Chapter 2: Operating-System Structures

1. Chapter 2: Operating-System Structures

2. Chương 2: Cấu trúc Hệ điều hành

3. Chapter 2: Operating-System Structures • Operating System Services • User Operating System Interface • System Calls • Types of System Calls • System Programs • Operating System Design and Implementation • Operating System Structure • Virtual Machines • Operating System Generation • System Boot

4. Chapter 2: Operating-System Structures • Dịch vụ của hệ điều hành • Giao diện hệ điều hành của người dùng • System Calls • Các loại System Call • Chương trình hệ thống • Thiết kế và thực thi hệ điều hành • Cấu trúc hệ điều hành • Máy ảo • Sự hình thành của hệ điều hành • Khởi động hế thống

5. Objectives • To describe the services an operating system provides to users, processes, and other systems • To discuss the various ways of structuring an operating system • To explain how operating systems are installed and customized and how they boot

6. Đối tượng • Mô tả về các dịch vụ của hệ điều hành cung cấp đến người dùng, process, và các hệ thống khác • Thảo luận về những cách khác nhau của cấu trúc hệ điều hành • Giải thích về cách hệ điều hành được cài đặt và tùy chỉnh và về cách hệ điều hành khởi động

7. Operating System Services • One set of operating-system services provides functions that are helpful to the user: • User interface - Almost all operating systems have a user interface (UI) • Varies between Command-Line (CLI), Graphics User Interface (GUI), Batch • Program execution - The system must be able to load a program into memory and to run that program, end execution, either normally or abnormally (indicating error) • I/O operations - A running program may require I/O, which may involve a file or an I/O device. • File-system manipulation - The file system is of particular interest. Obviously, programs need to read and write files and directories, create and delete them, search them, list file Information, permission management.

8. Dịch vụ của hệ điều hành • Một trong các dịch vụ của hệ điều hành là cung cấp những chức năng hữu dụng cho người dùng: • Giao diện người dùng – Hầu hết tất cả các hệ điều hành đều có giao diện người dùng (UI) • Khác nhau giữa Command-Line (CLI), Giao diện đồ họa người dùng (GUI), Batch • Sự thực thi chương trình – Hệ thống phải có thể nạp chương trình vào bộ nhớ và chạy chương trình đó, kết thúc chương trình cho dù nó bình thường hay không bình thường (có lỗi) • Hoạt động Nhập/Xuất- Một chương trình đang chạy có thể yêu cầu nhập/xuất, nó có thể liên quan đến một tập tin hoặc một thiết bị nhập/xuất. • Thao tác với hệ thống tập tin - Hệ thống tập tin là một phần đặc biệt. Rõ ràng, chương trình có thể đọc hoặc ghi tập tin và thư mục; tạo, xóa và tìm kiếm chúng, danh sách thông tin tập tin, quyền quản lý.

9. Operating System Services (Cont.) • One set of operating-system services provides functions that are helpful to the user (Cont): • Communications – Processes may exchange information, on the same computer or between computers over a network • Communications may be via shared memory or through message passing (packets moved by the OS) • Error detection – OS needs to be constantly aware of possible errors • May occur in the CPU and memory hardware, in I/O devices, in user program • For each type of error, OS should take the appropriate action to ensure correct and consistent computing • Debugging facilities can greatly enhance the user’s and programmer’s abilities to efficiently use the system

10. Dịch vụ của hệ điều hành (tiếp theo) • Một trong các dịch vụ của hệ điều hành là cung cấp những chức năng hữu dụng cho người dùng (tiếp theo): • Giao tiếp – Process có thể thay đổi thông tin trên cùng một máy tính hoặc giữa các máy tính trên mạng • Giao tiếp có thể thông qua bộ nhớ được chia sẻ hay những tin nhắn được chấp nhật (gói tin được chuyển bởi HĐH) • Sự phát hiện lỗi – HĐH cần thường xuyên nhận dạng những lỗi có thể xảy ra • Có thể xảy ra trên CPU và phần cứng bộ nhớ, trên thiết bị nhập/xuất, chương trình người dùng • Đối với mỗi loại lỗi, hệ điều hành nên dùng những hành động thích hợp để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với máy tính • Phương tiện gỡ lỗi nâng cao hóa khả năng của người dùng và lập trình viên để khai thác hệ thống hiệu quả

11. Operating System Services (Cont.) • Another set of OS functions exists for ensuring the efficient operation of the system itself via resource sharing • Resource allocation - When multiple users or multiple jobs running concurrently, resources must be allocated to each of them • Many types of resources - Some (such as CPU cycles,mainmemory, and file storage) may have special allocation code, others (such as I/O devices) may have general request and release code. • Accounting - To keep track of which users use how much and what kinds of computer resources • Protection and security - The owners of information stored in a multiuser or networked computer system may want to control use of that information, concurrent processes should not interfere with each other • Protection involves ensuring that all access to system resources is controlled • Security of the system from outsiders requires user authentication, extends to defending external I/O devices from invalid access attempts • If a system is to be protected and secure, precautions must be instituted throughout it. A chain is only as strong as its weakest link.

12. Dịch vụ của hệ điều hành (tiếp theo) • Một thiết lập khác của HĐH là làm sao cho hệ thống hoạt động hiệu quả thông qua việc chia sẻ tài nguyên • Cấp phát tài nguyên – Khi nhiều người dùng hay nhiều việc chạy đồng thời, tài nguyên phải được cấp phát tương ứng • Có nhiều loại tài nguyên - Một vài thiết bị (như CPU, bộ nhớ chính, bộ lưu trữ tập tin) có thể có mã cấp phát đặc biệt, một số khác (như thiết bị nhập/xuất) có thể có những truy vấn chung chung và mã phổ biến. • Tài khoản -theo dõi người dùng dùng bao nhiêu tài nguyên trên máy tính • An ninh và bảo mật – Chủ sở hữu của thông tin trên một đa người dùng hoặc hệ thống mạng máy tính có thể điều khiển và dùng thông tin đó, đồng thời lúc đó những process cũng không có can thiệp hay có tác động gì qua lại • An ninhđảm bảo tất cả truy cập vào tài nguyên hệ thống đều được giám sát • Bảo mật của hệ thống từ những người bên ngoài yêu cầu sự chứng thực của người dùng, mở rộng để đảm bảo các truy xuất không hợp lệ của các thiết bị nhập/xuất • Nếu một hệ thống được bảo vệ và đảm bảo, biện pháp phòng ngừa phải luôn được tiến hành xuyên suốt. Một chuỗi chỉ mạnh như liên kết yếu nhất của nó.

13. User Operating System Interface - CLI CLI allows direct command entry • Sometimes implemented in kernel, sometimes by systems program • Sometimes multiple flavors implemented – shells • Primarily fetches a command from user and executes it • Sometimes commands built-in, sometimes just names of programs • If the latter, adding new features doesn’t require shell modification

14. Giao diện hệ điều hành người dùng - CLI CLI cho phép nhập lệnh trực tiếp • Đôi khi được thực hiện trên kernel, đôi khi bởi chương trình hệ thống • Đôi khi có nhiều flavor được thực thi – shells • Chủ yếu là nhập lệnh từ người sử dụng và thực thi nó Đôi khi xây dựng dòng lệnh, đôi khi từ tên của chương trình • Nếu sau này, khi thêm tính năng mới thì không yêu cầu thay đổi shell

15. User Operating System Interface - GUI • User-friendly desktop metaphor interface • Usually mouse, keyboard, and monitor • Icons represent files, programs, actions, etc • Various mouse buttons over objects in the interface cause various actions (provide information, options, execute function, open directory (known as a folder) • Invented at Xerox PARC • Many systems now include both CLI and GUI interfaces • Microsoft Windows is GUI with CLI “command” shell • Apple Mac OS X as “Aqua” GUI interface with UNIX kernel underneath and shells available • Solaris is CLI with optional GUI interfaces (Java Desktop, KDE)

16. Giao diện hệ điều hành người dùng - GUI • Máy tính để bàn thân thiện với người dùng • Chuột, bàn phím, và màn hình • Các icon mô tả hóa tập tin, chương trình, hành động, v.v.. • Những nút chuột khác nhau được xem như là đối tượng trong giao diện tạo ra những hành động khác nhau (cung cấp thông tin, tùy chọn, thực thi chức năng, mở thư mục (được biết như là một folder) • Được phát minh tại Xerox PARC • Nhiều hệ thống bây giờ có cả CLI và giao diện GUI • Microsoft Windows là GUI với CLI “command” shell • Apple Mac OS X như “Aqua” giao diện GUI với bên dưới kernel của UNIX và những shell có sẵn • Solaris là CLI với tùy chọn là giao diện GUI (Java Desktop, KDE)

17. System Calls • Programming interface to the services provided by the OS • Typically written in a high-level language (C or C++) • Mostly accessed by programs via a high-level Application Program Interface (API) rather than direct system call use • Three most common APIs are Win32 API for Windows, POSIX API for POSIX-based systems (including virtually all versions of UNIX, Linux, and Mac OS X), and Java API for the Java virtual machine (JVM) • Why use APIs rather than system calls? (Note that the system-call names used throughout this text are generic)

18. System Calls • Giao diện lập trình đến dịch vụ được cung cấp bởi HĐH • Đặc trưng được viết trong ngôn ngữ cấp cao (C hoặc C++) • Hầu hết được truy xuất bằng chương trình thông qua giao diện chương trình ứng dụng (API) cấp cao thay vì trực tiếp sử dụng system call • Ba API phổ biến là Win32 API cho Windows, POSIX API cho hệ thống chuẩn POSIX (bao gồm hầu tất cả các phiên bản của UNIX, Linux, và Mac OS X), và Java API cho máy ảo Java (JVM) • Tại sao dùng API thay vì là system calls? (Chú ý rằng những cái tên của system-call được dùng trong suốt văn bản này là những tên chung)

19. Example of System Calls • System call sequence to copy the contents of one file to another file

20. Ví dụ về Những System Call • System call liên tục sao chép nội dung của một tập tin đến một tập tin khác

21. Example of Standard API • Consider the ReadFile() function in the • Win32 API—a function for reading from a file • A description of the parameters passed to ReadFile() • HANDLE file—the file to be read • LPVOID buffer—a buffer where the data will be read into and written from • DWORD bytesToRead—the number of bytes to be read into the buffer • LPDWORD bytesRead—the number of bytes read during the last read • LPOVERLAPPED ovl—indicates if overlapped I/O is being used

22. Ví dụ về chuẩn của API • Xét hàm ReadFile() • Win32 API—một chức năng cho việc đọc một tập tin • Mô tả của các tham số được truyền vào hàm ReadFile() • File HANDLE — tập tin để đọc • Vùng đệm LPVOID—Vùng đệm là nơi mà dữ liệu sẽ được đọc và được ghi tại đó • DWORD bytesToRead—số byte được đọc vào vùng đệm • LPDWORD bytesRead—số byte được đọc trong thời gian đọc cuối • LPOVERLAPPED ovl—chỉ ra nếu nhập/xuất chồng chéo được dùng

23. System Call Implementation • Typically, a number associated with each system call • System-call interface maintains a table indexed according to these numbers • The system call interface invokes intended system call in OS kernel and returns status of the system call and any return values • The caller need know nothing about how the system call is implemented • Just needs to obey API and understand what OS will do as a result call • Most details of OS interface hidden from programmer by API • Managed by run-time support library (set of functions built into libraries included with compiler)

24. Thực thi System Call • Tiêu biểu là mỗi system call đều liên kết với một số • Giao diện system-call duy trì một bảng chỉ mục theo những con số • Giao diện system call gọi system call dự định trong kernel xủa HĐH và trả về trạng thái của system call và những giá trị bất kỳ • Bộ gọi không cần được biết về cách mà system call thực thi • Just needs to obey API and understand what OS will do as a result call • Hầu hết các chi tiết của giao diện HĐH đều ẩn do các lập trình viên sử dụng API • Được quản lý bởi thư viện hỗ trợ run-time (tập hợp các chức năng được xây dựng trong cácthư viện kèm với trình biên dịch)

25. API – System Call – OS Relationship

26. Quan hệ của API – System Call – OS

27. Standard C Library Example • C program invoking printf() library call, which calls write() system call

28. Ví dụ về thư viện chuẩn của C • Chương trình C gọi thư viện printf(), thư viện thì gọi system call write()

29. System Call Parameter Passing • Often, more information is required than simply identity of desired system call • Exact type and amount of information vary according to OS and call • Three general methods used to pass parameters to the OS • Simplest: pass the parameters in registers • In some cases, may be more parameters than registers • Parameters stored in a block, or table, in memory, and address of block passed as a parameter in a register • This approach taken by Linux and Solaris • Parameters placed, or pushed, onto the stack by the program and popped off the stack by the operating system • Block and stack methods do not limit the number or length of parameters being passed

30. Truyền tham số cho System Call • Thông thường, nhiều thông tin được yêu cầu hơn là sự nhận dạng đơn giản của system call được gọi • Kiểu chính xác và lượng thông tin khác nhau tùy theo HĐH và cách gọi • Có 3 cách thường được dùng để truyền tham số cho HĐH • Đơn giản nhất: truyền tham số trong thanh ghi • Trong một vài trường hợp, có thể có nhiều tham số trong thanh ghi • Tham số được lưu trong một khối, hoặc bảng, trong bộ nhớ, và địa chỉ của khối được truyền như là một tham số trong thanh ghi • Cách tiếp cận này lấy của Linux và Solaris • Tham số được đặt, hoặc được đẩy vào stack (ngăn xếp) bởi chương trình và bỏ đi stack bởi hệ điều hành • Phương pháp khối và stack không giới hạn số hay độ dài của số được truyền

31. Parameter Passing via Table

32. Truyền tham số thông qua bảng

33. Types of System CallsCác loại System Call • Process control • File management • Device management • Information maintenance • Communications • Điều khiển process • Quản lý tập tin • Quản lý thiết bị • Bảo trì thông tin • Giao tiếp

34. MS-DOS execution (a) At system startup (b) running a program

35. Thực thi trong MS-DOS (a) At system startup (b) running a program

36. FreeBSD Running Multiple Programs

37. FreeBSD chạy nhiều chương trình

38. System Programs • System programs provide a convenient environment for program development and execution. The can be divided into: • File manipulation • Status information • File modification • Programming language support • Program loading and execution • Communications • Application programs • Most users’ view of the operation system is defined by system programs, not the actual system calls

39. Chương trình hệ thống • Chương trình hệ thống cung cấp một môi trường thuận lợi cho việc phát triển và thực thi chương trình. Có thề được chia như sau: • Thao tác với tập tin • Thông tin trạng thái • Thay đổi tập tin • Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình • Nạp và thực thi chương trình • Sự giao tiếp • Chương trình ứng dụng • Hầu hết người dùng xem các hệ thống hoạt động được xác định bởi các chương trình hệ thống, không là các system call thực

40. Solaris 10 dtrace Following System Call

41. Chương trình hệ thống • Cung cấp một môi trường thuận lợi cho việc phát triển và thực thi chương trình • Một vài chương trình thì đơn giản giao diện người dùng đến system call; một số chương trình khác thì phức tạp • Quản lý tập tin – Tạo, xóa, sao chép, đổi tên, in, kết xuất, danh sách, và cá thao tác chung về tập tin và thư mục • Thông tin trạng thái • Một vài yêu cầu hệ thống cho thông tin - ngày, giờ, lượng bộ nhớ có sẵn, không gian đĩa, số người dùng • Một số khác cung cấp chi tiết về thực thi, đăng nhập, và gỡ lỗi thông tin • Thường thì những dạng chương trình này and print the output to the terminal or other output devices • Một số hệ thống thực thi thanh ghi – được dùng để lưu trữ và nhận thông tin cấu hình

42. System Programs (cont’d) • File modification • Text editors to create and modify files • Special commands to search contents of files or perform transformations of the text • Programming-language support - Compilers, assemblers, debuggers and interpreters sometimes provided • Program loading and execution- Absolute loaders, relocatable loaders, linkage editors, and overlay-loaders, debugging systems for higher-level and machine language • Communications - Provide the mechanism for creating virtual connections among processes, users, and computer systems • Allow users to send messages to one another’s screens, browse web pages, send electronic-mail messages, log in remotely, transfer files from one machine to another

43. Chương trình hệ thống (tiếp theo) • Thay đổi tập tin • Trình chỉnh sửa văn bản để tạo và thay đổi tập tin • Những lệnh đặc biệt để tìm nội dung của tập tin hoặc thực hiện việc thay đổi văn bản • Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình – Trình biên dịch, assemblers, trình bắt lỗi và trình phiên dịch • Thực thi và nạp chương trình – trình nạp tuyệt đối, trình nạp tái định vị, trình chỉnh sửa liên kết, và trình nạp chồng, hệ thống bắt lỗi cho cấp độ cao hơn và ngôn ngữ máy tính • Giao tiếp – Cung cấp cơ cấu tạo kết nối ảo trong số những process, người dùng, và hế thống máy tính • Cho phép người dùng gửi thông báo đến màn hình máy khác, duyệt web, gửi thông báo thư điện tử, đăng nhập từ xa, chuyển tập tin từ một máy đến một máy khác

44. Operating System Design and Implementation • Design and Implementation of OS not “solvable”, but some approaches have proven successful • Internal structure of different Operating Systems can vary widely • Start by defining goals and specifications • Affected by choice of hardware, type of system • User goals and System goals • User goals – operating system should be convenient to use, easy to learn, reliable, safe, and fast • System goals – operating system should be easy to design, implement, and maintain, as well as flexible, reliable, error-free, and efficient

45. Thiết kế và thực thi hệ điều hành • Thiết kế và thực thi HĐH không “giải quyết được”, nhưng một giải pháp gần đúng đã chứng minh thành công • Cấu trúc bên trong của những hệ điều hành khác nhau có thể khác nhau • Bắt đầu bằng cách định ngĩa mục đích và đặc điểm kỹ thuật • Bị ảnh hướng bởi việc chọn phần cứng, kiểu hệ thống • Mục đích của người dùng và hệ thống • Mục đích của người dùng – hệ điều hành thì thuận tiện để dùng, dễ dàng để học, tin cậy, an toàn, và nhanh • Mục đích của hệ thống – hệ điều hành dễ dàng thiết kế, thực thi, bảo trì, linh hoạt, tin cậy, không lỗi, và có hiệu quả

46. Operating System Design and Implementation (Cont.) • Important principle to separate Policy: What will be done?Mechanism: How to do it? • Mechanisms determine how to do something, policies decide what will be done • The separation of policy from mechanism is a very important principle, it allows maximum flexibility if policy decisions are to be changed later

47. Thiết kế và thực thi hệ điều hành (tiếp theo) • Nguyên tắc quan trọng là tách biệt Chính sách: Điều gì sẽ được thực hiện?Cơ chế: Làm thế nào để làm điều đó? • Cơ chế xác định làm thế nào để làm điều gì đó, chính sách quyết định những gì sẽ được thực hiện • Việc tách của chính sách từ cơ chế là nguyên tắc rất quan trọng, nó cho phép linh hoạt tối đa nếu quyết định của chính sách có thay đổi sau đó

48. Simple Structure • MS-DOS – written to provide the most functionality in the least space • Not divided into modules • Although MS-DOS has some structure, its interfaces and levels of functionality are not well separated

49. Cấu trúc đơn giản • MS-DOS – được viết để cung cấp nhiều chức năng trong không gian giới hạn • Không được phân chia thành các phần • Mặc dù MS-DOS có một vài cấu trúc, giao diện và chức năng của nó chưa được tách biệt

50. MS-DOS Layer Structure