《操作系统基本原理》课件

操作系统基本原理深入探究操作系统的核心机制和基本功能,为后续学习奠定坚实基础。通过全面理解操作系统的设计思想和工作原理,助力IT从业者提升专业技能。课程大纲主要内容简介本课程将全面介绍操作系统的基本原理和核心概念,涵盖操作系统的定义、特点、发展历程、基本组成、进程管理、内存管理、设备管理、文件系统管理等关键知识点。课程目标通过本课程的学习,学生将掌握操作系统的基本工作原理,了解其在计算机系统中的核心作用,为后续的系统软件开发奠定基础。课程大纲概览操作系统概述进程管理和调度内存管理和分配设备管理和驱动程序文件系统和存储管理操作系统的体系结构操作系统的未来发展操作系统的定义和作用操作系统概念操作系统是计算机硬件与软件之间的桥梁,负责管理和协调计算机的各种资源。用户界面操作系统提供了用户与计算机交互的图形化界面,方便用户进行各种操作。资源管理操作系统负责管理计算机的内存、CPU、磁盘等资源,确保各种应用程序能够正常运行。操作系统的特点可靠性操作系统需要具有高度的可靠性,能够提供稳定和连续的服务,减少系统故障和数据丢失。可扩展性操作系统应该支持多种硬件平台,并能够根据用户需求动态扩展功能和资源。易用性操作系统应该提供友好的用户界面,使用简单方便,减轻用户的学习和操作负担。安全性操作系统应具有完善的安全机制,保护系统和数据免受非法访问和破坏。操作系统的发展历程1批处理系统早期的单一程序执行模式2分时系统允许多个用户同时访问的交互式系统3实时系统对时间要求极高的应用程序4个人电脑操作系统为桌面计算机提供友好易用的界面操作系统的发展历程经历了从最初的批处理系统到分时系统、实时系统、个人电脑操作系统等多个阶段。每个阶段都体现了操作系统功能和性能的不断提升，满足了用户对计算机系统越来越多的需求。操作系统的基本组成内核(Kernel)操作系统的核心部分,负责系统资源的管理和调度,提供基本的服务和接口。外壳(Shell)用于和用户进行交互的界面层,解释用户指令并调用内核功能执行任务。系统程序包括设备驱动程序、服务进程等,实现操作系统的各种具体功能。应用程序用户使用的软件程序,通过调用操作系统提供的接口来完成各种工作。进程管理进程创建操作系统负责创建和启动新进程,为其分配所需资源。每个进程都有独立的地址空间和执行环境。进程调度操作系统采用合适的调度算法,合理地分配CPU时间,确保各个进程公平、高效地运行。进程切换当一个进程完成任务或被中断时,操作系统会保存当前进程状态并切换到另一个进程执行。进程同步操作系统提供各种同步机制,如互斥锁和信号量,确保多个进程间的协作与资源访问的正确性。进程的状态及转换1就绪状态进程已准备好执行，等待获得CPU资源。2运行状态进程正在CPU上执行，占用CPU资源。3阻塞状态进程因等待某些事件而暂时停止执行。进程间通信的方式共享内存进程可以通过访问共享的内存区域来传递信息。这是最快捷的进程间通信方式。需要实现同步和互斥机制来保护共享数据。管道和FIFO通过管道或先进先出(FIFO)文件进行通信。管道是半双工的,FIFO是全双工的。它们提供了简单可靠的通信渠道。消息队列进程可以向消息队列发送和接收消息。消息队列提供了缓存和异步通信的功能,适用于复杂的进程间交互场景。信号量进程可以通过发送和等待信号来实现同步和互斥。信号量可以用于实现复杂的进程同步和资源共享控制。死锁的概念及产生条件资源竞争多个进程同时请求和占用有限的系统资源,造成了资源竞争。循环等待进程之间形成一个等待循环,每个进程都在等待下一个进程释放资源。占有和等待进程已经占有了某些资源,又提出新的资源请求,但新资源被其他进程占用。不可剥夺进程已经获得的资源不能强制性地被夺走,只能由进程自愿释放。死锁的预防和避免资源分配避免死锁通过合理分配资源、限制资源获取、采用安全序列等策略，可以预防死锁的发生。检测并解除死锁通过检测资源分配状态，发现死锁并进行解除，可以避免死锁造成的系统瘫痪。多种预防措施并举综合采用资源控制、进程调度、死锁检测等多种方法，可以全面防范和解决死锁问题。内存管理的基本概念1内存层次结构操作系统管理从高速缓存到主存储器的多层内存，以提高系统性能和响应速度。2动态内存分配根据应用程序的需求动态分配和回收内存空间,提高内存利用效率。3虚拟内存技术利用磁盘空间扩展内存容量,实现程序和数据的虚拟地址和物理地址映射。4内存保护机制通过设置访问权限,防止应用程序非法访问或修改其他程序或系统的内存区域。连续分配和分页管理连续分配将整个进程的地址空间连续分配到物理内存中，简单易实现但会导致内存碎片问题。分页管理将地址空间划分为固定大小的页面，分散存储在物理内存中，提高了内存利用率。页表管理维护页表以记录每个页面在物理内存中的位置，实现虚拟地址到物理地址的转换。页面置换算法当物理内存不足时,根据特定算法选择并将某些页面换出到磁盘以腾出空间。分段管理和虚拟内存管理1分段管理将程序和数据分成可变长度的段，提高内存利用率2地址转换通过段基址和段内偏移量实现逻辑地址到物理地址的转换3保护机制每个段都有访问权限控制，保护数据安全4虚拟内存利用磁盘作为扩展内存，实现程序逻辑地址空间大于物理内存容量5页式管理将虚拟地址空间划分为固定大小的页，提高内存利用率分段管理通过将程序和数据分成可变长度的段来提高内存利用率，并通过段基址和段内偏移量实现逻辑地址到物理地址的转换。虚拟内存则利用磁盘作为扩展内存,将虚拟地址空间划分为固定大小的页,实现程序逻辑地址空间大于物理内存容量。设备管理和设备驱动程序设备管理操作系统负责管理各种硬件设备,如鼠标、键盘、打印机等,确保它们能正常工作并与软件无缝衔接。设备驱动程序设备驱动程序是连接操作系统和硬件设备的关键桥梁,提供了标准化的接口和通信协议。即插即用现代操作系统支持即插即用,可以自动识别新接入的硬件设备并加载相应的驱动程序。统一管理操作系统提供了设备管理器等工具,用于集中管理和配置各种硬件设备。磁盘的基本概念及管理磁盘基础知识磁盘是计算机中最常见的存储设备之一,由磁性盘片和读写头组成。它具有大容量、随机访问和非易失性特点。磁盘分区与格式化操作系统利用分区管理将磁盘划分成多个逻辑区域,并对每个分区进行格式化,以支持文件系统。磁盘管理策略操作系统需要合理分配磁盘空间、管理文件、优化磁盘读写等,以提高磁盘的性能和可靠性。磁盘监控与维护定期检查磁盘状态、清理碎片、修复错误等是保证磁盘长期稳定运行的重要措施。文件系统的基本概念1文件的基本单元文件系统将数据存储在文件中,每个文件都有一个唯一的名称和属性,如大小、创建时间等。2层次化的目录结构文件系统采用树状的目录结构,使用户可以有效地管理和组织大量的文件。3文件操作接口文件系统提供了一系列的文件操作接口,如创建、打开、读写、关闭等,让用户能够便捷地管理文件。4存储管理文件系统负责将文件数据保存到硬盘或其他存储设备,并提供有效的存储空间管理。文件的基本属性和操作文件属性文件属性包括文件名、文件类型、文件大小、创建时间、修改时间等,用于描述文件的基本信息。文件操作文件操作包括打开、复制、移动、删除、重命名等,用于管理和操作文件。可通过图形化界面或命令行进行文件操作。文件权限文件权限包括读、写、执行等,用于控制不同用户对文件的访问权限,确保文件的安全性。文件存储管理及目录管理文件存储管理操作系统负责将文件数据存储在磁盘等外存设备上,并为文件分配合适的存储空间。它还管理文件的读写和访问权限。目录结构文件目录提供了一种组织和管理存储在计算机中的文件的层次结构。目录可以包含子目录,形成树状结构。元数据管理操作系统会为每个文件保存文件名、大小、创建时间等元数据,用于文件的查找和管理。文件检索操作系统提供了搜索和查找文件的功能,用户可以根据文件名、类型、内容等条件快速定位所需文件。安全机制和保护措施身份验证通过密码、生物识别等手段确认用户身份，防止未授权访问。访问控制限制用户对系统资源的访问权限，确保资源安全。加密技术使用数据加密算法保护敏感信息的机密性和完整性。数据备份定期备份系统和用户数据，以应对系统故障或恶意攻击。操作系统的体系结构核心部件操作系统的主要组件包括内核、内存管理器、进程管理器、文件系统和设备驱动程序等，它们协调系统资源并提供基本服务。架构模式操作系统可采用单内核架构、微内核架构或混合架构等不同的设计模式,体现了不同的设计理念和权衡。功能层次操作系统一般分为用户层和内核层,内核层提供核心功能,用户层封装了更高级的应用程序接口。开放标准现代操作系统大多遵循POSIX、UNIX等开放标准,确保系统间的兼容性和可移植性。操作系统的启动和引导BIOS启动计算机开机时，BIOS将执行自检程序，并加载操作系统引导程序。引导装载程序引导装载程序将从磁盘或其他存储设备中加载操作系统内核并转移控制权。内核启动操作系统内核初始化系统硬件并启动核心服务，最终进入系统运行状态。启动过程管理操作系统提供引导配置和启动过程管理功能，以确保系统稳定高效地启动。Unix/Linux操作系统概述Unix和Linux是开源和免费的操作系统,广泛应用于服务器、工作站和嵌入式系统。它们具有强大的多任务处理能力、灵活的文件管理系统和丰富的命令行工具。Unix/Linux系统以其高效、稳定和安全的特点而闻名于世。这些操作系统提供了完全的用户访问控制,支持多种编程语言和大量的开源软件。它们在企业级应用、科学计算和互联网服务等领域发挥着关键作用。Windows操作系统概述Windows是由微软公司开发和发布的一款广受欢迎的桌面操作系统。它以图形用户界面(GUI)著称,并提供了丰富的应用程序和工具,适用于广泛的用户群体。Windows系统以其可靠性、易用性和安全性而著称,在个人电脑和企业环境中都有广泛应用。Windows系统拥有强大的硬件支持能力,可以在各种硬件平台上运行,包括台式机、笔记本电脑和平板电脑。同时它还提供了多任务处理、网络连接和多媒体功能,满足现代计算需求。实时操作系统介绍1快速响应时间实时操作系统能在严格的时间限制内快速执行任务,从而确保关键应用的可靠性和实时性。2资源管理能力实时操作系统可以有效管理和分配计算资源,确保任务按时完成而不会被中断。3可预测性实时操作系统具有可预测的行为和确定的延迟时间,能满足各种时间敏感型应用的需求。4广泛应用领域实时操作系统广泛应用于工业控制、医疗设备、航天航空等对实时性要求很高的领域。分布式操作系统介绍分布式架构分布式操作系统由多个互连的计算节点组成,共享资源并协作完成任务。资源共享用户可以在分布式系统中访问和使用远程计算机上的软硬件资源。容错性分布式系统可以通过冗余和负载均衡提高可靠性和抗故障能力。伸缩性分布式系统可以根据需求动态增加或减少计算节点,具备良好的扩展性。移动设备操作系统介绍移动设备操作系统概述移动设备操作系统是专为智能手机、平板电脑等移动设备设计的软件系统。它提供了一个用户友好的界面和强大的功能,支持触屏操作和多媒体应用。主流移动操作系统移动操作系统主要包括iOS、Android、WindowsPhone等,它们拥有独特的用户体验和丰富的应用生态。不同系统在功能、安全性和生态支持方面各有特点。移动操作系统发展趋势随着5G、物联网等技术的发展,移动操作系统正朝着更加开放、智能化的方向发展。未来它将支持跨设备协同、语音交互等更丰富的功能。云计算与容器技术云计算云计算通过网络提供计算资源和服务,实现数据和应用程序的集中管理,提高效率和灵活性。容器技术容器技术将应用程序及其依赖的环境封装在一个独立的容器中,确保了应用程序的可移植性和隔离性。自动化管理云计算和容器技术支持自动化部署、扩缩容、监控等,提高了运维效率和系统可靠性。操作系统的未来发展趋势云计算与容器化云计算和容器技术将成为未来操作系统的核心,提供弹性、可扩展和高度可移植的平台。人工智能与机器学习AI和机器学习技术将被集成到操作