《操作系统OS》课件

《操作系统OS》课件简介本课件旨在为学习操作系统提供全面、系统、易懂的指导。涵盖操作系统基础知识、关键概念和实际应用场景。操作系统的定义和作用定义操作系统是管理计算机硬件和软件资源的软件系统。它提供了一个抽象层，使得用户能够方便地使用计算机资源。作用操作系统是计算机系统中不可或缺的一部分。它管理着CPU、内存、磁盘、打印机等硬件资源，为用户提供一个统一的接口，并为应用程序提供运行环境。操作系统的基本功能管理计算机硬件资源操作系统负责管理和分配计算机硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和外设，以确保有效利用和协调运行。提供用户界面操作系统为用户提供交互界面，例如命令行界面或图形用户界面，使他们能够轻松地使用计算机。管理文件和目录操作系统负责存储、组织和访问文件和目录，并提供对文件进行操作的工具，例如创建、删除、复制和移动。支持应用程序运行操作系统为应用程序提供必要的运行环境，例如内存分配、设备驱动程序和系统调用，使其能够顺利运行。操作系统的發展历程早期操作系统批处理系统，例如IBM的OS/360和UNIVAC的EXEC8，引入了作业控制语言和简单的内存管理机制。多道程序设计系统UNIX和Multics等系统引入多道程序设计，允许多个程序同时运行，提高了CPU利用率。分时操作系统分时系统，例如CTSS和Multics，允许多个用户同时使用计算机，通过时间片轮转技术共享CPU资源。现代操作系统现代操作系统，例如Windows，macOS和Linux，提供了强大的图形界面，支持多任务处理，虚拟内存，文件管理，安全性和网络功能。操作系统的类型服务器操作系统服务器操作系统侧重于多任务处理、资源管理和网络功能，适用于大型服务器、数据中心和云计算。桌面操作系统桌面操作系统主要针对个人计算机，提供友好的用户界面、应用程序支持和多媒体功能，例如Windows、macOS和Linux。移动操作系统移动操作系统专为移动设备设计，提供触控界面、应用程序商店和低功耗管理功能，例如Android和iOS。嵌入式操作系统嵌入式操作系统用于各种嵌入式系统，如智能家电、汽车和工业设备，它们通常具有低资源占用、实时性高和特定功能的特点。进程管理11.进程的概念进程是操作系统中一个独立运行的基本单元，是程序在内存中的动态执行过程。22.进程的状态进程在运行过程中会处于不同的状态，例如就绪、运行、阻塞等。33.进程的创建和终止操作系统负责创建和终止进程，并管理进程的生命周期。44.进程的调度操作系统通过调度算法分配CPU时间片，决定哪个进程占用CPU。进程的概念和状态进程定义进程是正在执行的程序的一个实例。它是一个独立的执行单元，拥有自己的内存空间和系统资源。进程状态进程有不同的状态，如运行、就绪、阻塞等，反映了进程在执行过程中的不同阶段。进程的调度算法先到先服务（FCFS）最简单的调度算法，先到达的进程先获得CPU。优先级调度根据优先级高低决定CPU分配顺序，优先级高的进程先获得CPU。时间片轮转调度每个进程获得一个时间片，时间片用完后，进程进入就绪队列等待下一次调度。最短作业优先调度选择预计运行时间最短的进程，将其分配给CPU。进程间通信共享内存共享内存区域允许进程直接访问内存空间，加快数据交换速度。消息传递进程通过发送和接收消息进行通信，消息传递提供灵活的通信方式，适合不同类型进程。管道管道是用于连接相关进程的一系列字节，单向数据流，实现进程间的数据传递。套接字套接字是一种用于网络通信的机制，适用于进程之间进行远程通信。死锁问题及其预防死锁的概念当两个或多个进程互相等待对方释放资源时，就会发生死锁。这些进程将永远处于阻塞状态，无法继续执行。死锁的预防预防死锁可以通过破坏死锁发生的四个必要条件之一来实现，例如使用资源分配顺序，或者避免循环等待。内存管理内存管理内存管理是指操作系统如何分配、使用和回收计算机系统内存。内存地址空间操作系统将物理内存划分为多个逻辑地址空间，每个进程有自己的地址空间。内存碎片内存碎片是指内存中无法分配给任何进程的空闲空间，会降低内存利用率。虚拟内存技术虚拟内存技术允许进程使用比物理内存更大的地址空间，提高内存利用率。虚拟内存技术物理内存不足虚拟内存技术允许程序使用比物理内存更大的地址空间，提高系统效率。页面置换算法操作系统需要决定将哪些页面从内存中移除，常用的算法有FIFO、LRU和OPT。提高系统效率虚拟内存技术可以运行更大的程序，提高多任务处理效率，支持更多用户同时使用系统。页式管理和段式管理页式管理将逻辑地址空间划分为大小相等的页，物理地址空间也划分为相同大小的页框。逻辑地址转换为物理地址页面置换算法段式管理将逻辑地址空间划分为大小不等的段，每个段对应一个逻辑地址范围。段表存放段的起始地址和长度段式管理适用于多用户系统和程序共享磁盘管理磁盘空间管理磁盘空间管理是将磁盘空间分配给文件和目录，以确保有效利用磁盘空间。它包含磁盘格式化、文件系统建立和管理，以及磁盘空间分配和回收。磁盘调度算法磁盘调度算法用于优化磁盘读写操作，提高磁盘访问效率。常用的调度算法包括先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法和电梯算法等。文件管理1文件的概念和操作文件是存储在存储介质上的数据集合，可以是文本、程序、图片等。操作系统提供对文件进行创建、读取、写入、删除、重命名等操作。2文件目录结构文件目录结构用于组织和管理文件。它采用树形结构，每个节点代表一个目录或文件，目录可以包含子目录和文件。3文件系统类型常见的文件系统类型有FAT、NTFS、ext2/3/4等，它们在文件组织、存储分配、访问控制等方面有所区别。文件的概念和操作文件定义文件是存储在计算机上的信息集合，可以是文本、图像、视频或程序等。文件操作对文件的操作包括创建、打开、读取、写入、关闭、删除等，操作系统提供系统调用来执行这些操作。文件属性每个文件都有属性，如文件名、大小、类型、创建时间、访问时间等，用于标识和管理文件。文件目录结构树形结构树形结构是一种常用的文件目录结构，它将文件组织成树状层次。根目录根目录是树形结构的根节点，它包含所有其他目录和文件的入口点。子目录子目录是根目录或其他目录的子节点，它们可以包含其他文件或子目录。设备管理设备分类设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种硬件设备。设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，它负责控制和管理设备的运行。输入/输出子系统输入/输出子系统负责处理数据在计算机系统和外部设备之间的传输。中断机制中断机制是设备与操作系统进行通信的重要方式，它能够及时通知操作系统设备的状态变化。设备的分类和特性网络设备网络设备连接网络并传输数据，例如路由器、交换机和网卡。存储设备存储设备用于存储数据，包括硬盘、SSD和USB闪存盘。输入设备输入设备接收用户指令，例如键盘、鼠标和扫描仪。输出设备输出设备将处理结果呈现给用户，例如显示器、打印机和扬声器。设备驱动程序1软件接口设备驱动程序充当硬件和操作系统之间的桥梁，提供软件接口以供操作系统调用。2硬件操作它负责控制和管理设备，并处理硬件操作，例如数据传输和状态控制。3资源分配设备驱动程序分配设备资源，例如内存和中断，以满足硬件需求并优化系统性能。4错误处理它负责处理硬件错误，例如错误代码和异常情况，以确保系统稳定运行。输入/输出子系统设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，提供统一的接口，方便应用程序访问设备。驱动程序管理设备的操作，处理中断，完成数据传输等任务，确保硬件设备与操作系统协调工作。中断机制中断机制允许硬件设备向操作系统发送信号，通知操作系统需要处理的事件，例如键盘输入、磁盘读写完成等。中断处理程序会响应中断，执行相应的处理，然后返回到被中断的程序继续执行，确保系统高效运作。中断机制硬件中断硬件中断由外部设备触发，例如键盘输入、磁盘读写等。软件中断软件中断由程序指令触发，用于请求操作系统提供服务，例如系统调用。中断处理流程中断发生时，CPU会暂停当前执行的程序，保存现场，并跳转到中断处理程序。系统调用用户程序用户程序无法直接访问硬件，需要通过系统调用请求内核提供的服务。系统调用接口提供了一组标准的函数，允许用户程序请求内核服务。内核操作系统内核负责处理系统调用，并执行相应的操作。系统调用是用户程序与操作系统内核之间通信的桥梁，允许用户程序请求内核提供的服务，例如文件操作、内存分配、进程管理等。操作系统的安全性访问控制操作系统保护系统资源，防止非法访问和修改。权限控制和访问控制列表是常用的机制。数据加密使用加密算法保护敏感数据，防止数据被窃取或篡改。常见算法包括AES、DES和RSA。身份验证验证用户身份，确保只有授权用户才能访问系统资源。口令验证、生物识别和多因素认证是常用的方法。系统安全更新及时修补系统漏洞和安全缺陷，防止黑客利用漏洞攻击系统。访问控制机制11.用户身份验证操作系统通过验证用户身份来控制用户访问资源的权限，例如用户名和密码。22.权限控制操作系统为不同的用户和用户组分配不同的权限，例如读写权限、执行权限。33.对象访问控制操作系统控制用户对系统资源的访问，例如文件、目录、设备。44.访问控制列表(ACL)ACL定义了用户对每个资源的访问权限，包括读取、写入、执行和删除等操作。加密和认证技术加密加密是将数据转换为无法理解的格式，以保护其机密性。例如，使用密码算法对数据进行加密，只有拥有密钥的人才能解密。认证认证是验证用户或设备身份的过程，确保其具有访问权限。常见的认证方法包括用户名密码、生物识别技术和数字证书。操作系统的性能评价操作系统的性能评价是衡量操作系统效率和有效性的重要指标，它可以帮助我们了解系统的运行状况，发现性能瓶颈，并指导系统优化。常见的性能指标包括：系统吞吐量、响应时间、CPU利用率、内存利用率、磁盘I/O速度等等。通过对这些指标进行分析，我们可以了解系统的整体性能水平，并针对不同的指标进行优化，提升系统的效率。操作系统的发展趋势云计算与分布式系统云计算环境下，操作系统需要支持虚拟化、资源管理和安全隔离，以及高效的分布式计算能力。人工智能与机器学习未来操作系统将与人工智能深度融合，为用户提供更智能化的服务和体验，例如自动任务调度、资源优化和个性化配置。物联网与边