计算机操作系统课件汤子瀛

计算机操作系统欢迎来到操作系统课程。本课程将探讨操作系统的基本原理、核心组件、设计策略以及实际应用，帮助你深入理解计算机系统的运作机制。课程概述目标帮助学生掌握操作系统基础知识和原理，了解操作系统在计算机系统中的重要作用，并为学习相关领域打下坚实基础。内容涵盖操作系统的基本概念、进程管理、内存管理、存储管理、输入输出管理、保护与安全、实时操作系统、分布式操作系统和移动操作系统等方面。方式采用课堂讲授、案例分析、实验练习等多种教学方式，帮助学生深入理解操作系统原理和应用。操作系统的基本功能程序管理加载、执行和管理用户程序，提供运行环境。数据管理存储、组织和管理用户数据，确保数据安全性和完整性。设备管理控制和分配系统硬件资源，包括CPU、内存和外设。用户界面提供友好的用户交互方式，方便用户使用系统。进程管理操作系统核心功能之一，负责创建、调度、销毁进程，协调进程间资源使用。进程定义一个正在运行的程序的实例，拥有独立的地址空间、资源和执行环境。进程状态运行、就绪、阻塞，进程在不同状态之间切换，反映其运行状态变化。进程的定义和状态进程是指一个正在运行的程序的实例，它拥有自己的内存空间、资源和其他属性。进程通常处于以下几种状态：运行、就绪、阻塞、创建和终止。进程状态之间的转换取决于系统的调度策略和事件发生。进程调度算法先来先服务(FCFS)按照进程到达的顺序进行调度。最短作业优先(SJF)选择预计运行时间最短的进程进行调度。优先级调度根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。时间片轮转每个进程分配一个时间片，时间片用完后，进程进入就绪队列等待下一次调度。进程同步共享资源访问多个进程可能需要访问相同的资源，例如共享文件或数据库。协调执行确保多个进程能够协同工作，避免数据不一致或竞争条件。同步机制使用信号量、互斥量、条件变量等机制来实现进程同步。死锁资源竞争多个进程竞争有限的资源，导致互相等待对方释放资源。循环等待多个进程形成一个循环等待链，每个进程都等待链中下一个进程释放资源。内存管理内存分配操作系统分配和管理内存资源，为运行的程序提供地址空间。内存保护确保程序访问其分配的内存区域，防止程序之间相互干扰。连续分配内存空间连续分配给每个进程，简单易懂。可能会出现内存碎片，导致内存利用率降低。适合单用户或实时系统，如嵌入式系统。分页1逻辑地址将内存空间分成大小相等的页，每个页都有一个页号。2物理地址将物理内存分成大小相等的页框，每个页框也有一个页框号。3页表将逻辑地址空间中的页号映射到物理地址空间中的页框号。分段逻辑地址空间将程序的地址空间划分为若干段，每个段可以有不同的长度和访问权限，以便更好地管理内存。物理地址空间将内存划分为若干物理段，每个物理段可以存放一个或多个逻辑段，提高内存利用率。段表用于记录逻辑段与物理段之间的映射关系，以便程序能够访问到物理内存。存储管理存储管理是操作系统中最重要的功能之一，它负责管理计算机系统的存储资源，包括内存和外存。1内存管理分配内存空间，管理内存使用，并确保程序能够高效地访问内存。2外存管理管理磁盘和其他外存设备，包括文件系统和数据存储。3缓存管理使用缓存来加速数据访问，提高系统性能。缓存机制速度提升缓存存储器速度远快于主存储器，访问缓存可以显著提高系统性能。减少访问时间通过将频繁访问的数据存储在缓存中，减少了访问主存储器的次数，缩短了程序执行时间。降低主存储器压力缓存机制减轻了主存储器的负担，提高了系统的整体效率。虚拟存储器虚拟存储器允许进程访问比物理内存更大的地址空间。部分程序和数据保存在磁盘上，需要时再调入内存。将内存和磁盘划分为固定大小的页，实现虚拟地址到物理地址的映射。文件系统文件组织文件系统负责管理和组织计算机上的文件和目录，使数据能够被有效地存储和检索。访问控制文件系统提供安全机制，控制用户对文件的访问权限，确保数据的完整性和安全性。数据存储文件系统负责将数据存储在磁盘或其他存储设备上，并提供对数据的读写操作。输入输出管理计算机系统与外部设备之间的交互桥梁，负责管理数据流入和流出。设备驱动程序负责控制和管理特定设备的软件模块。中断机制设备向CPU发出信号，通知数据传输完成或出现异常事件。磁盘管理负责分配和管理磁盘空间，确保数据的可靠存储和快速访问。设备驱动程序1硬件与软件的桥梁设备驱动程序是操作系统与硬件之间的接口，负责管理和控制硬件设备的操作。2硬件特性的封装驱动程序隐藏了硬件设备的复杂细节，为应用程序提供统一的接口。3提高资源利用率驱动程序负责分配和管理硬件资源，提高资源利用率，确保系统高效运行。中断机制中断定义中断是一种硬件机制，用于通知操作系统有事件发生，例如键盘输入、磁盘操作完成或错误发生。中断处理流程当一个中断发生时，处理器会保存当前执行的程序状态，并跳转到一个预定义的处理程序来处理该事件。中断类型中断可以分为硬件中断和软件中断，硬件中断由硬件事件触发，软件中断由程序指令触发。磁盘管理存储空间管理为文件分配存储空间，包括磁盘空间的分配和回收。数据访问控制控制用户对磁盘数据的访问权限，确保数据安全性和完整性。磁盘性能优化通过磁盘调度算法和缓存机制提高磁盘读写速度和效率。保护与安全操作系统保护系统是保护计算机系统资源和用户数据安全的核心机制。它负责控制用户和程序对系统资源的访问权限，防止恶意软件或程序破坏系统。访问控制操作系统通过访问控制机制限制用户对系统资源的访问权限，例如文件、内存、设备等。认证与授权用户需要进行身份验证才能访问系统资源，系统根据用户的身份和权限授权用户访问相应的资源。访问控制操作系统通过访问控制机制来保护系统资源，防止未经授权的访问。访问控制列表(ACL)或访问控制矩阵是常用的访问控制方法。访问控制可以基于用户身份、组成员身份或资源类型来实施。认证与授权认证验证用户身份的过程，确保用户是其声称的人。授权根据用户身份赋予其访问特定资源或执行特定操作的权限。加密技术对称加密使用相同的密钥进行加密和解密。例如，AES、DES。非对称加密使用不同的密钥进行加密和解密。例如，RSA、ECC。哈希算法将任意长度的输入数据转换为固定长度的输出数据。例如，MD5、SHA-256。实时操作系统实时操作系统(RTOS)是专门为实时应用而设计的操作系统。与通用操作系统不同，RTOS需要满足严格的时间约束，确保任务在规定的时间内完成。实时任务特性时限性实时任务必须在特定的时间限制内完成，否则可能会导致系统故障或不可预测的行为。确定性实时任务的执行时间必须是可预测的，以确保任务在规定的时间内完成。可靠性实时系统必须高度可靠，以确保任务的正确执行，即使在遇到故障或异常情况时。实时调度算法1先到先服务最简单，但可能无法满足实时任务的延迟要求。2优先级调度根据优先级分配CPU时间，适合紧急任务。3最短剩余时间优先优先执行剩余时间最短的任务，减少平均响应时间。4时间片轮转将CPU时间分成时间片，每个任务分配一个时间片，轮流执行，提高系统公平性。实时系统案例分析1航空控制系统航空控制系统需要精确的时间控制和可靠性，实时操作系统能够确保飞机在不同飞行阶段的稳定性和安全。2工业自动化工业自动化系统使用实时操作系统控制生产线上的机器和设备，提高效率和生产质量。3医疗设备医疗设备，例如心电图仪和呼吸机，需要实时操作系统保证数据的准确性和及时处理，以保障患者的安全。分布式操作系统分布式系统概述分布式操作系统将计算资源分散到多个物理节点上，以提高性能、可靠性和可扩展性。应用场景适用于大规模数据处理、高并发访问和高可用性需求。分布式体系结构客户端-服务器客户端与服务器之间的交互，通常用于Web应用和数据库。对等网络节点之间平等交流，例如BitTorrent文件共享。云计算将资源池化，提供按需服务，例如AWS和Azure。进程通信和同步消息传递：进程间通过传递消息进行通信，例如管道、消息队列。同步机制：确保多个进程访问共享资源的正确性，例如信号量、互斥锁。远程过程调用(RPC)：允许一个进程调用另一个进程的函数，跨越网络边界。分布式文件系统数据冗余通过将数据复制到多个节点，可以提高容错能力，即使某个节点出现故障，也不会导致数据丢失。数据一致性保证分布式文件系统中数据的一致性是关键挑战，需要考虑并发访问和网络延迟等因素。数据访问效率通过分布式存储和负载均衡，可以提高数据访问速度，满足高并发访问需求。移动操作系统移动操作系统是专门为移动设备设计的操作系统，例如智能手机、平板电脑等。它与传统的台式机操作系统相比，具有独特的特点。移动设备特点移动设备通常资源有限，例如电池寿命、屏幕尺寸、存储空间等。用户交互移动设备的用户交互方式与台式机不同，例如触摸屏、手势操作等。网络连接移动设备通常需要连接到移动网络或Wi-Fi网络才能使用。移动端特点便携性移动设备体积小巧，易于携带，方便用户随时随地访问信息和服务。多点触控触控屏技术带来更直观的交互方式，用户可以通过手指点击、滑动等操作进行操作。无线连接移动设备可以通过无线网络连接互联网，实现随时随地访问互联网内容和服务。Android和iOS概述AndroidAndroid是由Google开发的一种开源移动操作系统，为各种设备提供灵活性和定制性。iOSiOS是由苹果公司开发的一种闭源移动操作系统，以其简洁的界面和安全的生态系统而闻名。移动操作系统的发展趋势1人工智能人工智能正在为移动操作系统带来新的可能性，例如智能助手、个性化推荐和预测性维护。2物联网移动操作系统将与物联网设备无缝集成，使设备之间实现互联互通和数据共享。35G技术