計算機操作系統(tǒng)李翠霞課件

計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)是管理和控制計算機硬件資源以及軟件資源的程序，它為用戶提供一個友好的界面，并協(xié)調(diào)計算機系統(tǒng)中的各種資源。操作系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)必不可少的組成部分。操作系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)核心操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它負責(zé)管理和控制系統(tǒng)資源，為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。軟件與硬件橋梁操作系統(tǒng)充當(dāng)了軟件和硬件之間的橋梁，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，隱藏了硬件的復(fù)雜性。資源管理操作系統(tǒng)管理著計算機系統(tǒng)的各種資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲器、網(wǎng)絡(luò)等。用戶交互操作系統(tǒng)提供用戶界面，方便用戶使用計算機，執(zhí)行各種操作。操作系統(tǒng)的定義和功能管理計算機資源操作系統(tǒng)管理計算機的硬件和軟件資源，例如CPU、內(nèi)存、磁盤和外設(shè)。它負責(zé)分配資源給不同的應(yīng)用程序并確保它們能夠有效地運行。提供用戶界面操作系統(tǒng)提供了一個用戶友好的界面，允許用戶與計算機交互。這包括圖形界面、命令行界面以及各種應(yīng)用程序接口。管理程序執(zhí)行操作系統(tǒng)負責(zé)加載、執(zhí)行和管理程序。它處理程序之間的資源競爭并確保程序按照預(yù)期的順序運行。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1早期操作系統(tǒng)在20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了第一個操作系統(tǒng)，它被稱為通用自動計算機（UNIVAC）系統(tǒng)。它主要用于批處理任務(wù)，允許用戶將一批作業(yè)提交給計算機，然后計算機一次處理一個作業(yè)。2批處理操作系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了批處理操作系統(tǒng)，它可以同時處理多個作業(yè)，從而提高了計算機的使用效率。批處理操作系統(tǒng)將用戶作業(yè)提交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)按順序執(zhí)行它們，并輸出結(jié)果。3分時操作系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)，它允許多個用戶同時使用一臺計算機，并使每個用戶感覺擁有自己的計算機。分時操作系統(tǒng)將處理器的時間分成多個時間片，并分配給不同的用戶，從而實現(xiàn)多用戶共享計算機。4現(xiàn)代操作系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代和90年代，出現(xiàn)了圖形用戶界面(GUI)操作系統(tǒng)，例如Windows和macOS。這些操作系統(tǒng)使用圖形界面，讓用戶更容易使用計算機。操作系統(tǒng)的基本特征并發(fā)操作系統(tǒng)允許多個程序同時運行，提高系統(tǒng)資源利用率。例如，用戶可以同時編輯文檔、播放音樂、瀏覽網(wǎng)頁等。共享多個程序可以共享系統(tǒng)資源，如CPU、內(nèi)存、外設(shè)等，提高資源利用率。比如，多個用戶可以共享打印機、磁盤等資源。虛擬操作系統(tǒng)為用戶提供一個虛擬的機器環(huán)境，屏蔽硬件細節(jié)，簡化用戶操作。用戶無需了解硬件細節(jié)，就可以方便地使用系統(tǒng)資源。異步操作系統(tǒng)中程序執(zhí)行是異步的，即程序執(zhí)行時間不可預(yù)知，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)效率。操作系統(tǒng)的基本組成1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，管理系統(tǒng)資源，提供基礎(chǔ)服務(wù)。2系統(tǒng)調(diào)用接口應(yīng)用程序與內(nèi)核交互的橋梁，提供系統(tǒng)功能調(diào)用。3系統(tǒng)程序擴展內(nèi)核功能，提供用戶服務(wù)，例如文件管理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。4用戶界面用戶與操作系統(tǒng)交互的窗口，提供圖形界面或命令行界面。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)主要用于處理大量作業(yè)，一次性輸入多個作業(yè)，順序執(zhí)行，提高CPU利用率。分時操作系統(tǒng)允許多個用戶同時使用系統(tǒng)，將CPU時間切分成時間片，輪流分配給各個用戶，實現(xiàn)交互式操作。實時操作系統(tǒng)對時間響應(yīng)要求很高，需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)，應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持多個用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下共享資源，例如文件、打印機等，提高資源利用率。單道批處理操作系統(tǒng)11.順序執(zhí)行一次只運行一個程序，程序執(zhí)行完畢后才能加載下一個程序。22.效率低下資源利用率低，CPU和內(nèi)存的利用率不高，浪費了系統(tǒng)資源。33.操作復(fù)雜用戶需要掌握復(fù)雜的命令和操作，對用戶來說很麻煩。44.適用場景早期計算環(huán)境，計算任務(wù)簡單，資源有限。多道批處理操作系統(tǒng)同時執(zhí)行多個程序多道批處理操作系統(tǒng)可以同時運行多個程序，提高系統(tǒng)效率。提高CPU利用率通過在程序之間快速切換，多道批處理系統(tǒng)最大化CPU使用率，減少閑置時間。作業(yè)隊列多道批處理系統(tǒng)將多個程序（作業(yè)）存儲在隊列中，依次執(zhí)行。自動作業(yè)處理操作員無需手動干預(yù)，系統(tǒng)自動執(zhí)行作業(yè)，提高工作效率。分時操作系統(tǒng)多用戶共享多個用戶可以同時使用一臺計算機，每個用戶都擁有自己的獨立環(huán)境，但同時共享計算機的資源，如處理器、內(nèi)存等。時間片輪轉(zhuǎn)操作系統(tǒng)將處理器時間劃分成一個個時間片，每個用戶程序可以輪流執(zhí)行一個時間片，從而實現(xiàn)多個用戶程序的并發(fā)執(zhí)行。交互式操作用戶可以實時與計算機交互，例如輸入命令、查看結(jié)果等，并得到快速響應(yīng)。提高系統(tǒng)資源利用率通過讓多個用戶共享計算機資源，可以有效提高資源利用率。實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)需要在規(guī)定的時間內(nèi)對事件做出響應(yīng)。系統(tǒng)必須在時間限制內(nèi)完成特定任務(wù)，以滿足實時應(yīng)用的嚴(yán)格時間要求。應(yīng)用場景實時操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，航空航天，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。它們管理實時應(yīng)用程序，例如機器人控制，航空交通管制和醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。進程概述程序的執(zhí)行進程是正在執(zhí)行的程序?qū)嵗?，是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位。獨立的資源單元進程擁有獨立的地址空間、內(nèi)存資源和打開的文件，程序之間相互獨立。動態(tài)變化進程會經(jīng)歷創(chuàng)建、運行、暫停、結(jié)束等狀態(tài)，每個狀態(tài)都可以相互轉(zhuǎn)換，動態(tài)地改變。資源管理操作系統(tǒng)通過進程管理來分配和回收資源，提高系統(tǒng)利用率和效率。進程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換1運行狀態(tài)進程正在執(zhí)行2就緒狀態(tài)進程已準(zhǔn)備好執(zhí)行3阻塞狀態(tài)進程等待某個事件進程狀態(tài)是指進程在生命周期中所處的狀態(tài)。進程狀態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換，例如，當(dāng)一個進程從運行狀態(tài)被剝奪CPU時，它會進入就緒狀態(tài)。當(dāng)一個進程等待某個事件時，它會進入阻塞狀態(tài)。進程控制塊進程控制塊（PCB）PCB是操作系統(tǒng)用來管理進程的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了進程的各種信息。PCB內(nèi)容進程標(biāo)識符進程狀態(tài)程序計數(shù)器CPU寄存器內(nèi)存地址進程調(diào)度進程調(diào)度算法進程調(diào)度算法用于選擇一個就緒進程，并將其分配到處理器上執(zhí)行。調(diào)度目標(biāo)進程調(diào)度算法的目標(biāo)是提高系統(tǒng)性能，例如吞吐量、響應(yīng)時間、資源利用率等。常見調(diào)度算法先來先服務(wù)（FCFS）最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）優(yōu)先級調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度多級反饋隊列調(diào)度線程概述輕量級進程線程是操作系統(tǒng)能夠進行運算調(diào)度的最小單位，是進程的一個執(zhí)行流。共享資源同一個進程中的所有線程共享進程的內(nèi)存空間、打開的文件和其他資源。獨立執(zhí)行線程可以獨立運行，并擁有自己的堆棧和局部變量，獨立進行調(diào)度和執(zhí)行。并發(fā)執(zhí)行多個線程可以同時執(zhí)行，提高程序的并發(fā)性和效率。線程的特點及實現(xiàn)線程允許在同一進程中并行執(zhí)行多個任務(wù)。同一進程的多個線程共享相同的內(nèi)存空間和資源，例如文件、變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。線程比進程更輕量級，創(chuàng)建和銷毀線程比創(chuàng)建和銷毀進程更有效率。同一進程的線程可以輕松地進行通信，例如通過共享內(nèi)存或消息傳遞。內(nèi)存管理概述內(nèi)存資源管理計算機內(nèi)存是有限的，需要合理管理，確保不同程序和數(shù)據(jù)都能獲得必要的內(nèi)存空間。內(nèi)存管理主要負責(zé)分配和回收內(nèi)存空間，并確保內(nèi)存訪問的正確性和安全性。內(nèi)存保護操作系統(tǒng)需要保護不同進程之間的內(nèi)存空間，防止一個進程訪問另一個進程的內(nèi)存區(qū)域。這可以通過地址空間劃分、內(nèi)存訪問權(quán)限控制等機制來實現(xiàn)。內(nèi)存分配策略首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的起始地址開始搜索，直到找到第一個能滿足分配需求的空閑分區(qū)。最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存的所有空閑分區(qū)中選擇最小的能滿足分配需求的空閑分區(qū)。最壞適應(yīng)算法從內(nèi)存的所有空閑分區(qū)中選擇最大的能滿足分配需求的空閑分區(qū)。虛擬內(nèi)存技術(shù)內(nèi)存空間擴展利用硬盤空間作為虛擬內(nèi)存，擴展物理內(nèi)存容量。多任務(wù)支持多個進程共享物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)利用率。內(nèi)存保護隔離進程之間的內(nèi)存訪問，保護系統(tǒng)安全。頁式虛擬存儲管理1地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。2頁表存儲頁號和物理地址對應(yīng)關(guān)系。3頁面邏輯地址空間的最小單位。4幀物理內(nèi)存的最小單位。頁式虛擬存儲管理是一種常見的虛擬存儲管理技術(shù)，它將邏輯地址空間劃分為固定大小的頁面，并將物理內(nèi)存劃分為相同大小的幀。每個頁面對應(yīng)一個幀，頁面表存儲頁面和幀之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)CPU訪問邏輯地址時，操作系統(tǒng)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，并根據(jù)頁面表找到對應(yīng)的幀，然后訪問物理內(nèi)存。文件管理概述文件組織操作系統(tǒng)負責(zé)管理存儲在計算機上的各種數(shù)據(jù)文件，以便用戶方便地訪問和使用。數(shù)據(jù)存儲文件管理系統(tǒng)負責(zé)分配和管理磁盤空間，將數(shù)據(jù)存儲在適當(dāng)?shù)奈恢茫⒋_保數(shù)據(jù)安全性和完整性。文件共享文件管理系統(tǒng)允許用戶共享文件，并在不同用戶之間建立訪問權(quán)限控制，確保文件安全。數(shù)據(jù)備份文件管理系統(tǒng)提供備份和恢復(fù)機制，以防止數(shù)據(jù)丟失，提高數(shù)據(jù)安全性和可靠性。文件存儲設(shè)備磁帶順序訪問設(shè)備，容量大，成本低，數(shù)據(jù)存儲密度高。適用于備份、存檔等用途，但訪問速度慢，不適合頻繁讀寫。磁盤直接訪問設(shè)備，速度快，容量較大，隨機訪問數(shù)據(jù)。適用于操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、用戶數(shù)據(jù)等，分為硬盤、軟盤、光盤等。固態(tài)硬盤閃存芯片，速度快，耐用性高，體積小，但價格高。適用于筆記本電腦、服務(wù)器等，越來越流行，逐漸取代傳統(tǒng)硬盤。網(wǎng)絡(luò)存儲通過網(wǎng)絡(luò)連接存儲設(shè)備，方便共享數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)安全性。包括NAS（網(wǎng)絡(luò)附加存儲）和SAN（存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）等。文件存儲結(jié)構(gòu)11.順序結(jié)構(gòu)文件以順序方式存儲，存取必須按順序進行。22.鏈接結(jié)構(gòu)文件以多個數(shù)據(jù)塊組成，每個數(shù)據(jù)塊包含指針，指向下一個數(shù)據(jù)塊，形成鏈狀結(jié)構(gòu)。33.索引結(jié)構(gòu)文件包含索引表，每個索引項對應(yīng)一個數(shù)據(jù)塊，存儲數(shù)據(jù)塊地址。44.混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了順序結(jié)構(gòu)和鏈接結(jié)構(gòu)，既能方便順序訪問，又能靈活處理隨機訪問。文件目錄樹形目錄結(jié)構(gòu)樹形目錄結(jié)構(gòu)是一種常用的文件組織方式，它將所有文件和目錄組織成一個樹狀結(jié)構(gòu)，方便用戶查找和管理文件。層次結(jié)構(gòu)每個目錄可以包含子目錄和文件，形成一個多層結(jié)構(gòu)，便于用戶對文件進行分類和管理。路徑每個文件或目錄在文件系統(tǒng)中都有一個唯一的路徑，用于標(biāo)識其在文件系統(tǒng)中的位置。根目錄文件系統(tǒng)的根目錄是所有其他目錄的父目錄，是文件系統(tǒng)的起點。文件存取方法順序存取從文件開頭開始，順序讀取數(shù)據(jù)。適用于順序處理數(shù)據(jù)的程序。直接存取可直接訪問文件中的任何位置，無需順序訪問。適用于頻繁修改數(shù)據(jù)、需要隨機訪問數(shù)據(jù)的程序。索引順序存取結(jié)合了順序存取和直接存取的優(yōu)點。使用索引表來定位數(shù)據(jù)，提高訪問效率。設(shè)備管理概述硬件資源操作系統(tǒng)管理各種硬件設(shè)備，例如硬盤、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等。軟件管理操作系統(tǒng)管理各種軟件資源，例如驅(qū)動程序、應(yīng)用程序、庫文件等。共享資源操作系統(tǒng)負責(zé)管理和分配硬件資源給不同的用戶和程序。數(shù)據(jù)流操作系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)在設(shè)備之間傳輸，并確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。設(shè)備類型及特點硬盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器是計算機中最常用的存儲設(shè)備，用于存儲操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其他文件。硬盤驅(qū)動器通常是基于磁盤的，使用磁頭在盤片上讀寫數(shù)據(jù)。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤是一種新型存儲設(shè)備，使用閃存芯片來存儲數(shù)據(jù)。固態(tài)硬盤比硬盤驅(qū)動器速度更快，更耐用，但通常價格更高。打印機打印機是一種輸出設(shè)備，將計算機中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為紙質(zhì)文檔。打印機可以是噴墨打印機、激光打印機或其他類型。輸入設(shè)備鍵盤和鼠標(biāo)是常用的輸入設(shè)備，用于向計算機輸入信息。鍵盤用于輸入文字和數(shù)字，而鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)和選擇選項。設(shè)備驅(qū)動程序11.接口層負責(zé)與操作系統(tǒng)進行交互，接收操作系統(tǒng)的命令并傳遞給硬件設(shè)備。22.硬件層直接與硬件設(shè)備交互，控制設(shè)備的操作，并向操作系統(tǒng)匯報設(shè)備的狀態(tài)。33.中斷處理設(shè)備驅(qū)動程序需要處理設(shè)備產(chǎn)生的中斷信號，及時響應(yīng)設(shè)備事件。44.錯誤處理設(shè)備驅(qū)動程序需要處理設(shè)備運行過程中可能出現(xiàn)的錯誤，并采取適當(dāng)?shù)拇胧?。輸?輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸輸入/輸出系統(tǒng)是計算機與外部世界交互的關(guān)鍵，它負責(zé)將數(shù)據(jù)從外部設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存，或從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)酵獠吭O(shè)備。設(shè)