《操作系统专升本新》课件

《操作系统专升本新》本课件旨在为准备升本考试的同学提供操作系统方面的学习资料。通过深入浅出地讲解操作系统基础知识，帮助考生更好地理解和掌握操作系统核心概念，为考试做好充分准备。课程导言本课程将深入探讨操作系统，重点讲解操作系统的重要概念、核心技术及应用。通过学习本课程，学生将掌握操作系统基本原理，并能够理解操作系统在计算机系统中的作用。操作系统概述操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件资源并为应用程序提供运行环境。操作系统可以有效地利用计算机硬件资源，提高计算机系统的效率和可靠性，为用户提供一个友好的界面。操作系统的定义和功能定义操作系统是管理计算机硬件资源和软件资源的软件系统。功能主要功能包括：管理计算机硬件资源、提供用户界面、提供系统服务、管理用户程序、提供安全机制等。重要性操作系统是计算机系统中不可或缺的一部分，它为用户提供一个简单、方便的操作环境，并确保系统高效运行。操作系统的发展历程早期阶段20世纪50年代，计算机刚刚出现，操作系统主要用于管理硬件资源，比如内存、CPU和外设。当时的操作系统是批处理系统，效率比较低，程序运行之间需要手动切换。多任务阶段20世纪60年代，多任务操作系统开始出现，多个程序可以同时运行。这使得计算机资源利用率更高，用户体验也得到了改善。网络阶段20世纪80年代，个人电脑开始普及，互联网技术逐渐成熟。操作系统开始支持网络功能，并出现了图形界面。移动阶段21世纪，移动设备快速发展，移动操作系统应运而生。移动操作系统更注重移动性和易用性，并支持各种移动应用。操作系统的基本结构操作系统结构决定了其各个组成部分如何协同工作。主要包括内核、外壳和系统服务三个部分。内核核心程序内核是操作系统最核心的部分，它直接管理计算机硬件。负责系统资源的分配和管理，例如内存、CPU、外设等。外壳用户接口外壳提供用户与内核交互的桥梁，为用户提供命令行或图形界面操作计算机系统。命令解释器外壳解析用户输入的命令，将其转换为内核可执行的指令，并执行相应的操作。进程管理外壳负责管理用户进程的创建、执行、终止等操作，并协调不同进程之间的资源竞争。系统服务1文件管理操作系统提供文件系统，用于管理存储在磁盘上的文件，包括创建、删除、读取和写入文件等操作。2进程管理操作系统管理系统中的进程，包括创建、销毁、调度和同步进程等操作。3内存管理操作系统负责内存的分配和回收，以及虚拟内存管理等任务，以保证应用程序的正常运行。4设备管理操作系统管理系统中的各种设备，包括输入/输出设备、存储设备等，为应用程序提供统一的访问接口。进程管理进程管理是操作系统中一项核心功能，负责管理系统中所有进程的运行状态和资源分配。它通过协调和控制不同进程之间的活动，保证系统有效率地运行，并为用户提供良好的交互体验。进程的概念程序程序是静态的指令集合,存储在磁盘上.数据程序运行时所需的各种数据,包括输入数据,输出数据和中间数据.进程控制块(PCB)记录进程运行状态,存储进程相关信息,是系统管理进程的依据.进程的状态1运行状态进程正在使用CPU执行指令。2就绪状态进程已准备就绪，等待CPU分配。3阻塞状态进程等待I/O操作或其他事件。4终止状态进程已完成执行或发生错误。进程调度进程调度程序负责选择一个等待的进程，并将其分配给CPU。时间片轮转调度算法每个进程分配一个时间片，时间片用完后会被挂起，下一个进程开始运行。优先级调度算法进程根据优先级被调度，优先级高的进程优先执行。短作业优先调度算法估计进程运行时间，短的进程优先执行，以提高系统效率。内存管理内存管理是操作系统中的核心组成部分，负责分配和管理计算机系统中的内存资源。操作系统需要合理分配和管理内存资源，以确保各个进程能够有效地运行，并防止不同进程之间相互干扰。内存的层次结构高速缓存高速缓存是最快的，但也是最小的。它存储最近使用的数据，以减少对主内存的访问时间。主内存主内存是操作系统直接访问的数据存储区。它比高速缓存更大，但速度更慢。辅助存储器辅助存储器是容量最大，速度最慢的存储器，用于存储未被使用的程序和数据。内存分配策略首次适应算法从内存的开始位置开始查找，找到第一个足够大的空闲分区分配给进程。简单易实现，但容易造成内存碎片化。最佳适应算法从所有空闲分区中选择最小的，但足以满足进程需求的空闲分区分配给进程。可以减少内存碎片化，但搜索过程较为复杂。最坏适应算法从所有空闲分区中选择最大的空闲分区分配给进程。降低了内存碎片化的速度，但可能会浪费内存空间。伙伴系统将内存空间划分为大小为2的幂次方的块，方便内存分配和回收。提高了内存利用率，但也限制了分配块的大小。虚拟内存技术物理内存不足将部分程序和数据存储在磁盘上，仅将需要执行的部分加载到内存中。逻辑地址空间每个进程都有一个独立的逻辑地址空间，不受物理内存限制。页面调入调出通过页面调度算法，决定将哪些页面加载到内存，哪些页面移至磁盘。内存碎片当内存空间不够时，会将部分页面移至磁盘，造成内存碎片。输入/输出管理输入/输出管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统与外部设备之间的交互。它允许程序通过统一的接口访问各种I/O设备，并提供缓冲机制来提高数据传输效率。I/O设备的种类1输入设备输入设备用于将数据和指令传送到计算机系统。例如，键盘、鼠标、扫描仪等。2输出设备输出设备用于将计算机处理的结果和信息呈现给用户。例如，显示器、打印机、扬声器等。3存储设备存储设备用于存储计算机系统中的数据和程序。例如，硬盘、内存、固态硬盘等。4通信设备通信设备用于实现计算机系统之间或计算机与外部网络的连接。例如，网卡、调制解调器等。I/O中断机制中断信号设备完成操作后向CPU发送中断信号，通知CPU处理该事件。中断处理程序CPU接收中断信号后，跳转到相应的处理程序，执行相应的操作。中断向量表操作系统维护一个中断向量表，记录每个中断信号对应的处理程序地址。I/O设备的缓冲管理缓冲区缓冲区是内存中的一块区域，用于临时存储I/O设备传输的数据。缓冲区可以提高I/O效率，减少CPU等待时间。缓冲管理策略单缓冲：一个缓冲区用于处理一个I/O请求。双缓冲：两个缓冲区交替使用，提高效率。循环缓冲：多个缓冲区构成环形队列，用于高效处理大量数据。文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机中的所有文件。文件管理系统为用户提供访问、存储和检索文件的方法，并确保文件数据的完整性和安全性。文件系统的结构层次结构文件系统通常采用树形结构组织文件，文件和目录之间存在父子关系。目录结构根目录是树形结构的根节点，其他目录和文件都作为根目录的子节点。表结构文件系统使用数据结构存储文件信息，例如文件名、大小、类型、权限等。文件的组织形式线性结构文件按顺序排列，类似于链表结构，通过索引访问。树形结构文件组织成树状，每个节点代表一个目录或文件。图形化结构使用图形界面表示文件，方便用户直观地管理和操作。目录管理树状结构目录结构通常采用树形结构，以便于组织和管理文件。每个目录可以包含子目录和文件，形成层次化的文件系统。目录操作操作系统提供创建、删除、重命名、访问目录等操作，方便用户管理文件组织结构，查找所需文件。安全管理操作系统安全管理保护系统资源和用户数据，防止非法访问和恶意攻击。安全管理的核心是访问控制机制，确保授权用户访问授权资源，并防止未授权用户或进程访问敏感数据。安全的基本概念保护系统资源防止未经授权的访问、使用、修改或破坏系统资源。确保数据完整性防止数据被篡改或破坏，确保数据的准确性和可靠性。维护系统可用性确保系统能够正常运行，不受攻击或故障的影响。保障用户隐私保护用户的个人信息，防止泄露或被非法使用。访问控制机制11.基于身份的访问控制根据用户的身份验证权限，用户可以访问特定资源。22.基于角色的访问控制根据用户所扮演的角色分配权限，例如管理员或普通用户。33.基于规则的访问控制使用预定义规则来确定用户对特定资源的访问权限。加密技术对称加密使用相同的密钥进行加密和解密。非对称加密使用不同的密钥进行加密和解密。哈希算法将任意长度的输入转换为固定长度的输出。数字签名使用私钥对信息进行签名，公钥验证签名。实时操作系统实时操作系统（RTOS）是一种特殊的操作系统，专门设计用于控制实时应用程序。实时应用程序对时间响应要求严格，需要在规定时间内完成任务，否则会导致系统故障。实时操作系统的特点实时性实时操作系统需要及时响应外部事件，并快速完成操作，以满足应用程序对时间的要求。可靠性实时系统通常运行在关键应用中，因此需要高度的可靠性，以确保系统的正常运行和数据安全。资源管理实时操作系统需要有效地管理系统资源，例如处理器时间、内存和外设，以确保实时任务的正常执行。可预测性实时操作系统需要保证应用程序的执行时间和响应时间是可预测的，以确保系统的稳定性和可靠性。实时任务的调度11.实时调度算法实时调度算法决定何时执行任务，确保关键任务在截止时间内完成。22.优先级调度实时任务根据其重要性和紧急程度分配优先级。33.时间片调度每个任务分配固定时间片，以确保公平分配处理器时间。44.动态调度动态调度算法根据实时环境变化调整任务调度策略。实时系统的应用航空航天实时操作系统用于飞机飞行控制系统，确保安全性和可靠性。工业自动化实时操作系统用于控制工业机器人，提高生产效率和精度。医疗设备实时操作系统用于医疗设备，例如心电图机和呼吸机，确保精确的实时监测和控制。汽车电子实时操作系统用于汽车电子系统，例如发动机控制和安全系统，提高汽车性能和安全性。分布式操作系统分布式操作系统是将操作系统功能分散到多个计算机节点上的系统。每个节点运行一个操作系统，但这些操作系统协同工作以提供单一系统映像。分布式系统的结构客户端-服务器结构这种结构中，多个客户端连接到一个或多个服务器。服务器提供资源和服务，客户端请求并使用这些资源。对等结构对等结构中，每个节点既是客户端又是服务器。节点可以与其他节点直接通信，共享资源和服务。进程通信机制消息传递进程之间通过发送和接收消息进行通信，实现数据交换和同步控制。共享内存多个进程可以访问同一块内存区域，实现数据共享和高效通信。管道进程间通过管道进行