《操作系统概述》课件

操作系统概述了解操作系统的基本概念和功能,探讨其在计算机系统中的重要地位。透过对操作系统的定义、历史发展和主要特性的深入分析,为后续学习奠定坚实基础。什么是操作系统系统软件操作系统是计算机系统中最基础的系统软件,负责管理和控制整个计算机系统的硬件资源。资源管理器它提供了一个平台,允许用户和应用程序访问和使用计算机的各种资源,如内存、CPU、存储设备等。交互界面操作系统为用户和计算机系统之间的交互提供了友好的图形用户界面或命令行界面。操作系统的功能资源管理操作系统负责管理计算机的各种硬件资源,如CPU、内存和外设等,确保各个应用程序可以公平高效地使用这些资源。用户交互操作系统提供各种用户界面,如命令行和图形界面,使用户能够方便地与计算机进行交互和操作。错误处理操作系统能够监测硬件和软件的错误,并采取相应的措施来解决问题,提高系统的可靠性和稳定性。安全保护操作系统通过身份验证、权限控制等机制,确保计算机系统和数据的安全性,防止未经授权的访问。操作系统的组成内核操作系统的核心部分,负责管理硬件资源和底层系统服务。外壳提供用户与操作系统交互的界面,如命令行或图形界面。实用程序各种系统管理和维护工具,如文件管理、网络配置等。系统库为应用程序提供标准的系统调用接口和编程API。操作系统的分类单用户单任务这类操作系统只能由一个用户使用,同时只能执行一个任务。PC上常见的Windows和MacOS就属于这种类型。多用户多任务这类操作系统可以由多个用户同时使用,每个用户可以并发执行多个任务。Unix和Linux就属于这种类型。实时操作系统这类操作系统能在严格的时间限制内对外部事件做出快速响应,主要应用于工业控制和嵌入式系统。分时操作系统这类操作系统能让多个用户共享计算机资源,各用户通过终端机访问主机,感觉像独占使用一样。单道批处理系统线性处理单道批处理系统按照作业的顺序逐一执行，作业一个接一个地运行。这样可以提高资源利用率，但响应时间较长。资源共享所有作业共享内存、CPU和I/O设备等系统资源。系统资源利用率较高但无法并行处理多个作业。优缺点优点:资源利用率高,管理简单缺点:响应时间长,作业顺序固定,无交互性多道批处理系统并行处理多道批处理系统可以同时运行多个程序,提高了计算机的利用率和资源效率。动态调度操作系统会根据各进程的优先级动态调度,确保高优先级任务优先得到执行。内存分区系统将内存划分为多个分区,可以同时加载多个程序并有效利用内存资源。分时操作系统资源共享分时系统允许多个用户同时使用系统资源,包括CPU时间、内存和外设等。快速切换任务分时系统采用时间片轮转的方式,快速在多个用户任务之间切换,实现并发执行。交互式计算分时系统支持用户通过终端实时交互式地使用系统,提高了计算效率。实时操作系统快速响应实时操作系统针对严格的时间要求进行设计,能在规定的时间内快速做出响应和处理。可靠性实时操作系统有特殊的错误检查和容错机制,确保在紧急情况下不会出现故障。时间控制实时操作系统精确控制各项任务的执行时间,确保关键任务能按时完成。应用领域实时操作系统广泛应用于工业控制、航空航天、医疗设备等对时间敏感的领域。微机操作系统个人电脑专用微机操作系统专门为个人电脑设计,提供了使用方便、界面友好的操作环境。资源管理高效微机操作系统能够有效管理个人电脑的处理器、内存、存储设备等资源。多任务处理微机操作系统支持多个程序并行执行,提高了个人电脑的工作效率。图形化用户界面微机操作系统采用图形化用户界面,使得操作更加直观和简单。操作系统的发展历程1第一代操作系统20世纪40年代,第一代操作系统采用机械式程序控制,具有低效、缺乏灵活性等特点。2第二代操作系统50年代末至60年代初,第二代操作系统支持批处理和多道程序设计,改善了操作效率。3第三代操作系统60年代至70年代,第三代操作系统采用虚拟存储技术,支持多道程序和分时处理。4第四代操作系统70年代至今,第四代操作系统采用分布式技术,支持图形用户界面和多任务处理。第一代操作系统基于机器语言编程第一代操作系统依赖于繁琐的机器语言编程,效率极低。采用批处理方式用户提交作业,由操作员手动装载并执行,无交互能力。运行环境原始计算机硬件配置简陋,内存容量小,无图形界面,极不友好。仅支持单任务不支持多任务并发,用户需等待当前任务完成才能使用。第二代操作系统增强处理能力第二代操作系统引入了新型CPU,可支持多任务并行和时间共享,极大提高了系统的处理能力。改进内存管理采用虚拟存储技术,可动态分配内存,提高了内存利用率和系统的稳定性。引入数据库技术通过数据库系统,操作系统可以更好地管理和共享各种类型的数据资源。支持多任务执行第二代操作系统可以同时执行多个用户程序,大大提高了系统的利用率和响应速度。第三代操作系统计算机硬件进步1960年代,计算机硬件取得巨大进步,芯片和集成电路的出现大幅提升了计算机的性能和可靠性。操作系统逐步成熟这个时期,操作系统也逐步从基础功能发展到更加复杂和强大,如分时系统、虚拟存储等技术的出现。IBMSystem/360系列问世1964年,IBM推出了具有革命性的System/360系列,标志着第三代操作系统的到来。这款机器具有高性能、高可靠性和良好的兼容性。第四代操作系统更加智能化第四代操作系统采用了人工智能技术,能够自主学习和优化系统性能,为用户提供智能化服务。实现无缝互联第四代操作系统支持多种设备协作,实现跨平台、跨领域的无缝协作与资源共享。提高系统安全性第四代操作系统采用了更加先进的安全防护机制,能够有效应对各类网络安全威胁。增强用户体验第四代操作系统通过智能化界面和个性化定制,为用户提供更加友好、更加自然的交互体验。操作系统的主要概念进程管理操作系统负责创建、调度和控制进程,确保各个程序能够公平有序地运行。内存管理操作系统负责分配和管理内存资源,确保各程序能够安全、高效地访问内存。设备管理操作系统提供设备驱动程序,协调外设与CPU之间的通信和数据传输。文件管理操作系统维护文件系统,为用户提供文件的创建、读写、删除等功能。进程管理1进程创建操作系统可以根据用户请求或系统事件创建新的进程,分配所需资源。2进程调度操作系统会根据一定的调度算法,合理安排进程的执行顺序,提高系统利用率。3进程通信进程之间可以通过消息传递、共享内存等方式进行信息交换和协调。4进程同步操作系统提供多种同步机制,如互斥锁、信号量等,用于协调进程行为。内存管理动态分配操作系统动态地为进程分配和回收内存空间,让有限的物理内存得到高效利用。虚拟内存通过虚拟内存技术,操作系统可以为每个进程提供独立的逻辑地址空间,更好地满足进程对内存的需求。页面置换当内存不足时,操作系统会将暂时不用的页面换出到磁盘,为活跃进程腾出空间。内存保护操作系统通过内存访问控制机制,保护进程之间的内存空间隔离,确保系统安全稳定。设备管理1驱动程序管理操作系统负责加载和管理设备驱动程序,确保软硬件协作无间。2设备分配与调度操作系统合理分配和调度硬件资源,提高系统整体效率。3设备故障处理操作系统能及时检测并处理设备故障,保证系统的可靠性。4设备虚拟化操作系统通过虚拟化技术,隔离应用与底层硬件,增强可移植性。文件管理多层级文件系统通过分层管理文件和目录,有效组织和管理海量数据。检索和查找灵活的文件搜索和查找功能,帮助快速定位所需内容。文件操作提供复制、移动、删除等基本文件管理功能,满足日常需求。访问权限通过权限控制,确保数据安全并有效共享给指定用户。作业管理任务调度操作系统负责管理和调度系统中的各种任务和作业,确保资源的合理分配和高效利用。资源管理操作系统会合理分配和管理系统中的各种资源,如CPU时间、内存空间、存储空间等,提高系统的整体效率。优先级设置操作系统会根据任务的重要性和紧急程度设置不同的优先级,确保关键任务能够优先得到处理。操作系统的接口命令行界面基于文本的命令行界面提供了直接控制操作系统的方式,适合熟练用户使用。图形用户界面图形化的图标和菜单使得操作系统更加直观和易用,适合一般用户。应用程序接口API为应用程序提供了标准的编程接口,以便调用操作系统的各种功能。系统调用系统调用是应用程序与操作系统内核之间的直接通信方式,用于访问系统资源。命令行界面简洁高效命令行界面通过输入文本命令的方式与操作系统交互,可以快速完成复杂的任务。直接操作用户可以直接控制计算机的内部运行细节,拥有更多的权限和灵活性。广泛应用命令行界面广泛应用于服务器、开发环境等领域,是专业用户必备的工具。图形用户界面直观易用图形用户界面通过直观的图形图标和交互元素,让用户能够更容易地理解和使用操作系统。鼠标驱动图形用户界面主要通过鼠标控制,点击图标和菜单完成各种操作,操作更加自然。窗口管理图形用户界面可以同时打开多个窗口,并能够在它们之间切换,提高工作效率。桌面环境图形用户界面提供了直观的桌面环境,让用户能够更好地管理文件和应用程序。应用程序接口作为连接点应用程序接口(API)是一种软件组件,它定义了应用程序与操作系统或其他应用程序之间的交互方式。API充当了连接应用程序和系统资源的通道。功能丰富API提供了各种功能,如文件访问、网络通信、数据处理等,使开发者能够更方便地构建应用程序,而无需直接与底层系统交互。开放标准为了促进软件生态系统的互操作性,许多API都遵循开放标准,这使得不同应用程序和系统之间可以更容易地进行集成和交互。跨平台支持API可以为跨平台的应用程序提供支持,使开发者能够在不同操作系统上构建和部署应用程序。系统调用1核心功能访问系统调用是程序访问操作系统核心功能的主要方式,如进程管理、文件管理、设备管理等。2应用程序与内核交互应用程序通过系统调用与操作系统内核进行交互,以完成各种任务。3编程接口标准不同操作系统提供的系统调用接口可能不同,但遵循一定的标准规范。4安全机制保障系统调用机制确保应用程序在受控的环境下访问操作系统资源,保障系统安全。操作系统的体系结构单内核结构所有的操作系统组件都运行在单个内核中,提供了简单而高效的设计。但也存在单点故障的风险。微内核结构只在内核中包含最基本的功能,其他服务在用户空间中运行,提高了系统的灵活性和可扩展性。混合结构结合了单内核和微内核的优点,在内核中包含关键服务,其他服务在用户空间中运行。虚拟机结构在虚拟机监视器上运行多个操作系统实例,提供了强大的隔离和安全性。单内核结构核心单一单内核操作系统将所有的核心功能集中在一个大型的内核中执行。结构简单由于内核结构相对简单,单内核操作系统通常具有较高的性能和稳定性。功能全面内核负责进程管理、内存管理、设备驱动等各种系统功能的实现。扩展受限由于内核结构庞大,单内核系统扩展性和灵活性较差,难以适应新需求。微内核结构灵活性与扩展性微内核结构将操作系统核心功能简化,其他功能模块独立运行,提高了系统的灵活性和扩展性。简化内核设计微内核结构将操作系统功能划分为多个相对独立的模块,仅保留最基本的内核组件,极大简化了内核设计。稳定性与可靠性由于核心功能简单,微内核结构提高了系统的稳定性和可靠性,减少了系统故障的发生概率。混合结构单内核结构保留了内核的全部功能和控制能力，提供一体化的操作系统架构。微内核结构将操作系统的核心功能最小化，提高可移植性和灵活性。混合结构结合单内核和微内核的优点，在性能和灵活性之间寻求平衡。虚拟机结构1虚拟化技术虚拟机架构利用虚拟化技术,允许在同一物理硬件上运行多个独立的操作系统实例。2隔离性和灵活性每个虚拟机都是独立隔离的,可根据需求灵活分配和管理计算资源。3高可用性和可扩展性虚拟机可轻松迁移和备份,提高系统的高可用性和可扩展性。4虚拟机监控器虚拟机监控器(又称为管