《操作系统基本原理》课件

操作系统基本原理操作系统是计算机系统的核心，管理着计算机硬件和软件资源。它为应用程序提供一个抽象层，简化了应用程序的开发和运行。课程概述11.课程目标帮助学生了解操作系统的基本原理和工作机制，为后续课程学习打下基础。22.课程内容包括操作系统的定义、功能、历史发展、结构、组成以及进程、内存、文件、输入/输出管理等关键概念和技术。33.课程形式主要采用课堂讲授、实验练习和课后作业等方式，以理论讲解和实践操作相结合。44.教学方法通过案例分析、模拟实验、小组讨论等多种方式，帮助学生深入理解操作系统原理。操作系统的定义和功能管理计算机资源操作系统管理计算机硬件和软件资源，包括CPU、内存、存储设备和外设。提供用户界面操作系统为用户提供与计算机交互的界面，如图形界面或命令行界面。管理网络资源操作系统管理网络连接和通信，提供文件共享、远程访问等功能。操作系统的历史发展早期操作系统早期操作系统以批处理为主，例如，UNIVAC操作系统，IBM的OS/360。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，例如，Multics，UNIX。实时操作系统实时操作系统用于控制实时应用，例如，航空航天系统，工业控制系统。现代操作系统现代操作系统融合了多种技术，例如，Windows，macOS，Linux。操作系统的结构和组成内核操作系统核心，管理系统资源，提供基本服务。系统调用接口应用程序与内核交互的接口，提供系统功能。系统程序扩展系统功能，提供用户工具和服务。用户界面用户与操作系统交互的界面，提供操作方式。进程管理进程管理是操作系统最重要的功能之一，负责创建、撤销、调度和同步进程。它管理着系统中所有正在运行的程序，确保它们能够有效地共享系统资源，并协调它们的执行。进程的基本概念进程定义一个正在执行的程序的实例，它是一个动态的概念，它是一个正在运行的程序。进程是一个独立运行的实体，拥有自己的地址空间、资源和状态信息。进程属性进程拥有进程ID，它在系统中唯一标识一个进程。每个进程都有一个程序计数器、CPU寄存器和内存地址空间，它们共同定义了进程的状态。进程的状态转换1新建状态进程创建时2就绪状态等待分配CPU3运行状态正在执行代码4阻塞状态等待I/O完成5终止状态进程结束进程调度算法先到先服务(FCFS)最简单的调度算法。按照进程到达的顺序进行调度。最短作业优先(SJF)选择运行时间最短的进程优先执行，以提高系统效率。轮转法(RR)将时间片轮流分配给每个进程，实现公平性。优先级调度算法根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先执行。死锁问题及解决方案死锁定义多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续运行，陷入死锁状态。例如，进程A持有资源X，需要资源Y才能继续运行，而进程B持有资源Y，需要资源X才能继续运行。解决方案死锁预防死锁避免死锁检测死锁解除内存管理内存管理是操作系统中一项重要的功能，它负责分配和回收内存资源，为多个进程提供高效的内存访问。内存管理的主要目标是保证系统稳定运行，提高内存利用率，并为用户提供便利的内存使用接口。内存分配策略首次适应算法从内存的起始位置开始查找，第一个满足分配要求的空闲分区分配给进程。简单快速，但可能导致内存碎片化。最佳适应算法选择最小的空闲分区，尽量减少内存碎片化，但查找时间较长。最差适应算法选择最大的空闲分区，留下最大的空闲分区以便分配更大的进程。但可能导致内存碎片化严重。虚拟内存技术11.扩展地址空间使用虚拟内存技术，可以扩展系统地址空间，支持更多应用程序运行，突破物理内存的限制。22.提高内存利用率多个程序可以共享物理内存，避免内存浪费，提高系统整体的内存利用效率。33.增强系统安全性每个进程拥有独立的虚拟地址空间，互相隔离，防止互相影响。44.增强程序移植性程序可以运行在不同的物理内存环境下，简化程序移植。页面置换算法FIFO算法先进入内存的页面先被替换出去。简单易实现，但可能导致频繁页面置换，性能较低。LRU算法最近最少使用页面先被替换出去。更符合实际情况，性能较好，但实现较为复杂。OPT算法最优页面置换算法，但无法在实际系统中实现，仅作为理论参考。CLOCK算法结合FIFO和LRU算法优点，在性能和实现复杂度之间取得平衡。文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，它负责对文件进行组织、存储和访问。文件管理系统提供创建、删除、读取、写入和修改文件等操作，并确保文件安全性和完整性。文件的基本概念数据集合文件是存储在计算机系统中的数据集合，表示一组有组织的信息。逻辑单元从用户的角度来看，文件是一个逻辑单元，它包含一组相关的数据或程序。命名和管理每个文件都有唯一的名称，由操作系统进行管理，方便用户访问和操作。结构化信息文件可以包含文本、图像、音频、视频等多种类型的数据，并具有特定的组织结构。文件系统结构层次结构文件系统采用树形结构组织文件。根目录位于树的顶端，其他文件和目录作为根目录的子节点。每个文件和目录都有唯一的路径名称。文件分配方式文件系统使用不同的策略来分配磁盘空间，例如连续分配、链接分配和索引分配，以满足不同的性能需求。文件存储管理11.连续分配文件占连续的磁盘块，简单高效，但易产生外部碎片。22.链接分配文件分散存放，用链接表记录逻辑顺序，灵活，但寻址慢，易丢失。33.索引分配使用索引节点记录文件块地址，灵活，但需要维护索引节点，增加了系统开销。44.混合分配结合多种方式，例如，将文件分成若干块，用链接或索引方式管理，提高效率。磁盘调度算法先来先服务（FCFS）简单易实现，但容易出现饥饿现象。最短寻道时间优先（SSTF）优化磁盘寻道时间，但可能导致磁头在磁道间频繁跳跃。扫描（SCAN）磁头单方向扫描，提高效率，避免磁头在磁道间频繁跳跃。循环扫描（C-SCAN）磁头循环扫描，提高效率，避免磁头停留在磁道边缘。输入/输出管理输入/输出管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和控制计算机系统与外部设备之间的信息交换。输入/输出管理模块负责处理用户程序对外部设备的访问请求，并协调硬件资源的使用。设备驱动程序硬件抽象层驱动程序充当硬件和操作系统之间的桥梁，使操作系统能够访问和控制硬件设备。设备控制驱动程序负责向硬件设备发送命令和读取数据，例如控制硬盘读写或处理键盘输入。中断处理当硬件设备完成操作或发生错误时，会向操作系统发送中断信号，驱动程序负责处理这些中断。缓冲区管理缓冲区作为数据交换的临时存储区域。在设备和主存之间，操作系统会使用缓冲区来提高数据传输效率。高速缓存用于保存常用数据，加速数据访问。操作系统会将一些常用的数据存入高速缓存，减少对主存的访问次数。假脱机将数据暂时存储到磁盘，等待设备的空闲时间。操作系统会将数据写入磁盘，以等待设备的空闲时间，避免设备空闲。中断机制1异步事件处理中断机制是操作系统处理异步事件的关键，例如键盘输入、磁盘读写、网络数据接收等。2CPU切换当发生中断时，CPU会暂停当前正在执行的程序，并转而执行中断处理程序。3恢复现场中断处理程序完成任务后，会将CPU控制权返回给之前被中断的程序，并恢复其执行状态。4提升效率中断机制使操作系统能够高效地管理各种硬件设备，并有效地利用CPU资源。操作系统的安全性操作系统安全是指保护操作系统免受恶意攻击、数据泄露和系统崩溃的措施。操作系统安全是保证系统稳定性和数据完整性的关键，是任何操作系统设计和实现中不可或缺的一部分。访问控制机制用户身份验证验证用户身份，防止未授权访问系统资源。权限控制限制用户对特定资源的操作权限，例如读取、写入、执行等。访问控制列表定义允许访问特定资源的用户或组，以及他们可以执行的操作。访问控制策略制定访问控制的规则和原则，确保系统的安全性和完整性。密码保护和加密技术密码保护密码保护是用户身份验证的重要手段。用户使用密码来访问系统资源，例如帐户、文件和应用程序。强密码包含大小写字母、数字和特殊字符，并定期更改。加密技术加密技术用于保护数据机密性。使用算法将明文转换为密文，只有拥有密钥的人才能解密。常见的加密算法包括AES、DES和RSA。容错和恢复系统错误硬件故障、软件错误、意外停电等都会导致系统错误，影响系统稳定性。容错机制通过冗余设计、校验和等手段，可以检测并修复系统错误，保证系统正常运行。恢复机制当系统出现不可恢复错误时，可以利用备份、日志等信息，恢复系统到正常状态。操作系统的性能评价操作系统性能直接影响用户体验和系统效率。评估性能指标和优化策略是提升系统效率的关键。性能指标和评估方法CPU利用率衡量CPU占用时间与总时间的比例，反映系统处理能力。内存使用率表示内存实际使用量与总容量的比例，反映系统内存分配效率。吞吐量单位时间内系统完成的任务数量，反映系统处理速度和效率。延迟系统响应请求所需的时间，反映系统响应速度和用户体验。性能优化策略系统调优优化系统参数，例如内存分配、进程调度和磁盘调度。例如，调整页面大小和缓存大小以提高性能。算法改进使用更高效的算法和数据结构。例如，使用哈希表代替线性查找，或使用更快的排序算法。代码优化优化代码，减少不必要的计算和内存访问。例如，使用循环展开和指令重排序。课程总结本课程全面介绍了操作系统的基本原理