【課件】操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機(jī)科學(xué)中的核心概念。本課程將深入探討其定義、歷史、特點和功能。我們還將分析不同類型的操作系統(tǒng)及其基本組成。操作系統(tǒng)的定義和作用系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)是管理計算機(jī)硬件和軟件資源的系統(tǒng)軟件。資源管理它負(fù)責(zé)處理、管理和協(xié)調(diào)計算機(jī)的各種資源。用戶界面為用戶提供與計算機(jī)交互的界面，簡化操作過程。操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展11940年代最早的計算機(jī)沒有操作系統(tǒng)，程序直接控制硬件。21950年代批處理系統(tǒng)出現(xiàn)，提高了計算機(jī)的效率。31960年代多道程序設(shè)計和分時系統(tǒng)誕生，允許多用戶同時使用。41970年代至今個人計算機(jī)操作系統(tǒng)興起，圖形用戶界面普及。操作系統(tǒng)的特點安全性保護(hù)系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)不被非法訪問。高效性優(yōu)化資源分配，提高系統(tǒng)整體運行效率。兼容性支持各種硬件設(shè)備和應(yīng)用程序。易用性提供友好的用戶界面，簡化操作過程。操作系統(tǒng)的功能1進(jìn)程管理2內(nèi)存管理3文件系統(tǒng)4設(shè)備驅(qū)動5用戶界面操作系統(tǒng)的核心功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備驅(qū)動管理和用戶界面提供。這些功能共同確保計算機(jī)系統(tǒng)的高效運行。操作系統(tǒng)的分類單用戶系統(tǒng)如早期的MS-DOS，只支持一個用戶使用。多用戶系統(tǒng)如UNIX，允許多個用戶同時訪問系統(tǒng)資源。實時系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)，要求快速響應(yīng)外部事件。分布式系統(tǒng)如云計算平臺，資源分布在網(wǎng)絡(luò)中的多臺計算機(jī)上。單任務(wù)操作系統(tǒng)定義單任務(wù)操作系統(tǒng)一次只能運行一個程序。用戶必須等待當(dāng)前任務(wù)完成才能開始下一個。特點資源占用少結(jié)構(gòu)簡單適用于簡單設(shè)備多任務(wù)操作系統(tǒng)并發(fā)執(zhí)行同時運行多個程序。資源共享多個任務(wù)共享系統(tǒng)資源。任務(wù)調(diào)度合理分配CPU時間。用戶交互允許用戶切換不同任務(wù)。批處理操作系統(tǒng)1作業(yè)提交用戶提交一批作業(yè)。2作業(yè)排隊系統(tǒng)將作業(yè)放入隊列。3自動執(zhí)行系統(tǒng)自動依次處理作業(yè)。4結(jié)果輸出處理完成后輸出結(jié)果。時分多任務(wù)操作系統(tǒng)時間片輪轉(zhuǎn)CPU時間被分成小片段，輪流分配給不同任務(wù)。多用戶支持允許多個用戶同時使用系統(tǒng)資源?？焖偾袚Q任務(wù)之間快速切換，給用戶并行執(zhí)行的錯覺。實時操作系統(tǒng)及時響應(yīng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)響應(yīng)外部事件。可預(yù)測性系統(tǒng)行為具有高度的可預(yù)測性?？煽啃栽诟鞣N條件下都能保持穩(wěn)定運行。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)特點體積小資源占用少功能專一應(yīng)用智能手機(jī)家用電器汽車電子系統(tǒng)集中式操作系統(tǒng)1中央處理2資源集中3統(tǒng)一管理4終端訪問集中式操作系統(tǒng)將所有計算資源集中在一個中央計算機(jī)上。用戶通過終端設(shè)備訪問中央計算機(jī)的資源。這種結(jié)構(gòu)簡化了系統(tǒng)管理，但可能存在單點故障風(fēng)險。分布式操作系統(tǒng)資源分散計算資源分布在網(wǎng)絡(luò)中的多臺計算機(jī)上。協(xié)同工作多臺計算機(jī)協(xié)同工作，共同完成任務(wù)。負(fù)載均衡系統(tǒng)自動分配任務(wù)，平衡各節(jié)點負(fù)載。高可靠性單個節(jié)點故障不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。操作系統(tǒng)的基本組成內(nèi)核操作系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)最基本的功能。Shell命令解釋器，提供用戶與內(nèi)核交互的接口。系統(tǒng)程序提供常用系統(tǒng)服務(wù)的應(yīng)用程序集合。文件系統(tǒng)管理存儲設(shè)備上的文件和目錄。進(jìn)程管理1進(jìn)程創(chuàng)建為新任務(wù)分配資源，創(chuàng)建進(jìn)程控制塊。2調(diào)度決定哪個進(jìn)程獲得CPU時間。3同步協(xié)調(diào)多個進(jìn)程的執(zhí)行順序。4通信實現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。5終止回收進(jìn)程占用的系統(tǒng)資源。存儲管理內(nèi)存分配為進(jìn)程分配內(nèi)存空間。地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。內(nèi)存保護(hù)防止進(jìn)程訪問未授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域。虛擬內(nèi)存擴(kuò)展物理內(nèi)存，實現(xiàn)更大的地址空間。文件管理文件組織管理文件的存儲結(jié)構(gòu)和訪問方法。文件檢索提供快速查找和訪問文件的機(jī)制。訪問控制實現(xiàn)文件的安全保護(hù)和權(quán)限管理。備份恢復(fù)保護(hù)文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，防止意外丟失。設(shè)備管理功能設(shè)備驅(qū)動程序管理設(shè)備分配與回收設(shè)備獨立性實現(xiàn)目標(biāo)提高設(shè)備利用率簡化用戶操作實現(xiàn)設(shè)備共享用戶界面命令行界面（CLI）通過輸入命令與系統(tǒng)交互，適合高級用戶。圖形用戶界面（GUI）使用圖形元素，如窗口、圖標(biāo)等，操作直觀。自然語言用戶界面（NUI）通過語音、手勢等自然方式與系統(tǒng)交互。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1用戶界面2系統(tǒng)調(diào)用3內(nèi)核4硬件抽象層5硬件操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)從底層硬件到頂層用戶界面，逐層抽象。每一層都為上層提供服務(wù)，同時隱藏了下層的復(fù)雜性。這種分層設(shè)計提高了系統(tǒng)的模塊化和可維護(hù)性。單內(nèi)核結(jié)構(gòu)特點所有系統(tǒng)服務(wù)運行在內(nèi)核空間系統(tǒng)調(diào)用直接訪問內(nèi)核功能結(jié)構(gòu)緊湊，執(zhí)行效率高缺點內(nèi)核龐大，難以維護(hù)單個模塊故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰擴(kuò)展性較差微內(nèi)核結(jié)構(gòu)最小化內(nèi)核只保留最基本的功能。用戶空間服務(wù)大部分系統(tǒng)服務(wù)運行在用戶空間。消息傳遞通過消息傳遞實現(xiàn)組件間通信。模塊化設(shè)計便于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)。分層結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層用戶應(yīng)用程序2用戶界面層提供用戶交互接口3程序執(zhí)行層管理進(jìn)程和線程4設(shè)備管理層控制硬件設(shè)備5硬件層物理硬件設(shè)備虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)資源虛擬化將物理資源抽象為虛擬資源。隔離性不同虛擬機(jī)之間相互獨立。靈活部署便于系統(tǒng)遷移和備份。資源優(yōu)化提高硬件資源利用率。開源操作系統(tǒng)Linux最廣泛使用的開源操作系統(tǒng)。FreeBSD強(qiáng)大的服務(wù)器操作系統(tǒng)。Android基于Linux的移動設(shè)備操作系統(tǒng)。ReactOS開源Windows替代品。Linux操作系統(tǒng)特點開源免費高度可定制穩(wěn)定可靠多用戶多任務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)器市場嵌入式系統(tǒng)超級計算機(jī)個人桌面Windows操作系統(tǒng)1Windows1.01985年發(fā)布，圖形界面革新。2Windows95普及個人電腦操作系統(tǒng)。3WindowsXP穩(wěn)定性和用戶體驗大幅提升。4Windows10統(tǒng)一多設(shè)備平臺。MacOS操作系統(tǒng)設(shè)計理念注重用戶體驗和界面美觀。安全性內(nèi)置多重安全機(jī)制，病毒感染率低。生態(tài)系統(tǒng)與其他Apple設(shè)備無縫集成。應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用于創(chuàng)意設(shè)計和開發(fā)領(lǐng)域。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢云操作系統(tǒng)基于云計算的新型操作系統(tǒng)。AI集成人工智能深度融入操作系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)OS適應(yīng)物聯(lián)