《操作系统原理》》课件

操作系统原理探讨操作系统的基本概念和原理,包括进程、内存管理、设备驱动等核心功能帮助读者深入理解现代计算机系统的运行机制课程介绍了解操作系统原理学习关键技术掌握操作系统的基本概念、历史深入学习进程管理、内存管理、发展、特征及功能结构文件管理、设备管理等核心技术涵盖多种操作系统掌握未来趋势包括Linux、Unix、Windows以及了解操作系统的发展方向,为未来嵌入式和实时操作系统做好准备操作系统基本概念定义功能特点分类操作系统是一种系统软件,负操作系统主要负责文件管理、操作系统具有并发性、共享性常见的操作系统包括Windows责管理和协调计算机硬件与软进程管理、内存管理、设备管、虚拟性和可扩展性等重要特、Linux、macOS等通用型操件资源,为用户提供友好的操理和安全保护等重要功能点,为用户提供高效、稳定的作系统,以及嵌入式、实时等作界面计算环境专用型操作系统操作系统的特征可交互性资源管理12操作系统提供人机交互界面,便操作系统负责管理和分配计算于用户操作和管理计算机资源机硬件资源,如CPU、内存、磁盘等虚拟化并发性34操作系统利用硬件资源提供抽操作系统支持多任务并发执行,象的虚拟化层,隐藏底层复杂性提高计算机资源的利用率操作系统的发展历程手工操作早期计算机需要人工操作每个步骤，效率低下批处理操作引入作业调度和作业队列，提高了资源利用率分时操作多个用户可以同时访问并使用计算机资源实时操作对时间关键的应用提供即时响应，如工业控制个人电脑操作PC的广泛应用带来了图形用户界面和交互性网络操作Internet及网络操作系统的发展实现了全球互联操作系统的功能和结构资源管理用户界面文件管理多任务处理操作系统负责有效管理计算机操作系统为用户提供友好的图操作系统负责管理文件系统,包操作系统支持多个程序或进程系统的各种硬件资源,如处理器形用户界面GUI或命令行界面括文件的创建、删除、读取和的并发执行,提高系统的资源利、内存和存储设备,确保资源的CLI,方便用户操作和管理计算修改等,使用户能够便捷地组织用率和响应速度合理分配和使用机系统和管理文件进程管理进程创建进程调度进程同步进程保护进程是操作系统的基本单元,进操作系统需要根据一定的调度当进程之间存在资源竞争或协操作系统需要确保每个进程都程管理包括创建新进程、终止策略,合理地安排进程的执行顺作关系时,需要使用同步机制来能独立、安全地运行,避免进程进程、控制进程活动等功能序,提高系统的利用率协调进程的执行之间的干扰和破坏进程的状态和转换就绪1等待CPU执行运行2正在使用CPU阻塞3等待某个事件发生终止4进程结束执行操作系统会根据进程的状态对其进行切换和调度进程可以从就绪状态转换到运行状态，从运行状态转换到阻塞状态或终止状态阻塞状态的进程在某个事件发生后会转换回就绪状态这些状态转换过程是操作系统实现进程管理的核心进程同步机制互斥机制生产者-消费者问题读者-写者问题通过互斥信号量等机制来确保同一时间只有通过缓冲区和信号量来协调生产者和消费者通过读写锁机制来协调多个读进程和写进程一个进程可以访问临界资源,避免数据竞争进程,确保安全地传递数据的访问,确保数据完整性和不一致性线程概念进程和线程的关系线程的特点12进程是操作系统分配资源的基线程是轻量级的执行实体,创建本单位,而线程是进程内部的执和切换开销较小它独立运行,行单元一个进程可以包含多但共享进程的内存空间和其他个线程,它们共享进程的资源资源多线程的优势多线程的挑战34多线程可以提高程序的并行性多线程编程需要解决资源共享和响应性,提高CPU的利用率,增、线程同步、死锁等问题,增加强应用程序的交互性和动态性了程序的复杂性内存管理虚拟内存内存分配内存保护内存交换虚拟内存技术通过将物理内存操作系统会根据程序的内存需操作系统会对内存进行保护,当物理内存不足时,操作系统划分为页面,并将这些页面动求动态分配和回收内存空间,防止进程越界访问或篡改其他会将暂时不用的页面交换到磁态调度到内存中,从而实现了确保各个进程都能访问足够的进程的内存空间,保证系统的盘上,以腾出内存空间供其他逻辑内存空间与物理内存空间内存资源安全性和稳定性进程使用的分离虚拟内存内存管理虚拟内存是一种内存管理技术,可以将物理内存逻辑划分成多个区域,增加内存利用率页面置换虚拟内存通过页面置换算法,动态地在内存和磁盘之间交换页面,实现内存的虚拟扩展性能优化虚拟内存可以提高系统的性能和灵活性,是现代操作系统中重要的内存管理机制页面置换算法最佳置换算法OPT先进先出FIFO选择未来最长时间不会被访问的按照页面进入内存的先后顺序进页面进行置换,可以获得最优的性行置换,简单高效但可能会导致较能,但实现复杂度较高高的缺页率最近最少使用LRU时钟置换算法Clock选择最长时间未被访问的页面进维护一个环形队列,通过访问位标行置换,能较好地反映程序局部性记和时钟指针来实现简单高效的原理,实现复杂度适中页面置换磁盘管理磁盘空间分配磁盘调度算法合理分配磁盘空间对提高磁盘利FCFS、SSTF、SCAN和C-SCAN等用率和系统性能至关重要操作调度算法可以优化磁盘访问次序,系统采用连续分配、链式分配和减少磁头寻道时间,提高磁盘吞吐索引分配等方式来管理磁盘量磁盘容错机制缓存与预读RAID技术通过数据冗余和磁盘镜磁盘缓存和文件预读可以减少磁像等方式来提高磁盘系统的可靠盘I/O,大幅提高系统响应速度性和容错性,保护数据免受损坏磁盘调度算法磁盘访问效率请求管理磁盘调度算法旨在提高磁盘访问的效合理安排磁盘请求的服务顺序,尽量减率和响应速度少磁头的寻道时间公平性性能优化确保各个进程的磁盘访问请求得到公采用合适的算法,最大化磁盘利用率,提平的处理高整体性能文件管理文件存储管理文件访问控制12操作系统负责将文件内容存储操作系统确保用户只能访问被到磁盘或其他存储设备上，并授权的文件，保护文件免受非维护文件的组织结构法访问和篡改文件性能优化文件备份与恢复34操作系统采用文件缓存、磁盘操作系统提供文件备份功能，预读等技术提高文件访问的效确保数据的安全性和可靠性，率和响应速度并支持文件的恢复文件系统结构层级文件系统索引结构缓存机制操作系统采用层级目录结构组织文件,以提文件系统使用索引结构,如FAT或inode等,文件系统设有缓存,可改善数据读写性能,提供直观、有序的文件管理用户可通过路径记录文件位置和属性信息,确保高效的文件高系统响应速度高速缓存存储常用文件元导航访问特定文件访问和管理数据和部分文件内容设备管理设备驱动程序设备分类设备抽象化即插即用设备驱动程序是操作系统和硬操作系统管理的设备包括输入操作系统会将硬件设备抽象为现代操作系统支持即插即用功件设备之间的桥梁,负责管理设备、输出设备、存储设备等统一的接口,使应用程序可以能,可以自动检测和配置新增和控制各种硬件设备,确保它,每种设备都有特定的驱动程以标准化的方式访问和使用各的硬件设备,无需手动安装驱们能够与操作系统正常交互序提供支持种设备动程序设备驱动程序中间层通用接口12设备驱动程序作为操作系统与硬件设备之间的中间层,负责将驱动程序提供了一套通用的接口,使得操作系统可以以统一的系统调用映射为设备控制指令方式访问各种不同的硬件设备硬件管理即插即用34驱动程序管理设备的初始化、配置、中断处理等底层硬件操自动检测和配置新增硬件设备,提高了系统的灵活性和扩展性作,隔离了操作系统与具体硬件的耦合系统I/O输入输出操作设备驱动程序I/O系统负责处理各种输入输出设备的设备驱动程序负责控制和管理输入输数据传输,如键盘、鼠标、磁盘、打印出设备,为上层软件提供标准化的接口机等缓冲区管理中断管理I/O系统利用缓冲区暂存数据,缓解计算I/O系统通过中断机制,及时处理各种输机和外设之间的速度差异,提高传输效入输出事件,提高系统响应速度率中断处理机制中断定义中断处理流程中断类型中断管理中断是指CPU在执行程序时遇当中断发生时,CPU会保存当前中断分为硬件中断和软件中断操作系统需要维护中断向量表到紧急事件或异常情况时的一状态,转而执行中断服务程序硬件中断由外部设备触发,,记录各种中断类型及其对应种信号通知机制中断会暂时来处理中断请求处理完成后软件中断由程序内部产生不的处理程序地址同时需要实中断正在执行的程序,转而去会恢复之前保存的状态,继续同类型的中断有不同的优先级现中断屏蔽和中断嵌套机制处理中断请求执行原有程序和处理方式处理器调度合理调度时间分片优先级调度处理器调度算法决定了操作系统如何有效地操作系统通过时间分片技术,让多个进程轮实时操作系统通过优先级调度,确保关键任利用CPU资源,满足不同进程的需求,提高整流使用CPU,避免资源浪费,提高利用率务能及时得到处理,满足实时性需求体系统性能实时操作系统快速响应可预测性实时操作系统旨在快速响应外部实时系统能够确保在特定的时间事件,确保及时处理关键任务,满足内完成任务,具有高度可预测的行时间敏感的应用需求为特征嵌入式应用调度机制实时操作系统广泛应用于工业控实时操作系统采用特殊的调度算制、航空航天、医疗设备等嵌入法,如优先级调度、时间片轮转等,式系统,确保关键任务的及时执行确保任务按时完成嵌入式操作系统特点应用场景代表系统未来趋势嵌入式操作系统专门为特定硬广泛应用于工业控制、智能家Windows Embedded、随着IoT和智能硬件的发展,嵌件设计,体积小巧,功能精简,资居、车载系统、医疗设备等领VxWorks、QNX、Linux嵌入入式系统必将在功能、性能和源消耗低,通常内置于各种电域,为设备提供稳定高效的运式版本等,各有特点满足不同安全性等方面不断提升子设备中行支持应用需求分布式操作系统网络协作服务器集群分布式系统利用网络互连的计算机资通过多台服务器组成集群，提高系统源，实现协作处理数据和共享资源的可靠性、可扩展性和负载均衡能力可扩展性故障容错分布式系统可根据需求动态增加或减单个节点或设备故障不会导致整个系少资源，灵活应对不同的应用需求统崩溃，提高了系统的可靠性网络操作系统远程协作集中式资源管理增强网络安全网络操作系统支持远程连接和在线协作,使网络操作系统提供集中的数据存储和应用部网络操作系统具备强大的网络安全防护功能员工能够在不同地点进行高效沟通和工作署,提高IT管理效率和信息安全,保护系统和数据免遭外部威胁操作系统概述Linux开源与免费稳定高效Linux是一个开源免费的操作系统,Linux以其出色的稳定性、安全性用户可以根据自己的需求进行二和高性能而闻名,广泛应用于服务次开发和定制器、嵌入式设备等领域丰富的软件生态安全性强Linux拥有庞大的第三方软件生态,Linux内核经过社区长期的持续优包括办公、编程、多媒体等各种化,在安全性和隐私保护方面表现应用程序出色操作系统概述Unix历史渊源核心特点12Unix操作系统最早由贝尔实验Unix系统以其简单、稳定、安室的肯·汤普逊和丹尼斯·里奇于全和高效的特点闻名,它提供了1969年开发,他们设计了一个高一个强大的命令行界面和丰富度模块化和多任务的系统的工具集广泛应用开源理念34Unix系统被广泛应用于服务器Unix的开源性质推动了软件自、工作站和嵌入式设备中,其中由和开放式创新,促进了计算机包括著名的Linux和macOS技术的长期发展操作系统操作系统概述Windows图形化用户界面广泛的软件支持Windows操作系统采用直观的Windows操作系统与大量应用图形图标界面,让用户轻松操作软件高度兼容,用户可以使用从电脑包括开始菜单、任务栏等Office办公软件到游戏娱乐的各多样化界面元素种程序多任务处理安全性保障Windows支持多个程序同时运Windows内置了多层次的安全行,用户可以高效切换和管理多防护机制,包括系统补丁升级、个应用程序病毒防护等,为用户提供安全稳定的电脑使用体验未来发展趋势人工智能云计算物联网大数据人工智能技术将不断提升,在各云计算将成为主流,大大提高了物联网技术的快速发展,将使各大数据的收集和分析能力将不行各业中广泛应用,提高自动化计算和存储资源的利用效率和种设备互联互通,实现更智能的断增强,帮助企业和组织做出更水平,增强系统的智能化和自适弹性扩展能力监测、控制和服务精准的决策和预测应能力总结全面掌握操作系统原理适用于多种操作系统通过本课程的系统学习,学生将了课程涵盖了Linux、Unix、解操作系统的基本概念、特征、Windows等主流操作系统,使学生结构和功能,并深入掌握其核心技能够灵活应用于不同的操作环境术推动未来发展趋势本课程还探讨了实时操作系统、嵌入式操作系统等新兴领域,为学生未来的职业发展指明方向。