《操作系统》教案》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提供程序运行环,,境它是连接用户和硬件的关键中间件确保计算机软硬件高效协作,了解操作系统的基本功能和原理有助于更好地利用计算机系统课程简介主要内容目标受众本课程将全面介绍操作系统本课程面向计算机专业的本的基本概念、功能和原理涵科生和研究生帮助他们深入,,盖进程管理、内存管理、文理解操作系统的工作机制及件管理、设备管理等核心知其在系统设计中的作用识教学目标通过本课程的学习学生将掌握操作系统的基本概念和原理并能够,,运用相关知识解决实际问题操作系统概述操作系统是计算机系统的核心软件组件负责管理硬件资源并为应用程,序提供服务它提供了进程管理、内存管理、文件管理等功能确保计,算机系统的高效运行操作系统的关键特点包括多任务处理、资源共享和安全性等了解操作系统的基本概念有助于深入理解计算机系统的架构和工作原理操作系统的功能硬件管理提供用户接口软件管理安全性保障操作系统负责管理计算机的操作系统为用户提供友好的操作系统负责管理应用程序操作系统设有各种安全机制,各种硬件资源如处理器、内图形界面或命令行界面使用的执行提供程序加载、运行如用户权限管理、文件访问,,,存和输入输出设备确保它们户可以方便地与计算机进行、暂停等功能并协调各程序控制、系统备份等确保系统,,,协调高效地工作交互之间的资源共享和数据的安全性进程管理进程是操作系统中的基本概念之一它是资源分配和调度的基本单位,进程管理是操作系统的核心功能之一涉及进程的创建、切换、终止等,诸多重要操作进程的基本概念进程的定义进程的组成进程的特点进程的生命周期进程是操作系统中的一个每个进程都有自己的地址进程是动态的会随时间发进程包括创建、就绪、运,基本单位它是一个正在执空间、程序计数器、寄存生变化需要操作系统的调行、阻塞和终止等不同状,,行的程序实例包括程序代器及堆栈用于管理进程的度和管理同时进程之间态在这些状态之间进行转,,,码和相关的系统资源执行也存在相互关系和依赖换进程的状态转换新建New1进程创建并加入就绪队列就绪Ready2进程已被创建并等待被分配资源CPU运行Running3进程正在被执行CPU阻塞Blocked4进程正在等待某个事件的发生操作系统会根据进程的状态进行调度和管理确保各进程能有序地访问和使用系统资源进程生命周期中的各种状态变化体现了操作系统对进程的动,,态管理进程调度算法先来先服务短作业优先FCFS SJF12按照进程到达系统的顺序优先执行预计执行时间最依次执行，简单易实现但短的进程，提高了系统吞可能造成长时间进程被阻吐量但可能导致长作业饥塞饿时间片轮转优先级调度RR34给每个进程分配固定的时根据进程的优先级动态调间片轮流执行，公平性好度，灵活性高但可能产生但吞吐量可能略有降低优先级反转问题内存管理内存管理是操作系统的重要功能之一它负责为程序分配和管理内存资,源确保系统内存的高效利用本部分将介绍内存管理的基本概念、内,存分配策略以及虚拟内存技术内存分配策略连续分配将内存划分为大小等同的分区，每个进程占用一个连续的分区，提高内存利用率动态分区分配根据进程需求动态分配和回收内存分区，可提高内存利用率和灵活性虚拟内存利用磁盘扩展内存容量，通过页面置换技术实现进程虚拟地址空间到物理内存的映射虚拟内存技术虚拟内存是一种内存管理技术允许程序访问的内存地址空,间大于计算机实际拥有的物理内存容量它通过将内存划分成页面在需要时从磁盘加载到内存中从而提高了内存利,,用率和程序的执行效率虚拟内存技术采用了页面置换算法当物理内存不足时会自,动将不常用的页面换出到磁盘为正在运行的程序腾出空间,这种按需加载的方式大大减轻了对物理内存的依赖文件管理操作系统中的文件管理负责管理各种类型文件的存储、访问和保护这一子系统涉及文件的基本概念、目录管理、文件存储空间管理等功能通过良好的文件管理，可以高效组织和存储各种数据文件的基本概念文件的定义文件的组成文件的基本操作文件是操作系统中的基本概念之一是文件通常由三个部分组成文件头、文常见的文件操作包括创建、打开、读,:一个用于存储程序、数据或指令的有件数据和文件尾文件头包含文件属取、写入、关闭和删除等操作系统序集合它具有唯一的文件名可以持性信息文件数据是文件的实际内容文提供了一系列系统调用来实现这些操,,,久保存在磁盘或其他存储介质上件尾则用于标识文件的结束作目录管理层级结构权限控制操作系统使用层级目录结构目录权限管理可以控制用户来组织和管理文件方便用户对目录的访问权限提高文件,,快速查找和访问系统的安全性路径导航用户可以通过路径导航在目录间移动更好地浏览和管理文件系统,文件存储空间管理文件索引方式操作系统采用文件索引方式管理文件存储空间如索引节点等提高文件访问效率,inode,磁盘空间分配通过磁盘空间分配算法如连续分配、链式分配、索引分配等合理利用磁盘空间,,文件元数据管理操作系统还需维护文件的元数据如文件名、大小、权限、创建修改时间等支持文件管,/,理设备管理设备管理是操作系统的重要组成部分负责对各类硬件设备进行有效管,理和协调确保设备能够与操作系统高效协作它包括设备驱动程序、,设备分配和设备操作等功能I/O设备驱动程序桥梁作用功能多样12设备驱动程序在操作系统设备驱动程序提供灵活的和硬件设备之间起到桥梁接口控制设备的初始化、,作用负责管理和控制各种数据传输、中断处理等功,外围设备的运行能设备兼容性动态加载34针对不同型号的硬件设备现代操作系统支持设备驱,操作系统需要提供相应的动程序的动态加载和卸载,设备驱动程序以确保设备提高了系统的灵活性和扩正常工作展性磁盘管理盘片结构数据存储磁盘容量磁盘带宽磁盘由多个盘片组成每个数据在磁盘表面以磁性形磁盘容量取决于盘片数量磁盘传输速度受到机械机,盘片有两个读写面盘片式存储并通过磁头进行读、盘片尺寸和磁性材料的构限制是操作系统性能的,,表面涂有磁性材料用于记写磁头需要精准定位以密度随着技术进步磁盘瓶颈之一缓存管理是提,,录数据访问所需数据容量越来越大高磁盘性能的关键缓存管理缓存原理缓存策略缓存是将数据复制到更快速操作系统采用多种缓存替换的存储介质上以提高访问速算法如、等根据数,LRU FIFO,度的技术它利用数据局部据的访问模式动态管理缓存性原理来提高系统性能内容缓存一致性缓存的好处在多处理器系统中需要维护缓存可以大幅提高系统性能,,缓存与主存之间的数据一致降低访存延迟是现代计算机,性防止缓存数据与主存不同系统中不可或缺的重要技术,步输入输出管理/设备管理数据传输缓存管理操作系统负责管理各种输入输出设备操作系统管理数据在内存、存储设备操作系统使用缓存技术缓解输入输出,,如键盘、鼠标、显示器、打印机等确和输入输出设备之间的传输保证数据设备与之间的速度差异提高系统,,CPU,保它们能够正常工作并与应用程序协的完整性和安全性整体性能同使用并发控制并发控制是操作系统中一个非常重要的概念它涉及多个进程或线程同时访问共享资源时的协调与管理有效的并发控制可以提高系统性能和资源利用率同步与互斥同步互斥同步与互斥的关系同步是指多个进程或线程互斥是指在同一时刻只有同步确保进程线程的协调/之间的协调运行确保它们一个进程或线程可以访问运行互斥确保共享资源的,,以正确的时序执行这样共享资源通过使用互斥独占访问两者结合使用可以避免资源竞争和数据锁等机制可以确保资源的可以有效地解决并发编程不一致等问题排他性使用中的各种问题死锁问题死锁定义死锁成因死锁预防死锁检测死锁是指两个或多个进程因死锁的主要原因是资源竞争通过合理分配资源、合理安可以通过资源分配图、等待争夺系统资源而无法继续执、进程推进顺序不当以及进排进程顺序、限制占用时间图等方法检测系统中是否存行的一种僵局状态程等待时间过长等等方法可以预防死锁在死锁死锁预防和避免资源分配策略进程序列化12通过限制资源分配和管理通过确定进程获取资源的资源分配方式来避免死锁顺序避免出现环形等待的,发生如采用银行家算法情况等死锁检测和解除预防死锁34操作系统可以定期检测是通过合理的系统设计和资否存在死锁一旦发现则采源管理减少死锁发生的可,,取措施及时解除能性操作系统的安全性和保护机制操作系统需要确保系统资源的安全及用户隐私的保护这包括访问控制、加密技术、安全审计等措施确保系统免受内部和外部的攻击,用户权限管理授权管理用户认证针对不同用户角色和职责合通过密码、指纹等多种身份,理分配系统访问权限确保资验证方式确保用户身份的合,,源访问安全法性权限审计记录和监控用户权限变更情况保证权限分配的合理性和有效性,系统安全策略政策制定实时监控应急预案建立全面的系统安全政策包括身份认采用安全监控系统实时监测系统运行制定完备的安全事件应急预案明确预,,,证、访问控制、加密等方面的规范为状态及时发现并阻止安全威胁保障系防、检测、响应、恢复等各环节的责,,,系统安全管理提供制度保障统安全运行任分工和处置流程确保快速有效应对,操作系统发展趋势操作系统正在不断创新和进化应对新兴技术的挑战从云计算和虚拟,化到物联网和嵌入式系统操作系统的功能和架构不断发展未来的操,作系统将更加智能、灵活和安全满足用户的多样化需求,云计算与虚拟化云计算虚拟化12提供按需的计算资源和服务可以根据需求动态分配和收将单一的物理资源抽象为多个虚拟资源实现多个操作系,,回资源提高资源利用效率统并行运行在同一硬件上,IT协同发展未来趋势34云计算与虚拟化技术相互促进为企业提供灵活、高效的云计算虚拟化将持续发展推动智能化、自动化、弹性伸,,基础设施缩的软件定义数据中心IT物联网与嵌入式系统物联网技术嵌入式系统物联网与嵌入式的融合物联网技术将各种设备和嵌入式系统是指嵌入到特物联网与嵌入式系统的结系统连接到互联网使它们定应用中的计算机系统具合为各类产品和服务带来,,能够互相通信和交换数据有专用硬件和软件广泛应了新的功能和价值实现了,,这为智能家居、智慧城用于工业控制、车载电子更智能、更高效的物理世市等应用提供了基础、消费电子等领域界与信息世界的互联总结与展望总结回顾概括了操作系统的主要功能和概念为学生提供了全面的理解,发展趋势探讨了操作系统在云计算、物联网等新兴领域的应用前景和挑战未来展望展望了操作系统技术的未来发展方向为学生的职业规划提供参考,。