《ch操作系统》课件

CHOperation System探讨操作系统的结构和功能,重点介绍操作系统的核心特性及其在当今计算机系统中的应用课程简介系统学习操作系统掌握计算机基础知识为未来发展奠定基础本课程旨在全面介绍操作系统的基本概念、学习操作系统不仅有助于理解计算机硬件结系统掌握操作系统知识,有助于学生未来在原理和实现方式,涵盖存储管理、进程管理构,还能为后续学习其他计算机相关课程奠计算机领域的发展,为从事操作系统开发等、设备管理等关键模块定基础工作打下坚实基础操作系统的基本概念系统软件资源管理12操作系统是系统软件的核心,负责管理计算机系统的硬件和软操作系统提供了一个虚拟的计算环境,负责有效分配和管理系件资源统资源用户接口隔离保护34操作系统为用户提供图形用户界面或命令行界面,方便用户与操作系统通过隔离不同进程和用户,确保系统安全稳定运行计算机交互操作系统的分类按功能划分按资源管理方式划分包括批处理操作系统、实时操作如单道操作系统、多道操作系统系统、分时操作系统等各种类、分时操作系统等体现了操作型针对不同应用场景进行设计系统对计算资源的组织和调度方式按层次结构划分按用途划分如微内核操作系统、单内核操作如通用操作系统、嵌入式操作系系统、多层次操作系统等反映统、实时操作系统等对应不同了操作系统的软件架构设计的应用领域和硬件平台计算机硬件结构概述计算机硬件主要包括中央处理器CPU、存储器RAM、ROM、输入设备键盘、鼠标和输出设备显示器、打印机等这些硬件组件通过总线相互连接,支持计算机的基本运算和数据处理功能CPU作为计算机的核心部件,负责执行操作系统和应用程序的指令存储器则用于暂时存储和读取数据输入输出设备则提供人机交互界面,完成信息的采集和输出存储管理内存层次结构内存分配虚拟内存存储保护操作系统需要管理不同层次的操作系统需要负责管理内存的虚拟内存技术允许程序使用比操作系统需要为各个进程设置存储器,包括高速缓存、主存分配和回收,确保programs获实际可用内存更大的内存空间内存访问权限,防止进程越权储器和外存储器它们在访问得所需的内存空间并防止内存通过页面交换和页面置换算访问或修改其他进程的内存速度和容量上存在权衡有效泄漏这需要复杂的内存管理法,虚拟内存提高了内存利用这是保证系统安全和稳定的关的存储管理可以提高整体系统算法率和应用程序的执行效率键性能存储管理的基本问题内存管理外存管理如何高效分配和管理有限的物理内存如何组织和管理海量的外部存储设备,资源确保程序能够顺利执行并从内提供快速可靠的数据存取服务存中获取所需数据访问控制性能优化制定合理的访问权限和安全措施,保护最大限度提高内存和外存的利用率和数据不被非法访问或篡改访问效率,降低系统开销分页管理内存分割将连续的物理内存划分为固定大小的页框，以提高内存利用率逻辑地址映射将进程的逻辑地址映射到物理内存页框，实现虚拟内存管理页面置换根据页面置换算法决定哪些页面应该被换出内存以支持新页面的调入页面错误处理当访问一个不在内存中的页面时，产生页面错误并触发相应的页面调入机制分段管理基址寄存器1记录每个段的起始地址界限寄存器2记录每个段的长度段式地址转换3根据基址和界限进行地址映射分段管理是一种将程序和数据划分为若干个长度可变的段的存储管理方式通过基址寄存器和界限寄存器来实现逻辑地址到物理地址的转换这种方式能够更好地满足程序和数据的存储需求,提高了存储空间的利用率虚拟存储器内存扩展按需调入虚拟存储器通过将部分数据和程虚拟存储器仅在需要时将程序和序放在磁盘上实现内存的扩展,可数据从磁盘调入内存,提高了内存以让计算机运行比物理内存更大的利用效率的程序地址转换页面管理虚拟存储器使用地址转换技术,将虚拟存储器采用页面管理,将内存虚拟地址转换为物理地址,为每个分为固定大小的页面,根据需要在进程提供独立的地址空间内存和磁盘间交换页面进程管理进程的概念进程的生命周期进程间通信进程管理机制进程是操作系统中最基本的抽进程从创建、就绪、运行、阻不同进程之间需要通过消息传操作系统需要提供各种进程管象单元,是程序的动态执行过塞、终止等不同状态之间转换递、共享内存等方式进行通信理系统调用,如创建、撤销、程它包含了程序代码、数据操作系统需要合理调度进程和协作这是实现多进程并发阻塞、唤醒进程,以及进程间、寄存器状态等信息进程是以提高CPU利用率和系统响应执行的关键机制通信等功能操作系统资源分配和调度的基速度本单位进程的概念进程的定义进程的特点进程的生命周期进程是一个正在执行的程序实例,包含程序•独立性:每个进程都有独立的资源和状进程从创建到终止经历新建、就绪、运行、代码、数据、栈、堆等资源进程是操作系态阻塞和终止等状态操作系统会根据进程的统管理和调度的基本单位,具有独立的地址优先级和调度算法来切换进程•动态性:进程可以被创建、终止、阻塞空间和执行上下文和恢复•并发性:多个进程可以并发执行进程的状态转换就绪状态1进程已准备就绪,等待CPU资源分配处于这一状态的进程随时可以投入运行运行状态2进程已获得CPU资源,正在执行代码这一状态是进程生命周期中最关键的环节等待状态3进程等待某个事件的发生,如I/O操作完成或资源获取处于等待状态的进程无法占用CPU多进程同步进程间通信临界区保护12进程可以通过共享内存或消息传递等方式进行交互和协作当多个进程同时访问共享资源时,必须采取适当的同步措施来防止数据竞争同步机制死锁与活锁34常用的同步机制包括信号量、互斥锁、条件变量等,用于协调同步机制的不当使用可能会导致死锁或活锁等问题,需要谨慎进程的并发执行管理死锁及其处理死锁的定义死锁是指多个进程在资源分配上产生的互相等待的局面,无法继续向前推进死锁的产生条件互斥、占有和等待、不可抢占和循环等待是导致死锁的四个必要条件死锁的预防措施合理分配资源、避免循环等待、及时检测和解除死锁等都是有效的预防手段作业调度调度算法作业队列任务切换操作系统需要使用各种调度算法来决定作业作业被存放在相应的队列中,等待被分配系操作系统需要在不同作业之间进行快速切换的执行顺序,如先来先服务、最短作业优先统资源并执行操作系统需要合理管理这些,减少切换开销,保证各作业都能得到合理的等这些算法根据不同的作业特性和系统状队列,提高资源利用率和作业响应速度执行时间和资源分配态做出调度决策作业分派算法先来先服务短作业优先按照作业到达的先后顺序依次执行优先处理估计执行时间最短的作业简单易实现，但不考虑作业的优先级可以提高系统吞吐量，但可能导致长作业饥饿最短剩余时间优先最早截止时间优先优先处理预计剩余时间最短的作业优先处理截止时间最早的作业可以可以兼顾长短作业,但需要预估作业剩保证高优先级作业得到及时完成余时间交互式系统调度响应时间优先公平性调度针对用户交互操作,优先调度那些设计公平的调度算法,避免某些进可以最快响应用户请求的进程,提程长期占用CPU资源,确保所有用高系统的交互性和用户体验户请求都能得到合理的服务优先级调度根据进程的优先级动态调整调度顺序,确保关键进程能够得到及时处理设备管理设备分类设备驱动程序设备分配设备共享操作系统将设备分为输入设备操作系统通过设备驱动程序管操作系统负责分配和回收设备某些设备可以被多个进程或作、输出设备和输入/输出设备理各种设备,驱动程序提供了资源,确保各个进程或作业能业共享使用,操作系统需要协每种类型的设备都有不同的标准的设备访问接口,简化了够公平、高效地使用设备调设备的并发访问特点和管理需求应用程序的编写设备驱动程序桥梁作用功能多样12设备驱动程序是操作系统与硬设备驱动程序负责处理设备的件设备之间的桥梁,提供了标准初始化、数据读写、异常处理化的接口,使得上层软件能够与等各种操作,确保了硬件的正常不同的硬件设备无缝协作工作灵活性和可扩展性性能优化34采用模块化的驱动设计,可以轻良好的驱动程序设计可以最大松适配新硬件,并随时更新和维限度地提高硬件的工作效率,减护,提高了系统的灵活性少资源争用和提升整体系统性能文件管理文件操作文件组织12操作系统提供了一系列的文件操作系统采用目录树的结构组操作,如创建、打开、关闭、读织文件,以便用户能够对文件进取和写入等,方便用户对文件进行分类管理和查找行管理文件属性文件共享34操作系统为每个文件维护相关操作系统支持多个用户同时访属性,如文件类型、创建时间、问共享文件,并提供相应的访问访问权限等,用于管理和保护文控制机制件文件系统文件系统结构文件系统管理文件读写文件系统定义了如何在计算机上存储和组织操作系统提供了文件系统管理功能,包括创文件系统负责处理对文件的读写操作,包括文件它包括目录、文件属性、访问控制等建、删除、移动、重命名文件和目录,以及将数据从磁盘读取到内存,或者从内存写入,为用户提供文件的逻辑视图设置访问权限等磁盘文件的存储管理空间分配文件访问文件保护备份与恢复操作系统需要合理地分配磁盘文件管理子系统负责提供文件为了防止文件被未经授权的用为了保护重要数据,操作系统空间以存储文件常用的方法的查找、打开、读写等功能户或进程访问,操作系统需要需要提供可靠的备份和恢复机包括连续分配、链式分配和索操作系统通常使用目录结构来实施文件权限管理常见的权制,以应对硬件故障、人为操引分配每种方法都有其优缺组织和管理文件,提高文件访限包括读、写、执行等,可以作等各种情况点,需要根据具体情况进行选问的效率和可靠性根据需要进行灵活配置择文件保护机制访问控制列表加密文件备份与恢复通过定义文件的访问权限,保护文件不使用加密算法对文件内容进行加密,确定期备份文件,以便在发生意外时能够被未经授权的用户访问或修改保只有拥有密钥的用户才能访问恢复文件,防止数据丢失输入输出管理输入设备管理输出设备管理数据流管理错误处理负责管理各种输入设备,如键盘负责管理显示器、打印机、扬控制输入输出数据的传输,并提监控输入输出过程中可能出现、鼠标、触摸屏等,确保它们与声器等输出设备,确保能够高效供缓冲机制,确保输入输出过程的错误,并提供相应的错误处理系统的无缝协作、可靠地输出信息的高效和平稳机制中断管理中断机制中断处理流程实时监控中断管理系统负责监测和处理硬件设备发出中断管理系统会根据不同级别的中断请求，中断管理系统会实时监控系统内部各个设备的各种中断请求，及时响应并进行相应的处采取相应的处理措施，确保关键任务能够优的运行状态，及时发现并处理异常情况，确理先得到响应保系统稳定运行中断处理机制中断触发1I/O设备、时钟等外部事件引起中断信号中断响应2CPU暂时停止执行当前程序,转而处理中断中断处理3调用相应的中断处理程序,执行中断服务现场保护4保存寄存器等现场信息,准备恢复现场中断处理机制是操作系统响应各类事件的重要手段CPU会暂停当前程序,转而执行相应的中断处理程序,以及保护和恢复现场信息这确保了操作系统能够及时地、有序地响应外部事件,保证系统的实时性和稳定性安全与保护系统安全数据保护安全审计隐私保护操作系统需要提供有效的安全操作系统应该提供数据加密、操作系统需要记录用户活动,为了保护用户隐私,操作系统机制,防止未经授权的访问和备份和恢复等功能,确保敏感以便进行安全审计和异常情况应该提供灵活的访问控制和匿修改这包括用户身份验证、信息的安全性和完整性并且的监控这有助于及时发现和名化机制,让用户能够控制自访问控制、以及系统资源的保有效的防病毒和防火墙策略也应对系统漏洞或攻击行为己的个人信息护很重要操作系统的体系结构单体架构微内核架构分层架构模块化架构传统的操作系统体系结构,所有将操作系统功能划分为可独立将操作系统划分为多个层次,每将操作系统拆分为可独立开发操作系统功能集成在一个大型运行的服务模块,只保留最小化一层负责特定的功能上层依和升级的模块,提高了系统的灵的内核之中系统性能高,但缺的内核提高了系统的可扩展赖下层,层次清晰,有利于系统的活性和扩展性但设计复杂度乏灵活性和模块化性和可靠性可维护性较高操作系统的发展趋势多核处理器移动端操作系统随着硬件性能的持续提升,操作系移动设备将成为主要计算终端,操统将进一步支持多核心CPU,充分作系统需要适应触摸交互、低功发挥并行计算能力耗、安全性等特点云计算和虚拟化人机交互创新操作系统将与云计算环境深度融语音控制、增强现实等新型交互合,支持资源弹性分配、虚拟机管方式将成为操作系统的发展方向理等功能之一。