《操作系统》教案》课件

《操作系统》课程简介本课程将深入探讨操作系统的核心概念和原理，帮助您理解计算机系统的工作机制课程内容涵盖进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等关键主题，并结合实际案例进行讲解WD byW D操作系统基本概念定义目标操作系统是管理计算机硬件和软为用户提供一个友好的环境，方件资源的系统软件便地使用计算机资源作用管理硬件、提供用户界面、管理程序、管理文件、提供网络支持等操作系统的功能管理计算机硬件资源提供用户接口管理软件资源提供文件系统操作系统管理CPU、内存、磁操作系统为用户提供友好的图操作系统管理应用程序，包括操作系统提供文件系统，帮助盘和其他外设，提供统一的接形界面或命令行界面，方便用加载、执行和卸载应用程序，用户管理文件和目录，并提供口供应用程序使用户操作计算机并分配资源，确保不同程序之各种文件操作功能间互不冲突操作系统的发展历程早期操作系统批处理系统，例如IBM的OS/360和UNIVAC的EXEC，是早期操作系统它们将一批作业一起提交到系统，并按顺序执行分时操作系统分时操作系统，例如UNIX和Multics，允许多个用户同时使用计算机，每个用户都有自己的进程它们使用时间片轮转调度算法，为每个进程分配一定的时间片个人计算机操作系统个人计算机操作系统，例如MS-DOS和Windows，是为个人电脑设计的，它们提供用户友好的图形界面，并支持各种应用程序网络操作系统网络操作系统，例如Novell NetWare和Microsoft WindowsNT，是为网络环境设计的，它们允许用户访问网络资源，例如文件服务器和打印机移动操作系统移动操作系统，例如Android和iOS，是为智能手机和平板电脑设计的，它们支持移动应用程序，以及多点触控和GPS导航操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统12批处理操作系统一次性处理一分时操作系统将CPU时间分配批作业，效率较高，但缺少交给多个用户，支持多用户并发互性工作，提高系统利用率实时操作系统网络操作系统34实时操作系统能够及时响应外网络操作系统提供网络资源共部事件，对时间敏感，广泛应享，方便用户访问网络资源，用于工业控制和嵌入式系统支持文件共享、打印共享等功能进程管理概述进程管理是操作系统中最重要的功能之一，负责创建、调度、销毁进程操作系统通过进程管理实现对系统资源的有效分配和管理，确保多个进程能够安全、高效地运行进程的生命周期创建1系统为进程分配资源，例如内存和文件就绪2进程已准备好运行，等待CPU资源运行3进程正在执行，占用CPU资源阻塞4进程等待某个事件，例如I/O完成终止5进程执行完成，释放资源进程的生命周期是指进程从创建到终止的整个过程这是一个循环，进程在不同的状态之间切换，直到最终终止进程同步问题竞态条件死锁信号量互斥锁多个进程竞争访问共享资源会多个进程相互等待对方释放资利用信号量机制控制访问共享使用互斥锁保护共享资源，一导致数据不一致，影响程序正源，陷入无限循环状态，无法资源，确保操作的原子性和数次仅允许一个进程访问，防止确性继续执行据的一致性数据冲突进程同步的方法信号量互斥锁管程条件变量信号量是一种常用的同步机互斥锁是一种更严格的同步机管程是一种高级的同步机制，条件变量用于进程之间的协制，用于控制对共享资源的访制，确保同一时间只有一个进它将共享数据和操作这些数据作，允许进程在满足特定条件问程可以访问共享资源的过程封装在一起时被唤醒进程调度算法调度目标算法分类算法比较提高系统吞吐量，降低系统开销，缩短平均先来先服务，短作业优先，优先级调度，时不同算法的优缺点各不相同，需要根据系统等待时间，保证系统公平性间片轮转，多级反馈队列需求选择最合适的算法内存管理概述内存管理是操作系统中一项重要功能，负责分配、回收内存资源内存管理通过合理分配和管理内存空间，提高内存利用率，避免内存碎片化，保证系统稳定运行内存管理的主要目标是•提高内存利用率•保护进程独立性•方便内存分配和回收分区管理技术单一连续分配将内存空间划分为固定大小的区域，每个程序占用一个分区简单易实现，但内存利用率低，容易产生内存碎片可变分区分配根据程序大小动态分配内存空间，提高内存利用率但分配和回收内存空间复杂，可能导致内存碎片页式管理技术页式管理页表地址转换将逻辑地址空间划分为大小相同的页，并将页表是一个表格，用于记录页与页框之间的当程序访问一个地址时，操作系统通过页表物理内存划分为大小相同的页框，页与页框对应关系，以及一些页面的状态信息找到对应的物理地址，然后将数据读写到内之间一一对应，并建立页表存中段式管理技术分割内存地址映射

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22.将程序和数据分割成大小可变将逻辑地址转换为物理地址，的逻辑段，每个段都有独立的使用段表存储每个段的起始地名称和地址址和长度动态分配保护机制

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44.允许程序段在运行时动态加载通过段表实现访问控制，保护和卸载，提高内存利用率程序和数据不被非法访问虚拟内存技术概念优势虚拟内存是指将部分磁盘空间用提高内存利用率，允许运行大于作内存扩展，使用户可以访问比物理内存的程序，减少内存碎实际物理内存更大的地址空间片，增强系统效率技术应用虚拟内存通过页式管理技术实现代操作系统广泛采用虚拟内存现，操作系统将程序代码和数据技术，例如Windows、Linux和分成页面，按需加载到物理内macOS等存文件管理概述文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行管理和操作它提供了一系列功能，包括创建、删除、修改、读取、存储和检索文件文件管理系统使得用户能够轻松地组织和访问文件，并确保文件数据的安全性和完整性文件系统结构文件组织元数据

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22.文件系统将文件组织成层次化文件系统存储文件属性信息，的目录结构，方便管理和访例如文件名、大小、创建日期问等索引节点数据块

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44.索引节点保存文件元数据和数文件数据存储在磁盘上，由多据块地址信息，用于快速定位个数据块组成，每个数据块包文件数据含一定大小的数据文件访问方法顺序访问直接访问顺序访问是指从文件开头开始，依次读取或写入数据，一次只能直接访问是指能够直接访问文件中的任意位置，而不必从文件开读取或写入一个数据块头逐个读取数据这种方法简单直观，适合处理线性数据，但效率较低，不适合随直接访问效率高，适用于随机访问，但需要额外的索引结构，增机访问加文件管理的复杂度目录管理树形结构路径名搜索功能目录管理采用树形结构，方便组织和管理文每个文件都有唯一的路径名，方便用户访问提供搜索功能，帮助用户快速找到所需文件，提高效率和定位文件件设备管理概述设备管理是操作系统的一个重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种硬件设备设备管理的主要任务包括设备的分配和回收、设备的访问控制、设备的驱动程序管理、设备的性能监控和故障处理设备管理的目标是有效地利用硬件资源，提高系统性能，保证系统安全可靠地运行缓存技术高速缓存磁盘缓存网络缓存高速缓存是位于处理器和主内存之间的小磁盘缓存是操作系统用来存储磁盘数据副本网络缓存（也称为代理缓存）是一种用于存型、快速内存它存储最近访问的数据和指的内存区域，以提高磁盘访问速度它可以储网页和其他网络内容的服务器它可以减令，以加快访问速度减少磁盘I/O操作，提高系统性能少对原始服务器的请求，从而提高网络访问速度磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先FCFS SSTF按照请求到达顺序分配磁头移动，简单易实现，但可能导致磁头频选择下一个距离磁头最近的请求进行服务，平均寻道时间最短，但繁移动，效率低下可能导致某些请求长时间等待扫描算法循环扫描算法SCAN C-SCAN磁头从当前位置向一个方向扫描，处理所有请求，然后反向扫描，磁头从当前位置向一个方向扫描，到达最远端后立即返回起点，不能保证每个请求最终都能被处理处理方向相反的请求中断处理机制处理器中断处理程序中断向量表中断标志寄存器CPUCPU负责执行指令，并根据中断中断处理程序是专门的代码中断向量表用于存储每个中断中断标志寄存器用于控制CPU信号切换到中断处理程序段，用于处理特定类型的中类型对应的中断处理程序地的中断处理功能，例如启用或断址禁用中断管理I/O设备控制驱动程序缓冲区I/O I/O I/O I/OI/O设备是指与计算机系统进操作系统负责管理和控制I/O I/O驱动程序是操作系统用于I/O缓冲区是系统内存中的一行信息交换的外部设备，包括设备，提供统一的I/O接口，与特定I/O设备进行交互的软块区域，用于暂存数据，提高键盘、鼠标、显示器、打印简化应用程序对I/O设备的访件，它负责处理设备的特殊指数据传输效率，减少CPU等待机、硬盘等问令和操作时间安全管理概述安全管理是操作系统的重要组成部分，确保系统和用户数据的安全它涵盖了多个方面，包括访问控制、身份验证、数据加密以及恶意软件防护安全管理的目标是防止未经授权的访问、数据泄露和系统故障，从而保护系统资源和用户信息访问控制技术基于用户身份基于角色访问控制技术基于用户身份进行基于角色的访问控制允许将用户验证和授权，确保只有授权用户分配到不同的角色，并根据角色才能访问特定资源定义访问权限，简化了权限管理基于策略策略驱动的访问控制基于预定义的策略来决定用户对资源的访问权限，可实现更灵活的访问控制加密技术对称加密非对称加密

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22.使用相同的密钥进行加密和解密使用不同的密钥进行加密和解密哈希算法数字签名

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44.将任意长度的输入转换为固定长度的输出使用私钥对消息进行签名，公钥进行验证多媒体操作系统多媒体支持游戏开发视频制作音乐制作多媒体操作系统支持音频、视多媒体操作系统优化了对图形多媒体操作系统支持视频编多媒体操作系统支持音乐创频、图像等多种格式，并提供处理、音频处理、网络通信等辑、特效制作等功能，可用于作、音频编辑、混音等功能，相应的处理功能功能的支持，为游戏开发提供影视后期制作、动画制作等可用于音乐制作、录音等良好的环境实时操作系统实时性可靠性实时操作系统需要在严格的时间实时系统通常用于关键任务，因限制内响应事件它能够及时处此需要高度可靠性任何错误或理数据，满足时间敏感型应用的故障都可能导致严重后果需求确定性应用场景实时系统需要确保响应时间和行实时操作系统广泛应用于工业控为是可预测的避免随机延迟或制、航空航天、医疗设备等领波动，保证系统的稳定性和可靠域，确保设备的实时性和可靠性性结语和总结本课程全面介绍了操作系统的基本概念、核心功能和关键技术我们学习了进程管理、内存管理、文件管理、设备管理、安全管理等重要内容。