《l操作系统》课件

《操作系统》课程PPT本课程将深入介绍操作系统原理和基本概念，并探讨各种操作系统的设计理念和实现技术。学习操作系统是理解计算机系统工作原理的重要基础，为进一步学习软件开发和系统架构奠定坚实基础。WD操作系统概述管理硬件资源操作系统负责管理计算机的硬件资源，例如CPU、内存、存储器和外设，以确保它们能够有效地运行。提供用户接口操作系统提供用户界面，使用户能够与计算机交互，并运行应用程序。管理文件和网络操作系统管理文件系统，并允许用户在网络中共享文件。操作系统的发展历程早期操作系统最早的操作系统诞生于20世纪50年代，主要用于批处理任务，例如数据处理和科学计算。多道程序设计操作系统多道程序设计操作系统于20世纪60年代出现，能够同时运行多个程序，提高系统效率和资源利用率。分时操作系统分时操作系统在20世纪70年代发展起来，允许多个用户同时使用系统，通过时间片轮转的方式，为每个用户提供交互式服务。个人计算机操作系统个人计算机操作系统在20世纪80年代兴起，为个人电脑提供用户友好界面和丰富的应用软件支持。网络操作系统网络操作系统在20世纪90年代开始发展，支持多个计算机之间进行通信和资源共享，推动了互联网和云计算的发展。移动操作系统移动操作系统在21世纪初兴起，为移动设备提供用户界面和应用程序支持，推动了移动互联网的快速发展。操作系统的功能和特点资源管理操作系统负责管理计算机系统中的各种资源，包括CPU、内存、外设、文件等。用户接口操作系统提供用户与计算机系统交互的接口，方便用户使用计算机。程序执行操作系统负责加载、运行和管理用户程序，为程序提供执行环境。系统安全操作系统负责保护系统安全，防止非法访问和操作。操作系统的基本组成1内核操作系统的核心部分，管理系统资源，提供基本服务。2系统调用接口应用程序与内核的桥梁，提供调用系统服务的途径。3系统程序辅助内核管理系统资源，提供用户界面和管理工具。操作系统的分类批处理操作系统程序以批次形式提交，系统按顺序执行，效率低下，不适合交互式应用。多道程序设计操作系统多个程序同时驻留在内存中，提高CPU利用率，但需要进行资源管理。分时操作系统多个用户同时使用一台计算机，系统将CPU时间分配给各个用户，实现交互式使用。实时操作系统对事件响应速度要求极高，用于控制实时系统，如工业控制、航空航天等。进程的基本概念进程是操作系统中执行程序的基本单位，它是一个动态的概念，表示一个正在运行的程序。一个进程包含程序代码、数据、堆栈和其他资源，操作系统会为每个进程分配独立的内存空间。进程是系统资源分配和保护的基本单位，操作系统会为每个进程维护一个进程控制块(PCB)，记录进程的状态、资源和其他信息。进程的状态与转换1运行状态正在被CPU执行2就绪状态已准备好运行，等待CPU分配3阻塞状态等待某事件发生，例如I/O完成进程状态是指进程在生命周期中的状态，根据进程与CPU的交互情况，进程可以处于运行、就绪或阻塞状态。进程状态之间可以相互转换，例如，一个进程从就绪状态转换为运行状态是因为CPU分配给了它。进程控制与管理进程创建创建新的进程，分配资源，初始化进程控制块。例如，用户执行一个程序，操作系统将创建一个新的进程来执行该程序。进程终止释放进程占用的所有资源，删除进程控制块。例如，当进程执行完毕、遇到错误或用户请求终止时，操作系统将终止该进程。进程挂起将一个运行的进程从内存中移出，保存其状态，并将其置于挂起状态。例如，当内存不足时，操作系统可能会将一些进程挂起，以释放内存空间。进程恢复将一个挂起的进程恢复到内存中，并恢复其状态。例如，当内存空间充足时，操作系统可以恢复一个挂起的进程。进程同步与互斥互斥多个进程共享同一个资源时，确保同一时间只有一个进程访问它。同步多个进程在访问共享资源时，需要按照特定的顺序执行。信号量一种用于控制并发访问的机制，通过信号量来实现进程间的同步与互斥。死锁的概念和条件定义死锁是指多个进程因竞争资源而互相等待，导致所有进程都无法继续执行的状态。条件死锁的发生需要满足四个必要条件：互斥、占有且等待、不可剥夺、循环等待。危害死锁会导致系统资源无法得到有效利用，进程无法正常执行，甚至可能造成系统崩溃。死锁的预防和解决死锁预防死锁预防是通过破坏死锁产生的四个必要条件来避免死锁的发生。例如，可以采用资源预先分配的方式，避免多个进程竞争同一资源。预防方法可以有效地阻止死锁的出现，但可能会降低系统资源利用率和进程运行效率。死锁解决如果死锁已经发生，则需要采取措施来解除死锁。常见的解决方法包括：进程终止、资源抢占、回滚等。解决死锁需要付出一定的代价，例如终止进程可能会导致数据丢失，资源抢占可能会影响其他进程的运行。内存管理的基本概念内存管理是操作系统中的核心功能之一。负责管理计算机系统中的内存资源，包括内存分配、回收和保护。内存管理的目标是优化内存使用，提高程序执行效率，并保证系统稳定运行。连续分配和分页管理1连续分配程序在内存中分配连续的地址空间。单一连续分配分区分配动态分区分配2分页管理程序被分成大小相等的页，在内存中分配非连续的页面。页面大小固定页表管理支持多道程序设计3比较分析分页管理比连续分配更加灵活，但也存在页表开销。内存碎片化页面调度地址转换分段与虚拟内存分段管理将程序地址空间划分为多个段，每个段对应一个逻辑单元。分页管理将物理内存划分为固定大小的页框，程序地址空间划分为大小相同的页。虚拟内存通过页表和地址转换机制，使程序可以访问超出物理内存容量的地址空间。文件管理的基本概念文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行组织、存储、访问和管理。文件是计算机存储信息的最小单位，由数据和相关的属性组成，例如文件名、文件类型、创建时间等。操作系统提供各种操作来管理文件，包括创建、删除、修改、复制、移动、重命名等。文件系统负责管理文件和目录之间的层次结构，方便用户访问和组织文件。文件的存储与目录11.文件存储文件存储在磁盘上，使用索引节点(inode)存储文件元数据，包括文件大小、权限、创建日期和最后修改日期。22.文件目录文件目录是一个层次结构，组织文件和目录，方便用户查找和访问文件。33.目录结构常见目录结构有树形结构、单级目录结构和多级目录结构。44.目录项每个目录项包含文件名和指向inode的指针，inode包含文件元数据。文件的读写操作11.打开文件操作系统提供打开文件操作，为应用程序提供访问文件数据的接口。22.读写文件应用程序通过系统调用进行读写操作，读取文件内容或将数据写入文件。33.关闭文件文件操作结束后，应用程序需关闭文件，释放系统资源，保证文件完整性。文件共享与保护共享方式文件共享允许多个用户访问相同文件，提高资源利用率。常见方式包括用户组共享，权限控制，网络共享等。访问控制访问控制限制用户对文件的访问权限，确保数据安全。操作系统通过权限机制实现，包括读写权限、执行权限等。安全机制文件安全机制包括加密、身份认证、访问日志记录等，确保数据不被非法访问或篡改。设备管理的基本概念设备管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理计算机系统中各种硬件设备。设备管理的目标是提高系统资源利用率，方便用户使用，并保证系统安全可靠运行。设备的分类和特点打印机用于将电子文档转换成纸质副本，具有速度快、质量高等特点。显示器用于将计算机处理后的数据以图形或文字的形式显示出来，拥有清晰度高、色彩丰富等特点。键盘用于输入文字、数字和其他信息，具有响应速度快、操作方便等特点。鼠标用于控制计算机光标的移动和点击操作，拥有灵敏度高、定位精准等特点。设备的分配与管理设备分配设备分配是指将系统中的各种硬件资源分配给不同的进程。分配时应考虑公平性和效率性。常用的分配策略包括静态分配和动态分配。设备管理设备管理是指对系统中各种设备进行有效的管理，包括设备的初始化、分配、释放以及故障处理等。设备管理的核心目标是提高设备的利用率，并保证系统运行的可靠性和稳定性。I/O系统的结构与功能1I/O设备键盘、鼠标、显示器、硬盘等2I/O控制器控制设备与CPU交互3I/O通道负责数据传输4I/O软件驱动程序和管理程序I/O系统是操作系统的重要组成部分。它负责管理和控制计算机系统与外部环境之间的信息交换。I/O系统由硬件和软件两部分组成。磁盘管理与调度磁盘调度算法磁盘调度算法优化数据访问顺序，提高磁盘利用率，减少磁盘寻道时间，提升系统性能。磁盘空间管理分配和回收磁盘空间文件系统管理磁盘碎片整理磁盘性能指标磁盘传输速率磁盘寻道时间磁盘旋转延迟实时操作系统概述实时操作系统（RTOS）主要用于对时间要求严格的应用，例如工业自动化、航空航天、医疗设备等。RTOS的特点是快速响应、确定性、可靠性高，能够在严格的时间限制内完成任务。嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统(EOS)是专为特定硬件平台而设计的操作系统，旨在控制和管理嵌入式系统。嵌入式系统通常用于诸如智能手机、汽车和工业设备等特定领域。嵌入式操作系统通常具有以下特点：体积小、效率高、可靠性强、实时性好等。常见的嵌入式操作系统包括Linux、FreeRTOS和WindowsEmbeddedCompact等。嵌入式操作系统在现代社会中扮演着越来越重要的角色，并在各个领域得到广泛应用。云计算和虚拟化技术云计算云计算是一种按需提供计算资源（如服务器、存储和网络）的方式，用户可以通过互联网访问这些资源，无需直接管理物理基础设施。虚拟化技术虚拟化技术允许在单个物理服务器上创建多个虚拟机，每个虚拟机都可以运行独立的操作系统和应用程序，就像它们在独立的物理服务器上运行一样。云计算与虚拟化技术的关系云计算很大程度上依赖于虚拟化技术，虚拟化技术为云计算提供了基础，使云计算能够提供灵活、可扩展的计算资源。移动操作系统概述移动操作系统是为移动设备设计的操作系统，例如智能手机和平板电脑。它们为用户提供用户界面，管理应用程序，控制硬件组件，并提供各种服务，如网络连接、定位服务、多媒体功能等。常见的移动操作系统包括Android、iOS、WindowsPhone、HarmonyOS等，它们在用户界面、应用程序生态系统、功能特性和目标用户等方面有所区别。操作系统的发展趋势