【大学课件】计算机操作系统

计算机操作系统概述操作系统的定义和功能管理计算机硬件资源，例如、提供用户界面，方便用户与计算机CPU内存、磁盘和外设交互，例如命令行界面或图形用户界面管理和协调应用程序，确保它们能够正常运行，并提供共享资源的访问操作系统的发展历程批处理系统1早期操作系统，主要用于处理大量任务，例如打卡和计算工资分时系统2允许多个用户同时使用计算机，并通过时间片轮转的方式共享资源实时系统3对时间响应要求严格，常用于工业控制和航空航天等领域网络操作系统4支持多台计算机之间的通信和资源共享，如Windows Server操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统123批处理操作系统是一种早期的操分时操作系统允许多个用户同时实时操作系统用于对时间要求严作系统，它将多个作业按顺序执使用一台计算机，系统将时格的系统，例如航空控制和工业CPU行，无需用户交互它提高了计间片分配给每个用户，从而实现自动化它需要及时响应外部事算机资源利用率，但无法满足用交互式操作件，保证任务在严格的时间限制户实时交互的需求内完成单用户操作系统多用户操作系统45单用户操作系统仅允许一个用户在同一时间使用计算机多用户操作系统允许多个用户同时使用计算机，例如服，例如大多数个人电脑操作系统务器操作系统操作系统的结构和体系结构分层结构微内核结构将操作系统划分成多个层次，每个层次都提供特定功能低层将核心功能（如内存管理、进程调度、中断处理）放在微内核提供基础服务，高层则构建在低层之上，逐步抽象和扩展功能中，其他服务通过用户空间进程提供，便于扩展和移植进程管理进程管理是操作系统中最核心的部分之一，它负责创建、调度和管理进程，并协调它们对系统资源的访问进程创建进程调度进程通信操作系统为每个程序操作系统负责调度进操作系统提供进程之创建一个进程，为其程，决定哪个进程可间的通信机制，以便分配内存、文件和设以使用，以及它们可以共享数据和CPU备等资源它们可以使用资源CPU的时间进程的概念和状态程序进程状态程序是一个静态的指令序列，保存于进程是一个动态的概念，它是程序在进程在运行过程中会处于不同的状态磁盘中内存中运行时的实例，具有自己的地，例如运行状态、就绪状态、阻塞状址空间和资源态等进程调度算法先来先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转FCFS SJF按照进程到达的顺序进行调选择下一个要执行的进程为为每个进程赋予一个优先级将时间分成若干个时CPU度，简单易懂，但可能导致估计执行时间最短的进程，，优先级高的进程优先被调间片，每个进程依次获得一较长的平均等待时间能有效地降低平均等待时间度，可根据需要调整优先级个时间片，可以实现进程的公平竞争进程同步与互斥进程同步是指多个进程在时间上协进程互斥是指多个进程不能同时访调运行共同完成任务问共享资源以防止数据不一致,.,.常见的同步机制包括信号量、互斥量、条件变量等.死锁的概念与预防死锁定义死锁条件多个进程因互相等待对方释放互斥条件、占有且等待条件、资源而陷入永久阻塞状态，无不可剥夺条件、循环等待条件法继续执行死锁预防破坏死锁的四个必要条件，例如资源预先分配、禁止占有并等待等策略内存管理操作系统负责管理计算机系统中的内存资源，以保证程序的正确执行和效率内存分配内存保护内存共享虚拟内存为运行的程序防止程序访问允许多个进程使用硬盘空间分配内存空间非法的内存区共享内存，提模拟更多的内，并管理内存域，确保系统高内存利用率存，扩展系统使用情况安全稳定可用内存内存分配策略连续分配分页分配分段分配为每个进程分配一块连续的内存空间，将内存空间分成大小相同的页面，进程将进程的地址空间划分为若干逻辑段，方便管理，但存在内存碎片问题可以分配到非连续的页面，可以有效解每个段可以分配到非连续的物理内存，决内存碎片问题便于程序模块化管理虚拟内存技术扩展内存页面调度12虚拟内存允许程序使用比物将程序的页面在物理内存和理内存更大的地址空间，即磁盘之间移动，以优化内存使物理内存有限使用效率多任务支持3允许多个程序同时运行，即使每个程序都需要比物理内存更大的空间页面置换算法先进先出最近最少使用最佳置换FIFO LRUOPT最简单的页面置换算法，先进入内存的最常用的页面置换算法，最近最少使用理论上最优的页面置换算法，但无法在页面先被替换的页面优先被替换实际系统中实现设备管理设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种硬件设备分配策略驱动程序错误处理根据设备类型和系统提供设备与操作系统检测并处理设备运行需求，合理分配设备之间的接口，实现设过程中出现的故障资源备的访问和控制设备的分类和特性输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风显示器、打印机、音箱、投影等，用于将信息输入计算机系仪等，用于将计算机处理的结统果输出给用户存储设备网络设备硬盘、光盘、盘、内存等，网卡、路由器、交换机等，用U用于存储数据和程序于连接网络，实现数据传输设备驱动程序硬件接口资源管理性能优化设备驱动程序充当操作系统与硬件设备驱动程序负责管理设备资源，例如分配驱动程序可以通过优化设备访问和数据之间的桥梁，将硬件指令转换为操作系和释放设备，以及处理设备中断和错误传输，提高系统的整体性能和效率统可理解的指令文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，它负责管理和组织计算机系统中的文件，并为用户提供文件访问和操作的接口文件存储和组织文件访问和操作操作系统负责将文件存储到磁盘或用户可以通过操作系统提供的接口其他存储设备上，并使用目录结构来创建、删除、修改、复制、移动来组织和管理这些文件和访问文件文件的概念和组织数据集合组织方式文件属性文件是存储在计算机中的数据集合，包文件通常按照文件夹进行组织，形成层每个文件都有属性信息，包括文件名、含文本、图像、音频、视频等多种类型次结构，方便管理和查找大小、创建日期、修改时间等，用于标识和管理文件文件系统文件组织权限管理管理文件存储和组织方式，例如树控制用户对文件的访问权限，例如形结构或层次结构读、写、执行等存储管理管理磁盘空间的分配和回收，以优化存储效率安全管理操作系统安全管理是保护系统资源和用户数据的核心访问控制身份验证限制用户对系统资源的访问权限确认用户身份的合法性访问控制机制身份验证授权确保用户身份真实，防止未控制用户对资源的访问权限经授权的访问，防止用户越权操作审计跟踪记录用户行为，方便追溯问题，提高安全性加密和解密技术对称加密非对称加密12使用相同的密钥进行加密和使用不同的密钥进行加密和解密解密，提高安全性哈希函数3将任意长度的输入数据转换为固定长度的哈希值，用于数据完整性验证操作系统的性能评价评价操作系统的性能，需要从多个角度进行衡量，例如利用率、吞吐CPU量、响应时间、等待时间等利用吞吐量响应时间等待时间CPU率衡量系统单位衡量系统对用衡量用户请求衡量CPU繁时间内完成的户请求的响应在队列中等待忙程度，反映任务数量，反速度，反映系的时间，反映系统资源利用映系统处理能统对用户的友系统对用户的效率力好程度效率利用率和吞吐量CPU利用率衡量时间使用情况CPU CPU吞吐量单位时间内完成的任务数量响应时间和等待时间响应时间ms等待时间ms响应时间是指从用户发出请求到系统完成请求并返回结果的时间等待时间是指用户请求到达系统后，系统开始处理请求之前的时间操作系统的发展趋势随着硬件技术和软件技术不断发展，操作系统也随之演变，呈现出以下趋势:微内核操作系统实时操作系统12将操作系统内核简化，将大针对实时应用场景，如工业部分功能模块移至用户空间控制、嵌入式系统，提供高，提高系统安全性与可扩展可靠性和低延迟的系统服务性分布式操作系统云操作系统34将系统资源分布在多台计算提供基于云计算的系统服务机上，提高系统性能和可靠，以虚拟化和资源池化技术性，实现资源共享和按需分配微内核操作系统模块化设计安全性可扩展性微内核操作系统将核心功能（如进程管内核功能较少，减少了攻击面，增强了模块化设计方便添加新的功能和服务，理和内存管理）限制在最小的内核中，系统的安全性适应不断变化的应用需求其他功能则以模块形式实现实时操作系统实时性要求应用领域对时间响应有严格的要求，通常用工业自动化、航空航天、医疗设备于控制系统和嵌入式设备、网络设备等特点高优先级任务优先执行，快速响应事件，低延迟分布式操作系统资源共享提高可靠性多个计算机系统之间共享硬件一个节点故障不会影响整个系和软件资源，提高资源利用率统，提高系统稳定性扩展性通过添加更多节点来扩展系统容量，满足不断增长的需求云操作系统虚拟化分布式架构安全管理云操作系统通过虚拟化技术，将硬件资云操作系统采用分布式架构，将系统功云操作系统提供完善的安全管理机制，源划分成多个虚拟机，提高资源利用率能分散到多个服务器上，增强系统容错保护用户数据和系统安全能力和扩展性。