【课件】操作系统概述

操作系统概述操作系统是计算机科学中的核心概念。本课程将深入探讨其定义、历史、特点和功能。我们还将分析不同类型的操作系统及其基本组成。操作系统的定义和作用系统软件操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件。资源管理它负责处理、管理和协调计算机的各种资源。用户界面为用户提供与计算机交互的界面，简化操作过程。操作系统的历史发展11940年代最早的计算机没有操作系统，程序直接控制硬件。21950年代批处理系统出现，提高了计算机的效率。31960年代多道程序设计和分时系统诞生，允许多用户同时使用。41970年代至今个人计算机操作系统兴起，图形用户界面普及。操作系统的特点安全性保护系统资源和用户数据不被非法访问。高效性优化资源分配，提高系统整体运行效率。兼容性支持各种硬件设备和应用程序。易用性提供友好的用户界面，简化操作过程。操作系统的功能1进程管理2内存管理3文件系统4设备驱动5用户界面操作系统的核心功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备驱动管理和用户界面提供。这些功能共同确保计算机系统的高效运行。操作系统的分类单用户系统如早期的MS-DOS，只支持一个用户使用。多用户系统如UNIX，允许多个用户同时访问系统资源。实时系统如工业控制系统，要求快速响应外部事件。分布式系统如云计算平台，资源分布在网络中的多台计算机上。单任务操作系统定义单任务操作系统一次只能运行一个程序。用户必须等待当前任务完成才能开始下一个。特点资源占用少结构简单适用于简单设备多任务操作系统并发执行同时运行多个程序。资源共享多个任务共享系统资源。任务调度合理分配CPU时间。用户交互允许用户切换不同任务。批处理操作系统1作业提交用户提交一批作业。2作业排队系统将作业放入队列。3自动执行系统自动依次处理作业。4结果输出处理完成后输出结果。时分多任务操作系统时间片轮转CPU时间被分成小片段，轮流分配给不同任务。多用户支持允许多个用户同时使用系统资源。快速切换任务之间快速切换，给用户并行执行的错觉。实时操作系统及时响应能够在规定的时间内响应外部事件。可预测性系统行为具有高度的可预测性。可靠性在各种条件下都能保持稳定运行。应用领域广泛应用于工业控制、航空航天等领域。嵌入式操作系统特点体积小资源占用少功能专一应用智能手机家用电器汽车电子系统集中式操作系统1中央处理2资源集中3统一管理4终端访问集中式操作系统将所有计算资源集中在一个中央计算机上。用户通过终端设备访问中央计算机的资源。这种结构简化了系统管理，但可能存在单点故障风险。分布式操作系统资源分散计算资源分布在网络中的多台计算机上。协同工作多台计算机协同工作，共同完成任务。负载均衡系统自动分配任务，平衡各节点负载。高可靠性单个节点故障不会导致整个系统崩溃。操作系统的基本组成内核操作系统的核心部分，负责最基本的功能。Shell命令解释器，提供用户与内核交互的接口。系统程序提供常用系统服务的应用程序集合。文件系统管理存储设备上的文件和目录。进程管理1进程创建为新任务分配资源，创建进程控制块。2调度决定哪个进程获得CPU时间。3同步协调多个进程的执行顺序。4通信实现进程间的数据交换。5终止回收进程占用的系统资源。存储管理内存分配为进程分配内存空间。地址转换将逻辑地址转换为物理地址。内存保护防止进程访问未授权的内存区域。虚拟内存扩展物理内存，实现更大的地址空间。文件管理文件组织管理文件的存储结构和访问方法。文件检索提供快速查找和访问文件的机制。访问控制实现文件的安全保护和权限管理。备份恢复保护文件系统数据，防止意外丢失。设备管理功能设备驱动程序管理设备分配与回收设备独立性实现目标提高设备利用率简化用户操作实现设备共享用户界面命令行界面（CLI）通过输入命令与系统交互，适合高级用户。图形用户界面（GUI）使用图形元素，如窗口、图标等，操作直观。自然语言用户界面（NUI）通过语音、手势等自然方式与系统交互。操作系统的体系结构1用户界面2系统调用3内核4硬件抽象层5硬件操作系统的体系结构从底层硬件到顶层用户界面，逐层抽象。每一层都为上层提供服务，同时隐藏了下层的复杂性。这种分层设计提高了系统的模块化和可维护性。单内核结构特点所有系统服务运行在内核空间系统调用直接访问内核功能结构紧凑，执行效率高缺点内核庞大，难以维护单个模块故障可能导致整个系统崩溃扩展性较差微内核结构最小化内核只保留最基本的功能。用户空间服务大部分系统服务运行在用户空间。消息传递通过消息传递实现组件间通信。模块化设计便于系统扩展和维护。分层结构1应用层用户应用程序2用户界面层提供用户交互接口3程序执行层管理进程和线程4设备管理层控制硬件设备5硬件层物理硬件设备虚拟机结构资源虚拟化将物理资源抽象为虚拟资源。隔离性不同虚拟机之间相互独立。灵活部署便于系统迁移和备份。资源优化提高硬件资源利用率。开源操作系统Linux最广泛使用的开源操作系统。FreeBSD强大的服务器操作系统。Android基于Linux的移动设备操作系统。ReactOS开源Windows替代品。Linux操作系统特点开源免费高度可定制稳定可靠多用户多任务应用领域服务器市场嵌入式系统超级计算机个人桌面Windows操作系统1Windows1.01985年发布，图形界面革新。2Windows95普及个人电脑操作系统。3WindowsXP稳定性和用户体验大幅提升。4Windows10统一多设备平台。MacOS操作系统设计理念注重用户体验和界面美观。安全性内置多重安全机制，病毒感染率低。生态系统与其他Apple设备无缝集成。应用场景广泛应用于创意设计和开发领域。操作系统的发展趋势云操作系统基于云计算的新型操作系统。AI集成人工智能深度融入操作系统。物联网OS适应物联