《操作系统结构》课件

操作系统结构操作系统是计算机系统的核心组成部分,负责管理系统的硬件资源并为用户程序提供运行环境了解操作系统结构有助于深入理解操作系统的工作原理和设计思想操作系统的定义和功能操作系统的定义操作系统是管理计算机硬件和软件资源、为应用程序提供服务的系统软件主要功能包括进程管理、内存管理、设备管理、文件管理和安全控制等用户界面提供友好的用户界面,便于用户高效利用计算机系统操作系统的发展历程批处理系统1最早的操作系统,任务由人工执行并输入分时系统2多用户共享计算机资源,提高利用率实时系统3对时间要求严格,广泛应用于工业控制个人计算机系统4面向普通用户,操作更加友好便捷嵌入式系统5小型化设备的专用操作系统,如手机等操作系统的发展经历了从最初的批处理系统到现代的嵌入式系统,逐步满足了不同应用场景的需求分时系统提高了计算机的利用率,实时系统适用于工业控制,个人计算机系统则给普通用户带来了更友好的体验操作系统的基本组成内核系统调用12操作系统的核心部分,负责管理用户程序与内核之间的接口,允系统资源和提供基本功能许用户进程访问系统资源设备驱动程序文件系统34负责管理和控制各种外围设备,提供组织和管理文件的方式,确确保它们与系统协调工作保数据能被妥善存储和访问操作系统的运行机制硬件资源管理操作系统负责管理和调度计算机的各种硬件资源,如处理器、内存和I/O设备进程与线程操作系统创建和控制进程和线程,确保它们能够安全高效地并发执行内存管理操作系统负责为进程分配和回收内存空间,并实现虚拟内存技术文件系统管理操作系统提供文件系统服务,允许进程对文件进行创建、修改和访问设备管理操作系统控制和协调各种输入输出设备,屏蔽硬件差异进程管理操作系统必须高效管理系统中的所有进程,包括创建、调度、控制和终止进程的各种操作进程管理是操作系统的核心功能之一,关系到整个系统的性能和稳定性进程的概念和状态进程的定义进程的状态进程上下文进程是操作系统中的基本单位,它是一个动进程在其生命周期中会经历就绪、运行、阻进程的上下文包括程序代码、数据、寄存器态的执行单元,代表一个独立运行的程序塞和终止等不同状态,操作系统会管理和调、堆栈等,操作系统需要保存和恢复这些信度这些状态变化息以确保进程执行正确进程调度算法先来先服务最短作业优先FCFS SJF按照进程到达的先后顺序进行调度,简单易实现但不能满足所有进程优先调度预计运行时间最短的进程,可提高系统吞吐量但难以预测进的需求程运行时间时间片轮转优先级调度RR给每个进程分配一个时间片,轮流执行,保证了公平性但可能导致较长根据进程的优先级高低进行调度,可以满足特殊进程的需求但需要合等待时间理设置优先级进程同步和互斥进程同步进程互斥死锁问题解决方案进程同步是指协调多个进程之进程互斥是指当一个进程在使死锁是指两个或多个进程因争常见的死锁预防和解决方法包间的执行顺序,确保它们能按用某个共享资源时,其他进程夺资源而造成的永久阻塞它括合理分配资源、使用死锁检预期的方式访问共享资源常不能访问该资源互斥机制可可能导致系统资源无法合理利测算法,以及采取死锁恢复措见的同步机制包括信号量、互以保证资源的独占性,避免数用,需要采取预防和解决措施施等斥锁和条件变量等据竞争和不一致问题死锁的概念及预防死锁的概念死锁是指两个或多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局每个进程都在等待其他进程释放资源，但又无法推进自己的执行预防死锁预防死锁的主要策略包括:合理分配资源、有序分配资源、使用银行家算法、设置超时机制等通过这些措施可以有效避免死锁的发生检测和解除死锁如果无法完全预防死锁,还需要采取检测和解除死锁的措施通过系统检测算法识别死锁,再通过抢占资源或终止进程等方法解除死锁内存管理有效的内存管理技术是操作系统的核心功能之一它负责分配和管理计算机系统的物理内存资源,确保各种进程和应用程序能够高效利用有限的内存空间内存分配策略固定分区分配动态分区分配页式分配段式分配将内存划分为若干个固定大小根据进程大小动态划分内存分将内存划分为固定大小的页框根据程序逻辑将其划分为不同的分区，每个分区分配给一个区可以最大化内存利用率,,按页为单位进行分配灵活大小的段,按段进行内存分配进程使用适合中小型程序，但需要复杂的内存管理算法性强,但需要更复杂的硬件支适合大程序,但需要更复杂但会造成内存浪费持的管理虚拟内存技术进程隔离动态内存分配12虚拟内存技术通过为每个进程虚拟内存系统可以根据需求动分配独立的地址空间,实现进程态分配和回收内存,提高内存利之间的隔离,提高系统的稳定性用率和系统性能和安全性扩展内存容量页面置换算法34虚拟内存技术利用磁盘空间作虚拟内存系统使用各种页面置为备用内存,有效扩展了系统的换算法,如LRU、FIFO等,实现可用内存容量内存页面的动态交换和优化页式虚拟内存管理分页机制缺页中断页面置换算法操作系统将物理内存划分为固定大小的页框当程序访问一个尚未加载到内存的页时会产当内存不足时,操作系统需要通过页面置换，程序的地址空间也被分成相同大小的页生缺页中断操作系统会将该页从磁盘调入算法选择合适的页面从内存中移出,为新页通过页表管理页面与页框的映射关系内存，并更新页表面腾出空间段式虚拟内存管理分段管理灵活性将逻辑地址划分为若干个独立的可根据程序的需求动态分配和回段，每个段可以单独管理和保护收内存段，提高内存利用率地址转换隔离保护通过段号和段内偏移地址进行逻每个段都具有独立的访问权限控辑地址到物理地址的转换制，提高系统的安全性文件管理文件管理是操作系统中的重要组成部分,负责管理计算机中的各种文件它提供了创建、存储、检索和维护文件的功能,确保文件能被有效地组织和访问文件系统的组成文件目录12文件是文件系统的基本组成单目录是用于组织和管理文件的元,包括文本文档、图像、音频层次结构,提供了文件的逻辑存、视频等各种类型的数据储位置文件属性文件系统元数据34文件属性包括文件名、修改时元数据包括文件系统的整体组间、访问权限等,用于描述和管织结构、空间分配情况等,用于理文件管理和维护文件系统文件访问方式顺序访问随机访问按照文件中记录的顺序依次访问，适可以直接访问文件中的任意记录，适用于磁带等存储设备用于磁盘等存储设备直接访问索引访问通过文件的逻辑地址直接访问对应的通过索引表快速定位文件记录的物理物理位置，效率较高位置，提高访问速度目录管理目录结构目录操作操作系统使用树状的目录结构来用户可以在目录中创建、删除、组织和管理文件,允许用户在不同重命名和搜索文件,以及在目录之级别的目录中创建、查看和访问间进行导航和切换文件访问控制目录管理操作系统通过设置文件和目录的操作系统管理者可以创建、删除访问权限,控制用户对资源的访问和修改目录,以优化文件组织并提和操作高系统性能设备管理设备管理是操作系统的重要功能之一,负责管理和控制各种外围设备,确保它们能够安全高效地工作这包括设备驱动程序的加载和管理、设备故障的处理、以及I/O任务的调度等设备驱动程序设备驱动程序的作用驱动程序的功能驱动程序的类型驱动程序的开发设备驱动程序是操作系统与硬驱动程序提供设备的初始化和常见的驱动程序类型包括块设驱动程序的开发需要对底层硬件设备之间的接口它负责管配置、数据读写、中断处理等备驱动、字符设备驱动、网络件细节有深入的了解,并遵循理和控制硬件设备的运行,使功能,确保硬件设备与操作系设备驱动等,每种设备都需要操作系统提供的驱动程序开发应用程序能够以标准化和统一统能够顺利交互相应的驱动程序规范和接口的方式访问和使用各种硬件设备中断处理机制中断的概念中断处理流程中断优先级中断是硬件或软件发出的信号，用于通知CPU接收到中断信号后会暂停当前程序的执不同类型的中断有不同的优先级,CPU根据CPU发生了某些需要及时处理的事件中断行,保存现场信息,转而执行中断处理程序,处优先级决定先处理哪个中断,确保及时响应可以来自外部设备或内部程序理完毕后再返回原程序重要事件输入输出系统/输入输出设备输入输出缓冲区设备驱动程序输入输出调度操作系统需要管理各种输入输输入输出系统利用缓冲区暂时操作系统需要提供设备驱动程操作系统需要合理安排输入输出设备,如键盘、鼠标、显示存储数据,提高数据传输效率,序,用于与各种硬件设备进行出设备的使用顺序,提高系统器、打印机等,以便用户与计并防止输入输出设备之间的速通信和控制,屏蔽硬件细节吞吐量,避免设备冲突和资源算机进行交互度不匹配浪费磁盘调度算法寻找最短路径磁盘调度算法旨在最小化磁头移动距离，提高磁盘I/O效率公平调度通过合理的请求排队策略，确保各个进程的访问权利得到保障性能优化选择合适的算法可以显著提高磁盘I/O吞吐量和响应时间安全管理操作系统的安全管理是保护计算机系统免受非法访问和破坏的关键这包括访问控制、加密认证和审计日志等措施安全管理确保系统资源和用户数据的完整性和保密性访问控制机制身份识别权限管理通过用户名、密码或生物特征等根据用户的角色和职责,赋予不同手段确认用户身份,确保只有经过的访问权限,限制用户只能访问被认证的用户可以访问授权的资源审计跟踪动态调整记录用户的访问行为,以便追查和根据实际情况动态调整访问控制分析,提高系统的安全性策略,及时应对新出现的安全隐患加密和认证技术加密技术生物认证技术数字证书加密技术通过对数据进行编码,确保信息在生物识别技术利用个人独特的生物特征如指数字证书利用公钥加密技术确认用户身份,传输和存储过程中的安全性和隐私性常见纹、虹膜或面部特征进行身份认证,提高系广泛应用于电子商务和电子政务等领域,提的加密算法包括RSA、AES等统安全性高信息传输的安全性操作系统的性能评价未来操作系统的发展趋势云与边缘计算1随着云计算和物联网的兴起，未来操作系统将更好地支持分布式和移动计算环境，提供云端与端设备之间的无缝连接人工智能融合2机器学习和深度学习技术将被整合到操作系统内核中,提供智能化的任务调度、资源管理和故障诊断等功能安全与隐私保护3操作系统将加强对数据加密、身份认证和访问控制的支持,确保系统和用户信息的安全性与隐私性课程小结操作系统的重要性核心知识点总结未来发展趋势操作系统是计算机系统的核心,负责管本课程涵盖了操作系统的定义、发展随着技术的不断进步,操作系统也在不理硬件资源并为应用程序提供服务历程、基本组成、运行机制以及各个断创新和优化,如多核并行处理、云计了解其结构和原理对于成为计算机专关键模块的工作原理掌握这些基础算、移动端操作系统等值得关注业人士至关重要知识是后续学习的基础。