Hệ điều hành

Hệ điều hành là một phần mềm chạy trên máy tính, dùng để điều hành, quản lý các thiết bị phần cứng và các tài nguyên phần mềm trên máy tính.
Hệ điều hành đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa người sử dụng và phần cứng máy tính, cung cấp một môi trường cho phép người sử dụng phát triển và thực hiện các ứng dụng của họ một cách dễ dàng.

Giới thiệu

Các máy tính ban đầu không có hệ điều hành (xem Lịch sử hệ điều hành). Người điều hành sẽ tải và chạy chương trình một cách thủ công. Khi chương trình được thiết kế để tải và chạy chương trình khác, nó đã thay thế công việc của con người.

Thuật ngữ "hệ điều hành" được dùng gần đây chỉ tới một phần mềm cần thiết để người dùng quản lý hệ thống và chạy các phần mềm ứng dụng khác trên hệ thống. Nó không chỉ có nghĩa là "phần lõi" tương tác trực tiếp với phần cứng mà còn cả các thư viện cần thiết để các chương trình quản lý và điều chỉnh hệ thống.

Không có sự phân biệt rõ ràng giữa phần mềm ứng dụng và hệ điều hành. Tuy nhiên, đôi khi vấn đề này cũng được tranh cãi. Thí dụ trường hợp Bộ Tư pháp Mỹ và Microsoft tranh cãi Internet Explorer có phải là một phần của Windows không.

Cấp thấp nhất của hệ điều hành là phần lõi (còn gọi là nhân), lớp phần mềm đầu tiên được tải vào hệ thống khi khởi động. Các phần mềm được tải tiếp theo phụ thuộc vào nó sẽ cung cấp các dịch vụ cốt lõi cho hệ thống. Những dịch vụ phổ biến là truy xuất đĩa, quản lý bộ nhớ, định thời, và truy xuất tới thiết bị phần cứng. Có nhiều tranh cãi về những thành phần nào tạo nên phần lõi, như hệ thống tập tin có được đưa vào phần lõi không.

Chức năng chính yếu của hệ điều hành

Theo nguyên tắc, hệ điều hành cần thỏa mãn hai chức năng chính yếu sau:

Quản lý chia sẻ tài nguyên

Tài nguyên của hệ thống (CPU, bộ nhớ, thiết bị ngoại vi,...) vốn rất giới hạn, nhưng trong các hệ thống đa nhiệm, nhiều người sử dụng có thể đồng thời yêu cầu nhiều tài nguyên. Để thỏa mãn yêu cầu sử dụng chỉ với tài nguyên hữu hạn và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên, hệ điều hành cần phải có cơ chế và chiến lược thích hợp để quản lý việc phân phối tài nguyên.

Ngoài yêu cầu dùng chung tài nguyên để tiết kiệm chi phí, người sử dụng còn cần phải chia sẻ thông tin (tài nguyên phần mềm) lẫn nhau, khi đó hệ điều hành cần đảm bảo việc truy xuất đến các tài nguyên này là hợp lệ, không xảy ra tranh chấp, mất đồng nhất,...

Giả lập một máy tính mở rộng

Hệ điều hành làm ẩn đi các chi tiết phần cứng, người sử dụng được cung cấp một giao diện đơn giản, dễ hiểu, dễ sử dụng và không phụ thuộc vào thiết bị phần cứng cụ thể.

Thực tế, ta có thể xem Hệ điều hành như là một hệ thống bao gồm nhiều máy tính trừu tượng xếp thành nhiều lớp chồng lên nhau, máy tính mức dưới phục vụ cho máy tính mức trên. Lớp trên cùng là giao diện trực quan nhất để chúng ta điều khiển.

Ngoài ra có thể chia chức năng của Hệ điều hành theo bốn chức năng sau:
Quản lý quá trình (process management)
Quản lý bộ nhớ (memory management)
Quản lý hệ thống lưu trữ
Giao tiếp với người dùng (user interaction)

Nhiệm vụ của hệ điều hành

Điều khiển và quản lý trực tiếp các phần cứng như bo mạch chủ, bo mạch đồ họa và bo mạch âm thanh,...

Thực hiện một số thao tác cơ bản trong máy tính như các thao tác đọc, viết tập tin, quản lý hệ thống tập tin (file system) và các kho dữ liệu.

Cung ứng một hệ thống giao diện sơ khai cho các ứng dụng thường là thông qua một hệ thống thư viện các hàm chuẩn để điều hành các phần cứng mà từ đó các ứng dụng có thể gọi tới.

Cung ứng một hệ thống lệnh cơ bản để điều hành máy. Các lệnh này gọi là lệnh hệ thống (system command).

Ngoài ra hệ điều hành, trong vài trường hợp, cũng cung cấp các dịch vụ cơ bản cho các phần mềm ứng dụng thông thường như chương trình duyệt Web, chương trình soạn thảo văn bản....

Các thành phần của hệ điều hành

Hệ thống quản lý tiến trình
Hệ thống quản lý bộ nhớ
Hệ thống quản lý nhập xuất
Hệ thống quản lý tập tin
Hệ thống bảo vệ
Hệ thống dịch lệnh
Quản lý mạng

Phân loại hệ điều hành

Dưới góc độ loại máy tính

Hệ điều hành dành cho máy MainFrame
Hệ điều hành dành cho máy Server
Hệ điều hành dành cho máy nhiều CPU
Hệ điều hành dành cho máy tính cá nhân (PC)
Hệ điều hành dành cho máy PDA (Embedded OS - hệ điều hành nhúng)
Hệ điều hành dành cho máy chuyên biệt
Hệ điều hành dành cho thẻ chíp (SmartCard)

Thông thường dưới góc độ người sử dụng và số chương trình được sử dụng cùng lúc hệ điều hành được chia làm 3 loại chính:

Hệ điều hành đơn nhiệm một người dùng
Hệ điều hành đa nhiệm một người dùng
Hệ điều hành đa nhiệm nhiều người dùng

Các từ:

Đơn nhiệm: tức là mỗi lần chỉ thực hiện được một chương trình hay nói cách khác các chương trình phải được thực hiện lần lượt (vd: HĐH MS-DOS).

Đa nhiệm: tức là có thể thực hiện đồng thời nhiều chương trình (VD: HĐH Windows và một số phiên bản mới sau này của MS-DOS).

Một người dùng: chỉ cho phép một người đăng nhập vào hệ thống khi làm việc (VD: HĐH Windows 95 trở về trước).

Nhiều người dùng: cho phép nhiều người đồng thời đăng nhập vào hệ thống. Việc này được quản lí thông qua tài khoản người dùng và mật khẩu tương ứng(VD: các phiên bản mới HĐH Windows như Win 2000,XP,7,8,...).

Dưới góc độ người dùng (truy xuất tài nguyên cùng lúc)

Một người dùng
Nhiều người dùng
Mạng ngang hàng
Mạng có máy chủ: LAN, WAN, ...

Dưới góc độ hình thức xử lý

Hệ thống xử lý theo lô
Hệ thống xử lý theo lô đa chương
Hệ thống chia sẻ thời gian
Hệ thống song song
Hệ thống phân tán
Hệ thống xử lý thời gian thực

Hàm hệ thống

System Call Hàm hệ thống là một tập giao diện của hạt nhân đến ứng dụng, thông qua hàm hệ thống ứng dụng thực hiện được các công việc của mình. Hạt nhân trừu tượng các chức năng của phần cứng thành hàm hệ thống, và quản lý điều phối cho ứng dụng thông qua hàm hệ thống.

Các dịch vụ cốt lõi

Giao tiếp với người sử dụng (User Interface – UI).
Thực thi chương trình (Program execution).
Tổ chức và quản lý xuất nhập (I/O operations).
Quản lý hệ thống File (File-system manipulation).
Truyền tin (Communications).
Xác định và xử lý lỗi (Error detection).
Các dịch vụ hệ thống (System Services).

Các hệ điều hành hiện đại

Các hệ điều hành được sử dụng ngày nay trên các máy tính đa chức năng (như máy tính cá nhân) chủ yếu gồm hai chủng loại: hệ điều hành họ Unix và hệ điều hành họ Microsoft Windows. Các máy tính mẹ (Mainframe computer) và các hệ thống nhúng dùng nhiều loại hệ điều hành khác nhau, không phải là Unix hay Windows, nhưng cũng tương tự như Unix hay Windows.


Phân loại và thuật ngữ

Khái niệm hệ điều hành được tách thành ba thành phần: giao diện người dùng (bao gồm giao diện đồ họa và/hoặc thông dịch dòng lệnh, còn gọi là "shell"), tiện ích hệ thống cấp thấp, và phần lõi—trái tim của hệ điều hành.

Trong một số hệ điều hành, phần lõi và shell nằm tách rời hoàn toàn, do đó cho phép kết hợp nhiều phần lõi và shell với nhau (như hệ điều hành UNIX), trong hệ điều hành khác thì điều này chỉ là khái niệm.