《os操作系統(tǒng)》課件

操作系統(tǒng)計算機系統(tǒng)中的核心組件。管理硬件資源，提供用戶接口。課程簡介課程目標了解操作系統(tǒng)的基本概念和原理。掌握操作系統(tǒng)的基本功能和工作機制。熟悉主流操作系統(tǒng)的特點和應用場景。課程內(nèi)容操作系統(tǒng)定義、發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)、功能。進程管理、內(nèi)存管理、磁盤管理、文件管理、輸入輸出管理等。課程安排理論講解、案例分析、實踐練習、課后作業(yè)。課程結(jié)束后進行考核，評估學生對操作系統(tǒng)知識的掌握程度。什么是操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的核心軟件，它是管理和控制計算機硬件資源的軟件。操作系統(tǒng)負責分配和調(diào)度計算機資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和打印機，以便不同的應用程序能夠高效地運行。操作系統(tǒng)的定義和功能11.管理計算機資源操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的軟件之一，它負責管理計算機的硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、輸入輸出設(shè)備等。22.提供用戶界面操作系統(tǒng)提供一個用戶界面，允許用戶與計算機進行交互，例如啟動應用程序、創(chuàng)建文件、訪問網(wǎng)絡等。33.運行應用程序操作系統(tǒng)為應用程序提供運行環(huán)境，為應用程序提供必要的服務，例如內(nèi)存分配、文件管理、網(wǎng)絡通信等。44.保護系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負責保護系統(tǒng)安全，防止惡意程序入侵和非法訪問，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程操作系統(tǒng)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，從早期簡單的批處理系統(tǒng)到現(xiàn)代復雜的圖形界面系統(tǒng)，不斷演進。其功能和性能不斷提升，為用戶提供了越來越強大的計算能力。1現(xiàn)代操作系統(tǒng)圖形界面、多任務、網(wǎng)絡、安全性等2單用戶、單任務操作系統(tǒng)DOS、Windows3.x等3批處理操作系統(tǒng)早期操作系統(tǒng)，效率較低隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的進步，操作系統(tǒng)也迎來了新的發(fā)展階段?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)更加復雜和強大，支持多任務、圖形界面、網(wǎng)絡和安全性等功能，為用戶提供了更加便捷和高效的計算體驗。操作系統(tǒng)的分類單用戶單任務操作系統(tǒng)僅支持一個用戶執(zhí)行一個任務，例如早期的DOS系統(tǒng)。簡單易用，但效率低下。多用戶多任務操作系統(tǒng)允許多個用戶同時執(zhí)行多個任務，例如Windows和Linux系統(tǒng)。資源利用率更高，但管理復雜。實時操作系統(tǒng)(RTOS)對時間響應要求極高，常用于工業(yè)控制和嵌入式設(shè)備。系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性至關(guān)重要。分布式操作系統(tǒng)將資源分布在多個計算機上，例如云計算平臺。提高性能和可靠性，但管理更加復雜。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)各個組成部分之間的組織方式，包括內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用、用戶界面等。不同的操作系統(tǒng)可能采用不同的結(jié)構(gòu)，常見的結(jié)構(gòu)包括單內(nèi)核、微內(nèi)核、混合內(nèi)核等。選擇合適的結(jié)構(gòu)取決于操作系統(tǒng)的目標和需求。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，負責管理系統(tǒng)資源，包括處理器、內(nèi)存、存儲器等。系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序訪問內(nèi)核的功能接口，提供基本的操作系統(tǒng)服務。用戶界面是用戶與操作系統(tǒng)交互的窗口，提供圖形界面或命令行界面。進程管理進程概念進程是程序的一次執(zhí)行過程，擁有獨立的地址空間和資源。進程調(diào)度操作系統(tǒng)決定哪個進程占用CPU，實現(xiàn)多任務并發(fā)執(zhí)行。進程同步協(xié)調(diào)多個進程訪問共享資源，防止沖突和數(shù)據(jù)不一致。進程通信不同進程之間進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)協(xié)作和信息傳遞。進程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換進程狀態(tài)指進程在生命周期中的不同階段。進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換是指進程在不同狀態(tài)之間切換的過程。1新建創(chuàng)建新進程時，進程處于新建狀態(tài)。2就緒進程已準備好運行，但CPU尚未分配給它。3運行進程正在運行，CPU正在執(zhí)行其指令。4阻塞進程等待某個事件發(fā)生（如I/O操作完成）。5終止進程執(zhí)行完成或異常終止，退出系統(tǒng)。進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)管理，通過調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)。進程調(diào)度算法先到先服務(FCFS)最簡單的調(diào)度算法，按進程到達順序執(zhí)行。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇執(zhí)行時間最短的進程，提高系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進程的優(yōu)先級選擇執(zhí)行，高優(yōu)先級進程優(yōu)先執(zhí)行。時間片輪轉(zhuǎn)每個進程分配一個時間片，輪流執(zhí)行，適合交互式系統(tǒng)。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)負責分配和回收內(nèi)存空間，為運行程序提供必要的資源。內(nèi)存保護防止程序訪問其他程序或操作系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)安全運行。內(nèi)存共享允許多個程序共享內(nèi)存資源，提高效率和資源利用率。內(nèi)存映射將磁盤文件映射到內(nèi)存，方便程序訪問文件數(shù)據(jù)。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)將物理內(nèi)存與磁盤空間結(jié)合，擴展了可用內(nèi)存空間。虛擬內(nèi)存技術(shù)可以使程序運行所需內(nèi)存空間大于物理內(nèi)存空間，提高系統(tǒng)效率和資源利用率。虛擬內(nèi)存技術(shù)使用頁式存儲管理，將程序代碼和數(shù)據(jù)分割成頁，并分配到內(nèi)存或磁盤中，從而實現(xiàn)地址映射。虛擬內(nèi)存技術(shù)可以通過“缺頁”機制，將需要的頁從磁盤加載到內(nèi)存中，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射。磁盤管理11.磁盤空間分配磁盤空間分配是指將磁盤空間劃分為不同的區(qū)域，以便存儲不同的文件和數(shù)據(jù)。22.磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法用于優(yōu)化磁盤訪問順序，以提高磁盤訪問效率。33.磁盤文件系統(tǒng)磁盤文件系統(tǒng)提供了一種組織和管理磁盤文件的方式，方便用戶訪問和管理文件。44.磁盤安全磁盤安全措施包括數(shù)據(jù)備份、訪問控制和數(shù)據(jù)加密，以保護磁盤中的數(shù)據(jù)安全。文件管理文件存儲和組織操作系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)存儲在磁盤或其他存儲設(shè)備上，并提供文件組織結(jié)構(gòu)。文件訪問控制操作系統(tǒng)提供安全機制，控制用戶和程序?qū)ξ募脑L問權(quán)限，確保數(shù)據(jù)安全。文件共享操作系統(tǒng)支持文件共享，允許多個用戶或進程訪問同一個文件，提高資源利用率。輸入輸出管理管理設(shè)備輸入輸出管理負責管理計算機系統(tǒng)中的各種輸入輸出設(shè)備。這些設(shè)備可以包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、硬盤、網(wǎng)絡接口等。高效數(shù)據(jù)傳輸它提供統(tǒng)一的接口，方便用戶使用各種設(shè)備。同時，它還負責協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)在設(shè)備之間安全高效地傳輸。中斷機制CPU中斷CPU正在執(zhí)行程序，遇到異常情況，如除零、溢出、內(nèi)存訪問錯誤等，CPU會暫停當前程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。外部中斷由外部設(shè)備（如鍵盤、鼠標、硬盤等）引起的，例如用戶按下鍵盤上的一個鍵，設(shè)備就會向CPU發(fā)送一個中斷請求。定時器中斷由系統(tǒng)定時器產(chǎn)生的，用于實現(xiàn)多任務處理，操作系統(tǒng)會定期中斷當前程序執(zhí)行，切換到其他程序，以保證各個程序都能得到執(zhí)行。死鎖問題及解決方法1死鎖定義死鎖是指多個進程因爭奪資源而互相等待，導致系統(tǒng)處于停滯狀態(tài)。死鎖會導致系統(tǒng)性能下降甚至崩潰。2死鎖條件互斥條件占有并等待不可剝奪循環(huán)等待3死鎖解決方法常見的解決方法包括預防死鎖、避免死鎖、檢測死鎖和解除死鎖。操作系統(tǒng)的安全性數(shù)據(jù)保護保護用戶數(shù)據(jù)免遭未經(jīng)授權(quán)的訪問或修改，防止敏感信息泄露。系統(tǒng)完整性防止惡意軟件或攻擊者破壞系統(tǒng)文件或配置，維護系統(tǒng)穩(wěn)定性。訪問控制限制對系統(tǒng)資源的訪問，確保只有授權(quán)用戶才能訪問特定文件或程序。UNIX操作系統(tǒng)UNIX操作系統(tǒng)是多用戶、多任務、支持多道程序設(shè)計的操作系統(tǒng)。它由KenThompson和DennisRitchie在1969年貝爾實驗室開發(fā)，最初用于PDP-7小型機。UNIX操作系統(tǒng)具有良好的可移植性，可運行在多種硬件平臺上，且擁有豐富而強大的工具，成為許多其他操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如Linux和macOS。Linux操作系統(tǒng)Linux是開源操作系統(tǒng)，以其穩(wěn)定性、安全性和靈活性而聞名。Linux廣泛應用于服務器、嵌入式系統(tǒng)和桌面系統(tǒng)。Linux支持多種硬件架構(gòu)，可自由定制和擴展。Windows操作系統(tǒng)Windows是全球最流行的操作系統(tǒng)之一，由微軟公司開發(fā)，于1985年首次發(fā)布。Windows操作系統(tǒng)以其易用性、穩(wěn)定性和廣泛的應用程序支持而聞名，廣泛應用于個人電腦、筆記本電腦、服務器和移動設(shè)備。Windows操作系統(tǒng)擁有豐富的功能，包括圖形用戶界面、文件管理、網(wǎng)絡連接、應用程序運行等。macOS操作系統(tǒng)macOS是由蘋果公司開發(fā)的操作系統(tǒng)，主要用于Mac系列產(chǎn)品。macOS以其用戶友好、安全穩(wěn)定以及強大的圖形處理能力而聞名。macOS的核心功能包括圖形用戶界面、多任務處理、網(wǎng)絡支持以及文件管理等。它還擁有豐富的應用程序，涵蓋生產(chǎn)力、創(chuàng)意、游戲等各個領(lǐng)域。實時操作系統(tǒng)11.高效性實時操作系統(tǒng)需要及時響應外部事件，并能夠在嚴格的時間限制內(nèi)完成任務。22.確定性實時操作系統(tǒng)必須保證任務的執(zhí)行時間是可預測的，以確保系統(tǒng)能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成任務。33.可靠性實時操作系統(tǒng)需要能夠在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行，并保證系統(tǒng)的可靠性。分布式操作系統(tǒng)分布式資源管理分布式操作系統(tǒng)管理多個計算機上的資源，包括CPU、內(nèi)存和存儲設(shè)備。透明性對用戶來說，多個計算機組成的系統(tǒng)就像一臺計算機。并行處理通過將任務分配到多個計算機上，提高系統(tǒng)性能。多媒體操作系統(tǒng)支持多媒體多媒體操作系統(tǒng)設(shè)計用來高效地處理音頻、視頻等。提供高質(zhì)量的視頻播放、錄制、編輯功能，以及音頻編輯和合成等功能。圖形用戶界面它們通常配備直觀的圖形用戶界面，為用戶提供友好的交互體驗。支持多種多媒體格式，便于播放和管理多媒體文件。嵌入式操作系統(tǒng)資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理器速度和存儲空間。嵌入式操作系統(tǒng)必須針對這些限制進行優(yōu)化。實時性許多嵌入式系統(tǒng)需要在特定時間內(nèi)對事件做出響應。嵌入式操作系統(tǒng)必須提供實時任務調(diào)度和管理機制。功耗嵌入式系統(tǒng)通常運行在電池供電的設(shè)備上，因此必須盡可能地降低功耗。嵌入式操作系統(tǒng)通常具有低功耗模式和休眠功能。安全性嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常用于關(guān)鍵任務，例如醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制。嵌入式操作系統(tǒng)必須提供安全性功能來防止惡意攻擊和數(shù)據(jù)丟失。操作系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢人工智能操作系統(tǒng)將更加智能，能夠根據(jù)用戶的習慣和需求進行自適應調(diào)整，提高系統(tǒng)效率和用戶體驗。云計算云計算將成為操作系統(tǒng)的重要組成部分，操作系統(tǒng)將與云平臺深度集成，實現(xiàn)資源的共享和按需分配。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)將支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理和互聯(lián)，為各種智能設(shè)備提供統(tǒng)一的操作平臺。操作系統(tǒng)的應用領(lǐng)域計算機網(wǎng)絡操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡資源，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡連接，提供網(wǎng)絡服務。移動設(shè)備操作系統(tǒng)為智能手機和平板電腦提供基礎(chǔ)服務，支持應用程序運行和數(shù)據(jù)存儲。服務器操作系統(tǒng)管理服務器資源，處理網(wǎng)絡請求，提供數(shù)據(jù)庫服務。游戲設(shè)備操作系統(tǒng)為游戲主機提供游戲運行環(huán)境，管理游戲資源和用戶體驗。課程總結(jié)