《操作系统概论》课件

操作系统概论操作系统是计算机系统的核心组成部分负责管理硬件资源并为上层应用程序提,供服务本课程将深入探讨操作系统的基本原理、结构和关键功能什么是操作系统系统核心基本功能系统架构操作系统是计算机系统的核心软件,负责管操作系统的主要功能包括进程管理、内存管操作系统由内核、驱动程序、系统服务等模理和协调系统资源,为上层应用程序提供统理、文件管理、设备管理和安全性控制等块组成,采用分层的体系结构设计,为上层应一的运行环境用提供稳定可靠的运行环境操作系统的历史发展早期计算机120世纪40年代,计算机系统依赖人工操作,缺乏独立的软件控制能力批处理操作系统250年代,引入批处理机制,提高了计算机使用效率分时操作系统360年代,分时系统允许多个用户同时访问计算机资源个人电脑操作系统470年代,掀起了个人电脑革命,产生了多种桌面操作系统现代操作系统580年代至今,操作系统功能日趋完善,支持图形用户界面和网络操作系统经历了从人工控制到批处理、分时、个人电脑再到现代操作系统的演变历程其发展见证了计算机技术的进步,满足了用户对计算机使用的不同需求操作系统的基本功能资源管理任务调度12操作系统负责管理和分配计算操作系统负责调度和控制程序机的硬件资源如、内存和的执行确保各个任务公平合理,CPU,外设,确保系统高效运转地使用系统资源文件管理安全防护34操作系统提供文件系统,管理文操作系统实现访问控制和加密件的创建、存储、访问和保护等机制,保护系统和数据的安全操作系统的体系结构操作系统的体系结构是指操作系统的内部组成和各个模块之间的关系主要包括内核、外壳和应用程序层三个层次内核负责管理硬件资源外壳提供用户交互界面应用程序层则承担具体的任务,,处理这种分层架构提高了操作系统的模块化和可扩展性进程管理进程的概念进程是操作系统中执行程序的基本单元,包括程序代码、程序计数器、寄存器和栈等每个进程都有独立的地址空间,相互之间是隔离的进程的生命周期进程从创建、就绪、运行、阻塞、终止等状态之间不断切换,操作系统需要合理调度管理这些状态变化多进程并发执行操作系统通过时间片轮转等调度算法,实现多个进程的并发执行,提高资源利用率和系统吞吐量进程的状态转换就绪状态1进程已准备就绪等待被调度执行此时进程占有除,CPU CPU外的所有必要资源运行状态2进程正在上执行占有资源当进程使用完后就CPU,CPU CPU,会进入就绪状态或阻塞状态阻塞状态3进程因等待某种外部事件（如操作）而暂时无法执行此时I/O,释放资源供其他进程使用CPU进程调度算法先来先服务最短进程优先简单易实现的调度算法按照进程到达的时间顺序进行调度可能会优先执行预计运行时间最短的进程可以减少平均等待时间但可能,,,造成长时间进程等待会造成长进程的长时间等待时间片轮转优先级调度给每个进程分配一个固定时间片按照循环的方式执行可以保证所根据进程的优先级动态调度高优先级进程优先执行可以确保关键,,有进程都能及时获得CPU时间进程得到及时响应内存管理内存分配与回收内存保护虚拟内存技术页面置换算法操作系统需要合理地分配内存操作系统采用隔离、保护的机通过内存管理单元MMU将操作系统根据一定的策略,从空间给各进程使用,并在进程制,防止进程之间互相干扰,确物理内存划分为页面,并建立内存中选择适当的页面进行调结束时及时回收内存资源,提保系统安全稳定运行虚拟地址到物理地址的映射关换,以满足进程对内存的需求高内存利用率系虚拟内存技术页式管理缺页处理虚拟内存通过将主存分成固定大当程序访问一个不在主存的页面小的页面来管理内存分配有效利时会触发缺页中断操作系统会将,,,用有限的物理内存空间该页面从磁盘调入主存页面置换算法性能优化页面置换算法决定将哪些页面换通过合理分配物理内存、优化页出以腾出空间常见算法有面置换算法等手段虚拟内存可以,FIFO,、LRU和clock算法有效提升系统性能页式管理基本概念页面置换算法页表管理硬件支持页式管理将整个内存空间划分当内存中没有空闲的页框时,页表是操作系统用于记录页面页式管理需要CPU提供内存管为大小相等的块,称为页框需要通过页面置换算法选择某地址映射关系的数据结构页理单元MMU支持,用于完成程序的地址空间也被划分为大些页面换出内存常见算法包表可以采用多级页表结构,以地址转换和页面置换等功能小相等的页,在执行过程中,将括FIFO、LRU和Clock算法提高查找效率和减少页表占用MMU是实现页式管理的关键进程的页动态加载到可用的页的内存空间硬件框中段式管理逻辑地址空间划分操作系统将进程的逻辑地址空间划分为多个固定长度的段，每个段包含一组逻辑地址灵活内存分配段式管理允许为每个段分配不同大小的物理内存空间，提高内存利用率地址转换通过段式管理，操作系统可以将逻辑地址转换为物理地址，实现进程访问内存文件管理文件系统概述文件类型文件系统是操作系统管理文件的核心部分提供了文件存储、操作系统支持多种文件类型如普通文本文件、二进制程序文,,检索和组织的基础设施件、多媒体文件等,满足不同应用需求基本操作文件属性文件管理系统支持创建、打开、读写、关闭、删除等基本文文件管理系统还提供文件权限、所有者、大小、创建/修改日件操作,方便用户管理文件期等属性管理功能文件系统结构文件系统是操作系统中管理文件的重要组成部分它负责文件的存储、组织和访问文件系统可以采用多种不同的结构来实现这些功能如层次结构、链式结构,和索引结构等层次结构是最常见的文件系统结构它采用树状的目录结构来组织文件这种结,构直观、管理方便适用于大多数操作系统链式结构则以链表的形式链接文件,,适用于小型系统索引结构则使用索引表来管理文件位置适用于大型文件系统,目录管理目录树结构目录权限控制目录搜索功能操作系统中的文件组织采用分层的目录树结操作系统提供对目录的读、写、执行等权限操作系统通常都提供强大的目录搜索功能,构,方便用户浏览和管理文件每个目录都控制,确保文件和目录的安全性不同用户让用户能快速定位需要的文件用户可以根可以包含文件和子目录,形成一个分层的层可以被授予不同的访问权限据文件名、文件内容、创建时间等条件进行次结构搜索设备管理设备驱动程序即插即用设备屏蔽设备管理服务设备驱动程序是操作系统与外现代操作系统支持即插即用功操作系统还会对设备的差异性系统还提供设备管理服务,如部设备之间的桥梁,负责协调能,能自动识别新增设备并加进行屏蔽,为上层应用程序提设备枚举、设备电源管理、热各种输入输出设备的运行它载相应的驱动程序,提高设备供一致的设备接口,简化编程插拔支持等,帮助用户更好地们是设备通信的核心程序的可用性和兼容性工作管理各类设备驱动程序设备驱动程序驱动程序的功能12设备驱动程序是操作系统与硬它们可以抽象设备操作,为上层件设备之间的接口软件负责处应用程序提供简化的编程接口,,理设备的输入输出操作并管理设备的并发访问动态加载和卸载设备管理34现代操作系统支持在运行时动驱动程序还负责设备的初始化态加载和卸载驱动程序,提高系、配置、错误处理和电源管理统的灵活性和可扩展性等功能输入输出管理硬件接口数据传输操作系统通过各种硬件接口如串口、操作系统提供读写、缓存和中断等功并口、USB等来实现与外部设备的数能来控制数据的高效传输据交互设备驱动缓冲技术操作系统使用设备驱动程序来管理不操作系统采用缓冲池等技术来平滑数同类型的外部设备实现统一的接口据传输提高输入输出性能,,缓冲池技术缓冲池概述缓冲池管理分散读写缓冲池是操作系统用于管理输入输出设备数操作系统会动态管理缓冲池的大小和替换算为进一步提升I/O性能,操作系统可以采用据交换的重要技术它可以临时存储数据法确保数据可以快速从缓冲池读取或写入分散读写的方式同时使用多个缓冲区进行,,,,缓解I/O设备与CPU之间的速度差异,提高降低I/O时延数据传输整体性能磁盘管理磁盘分区文件系统管理根据使用需求合理划分磁盘分区选择适合的文件系统类型并进行,,提高存储空间利用率和系统性能优化配置,确保数据的安全性和读写效率磁盘备份与恢复磁盘维护与优化定期进行磁盘备份,以防止数据丢通过磁盘碎片整理、扫描错误等失同时准备好恢复方案以应对措施保持磁盘的健康状态提高读,,,紧急情况写性能磁盘调度算法查找时间最小化合理分配资源减少磁头移动距离磁盘调度算法旨在最小化磁头寻道时间,以算法需要平衡不同进程的磁盘访问需求,避调度算法应尽量减少磁头在磁盘表面的移动提高磁盘效率主要算法包括、免饥饿和资源浪费提供公平的磁盘访问距离从而降低寻道时间提高整体性能I/O FCFS,,,I/OSSTF、SCAN和C-SCAN等操作系统的安全性访问控制加密技术操作系统需要严格的访问控制机制确保只有授权用户和进程能够访采用强加密算法和密钥管理可以确保系统数据的机密性和完整性,,问系统资源防火墙保护审计功能部署实时监控和智能防御的防火墙技术可以有效阻挡外部攻击保操作系统应具备完善的审计功能记录系统关键事件方便事后分析,,,,护系统安全和溯源访问控制机制身份鉴别权限管理审计跟踪安全隔离通过用户登录验证、生物特征根据用户角色和职责划分不同记录用户的访问活动日志,对通过防火墙、虚拟化等技术手识别等手段确认用户身份确的访问权限限制用户对系统异常行为进行监控和预警有段实现系统和网络的分区隔,,,,保只有经过授权的用户才能访资源的操作范围,防止非法访利于事后的问责和取证工作离,最大程度减少安全漏洞的问系统资源问和越权行为传播加密技术保护信息安全常用加密算法加密技术可以对数据进行编码,确保只对称加密、非对称加密和哈希算法是有授权的人才能访问和理解信息内容常用的加密技术各有特点和适用场景,,有效防止数据泄露数字签名密钥管理数字签名可以验证信息的完整性和发密钥的生成、分发和保护是加密技术送者的身份确保数据在传输过程中没的关键需要采取严格的措施确保密钥,,有被篡改安全防火墙技术隔离保护多重筛选防火墙在网络边界设置可阻隔防火墙可基于地址、端口号,IP外部非法访问有效保护内部网、协议类型等进行多重筛选实,,络现精细化控制灵活配置日志审计防火墙通常支持灵活的规则配置防火墙可记录网络访问日志,方,可根据需求随时调整安全策略便事后排查问题和分析安全态势操作系统的发展趋势移动操作系统1智能手机和平板电脑等移动设备的广泛应用带动了移动操作系统的快速发展云计算操作系统2云计算技术的兴起推动了基于云平台的操作系统的出现物联网操作系统3物联网技术的普及促进了针对物联网设备的专门操作系统的发展未来操作系统的发展将更加多样化和智能化以满足各种场景和需求移动操作系统、云计算操作系统和物联网操作系统等新兴类型将成为,主要发展方向同时操作系统的安全性、可靠性和用户体验也将大幅提升,移动操作系统移动友好的设计强大的移动应用移动操作系统针对小尺寸屏幕、移动OS提供广泛的应用商店和丰触控输入等特点进行优化提供直富的移动应用程序满足用户在移,,观简洁的用户界面动设备上的各种需求安全与隐私保护电池与性能优化移动操作系统注重移动设备的安针对移动设备电池续航和性能受全性如加强权限管理、应用沙箱限的特点移动提供深度优化以,,OS等技术手段提升用户体验云计算操作系统架构灵活容器支持虚拟化技术自动化管理云计算操作系统具有高度的可基于容器的云计算操作系统能云计算操作系统广泛应用虚拟云计算操作系统可以提供自动扩展性和可配置性,能够适应不够提供更加轻量级和可移植的化技术,实现资源的动态分配和化的资源调度和应用部署,大幅同规模和需求的云计算环境应用部署环境高效利用降低运维成本物联网操作系统定制化设计安全性和可靠性能源管理无缝连接物联网操作系统需要针对不同物联网设备部署广泛,需要特针对电量有限的物联网设备,物联网操作系统需要支持多种的物联网设备进行定制化设计别关注安全性和可靠性,以防物联网操作系统需要提供强大通信协议,实现设备之间的无,以满足特定的硬件、能耗和止被黑客攻击和系统故障的能源管理功能,最大化电池缝连接和数据交互实时性需求续航时间未来操作系统的展望跨设备协作人机交互创新未来操作系统将能够更好地实现手机、电脑、平板等多种设语音命令、手势控制等新型交互方式将大幅改善用户体验,操备之间的无缝协作,提高工作效率和生活便利性作系统将变得更加自然、智能安全性与隐私保护智能化与自适应未来操作系统将更加注重用户隐私和数据安全采用先进的加基于人工智能技术操作系统将能够自主学习和优化为用户提,,,密技术和访问控制机制供个性化的智能服务总结与思考全面回顾系统性地回顾操作系统的各个关键概念和功能建立整体认知,深入分析分析操作系统的发展历程、设计原理和实现技术洞察其本质,展望未来预测操作系统的发展趋势探讨其在新技术中的应用和创新,。