《操作系统OS》课件

操作系统概述操作系统是计算机系统中起核心作用的软件,负责管理硬件资源,提供应用程序运行的基础环境它在计算机系统中扮演关键角色,是连接硬件和软件的桥梁,使用户能够高效地使用计算机课程概述课程目标掌握操作系统的基本概念、功能和结构,了解其发展历程和主要特点课程内容涵盖操作系统的基础知识、进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等核心概念教学方式结合课堂讲解、实验操作和案例分析,帮助学生深入理解操作系统的原理和应用操作系统的定义和功能操作系统的定义操作系统的功能操作系统的发展操作系统是计算机系统的核心软件，负责管操作系统主要包括进程管理、内存管理、设从早期的批处理系统到现代的图形用户界面理和控制计算机硬件资源，为用户程序提供备管理、文件管理等功能模块它确保计算，操作系统不断演化以满足用户日益增长的运行环境它是连接计算机硬件与应用软件机系统高效、安全、可靠地运行需求操作系统技术推动了计算机发展的中间层操作系统的发展历程机器时代1早期计算机依赖于人工操作,缺乏系统化管理,效率低下批处理时代2操作系统引入,负责管理作业队列和资源分配,实现了初步自动化分时系统时代3多用户同时使用,并发执行多道程序,极大提高了系统利用率个人计算机时代4PC操作系统兴起,不断优化用户体验,普及到日常生活中现代操作系统5多任务、多线程、虚拟化等技术广泛应用,适应云计算等新需求操作系统的结构和组成核心Kernel用户界面User Interface操作系统的核心部分,负责管理计算机硬件资源,如内存、CPU、存提供用户与操作系统交互的界面,包括图形用户界面GUI和命令行储设备等界面CLI系统服务System Services应用程序Applications提供基础功能,如文件管理、进程管理、内存管理等,供应用程序调用用户使用的各种软件程序,依赖于操作系统提供的基础服务进程管理进程概念进程状态进程控制进程调度进程是操作系统中独立运行的进程包括就绪、运行、阻塞和操作系统通过进程控制块操作系统使用调度算法根据一基本单位,可以被CPU调度并终止等多种状态,并依据CPU PCB来管理每个进程,记录定的策略,决定哪个就绪进程获得系统资源进程具有独立的分配情况在这些状态之间转进程的状态、资源分配等信息可以获得CPU资源并执行常的地址空间、资源和生命周期换,并提供创建、切换、终止等见算法包括轮转、优先级等功能线程管理单线程与多线程线程的属性12单线程应用程序同一时间只能线程有独立的栈空间、程序计执行一个任务,而多线程应用程数器和寄存器状态,但共享进程序可以同时执行多个任务,提高的地址空间和系统资源了系统的并发性和响应性线程的生命周期线程的同步与通信34线程可以处于新建、就绪、运线程之间需要通过临界区、信行、阻塞和死亡等几种状态,操号量、条件变量等机制进行同作系统负责调度和管理这些状步和通信,以避免数据竞争和死态的转换锁问题内存管理内存分配和回收虚拟内存技术操作系统负责将物理内存有效分虚拟内存技术允许程序使用超出配给各个进程,并在进程结束后回物理内存大小的逻辑地址空间,提收内存空间以供复用高了内存利用率页面交换机制内存管理策略操作系统通过页面交换机制在物操作系统采用各种内存管理策略,理内存和磁盘之间交换数据页面,如最近最少使用LRU算法,优化实现了虚拟内存的功能内存利用效率设备管理设备抽象化设备驱动程序12操作系统为应用程序提供统一设备驱动程序是操作系统与特的设备接口,屏蔽设备的具体硬定设备硬件之间的桥梁,实现设件细节备的控制和管理3I/O系统管理4即插即用技术操作系统负责I/O系统的缓冲即插即用技术允许用户无需手、排队、错误处理等功能,提高动配置即可使用新增的硬件设设备利用率备文件管理文件系统结构文件读写文件权限管理目录管理操作系统采用分层的文件系统操作系统提供了一系列API,允操作系统根据不同用户的身份目录提供了文件组织和管理的结构,将文件和目录组织成树许应用程序打开、读取、写入和权限,设置文件的读、写和基础,操作系统支持创建、删状层次结构,提供简单直观的和关闭文件,实现对文件内容执行权限,保护文件安全性除和遍历目录,使文件管理更文件管理方式的高效管理加灵活高效磁盘管理存储容量文件系统磁盘是主要的大容量存储设备不同操作系统使用文件系统来组织和管理类型的磁盘有各自的存储容量特点,需磁盘上的文件不同的文件系统有不要根据实际需求合理选择同的特点和使用场景分区管理备份与恢复磁盘可以被划分成多个逻辑分区,每个为保护数据安全,需要定期备份磁盘数分区都可以有独立的文件系统分区据同时也需要有可靠的数据恢复机管理可以提高磁盘利用效率制来应对意外情况输入输出管理/I/O设备管理数据传输缓冲区管理操作系统通过设备驱动程序管理各种输入输操作系统协调输入输出设备与内存之间的数操作系统利用缓冲区技术,提高输入输出效出设备,确保设备能够与系统进行无缝连接据传输,保证数据的安全性和完整性率,避免数据丢失和阻塞和数据交换操作系统的引导和启动加电自检1系统启动时进行硬件检测和初始化加载引导程序2从存储设备中读取和执行引导程序启动内核3加载操作系统的内核并开始初始化启动用户进程4完成系统初始化后,启动关键的用户进程操作系统的引导和启动是一个复杂的过程,涉及硬件检测、引导加载、内核初始化以及用户进程启动等多个步骤这个过程确保了操作系统可以顺利启动并为用户提供服务操作系统的安全与保护安全措施保护关键资源权限管理安全审计操作系统需要提供各种安全机操作系统还需要保护关键系统通过用户权限管理,操作系统操作系统需要提供安全审计功制,如访问控制、加密技术、资源,如内存、文件、设备等,可以限制不同用户对系统资源能,记录系统关键事件,以便及身份验证等,保护系统免受非防止被恶意篡改或破坏,确保的访问范围,降低系统安全风时发现和分析安全隐患法访问、病毒攻击和数据泄露系统正常运行险等威胁操作系统的实时性与多任务实时性操作系统需要在严格的时间限制内完成任务，以满足实时应用的需求，如工业控制、航天航空等领域多任务处理操作系统能够在同一时间内运行多个程序，提高资源利用率和系统响应速度这需要合理调度和切换任务优先级调度操作系统采用优先级调度算法,根据任务的重要性和紧迫性决定任务的执行顺序,确保关键任务得到及时响应操作系统的虚拟化技术虚拟机容器化通过虚拟机技术,可以在单一的物容器技术将应用程序与其依赖的理硬件上运行多个独立的操作系运行环境打包,可实现应用程序的统实例,提高资源利用率快速部署和移植云计算操作系统级虚拟化云计算通过虚拟化的分布式计算通过操作系统内核的虚拟化技术,资源,提供按需弹性的IT服务,提高可以在单一操作系统中运行多个了资源利用效率隔离的系统环境操作系统的并发控制并发执行线程互斥锁机制信号量控制操作系统通过并发执行多个线程,提高了资操作系统使用互斥锁等机制,确保共享资源信号量是另一种并发控制的重要机制,可以源利用率和系统响应性能合理调度线程可的访问互斥,避免出现数据竞争和不一致的处理复杂的同步问题操作系统根据资源状以避免死锁、饥饿等问题,确保系统稳定性情况合理控制锁的粒度和使用范围很重要态和进程需求灵活调配信号量,保证了并发执行的安全性操作系统的死锁问题资源争用循环等待条件12当多个进程同时请求有限的系当进程之间形成资源请求的循统资源时,可能会产生死锁环等待关系时,也会导致死锁无抢占条件互斥条件34系统不能强制进程释放资源,只有些资源不可共享,只能被一个能等待资源被主动释放进程独占使用操作系统的性能评估与优化操作系统性能的评估与优化是确保系统运行稳定高效的关键它包括对CPU、内存、磁盘、网络等系统资源的使用情况进行分析和监控，并针对性地采取优化措施操作系统概述Windows广泛应用图形用户界面Windows是微软公司开发的个Windows以其直观友好的图形人电脑操作系统,被广泛应用于用户界面GUI著称,为用户提家庭和企业计算环境供了简单易用的交互体验丰富的软件生态安全性与稳定性Windows拥有大量软件应用程近年来,Windows逐步增强了序,满足了用户在生产、娱乐等系统安全性和运行稳定性,给用多方面的需求户带来了更好的体验操作系统的体系结构Windows内核层用户界面层应用程序层Windows操作系统的核心部分,提供系统包括图形用户界面、命令行界面等,为用户运行在Windows之上的各种应用软件,如级服务如内存管理、进程调度和硬件抽象提供直观的交互方式Office、浏览器等,满足用户的日常需求操作系统的进程管理Windows进程概念进程控制进程是操作系统中独立运行的基本单Windows提供任务管理器等工具,允位,包含程序执行所需的资源和执行环许用户查看和管理正在运行的进程境进程调度内存管理Windows根据进程的优先级和资源Windows使用虚拟内存技术,为每个需求进行动态调度,以提高系统的整体进程提供独立的地址空间,避免内存冲效率突操作系统的内存管理Windows虚拟内存管理页式内存管理Windows使用虚拟内存技术,将Windows采用页式管理,将内存物理内存和硬盘存储空间结合,为划分为固定大小的页面,提高内存程序提供更大的可用内存空间的利用效率内存分页和交换内存回收和分配Windows根据程序的内存需求,Windows采用动态内存分配和自动完成内存分页和页面交换,提回收技术,根据程序需求自动调整高系统性能内存分配,提高内存利用率操作系统的文件管理Windows文件系统结构文件属性管理权限控制文件搜索Windows操作系统采用层次Windows提供丰富的文件属Windows操作系统提供完善Windows内置强大的搜索引式的文件系统,文件和目录以性管理功能,包括文件名、大的文件访问权限管理机制,用擎,用户可以根据文件名、内树状结构组织存储用户可以小、创建/修改时间等用户户可以针对不同用户或用户组容、属性等条件快速查找所需轻松浏览和管理各种文件和目可以根据需求设置和查看各种设置读、写、执行等权限文件录文件属性操作系统的设备管理Windows驱动程序管理设备配置和监控Windows通过安装相应的驱动Windows提供了丰富的设备管程序来实现对各种外围设备的支理工具,用户可以对设备进行配持和控制置、监控和故障排除热插拔支持设备电源管理Windows能够自动检测和安装Windows可以根据用户设置对新增硬件设备,实现即插即用的硬件设备进行自动省电管理,提功能高系统能效操作系统概述Linux开源和免费灵活和可定制安全性和稳定性Linux是一种开源和免费的操作系统,可Linux提供了广泛的软件包和工具,用户Linux以其出色的安全性和稳定性著称,以自由地使用、修改和分发这使其成可以根据自己的需求进行配置和定制能够抵御大多数病毒和黑客攻击,并提供为许多企业和个人的首选这使它非常灵活和适应力强持续可靠的性能操作系统的体系结构Linux内核shellLinux操作系统的核心组件,负责管理用户界面,提供命令行交互,执行用户输硬件资源和提供基本的系统服务入的命令应用程序系统库由用户运行的各种软件程序,基于内核为应用程序提供各种功能的软件库,增提供的接口和服务强程序的功能和性能操作系统的进程管理Linux进程定义进程创建进程状态进程调度进程是Linux操作系统中独立Linux使用fork系统调用来Linux进程的状态包括就绪、Linux采用抢占式调度,使用运行的基本单元,它包含了程创建新进程,新进程是原进程运行、阻塞、终止等,通过ps优先级和时间片机制来决定哪序代码、数据、栈、寄存器等的副本使用exec系统调命令可以查看进程的状态个进程获得CPU使用权资源,可以独立分配CPU时间用可以加载并运行新的程序并执行操作系统的内存管理Linux动态内存分配页式内存管理虚拟内存技术Linux操作系统采用动态内存分配技术,根Linux使用页式内存管理,将内存划分为固Linux采用虚拟内存技术,将内存分为物理据应用程序的需求自动分配和回收内存,提定大小的页面,通过页表实现虚拟地址到物内存和虚拟内存,通过页面置换实现内存扩高系统资源利用效率理地址的映射展和应用程序的运行操作系统的文件管理Linux文件系统层次结构Linux采用层次化的文件系统结构,将文件组织成目录树的形式,方便管理每个文件都有唯一的路径名文件权限管理Linux提供灵活的文件权限管理机制,通过用户、群组和其他用户的读、写、执行权限来控制文件访问文件操作命令Linux提供了一系列命令,如ls、cat、cp、mv、rm等,用于查看、创建、复制、移动和删除文件操作系统的设备管理Linux设备管理控制台硬件探测和驱动加载精细的设备权限管理Linux提供了友好的图形用户界面设备管理Linux内核能自动探测计算机的硬件设备,Linux提供了完善的设备权限管理机制,用控制台,用户可以方便地查看和配置各种硬并加载合适的驱动程序,确保设备能正常工户可以灵活控制哪些用户/进程能访问特定件设备作的设备操作系统的发展趋势云和虚拟化人工智能和机器学习跨平台和移动性安全和隐私保护操作系统将更多地采用云计算操作系统将融合人工智能和机操作系统将支持多种设备和平操作系统将更加注重安全性和和虚拟化技术,提高资源利用器学习技术,提供更智能的资台,更好地适应移动互联网时隐私保护,提供更强大的安全效率和灵活性源管理和自动化功能代的需求机制和加密技术。