计算机操作系统课件汤子瀛

计算机操作系统本课程将深入探讨计算机操作系统的核心概念和基本原理涵盖操作系统的主要功能，如内存管理、文件系统、进程管理、并发控制等等课程概述课程目标深入理解计算机操作系统的基本概念、原理和工作机制，掌握操作系统的核心技术和应用方法，为进一步学习相关专业课程奠定坚实基础课程内容•操作系统的基本概念•进程管理•内存管理•文件管理•输入/输出管理•操作系统的安全性•操作系统的性能评价•操作系统的应用领域学习方法课堂讲授、课后练习、实验实践相结合，积极参与课堂讨论，独立完成课后作业和实验项目，并通过查阅资料、网络学习等方式扩展知识面操作系统的定义与功能定义功能12操作系统是计算机系统中最重要的操作系统的主要功能包括进程管理系统软件，它管理计算机的硬件资、内存管理、文件管理、输入/输源和软件资源，为用户提供一个友出管理、安全管理等好的使用环境作用目标34操作系统作为计算机系统与用户之操作系统的目标是使计算机系统高间的桥梁，隐藏了硬件的复杂性，效、安全、方便地运行为用户提供一个简单的应用程序运行环境操作系统的發展历程早期操作系统120世纪50年代，操作系统开始出现，主要用于批处理系统，例如IBM的OS/360多道程序设计系统220世纪60年代，多道程序设计系统出现，允许多个程序同时运行，提高了系统效率分时操作系统320世纪70年代，分时操作系统出现，允许多个用户共享计算机资源，提高了用户体验个人计算机操作系统420世纪80年代，个人计算机操作系统开始普及，例如MS-DOS和Apple的Mac OS现代操作系统520世纪90年代至今，现代操作系统以图形界面、网络功能和多任务处理为主要特征，例如Windows、Linux和Mac OSX操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统批处理操作系统以批处理方分时操作系统将CPU时间实时操作系统能够及时响应网络操作系统管理网络资源式执行任务，用户无法直接分配给多个用户，允许多个外部事件，对时间敏感的应，支持计算机之间进行通信与系统交互用户同时使用系统用至关重要操作系统的基本结构操作系统通常采用分层结构，将复杂的功能分解成多个层次每个层次提供特定的服务，并依赖于下一层提供的服务这种分层结构提高了操作系统的可维护性和可扩展性常见的层次包括用户接口层、系统调用层、内核层、硬件抽象层用户接口层负责与用户交互，系统调用层提供系统服务，内核层管理系统资源，硬件抽象层隐藏硬件细节进程管理进程的概念进程的状态进程是计算机执行程序的最进程在生命周期中经历不同小单位，也是操作系统进行的状态，例如运行、就绪资源分配和调度的基本单位、阻塞、新建、终止它包含程序代码、数据和系统资源进程调度进程通信操作系统根据不同的策略选进程之间需要相互通信才能择进程进行运行，并分配系协同完成任务，例如共享数统资源，如CPU时间片，内据，同步和互斥等存空间等进程的概念和状态进程的概念进程状态进程是指一个正在执行的程序的实例进程在其生命周期中会经历不同的状它是一个动态的概念，包含了程序态常见的进程状态包括运行状态、代码、数据以及系统资源等信息进就绪状态、阻塞状态、创建状态和终程是操作系统进行资源分配和调度的止状态进程可以在这几种状态之间基本单位每个进程都有一个独立的转换，例如，当一个进程获得CPU内存空间和地址空间，它们彼此隔离资源时，它将从就绪状态变为运行状，并通过操作系统进行通信态当进程等待I/O操作完成时，它将从运行状态变为阻塞状态进程调度算法先来先服务FCFS最短作业优先SJF最简单，按到达时间顺序执选择执行时间最短的进程，行，易于实现能提高系统吞吐率，但可能导致短进程饥饿优先级调度时间片轮转根据进程优先级进行调度，将时间划分为时间片，每个高优先级进程优先执行，可进程轮流执行一个时间片，用于实时系统适合分时系统进程通信机制共享内存消息传递12多个进程访问同一内存区进程间通过消息队列发送域，实现数据交换和接收数据管道信号量34进程间通过管道进行单向实现进程间同步和互斥访数据传递问共享资源内存管理内存管理内存管理是操作系统的重要组成部分它负责管理计算机系统中内存资源的分配、回收和使用内存管理目标内存管理的目标是有效地利用内存资源，提高内存利用率，防止内存碎片，并为用户进程提供安全、高效的内存环境内存管理方式分页式内存管理分段式内存管理段页式内存管理将逻辑地址空间划分成大小相同的页将逻辑地址空间划分成若干段，每个将逻辑地址空间先划分成段，再将每，物理内存也划分成等大小的页框，段可以有不同的长度，物理内存也划一段划分成大小相同的页，物理内存通过页表将逻辑页映射到物理页框分成段框，通过段表将逻辑段映射到也划分成页框，通过段表和页表两级物理段框映射机制实现逻辑地址到物理地址的转换虚拟内存技术扩展物理内存页面调入和调出内存保护虚拟内存技术允许操作系统使用比物操作系统将虚拟内存划分为页面，并虚拟内存机制可以防止程序访问其他理内存更大的地址空间，将部分数据根据需要将页面从硬盘加载到物理内程序的内存空间，确保系统安全性和存储在硬盘上，以扩展可用内存存，或将其从物理内存移回硬盘稳定性文件管理文件概念文件是计算机存储信息的单位，包含各种数据和程序，通过文件名进行访问文件组织文件系统负责组织、存储和管理文件，提供高效的文件访问机制文件操作操作系统提供文件操作接口，如创建、删除、打开、关闭、读取、写入等文件的概念和结构

1.数据集合

2.逻辑结构12文件是存储在计算机系统文件在逻辑上组织成不同中的数据集合，包括文本的结构，如顺序文件、索、代码、图片、音频和视引文件、链接文件等，方频等便访问和管理数据

3.物理结构

4.属性信息34文件存储在磁盘等存储设每个文件都具有属性信息备上，通常以块的形式进，如文件名、大小、创建行组织，以便高效地分配日期、访问权限等，用于和读取数据标识和管理文件文件系统文件系统是操作系统中用于管理文件和目录的结构，它为用户提供了一种组织和访问文件的方式文件系统可以将数据存储在磁盘或其他存储设备上文件系统定义了文件的逻辑组织方式，例如目录结构、文件名、文件属性等，并提供了对文件进行访问、修改、删除等操作的接口输入/输出管理I/O操作I/O操作包括读取数据、写入数据、控制设备等操作系统需要管理这些操作的顺序，并保证不同应用程序对设备的访问不会产生冲突外部设备键盘、鼠标、显示器、打印机等外部设备都需要通过操作系统进行管理操作系统负责接收外部设备的请求，并将数据传递给应用程序设备驱动程序软件桥梁硬件控制连接操作系统和硬件设备提供操作硬件设备所需的接口和指令数据传输错误处理管理设备与内存之间的数据检测和处理设备错误传输磁盘管理磁盘分区文件系统磁盘阵列磁盘存储管理磁盘分区将物理磁盘划分成文件系统负责组织和管理磁磁盘阵列通过将多个磁盘组磁盘存储管理负责分配和回多个逻辑磁盘，每个逻辑磁盘上的文件和目录，提供数合在一起，提高磁盘的性能收磁盘空间，以确保数据有盘都可以被操作系统视为一据存储和访问的抽象层、可靠性和安全性效存储和高效访问个独立的磁盘操作系统的安全性安全威胁安全措施计算机病毒、恶意软件和网络攻击是常见威胁用户错误操作系统提供各种安全机制来保护数据和系统包括访问操作也会造成数据丢失和系统崩溃安全漏洞是另一个重控制、身份验证、加密、防火墙等操作系统还提供安全要威胁，攻击者可以利用这些漏洞入侵系统更新来修复漏洞访问控制机制基于用户的访问控制基于角色的访问控制基于对象的访问控制根据用户身份进行访问控制每个用根据用户角色进行访问控制每个角根据对象的类型和属性进行访问控制户拥有不同的权限，例如访问特定文色拥有不同的权限，例如管理员拥有例如，特定文件可能需要特定密码件或执行特定操作更高的权限，而普通用户拥有有限的才能访问权限操作系统的性能评价

1.CPU利用率

2.响应时间12衡量CPU在单位时间内用于执行用户程序的比例从用户发出请求到系统给出响应的时间间隔

3.吞吐量

4.系统稳定性34单位时间内系统处理的任务数量或数据量系统运行时发生故障的概率，体现系统的可靠性利用率CPU指标描述CPU利用率CPU处于工作状态的时间占总时间的百分比高利用率表明CPU充分利用，系统效率高低利用率表明CPU空闲时间较多，系统效率低响应时间响应时间是指从用户发出请求到系统做出响应所花费的时间它是衡量操作系统性能的重要指标之一，反映了系统的及时性和交互性10ms100ms极快较快网页加载或移动应用程序响应桌面应用程序或游戏响应1s10s中等慢大型软件启动或数据库查询响应长时间任务或大型文件传输吞吐量操作系统的应用领域桌面系统服务器系统Windows、macOS和Linux操作系统，为个人电脑提供用户界面，Unix、Linux和Windows Server操作系统，支持网络服务、数据库管理硬件资源并运行应用程序、Web应用程序等，用于管理网络资源和数据移动设备系统嵌入式系统Android、iOS和HarmonyOS操作系统，为手机、平板电脑等移动嵌入式操作系统如FreeRTOS和Nucleus，运行于物联网设备、汽设备提供平台，管理硬件和软件，支持应用程序车和工业设备等，管理硬件，支持特定应用嵌入式操作系统专用性资源受限针对特定硬件平台和应用场景进行设计和内存、存储空间、处理能力等资源有限优化实时性低功耗对时间响应要求严格，确保在特定时间内在有限的能源供应下，最大限度地降低功完成任务耗分布式操作系统资源共享并行处理分布式操作系统可共享硬件、软多个计算机协同工作，提高系统件和数据资源，提高资源利用率处理能力，解决单机无法完成的任务高可靠性可扩展性分布式系统中，部分节点故障不通过添加新的节点扩展系统规模会影响整体系统运行，提高可靠，应对不断增长的计算需求性多媒体操作系统音乐和音频视频和电影图像和图形虚拟现实和增强现实多媒体操作系统提供高质量支持高清视频播放，以及对提供图像处理软件，以及对支持虚拟现实和增强现实技的音频播放和录制功能，以各种视频格式和编解码器的各种图像格式的支持，包括术，提供身临其境的体验及对各种音频格式的支持支持矢量图形和像素图形实时操作系统严格的时间约束高可靠性和稳定性实时操作系统需要在规定的实时操作系统通常应用于关时间内响应外部事件，确保键任务系统，例如航空航天系统及时完成任务例如，、医疗设备等领域，要求系工业控制系统需要在特定的统具有极高的可靠性和稳定时间内完成数据采集和控制性，以保证系统的安全性和操作，才能确保生产过程的可靠性正常进行高效的资源管理实时操作系统需要高效地管理系统资源，例如CPU、内存、外设等，以确保系统能够满足实时性能要求总结和展望操作系统发展不断进步，为现代计算机系统提供了高效、安全、可靠的运行环境未来操作系统将继续探索新的技术方向，例如人工智能、云计算、物联网等，以满足日益增长的应用需求。