《os操作系统》课件

操作系统计算机系统中的核心组件。管理硬件资源，提供用户接口。课程简介课程目标了解操作系统的基本概念和原理。掌握操作系统的基本功能和工作机制。熟悉主流操作系统的特点和应用场景。课程内容操作系统定义、发展历程、结构、功能。进程管理、内存管理、磁盘管理、文件管理、输入输出管理等。课程安排理论讲解、案例分析、实践练习、课后作业。课程结束后进行考核，评估学生对操作系统知识的掌握程度。什么是操作系统操作系统是计算机系统中的核心软件，它是管理和控制计算机硬件资源的软件。操作系统负责分配和调度计算机资源，例如CPU、内存、磁盘和打印机，以便不同的应用程序能够高效地运行。操作系统的定义和功能11.管理计算机资源操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它负责管理计算机的硬件资源，包括CPU、内存、磁盘、输入输出设备等。22.提供用户界面操作系统提供一个用户界面，允许用户与计算机进行交互，例如启动应用程序、创建文件、访问网络等。33.运行应用程序操作系统为应用程序提供运行环境，为应用程序提供必要的服务，例如内存分配、文件管理、网络通信等。44.保护系统安全操作系统负责保护系统安全，防止恶意程序入侵和非法访问，确保系统的稳定性和可靠性。操作系统的發展历程操作系统经历了漫长的发展历程，从早期简单的批处理系统到现代复杂的图形界面系统，不断演进。其功能和性能不断提升，为用户提供了越来越强大的计算能力。1现代操作系统图形界面、多任务、网络、安全性等2单用户、单任务操作系统DOS、Windows3.x等3批处理操作系统早期操作系统，效率较低随着计算机硬件和软件技术的进步，操作系统也迎来了新的发展阶段。现代操作系统更加复杂和强大，支持多任务、图形界面、网络和安全性等功能，为用户提供了更加便捷和高效的计算体验。操作系统的分类单用户单任务操作系统仅支持一个用户执行一个任务，例如早期的DOS系统。简单易用，但效率低下。多用户多任务操作系统允许多个用户同时执行多个任务，例如Windows和Linux系统。资源利用率更高，但管理复杂。实时操作系统(RTOS)对时间响应要求极高，常用于工业控制和嵌入式设备。系统稳定性和实时性至关重要。分布式操作系统将资源分布在多个计算机上，例如云计算平台。提高性能和可靠性，但管理更加复杂。操作系统的结构操作系统的结构是指操作系统各个组成部分之间的组织方式，包括内核、系统调用、用户界面等。不同的操作系统可能采用不同的结构，常见的结构包括单内核、微内核、混合内核等。选择合适的结构取决于操作系统的目标和需求。内核是操作系统的核心，负责管理系统资源，包括处理器、内存、存储器等。系统调用是用户程序访问内核的功能接口，提供基本的操作系统服务。用户界面是用户与操作系统交互的窗口，提供图形界面或命令行界面。进程管理进程概念进程是程序的一次执行过程，拥有独立的地址空间和资源。进程调度操作系统决定哪个进程占用CPU，实现多任务并发执行。进程同步协调多个进程访问共享资源，防止冲突和数据不一致。进程通信不同进程之间进行数据交换，实现协作和信息传递。进程状态及转换进程状态指进程在生命周期中的不同阶段。进程状态转换是指进程在不同状态之间切换的过程。1新建创建新进程时，进程处于新建状态。2就绪进程已准备好运行，但CPU尚未分配给它。3运行进程正在运行，CPU正在执行其指令。4阻塞进程等待某个事件发生（如I/O操作完成）。5终止进程执行完成或异常终止，退出系统。进程状态转换由操作系统管理，通过调度程序实现。进程调度算法先到先服务(FCFS)最简单的调度算法，按进程到达顺序执行。最短作业优先(SJF)选择执行时间最短的进程，提高系统吞吐量。优先级调度根据进程的优先级选择执行，高优先级进程优先执行。时间片轮转每个进程分配一个时间片，轮流执行，适合交互式系统。内存管理内存分配操作系统负责分配和回收内存空间，为运行程序提供必要的资源。内存保护防止程序访问其他程序或操作系统内存区域，确保系统安全运行。内存共享允许多个程序共享内存资源，提高效率和资源利用率。内存映射将磁盘文件映射到内存，方便程序访问文件数据。虚拟内存技术虚拟内存技术将物理内存与磁盘空间结合，扩展了可用内存空间。虚拟内存技术可以使程序运行所需内存空间大于物理内存空间，提高系统效率和资源利用率。虚拟内存技术使用页式存储管理，将程序代码和数据分割成页，并分配到内存或磁盘中，从而实现地址映射。虚拟内存技术可以通过“缺页”机制，将需要的页从磁盘加载到内存中，实现虚拟地址到物理地址的映射。磁盘管理11.磁盘空间分配磁盘空间分配是指将磁盘空间划分为不同的区域，以便存储不同的文件和数据。22.磁盘调度算法磁盘调度算法用于优化磁盘访问顺序，以提高磁盘访问效率。33.磁盘文件系统磁盘文件系统提供了一种组织和管理磁盘文件的方式，方便用户访问和管理文件。44.磁盘安全磁盘安全措施包括数据备份、访问控制和数据加密，以保护磁盘中的数据安全。文件管理文件存储和组织操作系统管理文件系统，将数据存储在磁盘或其他存储设备上，并提供文件组织结构。文件访问控制操作系统提供安全机制，控制用户和程序对文件的访问权限，确保数据安全。文件共享操作系统支持文件共享，允许多个用户或进程访问同一个文件，提高资源利用率。输入输出管理管理设备输入输出管理负责管理计算机系统中的各种输入输出设备。这些设备可以包括键盘、鼠标、显示器、打印机、硬盘、网络接口等。高效数据传输它提供统一的接口，方便用户使用各种设备。同时，它还负责协调数据传输，确保数据在设备之间安全高效地传输。中断机制CPU中断CPU正在执行程序，遇到异常情况，如除零、溢出、内存访问错误等，CPU会暂停当前程序执行，转而执行中断处理程序。外部中断由外部设备（如键盘、鼠标、硬盘等）引起的，例如用户按下键盘上的一个键，设备就会向CPU发送一个中断请求。定时器中断由系统定时器产生的，用于实现多任务处理，操作系统会定期中断当前程序执行，切换到其他程序，以保证各个程序都能得到执行。死锁问题及解决方法1死锁定义死锁是指多个进程因争夺资源而互相等待，导致系统处于停滞状态。死锁会导致系统性能下降甚至崩溃。2死锁条件互斥条件占有并等待不可剥夺循环等待3死锁解决方法常见的解决方法包括预防死锁、避免死锁、检测死锁和解除死锁。操作系统的安全性数据保护保护用户数据免遭未经授权的访问或修改，防止敏感信息泄露。系统完整性防止恶意软件或攻击者破坏系统文件或配置，维护系统稳定性。访问控制限制对系统资源的访问，确保只有授权用户才能访问特定文件或程序。UNIX操作系统UNIX操作系统是多用户、多任务、支持多道程序设计的操作系统。它由KenThompson和DennisRitchie在1969年贝尔实验室开发，最初用于PDP-7小型机。UNIX操作系统具有良好的可移植性，可运行在多种硬件平台上，且拥有丰富而强大的工具，成为许多其他操作系统的基础，例如Linux和macOS。Linux操作系统Linux是开源操作系统，以其稳定性、安全性和灵活性而闻名。Linux广泛应用于服务器、嵌入式系统和桌面系统。Linux支持多种硬件架构，可自由定制和扩展。Windows操作系统Windows是全球最流行的操作系统之一，由微软公司开发，于1985年首次发布。Windows操作系统以其易用性、稳定性和广泛的应用程序支持而闻名，广泛应用于个人电脑、笔记本电脑、服务器和移动设备。Windows操作系统拥有丰富的功能，包括图形用户界面、文件管理、网络连接、应用程序运行等。macOS操作系统macOS是由苹果公司开发的操作系统，主要用于Mac系列产品。macOS以其用户友好、安全稳定以及强大的图形处理能力而闻名。macOS的核心功能包括图形用户界面、多任务处理、网络支持以及文件管理等。它还拥有丰富的应用程序，涵盖生产力、创意、游戏等各个领域。实时操作系统11.高效性实时操作系统需要及时响应外部事件，并能够在严格的时间限制内完成任务。22.确定性实时操作系统必须保证任务的执行时间是可预测的，以确保系统能够在规定时间内完成任务。33.可靠性实时操作系统需要能够在各种恶劣环境下稳定运行，并保证系统的可靠性。分布式操作系统分布式资源管理分布式操作系统管理多个计算机上的资源，包括CPU、内存和存储设备。透明性对用户来说，多个计算机组成的系统就像一台计算机。并行处理通过将任务分配到多个计算机上，提高系统性能。多媒体操作系统支持多媒体多媒体操作系统设计用来高效地处理音频、视频等。提供高质量的视频播放、录制、编辑功能，以及音频编辑和合成等功能。图形用户界面它们通常配备直观的图形用户界面，为用户提供友好的交互体验。支持多种多媒体格式，便于播放和管理多媒体文件。嵌入式操作系统资源受限嵌入式系统通常具有有限的内存、处理器速度和存储空间。嵌入式操作系统必须针对这些限制进行优化。实时性许多嵌入式系统需要在特定时间内对事件做出响应。嵌入式操作系统必须提供实时任务调度和管理机制。功耗嵌入式系统通常运行在电池供电的设备上，因此必须尽可能地降低功耗。嵌入式操作系统通常具有低功耗模式和休眠功能。安全性嵌入式系统经常用于关键任务，例如医疗设备和工业控制。嵌入式操作系统必须提供安全性功能来防止恶意攻击和数据丢失。操作系统的未来发展趋势人工智能操作系统将更加智能，能够根据用户的习惯和需求进行自适应调整，提高系统效率和用户体验。云计算云计算将成为操作系统的重要组成部分，操作系统将与云平台深度集成，实现资源的共享和按需分配。物联网操作系统将支持物联网设备的管理和互联，为各种智能设备提供统一的操作平台。操作系统的应用领域计算机网络操作系统管理网络资源，协调网络连接，提供网络服务。移动设备操作系统为智能手机和平板电脑提供基础服务，支持应用程序运行和数据存储。服务器操作系统管理服务器资源，处理网络请求，提供数据库服务。游戏设备操作系统为游戏主机提供游戏运行环境，管理游戏资源和用户体验。课程总结