《l操作系統(tǒng)》課件

《操作系統(tǒng)》課程PPT本課程將深入介紹操作系統(tǒng)原理和基本概念，并探討各種操作系統(tǒng)的設(shè)計理念和實現(xiàn)技術(shù)。學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)是理解計算機(jī)系統(tǒng)工作原理的重要基礎(chǔ)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)軟件開發(fā)和系統(tǒng)架構(gòu)奠定堅實基礎(chǔ)。WD操作系統(tǒng)概述管理硬件資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機(jī)的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲器和外設(shè)，以確保它們能夠有效地運行。提供用戶接口操作系統(tǒng)提供用戶界面，使用戶能夠與計算機(jī)交互，并運行應(yīng)用程序。管理文件和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)，并允許用戶在網(wǎng)絡(luò)中共享文件。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)最早的操作系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)50年代，主要用于批處理任務(wù)，例如數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算。多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)，能夠同時運行多個程序，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來，允許多個用戶同時使用系統(tǒng)，通過時間片輪轉(zhuǎn)的方式，為每個用戶提供交互式服務(wù)。個人計算機(jī)操作系統(tǒng)個人計算機(jī)操作系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代興起，為個人電腦提供用戶友好界面和豐富的應(yīng)用軟件支持。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代開始發(fā)展，支持多個計算機(jī)之間進(jìn)行通信和資源共享，推動了互聯(lián)網(wǎng)和云計算的發(fā)展。移動操作系統(tǒng)移動操作系統(tǒng)在21世紀(jì)初興起，為移動設(shè)備提供用戶界面和應(yīng)用程序支持，推動了移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。操作系統(tǒng)的功能和特點資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源，包括CPU、內(nèi)存、外設(shè)、文件等。用戶接口操作系統(tǒng)提供用戶與計算機(jī)系統(tǒng)交互的接口，方便用戶使用計算機(jī)。程序執(zhí)行操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、運行和管理用戶程序，為程序提供執(zhí)行環(huán)境。系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)安全，防止非法訪問和操作。操作系統(tǒng)的基本組成1內(nèi)核操作系統(tǒng)的核心部分，管理系統(tǒng)資源，提供基本服務(wù)。2系統(tǒng)調(diào)用接口應(yīng)用程序與內(nèi)核的橋梁，提供調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)的途徑。3系統(tǒng)程序輔助內(nèi)核管理系統(tǒng)資源，提供用戶界面和管理工具。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)程序以批次形式提交，系統(tǒng)按順序執(zhí)行，效率低下，不適合交互式應(yīng)用。多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)多個程序同時駐留在內(nèi)存中，提高CPU利用率，但需要進(jìn)行資源管理。分時操作系統(tǒng)多個用戶同時使用一臺計算機(jī)，系統(tǒng)將CPU時間分配給各個用戶，實現(xiàn)交互式使用。實時操作系統(tǒng)對事件響應(yīng)速度要求極高，用于控制實時系統(tǒng)，如工業(yè)控制、航空航天等。進(jìn)程的基本概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)中執(zhí)行程序的基本單位，它是一個動態(tài)的概念，表示一個正在運行的程序。一個進(jìn)程包含程序代碼、數(shù)據(jù)、堆棧和其他資源，操作系統(tǒng)會為每個進(jìn)程分配獨立的內(nèi)存空間。進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配和保護(hù)的基本單位，操作系統(tǒng)會為每個進(jìn)程維護(hù)一個進(jìn)程控制塊(PCB)，記錄進(jìn)程的狀態(tài)、資源和其他信息。進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換1運行狀態(tài)正在被CPU執(zhí)行2就緒狀態(tài)已準(zhǔn)備好運行，等待CPU分配3阻塞狀態(tài)等待某事件發(fā)生，例如I/O完成進(jìn)程狀態(tài)是指進(jìn)程在生命周期中的狀態(tài)，根據(jù)進(jìn)程與CPU的交互情況，進(jìn)程可以處于運行、就緒或阻塞狀態(tài)。進(jìn)程狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，例如，一個進(jìn)程從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運行狀態(tài)是因為CPU分配給了它。進(jìn)程控制與管理進(jìn)程創(chuàng)建創(chuàng)建新的進(jìn)程，分配資源，初始化進(jìn)程控制塊。例如，用戶執(zhí)行一個程序，操作系統(tǒng)將創(chuàng)建一個新的進(jìn)程來執(zhí)行該程序。進(jìn)程終止釋放進(jìn)程占用的所有資源，刪除進(jìn)程控制塊。例如，當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢、遇到錯誤或用戶請求終止時，操作系統(tǒng)將終止該進(jìn)程。進(jìn)程掛起將一個運行的進(jìn)程從內(nèi)存中移出，保存其狀態(tài)，并將其置于掛起狀態(tài)。例如，當(dāng)內(nèi)存不足時，操作系統(tǒng)可能會將一些進(jìn)程掛起，以釋放內(nèi)存空間。進(jìn)程恢復(fù)將一個掛起的進(jìn)程恢復(fù)到內(nèi)存中，并恢復(fù)其狀態(tài)。例如，當(dāng)內(nèi)存空間充足時，操作系統(tǒng)可以恢復(fù)一個掛起的進(jìn)程。進(jìn)程同步與互斥互斥多個進(jìn)程共享同一個資源時，確保同一時間只有一個進(jìn)程訪問它。同步多個進(jìn)程在訪問共享資源時，需要按照特定的順序執(zhí)行。信號量一種用于控制并發(fā)訪問的機(jī)制，通過信號量來實現(xiàn)進(jìn)程間的同步與互斥。死鎖的概念和條件定義死鎖是指多個進(jìn)程因競爭資源而互相等待，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。條件死鎖的發(fā)生需要滿足四個必要條件：互斥、占有且等待、不可剝奪、循環(huán)等待。危害死鎖會導(dǎo)致系統(tǒng)資源無法得到有效利用，進(jìn)程無法正常執(zhí)行，甚至可能造成系統(tǒng)崩潰。死鎖的預(yù)防和解決死鎖預(yù)防死鎖預(yù)防是通過破壞死鎖產(chǎn)生的四個必要條件來避免死鎖的發(fā)生。例如，可以采用資源預(yù)先分配的方式，避免多個進(jìn)程競爭同一資源。預(yù)防方法可以有效地阻止死鎖的出現(xiàn)，但可能會降低系統(tǒng)資源利用率和進(jìn)程運行效率。死鎖解決如果死鎖已經(jīng)發(fā)生，則需要采取措施來解除死鎖。常見的解決方法包括：進(jìn)程終止、資源搶占、回滾等。解決死鎖需要付出一定的代價，例如終止進(jìn)程可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，資源搶占可能會影響其他進(jìn)程的運行。內(nèi)存管理的基本概念內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中的核心功能之一。負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存資源，包括內(nèi)存分配、回收和保護(hù)。內(nèi)存管理的目標(biāo)是優(yōu)化內(nèi)存使用，提高程序執(zhí)行效率，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。連續(xù)分配和分頁管理1連續(xù)分配程序在內(nèi)存中分配連續(xù)的地址空間。單一連續(xù)分配分區(qū)分配動態(tài)分區(qū)分配2分頁管理程序被分成大小相等的頁，在內(nèi)存中分配非連續(xù)的頁面。頁面大小固定頁表管理支持多道程序設(shè)計3比較分析分頁管理比連續(xù)分配更加靈活，但也存在頁表開銷。內(nèi)存碎片化頁面調(diào)度地址轉(zhuǎn)換分段與虛擬內(nèi)存分段管理將程序地址空間劃分為多個段，每個段對應(yīng)一個邏輯單元。分頁管理將物理內(nèi)存劃分為固定大小的頁框，程序地址空間劃分為大小相同的頁。虛擬內(nèi)存通過頁表和地址轉(zhuǎn)換機(jī)制，使程序可以訪問超出物理內(nèi)存容量的地址空間。文件管理的基本概念文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)對文件進(jìn)行組織、存儲、訪問和管理。文件是計算機(jī)存儲信息的最小單位，由數(shù)據(jù)和相關(guān)的屬性組成，例如文件名、文件類型、創(chuàng)建時間等。操作系統(tǒng)提供各種操作來管理文件，包括創(chuàng)建、刪除、修改、復(fù)制、移動、重命名等。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理文件和目錄之間的層次結(jié)構(gòu)，方便用戶訪問和組織文件。文件的存儲與目錄11.文件存儲文件存儲在磁盤上，使用索引節(jié)點(inode)存儲文件元數(shù)據(jù)，包括文件大小、權(quán)限、創(chuàng)建日期和最后修改日期。22.文件目錄文件目錄是一個層次結(jié)構(gòu)，組織文件和目錄，方便用戶查找和訪問文件。33.目錄結(jié)構(gòu)常見目錄結(jié)構(gòu)有樹形結(jié)構(gòu)、單級目錄結(jié)構(gòu)和多級目錄結(jié)構(gòu)。44.目錄項每個目錄項包含文件名和指向inode的指針，inode包含文件元數(shù)據(jù)。文件的讀寫操作11.打開文件操作系統(tǒng)提供打開文件操作，為應(yīng)用程序提供訪問文件數(shù)據(jù)的接口。22.讀寫文件應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行讀寫操作，讀取文件內(nèi)容或?qū)?shù)據(jù)寫入文件。33.關(guān)閉文件文件操作結(jié)束后，應(yīng)用程序需關(guān)閉文件，釋放系統(tǒng)資源，保證文件完整性。文件共享與保護(hù)共享方式文件共享允許多個用戶訪問相同文件，提高資源利用率。常見方式包括用戶組共享，權(quán)限控制，網(wǎng)絡(luò)共享等。訪問控制訪問控制限制用戶對文件的訪問權(quán)限，確保數(shù)據(jù)安全。操作系統(tǒng)通過權(quán)限機(jī)制實現(xiàn)，包括讀寫權(quán)限、執(zhí)行權(quán)限等。安全機(jī)制文件安全機(jī)制包括加密、身份認(rèn)證、訪問日志記錄等，確保數(shù)據(jù)不被非法訪問或篡改。設(shè)備管理的基本概念設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件設(shè)備。設(shè)備管理的目標(biāo)是提高系統(tǒng)資源利用率，方便用戶使用，并保證系統(tǒng)安全可靠運行。設(shè)備的分類和特點打印機(jī)用于將電子文檔轉(zhuǎn)換成紙質(zhì)副本，具有速度快、質(zhì)量高等特點。顯示器用于將計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)以圖形或文字的形式顯示出來，擁有清晰度高、色彩豐富等特點。鍵盤用于輸入文字、數(shù)字和其他信息，具有響應(yīng)速度快、操作方便等特點。鼠標(biāo)用于控制計算機(jī)光標(biāo)的移動和點擊操作，擁有靈敏度高、定位精準(zhǔn)等特點。設(shè)備的分配與管理設(shè)備分配設(shè)備分配是指將系統(tǒng)中的各種硬件資源分配給不同的進(jìn)程。分配時應(yīng)考慮公平性和效率性。常用的分配策略包括靜態(tài)分配和動態(tài)分配。設(shè)備管理設(shè)備管理是指對系統(tǒng)中各種設(shè)備進(jìn)行有效的管理，包括設(shè)備的初始化、分配、釋放以及故障處理等。設(shè)備管理的核心目標(biāo)是提高設(shè)備的利用率，并保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能1I/O設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤等2I/O控制器控制設(shè)備與CPU交互3I/O通道負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸4I/O軟件驅(qū)動程序和管理程序I/O系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分。它負(fù)責(zé)管理和控制計算機(jī)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的信息交換。I/O系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。磁盤管理與調(diào)度磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問順序，提高磁盤利用率，減少磁盤尋道時間，提升系統(tǒng)性能。磁盤空間管理分配和回收磁盤空間文件系統(tǒng)管理磁盤碎片整理磁盤性能指標(biāo)磁盤傳輸速率磁盤尋道時間磁盤旋轉(zhuǎn)延遲實時操作系統(tǒng)概述實時操作系統(tǒng)（RTOS）主要用于對時間要求嚴(yán)格的應(yīng)用，例如工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等。RTOS的特點是快速響應(yīng)、確定性、可靠性高，能夠在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)完成任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)概述嵌入式操作系統(tǒng)(EOS)是專為特定硬件平臺而設(shè)計的操作系統(tǒng)，旨在控制和管理嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常用于諸如智能手機(jī)、汽車和工業(yè)設(shè)備等特定領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)通常具有以下特點：體積小、效率高、可靠性強(qiáng)、實時性好等。常見的嵌入式操作系統(tǒng)包括Linux、FreeRTOS和WindowsEmbeddedCompact等。嵌入式操作系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中扮演著越來越重要的角色，并在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。云計算和虛擬化技術(shù)云計算云計算是一種按需提供計算資源（如服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)）的方式，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問這些資源，無需直接管理物理基礎(chǔ)設(shè)施。虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)允許在單個物理服務(wù)器上創(chuàng)建多個虛擬機(jī)，每個虛擬機(jī)都可以運行獨立的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，就像它們在獨立的物理服務(wù)器上運行一樣。云計算與虛擬化技術(shù)的關(guān)系云計算很大程度上依賴于虛擬化技術(shù)，虛擬化技術(shù)為云計算提供了基礎(chǔ)，使云計算能夠提供靈活、可擴(kuò)展的計算資源。移動操作系統(tǒng)概述移動操作系統(tǒng)是為移動設(shè)備設(shè)計的操作系統(tǒng)，例如智能手機(jī)和平板電腦。它們?yōu)橛脩籼峁┯脩艚缑?，管理?yīng)用程序，控制硬件組件，并提供各種服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)連接、定位服務(wù)、多媒體功能等。常見的移動操作系統(tǒng)包括Android、iOS、WindowsPhone、HarmonyOS等，它們在用戶界面、應(yīng)用程序生態(tài)系統(tǒng)、功能特性和目標(biāo)用戶等方面有所區(qū)別。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢