计算机组成原理课件操作系统基础

计算机组成原理与操作系统基础欢迎学习计算机组成原理与操作系统基础课程本课程将深入探讨计算机硬件结构和软件系统的核心概念，帮助您理解现代计算机系统的工作原理我们将从计算机的基本组成部分开始，逐步深入到处理器架构、存储体系、输入输出系统等硬件知识，然后过渡到操作系统的核心概念、进程管理、内存管理、文件系统等软件层面的内容通过本课程的学习，您将掌握计算机系统从硬件到软件的完整知识体系，为未来的专业学习和实践奠定坚实基础课程介绍与学习目标课程内容概览核心学习目标本课程涵盖计算机硬件基础结掌握计算机组成原理的基本概构、指令系统设计、存储体系念，理解硬件系统的工作原理；结构以及操作系统核心原理等深入学习操作系统的功能与实内容我们将从理论到实践，现机制，掌握资源管理的核心全面讲解计算机系统的运行机思想制实践能力培养通过实验和案例分析，培养解决实际问题的能力，为后续专业课程学习和实际工作打下坚实基础本课程旨在帮助学生建立计算机系统的整体认知，从硬件到软件，理解各部分之间的协同工作原理，培养系统思维能力和问题解决能力教学安排与评分方式教学进度安排第1-7周计算机硬件基础知识；第8-14周操作系统核心概念；第15-16周实例分析与课程总结每周4学时，包括理论授课和实验实验安排共设6次实验课，包括处理器仿真、内存管理实验、进程管理实验、文件系统实验等实验报告需在实验后一周内提交考核方式平时成绩占30%（出勤10%，作业10%，课堂表现10%）；实验报告占30%；期末考试占40%期末考试采用闭卷形式，考核内容覆盖课程全部知识点本课程采用理论与实践相结合的教学方式，通过课堂讲授、案例分析、实验操作等多种形式，帮助学生全面理解和掌握计算机组成原理与操作系统的核心知识计算机系统基本组成用户层使用计算机的个人或组织软件层系统软件和应用软件硬件层物理设备和电子电路计算机系统由硬件、软件和用户三大部分组成硬件是计算机的物理实体，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等；软件是控制硬件工作的程序集合，分为系统软件和应用软件；用户则是整个计算机系统的使用者和受益者这三个部分相互配合，形成一个完整的计算机系统硬件提供物理基础，软件赋予智能，用户通过软件控制硬件完成各种任务理解这三部分之间的关系和交互方式，是掌握计算机系统的基础计算机硬件结构中央处理器存储系统执行指令的核心单元存储程序和数据输出设备输入设备显示处理结果接收用户指令和数据现代计算机硬件主要基于冯诺依曼结构模型，该模型包含数据通路和控制通路两大核心部分数据通路负责数据的存储、传输和处理；控·制通路负责协调各部件工作，执行指令序列冯诺依曼结构的核心思想是存储程序，即将指令和数据统一存储在同一存储器中，按地址访问这一思想奠定了现代计算机的基础架构，·使计算机能够根据存储的程序自动执行一系列操作，而无需人工干预处理器与指令系统简介中央处理器结构指令系统基础中央处理器是计算机的核心，主要由控制单元和算指令是可以识别和执行的最基本操作命令一套完整的CPU CUCPU术逻辑单元组成控制单元负责指令的获取、解码和执指令集构成了计算机的指令系统，决定了计算机的功能和性ALU行控制；算术逻辑单元负责执行各种算术运算和逻辑运算能常见的指令类型包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑此外，还包含多种寄存器，如程序计数器、指令寄运算指令、控制转移指令等现代处理器的指令系统设计主CPU PC存器、通用寄存器等，用于临时存储和处理数据要有复杂指令集和精简指令集两种典型架构IR CISCRISC存储体系结构寄存器速度最快，容量最小高速缓存速度快，容量小主存速度中等，容量中等外存速度慢，容量大计算机的存储体系是一个分层结构，从上到下速度递减，容量递增，构成了一个完整的存储层次顶层是CPU内部的寄存器，速度最快但容量有限；中间层次包括高速缓存Cache和主存储器Main Memory；底层是外部存储器，如硬盘、固态硬盘等这种层次化设计有效地平衡了存储系统的速度、容量和成本系统通过缓存原理，将常用数据放在更高层次的存储器中，减少对低速存储设备的访问，从而提高整体性能输入输出系统基本原理I/O设备分类I/O端口输入设备键盘、鼠标、扫描仪端口是与外部设备交换数I/O CPU等，负责将外部信息转换为计算据的通道，分为独立编址和统一机可处理的数据输出设备显编址两种方式独立编址使用专示器、打印机等，负责将计算机门的指令进行操作；统一编址I/O处理结果呈现给用户存储设备将设备视为内存的一部分，使I/O既可输入也可输出，如硬盘、用统一的访问指令U盘等中断系统中断是提高与设备协作效率的重要机制当设备需要服务时，CPU I/O I/O CPU通过中断请求信号通知响应中断后，暂停当前程序，转而处理中CPU CPU断服务程序，完成后再返回原程序继续执行总线与接口概述内部总线系统总线外部总线高速外设接口连接CPU内部各功能单元连接CPU、内存与I/O控制器连接I/O控制器与外部设备如USB、HDMI等总线是计算机系统中各部件之间传递信息的公共通道，按功能可分为数据总线、地址总线和控制总线数据总线传输数据信息；地址总线传送地址信息；控制总线传送控制信号DMA直接存储器访问技术允许外设在不通过CPU的情况下，直接与内存进行数据交换，大大提高了I/O操作效率DMA控制器接管CPU的内存控制权，完成数据传输后再归还控制权，使CPU可以同时执行其他任务软件系统与系统软件操作系统编译器解释器/管理计算机硬件资源，为用户程将高级语言程序转换为机器可执序提供统一接口，协调各部分工行的代码编译器一次性将源程作主要功能包括进程管理、内序翻译成目标程序；解释器逐条存管理、文件管理和设备管理等解释执行源程序指令系统服务程序提供系统维护和增强功能，如磁盘整理工具、系统备份、性能监控工具等，帮助用户更有效地使用计算机系统软件系统是计算机系统的重要组成部分，可分为系统软件和应用软件两大类系统软件为计算机系统提供基础支持，是应用软件运行的平台；应用软件则直接为用户提供特定功能服务操作系统的定义与目标用户与硬件的中介硬件抽象层为用户提供友好界面，简化计算机使屏蔽硬件细节，提供统一接口用资源管理者提供服务的软件合理分配和调度系统资源，提高资源利用率为应用程序提供基础服务操作系统是管理计算机硬件和软件资源的核心系统软件，是计算机系统中最基本的系统软件它作为用户与计算机硬件系统之间的接口，实现了对计算机资源的抽象，使用户无需关心底层硬件细节操作系统的主要目标是提高系统资源利用率、方便用户使用计算机系统、保护系统安全、支持多种应用环境通过有效的资源管理和调度策略，操作系统确保计算机系统高效、安全、稳定地运行操作系统的发展历程手工操作阶段20世纪40-50年代，无操作系统，程序员直接操作硬件，效率低下批处理系统20世纪50-60年代，引入批处理概念，作业成批执行，减少准备时间多道程序系统20世纪60年代，允许多个程序同时进入内存，CPU在多程序间切换，提高资源利用率分时系统20世纪60-70年代，CPU时间被划分为多个时间片，轮流分配给作业，实现多用户交互实时系统20世纪70年代至今，强调系统对外部事件的及时响应，用于工业控制等领域操作系统的发展历程反映了计算机技术的进步和人们对计算机使用需求的变化从早期的无操作系统到现代复杂的分布式操作系统，每一步演进都解决了特定时期的核心问题操作系统类型与分类分类依据类型特点典型代表用户数单用户系统一次只服务一个用户早期DOS系统用户数多用户系统同时服务多个用户Unix/Linux任务数单任务系统一次只运行一个程序MS-DOS任务数多任务系统支持多个程序并发执Windows/macOS行处理方式批处理系统作业成批处理，无交早期大型机OS互处理方式分时系统多用户共享，时间片UNIX系统轮转处理方式实时系统快速响应，有时限保VxWorks证结构特点分布式系统资源分散，透明访问分布式Unix操作系统可以根据不同的标准进行分类，主要包括按用户数、任务数、处理方式和结构特点等维度这些分类方式反映了操作系统设计的不同侧重点和应用场景主流操作系统举例Windows系列Linux系列macOS系列由微软公司开发，具有图形用户界面，易开源操作系统，内核由开发，由苹果公司开发，基于，专为苹果Linus TorvaldsUnix Mac于使用，应用软件丰富，市场占有率高具有稳定性高、安全性强、可定制性好的电脑设计，注重用户体验和设计美感具主要版本包括、等特点主要发行版包括、、有界面美观、操作流畅、系统稳定等特点Windows10Windows11Ubuntu CentOS适用于个人电脑和服务器环境等广泛应用于服务器、嵌入式系近期版本如、等Debian macOSMonterey Ventura统和科学计算除了上述主流桌面和服务器操作系统外，还有面向移动设备的和，面向嵌入式系统的，以及面向大型机的等专用iOS AndroidRTOS z/OS操作系统不同应用场景对操作系统的需求各不相同操作系统的主要功能进程管理负责进程的创建、撤销、调度和控制，以及进程间通信和同步进程是操作系统分配资源的基本单位，进程管理是操作系统的核心功能之一内存管理负责内存空间的分配与回收，地址转换，内存保护等通过有效的内存管理策略，最大化利用有限的物理内存资源，支持多个程序并发执行文件管理负责文件的存储、检索、共享和保护文件系统为用户提供了一个逻辑视图，屏蔽了物理存储细节，方便用户对数据的管理和访问设备管理负责设备的分配、启动、控制和回收通过设备驱动程序和中断处理机制，实现对各种外部设备的统一管理，提供设备独立性这四大功能相互协作，共同支撑操作系统的运行除此之外，现代操作系统还提供用户接口、安全保护、网络通信等功能，以满足用户不断增长的需求进程管理基础进程创建进程执行分配资源，初始化占用运行程序PCB CPU进程终止进程阻塞释放资源，删除等待事件发生或资源PCB进程是操作系统中的一个基本概念，是程序的一次执行过程，也是操作系统分配资源的基本单位进程与程序的区别在于程序是静态的指令集合，而进程是程序的动态执行过程，具有独立的资源和执行状态进程的生命周期包括创建、就绪、运行、阻塞和终止几个阶段系统根据进程的状态进行调度，决定哪个进程获得资源执行进程管CPU理是操作系统最核心的功能之一，直接影响系统的性能和资源利用率多道程序设计多道程序设计概念关键技术与挑战多道程序设计是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程实现多道程序设计需要解决程序间的隔离保护、资源分配与序，允许它们在管理程序控制下，相互穿插运行的方式这回收、处理器调度等问题操作系统需要维护每个程序的上种设计的核心思想是利用和设备的并行工作能力，提下文信息，在程序切换时保存和恢复上下文CPU I/O高系统资源利用率多道程序设计引入了并发性，同时也带来了进程同步与互斥当一个程序因等待操作而暂停时，可以转去执行另一等新的挑战操作系统需要提供有效的机制来协调进程间的I/O CPU个程序，避免了的空闲等待，大大提高了系统的吞吐量合作与竞争关系，防止资源争用导致的死锁或饥饿现象CPU内存管理功能与策略内存分配为进程分配内存空间，有连续分配和非连续分配两种基本方式连续分配要求一个进程占用连续的内存区域；非连续分配允许一个进程使用分散的内存块，灵活性更高地址转换将程序的逻辑地址转换为实际的物理地址这种转换可以通过重定位寄存器、分段机制或分页机制实现地址转换是实现内存保护和虚拟内存的基础内存保护防止进程访问未授权的内存区域，确保系统和其他进程的安全通常通过界限寄存器、保护键或页表中的保护位来实现内存访问控制内存共享允许多个进程访问同一块物理内存，提高内存利用率共享内存可用于进程间通信，也可用于共享只读代码段，如共享库有效的内存管理策略对系统性能影响重大现代操作系统多采用虚拟内存技术，结合分页或分段机制，实现物理内存和逻辑内存的分离，扩展了内存容量，简化了程序设计文件系统管理目录管理组织文件的逻辑结构，支持文件查找和访问文件操作创建、读写、删除等基本文件操作物理存储管理管理磁盘空间分配，优化存储效率访问控制实现文件保护和共享机制文件系统是操作系统中负责管理持久性数据的子系统，为用户提供了一个方便、统一的数据存取接口文件系统的核心功能包括文件的存储、检索、共享和保护目录结构是文件系统的重要组成部分，用于组织和管理文件常见的目录结构有单级目录、两级目录和树形目录结构等现代操作系统多采用树形目录结构，支持多级目录嵌套，便于文件分类和管理输入输出管理与驱动用户程序通过系统调用请求I/O服务设备无关软件提供统一接口和缓冲管理设备驱动程序控制特定设备的硬件操作中断处理程序4响应硬件中断，完成数据传输输入输出管理是操作系统的重要功能之一，负责控制和协调各种外部设备的工作操作系统通过I/O控制子系统，提供设备独立性，使应用程序可以用统一的方式访问不同种类的设备设备驱动程序是连接操作系统内核与硬件设备的桥梁，负责具体设备的控制与操作操作系统通过中断机制或轮询方式与外设通信，获取设备状态和传输数据现代操作系统多采用中断驱动方式，提高CPU利用率操作系统的安全与保护用户鉴权访问控制验证用户身份，控制系统访问权限根据用户权限限制对资源的访问审计跟踪资源隔离记录安全相关事件，便于追责防止不同进程或用户相互干扰操作系统安全与保护机制旨在防止系统资源被非授权使用，保护系统和用户数据不受损害或泄露这些机制在操作系统内核和各子系统中实现，形成多层次的安全防护体系用户鉴权是安全保护的第一道防线，通常采用用户名/密码或更复杂的生物识别等方式访问控制则基于用户的权限级别，限制对系统资源的操作范围资源隔离确保各进程在自己的地址空间内运行，防止相互干扰审计跟踪记录安全相关事件，有助于事后追查和分析系统调用与用户接口280+450+Linux系统调用数量Windows系统调用数量Linux内核提供了丰富的系统调用，涵盖进程管理、Windows操作系统通过Win32API提供了大量系统文件操作、网络通信等多个方面服务，支持应用程序开发5系统调用主要类型进程控制、文件管理、设备管理、信息维护和通信五大类系统调用是用户程序与操作系统之间的接口，提供了一种受控的方式，允许用户程序请求操作系统的服务当用户程序需要访问系统资源或执行特权操作时，通过系统调用转入内核态，由操作系统代为执行系统调用的实现通常涉及用户态到内核态的切换，这一过程由软中断trap机制完成操作系统为应用程序提供了多种接口级别，从底层系统调用到高级应用程序接口API，再到更易于使用的图形用户界面GUI，满足不同层次的需求操作系统内核与用户空间内核空间特点用户空间特点内核空间是操作系统内核代码和数据所在的内存区域，具有用户空间是普通应用程序运行的内存区域，具有有限权限特最高权限特权级，可以执行所有硬件指令，访问所有系统权级，不能直接访问硬件和关键系统资源用户空间中运03资源内核空间中运行的代码被称为内核态或系统态行的代码被称为用户态或目态用户程序通过系统调用申请操作系统服务，系统调用会触发内核空间包含关键的系统数据结构和核心功能模块，如进程从用户态到内核态的切换用户空间的程序错误通常只影响调度器、内存管理器、文件系统、设备驱动程序等内核空该程序本身，不会危及系统稳定性，这是保护操作系统的重间的代码出错可能导致整个系统崩溃要机制进程概念与状态运行状态进程获得CPU资源，正在执行程序指令就绪状态进程已获得除CPU外的所有所需资源，等待被调度执行阻塞状态进程因等待某事件发生而暂停执行，如等待I/O完成进程是操作系统中的一个基本概念，指程序在数据集合上的一次运行活动进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程都有自己的地址空间和系统资源三态模型是描述进程状态的基本模型，包括就绪、运行和阻塞三种基本状态进程在这三种状态之间转换当进程被调度获得CPU时，从就绪态转为运行态；当时间片用完或被高优先级进程抢占时，从运行态转为就绪态；当等待某事件时，从运行态转为阻塞态；当等待的事件发生后，从阻塞态转为就绪态进程控制块PCB进程标识信息包括进程ID、用户ID、父进程ID等标识信息，用于区分不同进程进程IDPID是系统分配给每个进程的唯一标识符，用于进程管理和控制处理器状态信息包括程序计数器、处理器寄存器、程序状态字等，记录进程执行的现场信息这些信息用于进程切换时保存和恢复现场，确保进程能够从中断点继续执行进程控制信息包括进程当前状态、优先级、调度信息、事件等待信息等这些信息用于进程调度和状态转换控制，影响进程获取CPU资源的机会资源分配信息包括内存指针、打开文件列表、分配设备列表等资源记录这些信息记录了进程已获得的系统资源，用于资源管理和释放进程控制块PCB是操作系统中用来描述进程的数据结构，记录进程的各种属性和状态信息PCB是进程存在的唯一标志，操作系统通过PCB来管理和控制进程PCB的组织方式通常采用链表结构，便于进程的创建、撤销和各种队列操作进程的创建与撤销进程创建分配唯一的进程ID，创建PCB，分配所需资源，初始化PCB内容，将进程插入就绪队列等待调度系统调用在Unix/Linux系统中，通过fork系统调用创建子进程，exec加载新程序，exit主动终止进程进程撤销进程终止后，释放分配的资源，删除PCB，如有必要通知父进程进程重用某些系统会保留部分进程资源以便快速重启，提高系统响应速度进程的创建通常由四种事件触发系统初始化、用户请求创建新进程、应用程序执行进程创建操作、批处理作业启动在Unix/Linux系统中，新进程通常通过fork系统调用从现有进程复制而来，然后可以通过exec系统调用加载新的程序进程的撤销同样可能由多种原因引起正常退出（任务完成）、出错退出（出现无法恢复的错误）、严重错误（如非法指令、内存越界）、被其他进程终止（如父进程终止子进程）进程终止后，系统会回收其占用的资源，确保系统资源不会泄漏进程调度策略上下文切换保存当前进程上下文当发生进程切换时，首先需要保存当前正在运行进程的上下文信息，包括程序计数器、处理器寄存器内容、程序状态字等，这些信息通常保存在进程的PCB中选择下一个运行进程调度器根据调度算法从就绪队列中选择下一个要运行的进程优先级、等待时间、资源需求等因素可能影响调度决策恢复新进程的上下文从所选进程的PCB中读取上下文信息，恢复到CPU寄存器和控制寄存器中，使CPU能够从该进程上次停止的地方继续执行上下文切换是操作系统在多任务环境中进行进程切换的核心机制，是实现进程并发执行的基础上下文切换通常由时钟中断、I/O中断、系统调用或进程状态改变等事件触发上下文切换会带来一定的性能开销，包括CPU时间消耗和缓存失效等影响过于频繁的上下文切换可能导致系统大部分时间花费在切换开销上而非实际工作，这种现象称为thrashing因此，合理控制上下文切换频率对系统性能至关重要进程同步与互斥互斥互斥是指多个进程在同一时间内只有一个进程能访问共享资源的机制临界区是指访问共享资源的程序片段，必须确保这段代码的互斥执行同步同步是指多个进程按照一定的顺序协调执行的机制当一个进程必须等待另一个进程执行到某一特定点才能继续执行时，就需要进程同步信号量信号量是一种用于进程同步与互斥的强大工具，由荷兰计算机科学家Dijkstra提出信号量可以解决多种进程同步问题，如生产者-消费者问题、读者-写者问题等进程同步与互斥是并发编程中的核心问题，解决这些问题的机制包括信号量Semaphore、管程Monitor、条件变量Condition Variable、消息传递Message Passing等不同机制有各自的特点和适用场景操作系统必须提供低级原语支持这些同步机制的实现，如原子操作指令如Test-and-Set、Compare-and-Swap等如果同步问题处理不当，可能导致死锁、饥饿或活锁等并发问题，影响系统的可靠性和性能死锁与避免死锁四个必要条件死锁预防互斥条件资源不能被多个进程同时使用；请求与保持条件进程通过破坏死锁的必要条件来预防死锁发生例如，一次性申请所有请求资源时不释放已占有资源；不剥夺条件资源只能由占有进程资源破坏请求与保持条件；资源编号顺序申请破坏循环等待条件自愿释放；循环等待条件存在一组进程循环等待资源的关系这些方法限制了资源使用的灵活性死锁避免死锁检测与恢复系统在资源分配前进行判断，只有分配后系统仍处于安全状态才允通过资源分配图或其他算法检测系统是否陷入死锁状态发现死锁许分配银行家算法是典型的死锁避免算法，通过维护资源分配状后，可通过进程终止或资源剥夺等方式解除死锁，使系统恢复正常态信息，确保系统始终处于安全状态运行线程与多线程线程基本概念线程实现模型线程是程序执行流的最小单位，是进程内的一个执行实体线程实现主要有三种模型用户级线程模型、内核级线程模一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的地址空间型和混合型线程模型用户级线程由应用程序管理，对内核和资源，如内存、文件等线程有自己的程序计数器、寄存不可见；内核级线程由操作系统内核管理，可利用多处理器器集合和栈空间并行；混合型模型将两者结合，兼顾灵活性和效率线程相比进程具有更轻量级的上下文切换和更高的资源共享效率，因此多线程编程成为提高程序并发性能的重要手段多线程编程中需要注意线程同步和数据一致性问题不恰当的线程管理可能导致竞态条件、死锁或资源泄漏等问题内存管理基本任务内存分配与回收地址转换为进程分配所需内存空间，进程结束后回收将程序逻辑地址映射为物理内存地址内存资源内存扩充内存保护通过虚拟内存技术扩展物理内存容量防止进程访问非授权内存区域内存管理是操作系统的核心功能之一，它控制着计算机内存资源的分配和使用不同的内存管理方式对系统性能和资源利用率有显著影响内存管理单元MMU是硬件支持内存管理的关键部件，它协助操作系统实现地址转换和内存保护功能现代操作系统通常采用虚拟内存技术，将物理内存和辅助存储器如硬盘结合使用，为程序提供一个更大的地址空间虚拟内存技术使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间，同时实现了程序的地址空间隔离，提高了系统的安全性和稳定性连续分配与分区管理单一连续分配固定分区分配最早的内存分配方式，整个用户空间分配给将内存划分为若干个固定大小的分区，每个单个程序使用优点是实现简单，但只能运分区可装入一个程序分区大小可以相等也行一个程序，内存利用率低主要用于早期可以不等简单易实现，但内部碎片问题严的批处理系统和一些特定的嵌入式系统重，内存利用率依然不高动态分区分配根据进程需要动态分配内存，内存空间被分成若干个可变大小的分区，用于存放不同大小的进程可以更有效地利用内存，但会产生外部碎片问题，需要内存紧凑或碎片整理在连续分配方式中，每个进程占用一块连续的内存空间这种方式实现简单，但存在内部碎片固定分区中未使用的内存空间和外部碎片动态分区中太小而无法利用的空闲内存块问题为了减少外部碎片影响，可以采用内存紧凑技术，将所有已分配分区移到内存一端，空闲分区移到另一端但内存紧凑操作开销较大，需要移动程序和数据，更新内存映射信息现代操作系统多采用非连续内存分配方式，如分页、分段或段页式管理，以提高内存利用率分页管理机制逻辑地址页号+页内偏移页表页号→页框号映射物理地址页框号+页内偏移内存访问读取物理内存数据分页式内存管理是一种将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页Page，而将物理内存划分为同样大小的页框Frame的管理方式程序的每一页可以放入任意一个空闲页框中，页与页之间不必连续分页管理的核心数据结构是页表，它记录了逻辑页面到物理页框的映射关系每个进程都有自己的页表，由操作系统维护分页技术通过硬件支持实现地址转换，虽然增加了访存开销，但解决了内存碎片问题，提高了内存利用率常见的页表优化技术包括转换后备缓冲器TLB、多级页表、反向页表等分段机制原理分段概念段表结构分段机制将程序划分为若干个逻辑上独段表是分段管理的核心数据结构，记录立的段Segment，如代码段、数据段、每个段的基址、长度以及保护属性等信栈段等，每个段可以有不同的属性和长息进程的段表由操作系统维护，用于度这种划分方式更符合程序员的思维地址转换和访问控制段号和段内偏移方式，便于程序设计和模块化管理共同构成了程序的逻辑地址段保护机制分段机制提供了细粒度的内存保护功能，可以为每个段设置不同的访问权限，如只读、读写、执行等段保护机制有助于防止程序错误和恶意攻击，提高系统的安全性和可靠性分段管理与分页管理相比，最大的区别在于分段是按程序的逻辑结构划分内存，段的长度可变；而分页是按固定大小划分，与程序逻辑结构无关分段管理便于共享和保护，但由于段长不固定，仍然存在外部碎片问题为结合两种方式的优点，现代操作系统常采用段页式内存管理，即先将程序分段，再将段分页这样既保留了分段的逻辑划分优势，又解决了外部碎片问题Intel x86架构的处理器就采用段页式内存管理机制虚拟存储器请求调页按需将页面从外存调入内存页面置换当内存已满时选择页面换出缺页处理处理访问不在内存中的页面虚拟存储器是一种内存管理技术，它使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间虚拟存储器的基本思想是将程序的一部分放在内存中，其他部分保存在外存上，需要时再调入内存虚拟存储器技术建立在程序局部性原理之上，即程序在执行过程中往往集中访问一小部分代码和数据页面置换算法是虚拟存储器系统的核心，它决定了当内存已满时应该置换出哪个页面常见的页面置换算法包括先进先出FIFO算法、最近最少使用LRU算法、最不经常使用LFU算法和时钟CLOCK算法等不同算法在减少缺页率和实现复杂度方面有各自的权衡虚拟存储器技术极大地提高了内存资源的利用效率，是现代操作系统的标准配置内存分配算法举例最先适应算法最佳适应算法First FitBest Fit从内存低地址开始查找，使用第一个足够大的空闲块这种查找所有空闲块，选择大小最接近请求的空闲块这种算法算法实现简单，查找迅速，在许多情况下表现良好它倾向试图最小化内部碎片，但需要扫描整个空闲块列表，且容易于保留高地址的大空闲块，但可能会导致低地址区域产生许产生大量难以利用的小空闲块多小的空闲块与之相对的是最差适应算法，它选择最大的空闲块Worst Fit最先适应算法的一个变种是循环首次适应，它从上进行分配，试图保留中等大小的空闲块，但实际效果通常不Next Fit次查找结束的位置继续查找，避免总是从头开始，减少低地如最先适应和最佳适应算法址区域的碎片化在动态分区内存管理中，内存分配算法直接影响系统的性能和内存利用率不同算法在速度、空间利用率和碎片产生方面有不同的表现通常需要根据实际应用场景和系统特点选择合适的分配算法现代操作系统的内存管理策略内存压缩一些现代操作系统采用内存压缩技术，将不常用的内存页面压缩存储，而不是直接换出到磁盘这种方法可以减少磁盘I/O操作，提高系统响应速度，尤其适用于内存紧张但CPU资源充足的场景大页面支持为了减少TLB缺失和提高内存访问性能，现代操作系统支持大页面Huge Pages技术标准页面通常为4KB，而大页面可以是2MB或1GB大页面减少了页表项数量，适合大型数据库和科学计算等应用NUMA感知调度在非统一内存访问NUMA架构中，不同CPU访问不同内存区域的速度不同现代操作系统采用NUMA感知的内存分配和进程调度策略，尽量让进程使用与其运行CPU相近的内存，减少远程内存访问的性能开销现代操作系统的内存管理越来越复杂和智能，不仅包括传统的分页和分段机制，还融合了缓存技术、预测算法和硬件辅助功能内存管理子系统会动态监控系统内存使用情况，根据工作负载特性调整策略，平衡性能和资源利用率内存池Memory Pool和伙伴系统Buddy System等高级分配算法被广泛应用于内核内存管理，提高分配效率并减少碎片同时，共享内存、内存映射文件等技术促进了进程间的数据共享和通信，提高系统整体效率文件系统功能介绍用户接口提供文件操作命令和API文件管理文件创建、访问、删除及属性管理目录管理组织文件的逻辑结构存储空间管理4分配和回收磁盘空间保护与安全机制5控制文件访问权限文件系统是操作系统中管理外部存储介质上文件的子系统，它为用户提供了一种方便、统一的方式来存储和检索信息文件系统的主要功能包括文件存储、命名、共享和保护等方面，是连接用户与存储设备的桥梁现代文件系统不仅提供基本的文件操作功能，还支持日志、快照、加密、压缩等高级特性日志式文件系统通过记录操作日志提高了系统崩溃后的恢复能力；快照功能允许在特定时间点创建文件系统状态的备份；文件加密和访问控制机制则保护了数据的安全性和隐私性文件目录结构单级目录结构最简单的目录结构，所有文件都位于同一目录下结构简单，实现容易，但当文件数量增多时，查找困难，且不支持文件分类管理主要用于早期简单系统和一些嵌入式设备两级目录结构为每个用户建立独立的目录，形成主目录和用户目录两级结构解决了文件名冲突问题，支持多用户环境，但仍不便于文件分类和组织曾用于早期多用户系统树形目录结构采用层次化的目录组织方式，允许目录中包含子目录，形成树状结构灵活性高，便于文件分类和管理，支持路径表示法访问文件现代操作系统普遍采用这种结构图形目录结构在树形结构基础上，允许子目录或文件共享，形成有向图结构增强了文件共享能力，但增加了删除和垃圾回收的复杂性UNIX/Linux的符号链接和Windows的快捷方式都是这种结构的实现方式目录结构是文件系统的逻辑组织方式，它定义了文件的存储、定位和访问方式目录结构的设计影响用户对文件的组织和管理效率，也决定了文件系统的性能和功能特点文件分配方式连续分配文件在磁盘上占据连续的存储空间优点是实现简单，支持随机访问，顺序读写性能高；缺点是文件大小难以扩展，存在外部碎片问题适合只读或固定大小的文件系统链接分配文件的各个块通过指针链接成链表有直接链接FAT和间接链接两种形式优点是消除外部碎片，文件容易扩展；缺点是随机访问效率低，可靠性较差FAT文件系统是典型的链接分配实现索引分配3为每个文件建立索引表，记录文件各块的位置优点是支持直接访问，文件容易扩展，无外部碎片；缺点是索引表占用额外空间，结构更复杂UNIX的inode系统是索引分配的典型实现文件分配方式决定了文件系统如何在存储设备上组织和管理文件数据不同的分配方式有各自的优缺点，适用于不同的应用场景和存储介质特性现代文件系统通常采用多级索引或混合分配方式，平衡各种需求文件的访问与权限权限类型符号表示权限含义数字表示读权限r允许读取文件内容或4列出目录内容写权限w允许修改文件内容或2在目录中创建/删除文件执行权限x允许执行文件或访问1目录内的文件所有权限rwx完全控制权限7无权限---禁止任何操作0文件访问控制是操作系统保护文件安全的重要机制在Unix/Linux系统中，文件权限分为三类所有者权限、组权限和其他用户权限每类用户可以有读r、写w和执行x三种权限权限可以用符号表示如rwxr-xr--或数字表示如755Windows系统采用访问控制列表ACL机制，为不同用户和组分配细粒度的权限除了基本的读写执行权限外，现代文件系统还支持更多高级权限控制，如附加数据、更改所有权、删除子目录和文件等合理设置文件权限对保护系统和数据安全至关重要外存管理原理磁盘调度算法技术RAID磁盘调度算法旨在优化磁盘访问顺序，减少磁头移动时间，独立磁盘冗余阵列技术通过组合多个物理磁盘，提供RAID提高性能常见的磁盘调度算法包括更高的性能、容量或可靠性主要级别包括I/O RAID先来先服务按请求到达顺序处理，公平但性能较条带化，数据分布在多个磁盘，提高性能但无冗•FCFS•RAID0差余最短寻道时间优先选择距当前磁头位置最近的请镜像，数据复制到两个或多个磁盘，提供完全冗•SSTF•RAID1求，可能导致饥饿余扫描算法电梯调度，磁头沿一个方向移动处理分布式奇偶校验，在个磁盘上存储个磁盘的•SCAN•RAID5N N-1请求，到达边界后改变方向数据和奇偶校验信息循环扫描类似，但只在一个方向处理请组合，先镜像再条带化，兼顾性能和冗•C-SCAN SCAN•RAID10RAID1+0求，返回时快速移动不处理请求余文件系统实例FAT文件系统文件分配表FAT是Microsoft开发的简单文件系统，有FAT12/16/32等变种特点是结构简单，兼容性好，支持多种操作系统；缺点是不支持权限控制，对大文件和大量文件处理效率低，无日志功能，容易产生碎片NTFS文件系统NT文件系统是Windows NT系列的默认文件系统特点是支持文件压缩与加密，访问控制列表ACL，日志功能，大文件和大分区支持，以及配额管理等高级特性NTFS的性能和可靠性都优于FAT，但兼容性较差Ext4文件系统第四扩展文件系统是Linux系统的主流文件系统之一Ext4支持大文件和大分区，日志功能，在线碎片整理，延迟分配等特性，平衡了性能和稳定性相比前代Ext3，Ext4提供了更好的性能和可靠性APFS文件系统苹果文件系统是macOS、iOS等Apple系统的现代文件系统APFS针对SSD优化，支持快照，加密，写时复制技术，空间共享等特性APFS取代了老旧的HFS+，提供更好的性能和功能经典案例一OS Linux内核架构Linux采用宏内核Monolithic Kernel架构，但又引入了模块化设计核心部分包括进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动和网络等子系统，这些组件直接运行在内核空间，互相紧密联系模块机制Linux的模块机制允许在运行时动态加载和卸载内核组件，而无需重新编译内核这种设计既保持了宏内核的性能优势，又具备了一定的模块化灵活性，成为Linux成功的关键因素之一VFS文件系统虚拟文件系统VFS是Linux的一个关键抽象层，提供了统一的文件操作接口，使不同的文件系统能够共存通过VFS，Linux可以支持ext

4、xfs、btrfs等多种文件系统，甚至包括网络文件系统和特殊文件系统进程调度Linux的进程调度器经历了多次演进，从早期的On调度器到完全公平调度器CFSCFS基于红黑树实现，为每个进程提供公平的CPU时间，同时支持多核处理器和NUMA架构下的负载均衡Linux作为开源操作系统的代表，以其高度可定制性、可靠性和性能赢得了从嵌入式设备到超级计算机的广泛应用Linux社区的协作开发模式也成为开源软件开发的典范经典案例二OS WindowsNT架构HAL层基于微内核思想的混合设计硬件抽象层提供硬件独立性用户模式内核模式子系统和应用程序内核、执行体和设备驱动Windows操作系统基于NTNew Technology架构，是一种混合内核设计NT架构采用了微内核的思想，但又保留了部分宏内核的特性，以平衡模块化和性能需求Windows的核心组件包括硬件抽象层HAL、内核、执行体Executive和设备驱动程序等Windows的进程和服务管理是其重要特性进程是程序的执行实例，而服务是可以在后台运行且不需要用户交互的特殊程序Windows使用对象管理器统一管理系统资源，提供了强大的安全模型，包括访问令牌、安全描述符和访问控制列表等机制随着版本更新，Windows不断增强了虚拟化支持、安全防护和云集成能力，保持其在桌面和服务器市场的竞争力嵌入式操作系统简述实时嵌入式OS嵌入式Linux物联网OS实时操作系统专为需要精确时间控制的嵌入式是通用内核的裁剪版本，适专为设备设计的操作系统，如RTOS LinuxLinux IoTAmazon嵌入式应用设计，如工业控制、医疗设备、用于资源相对丰富的嵌入式设备，如智能手、、等，这类系统特FreeRTOS ZephyrRIOT OS航空电子设备等典型代表有、机、路由器、智能电视等嵌入式提供别注重低功耗、网络连接能力和安全性物FreeRTOS Linux和等的特点是确定性了丰富的功能和良好的开发生态，但实时性联网通常轻量级，支持无线通信协议，并VxWorks RT-Linux RTOSOS强，响应时间短，可靠性高，但功能相对简和资源占用方面不如专用提供云平台集成能力RTOS单嵌入式操作系统与通用操作系统的主要区别在于资源占用小，专为特定硬件平台优化，通常具有实时或近实时能力，启动速度快，可靠性和稳定性要求高嵌入式系统的开发挑战包括硬件资源限制、电源管理、实时响应需求和安全考虑等操作系统新趋势虚拟化技术云计算平台虚拟化技术允许在单一物理硬件上运行云计算平台提供了弹性、可扩展的计算多个虚拟机，每个虚拟机拥有独立的操资源和服务IaaS提供虚拟化的基础设施；作系统和应用程序环境主要虚拟化类PaaS提供开发和运行环境；SaaS直接提型包括全虚拟化、半虚拟化和硬件辅助供应用软件服务操作系统正在适应云虚拟化虚拟化提高了硬件利用率，简环境的需求，增强网络功能、分布式处化了系统管理，增强了灵活性和可扩展理能力和动态资源管理能力性容器技术容器技术提供了一种轻量级的应用程序打包和隔离方案，与传统虚拟机相比，容器共享主机操作系统内核，资源占用更小，启动更快Docker和Kubernetes等工具使容器部署和编排变得简单高效，推动了微服务架构的发展现代操作系统正向更加开放、模块化和服务化的方向发展微服务架构的兴起促使操作系统提供更好的网络支持和服务隔离能力同时，安全性和隐私保护成为关注焦点，操作系统加强了沙箱机制、访问控制和加密功能操作系统发展前沿微内核架构分布式操作系统微内核设计将操作系统核心功能最小化，分布式操作系统管理网络连接的多台计算将更多服务移至用户空间谷歌的Fuchsia机，使其表现为单一系统它处理节点间OS采用微内核设计，提供更好的模块化、通信、资源共享和任务分配等问题随着安全性和可靠性微内核架构有助于减少云计算和边缘计算的发展，分布式操作系系统复杂性，简化验证和维护，但可能带统正成为研究热点，例如Microsoft的来性能开销Midori项目和MIT的Exokernel智能操作系统人工智能与操作系统的融合创造了自适应、自学习的系统管理方式智能操作系统可以预测用户行为，优化资源分配，自动调整系统参数，提供个性化体验AI辅助的安全防护和异常检测也是未来操作系统的重要特性未来操作系统将更加注重跨设备协同工作能力，适应物联网、可穿戴设备和智能家居等多样化场景同时，量子计算等新型计算模式也对操作系统提出了全新挑战，需要重新思考计算资源的抽象和管理方式操作系统的开源化趋势持续增强，开源社区的协作开发模式促进了创新和标准化安全和隐私保护仍将是操作系统发展的核心关注点，零信任架构和形式化验证等技术可能在未来操作系统中得到更广泛应用课程总结与知识回顾计算机硬件基础1处理器、存储器、I/O系统结构与工作原理操作系统核心概念进程管理、内存管理、文件系统、设备管理系统实现与应用Linux、Windows等系统实例分析与新兴技术趋势通过本课程，我们系统学习了计算机组成原理和操作系统的基本概念、工作原理和实现技术从冯·诺依曼结构的基本硬件组成，到现代计算机系统的复杂架构；从早期批处理系统的简单调度，到现代操作系统的高级资源管理策略，我们了解了计算机系统的演进历程和核心技术推荐继续深入学习的资料包括《现代操作系统》Tanenbaum、《操作系统概念》Silberschatz、《计算机组成与设计硬件/软件接口》Patterson等经典教材同时，参与开源项目如Linux内核开发，或者自己动手实现简单的操作系统组件，是深化理解和提高实践能力的有效途径希望大家在今后的学习和工作中能够灵活运用所学知识，不断探索和创新。