计算机操作系统李翠霞课件

计算机操作系统计算机操作系统是管理和控制计算机硬件资源以及软件资源的程序，它为用户提供一个友好的界面，并协调计算机系统中的各种资源操作系统是现代计算机系统必不可少的组成部分操作系统概述计算机系统核心软件与硬件桥梁资源管理用户交互操作系统是计算机系统的重要操作系统充当了软件和硬件之操作系统管理着计算机系统的操作系统提供用户界面，方便组成部分，它负责管理和控制间的桥梁，为应用程序提供统各种资源，包括CPU、内存、用户使用计算机，执行各种操系统资源，为应用程序提供运一的接口，隐藏了硬件的复杂存储器、网络等作行环境性操作系统的定义和功能管理计算机资源提供用户界面管理程序执行操作系统管理计算机的硬件和软件资源，操作系统提供了一个用户友好的界面，允操作系统负责加载、执行和管理程序它例如CPU、内存、磁盘和外设它负责分许用户与计算机交互这包括图形界面、处理程序之间的资源竞争并确保程序按照配资源给不同的应用程序并确保它们能够命令行界面以及各种应用程序接口预期的顺序运行有效地运行操作系统的发展历程早期操作系统1在20世纪50年代，出现了第一个操作系统，它被称为通用自动计算机（UNIVAC）系统它主要用于批处理任务，允许用户将一批作业提交给计算机，然后计算机一次处理一个作业批处理操作系统2在20世纪60年代，出现了批处理操作系统，它可以同时处理多个作业，从而提高了计算机的使用效率批处理操作系统将用户作业提交给操作系统，操作系统按顺序执行它们，并输出结果分时操作系统3在20世纪70年代，出现了分时操作系统，它允许多个用户同时使用一台计算机，并使每个用户感觉拥有自己的计算机分时操作系统将处理器的时间分成多个时间片，并分配给不同的用户，从而实现多用户共享计算机现代操作系统4在20世纪80年代和90年代，出现了图形用户界面GUI操作系统，例如Windows和macOS这些操作系统使用图形界面，让用户更容易使用计算机操作系统的基本特征并发共享虚拟异步操作系统允许多个程序同时多个程序可以共享系统资源操作系统为用户提供一个虚操作系统中程序执行是异步运行，提高系统资源利用率，如CPU、内存、外设等，拟的机器环境，屏蔽硬件细的，即程序执行时间不可预例如，用户可以同时编辑提高资源利用率比如，多节，简化用户操作用户无知，允许多个程序并发执行文档、播放音乐、浏览网页个用户可以共享打印机、磁需了解硬件细节，就可以方，提高了系统效率等盘等资源便地使用系统资源操作系统的基本组成内核系统调用接口12操作系统核心，管理系统资源应用程序与内核交互的桥梁，，提供基础服务提供系统功能调用系统程序用户界面34扩展内核功能，提供用户服务用户与操作系统交互的窗口，，例如文件管理和网络服务提供图形界面或命令行界面操作系统的分类批处理操作系统分时操作系统主要用于处理大量作业，一次性输入多个允许多个用户同时使用系统，将CPU时间作业，顺序执行，提高CPU利用率切分成时间片，轮流分配给各个用户，实现交互式操作实时操作系统网络操作系统对时间响应要求很高，需要在规定的时间支持多个用户在网络环境下共享资源，例内完成任务，应用于工业控制、航空航天如文件、打印机等，提高资源利用率等领域单道批处理操作系统

11.顺序执行

22.效率低下一次只运行一个程序，程序执资源利用率低，CPU和内存行完毕后才能加载下一个程序的利用率不高，浪费了系统资源

33.操作复杂

44.适用场景用户需要掌握复杂的命令和操早期计算环境，计算任务简单作，对用户来说很麻烦，资源有限多道批处理操作系统同时执行多个程序提高CPU利用率作业队列自动作业处理多道批处理操作系统可以同时通过在程序之间快速切换，多多道批处理系统将多个程序（操作员无需手动干预，系统自运行多个程序，提高系统效率道批处理系统最大化CPU使用作业）存储在队列中，依次执动执行作业，提高工作效率率，减少闲置时间行分时操作系统多用户共享时间片轮转多个用户可以同时使用一台计算机，操作系统将处理器时间划分成一个个每个用户都拥有自己的独立环境，但时间片，每个用户程序可以轮流执行同时共享计算机的资源，如处理器、一个时间片，从而实现多个用户程序内存等的并发执行交互式操作提高系统资源利用率用户可以实时与计算机交互，例如输通过让多个用户共享计算机资源，可入命令、查看结果等，并得到快速响以有效提高资源利用率应实时操作系统应用场景实时操作系统广泛应用于工业自动化，航空航天，医疗设备等领域它们管理实时应用程序，例如机器人控制，航空交通管制和医疗监测系统进程概述程序的执行独立的资源单元进程是正在执行的程序实例，是操作系统进行资源分配和调度的进程拥有独立的地址空间、内存资源和打开的文件，程序之间相基本单位互独立动态变化资源管理进程会经历创建、运行、暂停、结束等状态，每个状态都可以相操作系统通过进程管理来分配和回收资源，提高系统利用率和效互转换，动态地改变率进程的状态及转换运行状态1进程正在执行就绪状态2进程已准备好执行阻塞状态3进程等待某个事件进程状态是指进程在生命周期中所处的状态进程状态之间可以相互转换，例如，当一个进程从运行状态被剥夺CPU时，它会进入就绪状态当一个进程等待某个事件时，它会进入阻塞状态进程控制块进程控制块（PCB）PCB内容PCB是操作系统用来管理进程的重要数据结构，包含了进程的各种信息•进程标识符•进程状态•程序计数器•CPU寄存器•内存地址进程调度进程调度算法进程调度算法用于选择一个就绪进程，并将其分配到处理器上执行调度目标进程调度算法的目标是提高系统性能，例如吞吐量、响应时间、资源利用率等常见调度算法•先来先服务（FCFS）•最短作业优先（SJF）•优先级调度•时间片轮转调度•多级反馈队列调度线程概述轻量级进程共享资源线程是操作系统能够进行运算调度的最同一个进程中的所有线程共享进程的内小单位，是进程的一个执行流存空间、打开的文件和其他资源独立执行并发执行线程可以独立运行，并拥有自己的堆栈多个线程可以同时执行，提高程序的并和局部变量，独立进行调度和执行发性和效率线程的特点及实现线程允许在同一进程中并行执行多个任务同一进程的多个线程共享相同的内存空间和资源，例如文件、变量和数据结构线程比进程更轻量级，创建和销毁线程比创建同一进程的线程可以轻松地进行通信，例如通和销毁进程更有效率过共享内存或消息传递内存管理概述内存资源管理内存保护计算机内存是有限的，需要合理管理，确保不同程序和数据都能操作系统需要保护不同进程之间的内存空间，防止一个进程访问获得必要的内存空间另一个进程的内存区域内存管理主要负责分配和回收内存空间，并确保内存访问的正确这可以通过地址空间划分、内存访问权限控制等机制来实现性和安全性内存分配策略首次适应算法最佳适应算法从内存的起始地址开始搜索，直从内存的所有空闲分区中选择最到找到第一个能满足分配需求的小的能满足分配需求的空闲分区空闲分区最坏适应算法从内存的所有空闲分区中选择最大的能满足分配需求的空闲分区虚拟内存技术内存空间扩展利用硬盘空间作为虚拟内存，扩展物理内存容量多任务支持多个进程共享物理内存，提高系统利用率内存保护隔离进程之间的内存访问，保护系统安全页式虚拟存储管理地址转换1将逻辑地址转换为物理地址页表2存储页号和物理地址对应关系页面3逻辑地址空间的最小单位帧4物理内存的最小单位页式虚拟存储管理是一种常见的虚拟存储管理技术，它将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，并将物理内存划分为相同大小的帧每个页面对应一个帧，页面表存储页面和帧之间的对应关系当CPU访问逻辑地址时，操作系统将逻辑地址转换为物理地址，并根据页面表找到对应的帧，然后访问物理内存文件管理概述文件组织数据存储文件共享数据备份操作系统负责管理存储在计算文件管理系统负责分配和管理文件管理系统允许用户共享文文件管理系统提供备份和恢复机上的各种数据文件，以便用磁盘空间，将数据存储在适当件，并在不同用户之间建立访机制，以防止数据丢失，提高户方便地访问和使用的位置，并确保数据安全性和问权限控制，确保文件安全数据安全性和可靠性完整性文件存储设备磁带磁盘固态硬盘网络存储顺序访问设备，容量大，成直接访问设备，速度快，容闪存芯片，速度快，耐用性通过网络连接存储设备，方本低，数据存储密度高量较大，随机访问数据高，体积小，但价格高便共享数据，提高数据安全性适用于备份、存档等用途，适用于操作系统、应用程序适用于笔记本电脑、服务器但访问速度慢，不适合频繁、用户数据等，分为硬盘、等，越来越流行，逐渐取代包括NAS（网络附加存储）读写软盘、光盘等传统硬盘和SAN（存储区域网络）等文件存储结构

11.顺序结构

22.链接结构文件以顺序方式存储，存取必文件以多个数据块组成，每个须按顺序进行数据块包含指针，指向下一个数据块，形成链状结构

33.索引结构

44.混合结构文件包含索引表，每个索引项结合了顺序结构和链接结构，对应一个数据块，存储数据块既能方便顺序访问，又能灵活地址处理随机访问文件目录树形目录结构层次结构树形目录结构是一种常用的文件每个目录可以包含子目录和文件组织方式，它将所有文件和目录，形成一个多层结构，便于用户组织成一个树状结构，方便用户对文件进行分类和管理查找和管理文件路径根目录每个文件或目录在文件系统中都文件系统的根目录是所有其他目有一个唯一的路径，用于标识其录的父目录，是文件系统的起点在文件系统中的位置文件存取方法顺序存取直接存取索引顺序存取从文件开头开始，顺序读取可直接访问文件中的任何位结合了顺序存取和直接存取数据置，无需顺序访问的优点适用于顺序处理数据的程序适用于频繁修改数据、需要使用索引表来定位数据，提随机访问数据的程序高访问效率设备管理概述硬件资源软件管理操作系统管理各种硬件设备，例如硬盘、键盘操作系统管理各种软件资源，例如驱动程序、、鼠标、打印机等应用程序、库文件等共享资源数据流操作系统负责管理和分配硬件资源给不同的用操作系统管理数据在设备之间传输，并确保数户和程序据的完整性和安全性设备类型及特点硬盘驱动器固态硬盘打印机输入设备硬盘驱动器是计算机中最常用固态硬盘是一种新型存储设备打印机是一种输出设备，将计键盘和鼠标是常用的输入设备的存储设备，用于存储操作系，使用闪存芯片来存储数据算机中的数据转换为纸质文档，用于向计算机输入信息键统、应用程序和其他文件硬固态硬盘比硬盘驱动器速度更打印机可以是喷墨打印机、盘用于输入文字和数字，而鼠盘驱动器通常是基于磁盘的，快，更耐用，但通常价格更高激光打印机或其他类型标用于控制光标和选择选项使用磁头在盘片上读写数据设备驱动程序

11.接口层

22.硬件层负责与操作系统进行交互，接收操作系统的命令并传递给直接与硬件设备交互，控制设备的操作，并向操作系统汇硬件设备报设备的状态

33.中断处理

44.错误处理设备驱动程序需要处理设备产生的中断信号，及时响应设设备驱动程序需要处理设备运行过程中可能出现的错误，备事件并采取适当的措施输入输出系统/数据传输设备管理输入/输出系统是计算机与外部世操作系统管理着各种输入/输出设界交互的关键，它负责将数据从备，包括键盘、鼠标、显示器、外部设备传输到内存，或从内存打印机、磁盘驱动器等传输到外部设备数据缓存为了提高效率，输入/输出系统通常使用缓存机制，将数据暂时存储在内存中，以便快速访问综合案例分析现实问题选择一个现实生活中的例子，如银行系统或电子商务平台，展示操作系统在其中的作用系统设计根据所选案例，分析其核心功能和需求，并设计相应的操作系统解决方案功能实现使用实际的编程语言和工具，实现关键功能模块，例如进程管理、内存管理和文件系统测试与评估对实现的系统进行全面的测试，并评估其性能、可靠性和安全性。