华中科技大学操作系统课件全集

华中科技大学操作系统课件全集本课件涵盖了操作系统课程的各个方面，从基础概念到高级主题，从理论知识到实践应用，为学生深入学习操作系统提供全面的指导。课程简介1操作系统概述介绍操作系统的基本概念、功能和重要性，包括操作系统的发展历史、类型和结构。2进程管理深入探讨进程管理的核心内容，包括进程的概念、进程状态转换、进程控制和进程通信等。3内存管理讲解内存管理的原理和技术，包括内存分配策略、页面置换算法、虚拟内存等。4I/O系统介绍I/O系统的组成、工作原理，以及各种I/O设备的管理和控制方法。操作系统基础概念进程正在执行的程序，是操作系统分配资源的基本单位。线程进程中的执行单元，共享进程的资源，可提高并发效率。内存管理管理内存空间，分配和回收内存资源。进程管理进程概念进程是程序的一次执行过程，是操作系统分配资源的基本单位。进程状态进程可以处于运行、就绪、阻塞等状态，状态之间可以转换。进程控制块(PCB)PCB存储了进程相关的信息，例如进程标识符、进程状态、程序计数器、内存地址等。进程调度1调度算法FCFS、SJF、优先级调度、时间片轮转、多级反馈队列等2调度目标提高CPU利用率，缩短平均周转时间，减少平均等待时间等3调度策略抢占式调度、非抢占式调度并发与同步并发多个任务同时执行，提高系统效率。同步协调并发任务，避免数据冲突。死锁互斥条件资源只能被一个进程占用，其他进程需要等待。占有并等待进程在占用资源时申请其他资源，并保持已占用资源。不可剥夺条件进程不能强行剥夺其他进程已占有的资源。循环等待条件多个进程形成一个环形等待链，每个进程都等待着链中下一个进程占有的资源。内存管理物理内存计算机系统中实际存在的内存，由内存芯片构成。虚拟内存操作系统通过虚拟内存技术，将物理内存扩展到磁盘空间。内存管理单元负责管理内存的硬件组件，负责将虚拟地址转换为物理地址。分页与分段分页将程序和数据划分成大小相等的页面，然后将页面装入内存。分段根据程序的逻辑结构，将程序和数据划分成大小不等的段，然后将段装入内存。虚拟内存扩展物理内存虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，通过将一部分数据暂存在磁盘上，模拟更大的内存空间。提高并发度多个程序可以共享物理内存，通过虚拟内存技术，每个程序都拥有独立的虚拟地址空间，互不干扰。简化内存管理虚拟内存管理机制可以将内存的分配和回收变得更加高效，简化了内存管理的复杂度。I/O系统硬件接口I/O系统与硬件设备的连接方式，例如键盘、鼠标、显示器等。驱动程序用于控制和管理特定硬件设备的软件模块。数据传输数据在I/O设备和内存之间的传输方式，例如DMA传输。中断处理I/O设备完成操作时发送中断信号给CPU，并处理相应的事件。磁盘管理磁盘调度优化磁盘访问顺序，提高效率。文件分配管理磁盘空间分配和文件组织。数据安全保护数据完整性和防止数据丢失。文件系统文件组织文件系统用于组织和管理计算机上的文件和目录。访问控制文件系统提供对文件的访问权限控制，确保数据安全。存储管理文件系统负责将文件存储到磁盘，并管理磁盘空间的使用。设备驱动程序作用设备驱动程序充当操作系统和硬件设备之间的桥梁，为用户提供操作设备的接口，并将硬件设备的底层操作封装起来。类型常见的设备驱动程序类型包括块设备驱动程序（例如硬盘）、字符设备驱动程序（例如键盘）、网络设备驱动程序（例如网卡）等。设计设备驱动程序的设计需要考虑硬件设备的特点，并遵循操作系统的驱动程序框架，以确保安全可靠地访问和操作硬件设备。用户接口图形用户界面(GUI)提供直观易用的交互方式，使用户更容易操作计算机。命令行界面(CLI)用户通过输入命令来与操作系统进行交互，适合高级用户。用户体验(UX)关注用户在使用系统时的感受，使其更加流畅、友好。安全与保护系统安全保护操作系统免受恶意攻击和非法访问。数据安全确保用户数据机密性和完整性。资源保护防止不同用户之间相互干扰。实时操作系统工业自动化实时操作系统在工业自动化领域中扮演着关键角色，确保机器和设备以精确的时序运行。医疗设备在医疗设备中，实时操作系统保障着关键数据的采集和处理，例如心率监测、血压测量等。自动驾驶自动驾驶汽车需要实时操作系统来处理传感器数据，做出快速准确的决策，保证安全驾驶。嵌入式操作系统定义专门为嵌入式系统设计的操作系统，具有资源受限、实时性和可靠性等特点。应用领域广泛应用于手机、智能家居、汽车、工业控制等领域。主要特点体积小、效率高、实时性强、可靠性高、安全性高。Linux操作系统概述Linux是一款开源操作系统，在服务器、桌面、嵌入式系统等领域广泛应用。它具有稳定、可靠、安全、免费等优点，并拥有庞大的用户社区和丰富的软件资源。Linux系统基于POSIX标准，提供丰富的系统调用和编程接口，支持多种硬件平台和编程语言。Linux进程管理进程创建fork()函数创建新进程，并复制父进程的内存空间。进程终止exit()函数使进程正常终止，而kill()函数可强制终止进程。进程间通信管道、消息队列、共享内存、信号量等机制，允许进程间协同工作。Linux内存管理虚拟内存Linux使用虚拟内存来扩展可用内存。它将硬盘空间用作额外的内存，允许应用程序使用比物理内存更多的内存。页面分配Linux使用页框来管理内存，每个页面通常为4KB。当应用程序需要内存时，Linux会分配页框来满足其需求。内存映射Linux支持内存映射文件，允许应用程序直接访问磁盘文件的内容，而无需将整个文件加载到内存中。Linux文件系统层次结构Linux使用分层文件系统结构，允许将磁盘空间组织成目录和文件。虚拟文件系统(VFS)VFS提供统一的接口，允许应用程序访问各种文件系统，例如ext4、XFS和NTFS。元数据每个文件系统都有一个元数据区域，它存储有关文件和目录的信息，例如权限、所有者和时间戳。Linux设备驱动程序内核交互驱动程序是连接内核和硬件设备的桥梁，负责处理硬件的访问和操作。模块化设计Linux驱动程序采用模块化设计，可以方便地加载和卸载，提高系统灵活性。测试与调试驱动程序开发需要进行严格的测试和调试，以确保其稳定性和可靠性。Linux网络编程套接字Linux网络编程的核心是套接字，它是一种用于进程间通信的抽象接口，支持TCP/IP和UDP协议。网络协议了解TCP/IP、UDP和ICMP等网络协议，以及它们在网络通信中的作用，是网络编程的基础。网络工具熟悉网络工具，例如ping、netstat和ifconfig，可以帮助您诊断和调试网络问题。Linux系统编程系统调用Linux系统编程涉及与内核进行交互，通过系统调用来访问底层资源，例如文件系统、网络、内存等。进程管理学习如何创建、终止、管理进程，以及进程间通信，包括信号、管道、消息队列等。内存管理掌握内存分配、释放、共享机制，以及虚拟内存、内存映射等概念。文件系统了解Linux文件系统结构，学习文件操作、目录操作，以及文件系统管理等。Linux安全管理安全审计定期审计系统配置、用户活动和安全日志，识别潜在的安全漏洞和威胁。防火墙配置使用iptables或其他工具配置防火墙规则，阻止来自外部网络的恶意访问。用户权限管理根据需要分配用户权限，最小化用户特权，限制用户访问敏感资源。Linux内核分析内核结构深入了解Linux内核的组件和模块，例如进程调度器、内存管理、文件系统等。系统调用研究用户空间和内核空间之间的交互方式，以及如何使用系统调用访问内核功能。驱动程序分析设备驱动程序的架构，以及如何与硬件交互并管理设备资源。Linux性能优化优化系统资源使用，例如CPU、内存、磁盘I/O和网络带宽。分析和调整系统配置参数，例如内核参数、文件系统参数和网络参数。优化应用程序代码，例如使用高效的算法和数据结构。操作系统发展趋势云计算云计算技术不断发展，为操作系统带来了新的挑战和机遇。例如，云操作系统需要支持虚拟化、资源管理和安全保障等功能。移动设备移动设备的普及推动了操作系统向轻量级、低功耗和高性能方向发展。例如，Android和iOS操作系统已经成为移动设备的标配。人工智能人工智能的兴起正在影响着操作系统的设计。例如，AI驱动的操作系统可以根据