《操作系统的介绍》课件

操作系统的介绍操作系统是计算机系统的核心，负责管理和控制硬件资源以及软件资源。它提供一个抽象层，让用户和应用程序可以方便地使用硬件。什么是操作系统操作系统是计算机系统的核心软件，它是连接硬件和软件的桥梁，为用户提供一个友好的界面，管理系统资源。资源管理操作系统管理计算机的硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和网络，为用户提供访问这些资源的接口。任务管理操作系统管理用户的程序和数据，在多个程序之间切换，确保程序之间互不干扰，并提供用户界面进行操作。操作系统的功能管理计算机资源操作系统管理计算机的硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和打印机，并分配给不同的应用程序。提供用户界面操作系统提供用户与计算机交互的界面，包括图形界面和命令行界面，方便用户操作。管理文件系统操作系统负责存储和组织文件，提供文件创建、删除、复制和移动等操作，方便用户管理数据。网络支持操作系统提供网络连接功能，支持数据传输、文件共享和远程访问等网络操作。操作系统的分类11.批处理操作系统批处理操作系统是一种早期操作系统，它一次运行一批作业，无需用户干预。22.分时操作系统分时操作系统允许多个用户同时使用计算机，并共享系统资源。33.实时操作系统实时操作系统主要用于需要快速响应时间和高可靠性的应用，例如工业控制和航空航天。44.微机操作系统微机操作系统专为个人电脑而设计，具有用户友好界面和丰富的应用程序。操作系统的發展歷史1早期操作系统20世纪50年代，出现了批处理操作系统，如IBM的OS/360。它们能够自动执行一批任务，提高了计算机资源的利用率。2分时操作系统20世纪60年代，分时操作系统诞生，如Multics和Unix。这些系统允许多个用户同时使用计算机，并共享系统资源。3现代操作系统20世纪70年代至今，出现了各种类型的现代操作系统，如Windows，macOS和Linux。它们提供了图形用户界面，多任务处理，网络功能以及其他高级功能。批处理操作系统批处理操作系统的特点作业被预先收集起来，并按顺序执行。特点没有交互，用户无法干预作业的执行。应用场景适用于科学计算、工程设计等大量重复性任务。分时操作系统时间片轮转分时操作系统将CPU时间分成许多时间片，轮流分配给多个用户，每个用户都拥有一个独立的进程。交互式操作用户可以在系统运行时，通过键盘、鼠标等设备与系统进行交互，获得及时的响应。多任务处理多个用户可以在同一时间使用系统，多个程序可以同时运行，提高系统效率。实时操作系统实时性实时操作系统必须在严格的时间限制内响应事件。确定性实时操作系统的行为必须是可预测的，确保响应时间一致。可靠性实时操作系统需要高度可靠，以确保系统稳定运行。微机操作系统MacOS专为苹果电脑设计的操作系统，以用户友好和美观著称，拥有强大的图形界面和丰富的应用程序。Windows微软公司开发的图形用户界面操作系统，在个人电脑领域占有主导地位，支持各种硬件和软件。Linux开源操作系统，拥有广泛的版本和发行版，以稳定性和可定制性而闻名，在服务器和嵌入式系统中应用广泛。Windows操作系统Windows操作系统是世界上使用最广泛的操作系统之一。它由微软公司开发，目前已有超过10亿台设备使用它。Windows操作系统是一个图形用户界面(GUI)操作系统，它使用户能够轻松地与计算机进行交互。Windows支持多种硬件和软件，提供了强大的功能，例如多任务处理、多用户支持和网络功能。Windows操作系统经历了多个版本的演变，从早期的Windows95到最新的Windows11。每个版本都带来了新的功能和改进，以满足不断变化的用户需求。Unix/Linux操作系统Unix和Linux操作系统是世界上最流行的操作系统之一。它们以其稳定性、安全性、可移植性和开源性而闻名。Unix是一个多用户、多任务操作系统，最初由贝尔实验室开发。Linux是一个基于Unix的操作系统，由LinusTorvalds开发。它们都提供了强大的命令行界面，并支持各种编程语言和应用程序。操作系统的内核11.内核概述内核是操作系统的核心，管理系统资源，提供系统服务。22.内核类型单内核、微内核、混合内核，各有优劣，满足不同系统需求。33.内核功能进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等，确保系统稳定运行。44.内核设计注重效率、可靠性、安全性，满足现代系统复杂需求。进程管理进程的概念进程是程序执行的一个实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。进程状态进程可能处于运行、就绪、阻塞等状态，操作系统会根据状态进行调度。进程调度调度算法决定了进程运行的顺序和时间片分配，影响系统性能。内存管理内存分配操作系统负责分配和回收内存空间，确保各个进程都能获取所需内存资源。操作系统使用不同的内存分配策略，如分页、分段等，优化内存利用率。内存保护操作系统为每个进程设置内存边界，防止进程访问其他进程的内存空间，保证系统安全性和稳定性。内存保护机制可防止恶意程序攻击，确保系统安全。文件管理文件组织文件管理系统负责管理文件和目录结构，提供创建、删除、重命名、复制、移动等操作，以便用户高效地访问和管理文件。访问控制操作系统通过权限控制机制，确保只有授权用户才能访问特定文件，保护文件完整性和安全性。数据备份文件管理系统支持备份和恢复功能，防止数据丢失，保障用户数据安全。共享机制操作系统提供文件共享功能，允许多个用户或程序访问同一个文件，提高资源利用率。设备管理1硬件抽象层操作系统为应用程序提供统一的接口，屏蔽硬件差异。2设备驱动程序特定硬件设备的软件，允许操作系统控制硬件。3设备分配和管理管理设备访问，避免冲突，并有效利用资源。4输入输出操作处理应用程序与硬件之间的通信，例如文件读写和网络传输。安全与保护用户身份验证保护系统资源免受未经授权的访问，例如密码和生物识别技术。访问控制限制用户对特定文件、目录和系统资源的访问权限。数据加密通过加密算法保护敏感数据，防止未经授权的访问。恶意软件防御使用反病毒软件、防火墙和入侵检测系统来保护系统免受恶意软件的攻击。操作系统的体系结构内核内核是操作系统的核心，负责管理系统资源，如CPU、内存、磁盘等。系统调用接口用户程序通过系统调用接口与内核交互，请求内核执行操作。用户程序用户程序是运行在操作系统之上的应用程序，如文本编辑器、浏览器等。操作系统的服务用户界面提供用户与操作系统交互的界面，例如图形界面或命令行界面。文件管理管理文件和目录，提供创建、删除、复制、移动等操作。程序执行加载并执行应用程序，管理程序之间的资源分配和通信。数据存储提供磁盘空间和数据存储服务，包括文件系统和数据库管理。系统调用定义系统调用是用户程序与操作系统内核之间进行交互的接口。程序员使用系统调用来访问操作系统提供的服务，例如文件读写、内存分配和进程创建。作用系统调用提供了一种安全且受控的方式，让用户程序访问系统资源。它确保用户程序无法直接访问硬件，防止程序错误或恶意软件破坏系统。操作系统的引导过程1加载引导程序从BIOS或UEFI开始执行。2引导加载器加载操作系统内核。3内核初始化启动关键系统服务。4设备驱动加载为硬件设备提供支持。操作系统引导过程始于硬件启动，BIOS或UEFI加载引导加载器，然后引导加载器加载操作系统内核。内核初始化系统服务，例如内存管理、进程调度和设备驱动程序加载。引导过程完成后，操作系统进入运行状态，可以执行用户程序。操作系统的启动过程1加载引导程序从硬盘读取引导扇区2初始化硬件检测并配置硬件设备3加载内核将内核文件复制到内存4启动系统服务初始化系统核心组件5用户登录提供用户界面，允许用户登录操作系统启动过程是一个复杂的步骤，涉及从加载引导程序到启动系统服务的多个阶段。引导程序是启动操作系统的第一步，它读取并加载内核，将内核复制到内存中，并启动系统服务。系统服务包括进程管理、内存管理、文件管理和设备管理等，它们是操作系统正常运行的基础。操作系统的关闭过程用户退出用户选择关闭系统选项，发出关闭命令。系统清理操作系统执行清理操作，包括关闭应用程序、释放内存和保存数据。关闭设备操作系统关闭所有硬件设备，例如硬盘、键盘和鼠标。重启操作系统将控制权转移到引导程序，开始重新启动过程。操作系统的性能指标指标描述吞吐量单位时间内系统处理的任务数量响应时间系统对用户请求做出响应所需的时间CPU利用率CPU处于繁忙状态的时间百分比内存利用率内存被使用的程度磁盘I/O吞吐量单位时间内磁盘读写数据的数量网络吞吐量单位时间内网络数据传输的速率操作系统的性能优化资源利用率提高CPU、内存、磁盘等资源的利用效率。系统响应时间缩短用户请求的响应时间，提高用户体验。系统吞吐量提升系统在单位时间内处理的任务数量。安全性增强系统安全性，防范恶意攻击和数据泄露。虚拟化技术虚拟化虚拟化技术允许在单个物理硬件平台上运行多个操作系统实例。虚拟化层作为虚拟机和物理硬件之间的桥梁，管理资源分配并提供隔离机制。类型虚拟化主要包括系统虚拟化和进程虚拟化两种。系统虚拟化创建完整的操作系统环境，而进程虚拟化在共享内核上运行多个进程。优势虚拟化提高了资源利用率，降低了硬件成本，并简化了管理和维护。它还提供了灵活性和可扩展性，允许快速部署和扩展应用程序。容器技术轻量级虚拟化容器技术利用操作系统内核的资源，提供更轻量级的虚拟化，与传统的虚拟机相比，启动速度更快、资源占用更少。资源隔离容器将应用程序及其依赖项打包在一起，实现资源隔离，每个容器之间相互独立，不会相互影响。可移植性容器可以轻松地在不同的平台上运行，跨平台的兼容性高，便于应用程序的部署和迁移。可扩展性容器技术支持水平扩展，可以根据需要快速增加或减少容器实例，提高应用程序的可用性和性能。云计算中的操作系统云操作系统为云计算环境而设计，提供虚拟化、资源管理、安全等功能。云平台例如AmazonEC2、GoogleComputeEngine、MicrosoftAzure等，提供云操作系统。虚拟机云操作系统运行在虚拟机中，可以快速创建和销毁。云资源管理云操作系统管理云平台的资源，包括CPU、内存、存储等。物联网中的操作系统资源受限物联网设备通常具有有限的处理能力、内存和存储空间，需要专门的操作系统来管理这些资源。低功耗为了延长电池寿命，物联网操作系统需要优化功耗，支持休眠模式和低功耗通信协议。安全物联网设备连接到网络，安全至关重要。操作系统需要提供安全功能，如身份验证、访问控制和数据加密。连接性物联网操作系统需要支持各种通信协议，如Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络和LPWAN，以便设备能够连接到互联网。未来操作系统的发展趋势人工智能未来操作系统将会更加智能化，能够自主学习和适应用户的行为习惯，提供更个性化的服务。例如，自动调整系统配置、优化资源分配，以及提供智能化的应用建议。云计算云计算将成为未来操作系统的重要组成部分，操作系统将以云服务的形式提供，用户可以通过网络访问操作系统，并享受到云服务带来的便利性。物联网物联网将连接大量的设备，未来操作系统需要支持物联网设备的管理和控制，并提供安全可靠的通信机制。增强现实增强现实技术将与操作系统结合，提供更丰富、更直观的交互体验，用户可以通过增强现实技