《l操作系统》课件

操作系统概述操作系统是计算机系统的核心组件,负责管理硬件资源并为应用程序提供服务它扮演着连接硬件与软件的重要角色,确保计算机系统的高效运行课程导言课程概览学习目标授课方式本课程旨在全面介绍操作系统的通过本课程的学习,学生能够掌握课程采用理论讲解、案例分析和基本概念和原理,包括进程管理、操作系统的基本知识,并能够分析实践操作相结合的教学方式,以确内存管理、文件管理等核心功能和解决实际操作系统中的问题保学生全面掌握操作系统知识操作系统定义操作系统概念操作系统职责操作系统发展操作系统是一种系统软件,它管理和控制计•资源管理:协调和分配计算机硬件资源操作系统从最初的批处理系统发展到如今的算机硬件资源,为用户提供友好的操作环境多任务、分时和实时操作系统,满足了不同•进程管理:创建、调度和管理进程和应用程序运行基础应用场景的需求•存储管理:管理内存和外存存储空间•设备管理:管理各种输入输出设备•文件管理:管理文件系统和文件存储操作系统的作用资源管理任务调度操作系统负责管理计算机的操作系统能够协调各种软件硬件资源,如处理器、内存和程序,并根据优先级和可用资外围设备,确保它们得到高效源对它们进行调度和分配利用接口提供安全保护操作系统为应用程序提供统操作系统设置了权限机制,防一的接口,简化了编程过程,提止非授权访问,确保计算机系高了软件的可移植性统的安全性操作系统的分类按使用对象分类按处理方式分类按功能性分类按计算机体系结构分类个人操作系统:适用于个人批处理操作系统:任务按顺通用操作系统:广泛适用于32位操作系统:适用于32计算机,如Windows、序执行,无交互,如早期的各类计算机,如Windows和位CPU,如早期的WindowsmacOS和Linux IBMOS/360Linux和Linux多用户操作系统:支持多个时分操作系统:任务轮流获嵌入式操作系统:专门为嵌64位操作系统:适用于64用户同时使用,如Unix和得CPU,实现多任务并发,如入式设备设计,如Android位CPU,如现代的WindowsLinux UNIX和iOS和Linux操作系统的历史发展年代19451第一代计算机问世年代1950-19602批处理操作系统出现年代1960-19703分时操作系统和实时操作系统问世年代1970-19804个人计算机和微型机操作系统发展迅速操作系统的历史发展经历了从最初的批处理系统到分时系统、实时系统、个人电脑系统的演进过程每个时期的操作系统都是为了满足当时的计算需求而诞生的，体现了技术进步与用户需求的结合操作系统的基本组成中央处理器内存执行指令、处理数据、控制整个暂时存储程序和数据,供CPU读取计算机系统的核心部件和存储使用输入输出设备文件系统连接计算机与外部世界,进行信息管理存储设备上的文件,提供文件交互和数据传输的创建、读写和删除功能进程概念及其状态进程是操作系统中执行中的程序实例,它代表一个独立的执行单元每个进程都有自己独立的地址空间、内存、数据栈和程序计数器进程可处于以下五种状态:就绪状态、运行状态、阻塞状态、新建状态和终止状态操作系统调度器负责管理和切换这些状态进程的创建和终止进程创建1从父进程创建子进程，子进程独立运行进程状态2进程经历创建、就绪、运行、阻塞、终止等状态变化进程终止3通过系统调用或异常结束进程，回收资源操作系统支持进程的创建和终止机制,使得进程能够独立运行并且有序地结束进程创建时从父进程派生,并经历就绪、运行、阻塞等状态变化最后通过系统调用或异常导致进程终止,并回收进程占用的资源这些机制是操作系统的核心功能之一进程的切换与调度进程上下文切换1进程切换时需要保存当前进程的状态信息,如寄存器值、程序计数器等,并加载新进程的状态信息,以确保进程能够正确恢复执行调度算法2操作系统使用调度算法来决定何时切换进程,如先来先服务、shortest jobfirst、优先级调度等,以提高系统的整体效率时间片轮转3时间片轮转算法给每个进程分配一个固定时间片,当时间片耗尽时进行强制性切换,确保各个进程都能得到公平的CPU时间死锁概念及产生条件死锁定义当两个或多个进程因竞争资源而无法前进,相互等待对方释放资源的现象产生条件死锁需同时满足互斥、请求与保持、不可剥夺和环路等四个必要条件危害后果死锁可能导致系统瘫痪,最终影响整个计算机系统的正常运行死锁的避免与检测死锁预防死锁检测通过合理设计资源分配算法,系统周期性地检查是否存在避免出现资源争用的死锁条死锁状态,一旦发现立即采取件,从而预防死锁发生措施解除死锁死锁恢复当检测到死锁时,通过回滚、抢占资源或杀死进程等方式,打破死锁关系,恢复系统运行内存管理基本概念内存管理是操作系统的核心功能之一，负责管理计算机的物理内存资源它提供了一种统一的、抽象的内存模型，让应用程序以简单、统一的方式访问内存内存管理的主要任务包括内存分配、内存保护、地址转换等它通过各种内存管理技术，如连续分配、分页、分段等，满足不同应用程序对内存的需求连续分配内存管理简单高效内存利用率低连续分配内存管理采用最基由于存在内部碎片,连续分本的动态内存分配方式,通配内存管理的内存利用率较过将内存划分为大小不同的低,无法充分利用有限的内分区来满足进程的需求存资源容易产生外部碎片需要紧凑内存随着进程不断申请和释放内为了减少外部碎片,需要定存,内存中会产生大量的空期执行内存紧缩操作来合并闲区域,导致外部碎片化严空闲区域重页式管理内存管理基本原理页表机制页面置换算法页式内存管理通过将内存划分为固定页式管理依赖于页表,页表存储了虚拟当内存不足时,页式管理需要使用页面大小的页面来管理内存当程序需要地址到物理地址的映射关系通过页置换算法来选择牺牲哪些页面,以腾出访问内存时,操作系统会将其映射到页表查找,可以快速定位所需的页面在内空间加载新的页面常见算法包括面上,实现虚拟地址到物理地址的转换存中的位置FIFO、LRU等段式管理内存管理灵活性改善内存利用地址转换效率保护机制段式管理允许每个进程分与连续分配相比,段式管理段式管理通过硬件支持的段式管理可以为每个段设配不同大小的内存段,更好通过避免内存碎片化提高地址转换机制,实现更高效置访问权限,提高了程序的地满足不同程序的内存需了内存利用率的地址转换和访问安全性求虚拟内存管理概念虚拟内存是一种操作系统的内存管理技术,通过将物理内存划分为多个页面,将程序的地址空间虚拟为更大的地址空间,从而实现了更有效的内存利用虚拟内存技术允许程序访问的地址空间超出实际可用的物理内存容量,当程序访问的内存页面不在物理内存中时,操作系统会自动将其从磁盘调入内存页面置换算法最佳页面置换算法先进先出页面置换算法最近最少使用页面置换算法OPT FIFOLRU这种算法预测未来对页面的访问情况,这种算法简单易实现,将最早进入内存这种算法选择最长时间未被访问的页并选择那些最长时间不会被访问的页的页面优先置换但可能会导致最近面进行置换实现复杂度高,但能最大访问频率高的页面被频繁置换面进行置换,能更好地反映页面的使用情况但实现上会增加一些开销限度减少缺页中断文件系统基本概念文件系统是操作系统中管理文件存储和访问的核心机制它定义了文件的组织方式、命名规则、权限管理等基本功能,确保数据的安全性和可靠性文件系统将磁盘或其他存储设备划分为逻辑分区,并在此基础上建立目录树状结构,以便用户有效管理各种类型的文件这种分层的组织方式提高了文件访问效率和系统可扩展性文件的基本属性文件名文件类型12每个文件都有一个独特的文件类型决定了文件的用文件名,用于标识和管理文途和可用操作,如文本文件件文件名长度和格式因、图像文件、视频文件等操作系统而异文件大小文件权限34文件大小表示文件占用的文件权限控制谁可以读取存储空间,以字节为单位、修改或执行文件,是文件文件大小是管理文件存储安全性的重要组成部分的关键因素目录结构管理层级结构路径表示操作系统使用目录树来组织每个文件和目录都有唯一的文件层级，方便用户快速查路径名称，用于访问和标识找和管理文件通常有根目绝对路径从根目录开始，录、子目录和文件层次相对路径从当前位置开始目录操作权限控制创建、删除、重命名目录，目录结构还支持对用户的访以及在目录中浏览、搜索文问权限进行设置和管理，以件都是目录结构管理的基本保护文件和目录的安全性功能文件存储管理文件结构文件数据存储在磁盘上，有特定的逻辑结构和物理结构逻辑结构包括文件名、属性和内容，物理结构包括起始磁盘位置和长度文件分配操作系统采用不同的文件分配方式，如连续分配、链式分配和索引分配，以有效管理文件在磁盘上的存储目录管理文件目录提供了文件的索引信息，包括文件名、位置、大小等属性，便于用户快速定位和访问文件设备管理基本概念设备管理是操作系统的一个重要组成部分,负责管理各种外围设备,如键盘、鼠标、打印机等它提供标准的设备访问接口,抽象化设备的复杂性,让应用程序可以简单地与设备进行交互设备管理的主要功能包括设备驱动程序加载、设备分配和回收、输入输出操作管理等,确保系统资源被高效利用设备驱动程序定义作用特点层次结构设备驱动程序是一种软件设备驱动程序负责管理设设备驱动程序高度依赖于设备驱动程序分为不同层接口,它用于连接操作系统备的初始化、读写数据、硬件,需要与特定设备型号次,如设备无关层、设备相和硬件设备,将设备的功能错误处理等操作,确保操作匹配,且通常由硬件制造商关层和硬件抽象层,层次分暴露给操作系统系统能够与设备正常交互提供明磁盘存储管理磁盘结构磁盘控制器磁盘由一堆互相平行的磁性盘片组成,表面涂有磁性材料磁头磁盘控制器负责对磁盘的读写操作进行管理和控制,提供标准化可在盘片表面进行读写操作接口以便与操作系统交互磁盘分区磁盘管理磁盘可分区存储不同类型的数据,如系统引导程序、文件系统、操作系统需管理磁盘的分区、文件系统、数据存取等,确保磁盘交换分区等,提高存储利用率资源被有效合理利用磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先FCFS12SSTF按照磁盘请求的到达顺序优先选择与当前磁头位置进行处理,简单易行但不考虑磁头移动效率最近的磁盘请求,可大幅提升效率扫描算法循环扫描算法SCAN C-34SCAN磁头从一端扫描到另一端,按照扫描方向依次处理请在SCAN算法基础上,磁头到达一端后直接返回另一求,减少磁头移动端,避免不必要的移动输入输出管理设备管理数据传输操作系统需要管理各种输入输出操作系统需要协调各种输入输出设备,如硬盘、显示器和键盘等,以设备之间的数据传输,确保数据的确保它们可靠高效地工作完整性和及时性缓冲管理错误处理操作系统需要管理输入输出设备操作系统需要对输入输出设备的的缓冲区,以保证数据的高速传输各种错误进行及时检测和处理,确和共享保系统的稳定性中断机制及其管理中断作用中断控制器中断处理流程中断是操作系统与硬件设备进行交互中断控制器负责监控和管理各种中断中断发生后,系统会保存现场,转入中断的重要机制它可以及时响应设备请请求,并根据优先级决定中断处理的先处理程序,执行相应操作,最后恢复现场求，提高系统响应能力后顺序返回被中断程序安全性及其保护机制操作系统安全性安全防护机制身份认证访问控制操作系统需要确保系统资主要包括身份认证、访问通过用户名密码、生物特根据用户角色和权限限制源的保密性、完整性和可控制、加密技术、审计跟征等方式验证用户身份,确对资源的访问,实现最小权用性,防止被未经授权的用踪等多重保护措施,构建安保只有合法用户能访问系限原则,防止越权操作户访问或篡改全可靠的操作环境统资源操作系统案例分析通过分析典型的操作系统案例,我们可以更深入地理解操作系统的设计原理和功能机制这些案例涉及操作系统的各个关键组成部分,展示了操作系统在实际应用中的具体实现以Windows操作系统为例,我们可以分析其进程管理、内存管理、文件系统等关键子系统的设计思路和实现方式同时,也可以探讨Linux操作系统如何通过开源社区的协作开发,构建出强大而高效的操作系统内核本课程总结与展望综合回顾未来发展12通过本课程的学习，我们随着信息技术的不断进步全面掌握了操作系统的基，操作系统正朝着更加智本概念及其主要组成部分能化和虚拟化的方向发展实践应用持续学习34我们应将所学知识应用于操作系统是一个持续发展实际工作中,不断提高自身的领域,我们需要保持学习的操作系统管理能力的态度,跟上时代步伐。