計算機操作系統(tǒng)課件湯子瀛

計算機操作系統(tǒng)概述計算機操作系統(tǒng)是管理計算機硬件資源和軟件資源的基礎軟件。它為用戶和應用程序提供了一個良好的環(huán)境,是計算機系統(tǒng)運行的基礎和核心。操作系統(tǒng)涵蓋了計算機系統(tǒng)的設計、結(jié)構(gòu)和功能,是計算機系統(tǒng)重要組成部分。操作系統(tǒng)的基本功能和作用資源管理操作系統(tǒng)負責管理計算機的硬件資源,如CPU、內(nèi)存和輸入輸出設備。程序執(zhí)行操作系統(tǒng)提供運行應用程序所需的環(huán)境,負責程序的加載和調(diào)度。用戶交互操作系統(tǒng)提供圖形用戶界面(GUI)或命令行界面,便于用戶操作計算機。系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負責保護系統(tǒng)免受惡意軟件和未授權(quán)訪問的侵害。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1大型機時代1950年代至1960年代的中央集中式操作系統(tǒng)2微型機時代1970年代至1980年代的個人計算機操作系統(tǒng)3網(wǎng)絡時代1990年代至2000年代的分布式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)4移動時代2000年代至今的移動智能設備操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從大型機時代、微型機時代、網(wǎng)絡時代到移動時代的發(fā)展歷程。每個階段的操作系統(tǒng)都有其特點和應用場景,反映了計算機硬件和軟件技術(shù)的進步。操作系統(tǒng)的基本組成內(nèi)核(Kernel)操作系統(tǒng)的核心部分,負責管理計算機硬件資源,如內(nèi)存、CPU和I/O設備等。文件管理器管理文件的創(chuàng)建、讀寫、存儲和保護等,提供統(tǒng)一的文件接口。內(nèi)存管理負責進程的內(nèi)存分配和回收,實現(xiàn)虛擬內(nèi)存等功能。進程管理負責進程的創(chuàng)建、切換和調(diào)度,確保公平合理地使用CPU資源。操作系統(tǒng)的運行過程1啟動系統(tǒng)電源開啟，BIOS自檢并加載引導程序。2加載內(nèi)核引導程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存中。3初始化內(nèi)核初始化各種系統(tǒng)資源和進程。4運行操作系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，管理和調(diào)度各種進程。操作系統(tǒng)的運行過程包括四個主要步驟:啟動、加載內(nèi)核、初始化、以及進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。在這個過程中,操作系統(tǒng)會管理和調(diào)度各種進程,確保系統(tǒng)資源的高效利用。進程管理進程管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一,涉及創(chuàng)建、調(diào)度、控制和終止進程等操作,確保系統(tǒng)資源的有效利用和任務的高效執(zhí)行。進程的概念和狀態(tài)進程的概念進程是一個正在執(zhí)行的程序?qū)嵗?是操作系統(tǒng)管理和調(diào)度的基本單元。每個進程都擁有自己的地址空間、資源和執(zhí)行狀態(tài)。進程的狀態(tài)進程可處于就緒、運行、阻塞和終止等不同狀態(tài),操作系統(tǒng)通過進程狀態(tài)的切換來調(diào)度和管理進程的執(zhí)行。進程切換當一個正在運行的進程由于某種原因無法繼續(xù)執(zhí)行時,操作系統(tǒng)會中斷該進程并保存其當前狀態(tài),然后切換到另一個就緒進程。進程通信不同進程可通過共享內(nèi)存、消息傳遞等方式進行通信和協(xié)作,實現(xiàn)更復雜的功能。進程控制進程創(chuàng)建通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新的進程,并分配必要的資源。進程終止進程可主動調(diào)用退出系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束自身,或被操作系統(tǒng)強制終止。進程切換操作系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度算法在進程間切換,保證公平性和響應性。進程掛起/恢復進程可被暫時掛起,并在需要時恢復執(zhí)行。進程同步與互斥進程同步進程同步是指多個進程之間協(xié)調(diào)操作,確保它們按照特定的順序執(zhí)行,避免因資源爭用而產(chǎn)生的錯誤。同步機制包括信號量、互斥鎖等。進程互斥進程互斥是指在一個時間內(nèi)只允許一個進程訪問臨界區(qū)資源,避免資源爭用導致的數(shù)據(jù)不一致。常用的互斥機制包括測試與設置指令、信號量和互斥鎖。案例分析通過具體的生產(chǎn)者-消費者問題等案例,分析進程同步和互斥的實現(xiàn)方式以及在操作系統(tǒng)中的應用。進程調(diào)度算法先來先服務按照進程到達的先后順序進行調(diào)度,簡單易實現(xiàn)。短作業(yè)優(yōu)先優(yōu)先調(diào)度估計運行時間較短的進程,提高系統(tǒng)吞吐量。最高優(yōu)先級優(yōu)先根據(jù)預先設定的優(yōu)先級來調(diào)度,確保高優(yōu)先級進程得到及時執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)按照時間片輪流調(diào)度各個進程,兼顧公平性和響應性。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負責管理和分配計算機的內(nèi)存資源,確保各個進程能夠高效、安全地訪問內(nèi)存。內(nèi)存管理包括內(nèi)存分配策略、虛擬內(nèi)存技術(shù)等。內(nèi)存分配策略連續(xù)內(nèi)存分配將內(nèi)存劃分為大小相等的塊,每個進程分配一個或多個完整的內(nèi)存塊。簡單易實現(xiàn),但內(nèi)存利用率低。動態(tài)內(nèi)存分配根據(jù)進程需求大小動態(tài)分配內(nèi)存,可提高內(nèi)存利用率。但需要復雜的內(nèi)存管理算法來維護內(nèi)存空閑區(qū)。分頁內(nèi)存分配將內(nèi)存劃分為固定大小的頁,進程以頁為單位申請內(nèi)存。靈活性好,但需要額外的頁表管理開銷。虛擬內(nèi)存技術(shù)內(nèi)存抽象虛擬內(nèi)存技術(shù)提供了一個統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間,隱藏了物理內(nèi)存的細節(jié),讓程序以簡單的方式訪問內(nèi)存。頁面交換當物理內(nèi)存不足時,虛擬內(nèi)存可將不常用的頁面交換到磁盤上,從而提高內(nèi)存的利用率。內(nèi)存隔離虛擬內(nèi)存技術(shù)可以在不同進程之間建立內(nèi)存隔離,提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它負責管理系統(tǒng)中各種類型的文件數(shù)據(jù),包括創(chuàng)建、打開、關(guān)閉、讀取、寫入和刪除等操作。同時還要提供良好的文件目錄結(jié)構(gòu)和訪問控制機制,以確保文件的安全和有效利用。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用分層目錄結(jié)構(gòu),用戶可以通過路徑快速定位到所需文件。根目錄為起點,下設多層子目錄,形成樹狀層次結(jié)構(gòu)。元數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)維護文件的元數(shù)據(jù),如文件名、創(chuàng)建時間、所有者等信息,用于快速查找和管理。持久性存儲文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)永久存儲在磁盤等持久性存儲介質(zhì)上,即使斷電也能保證數(shù)據(jù)安全。訪問控制文件系統(tǒng)提供訪問控制機制,確保文件的安全性,只有授權(quán)用戶才能訪問和修改相應文件。文件訪問控制1身份驗證文件訪問控制需要實現(xiàn)對用戶身份的有效驗證,確保只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能訪問文件。2權(quán)限管理操作系統(tǒng)需要提供細致的權(quán)限管理機制,包括讀、寫、執(zhí)行等不同權(quán)限,滿足不同用戶的需求。3日志記錄對于關(guān)鍵文件的訪問情況要進行日志記錄,以便于審查和分析。4動態(tài)調(diào)整應該支持對文件訪問權(quán)限的動態(tài)調(diào)整,以靈活應對業(yè)務需求的變化。設備管理操作系統(tǒng)負責管理各種硬件設備的運行,確保它們在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)工作。設備管理包括設備驅(qū)動程序的加載和控制、設備狀態(tài)的監(jiān)控以及I/O請求的管理等關(guān)鍵功能。設備驅(qū)動程序設備抽象化設備驅(qū)動程序為操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的設備操作接口,隱藏了硬件細節(jié),簡化了上層軟件的開發(fā)。硬件兼容性設備驅(qū)動程序確保操作系統(tǒng)能夠與各種硬件設備無縫協(xié)作,提高了系統(tǒng)的兼容性和靈活性。動態(tài)加載現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持熱插拔和動態(tài)加載設備驅(qū)動程序,增強了系統(tǒng)的可擴展性。硬件控制設備驅(qū)動程序能夠直接訪問硬件寄存器,提供了對硬件的精細控制。輸入輸出系統(tǒng)中央處理器與外圍設備的協(xié)作操作系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)中央處理器與外圍設備之間的通信與數(shù)據(jù)交換,確保高效穩(wěn)定的輸入輸出操作。設備驅(qū)動程序的作用操作系統(tǒng)提供設備驅(qū)動程序,作為各類外圍設備與操作系統(tǒng)之間的接口,屏蔽硬件細節(jié)。緩沖區(qū)和緩存技術(shù)操作系統(tǒng)利用緩沖區(qū)和緩存技術(shù),提高輸入輸出效率,降低處理延遲。同步與異步I/O操作系統(tǒng)支持同步和異步輸入輸出模式,滿足不同應用場景的需求。中斷處理機制快速響應中斷機制能立即暫停當前進程,優(yōu)先處理緊急事件,確保系統(tǒng)可及時響應外部設備和內(nèi)部事件。優(yōu)先級調(diào)度通過設置不同優(yōu)先級,中斷處理程序能夠根據(jù)事件重要性高低進行調(diào)度,保證關(guān)鍵任務優(yōu)先執(zhí)行。硬件支持中斷機制依賴于CPU、總線和外圍設備等硬件的支持,確保事件通知和處理的及時性。軟件管理操作系統(tǒng)通過建立中斷向量表、中斷處理程序和中斷屏蔽等機制,有效管理中斷的軟件實現(xiàn)。操作系統(tǒng)安全性操作系統(tǒng)安全性是計算機系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán),涉及用戶訪問控制、加密認證等核心功能。通過實施有效的安全防護措施,可以有效保護系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù),確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。訪問控制機制1身份認證通過用戶名、密碼、生物特征等方式確認用戶身份，確保只有授權(quán)用戶能訪問系統(tǒng)。2權(quán)限管理根據(jù)用戶的角色和職責分配相應的訪問權(quán)限，限制用戶的操作范圍。3審計追蹤記錄用戶的訪問行為,可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況并追究責任。4策略制定制定合理的訪問控制策略,平衡系統(tǒng)安全與用戶需求。加密和認證技術(shù)數(shù)據(jù)加密通過先進的加密算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無法讀取的形式,確保信息安全傳輸。身份驗證通過密碼、生物特征等方式驗證用戶身份,防止非法訪問或冒充。數(shù)字簽名使用私鑰對文件數(shù)字簽名,確保數(shù)據(jù)完整性和來源可信度。密鑰管理建立安全可靠的密鑰生成、分發(fā)和存儲機制,確保加密系統(tǒng)的安全性。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著技術(shù)的不斷進步,操作系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和變革。從傳統(tǒng)的單一功能型操作系統(tǒng),到現(xiàn)代化的多功能集成操作系統(tǒng),再到未來可能出現(xiàn)的智能操作系統(tǒng),它們都反映了人類需求的變化與技術(shù)發(fā)展的方向。微內(nèi)核操作系統(tǒng)模塊化設計微內(nèi)核操作系統(tǒng)采用模塊化設計,將操作系統(tǒng)內(nèi)核精簡到最小,將大部分系統(tǒng)功能作為用戶態(tài)進程實現(xiàn)。這提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。增強安全性微內(nèi)核設計將關(guān)鍵系統(tǒng)組件隔離,提高了系統(tǒng)的安全性,降低了整個系統(tǒng)的復雜度。出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)也更容易恢復。性能優(yōu)勢相比傳統(tǒng)的宏內(nèi)核設計,微內(nèi)核在執(zhí)行速度和響應時間上有顯著優(yōu)勢,適合實時系統(tǒng)和嵌入式應用。實時操作系統(tǒng)快速響應實時操作系統(tǒng)專注于對關(guān)鍵任務進行快速、可預測的響應,確保及時完成關(guān)鍵操作。確定性和可靠性實時系統(tǒng)通常用于航天、醫(yī)療等對可靠性有嚴格要求的領(lǐng)域,需要提供確定的行為和高度的可靠性。資源管理實時系統(tǒng)必須能夠高效地管理和分配有限的系統(tǒng)資源,以滿足各個任務的時間約束。實時調(diào)度實時操作系統(tǒng)使用專門的調(diào)度算法,根據(jù)任務的截止時間和優(yōu)先級來安排執(zhí)行順序。分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡融合分布式操作系統(tǒng)能夠?qū)⒍嗯_計算機連接起來,形成一個統(tǒng)一的計算環(huán)境。可擴展性分布式系統(tǒng)可根據(jù)需求動態(tài)擴展,增加或減少計算資源,提高系統(tǒng)性能。容錯性當某個節(jié)點出現(xiàn)故障時,分布式系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)移任務,確保整體系統(tǒng)穩(wěn)定運行。協(xié)作共享分布式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和信息交換,提高整體工作效率。云計算操作系統(tǒng)靈活性和擴展性云計算操作系統(tǒng)能夠根據(jù)需求動態(tài)擴展計算和存儲資源,提供高度的靈活性和可伸縮性。基于虛擬化的架構(gòu)云計算操作系統(tǒng)基于虛擬化技術(shù),將硬件資源抽象為虛擬資源,實現(xiàn)資源動態(tài)分配和管理。多租戶和服務模式云計算操作系統(tǒng)支持多租戶隔離,并以服務的形式提供計算、存儲、網(wǎng)絡等資源。安全和隱私保護云計算操作系統(tǒng)需要提供安全的數(shù)據(jù)存儲和訪問控制機制,保護用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全。移動操作系統(tǒng)智能移動設備移動操作系統(tǒng)主要應用于智能手機、平板電腦等便攜式電子設備，為用戶提供流暢的交互體驗。多樣化生態(tài)主流移動操作系統(tǒng)包括iOS、Android、WindowsPhone等，擁有豐富的應用程序和服務生態(tài)。即時互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接移動操作系統(tǒng)支持隨時隨地的網(wǎng)絡連接，為用戶提供便捷的信息獲取和社交分享功能。個性化設置移動操作系統(tǒng)允許用戶自定義主屏幕、聲音提示、壁紙等個性化設置，增強使用體驗。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)1高度集成物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)緊密集成傳感器、通信和處理能力,提供端到端的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。2實時響應快速響應實時數(shù)據(jù),能夠即時作出決策和反饋,滿足物聯(lián)網(wǎng)應用