Tìm hiểu hệ điều hành trong khoa học máy tính
Cốt lõi của mọi chức năng của máy tính nằm ở Hệ điều hành (OS). Đây là phần mềm chính kiểm soát phần cứng, quản lý tài nguyên hệ thống và tạo điều kiện tương tác giữa người dùng, ứng dụng và máy. Hãy cùng đi sâu vào những kiến thức cơ bản về hệ điều hành, tìm hiểu các thành phần, loại và chức năng của chúng trong lĩnh vực khoa học máy tính.
Hệ thống vận hành là gì?
Hệ điều hành (OS) là một phần mềm mạnh mẽ và thiết yếu để quản lý tài nguyên phần cứng và phần mềm máy tính, cung cấp các dịch vụ chung cho các chương trình máy tính. Mỗi máy tính phải có ít nhất một hệ điều hành để chạy các chương trình khác. Hệ điều hành hoạt động như một trung gian giữa người dùng và phần cứng máy tính. Ví dụ về các hệ điều hành phổ biến bao gồm Microsoft Windows, macOS, Linux và Android.
Chức năng cốt lõi của hệ điều hành
Hệ điều hành có rất nhiều chức năng, đóng vai trò then chốt trong hoạt động của hệ thống máy tính. Một số chức năng cốt lõi của nó bao gồm:
- Quản lý quy trình: Nó xử lý việc tạo, lập lịch và chấm dứt các quy trình. Một quy trình là một chương trình đang được thực thi và HĐH quản lý các quy trình này một cách hiệu quả để đảm bảo hiệu năng hệ thống trơn tru.
- Quản lý bộ nhớ: HĐH quản lý bộ nhớ của hệ thống, bao gồm việc cấp phát và giải phóng bộ nhớ cho các tiến trình khi chúng yêu cầu và giải phóng bộ nhớ khi không cần.
- Quản lý hệ thống tệp: Nó liên quan đến việc lưu trữ, truy xuất, đặt tên, chia sẻ và bảo vệ tệp. HĐH duy trì hệ thống phân cấp tệp và theo dõi thông tin, như vị trí, kích thước và loại tệp.
- Quản lý thiết bị: HĐH quản lý giao tiếp của thiết bị thông qua trình điều khiển tương ứng. Nó thực hiện các tác vụ như gửi lệnh in tới máy in, đọc dữ liệu từ bàn phím và quản lý hoạt động của CPU.
- Kiểm soát bảo mật và truy cập: HĐH đảm bảo rằng người dùng trái phép không truy cập vào hệ thống và bảo vệ khỏi các mối đe dọa độc hại. Nó quản lý tài khoản người dùng, mật khẩu và các quyền khác nhau để bảo vệ dữ liệu.
Các loại hệ điều hành
Hệ điều hành có thể được phân loại dựa trên chức năng và dịch vụ mà chúng cung cấp. Các loại phổ biến nhất bao gồm:
- Hệ điều hành hàng loạt: Các hệ điều hành này không tương tác trực tiếp với máy tính. Tại đây, các công việc được thu thập, phân nhóm và xử lý lần lượt mà không cần sự can thiệp của người dùng.
- Hệ điều hành đa tác vụ/chia sẻ thời gian: Hệ điều hành này cho phép nhiều chương trình chạy đồng thời bằng cách chia sẻ các lát thời gian của CPU. Ví dụ bao gồm Linux và Windows.
- Hệ điều hành thời gian thực (RTOS): RTOS được sử dụng trong các môi trường có hạn chế về thời gian nghiêm ngặt, chẳng hạn như trong các hệ thống nhúng. Họ xử lý dữ liệu ngay khi nó đến mà không bị trễ bộ đệm.
- Hệ điều hành mạng: Chúng hoạt động trên các máy chủ và cung cấp khả năng phục vụ nhiều máy khách, quản lý dữ liệu, người dùng, nhóm, bảo mật và ứng dụng trên mạng.
- Hệ điều hành phân tán: Chúng quản lý một nhóm máy tính độc lập và làm cho chúng xuất hiện dưới dạng một máy tính duy nhất đối với người dùng. Việc xử lý được phân phối trên nhiều máy vật lý.
Quản lý bộ nhớ
Quản lý bộ nhớ liên quan đến việc phân bổ và tái phân bổ các khối bộ nhớ cụ thể cho các quy trình riêng lẻ của hệ điều hành của hệ thống. Một khía cạnh quan trọng của quản lý bộ nhớ là sự khác biệt giữa bộ nhớ vật lý và bộ nhớ ảo.
- Bộ nhớ vật lý: Đây là RAM thực tế (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) có sẵn trên hệ thống.
- Bộ nhớ ảo: Đó là một khoảng trống trên đĩa cứng được sử dụng để mô phỏng RAM bổ sung. Nó cho phép thực thi đồng thời nhiều ứng dụng lớn hoặc nhiều ứng dụng, ngoài khả năng của bộ nhớ vật lý.
Kỹ thuật quản lý bộ nhớ đơn giản nhất là cấp phát liền kề , trong đó mỗi tiến trình được chứa trong một phần bộ nhớ liền kề. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm, chẳng hạn như sự phân mảnh. Để khắc phục điều này, các hệ điều hành hiện đại sử dụng phân trang và phân đoạn .
Lập kế hoạch quy trình
Lập lịch tiến trình là phương pháp mà hệ điều hành quyết định tiến trình nào trong hàng đợi sẵn sàng sẽ được bộ xử lý thực thi. Mục tiêu chính là tối đa hóa việc sử dụng CPU. Các thuật toán lập lịch bao gồm:
- Đến trước được phục vụ trước (FCFS): Các quy trình được thực hiện theo thứ tự chúng đến.
- Công việc ngắn nhất tiếp theo (SJN): Thuật toán này chọn quy trình có thời gian thực hiện tiếp theo ngắn nhất. Điều này có thể mang lại hiệu suất tốt hơn nhưng đòi hỏi phải có kiến thức trước về thời gian thực hiện.
- Round Robin (RR): Mỗi quy trình được gán một khe thời gian cố định và được thực hiện lần lượt. Phương pháp này đảm bảo sự công bằng giữa các quy trình.
- Lập kế hoạch ưu tiên: Mỗi quy trình được chỉ định một mức độ ưu tiên và việc thực hiện dựa trên thứ tự ưu tiên. Các tiến trình có mức ưu tiên cao hơn sẽ được thực thi trước các tiến trình có mức ưu tiên thấp hơn.
Hệ thống tập tin
Hệ thống tệp là một phương pháp có tổ chức mà HĐH sử dụng để lưu trữ, sắp xếp và quản lý tệp trên đĩa. Nó cung cấp một cách để các ứng dụng đọc và ghi vào bộ lưu trữ đĩa. Các loại hệ thống tệp phổ biến bao gồm FAT32, NTFS cho Windows và Ext3, Ext4 cho Linux. Hệ thống tệp quản lý siêu dữ liệu về tệp, bao gồm tên tệp, kích thước, ngày tạo và sửa đổi.
Phần kết luận
Hệ điều hành là một phần không thể thiếu đối với chức năng của máy tính và các thiết bị tính toán. Nó cung cấp giao diện thiết yếu giữa người dùng và phần cứng, quản lý tài nguyên hiệu quả và đảm bảo tính bảo mật và hiệu quả chung của hệ thống. Hiểu chức năng, loại và thành phần của hệ điều hành là nền tảng trong lĩnh vực khoa học máy tính.
