计算机操作系统课件汤子瀛

计算机操作系统本课程将深入探讨计算机操作系统的核心概念和基本原理。涵盖操作系统的主要功能，如内存管理、文件系统、进程管理、并发控制等等。课程概述课程目标深入理解计算机操作系统的基本概念、原理和工作机制，掌握操作系统的核心技术和应用方法，为进一步学习相关专业课程奠定坚实基础。课程内容操作系统的基本概念进程管理内存管理文件管理输入/输出管理操作系统的安全性操作系统的性能评价操作系统的应用领域学习方法课堂讲授、课后练习、实验实践相结合，积极参与课堂讨论，独立完成课后作业和实验项目，并通过查阅资料、网络学习等方式扩展知识面。操作系统的定义与功能1定义操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，它管理计算机的硬件资源和软件资源，为用户提供一个友好的使用环境。2功能操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、输入/输出管理、安全管理等。3作用操作系统作为计算机系统与用户之间的桥梁，隐藏了硬件的复杂性，为用户提供一个简单的应用程序运行环境。4目标操作系统的目标是使计算机系统高效、安全、方便地运行。操作系统的發展历程1早期操作系统20世纪50年代，操作系统开始出现，主要用于批处理系统，例如IBM的OS/360。2多道程序设计系统20世纪60年代，多道程序设计系统出现，允许多个程序同时运行，提高了系统效率。3分时操作系统20世纪70年代，分时操作系统出现，允许多个用户共享计算机资源，提高了用户体验。4个人计算机操作系统20世纪80年代，个人计算机操作系统开始普及，例如MS-DOS和Apple的MacOS。5现代操作系统20世纪90年代至今，现代操作系统以图形界面、网络功能和多任务处理为主要特征，例如Windows、Linux和MacOSX。操作系统的分类批处理操作系统批处理操作系统以批处理方式执行任务，用户无法直接与系统交互。分时操作系统分时操作系统将CPU时间分配给多个用户，允许多个用户同时使用系统。实时操作系统实时操作系统能够及时响应外部事件，对时间敏感的应用至关重要。网络操作系统网络操作系统管理网络资源，支持计算机之间进行通信。操作系统的基本结构操作系统通常采用分层结构，将复杂的功能分解成多个层次。每个层次提供特定的服务，并依赖于下一层提供的服务。这种分层结构提高了操作系统的可维护性和可扩展性。常见的层次包括：用户接口层、系统调用层、内核层、硬件抽象层。用户接口层负责与用户交互，系统调用层提供系统服务，内核层管理系统资源，硬件抽象层隐藏硬件细节。进程管理进程的概念进程是计算机执行程序的最小单位，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它包含程序代码、数据和系统资源。进程的状态进程在生命周期中经历不同的状态，例如：运行、就绪、阻塞、新建、终止。进程调度操作系统根据不同的策略选择进程进行运行，并分配系统资源，如CPU时间片，内存空间等。进程通信进程之间需要相互通信才能协同完成任务，例如共享数据，同步和互斥等。进程的概念和状态进程的概念进程是指一个正在执行的程序的实例。它是一个动态的概念，包含了程序代码、数据以及系统资源等信息。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都有一个独立的内存空间和地址空间，它们彼此隔离，并通过操作系统进行通信。进程状态进程在其生命周期中会经历不同的状态。常见的进程状态包括运行状态、就绪状态、阻塞状态、创建状态和终止状态。进程可以在这几种状态之间转换，例如，当一个进程获得CPU资源时，它将从就绪状态变为运行状态。当进程等待I/O操作完成时，它将从运行状态变为阻塞状态。进程调度算法先来先服务(FCFS)最简单，按到达时间顺序执行，易于实现。最短作业优先(SJF)选择执行时间最短的进程，能提高系统吞吐率，但可能导致短进程饥饿。优先级调度根据进程优先级进行调度，高优先级进程优先执行，可用于实时系统。时间片轮转将时间划分为时间片，每个进程轮流执行一个时间片，适合分时系统。进程通信机制1共享内存多个进程访问同一内存区域，实现数据交换。2消息传递进程间通过消息队列发送和接收数据。3管道进程间通过管道进行单向数据传递。4信号量实现进程间同步和互斥访问共享资源。内存管理内存管理内存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内存资源的分配、回收和使用。内存管理目标内存管理的目标是有效地利用内存资源，提高内存利用率，防止内存碎片，并为用户进程提供安全、高效的内存环境。内存管理方式分页式内存管理将逻辑地址空间划分成大小相同的页，物理内存也划分成等大小的页框，通过页表将逻辑页映射到物理页框。分段式内存管理将逻辑地址空间划分成若干段，每个段可以有不同的长度，物理内存也划分成段框，通过段表将逻辑段映射到物理段框。段页式内存管理将逻辑地址空间先划分成段，再将每一段划分成大小相同的页，物理内存也划分成页框，通过段表和页表两级映射机制实现逻辑地址到物理地址的转换。虚拟内存技术扩展物理内存虚拟内存技术允许操作系统使用比物理内存更大的地址空间，将部分数据存储在硬盘上，以扩展可用内存。页面调入和调出操作系统将虚拟内存划分为页面，并根据需要将页面从硬盘加载到物理内存，或将其从物理内存移回硬盘。内存保护虚拟内存机制可以防止程序访问其他程序的内存空间，确保系统安全性和稳定性。文件管理文件概念文件是计算机存储信息的单位，包含各种数据和程序，通过文件名进行访问。文件组织文件系统负责组织、存储和管理文件，提供高效的文件访问机制。文件操作操作系统提供文件操作接口，如创建、删除、打开、关闭、读取、写入等。文件的概念和结构11.数据集合文件是存储在计算机系统中的数据集合，包括文本、代码、图片、音频和视频等。22.逻辑结构文件在逻辑上组织成不同的结构，如顺序文件、索引文件、链接文件等，方便访问和管理数据。33.物理结构文件存储在磁盘等存储设备上，通常以块的形式进行组织，以便高效地分配和读取数据。44.属性信息每个文件都具有属性信息，如文件名、大小、创建日期、访问权限等，用于标识和管理文件。文件系统文件系统是操作系统中用于管理文件和目录的结构，它为用户提供了一种组织和访问文件的方式。文件系统可以将数据存储在磁盘或其他存储设备上。文件系统定义了文件的逻辑组织方式，例如目录结构、文件名、文件属性等，并提供了对文件进行访问、修改、删除等操作的接口。输入/输出管理外部设备键盘、鼠标、显示器、打印机等外部设备都需要通过操作系统进行管理。操作系统负责接收外部设备的请求，并将数据传递给应用程序。I/O操作I/O操作包括读取数据、写入数据、控制设备等。操作系统需要管理这些操作的顺序，并保证不同应用程序对设备的访问不会产生冲突。设备驱动程序软件桥梁连接操作系统和硬件设备。硬件控制提供操作硬件设备所需的接口和指令。数据传输管理设备与内存之间的数据传输。错误处理检测和处理设备错误。磁盘管理磁盘分区磁盘分区将物理磁盘划分成多个逻辑磁盘，每个逻辑磁盘都可以被操作系统视为一个独立的磁盘。文件系统文件系统负责组织和管理磁盘上的文件和目录，提供数据存储和访问的抽象层。磁盘阵列磁盘阵列通过将多个磁盘组合在一起，提高磁盘的性能、可靠性和安全性。磁盘存储管理磁盘存储管理负责分配和回收磁盘空间，以确保数据有效存储和高效访问。操作系统的安全性安全威胁计算机病毒、恶意软件和网络攻击是常见威胁。用户错误操作也会造成数据丢失和系统崩溃。安全漏洞是另一个重要威胁，攻击者可以利用这些漏洞入侵系统。安全措施操作系统提供各种安全机制来保护数据和系统。包括访问控制、身份验证、加密、防火墙等。操作系统还提供安全更新来修复漏洞。访问控制机制基于用户的访问控制根据用户身份进行访问控制。每个用户拥有不同的权限，例如访问特定文件或执行特定操作。基于角色的访问控制根据用户角色进行访问控制。每个角色拥有不同的权限，例如管理员拥有更高的权限，而普通用户拥有有限的权限。基于对象的访问控制根据对象的类型和属性进行访问控制。例如，特定文件可能需要特定密码才能访问。操作系统的性能评价11.CPU利用率衡量CPU在单位时间内用于执行用户程序的比例。22.响应时间从用户发出请求到系统给出响应的时间间隔。33.吞吐量单位时间内系统处理的任务数量或数据量。44.系统稳定性系统运行时发生故障的概率，体现系统的可靠性。CPU利用率指标描述CPU利用率CPU处于工作状态的时间占总时间的百分比高利用率表明CPU充分利用，系统效率高低利用率表明CPU空闲时间较多，系统效率低响应时间响应时间是指从用户发出请求到系统做出响应所花费的时间。它是衡量操作系统性能的重要指标之一，反映了系统的及时性和交互性。10ms极快网页加载或移动应用程序响应100ms较快桌面应用程序或游戏响应1s中等大型软件启动或数据库查询响应10s慢长时间任务或大型文件传输吞吐量吞吐量是指在特定时间内系统能够处理的任务数量。例如，每秒处理的文件数量或每秒处理的网页请求数量。操作系统的应用领域桌面系统Windows、macOS和Linux操作系统，为个人电脑提供用户界面，管理硬件资源并运行应用程序。服务器系统Unix、Linux和WindowsServer操作系统，支持网络服务、数据库、Web应用程序等，用于管理网络资源和数据。移动设备系统Android、iOS和HarmonyOS操作系统，为手机、平板电脑等移动设备提供平台，管理硬件和软件，支持应用程序。嵌入式系统嵌入式操作系统如FreeRTOS和Nucleus，运行于物联网设备、汽车和工业设备等，管理硬件，支持特定应用。嵌入式操作系统专用性针对特定硬件平台和应用场景进行设计和优化。资源受限内存、存储空间、处理能力等资源有限。实时性对时间响应要求严格，确保在特定时间内完成任务。低功耗在有限的能源供应下，最大限度地降低功耗。分布式操作系统资源共享分布式操作系统可共享硬件、软件和数据资源，提高资源利用率。并行处理多个计算机协同工作，提高系统处理能力，解决单机无法完成的任务。高可靠性分布式系统中，部分节点故障不会影响整体系统运行，提高可靠性。可扩展性通过添加新的节点扩展系统规模，应对不断增长的计算需求。多媒体操作系统音乐和音频多媒体操作系统提供高质量的音频播放和录制功能，以及对各种音频格式的支持。视频和电影支持高清视频播放，以及对各种视频格式和编解码器的支持。图像和图形提供图像处理软件，以及对各种图像格式的支持，包括矢量图形和像素图形。虚拟现实和增强现实支持虚拟现实和增强现实技术，提供身临其境的体验。实时操作系统严格的时间约束实时操作系统需要在规定的时间内响应外部事件，确保系统及时完成任务。例如，工业控制系统需要在特定的时间内完