(2024年)《操作系统原理》教学大纲

《操作系统原理》教学大纲12024/3/26contents目录课程介绍与教学目标操作系统基本概念进程管理内存管理文件系统设备管理操作系统安全与保护课程总结与展望22024/3/2601课程介绍与教学目标32024/3/26

课程背景及意义计算机系统的核心操作系统是管理计算机硬件与软件资源的核心软件，它提供了计算机运行的基本环境。承上启下的作用操作系统在计算机科学中处于承上启下的地位，它既是硬件功能的首次扩充，又是其他系统软件和应用软件运行的基础平台。推动技术发展对操作系统原理的深入理解和掌握有助于推动计算机科学技术的发展和创新。42024/3/2603素质目标培养学生的系统思维能力、创新能力和实践能力，提高学生的计算机素养和综合素质。01知识目标掌握操作系统的基本概念、原理和功能，了解各种类型的操作系统及其特点。02能力目标能够运用所学知识分析和解决操作系统中的常见问题，具备设计和开发简单操作系统的能力。教学目标与要求52024/3/263.《深入理解计算机系统》（作者：RandalE.Bryant,DavidR.O'Hallaron，出版社：机械工业出版社）2.《操作系统设计与实现》（作者：XXX，出版社：XXX）1.《现代操作系统》（作者：AndrewS.Tanenbaum,HerbertBos，出版社：机械工业出版社）教材：《操作系统原理》（作者：XXX，出版社：XXX）参考书目教材及参考书目62024/3/2602操作系统基本概念72024/3/26定义操作系统是一种系统软件，它是计算机上的一个关键组成部分。功能操作系统主要功能是管理计算机硬件和软件资源，为用户提供一个方便、高效的使用环境。重要性操作系统的好坏直接影响计算机系统的性能和用户的使用体验。操作系统的定义与功能82024/3/26根据不同的标准，操作系统可以分为批处理系统、分时系统、实时系统、网络操作系统等。分类发展历程趋势操作系统经历了从手工操作到批处理，再到分时系统、实时系统、网络操作系统的发展历程。未来操作系统将更加注重用户体验、安全性和智能化。030201操作系统的分类与发展历程92024/3/26WindowsLinuxmacOSUnix典型操作系统介绍Windows操作系统界面友好，适合普通用户使用，但资源占用较多。macOS操作系统只能在苹果电脑上使用，设计优美，用户体验好。Linux操作系统开源免费，安全性高，但操作相对复杂。Unix操作系统历史悠久，稳定性好，但价格较高。102024/3/2603进程管理112024/3/26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、独立性和异步性等基本特征。进程的定义进程在其生命周期内会经历多种状态，如新建态、就绪态、运行态、阻塞态和终止态等。这些状态之间的转换构成了进程的基本行为。进程的状态通过状态转换图可以清晰地表示进程在不同状态之间的转换过程，以及导致状态转换的事件或条件。状态转换图进程的概念及状态转换122024/3/26PCB的定义01进程控制块（PCB）是操作系统用于记录和描述进程状态及相关信息的数据结构，是进程存在的唯一标识。PCB的作用02PCB提供了进程管理和调度所需的各种信息，如进程标识符、处理器状态、进程优先级、资源清单等。操作系统通过PCB来感知和管理进程。PCB的内容03PCB通常包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息、进程控制信息等内容。其中处理机状态包括通用寄存器、程序计数器和程序状态字等。进程控制块PCB的作用与内容132024/3/26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（PriorityScheduling）、时间片轮转（RR）等。这些算法根据不同的原则和目标对进程进行调度。进程调度算法评价进程调度算法的指标主要包括周转时间、等待时间、响应时间、吞吐量等。这些指标反映了算法的性能和效率，是评价算法优劣的重要依据。评价指标进程调度算法及评价指标142024/3/2604内存管理152024/3/26内存的定义内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存的作用内存也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。内存的基本概念及作用162024/3/26连续分配管理方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。包括单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配三种方式。连续分配管理方式实现简单，不需要复杂的软件和硬件支持。对于某些特定的应用，如需要大块连续内存空间的应用，连续分配管理方式可以提供较好的性能。优点分析会产生内存碎片，内存利用率低。在动态分区分配方式中，每次分配和回收内存都需要进行大量的系统开销，如查找空闲分区、修改分区大小等。缺点分析连续分配管理方式及优缺点分析172024/3/26非连续分配管理方式非连续分配管理方式允许一个程序分散地装入到不相邻的内存分区中。包括分页存储管理、分段存储管理和段页式存储管理三种方式。优点分析解决了内存碎片问题，提高了内存利用率。允许程序的大小超过可用内存的大小，通过虚拟内存技术实现。提供了更好的内存保护，每个程序只能访问自己的内存空间，不能访问其他程序的内存空间。缺点分析需要复杂的软件和硬件支持，如页表、段表等数据结构以及相应的内存管理算法。在页式存储管理中，会产生页面抖动现象，即频繁地换入换出页面导致系统性能下降。非连续分配管理方式及优缺点分析182024/3/2605文件系统192024/3/26123文件系统是操作系统中负责管理持久性数据的子系统，它提供了对数据的组织、存储、访问和保护等功能。文件系统的定义包括文件的创建、打开、读写、关闭、删除等操作，以及文件的组织和存储管理，如目录管理、磁盘空间管理等。文件系统的功能通常包括用户接口、文件系统功能实现和存储设备驱动三个层次，各层次之间通过接口进行交互。文件系统的层次结构文件系统的基本概念及功能202024/3/26文件的逻辑结构与物理结构文件的逻辑结构是用户可见的，而物理结构是操作系统内部管理的。操作系统需要实现逻辑结构与物理结构之间的映射，以提供高效的文件访问服务。逻辑结构与物理结构的关系从用户角度出发看到的文件组织形式，常见的逻辑结构有顺序文件、索引文件、散列文件等。文件的逻辑结构文件在存储设备上的存放方式，与存储设备的物理特性有关。常见的物理结构有连续存放、链式存放、索引存放等。文件的物理结构212024/3/26文件目录的概念文件目录是记录文件系统中所有文件信息的数据结构，它提供了对文件的组织和访问方式。文件目录的结构常见的目录结构有单级目录、二级目录树和多级目录树等。多级目录树可以更有效地组织和管理大量文件。目录访问方法包括路径名访问法和句柄访问法。路径名访问法是通过给出从根目录到目标文件的路径来访问文件；句柄访问法是通过系统提供的文件句柄来访问文件，适用于对文件的直接和快速访问。文件目录结构及访问方法222024/3/2606设备管理232024/3/2603确保设备的高效、安全和可靠运行。01设备管理的任务02提供方便的设备使用接口，使用户无需关心设备细节。设备管理的任务和功能242024/3/26123实现设备的合理分配和调度，提高设备利用率。设备管理的功能设备识别与配置：自动识别系统设备，并进行合理配置。设备管理的任务和功能252024/3/26设备状态监测与故障处理实时监测设备状态，对故障进行及时处理。设备安全与保护确保设备数据的安全性和完整性，防止非法访问和操作。设备驱动与控制提供设备驱动程序，实现对设备的控制。设备管理的任务和功能262024/3/26特点CPU与设备串行工作，效率低下。适用场景简单、低速的I/O设备。I/O控制方式及特点比较272024/3/26I/O控制方式及特点比较特点CPU与设备可并行工作，提高了效率。适用场景中、低速的I/O设备。282024/3/26VS主存与设备之间有一条数据通路，主存与设备可并行工作，进一步提高了效率。适用场景高速的I/O设备。特点I/O控制方式及特点比较292024/3/26特点实现了对I/O操作的统一管理，进一步提高了系统的并行性。适用场景大型、复杂的计算机系统。I/O控制方式及特点比较302024/3/26在作业开始执行前，一次性地为其分配所需的全部设备资源。静态分配策略在作业执行过程中，根据实际需要动态地为其分配设备资源。动态分配策略设备分配策略及实现方法312024/3/26通过建立设备分配表、控制器表、通道表等表格来记录设备的分配情况。表格法利用位图来表示设备的分配状态，每一位代表一个设备或一类设备。位图法使用链表来记录设备的分配情况，链表中的每个节点代表一个设备或一类设备。链表法设备分配策略及实现方法322024/3/2607操作系统安全与保护332024/3/26威胁与攻击类型分析常见的操作系统威胁和攻击手段，如病毒、蠕虫、木马、拒绝服务攻击等。安全策略与机制介绍操作系统提供的安全策略和机制，如用户认证、访问控制、加密等。操作系统安全性的定义阐述操作系统安全性在计算机系统中的重要性，包括数据的保密性、完整性和可用性。操作系统安全概述342024/3/26解释访问控制的核心思想，即主体对客体的访问权限管理。访问控制的基本概念描述ACL的工作原理和实现方法，如何通过ACL来管理用户对资源的访问权限。访问控制列表（ACL）阐述MAC的特点和实现原理，如基于格模型的访问控制。强制访问控制（MAC）介绍RBAC的基本概念和实现方法，如何通过角色来管理用户的权限。基于角色的访问控制（RBAC）访问控制机制的实现原理352024/3/26解释加密技术的核心思想，包括加密算法、密钥管理等。加密技术的基本概念文件加密磁盘加密网络通信加密描述操作系统中文件加密的实现方法和技术，如EFS（加密文件系统）。阐述磁盘加密的原理和实现方法，包括全盘加密和分区加密等。介绍网络通信中加密技术的应用，如SSL/TLS协议提供的端到端加密通信。加密技术在操作系统中的应用362024/3/2608课程总结与展望372024/3/26进程管理详细阐述了进程的概念、状态转换、进程调度算法以及进程同步与通信等关键内容。操作系统基本概念包括操作系统的定义、功能、分类以及发展历程等。内存管理深入探讨了内存的层次结构、虚拟内存管理、页面置换算法以及内存分配与回收等核心知识点。设备管理讲解了设备管理的目标和功能、I/O控制方式、设备分配与回收以及缓冲管理等关键知识点。文件系统介绍了文件系统的基本概念、文件的组织与访问方式、文件目录结构以及文件保护等重要内容。课程重点内容回顾382024/3/26微型化与嵌入式操作系统随着物联网和智能终端的普及，微型化和嵌入式操作系统将成为未来发展的重要方向，它们需要更加轻量级、高效和安全。云计算和分布