工學(xué)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課件

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)本課件將介紹計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和原理，幫助您深入理解操作系統(tǒng)的核心功能和工作機(jī)制。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的軟件。它管理著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源。為用戶提供一個(gè)友好的界面，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。操作系統(tǒng)的功能管理計(jì)算機(jī)資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè)，以確保它們能夠被有效地使用。提供用戶界面操作系統(tǒng)提供了一個(gè)用戶界面，例如命令行界面或圖形用戶界面，讓用戶可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互并執(zhí)行操作。支持多用戶和多任務(wù)操作系統(tǒng)允許多個(gè)用戶同時(shí)使用計(jì)算機(jī)，并允許運(yùn)行多個(gè)程序，從而提高了計(jì)算機(jī)的利用率。保護(hù)系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)提供安全機(jī)制，例如用戶身份驗(yàn)證和訪問(wèn)控制，以保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和攻擊。進(jìn)程管理創(chuàng)建創(chuàng)建新的進(jìn)程，分配資源，包括內(nèi)存、文件和設(shè)備。調(diào)度決定哪個(gè)進(jìn)程應(yīng)該在CPU上運(yùn)行，并分配CPU時(shí)間片。同步協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程之間的訪問(wèn)和交互，防止數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和死鎖。通信提供進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)的機(jī)制，以便它們可以協(xié)同工作。進(jìn)程狀態(tài)和進(jìn)程調(diào)度運(yùn)行進(jìn)程正在使用CPU，執(zhí)行指令。就緒進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行，但等待CPU資源。阻塞進(jìn)程正在等待某一事件，如I/O操作完成。創(chuàng)建進(jìn)程正在創(chuàng)建過(guò)程中，分配資源。終止進(jìn)程已完成執(zhí)行，釋放資源。線程和多線程技術(shù)1輕量級(jí)進(jìn)程線程是比進(jìn)程更小的執(zhí)行單元，共享同一個(gè)地址空間，減少了資源開(kāi)銷。2并發(fā)執(zhí)行多線程允許程序在同一時(shí)間執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，提高了系統(tǒng)利用率。3提升響應(yīng)速度通過(guò)多線程，用戶界面能夠保持響應(yīng)，即使某個(gè)任務(wù)在后臺(tái)運(yùn)行。進(jìn)程同步與互斥同步同步是指多個(gè)進(jìn)程在協(xié)同工作時(shí)，需要相互配合，按預(yù)定的順序執(zhí)行，以保證數(shù)據(jù)的正確性?；コ饣コ馐侵付鄠€(gè)進(jìn)程不能同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)共享資源，以避免數(shù)據(jù)沖突。進(jìn)程通信機(jī)制共享內(nèi)存多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。消息傳遞進(jìn)程間通過(guò)發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，適用于不同平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸。管道通過(guò)管道將數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程傳遞到另一個(gè)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的定向傳遞。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理內(nèi)存資源給進(jìn)程和程序。內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)確保進(jìn)程之間不會(huì)互相干擾，防止一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)另一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存。內(nèi)存回收操作系統(tǒng)回收不再使用的內(nèi)存空間，以便為新的進(jìn)程分配。虛擬內(nèi)存技術(shù)擴(kuò)充內(nèi)存容量虛擬內(nèi)存技術(shù)允許使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，通過(guò)將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，擴(kuò)展了可用內(nèi)存的大小。多任務(wù)執(zhí)行虛擬內(nèi)存允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行，即使總的內(nèi)存需求超過(guò)了物理內(nèi)存的限制。內(nèi)存保護(hù)虛擬內(nèi)存技術(shù)提供了內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，防止程序訪問(wèn)未經(jīng)授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域。文件系統(tǒng)管理組織和管理文件文件系統(tǒng)提供一個(gè)結(jié)構(gòu)化的方法來(lái)存儲(chǔ)和訪問(wèn)計(jì)算機(jī)中的文件。層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，將文件組織成目錄和子目錄。命名和訪問(wèn)每個(gè)文件都有一個(gè)唯一的名稱，并使用路徑來(lái)標(biāo)識(shí)其在文件系統(tǒng)中的位置。安全和權(quán)限文件系統(tǒng)提供機(jī)制來(lái)保護(hù)文件，并控制用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限。文件組織結(jié)構(gòu)目錄結(jié)構(gòu)層次化組織文件，方便管理和訪問(wèn)。文件類型不同的文件類型，如文本、圖片、視頻等。文件鏈接使用鏈接方式，實(shí)現(xiàn)文件之間的關(guān)聯(lián)。文件存儲(chǔ)管理磁盤(pán)空間分配操作系統(tǒng)分配磁盤(pán)空間給文件，可以使用連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配等方法。文件目錄結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)使用文件目錄結(jié)構(gòu)來(lái)組織和管理文件，常用的結(jié)構(gòu)包括單級(jí)目錄、樹(shù)型目錄和圖狀目錄。文件保護(hù)操作系統(tǒng)需要提供文件保護(hù)機(jī)制來(lái)保證文件的完整性和安全性，常見(jiàn)的措施包括訪問(wèn)控制、權(quán)限控制和備份恢復(fù)。文件訪問(wèn)控制用戶訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置密碼和身份驗(yàn)證安全策略實(shí)施設(shè)備管理鍵盤(pán)輸入設(shè)備，用于向計(jì)算機(jī)輸入字符和其他命令。鼠標(biāo)輸入設(shè)備，用于控制光標(biāo)和其他圖形界面元素。顯示器輸出設(shè)備，用于顯示計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果，例如文本、圖像和視頻。打印機(jī)輸出設(shè)備，用于將計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果打印到紙張上。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1硬件接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備的訪問(wèn)和控制。2資源管理它們控制設(shè)備的分配和使用，確保不同程序?qū)υO(shè)備的訪問(wèn)是安全和有序的。3錯(cuò)誤處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)處理設(shè)備發(fā)生的錯(cuò)誤，并通知操作系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施。輸入/輸出系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序是連接操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備的軟件組件。它們提供了一種標(biāo)準(zhǔn)接口，允許操作系統(tǒng)控制設(shè)備并訪問(wèn)其功能。中斷處理當(dāng)設(shè)備完成操作或遇到錯(cuò)誤時(shí)，它會(huì)向CPU發(fā)送中斷信號(hào)。中斷處理程序會(huì)識(shí)別中斷源并執(zhí)行相應(yīng)的操作。I/O緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便在速度不同的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。緩沖區(qū)管理負(fù)責(zé)分配和釋放緩沖區(qū)。磁盤(pán)調(diào)度算法1先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照請(qǐng)求到達(dá)的順序進(jìn)行服務(wù)。2最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)選擇與當(dāng)前磁頭位置距離最近的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)。3掃描(SCAN)磁頭從當(dāng)前位置掃描到最外側(cè)，然后反向掃描。4循環(huán)掃描(C-SCAN)磁頭從當(dāng)前位置掃描到最外側(cè)，然后直接跳回最內(nèi)側(cè)繼續(xù)掃描。安全性與保護(hù)數(shù)據(jù)完整性保護(hù)數(shù)據(jù)免受未經(jīng)授權(quán)的修改或刪除。機(jī)密性確保只有授權(quán)用戶可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)?？捎眯源_保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)始終可用。用戶認(rèn)證機(jī)制用戶名和密碼這是最常見(jiàn)的認(rèn)證機(jī)制，用戶提供用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證。生物識(shí)別使用指紋、面部識(shí)別或虹膜掃描等生物特征進(jìn)行身份驗(yàn)證。雙因素認(rèn)證要求用戶提供兩種不同的身份驗(yàn)證方式，例如密碼和短信驗(yàn)證碼。訪問(wèn)控制模型訪問(wèn)控制列表(ACL)ACL定義允許或拒絕訪問(wèn)特定資源的規(guī)則列表。通過(guò)將用戶或組與特定權(quán)限關(guān)聯(lián)來(lái)控制訪問(wèn)?；诮巧脑L問(wèn)控制(RBAC)RBAC將用戶分配給角色，并根據(jù)角色授予權(quán)限。它簡(jiǎn)化了權(quán)限管理，提高了安全性?；趯傩缘脑L問(wèn)控制(ABAC)ABAC使用屬性來(lái)定義訪問(wèn)策略，并根據(jù)屬性匹配來(lái)控制訪問(wèn)。它提供了靈活性和細(xì)粒度的控制。操作系統(tǒng)安全威脅惡意軟件，如病毒、蠕蟲(chóng)和木馬，可以感染系統(tǒng)并竊取數(shù)據(jù)或破壞系統(tǒng)文件。黑客可以通過(guò)漏洞攻擊系統(tǒng)，獲取管理員權(quán)限，竊取敏感信息或破壞系統(tǒng)運(yùn)行。未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，例如未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問(wèn)系統(tǒng)資源或數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)故障。操作系統(tǒng)安全防護(hù)1訪問(wèn)控制限制用戶訪問(wèn)系統(tǒng)資源，確保只有授權(quán)用戶才能訪問(wèn)敏感數(shù)據(jù)和操作。2入侵檢測(cè)和防御監(jiān)控系統(tǒng)活動(dòng)，識(shí)別潛在的攻擊行為并采取措施阻止或防御。3安全更新和補(bǔ)丁及時(shí)安裝操作系統(tǒng)安全更新和補(bǔ)丁，修復(fù)系統(tǒng)漏洞和安全缺陷。4數(shù)據(jù)加密使用加密技術(shù)保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和竊取。操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1單體結(jié)構(gòu)所有功能集中在一個(gè)內(nèi)核中，簡(jiǎn)單易于開(kāi)發(fā)。2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將基本功能放在內(nèi)核中，其他功能通過(guò)服務(wù)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，更靈活、易于擴(kuò)展。3分層結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)按功能劃分為多個(gè)層次，每一層為上一層提供服務(wù)。操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)僅包含操作系統(tǒng)核心功能，如內(nèi)存管理和進(jìn)程調(diào)度。其他服務(wù)以用戶進(jìn)程的形式運(yùn)行，通過(guò)消息傳遞與內(nèi)核交互。單體結(jié)構(gòu)所有操作系統(tǒng)功能都在一個(gè)內(nèi)核空間中運(yùn)行，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但安全性較低。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)間約束實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)事件，例如，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，及時(shí)處理傳感器數(shù)據(jù)至關(guān)重要。高可靠性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，例如醫(yī)療設(shè)備或航空控制系統(tǒng)，因此必須確保高可靠性。資源管理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須有效地管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存和處理器，以確保及時(shí)響應(yīng)。嵌入式操作系統(tǒng)特點(diǎn)資源受限，體積小，實(shí)時(shí)性高，功耗低，安全性要求高應(yīng)用智能手機(jī)，智能家居，汽車電子，工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備分布式操作系統(tǒng)連接多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，共享資源和處理能力。提高可靠性，容錯(cuò)能力和可擴(kuò)展性。處理大型數(shù)據(jù)集，解決單機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。云計(jì)算中的操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)云計(jì)算中的操作系統(tǒng)利用虛擬化技術(shù)，將物理資源劃分成多個(gè)虛擬機(jī)，提高資源利用率。彈性伸縮云操作系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求自動(dòng)調(diào)整資源分配，以滿足動(dòng)態(tài)變化的工作負(fù)載。安全管理云操作系統(tǒng)提供安全措施，如訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)加密，保障用戶數(shù)據(jù)安全。移動(dòng)端操作系統(tǒng)用戶界面為觸摸屏設(shè)備設(shè)計(jì)，直觀易用，支持多點(diǎn)觸控、手勢(shì)操作。資源管理管理有限的電池壽命、內(nèi)存和存儲(chǔ)空間，優(yōu)化系統(tǒng)性能。安全性保護(hù)用戶數(shù)據(jù)和隱