Tin học 11 – Bài 1
Hệ điều hành

Mục tiêu bài học

• Về kiến thức, kĩ năng:
  • Trình bày sơ lược được lịch sử phát triển của các hệ điều hành (HĐH) thông dụng cho máy tính cá nhân (PC), bao gồm một HĐH thương mại (Windows) và một HĐH nguồn mở (Linux/Ubuntu).
  • Nêu được các đặc điểm chính của HĐH dành cho thiết bị di động.
  • Hiểu và trình bày được mối quan hệ tổng quan giữa phần cứng, HĐH và phần mềm ứng dụng, cũng như vai trò của từng thành phần.
• Về năng lực, phẩm chất:
  • Hình thành năng lực sử dụng và quản lý các phương tiện công nghệ thông tin.
  • Nâng cao khả năng và ý thức tự học.
  • Phát triển tư duy giải quyết vấn đề một cách sáng tạo.

Hoạt động khởi động

Khi máy tính chưa có hệ điều hành, việc sử dụng rất phức tạp và không hiệu quả. Sự ra đời của hệ điều hành đã giải quyết vấn đề này. Vậy hệ điều hành đảm nhiệm những công việc cụ thể nào?

Em hãy chỉ ra một số công việc mà hệ điều hành thực hiện.

Hệ điều hành (HĐH) thực hiện nhiều công việc nền tảng để quản lý và điều phối toàn bộ hoạt động của máy tính. Các công việc chính bao gồm:

• Quản lí thiết bị: Điều khiển và phân phối tài nguyên phần cứng như CPU, bộ nhớ (RAM), ổ cứng và các thiết bị ngoại vi (chuột, bàn phím, máy in).
• Quản lí tệp và thư mục: Tổ chức, lưu trữ, và quản lý dữ liệu trên ổ đĩa.
• Tổ chức thực hiện các chương trình: Tạo môi trường cho các phần mềm ứng dụng (như trình duyệt web, game, phần mềm văn phòng) có thể chạy, điều phối tài nguyên cho các tiến trình đang hoạt động.
• Cung cấp giao diện cho người dùng: Tạo ra một môi trường tương tác (dạng dòng lệnh hoặc đồ họa) để người dùng có thể giao tiếp và ra lệnh cho máy tính.
• Cung cấp các tiện ích hệ thống: Hỗ trợ các công việc như định dạng đĩa, nén tệp, kiểm tra lỗi, cấu hình mạng để nâng cao hiệu quả sử dụng.

1. Lịch sử phát triển của Hệ điều hành máy tính cá nhân

Hệ điều hành nói chung có 5 nhóm chức năng chính như đã nêu ở trên. Tuy nhiên, đối với máy tính cá nhân (PC) dành cho người dùng phổ thông, yếu tố thân thiện và dễ sử dụng được đặt lên hàng đầu.

Sự phát triển của HĐH cho PC gắn liền với hai đặc điểm chính:

• Giao diện đồ họa (GUI): Thay thế giao diện dòng lệnh (phải gõ từng lệnh phức tạp) bằng các hình ảnh trực quan như cửa sổ, biểu tượng, thanh công cụ. Người dùng có thể dùng chuột để tương tác dễ dàng.
• Cơ chế “Plug & Play” (Cắm và chạy): Giúp HĐH tự động nhận diện và cài đặt trình điều khiển (driver) cho các thiết bị ngoại vi mới được kết nối, giúp người dùng không chuyên cũng có thể sử dụng dễ dàng.

Theo em, nhóm chức năng nào thể hiện rõ nhất đặc thù của hệ điều hành máy tính cá nhân?

Nhóm chức năng thể hiện rõ nhất đặc thù của HĐH máy tính cá nhân là cung cấp môi trường giao tiếp với người sử dụng và cung cấp các tiện ích giúp nâng cao hiệu quả sử dụng.

Lý do là vì PC hướng đến người dùng phổ thông, nên tiêu chí thân thiện và dễ sử dụng là quan trọng nhất. Điều này được thể hiện qua:

• Giao diện đồ họa (GUI) trực quan, dễ thao tác thay cho giao diện dòng lệnh khó nhớ.
• Các tiện ích cá nhân và cơ chế “plug & play” giúp người dùng không cần có kiến thức chuyên sâu về phần cứng vẫn có thể tự cài đặt và sử dụng máy tính một cách hiệu quả.

a) Hệ điều hành Windows

Windows của Microsoft là HĐH thống trị thị trường PC. Lịch sử phát triển của nó có các dấu mốc quan trọng:

• Windows 1.0 (1985): Phiên bản đầu tiên, giới thiệu giao diện đồ họa.
• Windows 3.x (1990-1992): Bắt đầu hỗ trợ đa nhiệm (chạy nhiều chương trình cùng lúc), có tính năng kéo-thả và làm việc với mạng.
• Windows 95 (1995): Một cuộc cách mạng với giao diện hoàn toàn mới, tích hợp sâu các tính năng của HĐH (không còn là vỏ bọc cho DOS). Lần đầu giới thiệu Menu Start, thanh Taskbar và cơ chế Plug & Play.
• Windows XP (2001): Rất thành công, nổi tiếng về sự ổn định, giao diện đẹp và hiệu suất cao. Hỗ trợ mạnh mẽ cho các bộ xử lý 64-bit.
• Windows 7, 10, 11 (2009, 2015, 2021): Các thế hệ mới với cải tiến lớn về bảo mật, hiệu năng, giao diện thân thiện và dễ sử dụng hơn.

b) Hệ điều hành Linux

• Nguồn gốc: Linux có nguồn gốc từ UNIX, một HĐH đa nhiệm, đa người dùng rất ổn định và an toàn, ra đời từ năm 1969.
• Sự ra đời: Nhân Linux được Linus Torvalds viết vào năm 1991 và công bố dưới dạng mã nguồn mở.
• Đặc điểm: Là HĐH nguồn mở, cho phép bất kỳ ai cũng có thể sử dụng, sao chép, sửa đổi và phân phối miễn phí. Điều này đã khởi đầu cho một trào lưu phát triển phần mềm mạnh mẽ.
• Ứng dụng: Linux không chỉ dùng cho PC mà còn rất phổ biến trên máy chủ, siêu máy tính và các thiết bị nhúng (TV thông minh, xe tự lái).
• Các biến thể (Distributions): Có nhiều phiên bản Linux khác nhau được phát triển bởi cộng đồng, nổi bật là Red Hat, Suse, và đặc biệt là Ubuntu (2004) – một trong những HĐH cho PC phổ biến nhất trong họ Linux.

Câu hỏi củng cố

1. Nêu các nhóm chức năng chính của hệ điều hành.

Hệ điều hành có năm nhóm chức năng chính:

1. Quản lí thiết bị: Điều khiển CPU, bộ nhớ, thiết bị ngoại vi.
2. Quản lí việc lưu trữ dữ liệu: Quản lý tệp và thư mục trên các thiết bị lưu trữ.
3. Tổ chức thực hiện các chương trình: Tạo môi trường và điều phối tài nguyên để chạy các ứng dụng.
4. Cung cấp môi trường giao tiếp với người sử dụng: Thông qua giao diện dòng lệnh hoặc đồ họa.
5. Cung cấp các tiện ích hệ thống: Định dạng đĩa, nén tệp, kiểm tra lỗi,…

2. Nêu các đặc điểm cơ bản của hệ điều hành máy tính cá nhân.

Đặc điểm cơ bản của hệ điều hành máy tính cá nhân là sự thân thiện, dễ sử dụng và hỗ trợ nhiều tiện ích cá nhân. Các đặc điểm này được thể hiện rõ qua:

• Giao diện đồ họa (GUI): Sử dụng biểu tượng, cửa sổ, thanh công cụ trực quan giúp người dùng dễ dàng thao tác.
• Cơ chế ‘plug & play’: Tự động nhận diện và cài đặt thiết bị ngoại vi.
• Tích hợp sẵn nhiều tiện ích phục vụ nhu cầu cá nhân như giải trí, làm việc văn phòng, kết nối mạng.

2. Hệ điều hành cho thiết bị di động

Điện thoại thông minh và máy tính bảng về bản chất cũng là máy tính cá nhân. Tuy nhiên, do đặc thù sử dụng, HĐH của chúng có những điểm khác biệt.

• Kết nối không dây: Ưu tiên hàng đầu cho các kết nối mạng không dây như Wi-Fi, dữ liệu di động (3G, 4G, 5G), Bluetooth, NFC.
• Tương tác và giao diện: Giao diện được thiết kế đặc biệt cho màn hình cảm ứng, hỗ trợ các thao tác vuốt, chạm, lắc. Tận dụng các cảm biến (gia tốc, con quay hồi chuyển, tiệm cận) để tạo ra các trải nghiệm tương tác độc đáo.
• Tiện ích cá nhân: Tích hợp sâu các tiện ích phục vụ cuộc sống di động như chụp ảnh, quay phim, định vị GPS, theo dõi sức khỏe.
• HĐH phổ biến: Hai HĐH phổ biến nhất là iOS (của Apple, dùng cho iPhone, iPad) và Android (của Google, dùng cho hầu hết các dòng điện thoại khác).

Câu hỏi củng cố

1. Vì sao hệ điều hành di động ưu tiên cao cho giao tiếp thân thiện và kết nối mạng di động?

HĐH di động ưu tiên cao cho hai yếu tố này vì nó phù hợp với bản chất và mục đích sử dụng của thiết bị:

• Giao tiếp thân thiện: Thiết bị di động dành cho mọi đối tượng người dùng, từ trẻ em đến người lớn tuổi, nhiều người không có chuyên môn về công nghệ. Giao diện cảm ứng trực quan, đơn giản, dễ học và dễ sử dụng là yêu cầu bắt buộc để thiết bị trở nên phổ biến.
• Kết nối mạng di động: Tên gọi “di động” đã nói lên đặc tính luôn di chuyển của người dùng. Việc duy trì kết nối Internet liên tục ở bất cứ đâu qua Wi-Fi hay 3G/4G/5G là thiết yếu để tra cứu thông tin, liên lạc, giải trí và làm việc, khai thác tối đa sức mạnh của một thiết bị thông minh.

2. Kể tên ba tiện ích thường có trên thiết bị di động và chức năng của nó.

Ba tiện ích phổ biến trên thiết bị di động bao gồm:

1. Chụp ảnh, quay phim: Sử dụng camera tích hợp để ghi lại những khoảnh khắc trong cuộc sống. Đây là một trong những tính năng được sử dụng nhiều nhất.
2. Định vị GPS: Xác định vị trí của người dùng trên bản đồ, chỉ đường, tìm kiếm địa điểm và chia sẻ vị trí.
3. Lịch và nhắc việc: Giúp người dùng quản lý thời gian, lên lịch các cuộc hẹn, sự kiện và nhận thông báo nhắc nhở để không bỏ lỡ công việc quan trọng.

(Học sinh có thể kể các tiện ích khác như: gọi điện, nhắn tin, quản lý danh bạ, trình duyệt web, máy tính, đồng hồ báo thức, theo dõi sức khỏe…)

3. Quan hệ giữa Hệ điều hành, Phần cứng và Phần mềm ứng dụng

Mối quan hệ giữa ba thành phần này có thể được hình dung như một hệ thống phân lớp:

• Lớp dưới cùng (Phần cứng): Bao gồm CPU, RAM, ổ cứng, màn hình… là nền tảng vật lý.
• Lớp giữa (Hệ điều hành): Đóng vai trò trung gian, quản lý và “giao tiếp” với phần cứng. Nó cung cấp một “máy ảo” đơn giản hóa cho lớp trên, che đi sự phức tạp của phần cứng.
• Lớp trên cùng (Phần mềm ứng dụng): Là các chương trình người dùng sử dụng (Word, Chrome, game). Các phần mềm này không điều khiển trực tiếp phần cứng mà sẽ “yêu cầu” HĐH thực hiện thông qua các dịch vụ (API) mà HĐH cung cấp.
• Người dùng: Tương tác với phần mềm ứng dụng.

Kết luận: Hệ điều hành là môi trường trung gian để phần mềm ứng dụng có thể khai thác và sử dụng tài nguyên phần cứng một cách hiệu quả và có tổ chức.

Câu hỏi củng cố

1. Nêu lí do thiết bị xử lí đa năng cần có hệ điều hành.

Thiết bị xử lí đa năng (như máy tính, điện thoại thông minh) cần có hệ điều hành vì những lý do sau:

• Quản lý tài nguyên phức tạp: Thiết bị đa năng cần chạy nhiều ứng dụng khác nhau, có thể là đồng thời. HĐH đứng ra điều phối, phân chia tài nguyên phần cứng (CPU, bộ nhớ) một cách hợp lý để các ứng dụng không xung đột và hệ thống hoạt động trơn tru.
• Cần môi trường chung: Để các nhà phát triển có thể viết phần mềm, họ cần một nền tảng (platform) chung với các quy tắc và dịch vụ được định sẵn. HĐH cung cấp môi trường này, giúp việc phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
• Tổ chức lưu trữ dữ liệu: Cần có một hệ thống để quản lý việc lưu trữ, truy xuất, xóa hàng ngàn tệp tin và ứng dụng. HĐH cung cấp hệ thống quản lý tệp và thư mục để thực hiện việc này.
• Cung cấp giao diện người dùng: Cần có một cách để người dùng tương tác với máy. HĐH cung cấp giao diện (đồ họa hoặc dòng lệnh) để người dùng có thể ra lệnh và sử dụng thiết bị.

2. Nêu mối quan hệ giữa phần cứng, phần mềm ứng dụng và hệ điều hành.

Mối quan hệ giữa ba thành phần này là một cấu trúc phân lớp:

• Phần cứng là lớp nền tảng vật lý.
• Hệ điều hành là lớp trung gian, nằm trực tiếp trên phần cứng. Nó quản lý và điều khiển mọi hoạt động của phần cứng, đồng thời cung cấp các dịch vụ (dưới dạng API) cho lớp bên trên.
• Phần mềm ứng dụng là lớp trên cùng, chạy trên nền hệ điều hành. Nó không tương tác trực tiếp với phần cứng mà thay vào đó, nó “gọi” các dịch vụ do HĐH cung cấp để thực hiện các yêu cầu của mình (ví dụ: yêu cầu HĐH lưu một tệp, yêu cầu HĐH hiển thị hình ảnh ra màn hình).
• Người dùng sẽ tương tác với các phần mềm ứng dụng.

Tóm lại, HĐH đóng vai trò là “cầu nối” và “người phiên dịch” giữa phần mềm ứng dụng và phần cứng.

Luyện tập

1. Em hiểu thế nào về tính thân thiện của hệ điều hành?

Tính thân thiện của hệ điều hành là khả năng làm cho máy tính trở nên dễ học, dễ sử dụng và phù hợp với thói quen tư duy tự nhiên của con người, kể cả với những người không có kiến thức chuyên sâu về công nghệ.
Sự thân thiện được thể hiện qua:

• Giao diện trực quan: Sử dụng các đối tượng đồ họa như biểu tượng (icon) gợi nhớ đến chức năng (ví dụ: biểu tượng thùng rác để xóa tệp), các cửa sổ, menu rõ ràng.
• Thao tác tự nhiên: Cho phép các hành động dễ hiểu như “kéo và thả” một tệp tin vào thư mục, nhấp đúp chuột để mở ứng dụng.
• Ngôn ngữ đơn giản: Sử dụng ngôn ngữ giao tiếp hàng ngày thay vì các thuật ngữ kỹ thuật phức tạp.
• Tự động hóa: Các cơ chế như “plug & play” tự động hóa các tác vụ phức tạp, giúp người dùng không cần can thiệp nhiều.

2. Hệ điều hành cung cấp môi trường giao tiếp với người sử dụng như thế nào? Môi trường giao tiếp đó thể hiện như thế nào trên hệ điều hành Windows?

Hệ điều hành cung cấp môi trường giao tiếp để người dùng có thể tương tác, điều khiển và nhận phản hồi từ máy tính. Có hai loại môi trường chính:

1. Giao diện dòng lệnh (CLI): Người dùng phải gõ các lệnh chính xác theo cú pháp định sẵn.
2. Giao diện đồ họa (GUI): Người dùng tương tác với các đối tượng đồ họa trên màn hình.

Trên hệ điều hành Windows, môi trường giao tiếp chủ yếu là giao diện đồ họa (GUI) và được thể hiện qua các thành phần chính sau:

• Màn hình nền (Desktop): Là không gian làm việc chính, chứa các biểu tượng.
• Các biểu tượng (Icons): Hình ảnh nhỏ đại diện cho tệp, thư mục, hoặc ứng dụng.
• Cửa sổ (Windows): Vùng hiển thị riêng cho mỗi ứng dụng đang chạy.
• Con trỏ chuột: Dùng để chỉ định, chọn và tương tác với các đối tượng trên màn hình.
• Thanh tác vụ (Taskbar) và Menu Start: Cung cấp lối tắt để khởi động ứng dụng và quản lý các cửa sổ đang mở.

Tất cả các thành phần này phối hợp với nhau tạo ra một môi trường làm việc trực quan, cho phép người dùng điều khiển máy tính một cách dễ dàng mà không cần nhớ các câu lệnh phức tạp.

Vận dụng

1. Em hãy tìm hiểu xem ngoài máy tính còn có thiết bị điện gia dụng nào sử dụng hệ điều hành không.

Có, ngày nay có rất nhiều thiết bị điện gia dụng thông minh sử dụng hệ điều hành. Ví dụ:

• TV thông minh (Smart TV): Chạy các hệ điều hành như Android TV, Tizen (Samsung), webOS (LG). Các HĐH này cho phép TV kết nối Internet, cài đặt ứng dụng (YouTube, Netflix), chơi game, duyệt web… giống như một máy tính.
• Tủ lạnh thông minh: Có thể chạy HĐH (thường là một phiên bản tùy biến của Android hoặc Linux) để quản lý thực phẩm, hiển thị công thức nấu ăn, lướt web, nghe nhạc trên màn hình cảm ứng ở cửa tủ.
• Máy giặt, máy sấy thông minh: Sử dụng HĐH để người dùng có thể điều khiển từ xa qua điện thoại, tải về các chu trình giặt mới và chẩn đoán lỗi.
• Đồng hồ thông minh (Smartwatch): Chạy các HĐH như watchOS (Apple) hay Wear OS (Google), có thể cài ứng dụng, theo dõi sức khỏe, nhận thông báo.

2. Thực ra, Linux là hệ điều hành có nguồn gốc từ hệ điều hành UNIX. Hãy tìm hiểu lịch sử của hệ điều hành Linux để biết thêm về hệ điều hành UNIX.

Linux và UNIX có một mối quan hệ lịch sử chặt chẽ.

• UNIX – “Ông tổ”: UNIX là một hệ điều hành mạnh mẽ, đa nhiệm và đa người dùng, được phát triển tại Bell Labs vào năm 1969. Do tính ổn định và hiệu quả, UNIX nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn cho các máy chủ, máy trạm và các hệ thống máy tính lớn trong giới học thuật và doanh nghiệp. Tuy nhiên, hầu hết các phiên bản UNIX đều là sản phẩm thương mại và có giá cao.
• MINIX – Nguồn cảm hứng: Vào cuối những năm 1980, giáo sư Andrew Tanenbaum đã tạo ra MINIX, một hệ điều hành giống UNIX nhưng đơn giản hơn, chủ yếu phục vụ mục đích giảng dạy. Mã nguồn của MINIX được công khai.
• Linux – Sự ra đời của “hậu duệ” nguồn mở: Năm 1991, Linus Torvalds, một sinh viên người Phần Lan, ban đầu chỉ muốn tạo ra một hệ điều hành cho vui và để tìm hiểu về kiến trúc máy tính của mình. Ông không hài lòng với MINIX và đã tự viết một nhân (kernel) hệ điều hành mới. Ông lấy cảm hứng từ thiết kế của UNIX nhưng viết lại hoàn toàn từ đầu và không dùng mã nguồn của UNIX. Ông công bố dự án này lên mạng và kêu gọi mọi người cùng đóng góp.
• Kết quả: Nhân của Linux, kết hợp với các công cụ hệ thống từ dự án GNU, đã tạo thành hệ điều hành GNU/Linux, thường được gọi tắt là Linux. Nhờ được phát triển theo mô hình nguồn mở, Linux đã phát triển cực kỳ nhanh chóng, trở thành một giải pháp thay thế mạnh mẽ, miễn phí và linh hoạt cho cả UNIX thương mại và Windows.

Như vậy, Linux không phải là một phiên bản của UNIX, mà là một hệ điều hành độc lập được thiết kế theo triết lý và kiến trúc của UNIX.