CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG MÁY TÍNH Một hệ thống máy tính nói chung có thể phân chia sơ bộ thành phần cứng và phần mềm. Phần cứng cung cấp các tài nguyên cần thiết cho việc tính toán, xử lý dữ liệu. Phần mềm gồm các chương trình quy định cụ thể việc xử lý đó.
Để thực hiện công việc tính toán hoặc xử lý dữ liệu cụ thể cần có các chương trình gọi là chương trình ứng dụng. Có thể kể một số chương trình ứng dụng thường gặp như chương trình soạn thảo văn bản, chương trình trò chơi, hệ quản trị cơ sở dữ liệu, chương trình truyền thông v. Phần cứng có thể biểu diễn như lớp dưới cùng, là cơ sở của toàn hệ thống. Đây là những thiết bị cụ thể như CPU, bộ nhớ, thiết bị nhớ ngoài, thiết bị vào/ra.
Chương trình ứng dụng là lớp trên của hệ thống, là phần mà người dùng xây dựng nên và tương tác trong quá trình giải quyết các nhiệm vụ của mình. (Khái niệm người dùng ở đây bao gồm cả người sử dụng thuần tuý lẫn người viết ra các chương trình ứng dụng) Ngoài phần cứng và trình ứng dụng, hệ thống máy tính còn có một thành phần quan trọng là hệ điều hành. Hệ điều hành là phần mềm đóng vai trò trung gian giữa phần cứng và người sử dụng cùng các chương trình ứng dụng của họ. Nhiệm vụ của hệ điều hành là làm cho việc sử dụng hệ thống máy tính được tiện lợi và hiệu quả.
Các chương trình ứng dụng khi chạy đều cần thực hiện một số thao tác chung như điều khiển thiết bị vào/ra. Những thao tác phân phối và điều khiển tài nguyên chung như vậy sẽ được gộp chung lại trong phạm vi hệ điều hành. Nhờ có hệ điều hành, người dùng có thể dễ dàng tương tác và sử dụng máy tính, ví dụ bằng cách thông qua các giao diện đồ họa. Cũng nhờ có hệ điều hành, phần cứng của máy tính được quản lý và sử dụng hiệu quả hơn.
Người sử dụng Chương trình ứng dụng, chương trình hệ thống và tiện ích Hệ điều hành Phần cứng Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống máy tính Ngoài chương trình ứng dụng và hệ điều hành còn có các chương trình hệ thống và chương trình tiện ích. Đây là những chương trình không thuộc phần cốt lõi của hệ điều hành 8 Giới thiệu chung nhưng được xây dựng để thực hiện những thao tác thường diễn ra trong hệ thống hoặc giúp người dùng thực hiện một số công việc dễ dàng hơn. Các thành phần của hệ thống máy tính được thể hiện trên hình 1.1, trong đó phần cứng là lớp dưới cùng và người dùng giao tiếp với trình ứng dụng là thành phần trên cùng của hệ thống. TỔ CHỨC PHẦN CỨNG CỦA MÁY TÍNH Hệ điều hành giao tiếp trực tiếp với phần cứng máy tính và quản lý các tài nguyên phần cứng.
Các khái niệm về tổ chức phần cứng rất quan trọng và cần thiết cho việc tìm hiểu về hệ điều hành. Để thuận lợi cho việc trình bầy về hệ điều hành, phần này sẽ tóm tắt một số nội dung liên quan về tổ chức và kiến trúc phần cứng của máy tính. Kiến trúc chung. Máy tính bao gồm một hoặc nhiều CPU (khối xử lý trung tâm), bộ nhớ chính, các đĩa từ và thiết bị nhớ SSD (còn gọi là đĩa điện tử), màn hình, các thiết bị vào/ra dữ liệu khác như chuột, bàn phím, máy in, màn cảm ứng, micro, loa, … Các bộ phận này được kết nối trao đổi thông tin với nhau thông qua bus hệ thống như minh họa trên hình 1.
Các thành phần của phần cứng máy tính CPU và quy trình thực hiện lệnh. CPU (khối xử lý trung tâm) là thành phần quan trọng nhất của hệ thống máy tính. CPU bao gồm khối ALU thực hiện các phép toán số học và logic, khối điều khiển thực hiện việc giải mã lệnh và điều khiển hoạt động chung. Ngoài ra còn có các thanh ghi, thực chất là bộ nhớ của CPU dùng để lưu các dữ liệu tạm thời và các thông tin về trạng thái của CPU và toàn hệ thống.
Nhiệm vụ chủ yếu của CPU là thực hiện các chương trình. Mỗi chương trình là một tập hợp các lệnh để chỉ thị cho CPU biết cần làm gì. Khi chương trình được thực hiện, các lệnh của chương trình được đọc vào và lưu trong bộ nhớ chính. CPU lần lượt đọc từng lệnh từ bộ nhớ chính và thực hiện lệnh.
Tùy vào lệnh cụ thể, việc thực hiện một lệnh có thể dẫn tới yêu 9 Giới thiệu chung cầu có thêm các thao tác đọc hoặc ghi bộ nhớ khác. Ví dụ lệnh tăng giá trị một biến đòi hỏi thao tác đọc giá trị biến đó từ bộ nhớ, sau đó ghi giá trị mới ra bộ nhớ. Quá trình thực hiện các lệnh của chương trình diễn ra tuần tự, sau khi xong một lệnh CPU sẽ thực hiện lệnh tiếp theo, trừ khi có các lệnh rẽ nhánh hay vòng lặp. Tuy nhiên, trong hệ thống máy tính còn có các sự kiện xẩy ra và cần được CPU xử lý kịp thời.
Ví dụ, thiết bị phần cứng có thể gửi tín hiệu để thông báo xẩy ra sự kiện cần xử lý, như khi người dùng bấm bàn phím. Việc xử lý sự kiện các sự kiện như vậy được thực hiện nhờ cơ chế ngắt (interrupt). Thiết bị phần cứng có thể yêu cầu thực hiện ngắt bằng cách gửi tín hiệu qua bus. Phần mềm, tức là chương trình đang thực hiện, cũng có thể yêu cầu ngắt bằng cách sử dụng lời gọi hệ thống (system call).
Chẳng hạn khi cần ghi ra file, chương trình có thể gửi yêu cầu ngắt dưới dạng lời gọi hệ thống ghi ra file. Hệ thống sẽ chuyển sang xử lý ngắt trước khi quay lại thực hiện tiếp chương trình theo thứ tự thông thường. Khi có ngắt, CPU sẽ tạm dừng công việc đang thực hiện và chuyển sang thực hiện hàm xử lý ngắt. Sau khi thực hiện xong hàm xử lý ngắt, hệ thống sẽ quay lại điểm tạm dừng và thực hiện tiếp công việc bị ngắt.
Cơ chế xử lý ngắt cụ thể phụ thuộc vào từng dòng máy tính và hệ điều hành, tuy nhiên thông thường các máy tính sử dụng cơ chế xử lý ngắt như sau. Các hàm xử lý ngắt được lưu trong bộ nhớ. Các hàm xử lý ngắt do phần cứng đảm nhiệm được lưu trong bộ nhớ ROM hoặc EPROM như một thành phần của phần cứng, ví dụ như một thành phần của BIOS trên PC. Hàm xử lý ngắt của hệ điều hành được tải vào và lưu trong bộ nhớ RAM.
Địa chỉ các hàm xử lý ngắt được lưu trong một mảng gọi là vec tơ ngắt, nằm ở phần địa chỉ thấp của bộ nhớ, bắt đầu từ địa chỉ 0. Mỗi phần tử của vec tơ ngắt có kích thước cố định và chứa con trỏ tới hàm xử lý ngắt tương ứng. Như vậy, ví dụ khi xuất hiện ngắt có số thứ tự bằng 2, CPU sẽ đọc nội dung ô thứ 2 của vec tơ ngắt để có địa chỉ hàm xử lý ngắt, sau đó chuyển tới địa chỉ này để thực hiện hàm xử lý ngắt. Các hệ điều hành thông dụng như Windows, Linux xử lý ngắt theo quy trình này.
Trong các hệ điều hành đa chương trình, tức là hệ điều hành cho phép nhiều chương trình được thực hiện đồng thời, hệ điều hành thường sử dụng ngắt từ bộ định thời timer để thu hồi quyền điều khiển CPU từ một chương trình đang thực hiện để phân phối cho chương trình khác. Timer là một cơ chế phần cứng cho phép sinh ra ngắt sau một khoảng thời gian do hệ điều hành quy định. Ngắt này được chuyển cho hàm xử lý ngắt của hệ điều hành xử lý, thường là để phân phối lại quyền sử dụng CPU. Bộ nhớ chính.
Bộ nhớ chính là nơi chứa các chương trình đang được thực hiện, bao gồm cả các lệnh của chương trình cũng như dữ liệu. Bộ nhớ chính là dạng bộ nhớ cho phép đọc và ghi theo thứ tự bất kỳ, gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory - RAM), do vậy thường được gọi tắt là RAM. Cần lưu ý rằng, máy tính có một số dạng bộ nhớ khác, ví dụ như bộ nhớ chỉ cho phép đọc (ROM), hoặc bộ nhớ chỉ cho phép ghi với thiết bị ghi đặc biệt (EPROM), và các loại bộ nhớ này có thể kết hợp với RAM để tạo thành bộ nhớ chính của máy tính. Bộ nhớ máy tính có thể coi như một mảng các ô nhớ được đánh địa chỉ.
Bộ nhớ thường được truy cập theo đơn vị là byte (B), mỗi byte gồm 8 bit (b). Một số máy tính sử dụng đơn vị bộ nhớ là từ (word), mỗi từ có thể có kích thước bằng 2, 4, 8 byte; tuy nhiên, kiểu đơn vị bộ 10 Giới thiệu chung nhớ này ít thông dụng trong các máy tính hiện nay. Như vậy, mỗi byte của bộ nhớ được coi là một ô nhớ và được truy cập theo địa chỉ của byte. Để tính các lượng bộ nhớ lớn hơn, các đơn vị là lũy thừa bậc 2 của byte thường được sử dụng như: kilobyte (KB) = 210 byte, megabyte (MB) = 220 byte, gigabyte (GB) = 230 byte, terabyte (TB) = 240 byte, petabyte (PB) = 250 byte, hexabyte (HB) = 260 byte.
Cách tổ chức và đơn vị bộ nhớ như vậy cũng được sử dụng cho các dạng bộ nhớ khác như bộ nhớ ngoài của máy tính. Tổ chức hệ thống bộ nhớ. Ngoài bộ nhớ chính (RAM), máy tính còn nhiều dạng bộ nhớ khác như bộ nhớ thanh ghi, bộ nhớ trên đĩa… Lý do phải sử dụng nhiều dạng bộ nhớ là do không có dạng thiết bị nhớ nào thỏa mãn đồng thời các yêu cầu đặt ra về lưu trữ thông tin. Bộ nhớ máy tính lý tưởng là bộ nhớ thỏa mãn đồng thời các yêu cầu chính sau: 1) dung lượng lớn; 2) tốc độ truy cập nhanh; 3) giá thành thấp; 4) có khả năng lưu trữ lâu bền cả khi có điện và không có điện.
Những yêu cầu này là mâu thuẫn với nhau, chẳng hạn thiết bị nhớ tốc độ cao có giá cao và không lưu được thông tin khi không có điện. Cụ thể, bộ nhớ chính, được xây dựng dựa trên công nghệ DRAM (dynamic random-access memory), mặc dù có tốc độ truy cập tương đối cao xong không đủ lớn để lưu trữ thường xuyên tất cả chương trình và dữ liệu. Ngoài ra, nội dung bộ nhớ sử dụng DRAM sẽ bị xóa khi tắt nguồn, do vậy không phù hợp để lưu trữ lâu thông tin lâu dài.
