【大学课件】计算机操作系统

计算机操作系统概述操作系统的定义和功能管理计算机硬件资源，例如CPU、内存、磁盘和外设。提供用户界面，方便用户与计算机交互，例如命令行界面或图形用户界面。管理和协调应用程序，确保它们能够正常运行，并提供共享资源的访问。操作系统的发展历程1批处理系统早期操作系统，主要用于处理大量任务，例如打卡和计算工资。2分时系统允许多个用户同时使用计算机，并通过时间片轮转的方式共享资源。3实时系统对时间响应要求严格，常用于工业控制和航空航天等领域。4网络操作系统支持多台计算机之间的通信和资源共享，如WindowsServer。操作系统的分类1批处理操作系统批处理操作系统是一种早期的操作系统，它将多个作业按顺序执行，无需用户交互。它提高了计算机资源利用率，但无法满足用户实时交互的需求。2分时操作系统分时操作系统允许多个用户同时使用一台计算机，系统将CPU时间片分配给每个用户，从而实现交互式操作。3实时操作系统实时操作系统用于对时间要求严格的系统，例如航空控制和工业自动化。它需要及时响应外部事件，保证任务在严格的时间限制内完成。4单用户操作系统单用户操作系统仅允许一个用户在同一时间使用计算机，例如大多数个人电脑操作系统。5多用户操作系统多用户操作系统允许多个用户同时使用计算机，例如服务器操作系统。操作系统的结构和体系结构分层结构将操作系统划分成多个层次，每个层次都提供特定功能。低层提供基础服务，高层则构建在低层之上，逐步抽象和扩展功能。微内核结构将核心功能（如内存管理、进程调度、中断处理）放在微内核中，其他服务通过用户空间进程提供，便于扩展和移植。进程管理进程管理是操作系统中最核心的部分之一，它负责创建、调度和管理进程，并协调它们对系统资源的访问。进程创建操作系统为每个程序创建一个进程，为其分配内存、文件和设备等资源。进程调度操作系统负责调度进程，决定哪个进程可以使用CPU，以及它们可以使用CPU的时间。进程通信操作系统提供进程之间的通信机制，以便它们可以共享数据和资源。进程的概念和状态程序程序是一个静态的指令序列，保存于磁盘中。进程进程是一个动态的概念，它是程序在内存中运行时的实例，具有自己的地址空间和资源。状态进程在运行过程中会处于不同的状态，例如运行状态、就绪状态、阻塞状态等。进程调度算法先来先服务(FCFS)按照进程到达的顺序进行调度，简单易懂，但可能导致较长的平均等待时间。最短作业优先(SJF)选择下一个要执行的进程为估计执行时间最短的进程，能有效地降低平均等待时间。优先级调度为每个进程赋予一个优先级，优先级高的进程优先被调度，可根据需要调整优先级。时间片轮转将CPU时间分成若干个时间片，每个进程依次获得一个时间片，可以实现进程的公平竞争。进程同步与互斥进程同步是指多个进程在时间上协调运行,共同完成任务.进程互斥是指多个进程不能同时访问共享资源,以防止数据不一致.常见的同步机制包括信号量、互斥量、条件变量等.死锁的概念与预防死锁定义多个进程因互相等待对方释放资源而陷入永久阻塞状态，无法继续执行。死锁条件互斥条件、占有且等待条件、不可剥夺条件、循环等待条件。死锁预防破坏死锁的四个必要条件，例如资源预先分配、禁止占有并等待等策略。内存管理操作系统负责管理计算机系统中的内存资源，以保证程序的正确执行和效率。内存分配为运行的程序分配内存空间，并管理内存使用情况。内存保护防止程序访问非法的内存区域，确保系统安全稳定。内存共享允许多个进程共享内存，提高内存利用率。虚拟内存使用硬盘空间模拟更多的内存，扩展系统可用内存。内存分配策略连续分配为每个进程分配一块连续的内存空间，方便管理，但存在内存碎片问题。分页分配将内存空间分成大小相同的页面，进程可以分配到非连续的页面，可以有效解决内存碎片问题。分段分配将进程的地址空间划分为若干逻辑段，每个段可以分配到非连续的物理内存，便于程序模块化管理。虚拟内存技术1扩展内存虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，即使物理内存有限。2页面调度将程序的页面在物理内存和磁盘之间移动，以优化内存使用效率。3多任务支持允许多个程序同时运行，即使每个程序都需要比物理内存更大的空间。页面置换算法先进先出(FIFO)最简单的页面置换算法，先进入内存的页面先被替换。最近最少使用(LRU)最常用的页面置换算法，最近最少使用的页面优先被替换。最佳置换(OPT)理论上最优的页面置换算法，但无法在实际系统中实现。设备管理设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种硬件设备。分配策略根据设备类型和系统需求，合理分配设备资源。驱动程序提供设备与操作系统之间的接口，实现设备的访问和控制。错误处理检测并处理设备运行过程中出现的故障。设备的分类和特性输入设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等，用于将信息输入计算机系统。输出设备显示器、打印机、音箱、投影仪等，用于将计算机处理的结果输出给用户。存储设备硬盘、光盘、U盘、内存等，用于存储数据和程序。网络设备网卡、路由器、交换机等，用于连接网络，实现数据传输。设备驱动程序硬件接口设备驱动程序充当操作系统与硬件设备之间的桥梁，将硬件指令转换为操作系统可理解的指令。资源管理驱动程序负责管理设备资源，例如分配和释放设备，以及处理设备中断和错误。性能优化驱动程序可以通过优化设备访问和数据传输，提高系统的整体性能和效率。文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理和组织计算机系统中的文件，并为用户提供文件访问和操作的接口。文件存储和组织操作系统负责将文件存储到磁盘或其他存储设备上，并使用目录结构来组织和管理这些文件。文件访问和操作用户可以通过操作系统提供的接口来创建、删除、修改、复制、移动和访问文件。文件的概念和组织数据集合文件是存储在计算机中的数据集合，包含文本、图像、音频、视频等多种类型。组织方式文件通常按照文件夹进行组织，形成层次结构，方便管理和查找。文件属性每个文件都有属性信息，包括文件名、大小、创建日期、修改时间等，用于标识和管理文件。文件系统文件组织管理文件存储和组织方式，例如树形结构或层次结构。权限管理控制用户对文件的访问权限，例如读、写、执行等。存储管理管理磁盘空间的分配和回收，以优化存储效率。安全管理操作系统安全管理是保护系统资源和用户数据的核心。访问控制限制用户对系统资源的访问权限。身份验证确认用户身份的合法性。访问控制机制身份验证确保用户身份真实，防止未经授权的访问。授权控制用户对资源的访问权限，防止用户越权操作。审计跟踪记录用户行为，方便追溯问题，提高安全性。加密和解密技术1对称加密使用相同的密钥进行加密和解密。2非对称加密使用不同的密钥进行加密和解密，提高安全性。3哈希函数将任意长度的输入数据转换为固定长度的哈希值，用于数据完整性验证。操作系统的性能评价评价操作系统的性能，需要从多个角度进行衡量，例如CPU利用率、吞吐量、响应时间、等待时间等。CPU利用率衡量CPU繁忙程度，反映系统资源利用效率。吞吐量衡量系统单位时间内完成的任务数量，反映系统处理能力。响应时间衡量系统对用户请求的响应速度，反映系统对用户的友好程度。等待时间衡量用户请求在队列中等待的时间，反映系统对用户的效率。CPU利用率和吞吐量CPU利用率衡量CPU时间使用情况吞吐量单位时间内完成的任务数量响应时间和等待时间响应时间(ms)等待时间(ms)响应时间是指从用户发出请求到系统完成请求并返回结果的时间。等待时间是指用户请求到达系统后，系统开始处理请求之前的时间。操作系统的发展趋势随着硬件技术和软件技术不断发展，操作系统也随之演变，呈现出以下趋势:1微内核操作系统将操作系统内核简化，将大部分功能模块移至用户空间，提高系统安全性与可扩展性。2实时操作系统针对实时应用场景，如工业控制、嵌入式系统，提供高可靠性和低延迟的系统服务。3分布式操作系统将系统资源分布在多台计算机上，提高系统性能和可靠性。4云操作系统提供基于云计算的系统服务，以虚拟化和资源池化技术，实现资源共享和按需分配。微内核操作系统模块化设计微内核操作系统将核心功能（如进程管理和内存管理）限制在最小的内核中，其他功能则以模块形式实现。安全性内核功能较少，减少了攻击面，增强了系统的安全性。可扩展性模块化设计方便添加新的功能和服务，适应不断变化的应用需求。实时操作系统实时性要求对时间响应有严格的要求，通常用于控制系统和嵌入式设备。应用领域工业自动化、航空航天、医疗设备、网络设备等。特点高优先级任务优先执行，快速响应事件，低延迟。分布式操作系统资源共享多个计算机系统之间共享硬件和软件资源，