dòng lệnh khác nhau.

+ MSDOS đó là con trỏ lệnh và dấu nhắc hệ điều hành (C:\>_)
+ Windows 9x đó là nút Start\Run
Lệnh Shell đối với :
+ Hệ Điều Hành đơn nhiệm: khi tiến trình thực hiện lệnh shell chờ
+ Hệ Điều Hành đa nhiệm: khi tiến tiến trình thực hiện shell sẵn sàng

VI. Sự phân lớp hệ thống

Hệ Điều Hành là một hệ thống các chương trình bao quanh máy tính thực (vật lý) nhằm tạo ra một máy tính mở rộng (logic). Mỗi người sử dụng yêu cầu Hệ Điều Hành khác nhau: Người sử dụng thông thường chỉ cần một môi trường thuận lợi để họ thực hiện các ứng dụng. Lập trình viên cần một môi trường lập trình tốt để họ có thể triển khai các ứng dụng. Chuyên viên lập trình hệ thống cần Hệ Điều Hành cung cấp cho họ các công cụ để họ can thiệp sâu hơn vào hệ thống phần cứng máy tính ... Để đáp ứng yêu cầu của nhiều đối tượng người sử dụng khác nhau, Hệ Điều Hành thực hiện hệ thống phân lớp

01. Hệ thống phân lớp:

Người thiết kế hệ điều hành là phải truy cập trực tiếp vào các chi tiết của phần cứng máy tính. Người sử dụng và người lập trình truy cập vào các chi tiết của phần cứng máy tính thông qua hệ điều hành. => Như vậy người sử dụng tác động vào lớp trong cùng sẽ gặp nhiều khó khăn

02. Tài nguyên hệ thống

Tài nguyên không gian: Là các không gian lưu trữ của hệ thống như đĩa, bộ nhớ chính, quan trọng nhất là không gian bộ nhớ chính, nơi lưu trữ các chương trình đang được CPU thực hiện. Sau đây là các tài nguyên của hệ thống:

- Bộ nhớ: (Memory): là nơi chứa dữ liệu, còn thời gian truy cập bộ nhớ là quá trình tìm đến dữ liệu trên bộ nhớ. Bộ nhớ Ram là bộ nhớ trong.

- Bộ xử lý: (Processor): là tài nghuyên quan trọng nhất của hệ thống, dùng để xử lý các câu lệnh đưa tiến trình vào trạng thái hoạt động. Khi xét về bộ xử lý thì xét đến thời gian xử lý của bộ xử lý.

- Tài nguyên ảo/Tài nguyên logic: Là loại tài nguyên cung cấp cho chương trình người sử dụng dưới dạng đã được biến đổi, nó xuất hiện khi hệ thống cần và mất đi khi hệ thống kết thúc.

▪ Tài nguyên phân chia được: Là những tài nguyên mà tại một thời điểm nó có thể cấp phát cho nhiều tiến trình khác nhau cùng một lúc. Ví dụ như bộ nhớ chính và Processor.

▪ Tài nguyên không phân chia được: Là những tài nguyên mà tại một thời điểm nó chỉ có thể cấp phát cho một tiến trình duy nhất. Ví dụ như máy in.

V. Lời gọi hệ thống

Để tạo môi trường giao tiếp giữa chương trình của người sử dụng và Hệ Điều Hành, Hệ Điều Hành đưa ra các lời gọi hệ thống. Chương trình của người sử dụng dùng các lời gọi hệ thống để liên lạc với Hệ Điều Hành và yêu cầu các dịch vụ từ Hệ Điều Hành. Cần phải phân biệt sự khác nhau giữa Shell và System Call. Shell tạo môi trường giao tiếp giữa người sử dụng và Hệ Điều Hành, System Call tạo môi trường giao tiếp giữa chương trình người sử dụng và Hệ Điều Hành. Lời gọi hệ thống có thể được chia thành các loại: quản lý tiến trình, thao tác trên tập tin, thao tác trên thiết bị nhập/xuất ...

VI. Khái niệm hệ điều hành

Có nhiều người sử dụng Hệ Điều Hành dưới các góc độ khác nhau vì thế họ có thể định nghĩa về hệ điều hành khác nhau: Đối với người sử dụng: Hệ Điều Hành là tập hợp các chương trình, phục vụ khai thác hệ thống tính toán một cách dễ dàng, thuận tiên. Đối với người làm quản lý:Hệ Điều Hành là tập hợp các chương trình, phục vụ quản lý chặt chẽ, sử dụng tối ưu các tài nguyên của hệ thống tính toán. Đối với cán bộ kỹ thuật: Hệ Điều Hành là một hệ thống bao trùm lên một máy tính vật lý cụ thể để tạo ra một máy tính logic với những tài nguyên mới và khả năng mới.

Đối với người lập trình hệ thống: Hệ Điều Hành là hệ thống mô hình hóa, mô phỏng các hoạt động của máy tính, của người sử dụng và thao tác hoạt động trong các hệ thống đối thoại nhằm tạo ra môi trường để quản lý chặt chẽ các tài nguyên và tổ chức khai thác chúng thuận tiện và tối ưu. Đối với người lập trình hệ thống, vị trí của họ ở bên trong Hệ Điều Hành họ quan sát các modul, các thành phần của hệ thống, quan sát mối quan hệ giữa chúng. Các khái niệm trên cho ta thấy mỗi người sử dụng đều mong muốn khác nhau và muốn công việc của mình được thực hiện dễ dàng.

Hệ Điều Hành là một chương trình hoạt động giữa người sử dụng (user) và phần cứng của máy tính. Mục tiêu của Hệ Điều Hành là cung cấp một môi trường để người sử dụng có thể thi hành các chương trình của mình. Nó làm cho máy tính dễ sử dụng, thuận lợi và hiệu quả hơn. Hệ điều hành ra đời tồn tại và phát triển là để giải quyết các vấn đề sử dụng hệ thống máy tính của người sử dụng, nhằm giúp người sử dụng khai thác hết các chức năng của phần cứng máy tính, giúp người sử dụng thực hiện được các chương trình của mình trên máy tính. Nghĩa là nó là giúp cho việc thi hành các chương trình hiệu quả hơn, thực hiện các thao tác trên hệ thống máy tính dễ dàng hơn.

Hệ điều hành là một phần quan trọng của hầu hết các hệ thống máy tính. Một hệ thống máy tính được chia thành các phần chính như: phần cứng, Hệ Điều Hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng. Phần cứng bao gồm CPU, bộ nhớ, các thiết bị. Chương trình ứng dụng chương trình dịch, CSDL… Hệ điều hành điều khiển và phối hợp việc sử dụng phần cứng cho những ứng dụng khác nhau của nhiều người sử dụng.

VII. Phân loại hệ điều hành

- Hệ điều hành xử lý theo lô đơn chương: Hệ Điều Hành loại này, khi hệ thống cần thực hiện một tác vụ thì nó phải lưu chương trình và dữ liệu của các tác vụ vào hàng đợi các công việc, sau đó thực hiện lần lượt từng bộ chương trình, dữ liệu của tác vụ tương ứng trong hàng đợi và cho ra lần lượt các kết quả.

- Hệ điều hành xử lý theo lô đa chương: Hệ Điều Hành xử lý theo lô đa chương thực hiện được nhiều tác vụ, nhiều chương trình đồng thời bằng cách nạp một phần code và data của các tác vụ vào bộ nhớ (các phần còn lại sẽ được nạp sau tại thời điểm thích hợp) và tất cả đều ở trạng thái sẵn sàng thực hiện. Sau đó Hệ Điều Hành bắt đầu thực hiện một tác vụ nào đó, nhưng khi tác vụ đang thực hiện cần truy xuất thiết bị nhập/xuất thì processor sẽ được chuyển sang thực hiện các tác vụ khác và cứ như thế Hệ Điều Hành tổ chức chuyển hướng processor để thực hiện hết các phần tác vụ trong bộ nhớ cũng như các tác vụ mà hệ thống yêu cầu.

- Hệ điều hành xử lý theo thời gian: Giống Hệ Điều Hành xử lý theo lô đa chương nhưng việc chuyển processor từ tác vụ, tiến trình này sang tác vụ, không phụ thuộc vào việc tác vụ, tiến trình hiện tại có truy xuất đến thiết bị nhập/xuất hay không mà chỉ phụ thuộc vào sự điều phối processor của Hệ Điều Hành. Trong Hệ Điều Hành này thời gian chuyển đổi processor giữa các tác vụ là rất nhỏ nên ta có cảm giác các tác vụ thực hiện song song với nhau. Với Hệ Điều Hành này người sử dụng có thể yêu cầu Hệ Điều Hành thực hiện nhiều chương trình, tiến trình, tác vụ đồng thời với nhau.

- Hệ điều hành đa vi xử lý: là Hệ Điều Hành có sử dụng điều khiển có nhiều vi xử lý gồm: Đa xử lý đối xứng (SMP: Symmetric MultiProcessing): hệ thống này vi xử lý nào cũng có thể chạy một loại tiểu trình bất kỳ, các vi xử lý giao tiếp với nhau thông qua một bộ nhớ dùng chung. Vì vi xử lý có thể chạy bất kỳ nên nó nguy cơ xảy ra tình trạng bế tắt của CPU giảm đi đáng kể. Đa xử lý bất đối xứng (ASMP: Asymmetric MultiProcessing): hệ thống này dành riêng 1 hoặc 2 vi xử lý để sử dụng riêng, các vi xử lý còn lại sử dụng cho chương trình của người sử dụng. Vì vi xử lý dùng riêng cho Hệ Điều Hành nên khi hỏng thì hệ thống ngừng hoạt động.

- Hệ điều hành xử lý thời gian thực: Hệ Điều Hành này khắc phục nhược điểm của Hệ Điều Hành xử lý theo lô, tức là nó có khả năng cho kết quả tức thời, chính xác sau mỗi tác vụ. Đối với loại này các tác vụ cần thực hiện, không được đưa vào hàng đợi mà được xử lý tức thời và trả lại ngay kết quả hoặc thông báo lỗi cho người sử dụng có yêu cầu. Hệ Điều Hành hoạt động đòi hỏi có sự phối hợp cao giữa phần mềm và phần cứng.

- Hệ điều hành phân tán: Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống chia sẻ thời gian nhưng các bộ xử lý không chia sẻ bộ nhớ, thay vào đó mỗi bộ xử lý có bộ nhớ cục bộ riêng. Các bộ xử lý thông tin với nhau thông qua các đường truyền thông hay đường dây điện thoại. Các nguyên nhân phải xây dựng hệ thống phân tán là: Chia sẻ tài nguyên: chia sẻ tài nguyên phần cứng, phần mềm… Tăng tốc độ tính toán: phân chia các việc tính toán trên nhiều vị trí khác nhau để tính toán song song. An toàn: nếu một ví trí bị hỏng các vị trí khác cũng thực hiện được. Thông tin liên lạc với nhau: chuyển đổi dữ liệu từ vị trí này đến vị trí khác thông qua mạng cục bộ, Email, yahoo.

*** Tóm lại : qua sự phân loại trên ta thấy quá trình phát triển của Hệ Điều Hành. Các Hệ Điều Hành ra đời sau luôn tìm cách khắc phục các hạn chế của Hệ Điều Hành trước đó, nó làm cho sự đa chương của Hệ Điều Hành ngày càng được nâng lên đáng kể và phát triển nhiều hơn nữa để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của của người sử dụng và chương trình người sử dụng, cũng như khai thác tối đa các chức năng của phần cứng máy tính để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Nhưng chức năng của Hệ Điều Hành càng cao thì chi phí cho nó cũng tăng theo và cấu trúc của Hệ Điều Hành cũng sẽ phức tạp hơn.

VIII. Các thành phần của hệ điều hành

01. Thành phần quản lý tiến trình :

Hệ Điều Hành có nhiệm vụ tạo lập và đưa nó vào tiến trình danh sách quản lý tiến trình, khi kết thúc thì phải hủy bỏ ra khỏi danh sách. Hệ Điều Hành phải cung cấp đủ tài nguyên cho tiến trình hoạt động cho đến kết thúc và phải thu hồi lại tài nguyên. Khi không tiếp tục hoạt động thì Hệ Điều Hành phải tạm dừng và thu hồi tài nguyên, khi có điều kiện thì tái kích hoạt để thực hiện đến khi kết thúc. Hệ Điều Hành phải giải quyết tranh chấp tài nguyên giữa các tiến trình, điều phối processor, giúp các tiến trình trao đổi thông tin và hoạt động đồng bộ với nhau, đảm bảo nguyên tắc tất cả các tiến trình đã được khởi tạo phải được thực hiện và kết thúc được.

02. Thành phần quản lý bộ nhớ chính :

Đây là thiết bị lưu trữ duy nhất mà CPU có thể truy xuất trực tiếp. Chương trình để được sử dụng được thì phải nạp vào bộ nhớ chính, chuyển đổi các địa chỉ sử dụng trong chương trình thành những địa chỉ mà CPU có thể truy xuất được. Khi tiến trình hoạt động thì Hệ Điều Hành phải cấp phát không gian nhớ và khi kết thúc phải thu hồi. Hệ Điều Hành phải thực hiện nhiệm vụ bảo vệ các vùng nhớ đã cấp phát cho các chương trình, tiến trình, tránh sự vi phạm trên các vùng nhớ của nhau. Quyết định tiến trình nào được nạp vào bộ nhớ khi có nhiều chương trình, tiến trình.

03. Thành phần quản lý nhập xuất :

Để che dấu phần cứng Hệ Điều Hành đã giả tạo máy mở rộng, giúp người sử dụng khai thác hệ thống máy tính dễ dàng và hiệu quả hơn. Để đạt được điều này Hệ Điều Hành có một bộ điều khiển thiết bị phối hợp với CPU để quản lý sự hoạt động và trao đổi thông tin với các thiết bị nhập/xuất và có các nhiệm vụ sau: Gởi mã lệnh điều khiển đến thiết bị: Hệ Điều Hành quản lý t/bị bằng mã lệnh điều khiển, khi trao đổi dữ liệu với thiết bị thì gởi mã đ/khiển đến t/bị. Tiếp nhận yêu cầu ngắt từ các thiết bị: trao đổi với hệ thống thì phát ra tín hiệu yêu cầu ngắt, Hệ Điều Hành tiếp nhận xem xét để đáp ứng t/bị. Phát hiện và xử lý lỗi: khi trao đổi xảy ra lỗi như lỗi thiết bị nhập xuất, hỏng đường truyền, thì Hệ Điều Hành phát hiện lỗi và khắc phục lỗi sớm.

04. Thành phần quản lý bộ nhớ phụ :

Hầu như tất cả chương trình như: hợp ngữ, thủ tục, trình soạn thảo, định dạng… đều được lưu trữ trên đĩa, khi thi hành nó nạp vào bộ nhớ chính và cũng sử dụng đĩa để chứa dữ liệu và kết quả xử lý. Vì bộ nhớ chính có hạn không đủ để lưu trữ nên dữ liệu sẽ bị mất khi không còn cung cấp năng lượng. Bộ nhớ phụ có các chức năng sau: Quản lý không gian trống trên đĩa. Định vị lưu trữ thông tin trên đĩa. Lập lịch cho vấn đề đọc/ghi thông tin trên đĩa của đầu từ. Vì hệ thống đĩa được sử dụng thường xuyên nên nó phải được dùng hiệu quả. Tốc độ hệ thống tùy thuộc rất nhiều vào tốc độ truy xuất đĩa.

05. Thành phần quản lý tập tin :

Thông tin dữ liệu lưu trên các thiết bị lưu trữ khác nhau và có cơ chế tổ chức và cách lưu trữ khác nhau Hệ Điều Hành đưa ra khái niệm đồng nhất cho các t/bị lưu trữ OS là file Khi cần truy xuất đến thông tin đang lưu trữ trên bất kỳ thiết bị lưu trữ nào người sử dụng chỉ cần truy xuất đến tập tin tương ứng thông qua tên của nó. Khi có nhiều tiến trình truy xuất đồng thời đến tập tin thì phải có cơ chế thích hợp để bảo vệ tránh đọc/ghi bất hợp lệ trên file. Tạo/xóa một tập tin/thư mục. Bảo vệ tập tin khi có hiện tượng truy xuất đồng thời. Cung cấp các thao tác xử lý và bảo vệ tập tin/thư mục. Tạo mối quan hệ giữa tập tin và bộ nhớ phụ chứa tập tin. Tạo cơ chế truy xuất tập tin thông qua tên tập tin.

06. Thành phần thông dịch lệnh :

Đây là bộ phận quan trọng của Hệ Điều Hành, nó đóng vai trò giao tiếp giữa Hệ Điều Hành và người sử dụng. Một số Hệ Điều Hành chứa shell trong nhân (kernel) của nó, một số Hệ Điều Hành như MSDOS và UNIX xem hệ thống dịch lệnh như là một chương trình đặc biệt khi người dùng truy cập. Những chương trình như thế này gọi là hệ thống dịch lệnh theo dòng. Một vài hệ thống dịch lệnh bằng giao diện đồ họa như Microsoft Windows, một số Hệ Điều Hành yêu cầu người dùng nhập lệnh từ bàn phím theo từng dòng lệnh như MSDOS, UNIX.

07. Thành phần bảo vệ hệ thống :

Hệ Điều Hành đa nhiệm có nhiều tiến trình hoạt động đồng thời, mỗi tiến phải có chế bảo vệ để không bị tác động. Nghĩa là các File, Memory, CPU và các tài nguyên khác mà Hệ Điều Hành đã cấp cho một chương trình, tiến trình thì chỉ có chương trình tiến trình đó được quyền tác động đến. Đặc biệt với các tài nguyên dùng chung và các tiến trình hoạt động đồng thời, Hệ Điều Hành không cho xảy ra tranh chấp tài nguyên và không được truy xuất bất hợp lệ vùng nhớ của nhau. Hệ thống bảo vệ là một cơ chế kiểm soát quá trình truy xuất của chương trình, tiến trình hoặc người sử dụng với tài nguyên của hệ thống.

XIX. Các dịch vụ của hệ điều hành.

Hệ điều hành cung cấp một môi trường để thi hành các chương trình, bằng cách cung cấp các dịch vụ cho chương trình và cho người sử dụng :

- Thực thi chương trình: hệ thống có nhiệm vụ nạp chương trình của người sử dụng vào bộ nhớ, chuẩn bị đầy đủ các điều kiện về tài nguyên để chương trình có thể chạy và kết thúc được, có thể kết thúc bình thường hoặc bị lỗi. Khi chương trình kết thúc hệ điều hành phải thu hồi tài nguyên đã cấp cho chương trình.

- Thao tác nhập xuất: Khi chương trình chạy nó có thể yêu cầu nhập xuất dữ liệu từ một tập tin hoặc từ một thiết bị nhập xuất. Để tăng hiệu quả, người sử dụng không truy xuất trực tiếp các thiết bị nhập xuất mà thông qua cách thức do hệ điều hành cung cấp.

- Thao tác hệ thống tập tin: Hệ Điều Hành cần cung cấp các công cụ để chương trình dễ dàng thực hiện các thao tác đọc ghi trên các tập tin, các thao tác này phải thực sự an toàn, đặc biệt là trong môi trường đa nhiệm.

- Trao đổi thông tin giữa các tiến trình: Trong môi trường Hệ Điều Hành đa nhiệm, với nhiều tiến trình hoạt động đồng thời, một tiến trình có thể trao đổi thông tin với nhiều tiến trình khác. Trao đổi như thế có thể xảy ra trong hai cách chính. Một là thực hiện trên cùng máy tính; hai là thay thế tiến trình khác trên hệ thống mạng.

- Phát hiện lỗi và xử lý lỗi: Hệ Điều Hành phải có các công cụ để giúp chương trình của người sử dụng phát hiện các lỗi do hệ thống (CPU, Memory, I/O device, Program) phát sinh. Đối với mỗi dạng lỗi Hệ Điều Hành có cách giải quyết tương ứng sao cho hiệu quả nhất.

- Cấp phát tài nguyên: Khi nhiều người dùng đăng nhập vào hệ thống hay nhiều công việc đang chạy cùng lúc, Hệ Điều Hành quản lý các tài nguyên và cung cấp tới mỗi người dùng nhiều loại tài nguyên khác nha.

- Tính toán: Chúng ta muốn giữ vết người dùng nào sử dụng bao nhiêu và loại tài nguyên máy tính nào. Giữ vết này có thể được dùng để tính toán (tính tiền người dùng) hay đơn giản thống kê sử dụng.

- Bảo vệ: Khi nhiều quá trình riêng lẻ thực thi đồng hành, không thể cho một quá trình can thiệp tới các quá trình khác hay tới chính Hệ Điều Hành. Bảo vệ đảm bảo rằng tất cả truy xuất tài nguyên của hệ thống được kiểm soát. An toàn hệ thống từ người dùng bên ngoài cũng là vấn đề quan trọng. An toàn bắt đầu với mỗi người dùng có quyền đối với hệ thống, thường bằng mật khẩu để được phép truy xuất tài nguyên.

XX. Cấu trúc của hệ điều hành

01. Hệ thống đơn khối :

Chương trình của người sử dụng gởi yêu cầu đến Kernel. Hệ điều hành kiểm tra yêu cầu dịch vụ. Hệ điều hành xác định (vị trí) và gọi thủ tục dịch vụ tương ứng. Hệ điều hành trả điều khiển lại cho chương trình người sử dụng. Cấu trúc hệ thống đơn khối gồm các thủ tục chia thành 3 lớp : Thủ tục chính ; Thủ tục dịch vụ ; Thủ tục tiện ích. Một chương trình chính (chương trình của người sử dụng) gọi đến một thủ tục dịch vụ của hệ điều hành. Lời gọi này được gọi là lời gọi hệ thống. Một tập các thủ tục dịch vụ (service) để đáp ứng những lời gọi hệ thống từ các chương trình người sử dụng. Một tập các thủ tục tiện ích (utility) hỗ trợ cho các thủ tục dịch trong việc thực hiện cho các lời gọi hệ thống. Lời gọi hệ thống sẽ gọi thủ tục dịch vụ, tiện ích thực hiện các thủ tục dịch vụ cần, như nhận dữ liệu từ chương trình NSD.

02. Hệ thống phân lớp :

Hệ thống được chia thành các lớp, mỗi lớp được xây dựng dựa vào lớp bên trong. Lớp trong cùng thường là phần cứng, lớp ngoài cùng là giao diện với người sử dụng. Hệ thống phân lớp :

- Lớp 5: Chương trình ứng dụng
- Lớp 4: Quản lý bộ đệm cho các thiết bị nhập xuất.
- Lớp 3: Trình điều khiển thao tác console.
- Lớp 2: Quản lý bộ nhớ.
- Lớp 1: Điều phối processor.
- Lớp 0: Phần cứng hệ thống.

03. Máy Ảo :

Các chương trình của người sử dụng có thể gọi dễ dàng các chương trình hệ thống và xem mọi thành phần dưới chương trình hệ thống đều là phần cứng máy tính. Lớp các ứng dụng này sử dụng khái niệm máy ảo. Ở đây cần phân biệt sự khác nhau giữa máy ảo và máy tính mở rộng, máy ảo là bản sao chính xác các đặc tính phần cứng của máy tính thực sự và cho phép Hệ Điều Hành hoạt động trên nó, sau đó Hệ Điều Hành xây dựng máy tính mở rộng để cung cấp cho người sử dụng.

Với cấu trúc này mỗi tiến trình hoạt động trên một máy ảo độc lập và nó có cảm giác như đang sở hữu một máy tính thực sự. Bảo vệ tài nguyên hệ thống và tài nguyên đã cấp phát cho các tiến trình, sẽ trở nên đơn giản hơn vì mỗi tiến trình thực hiện trên một máy tính(ảo) độc lập với nhau nên việc tranh chấp tài nguyên không xảy ra. Nhờ hệ thống máy ảo mà một ứng dụng được xây dựng trên Hệ Điều Hành có thể hoạt động được trên Hệ Điều Hành khác.

04. Mô hình Client/Server :

Để yêu cầu một dịch vụ, như đọc một khối từ tập tin, một xử lý của người sử dụng (còn gọi là tiến trình client) sẽ gởi những yêu cầu đó cho một xử lý của bộ phận dịch vụ (còn gọi là tiến trình server) sau đó nó sẽ thực hiện và gởi kết quả trở lại. Khi cần thực hiện một chức năng hệ thống các tiến trình Client sẽ gởi yêu cầu tới tiến trình server tương ứng, tiến trình server sẽ xử lý và trả lời kết quả cho tiến trình Client.