《操作系统新相识说》课件

操作系统新相识说操作系统是计算机系统的重要组成部分，它负责管理计算机的硬件资源和软件资源。它为应用程序提供运行环境，并与用户交互，帮助用户使用计算机。课程概述课程内容介绍操作系统的基本概念、功能、历史发展和分类。课程目标帮助学生了解操作系统的核心概念，并能够理解常见操作系统的基本原理和应用。课程安排将通过理论讲解、案例分析、实践练习等多种方式进行授课。学习建议积极参与课堂讨论，并结合课后练习，深入理解操作系统的工作原理。操作系统的定义系统软件操作系统是系统软件的核心，它管理计算机硬件资源，为应用程序提供运行环境。资源管理者操作系统负责管理计算机的CPU、内存、磁盘、网络等硬件资源，并协调这些资源的分配和使用。用户接口操作系统提供用户界面，例如图形界面或命令行界面，方便用户与计算机交互。操作系统的功能文件管理操作系统负责管理和组织计算机中的文件，包括创建、删除、复制和移动文件。进程管理操作系统管理着计算机中的所有应用程序，包括创建、调度、终止应用程序，并分配系统资源。内存管理操作系统分配和管理计算机的内存资源，确保应用程序之间能够有效地共享内存，并防止内存冲突。设备管理操作系统负责管理计算机上的所有硬件设备，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等，并提供统一的接口。操作系统的历史发展早期操作系统1940年代至1950年代，批处理操作系统出现，例如IBM的OS/360系统，为多任务处理和资源管理提供了基础。分时操作系统1960年代，分时操作系统例如UNIX和Multics诞生，允许多个用户同时使用一台计算机，提高了效率。个人计算机操作系统1980年代，个人计算机操作系统如MS-DOS和苹果公司的MacOS问世，为个人电脑普及奠定了基础。图形用户界面1980年代末期，图形用户界面(GUI)的出现，例如苹果的MacOS和微软的Windows，极大地改善了用户体验。现代操作系统近年来，操作系统不断发展，例如Linux和Android等开源系统，以及云计算和移动设备操作系统等新兴领域，改变着我们与计算机的交互方式。现代操作系统的分类单用户单任务操作系统仅支持一个用户同时运行一个程序。这类操作系统通常用于嵌入式系统和个人计算机的早期阶段。单用户多任务操作系统允许多个程序同时运行，但只支持一个用户。例如，Windows95和Windows98属于此类操作系统。多用户多任务操作系统支持多个用户同时运行多个程序，例如Linux和WindowsServer。实时操作系统（RTOS）主要用于工业控制、医疗设备等需要快速响应和高可靠性的应用场景，例如航空航天和工业自动化系统。常见操作系统简介1Windows微软公司开发的图形界面操作系统，是全球使用最广泛的操作系统之一。2macOS苹果公司为其Mac电脑开发的操作系统，以其简洁的设计和用户体验而闻名。3Linux开源操作系统，拥有广泛的版本和发行版，适用于各种设备，从嵌入式系统到超级计算机。Windows操作系统Windows操作系统是微软公司开发的图形用户界面操作系统，目前是全球使用最广泛的操作系统之一。它是使用最为广泛的操作系统，具有易用性和功能丰富等特点。Windows操作系统支持各种硬件和软件，并提供安全、稳定、高效的计算环境。它包括多个版本，如Windows10、Windows11等，针对不同的用户群体和设备提供相应的解决方案。macOS操作系统macOS是苹果公司为其Mac电脑开发的操作系统，它以其用户友好界面、安全性以及强大的功能而闻名。macOS基于Unix系统，具有良好的稳定性和安全性，并且与其他苹果设备生态系统无缝集成。macOS内置了各种应用程序，例如Safari浏览器、Pages文字处理软件以及FinalCutPro视频编辑软件。Linux操作系统Linux是一个开源操作系统，由LinusTorvalds在1991年创建。它是一个自由、开放源代码的操作系统，这意味着用户可以查看、修改和重新发布其源代码。Linux广泛应用于各种设备，包括服务器、台式机、笔记本电脑和移动设备。它以其稳定性、安全性和可定制性而闻名。移动设备操作系统iOS苹果公司开发的移动操作系统，以其用户友好性而闻名。iOS拥有一个封闭的生态系统，提供无缝的用户体验。Android由Google开发的开源操作系统，具有广泛的兼容性和可定制性。Android拥有庞大的应用程序生态系统，满足各种需求。HarmonyOS由华为公司开发的移动操作系统，旨在提供跨设备的无缝连接和体验。HarmonyOS拥有强大的性能和安全功能。操作系统的基本结构内核操作系统核心，管理硬件资源，提供基本服务系统调用用户程序与内核交互的接口，提供系统服务用户界面用户与操作系统交互的界面，提供可视化操作应用程序接口提供给应用程序开发者使用的接口，方便程序开发内核和用户模式内核模式操作系统内核运行在内核模式，拥有最高权限，可直接访问硬件。用户模式用户程序运行在用户模式，权限有限，需要通过系统调用访问硬件。隔离保护内核模式与用户模式隔离，防止用户程序破坏系统稳定性。进程管理进程定义进程是正在运行的程序的实例，是系统资源分配的基本单位。每个进程都有独立的地址空间、数据、堆栈和文件等。进程管理任务进程管理负责创建、销毁、调度和同步进程，以确保系统资源的有效利用和进程之间的协调运作。内存管理11.物理内存分配操作系统管理物理内存，为进程分配所需的内存空间。22.虚拟内存管理虚拟内存通过将硬盘空间作为扩展内存，为进程提供更大的地址空间。33.内存保护操作系统保护进程的内存空间，防止它们相互干扰。44.内存碎片整理内存碎片整理可以回收零散内存空间，提高内存利用率。文件管理1文件存储操作系统将文件存储在硬盘或其他存储设备上，并维护文件系统的组织结构，例如目录树。2文件访问用户可以通过应用程序或命令行接口访问文件，操作系统负责处理文件读写操作。3文件权限操作系统管理文件访问权限，确保文件安全和数据完整性。4文件操作常见的文件操作包括创建、删除、重命名、复制、移动等，操作系统提供相应的系统调用来执行这些操作。设备管理硬件资源操作系统管理系统中的硬件，例如硬盘、键盘、鼠标、打印机等。分配策略操作系统决定哪些程序可以使用哪些设备，以及如何使用。驱动程序操作系统通过驱动程序与硬件设备进行通信，实现对设备的控制。数据传输操作系统负责管理数据在硬件设备之间传输，保证数据的完整性和可靠性。安全管理数据保护防止数据丢失、篡改和未经授权的访问。用户身份验证确保只有授权用户才能访问系统资源。网络安全保护系统免受网络攻击和恶意软件的侵害。系统调用定义系统调用是应用程序与操作系统内核之间通信的接口。应用程序通过系统调用请求操作系统提供服务。作用系统调用提供了一层抽象层，屏蔽底层硬件细节。用户程序无需直接与硬件交互，提高了软件开发效率和安全性。中断机制CPU执行程序CPU持续执行程序指令，但有时需要暂停当前任务，处理紧急事件。中断源触发例如，用户按下键盘按键，产生中断信号，通知CPU停止当前任务。中断处理CPU响应中断，保存当前状态，跳转到中断处理程序，完成相关操作。返回原程序中断处理完成后，CPU恢复之前保存的状态，继续执行被打断的程序。操作系统的启动过程1电源开启启动计算机的硬件设备2BIOS/UEFI启动检测硬件，初始化系统3引导加载加载操作系统内核4内核启动初始化系统资源，进入用户模式操作系统启动过程是一个复杂的流程，从电源开启到用户界面出现，经历多个步骤。首先，BIOS/UEFI引导程序负责检测硬件并初始化系统。然后，引导加载程序负责加载操作系统内核，并传递控制权给内核。最后，内核启动并初始化系统资源，为用户程序的运行做好准备。操作系统的引导程序启动过程第一步引导程序是操作系统启动的第一个程序，也是系统初始化的关键步骤。存储位置引导程序通常存储在系统硬盘的第一个扇区，也称为主引导记录(MBR)。核心功能引导程序负责初始化硬件，加载操作系统内核，并将控制权交给内核。BIOS和UEFIBIOSBIOS是基本输入输出系统。它存储在主板上的闪存芯片中，是操作系统启动过程中的第一个程序。BIOS负责初始化硬件，引导操作系统，并提供一些基本的硬件操作功能。UEFIUEFI是一种更现代化的固件接口标准，它取代了传统的BIOS。UEFI提供了更快的启动速度，支持更大的硬盘容量，并且具有更强大的安全功能。操作系统的引导过程1BIOS初始化执行自检，加载引导扇区2加载引导程序从硬盘读取操作系统引导程序3操作系统内核加载将操作系统内核加载到内存4初始化系统配置硬件，启动系统服务引导过程是操作系统启动的第一步，从BIOS自检开始，逐步加载操作系统内核并初始化系统。这一过程需要读取硬件信息，配置设备驱动程序，并建立系统环境。用户界面11.命令行界面用户通过键入命令与操作系统交互，需要熟练掌握命令。22.图形用户界面用户通过鼠标、键盘、触摸屏等交互，更加直观易用。33.手势和触控移动设备使用手势和触控，提高交互效率。44.跨平台兼容性支持不同平台和设备，扩展用户群体。命令行界面文本命令命令行界面使用文本命令与操作系统交互，例如，输入“dir”列出当前目录下的文件和文件夹。灵活控制命令行界面提供了更灵活的控制方式，可以执行更复杂的命令，例如批量操作文件或执行脚本。编程和脚本命令行界面是程序员和系统管理员的常用工具，用于编写和执行脚本，管理系统资源。图形用户界面直观的交互体验图形用户界面使用图标、菜单和窗口，让用户更容易理解和操作计算机。多任务处理通过窗口管理功能，用户可以同时运行多个应用程序，提高工作效率。触控交互现代图形用户界面支持触控操作，为移动设备提供了更直观的用户体验。手势和触控直观交互手指滑动、点击、捏合等手势，取代了传统的鼠标和键盘操作，使人机交互更自然直观。移动设备的革命触控技术极大地提升了移动设备的用户体验，为智能手机和平板电脑的普及铺平了道路。未来趋势随着技术的进步，手势和触控功能将不断完善，应用范围将扩展到更多领域，例如虚拟现实和增强现实。跨平台兼容性应用范围更广跨平台兼容性使应用程序能够在不同的操作系统和设备上运行，扩大其潜在用户群。例如，使用Java编写的应用程序可以在Windows、macOS和Linux上运行。开发效率更高开发人员可以为多个平台编写一次代码，从而节省时间和精力。跨平台兼容性简化了应用程序的开发过程，缩短了上市时间。操作系统的未来发展1云计算和容器技术云计算环境下，操作系统将变得更加轻量级，以适应虚拟化和容器化的需求。2物联网和边缘计算物联网设备需要轻量级、高效的操作系统，边缘计算需要更强大的数据处理能力。3人工智能和机器学习未来操作系统将更加智能化，能够自动优化系统性能，提供个性化的服务。云计算和容器技术11.资源共享云计算提供可扩展资源，容器技术则帮助高效利用这些资源，提高效率。22.可移植性容器技术让应用程序可以轻松移植到不同的云平台，确保跨平台兼容性。33.自动化管理容器技术简化了应用程序部署和管理，实现自动化，降低运维成本。44.灵活性容器技术支持微服务架构，让应用程序更加灵活，易于扩展和更新。物联网和边缘计算传感器网络边缘计算将数据处理和分析