Cái gì được dùng để điều khiển và điều phối các máy tính được liên kết với nhau?

Tại sao sử dụng một hệ điều hành?

Một hệ điều hành mang lại những lợi ích mạnh mẽ cho phần mềm máy tính và phát triển phần mềm. Nếu không có hệ điều hành, mọi ứng dụng sẽ cần bao gồm giao diện người dùng của riêng nó, cũng như mã toàn diện cần thiết để xử lý tất cả chức năng cấp thấp của máy tính bên dưới, chẳng hạn như lưu trữ đĩa, giao diện mạng, v.v. Xem xét rất nhiều phần cứng cơ bản có sẵn, điều này sẽ làm tăng đáng kể kích thước của mọi ứng dụng và khiến việc phát triển phần mềm trở nên không thực tế

Thay vào đó, nhiều tác vụ phổ biến, chẳng hạn như gửi gói mạng hoặc hiển thị văn bản trên thiết bị đầu ra tiêu chuẩn, chẳng hạn như màn hình, có thể được giảm tải cho phần mềm hệ thống đóng vai trò trung gian giữa ứng dụng và phần cứng. Phần mềm hệ thống cung cấp một cách nhất quán và có thể lặp lại để các ứng dụng tương tác với phần cứng mà không cần ứng dụng biết bất kỳ chi tiết nào về phần cứng

Miễn là mỗi ứng dụng truy cập cùng các tài nguyên và dịch vụ theo cùng một cách, thì phần mềm hệ thống đó -- hệ điều hành -- có thể phục vụ hầu hết mọi số lượng ứng dụng. Điều này giúp giảm đáng kể lượng thời gian và mã hóa cần thiết để phát triển và gỡ lỗi ứng dụng, đồng thời đảm bảo rằng người dùng có thể kiểm soát, định cấu hình và quản lý phần cứng hệ thống thông qua giao diện chung và dễ hiểu

Sau khi được cài đặt, hệ điều hành dựa trên một thư viện trình điều khiển thiết bị rộng lớn để điều chỉnh các dịch vụ HĐH cho phù hợp với môi trường phần cứng cụ thể. Do đó, mọi ứng dụng có thể thực hiện một cuộc gọi chung đến một thiết bị lưu trữ, nhưng HĐH nhận cuộc gọi đó và sử dụng trình điều khiển tương ứng để chuyển cuộc gọi thành các hành động (lệnh) cần thiết cho phần cứng bên dưới trên máy tính cụ thể đó. Ngày nay, hệ điều hành cung cấp một nền tảng toàn diện giúp xác định, định cấu hình và quản lý nhiều loại phần cứng, bao gồm cả bộ xử lý;

Chức năng của một hệ điều hành

Một hệ điều hành cung cấp ba khả năng thiết yếu. Nó cung cấp giao diện người dùng thông qua CLI hoặc GUI;

giao diện người dùng. Mọi hệ điều hành đều yêu cầu giao diện người dùng, cho phép người dùng và quản trị viên tương tác với HĐH để thiết lập, định cấu hình và thậm chí khắc phục sự cố hệ điều hành và phần cứng cơ bản của nó. Có hai loại giao diện người dùng chính có sẵn. CLI và GUI

CLI, hoặc cửa sổ chế độ đầu cuối, cung cấp giao diện dựa trên văn bản nơi người dùng dựa vào bàn phím truyền thống để nhập các lệnh, tham số và đối số cụ thể liên quan đến các tác vụ cụ thể. GUI hoặc máy tính để bàn, cung cấp giao diện trực quan dựa trên các biểu tượng và ký hiệu mà người dùng dựa vào các cử chỉ được cung cấp bởi các thiết bị giao diện con người, chẳng hạn như bàn di chuột, màn hình cảm ứng và thiết bị chuột

GUI được sử dụng thường xuyên nhất bởi người dùng thông thường hoặc người dùng cuối, những người chủ yếu quan tâm đến việc thao tác với tệp và ứng dụng, chẳng hạn như nhấp đúp vào biểu tượng tệp để mở tệp trong ứng dụng mặc định của nó. CLI vẫn phổ biến đối với người dùng nâng cao và quản trị viên hệ thống, những người phải thường xuyên xử lý một loạt các lệnh lặp đi lặp lại và chi tiết cao, chẳng hạn như tạo và chạy tập lệnh để thiết lập máy tính cá nhân (PC) mới cho nhân viên

Quản lý ứng dụng. Một hệ điều hành xử lý việc khởi chạy và quản lý mọi ứng dụng. Điều này thường hỗ trợ một loạt các hành vi, bao gồm chia sẻ thời gian cho nhiều quy trình hoặc luồng để các tác vụ khác nhau có thể chia sẻ thời gian của các bộ xử lý khả dụng;

Một hệ điều hành cũng có thể hỗ trợ các API cho phép các ứng dụng sử dụng các chức năng của hệ điều hành và phần cứng mà không cần biết bất kỳ điều gì về trạng thái phần cứng hoặc hệ điều hành cấp thấp. Ví dụ: API Windows có thể cho phép chương trình nhận đầu vào từ bàn phím hoặc chuột; . Các ứng dụng hầu như luôn được điều chỉnh để sử dụng hệ điều hành mà ứng dụng dự định chạy trên đó

Ngoài ra, một hệ điều hành có thể thực hiện các dịch vụ sau cho các ứng dụng

• Trong một hệ điều hành đa nhiệm, nơi có thể chạy nhiều chương trình cùng một lúc, HĐH sẽ xác định ứng dụng nào sẽ chạy theo thứ tự nào và thời gian cho phép mỗi ứng dụng trước khi chuyển sang ứng dụng khác.
• Nó xử lý đầu vào/đầu ra (I/O) đến và từ các thiết bị phần cứng đính kèm, chẳng hạn như đĩa cứng, máy in và cổng quay số
• Nó gửi thông báo tới từng ứng dụng hoặc người dùng tương tác -- hoặc tới người vận hành hệ thống -- về trạng thái hoạt động và bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra
• Nó có thể giảm tải việc quản lý các công việc hàng loạt -- ví dụ, in ấn -- để ứng dụng khởi tạo được giải phóng khỏi công việc này
• Trên các máy tính có thể cung cấp khả năng xử lý song song, một hệ điều hành có thể quản lý cách phân chia chương trình để chương trình chạy trên nhiều bộ xử lý cùng một lúc

Tất cả các nền tảng máy tính chính (phần cứng và phần mềm) đều yêu cầu, và đôi khi bao gồm, một hệ điều hành và hệ điều hành phải được phát triển với các tính năng khác nhau để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các yếu tố hình thức khác nhau

quản lý thiết bị. Một hệ điều hành chịu trách nhiệm xác định, định cấu hình và cung cấp cho các ứng dụng quyền truy cập chung vào các thiết bị phần cứng máy tính bên dưới. Khi HĐH nhận dạng và xác định phần cứng, HĐH sẽ cài đặt trình điều khiển thiết bị tương ứng cho phép HĐH và các ứng dụng chạy trên HĐH sử dụng thiết bị mà không cần bất kỳ kiến ​​thức cụ thể nào về phần cứng hoặc thiết bị

Hệ điều hành chịu trách nhiệm xác định đúng máy in và cài đặt trình điều khiển máy in phù hợp để ứng dụng chỉ cần thực hiện lệnh gọi đến máy in mà không phải sử dụng mã hoặc lệnh dành riêng cho máy in đó -- đó là công việc của hệ điều hành. Tình hình cũng tương tự đối với các thiết bị khác, chẳng hạn như cổng USB;

Hệ điều hành xác định và định cấu hình các thiết bị vật lý và logic cho dịch vụ và thường ghi lại chúng theo cấu trúc được tiêu chuẩn hóa, chẳng hạn như Windows Registry. Các nhà sản xuất thiết bị định kỳ vá lỗi và cập nhật trình điều khiển, đồng thời HĐH nên cập nhật chúng để đảm bảo hiệu suất và bảo mật thiết bị tốt nhất. Khi thiết bị được thay thế, HĐH cũng cài đặt và định cấu hình trình điều khiển mới

Các loại hệ điều hành và ví dụ

Mặc dù vai trò cơ bản của một hệ điều hành là phổ biến, nhưng có vô số hệ điều hành phục vụ nhiều nhu cầu của người dùng và phần cứng.

Hệ điều hành đa năng. Hệ điều hành đa năng đại diện cho một loạt các hệ điều hành nhằm chạy vô số ứng dụng trên nhiều lựa chọn phần cứng, cho phép người dùng chạy một hoặc nhiều ứng dụng hoặc tác vụ đồng thời. Một hệ điều hành đa năng có thể được cài đặt trên nhiều kiểu máy tính để bàn và máy tính xách tay khác nhau và chạy các ứng dụng từ hệ thống kế toán đến cơ sở dữ liệu, trình duyệt web đến trò chơi. Các hệ điều hành đa năng thường tập trung vào quy trình (luồng) và quản lý phần cứng để đảm bảo rằng các ứng dụng có thể chia sẻ đáng tin cậy nhiều loại phần cứng máy tính hiện có

Các hệ điều hành máy tính để bàn phổ biến bao gồm những điều sau đây

• Windows là hệ điều hành hàng đầu của Microsoft, là tiêu chuẩn thực tế cho máy tính gia đình và doanh nghiệp. Được giới thiệu vào năm 1985, HĐH dựa trên GUI đã được phát hành với nhiều phiên bản kể từ đó. Windows 95 thân thiện với người dùng chịu trách nhiệm chính cho sự phát triển nhanh chóng của máy tính cá nhân
• Mac OS là hệ điều hành dành cho dòng PC và máy trạm Macintosh của Apple
• Unix là một hệ điều hành đa người dùng được thiết kế cho tính linh hoạt và khả năng thích ứng. Được phát triển lần đầu vào những năm 1970, Unix là một trong những hệ điều hành đầu tiên được viết bằng ngôn ngữ C
• Linux là một hệ điều hành giống Unix được thiết kế để cung cấp cho người dùng PC một giải pháp thay thế miễn phí hoặc chi phí thấp. Linux nổi tiếng là một hệ thống hoạt động hiệu quả và nhanh chóng

Hệ điều hành di động. Các hệ điều hành di động được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu riêng của máy tính di động và các thiết bị tập trung vào truyền thông, chẳng hạn như điện thoại thông minh và máy tính bảng. Các thiết bị di động thường cung cấp tài nguyên máy tính hạn chế so với PC truyền thống và HĐH phải được thu nhỏ lại về kích thước và độ phức tạp để giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên của chính nó, đồng thời đảm bảo đủ tài nguyên cho một hoặc nhiều ứng dụng chạy trên thiết bị. Các hệ điều hành di động có xu hướng nhấn mạnh hiệu suất hiệu quả, khả năng phản hồi của người dùng và sự chú ý chặt chẽ đến các tác vụ xử lý dữ liệu, chẳng hạn như hỗ trợ truyền phát phương tiện. Apple iOS và Google Android là những ví dụ về hệ điều hành di động

Hệ điều hành nhúng. Không phải tất cả các thiết bị máy tính đều có mục đích chung. Rất nhiều loại thiết bị chuyên dụng -- bao gồm trợ lý kỹ thuật số tại nhà, máy rút tiền tự động (ATM), hệ thống máy bay, thiết bị đầu cuối tại điểm bán lẻ (POS) và thiết bị kết nối vạn vật (IoT) -- bao gồm các máy tính yêu cầu hệ điều hành. Sự khác biệt chính là thiết bị máy tính được liên kết chỉ thực hiện một chức năng chính, do đó, hệ điều hành được loại bỏ rất nhiều và dành riêng cho cả hiệu suất và khả năng phục hồi. Hệ điều hành phải chạy nhanh, không bị treo và xử lý mọi lỗi một cách khéo léo để tiếp tục hoạt động trong mọi tình huống. Trong hầu hết các trường hợp, HĐH được cung cấp trên một con chip được tích hợp vào thiết bị thực tế. Ví dụ: một thiết bị y tế được sử dụng trong thiết bị hỗ trợ sự sống của bệnh nhân sẽ sử dụng một hệ điều hành nhúng phải chạy đáng tin cậy để duy trì sự sống cho bệnh nhân. Embedded Linux là một ví dụ về hệ điều hành nhúng

Hệ điều hành mạng. Hệ điều hành mạng (NOS) là một HĐH chuyên dụng khác nhằm tạo điều kiện giao tiếp giữa các thiết bị hoạt động trên mạng cục bộ (LAN). NOS cung cấp ngăn xếp giao tiếp cần thiết để hiểu các giao thức mạng nhằm tạo, trao đổi và phân tách các gói mạng. Ngày nay, khái niệm về một NOS chuyên dụng phần lớn đã lỗi thời vì các loại HĐH khác chủ yếu xử lý giao tiếp mạng. Ví dụ: Windows 10 và Windows Server 2019 bao gồm các khả năng kết nối mạng toàn diện. Khái niệm NOS vẫn được sử dụng cho một số thiết bị mạng, chẳng hạn như bộ định tuyến, bộ chuyển mạch và tường lửa, đồng thời các nhà sản xuất có thể sử dụng các NOS độc quyền, bao gồm Hệ điều hành Internetwork (IOS) của Cisco, RouterOS và ZyNOS

Hệ điều hành thời gian thực. Khi một thiết bị máy tính phải tương tác với thế giới thực trong các giới hạn thời gian liên tục và có thể lặp lại, nhà sản xuất thiết bị có thể chọn sử dụng hệ điều hành thời gian thực (RTOS). Ví dụ, một hệ thống điều khiển công nghiệp có thể chỉ đạo các hoạt động của một nhà máy hoặc nhà máy điện đang phát triển. Một cơ sở như vậy sẽ tạo ra tín hiệu từ vô số cảm biến và cũng gửi tín hiệu để vận hành van, bộ truyền động, động cơ và vô số thiết bị khác. Trong những tình huống này, hệ thống điều khiển công nghiệp phải đáp ứng nhanh chóng và có thể dự đoán trước các điều kiện thay đổi trong thế giới thực -- nếu không, thảm họa có thể xảy ra. Một RTOS phải hoạt động mà không có bộ đệm, độ trễ xử lý và các độ trễ khác, điều này hoàn toàn có thể chấp nhận được trong các loại hệ điều hành khác. Hai ví dụ về RTOS bao gồm FreeRTOS và VxWorks

Sự khác biệt giữa các loại hệ điều hành là không tuyệt đối và một số hệ điều hành có thể chia sẻ các đặc điểm của những hệ điều hành khác. Ví dụ, các hệ điều hành có mục đích chung thường xuyên bao gồm các khả năng kết nối mạng được tìm thấy trong một NOS truyền thống. Tương tự, hệ điều hành nhúng thường bao gồm các thuộc tính của RTOS, trong khi hệ điều hành di động vẫn có thể chạy đồng thời nhiều ứng dụng giống như các hệ điều hành đa năng khác

Thông tin này được cập nhật lần cuối vào tháng 6 năm 2021

ĐỌC TIẾP Giới thiệu về hệ điều hành (OS)

• So sánh các hệ điều hành di động hàng đầu dành cho nhà phát triển

• Hệ điều hành nhà phát triển ưa thích là gì?

• Tìm hiểu các thành phần chính của hệ điều hành Linux

• So sánh các phiên bản HĐH Windows 10 để xác định phiên bản phù hợp nhất

• macOS Catalina có đủ ổn định để sử dụng cho doanh nghiệp không?

Điều khoản liên quan