工學計算機操作系統(tǒng)課件

計算機操作系統(tǒng)本課件將介紹計算機操作系統(tǒng)的基礎知識和原理，幫助您深入理解操作系統(tǒng)的核心功能和工作機制。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最核心的軟件。它管理著計算機系統(tǒng)的所有資源。為用戶提供一個友好的界面，方便用戶使用計算機。操作系統(tǒng)的功能管理計算機資源操作系統(tǒng)負責管理計算機的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲器和外設，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，讓用戶可以與計算機進行交互并執(zhí)行操作。支持多用戶和多任務操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用計算機，并允許運行多個程序，從而提高了計算機的利用率。保護系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)提供安全機制，例如用戶身份驗證和訪問控制，以保護計算機系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問和攻擊。進程管理創(chuàng)建創(chuàng)建新的進程，分配資源，包括內(nèi)存、文件和設備。調(diào)度決定哪個進程應該在CPU上運行，并分配CPU時間片。同步協(xié)調(diào)多個進程之間的訪問和交互，防止數(shù)據(jù)競爭和死鎖。通信提供進程之間交換數(shù)據(jù)的機制，以便它們可以協(xié)同工作。進程狀態(tài)和進程調(diào)度運行進程正在使用CPU，執(zhí)行指令。就緒進程已經(jīng)準備好執(zhí)行，但等待CPU資源。阻塞進程正在等待某一事件，如I/O操作完成。創(chuàng)建進程正在創(chuàng)建過程中，分配資源。終止進程已完成執(zhí)行，釋放資源。線程和多線程技術(shù)1輕量級進程線程是比進程更小的執(zhí)行單元，共享同一個地址空間，減少了資源開銷。2并發(fā)執(zhí)行多線程允許程序在同一時間執(zhí)行多個任務，提高了系統(tǒng)利用率。3提升響應速度通過多線程，用戶界面能夠保持響應，即使某個任務在后臺運行。進程同步與互斥同步同步是指多個進程在協(xié)同工作時，需要相互配合，按預定的順序執(zhí)行，以保證數(shù)據(jù)的正確性。互斥互斥是指多個進程不能同時訪問同一個共享資源，以避免數(shù)據(jù)沖突。進程通信機制共享內(nèi)存多個進程可以訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。消息傳遞進程間通過發(fā)送和接收消息進行通信，適用于不同平臺間的數(shù)據(jù)傳輸。管道通過管道將數(shù)據(jù)從一個進程傳遞到另一個進程，實現(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)負責分配和管理內(nèi)存資源給進程和程序。內(nèi)存保護操作系統(tǒng)確保進程之間不會互相干擾，防止一個進程訪問另一個進程的內(nèi)存。內(nèi)存回收操作系統(tǒng)回收不再使用的內(nèi)存空間，以便為新的進程分配。虛擬內(nèi)存技術(shù)擴充內(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，通過將部分數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，擴展了可用內(nèi)存的大小。多任務執(zhí)行虛擬內(nèi)存允許多個進程同時運行，即使總的內(nèi)存需求超過了物理內(nèi)存的限制。內(nèi)存保護虛擬內(nèi)存技術(shù)提供了內(nèi)存保護機制，防止程序訪問未經(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)提供一個結(jié)構(gòu)化的方法來存儲和訪問計算機中的文件。層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹狀結(jié)構(gòu)，將文件組織成目錄和子目錄。命名和訪問每個文件都有一個唯一的名稱，并使用路徑來標識其在文件系統(tǒng)中的位置。安全和權(quán)限文件系統(tǒng)提供機制來保護文件，并控制用戶對文件的訪問權(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。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，實現(xiàn)文件之間的關聯(lián)。文件存儲管理磁盤空間分配操作系統(tǒng)分配磁盤空間給文件，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)來組織和管理文件，常用的結(jié)構(gòu)包括單級目錄、樹型目錄和圖狀目錄。文件保護操作系統(tǒng)需要提供文件保護機制來保證文件的完整性和安全性，常見的措施包括訪問控制、權(quán)限控制和備份恢復。文件訪問控制用戶訪問權(quán)限設置密碼和身份驗證安全策略實施設備管理鍵盤輸入設備，用于向計算機輸入字符和其他命令。鼠標輸入設備，用于控制光標和其他圖形界面元素。顯示器輸出設備，用于顯示計算機的輸出結(jié)果，例如文本、圖像和視頻。打印機輸出設備，用于將計算機的輸出結(jié)果打印到紙張上。設備驅(qū)動程序1硬件接口設備驅(qū)動程序充當操作系統(tǒng)與硬件設備之間的橋梁，負責管理硬件設備的訪問和控制。2資源管理它們控制設備的分配和使用，確保不同程序?qū)υO備的訪問是安全和有序的。3錯誤處理設備驅(qū)動程序負責處理設備發(fā)生的錯誤，并通知操作系統(tǒng)采取相應的措施。輸入/輸出系統(tǒng)設備驅(qū)動程序驅(qū)動程序是連接操作系統(tǒng)和硬件設備的軟件組件。它們提供了一種標準接口，允許操作系統(tǒng)控制設備并訪問其功能。中斷處理當設備完成操作或遇到錯誤時，它會向CPU發(fā)送中斷信號。中斷處理程序會識別中斷源并執(zhí)行相應的操作。I/O緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)用于臨時存儲數(shù)據(jù)，以便在速度不同的設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。緩沖區(qū)管理負責分配和釋放緩沖區(qū)。磁盤調(diào)度算法1先來先服務(FCFS)按照請求到達的順序進行服務。2最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)選擇與當前磁頭位置距離最近的請求進行服務。3掃描(SCAN)磁頭從當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。安全性與保護數(shù)據(jù)完整性保護數(shù)據(jù)免受未經(jīng)授權(quán)的修改或刪除。機密性確保只有授權(quán)用戶可以訪問數(shù)據(jù)?？捎眯源_保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)始終可用。用戶認證機制用戶名和密碼這是最常見的認證機制，用戶提供用戶名和密碼進行驗證。生物識別使用指紋、面部識別或虹膜掃描等生物特征進行身份驗證。雙因素認證要求用戶提供兩種不同的身份驗證方式，例如密碼和短信驗證碼。訪問控制模型訪問控制列表(ACL)ACL定義允許或拒絕訪問特定資源的規(guī)則列表。通過將用戶或組與特定權(quán)限關聯(lián)來控制訪問?；诮巧脑L問控制(RBAC)RBAC將用戶分配給角色，并根據(jù)角色授予權(quán)限。它簡化了權(quán)限管理，提高了安全性?；趯傩缘脑L問控制(ABAC)ABAC使用屬性來定義訪問策略，并根據(jù)屬性匹配來控制訪問。它提供了靈活性和細粒度的控制。操作系統(tǒng)安全威脅惡意軟件，如病毒、蠕蟲和木馬，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)運行。未經(jīng)授權(quán)的訪問，例如未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問系統(tǒng)資源或數(shù)據(jù)，可能會導致數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)故障。操作系統(tǒng)安全防護1訪問控制限制用戶訪問系統(tǒng)資源，確保只有授權(quán)用戶才能訪問敏感數(shù)據(jù)和操作。2入侵檢測和防御監(jiān)控系統(tǒng)活動，識別潛在的攻擊行為并采取措施阻止或防御。3安全更新和補丁及時安裝操作系統(tǒng)安全更新和補丁，修復系統(tǒng)漏洞和安全缺陷。4數(shù)據(jù)加密使用加密技術(shù)保護敏感數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和竊取。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內(nèi)核中，簡單易于開發(fā)。2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)將基本功能放在內(nèi)核中，其他功能通過服務進程實現(xiàn)，更靈活、易于擴展。3分層結(jié)構(gòu)將操作系統(tǒng)按功能劃分為多個層次，每一層為上一層提供服務。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)存管理和進程調(diào)度。其他服務以用戶進程的形式運行，通過消息傳遞與內(nèi)核交互。單體結(jié)構(gòu)所有操作系統(tǒng)功能都在一個內(nèi)核空間中運行，包括設備驅(qū)動程序和文件系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單但安全性較低。實時操作系統(tǒng)嚴格的時間約束實時操作系統(tǒng)必須在嚴格的時間限制內(nèi)響應事件，例如，在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，及時處理傳感器數(shù)據(jù)至關重要。高可靠性實時操作系統(tǒng)通常用于關鍵任務應用，例如醫(yī)療設備或航空控制系統(tǒng)，因此必須確保高可靠性。資源管理實時操作系統(tǒng)必須有效地管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存和處理器，以確保及時響應。嵌入式操作系統(tǒng)特點資源受限，體積小，實時性高，功耗低，安全性要求高應用智能手機，智能家居，汽車電子，工業(yè)控制，醫(yī)療設備分布式操作系統(tǒng)連接多個計算機節(jié)點，共享資源和處理能力。提高可靠性，容錯能力和可擴展性。處理大型數(shù)據(jù)集，解決單機無法解決的問題。云計算中的操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)云計算中的操作系統(tǒng)利用虛擬化技術(shù)，將物理資源劃分成多個虛擬機，提高資源利用率。彈性伸縮云操作系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求自動調(diào)整資源分配，以滿足動態(tài)變化的工作負載。安全管理云操作系統(tǒng)提供安全措施，如訪問控制、數(shù)據(jù)加密，保障用戶數(shù)據(jù)安全。移動端操作系統(tǒng)用戶界面為觸摸屏設備設計，直觀易用，支持多點觸控、手勢操作。資源管理管理有限的電池壽命、內(nèi)存和存儲空間，優(yōu)化系統(tǒng)性能。安全性保護用戶數(shù)據(jù)和隱