【大学课件】操作系统

操作系统概述操作系统是计算机系统的核心软件，它管理和控制计算机硬件资源，并为应用程序提供运行环境。操作系统的发展历程1第一代(1940年代-1950年代)机器语言编程，批处理系统，无操作系统概念。2第二代(1950年代-1960年代)汇编语言编程，多道程序设计，引入操作系统概念。3第三代(1960年代-1970年代)高级语言编程，分时系统，交互式操作界面。4第四代(1980年代-至今)图形用户界面，网络操作系统，移动操作系统。操作系统的基本功能管理硬件资源操作系统负责管理计算机系统的硬件资源，包括CPU、内存、外设等，以确保它们高效地运行。提供用户界面操作系统为用户提供一个友好的界面，方便用户与计算机系统进行交互，执行各种操作。管理应用程序操作系统负责加载、执行和管理应用程序，确保它们之间能够和谐地运行。进程管理进程的概念一个正在执行的程序的实例。进程控制创建、终止、挂起、恢复和调度进程。进程通信进程间的数据共享和同步。进程同步与互斥同步确保多个进程按特定顺序执行，协调访问共享资源。互斥防止多个进程同时访问同一共享资源，防止数据不一致。关键区共享资源访问的代码段，需要保护以保证互斥访问。信号量一种同步机制，用于控制对共享资源的访问次数。内存管理内存分配将内存分配给不同的进程，以便它们可以存储数据和代码。内存保护防止一个进程访问另一个进程的内存，从而保护系统完整性。内存回收当一个进程不再需要内存时，将内存释放回操作系统，以便其他进程使用。虚拟内存技术物理地址物理地址是内存芯片上的实际地址，用于访问实际存在的内存单元。虚拟地址虚拟地址是由操作系统分配的逻辑地址，用于访问程序中的数据和指令。页表页表用于将虚拟地址转换为物理地址，存储了虚拟地址和物理地址的映射关系。设备管理管理计算机系统中各种硬件设备，例如磁盘、打印机、键盘、鼠标等。负责分配和协调设备的使用，防止冲突和资源浪费。提供统一的接口供应用程序访问设备，屏蔽设备的差异。文件管理文件组织文件系统将磁盘空间划分为文件和目录，方便用户管理数据。目录结构可以组织和检索文件。文件访问控制操作系统提供文件访问控制机制，例如用户权限和访问控制列表，保护文件安全和完整性。文件操作操作系统提供一系列文件操作，如创建、删除、打开、关闭、读写、重命名等，便于用户使用和管理文件。磁盘调度算法先来先服务(FCFS)按照请求到达顺序进行调度，简单易实现但效率低。最短寻道时间优先(SSTF)选择距离当前磁头位置最近的请求，提高了效率但可能导致饥饿。扫描(SCAN)磁头从一端扫描到另一端，处理沿途的请求，避免了饥饿问题。循环扫描(C-SCAN)磁头从一端扫描到另一端，然后直接返回到起始位置，提高了公平性。输入输出管理1设备管理操作系统负责管理各种输入输出设备，包括键盘、鼠标、显示器、硬盘等等。2数据传输操作系统负责将数据从一个设备传输到另一个设备，例如从硬盘读取数据到内存。3中断处理当一个设备完成了一个操作后，会向操作系统发送一个中断信号，操作系统需要处理这些中断信号。中断处理硬件中断由硬件设备产生的中断，例如键盘、鼠标、磁盘等。软件中断由软件产生的中断，例如除零错误、内存访问错误等。操作系统的启动过程加电自检(POST)启动后，系统会进行硬件自检，确保所有组件正常工作。引导加载程序(BIOS)BIOS找到存储在硬盘上的操作系统引导程序，并将控制权交给它。内核加载引导程序加载操作系统内核到内存中，并初始化系统资源。启动系统服务操作系统启动必要的系统服务，例如文件系统和设备驱动程序。登录界面显示用户登录界面，允许用户登录系统。操作系统的体系结构内核内核是操作系统的核心组件，负责管理系统资源。系统调用系统调用是应用程序与内核交互的接口，提供访问系统资源的功能。用户界面用户界面是用户与操作系统交互的接口，提供命令行或图形界面。微内核结构核心功能基本内存管理，进程管理和线程管理。服务器通过系统调用与用户程序交互。模块化设计可选模块，如文件系统和网络协议。单处理器系统单核处理器只有一个核心，可以同时执行一个指令流。多核处理器有多个核心，可以同时执行多个指令流，提升性能。多处理器系统1并行处理多个处理器同时执行任务，提高系统性能。2资源共享处理器共享内存和外设，提高资源利用率。3高可靠性一个处理器故障不会导致整个系统崩溃。实时操作系统严格的时间约束实时操作系统必须在规定的时间内完成任务，以满足对时间敏感的应用程序的要求。确定性实时操作系统必须能够在预定的时间内完成任务，而不会受到其他进程或中断的影响。可靠性实时操作系统必须高度可靠，以确保关键任务应用程序能够始终如一地执行。分布式操作系统多个计算机系统通过网络连接在一起，共同完成任务。共享资源，例如处理器、内存、存储设备等。系统之间需要进行通信，以协调和同步任务执行。操作系统的发展趋势云计算云操作系统提供虚拟化，按需扩展和资源共享，降低成本并提高效率。移动设备移动操作系统优化电池寿命，触控交互和移动网络，满足用户对便携性和连接性的需求。人工智能操作系统将融合AI技术，实现智能化资源分配，安全管理和个性化服务。Linux操作系统开源性Linux是一种开源操作系统，其源代码可供任何人自由使用、修改和分发。这为开发人员提供了高度的灵活性，并促进了社区驱动的创新。稳定性和可靠性Linux以其高度稳定性和可靠性而闻名，使其成为服务器、嵌入式系统和各种应用的理想选择。多功能性Linux支持多种桌面环境和应用程序，可以满足不同用户的需求。它在服务器、桌面电脑、移动设备和嵌入式系统中都有广泛的应用。Windows操作系统历史悠久微软公司开发，起源于1985年的MS-DOS系统，发展至今已有30多年历史。图形界面以其友好的图形界面而闻名，易于使用，广泛应用于个人电脑、服务器和移动设备。版本多样提供不同的版本，从Windows10Home到WindowsServer2022，以满足不同用户的需求。应用广泛在全球范围内拥有庞大的用户群，覆盖个人、企业、教育和政府等领域。Unix操作系统多用户支持多个用户同时使用系统。多任务允许多个程序同时运行。层次文件系统将文件组织成树状结构，方便管理。命令行界面通过命令行输入指令，控制系统。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、处理能力和存储空间。实时性要求许多嵌入式应用需要在特定时间内完成任务，例如工业控制或医疗设备。专用性强嵌入式操作系统通常针对特定硬件和应用而设计。操作系统安全性访问控制防止未经授权的访问操作系统资源，包括文件、目录和设备。数据完整性确保数据不被篡改或损坏，包括防止恶意软件入侵和数据泄露。系统可靠性保证操作系统稳定运行，防止崩溃或错误，并确保系统资源可用性。用户身份验证验证用户身份，防止未经授权的用户访问系统资源和敏感信息。进程调度算法1先来先服务(FCFS)最简单的调度算法，按照进程到达的顺序进行调度。2最短作业优先(SJF)选择下一个运行的进程，其估计运行时间最短。3优先级调度为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先运行。4时间片轮转为每个进程分配一个时间片，当时间片用完后，进程被强制切换到就绪队列等待下次调度。存储器管理技术分区管理将内存划分为固定大小的区域，方便分配和回收内存。分页管理将程序划分成固定大小的页面，提高内存利用率。分段管理将程序划分成逻辑意义上的段，方便程序的模块化管理。文件系统设计目录结构组织文件和文件夹的层次结构存储分配磁盘空间分配策略，如连续分配、链接分配、索引分配访问控制用户和组的权限控制，防止非法访问和修改输入输出