《计算机操作系统》课件

计算机操作系统探索计算机操作系统的关键概念和核心功能,了解其在现代计算机中的重要作用从基础原理到实际实践,全面掌握操作系统的设计与实现什么是操作系统定义主要功能关键特点运行方式操作系统是一种基础软件,用操作系统负责进程管理、内存操作系统提供了用户与计算机操作系统在计算机启动时加载于管理计算机的硬件和软件资管理、设备管理、文件管理和硬件之间的接口,隐藏了底层并运行,管理硬件设备、调度源,为应用程序提供一个安全、安全控制等关键任务,确保计硬件细节,并为应用程序提供任务、分配资源,确保各应用稳定的运行环境算机系统高效运行统一的编程接口程序有序执行操作系统的功能资源管理任务调度12操作系统负责管理计算机硬件操作系统提供进程管理功能,负资源,如CPU、内存、磁盘和输责合理调度和协调各种并发任入输出设备等,确保资源的合理务的执行,避免资源争用和冲突分配和高效利用文件管理用户界面34操作系统管理文件系统,提供创操作系统提供友好的用户界面,建、存储、访问和保护文件的使用户能够方便地操作计算机功能,确保数据的安全性和完整并与之交互性操作系统的发展历史早期计算机1主机时代,无操作系统批处理系统2引入操作系统,实现自动化分时系统3多用户并发,交互式操作个人计算机4PC时代,开发桌面操作系统操作系统经历了从无到有,从批处理到交互式,从大型机到个人计算机的发展历程每一次飞跃都体现了计算机技术的进步,满足了不同时代用户的需求如今,操作系统已经成为计算机系统不可或缺的重要组成部分操作系统的分类单用户操作系统多任务操作系统为单一用户提供服务,常见于桌面计算支持多个程序并发运行,提高资源利用机率多用户操作系统实时操作系统为多个用户提供服务,管理用户权限和要求在固定时间内完成任务,常用于工资源业控制操作系统的体系结构操作系统体系结构描述了操作系统的内部组织和功能模块它包括内核、系统调用接口、设备驱动程序、文件系统等主要部件,以及它们之间的关系和交互方式操作系统体系结构的设计决定了操作系统的性能、可靠性、安全性和可扩展性良好的体系结构能够提高系统的效率和灵活性,满足用户的diverse需求进程的概念和状态进程定义进程状态进程是操作系统中的基本单元,是进程在其生命周期中可以处于就一个正在执行的程序实例它包绪、运行、阻塞等不同状态,操作含了程序代码、数据和控制信息系统需要管理这些状态转换进程控制块进程控制块存储了进程的重要信息,如程序计数器、寄存器、内存分配等,为操作系统调度和管理提供依据进程调度算法先到先服务算法最短工作优先算法优先级调度算法时间片轮转算法按照进程到达的顺序执行调度,优先执行估计运行时间最短的根据进程的优先级进行调度,确给每个进程分配一个固定时间简单高效但不考虑进程优先级进程,可以减少平均等待时间保高优先级进程尽快完成片,按时间片循环执行,确保公平性并发控制与同步机制1并发访问控制2进程/线程同步通过加锁机制防止多个进程/线使用信号量、互斥量等同步原程同时访问共享资源，确保数语协调进程/线程的执行，避免据完整性死锁和race condition3生产者-消费者问题4读者-写者问题利用缓冲区和同步机制解决生对共享资源的读取和写入进行产者和消费者之间的数据交换适当的并发控制，确保数据一问题致性死锁的概念和预防死锁的概念死锁指两个或多个线程/进程相互等待对方持有的资源而无法前进的情况这是操作系统中的一个严重问题死锁产生条件死锁通常需要满足四个必要条件:互斥、占有和等待、不可剥夺和循环等待预防死锁通过避免上述四个条件之一,可以有效预防死锁的发生如资源有序分配、银行家算法等内存管理策略连续内存分配可变分区分配将内存划分为固定大小的分区,每根据进程需求动态分配内存,提高个进程分配一个分区简单但内内存利用率,但需要复杂的内存管存利用率低理算法虚拟内存技术页面置换算法将部分程序和数据存放在磁盘上,当内存不足时决定哪些页面换出,动态调入内存使用,扩大可用内存如FIFO、LRU等,平衡内存利用和空间程序性能虚拟内存技术定义与原理分页与交换地址转换虚拟内存是一种内存管理技术,将物理内存虚拟内存通过分页和页面交换机制,按需将利用内存管理单元MMU将虚拟地址转换和磁盘存储空间结合,为每个进程分配连续页面在物理内存和磁盘间移动,提高内存利为物理地址,实现对物理内存的管理和访问的虚拟地址空间用率页面置换算法需求驱动常见算法优化策略硬件支持虚拟内存技术需要页面置换算常见的页面置换算法包括FIFO、通过结合多种算法、考虑访问一些处理器提供硬件级的页面法来决定在内存不足时哪些页LRU、LFU、OPT等它们在模式和工作负载特点等方式,置换机制,可以显著提高系统面需要被换出这决定了系统实现复杂度、空间利用率和命可以进一步优化页面置换算法效率操作系统需要充分利用的性能和运行效率中率等方面各有优劣的性能这些硬件特性文件系统的概念与类型文件系统概念文件系统类型12文件系统是操作系统用来组织常见的文件系统类型包括FAT、和管理文件数据的逻辑结构NTFS、ext、HFS等,各有不同它定义了如何存储、检索和更的特点和适用场景新文件的规则本地文件系统网络文件系统34本地文件系统存储在计算机内网络文件系统通过网络连接提部的存储设备上,如硬盘、固态供远程数据存储和共享,如NFS、硬盘等,提供快速可靠的数据访SMB等,支持跨设备访问问文件的存储和访问文件系统文件属性操作系统使用文件系统来组织和文件属性包括文件名、大小、创管理存储在硬盘或其他存储设备建时间、修改时间等基本信息上的文件文件系统定义了文件这些属性用于标识和管理文件的命名规则和存储结构文件权限文件访问方式文件权限决定了用户对文件的访操作系统提供各种文件访问方式,问和操作权限,如读取、写入、执如顺序访问、随机访问,以满足不行等这是操作系统的安全机制同应用程序的需求之一磁盘调度算法先来先服务算法电梯调度算法SCAN算法C-SCAN算法按到达顺序处理磁盘请求,简单磁头以最小位移方向移动,减少磁头先向一个方向扫描到底,再磁头只在一个方向上扫描,提高快捷但不考虑磁头移动距离寻道开销,提高磁盘吞吐量反方向扫描,所有请求得到满足了SCAN算法的公平性和实时性系统的结构和管理I/O数据传输设备驱动程序I/O系统负责在CPU和外围设备之间传设备驱动程序管理和控制特定硬件设输数据,实现信息的输入输出备,为上层软件提供统一的接口I/O调度缓冲区管理I/O调度算法用于优化I/O请求的执行缓冲区用于临时存储I/O数据,并协调顺序,提高系统的I/O性能CPU与外围设备的速度差异中断机制中断的概念中断的分类中断处理过程中断优先级中断是指计算机系统接收到外中断可分为硬件中断和软件中当中断发生时,CPU会暂停当不同的中断源具有不同的优先部设备或内部硬件的信号,暂断硬件中断由外围设备产生,前程序的执行,保存现场信息,级,优先级较高的中断会中断时中止当前程序的执行,转而而软件中断由CPU内部的异常并跳转到相应的中断处理程序正在执行的低优先级中断处理执行相应的中断处理程序事件引发执行处理完成后会恢复现场程序操作系统需要合理管理并继续执行原程序中断优先级设备驱动程序作用重要性特点开发设备驱动程序是操作系统与外设备驱动程序是操作系统中的现代驱动程序具有模块化设计、驱动程序的开发需要深入理解围设备之间的接口它将操作关键组件,确保各种外围设备动态加载、即插即用等特点,硬件和操作系统的工作机制,系统的通用指令转换为设备能能够正常工作缺失或错误的提高了系统的灵活性和可扩展通常由设备制造商提供或由操理解的专用指令,实现设备与驱动程序会导致系统故障和设性作系统供应商开发系统的无缝交互备无法使用处理器调度算法时间片轮转调度优先级调度反馈调度多级反馈队列调度按照固定的时间片长度轮流调根据进程的优先级高低进行调根据进程的历史执行情况动态将进程划分为多个队列,采用不度各个进程,公平性强但响应时度,可以满足关键进程的响应需调整其优先级,提高系统的整体同的调度算法以兼顾效率和公间可能较长求响应能力平性实时操作系统快速响应确定性与可预测性12实时操作系统能够快速响应外实时操作系统可保证任务在限部事件,以满足严格的时间要求定的时间内完成,提供确定性与可预测性任务调度多任务处理34实时操作系统采用多种任务调实时操作系统可并行执行多个度算法,确保关键任务的及时执任务,提高整体系统的实时性行嵌入式操作系统高度专业化小型化和实时性嵌入式操作系统针对特定的硬件嵌入式系统通常资源受限,需要操和应用场景进行优化,提高了系统作系统具有小体积和快速响应的的性能和效率特点可靠性和安全性定制化开发嵌入式设备往往用于关键领域,对嵌入式操作系统需要针对具体应操作系统的可靠性和安全性要求用进行定制,满足各种特殊需求很高操作系统LinuxLinux是一种开源、免费的操作系统，广泛应用于服务器、云计算、物联网等领域它以稳定性、安全性和灵活性著称，拥有丰富的软件生态系统Linux提供了强大的命令行界面和图形化桌面环境，对开发人员非常友好Linux有多种发行版本,如Ubuntu、Debian、CentOS等,各自有特点和优势用户可以根据需求选择合适的发行版本进行安装和使用操作系统WindowsWindows操作系统是由微软公司开发和维护的一款商业化的图形用户界面操作系统它广泛应用于个人电脑、服务器、手机等多种设备之中,是全球最广泛使用的操作系统之一Windows操作系统提供了强大的图形桌面、直观的应用程序管理、多任务处理等功能,并且不断推出新版本以满足用户需求它在个人计算机、商业办公和游戏娱乐等诸多领域都有广泛应用操作系统macOSmacOS是苹果公司开发的桌面操作系统,它建立在Unix内核之上,为苹果电脑用户提供了高度集成和易用的图形用户界面macOS具备丰富的多媒体功能、强大的生产力应用程序以及出色的安全性能macOS还与苹果公司的其他设备和服务深度整合,为用户创造了无缝的跨设备体验容器技术Docker容器化Kubernetes容器编排容器技术的未来发展Docker是目前最流行的容器技术之一,它Kubernetes是一个开源的容器编排平台,随着云计算和微服务架构的兴起,容器技术能将应用程序及其依赖的运行环境封装到一可以帮助用户自动化部署、扩展和管理容器必将在软件开发和IT运维中扮演越来越重要个可移植的容器中,提高了应用的可靠性和化的应用程序,提高运维效率的角色,成为未来的主流技术之一可扩展性云计算与虚拟化云计算通过网络提供计算资源和IT服务的新型计算模式,提高资源利用率和按需使用虚拟化将物理资源如服务器、存储和网络抽象化,提高资源利用率和灵活性混合云结合公有云和私有云的优势,实现资源的高效利用和数据的安全管理大数据与操作系统大数据分析工具云计算与大数据大数据处理流程操作系统为大数据处理提供了强大的底层支云计算环境为大数据处理提供了弹性、可扩操作系统支持大数据采集、清洗、存储、分持,如存储管理、进程调度等关键功能展的计算和存储资源析等全流程,实现了高效的数据处理人工智能与操作系统智能化操作系统自主学习和决策利用人工智能技术,操作系统可以操作系统可以基于机器学习算法自动优化系统性能,预测用户需求,分析系统运行数据,自主做出优化并提供智能化的人机交互和调度的决策智能化安全管控个性化服务人工智能可以帮助操作系统实现操作系统可以利用人工智能分析智能化的威胁检测、风险评估和用户习惯,提供个性化的桌面布局、自动化的修复措施应用推荐等功能操作系统的发展趋势云计算与虚拟化人工智能与大数据容器化与微服务安全与隐私保护随着云计算和虚拟化技术的快操作系统将整合人工智能和大容器技术和微服务架构将成为操作系统将更加重视系统安全速发展,操作系统将更加注重数据分析能力,为用户提供智未来操作系统的重要组成部分,性和用户隐私保护,采用更强跨平台兼容性和资源动态管理,能化的系统管理和个性化服务提高系统的可扩展性和可移植大的身份验证、加密、访问控为用户提供弹性、按需的计算性制等技术资源总结与展望发展历程回顾当前热点趋势12回顾操作系统从早期单任务到关注容器技术、云计算、大数多任务、从命令行到图形化界据、人工智能等新兴技术与操面的发展历程作系统的融合应用未来发展方向持续创新34预测操作系统将朝着更加智能操作系统需不断革新以适应时化、个性化、移动化的方向发代需求，提升用户体验展。