(2024年)操作系统概论课件

操作系统概论课件12024/3/26操作系统概述进程管理内存管理文件系统设备管理用户界面与交互性支持安全性和保护机制现代操作系统发展趋势和挑战contents目录22024/3/2601操作系统概述32024/3/26定义操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序的集合。设备管理提供硬件设备接口，控制设备工作。处理机管理分配和控制处理机资源。文件管理支持文件的存取、修改等操作。存储器管理负责内存的分配与回收。用户接口提供命令接口、程序接口和图形接口，方便用户使用。定义与功能42024/3/26手工操作阶段实时系统阶段网络操作系统和分布式操作系统阶段分类分时系统阶段批处理阶段用户直接使用机器语言编写程序，无操作系统支持。出现监控程序，实现作业的自动转接。多个用户同时使用一台计算机，实现人机交互。对外部请求在严格时间范围内做出反应。实现计算机网络中的资源共享和协同工作。根据运行环境和功能特点可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。发展历程及分类52024/3/26

操作系统在计算机系统中的地位作为系统软件的核心操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，它管理和控制计算机系统中的所有软硬件资源，是用户和计算机之间的接口。承上启下的作用对上，操作系统提供用户接口，方便用户使用计算机；对下，操作系统管理和控制硬件资源，为上层软件提供运行环境。提高系统资源利用率通过合理的资源分配和任务调度，操作系统可以提高计算机系统的资源利用率，从而提高系统的整体性能。62024/3/2602进程管理72024/3/26进程定义01进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性和异步性等特征。进程状态02进程在其生命周期内会经历多种状态，如创建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态。这些状态之间的转换由操作系统根据进程的执行情况和资源需求进行管理。进程控制块（PCB）03PCB是操作系统用于管理进程的重要数据结构，它记录了进程的各种属性和状态信息，如进程ID、程序计数器、CPU寄存器、内存管理信息等。进程概念及状态转换82024/3/26调度层次根据调度发生的时机和目的，可以将进程调度分为高级调度（作业调度）、中级调度（内存调度）和低级调度（CPU调度）。调度算法常见的进程调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度、时间片轮转（RR）和多级反馈队列等。这些算法各有优缺点，适用于不同的应用场景。调度策略为了优化系统性能，可以采用多种调度策略，如抢占式和非抢占式调度、静态和动态优先级分配、多级队列和多处理器调度等。进程调度算法与策略92024/3/26同步原语为了避免并发进程之间的冲突和竞争条件，操作系统提供了一系列同步原语，如互斥锁、信号量、条件变量和读写锁等。这些原语可以确保对共享资源的访问是互斥的，从而避免数据不一致的问题。进程通信进程之间需要进行信息交换和协作以完成共同的任务。常见的进程通信机制包括管道（pipe）、消息队列、信号（signal）、共享内存和套接字（socket）等。这些机制提供了不同粒度和灵活性的通信方式，以满足不同应用的需求。进程同步与通信机制102024/3/2603内存管理112024/3/26连续分配方式这是最简单的内存分配方式，包括单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配。其中，动态分区分配可以根据进程的大小动态地划分内存空间，提高了内存利用率。非连续分配方式为了解决连续分配方式中的碎片问题，出现了非连续分配方式，包括页式管理、段式管理和段页式管理。这些方式允许一个进程分散地装入到许多不相邻的内存分区中。分配算法在动态分区分配方式中，常用的内存分配算法有首次适应算法、最佳适应算法和最差适应算法。这些算法用于决定把空闲分区分配给哪个进程。内存空间分配与回收技术122024/3/26在页式管理的基础上，增加了请求调页和页面置换功能。当内存空间不足时，可以将一些页面暂时换出到外存中，需要时再调入内存。请求分页存储管理在段式管理的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。这种方式便于实现共享和保护，也便于实现动态链接。请求分段存储管理结合了请求分页和请求分段两种方式的优点，既具有分页系统的优点，如可有效地利用内存空间和支持多道程序运行等，又能方便地实现段的共享和保护等。请求段页式存储管理虚拟内存管理技术132024/3/26123通过设置一对界限寄存器来限定用户程序的活动范围，防止用户程序越界访问其他程序或操作系统区域。界限寄存器保护通过给内存页面或段设置不同的访问权限（如读、写、执行等），防止用户程序越权访问。访问权限保护通过设置硬件保护键来区分不同用户程序的访问权限，只有拥有相应权限的程序才能访问对应的内存区域。硬件保护键内存保护机制142024/3/2604文件系统152024/3/26文件概念文件是计算机系统中用于存储和管理数据的基本单位，通常被组织成记录或字节的序列。文件可以是文本、图像、音频、视频等各种类型的数据。类型划分根据文件的性质和用途，可以将其划分为不同类型，如普通文件、目录文件、特殊文件等。普通文件包含用户数据，目录文件用于组织和管理文件，特殊文件则提供与设备或接口的交互。文件概念及类型划分162024/3/26文件的组织结构决定了其在存储介质上的布局和访问方式。常见的文件组织结构有顺序结构、索引结构、链接结构和哈希结构等。文件组织结构设计文件系统时应遵循一些基本原则，如高效性、可靠性、安全性、可扩展性和易用性等。这些原则有助于确保文件系统的性能和稳定性，并满足用户的需求。设计原则文件组织结构与设计原则172024/3/26文件访问权限控制访问权限为了保护文件的安全性和完整性，操作系统提供了文件访问权限控制机制。这些权限可以控制哪些用户可以访问文件，以及他们可以进行哪些操作（如读、写、执行等）。权限管理操作系统通常提供了一套完整的权限管理系统，包括用户身份认证、角色分配和权限分配等。通过这些手段，可以灵活地控制不同用户对文件的访问和操作权限。182024/3/2605设备管理192024/3/26设备驱动程序原理实现设备操作函数注册设备驱动程序处理设备中断定义设备数据结构实现方法设备驱动程序是操作系统内核与硬件设备之间的接口，它负责管理和控制设备的操作。设备驱动程序通过向操作系统提供一组标准的接口函数，使得操作系统能够以统一的方式访问和控制各种硬件设备。设备驱动程序的实现方法通常包括以下几个步骤描述设备的属性和状态。包括设备的打开、关闭、读、写等操作。将设备驱动程序注册到操作系统内核中，以便操作系统能够识别和管理该设备。设备中断是设备驱动程序处理的重要部分，它负责响应设备的中断请求，并进行相应的处理。设备驱动程序原理及实现方法202024/3/26设备分配策略与优化方法212024/3/26为了优化设备资源的分配，可以采用以下一些方法优化方法使得应用程序与具体设备无关，提高设备的可移植性和可替换性。引入设备独立性通过在内存中设置缓冲区来平滑CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率和系统的吞吐量。采用缓冲技术通过引入多道程序设计技术，使得多个进程可以同时使用同一台设备，从而提高设备的利用率和系统的吞吐量。实现设备的并发操作设备分配策略与优化方法222024/3/26I/O控制方式比较程序直接控制方式（忙等）：这是最简单的I/O控制方式，它要求CPU在I/O操作期间一直等待，直到操作完成。这种方式下，CPU的利用率很低，因为CPU在等待I/O操作完成期间无法进行其他工作。中断驱动方式：在这种方式下，当I/O操作开始时，CPU向设备发出I/O命令后便转做其他工作。当I/O操作完成后，设备控制器通过中断请求通知CPU进行相应的处理。这种方式提高了CPU的利用率，但每次中断处理都需要消耗一定的CPU时间。DMA方式（直接内存访问）：DMA方式是一种由DMA控制器控制内存与I/O设备之间数据传输的方式。在DMA方式下，CPU只需向DMA控制器发出指令并启动DMA传输即可，无需直接参与数据传输过程。这种方式进一步提高了CPU的利用率和数据传输效率。通道控制方式：通道是一种特殊的处理机，专门负责输入/输出工作的处理。通道控制方式与DMA方式类似，但通道具有更强的独立性和并行操作能力。在通道控制方式下，CPU只需发出启动指令并指定通道相应的操作和参数即可由通道独立完成后续的所有操作包括向内存发读写命令、管理I/O设备等。这种方式进一步提高了系统的并行性和效率。232024/3/2606用户界面与交互性支持242024/3/26一致性命令应简短且易于理解，避免使用过于复杂的语法结构。简洁性可扩展性交互性01020403提供命令补全、历史记录等交互功能，提高用户操作效率。命令应遵循统一的命名和参数传递规范，降低用户学习成本。支持用户自定义命令和脚本，提高系统的灵活性和可定制性。命令行界面设计原则252024/3/26通过图形元素和视觉效果展示信息，降低用户理解难度。直观性提供直观的拖拽、点击等操作方式，简化用户操作步骤。易用性支持用户自定义界面风格和布局，满足不同用户的审美需求。个性化允许用户同时操作多个应用程序或窗口，提高工作效率。多任务支持图形用户界面（GUI）特点分析262024/3/26为每个用户分配独立的会话环境，确保用户间操作互不干扰。会话管理并发控制权限管理实时响应采用进程或线程同步机制，避免多个用户同时操作同一资源时发生冲突。根据用户角色和权限设置访问控制策略，确保系统安全性。优化系统性能，确保在多用户环境下仍能保持快速响应和流畅交互。多用户环境下交互性支持技术探讨272024/3/2607安全性和保护机制282024/3/26操作系统安全性是指系统能够保护数据和资源免受未经授权的访问、破坏或篡改的能力。安全性的定义安全威胁的类型安全策略的重要性包括恶意软件、病毒、蠕虫、木马、黑客攻击等。制定和执行安全策略是确保系统安全性的关键，包括用户身份验证、访问控制、数据加密等。030201操作系统安全性概述292024/3/26实现方法通过操作系统提供的访问控制机制，如用户权限管理、文件/目录权限设置、网络访问控制等来实现。案例分析例如，在Linux系统中，可以通过用户组、文件权限和sudo命令等实现灵活的访问控制。访问控制策略基于角色的访问控制（RBAC）、基于属性的访问控制（ABAC）和强制访问控制（MAC）等。访问控制策略和实现方法302024/3/26要点三数据加密技术包括对称加密（如AES）、非对称加密（如RSA）和混合加密等，用于确保数据在传输和存储过程中的安全性。要点一要点二隐私保护技术包括匿名化、去标识化和数据脱敏等，用于保护用户隐私和数据安全。案例分析例如，在Windows系统中，可以使用BitLocker进行全盘加密，以保护数据免受未经授权的访问。同时，许多操作系统还提供隐私设置选项，允许用户控制哪些应用程序可以访问其个人数据和设备信息。要点三数据加密和隐私保护技术312024/3/2608现代操作系统发展趋势和挑战322024/3/2603自动化管理云计算环境下，操作系统需要实现自动化管理，包括自动部署、自动扩展、自动容错等功能。01虚拟化技术云计算通过虚拟化技术实现计算资源的动态分配和管理，操作系统需要支持虚拟化并提供相应的管理机制。02分布式系统云计算通常采用分布式架构，操作系统需要支持分布式系统的管理和调度，确保资源的高效利用。云计算环境下操作系统变革332024/3/26轻量级物联网和边缘计算设备通常资源受限，操作系统需要轻量级，占用资源少。实时性物联网和边缘计算应用对实时性要求高，操作系统需要提供实时任务调度和响应机制。安全性物联网和边缘计算设备通常暴露在外部环境