《电脑操作系统基础教程》课件

电脑操作系统基础教程本课程全面介绍操作系统的概念、原理与应用，适合计算机科学初学者及进阶学习者课程内容涵盖理论知识与实际应用案例，帮助学习者深入理解操作系统在计算机系统中的核心作用通过系统性的学习，您将掌握操作系统的基本原理、资源管理技术，以及现代操作系统的发展趋势，为进一步的计算机科学学习打下坚实基础课程概述1了解操作系统的目标和功能掌握操作系统作为计算机系统核心软件的基本作用，理解其在硬件资源管理和用户服务提供方面的重要性2掌握操作系统的基本原理和相关概念深入学习进程管理、内存管理、文件系统等核心概念，建立完整的操作系统知识体系3理解操作系统在计算机系统中的核心地位认识操作系统作为硬件与应用程序之间桥梁的重要作用，以及对整个计算机系统性能的决定性影响4学习操作系统资源管理的关键技术掌握调度、内存分配、设备管理等关键技术，了解现代操作系统的设计CPU思想和实现方法什么是操作系统？操作系统的定义与本质硬件与用户之间的桥梁操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是操作系统充当硬件和用户之间的中介，为用户提供一个方便、高计算机系统的内核与基石它负责管理与配置内存、决定系统资效、安全的计算环境它隐藏了复杂的硬件细节，使用户能够通源供需的优先次序、控制输入与输出设备等基本功能过简单的接口与计算机进行交互操作系统的目标方便性简化用户与计算机的交互过程，提供友好的用户界面和直观的操作方式，使普通用户也能轻松使用计算机完成各种任务有效性提高计算机系统资源的利用率，通过合理的调度算法和资源管理策略，确保、内CPU存、存储设备等硬件资源得到充分利用可扩充性能够适应硬件技术发展和应用需求变化，支持新硬件设备的添加和新功能的扩展，保持系统的长期可用性开放性支持标准的编程接口和通信协议，便于第三方软件开发，促进软件生态系统的繁荣发展操作系统的基本功能处理器管理存储器管理设备管理文件系统管理负责进程的创建、调管理主存和辅存的分配统一管理各种输入输出提供文件的存储、检度、同步和通信，合理与回收，实现地址映射设备，提供设备驱动程索、共享和保护功能，分配时间，确保多和虚拟内存技术，确保序接口，处理设备中断管理目录结构，确保数CPU个程序能够并发执行且程序能够高效使用内存和错误，实现设备的高据的安全性和完整性相互不干扰资源效共享计算机系统层次结构应用程序层1用户直接使用的各种应用软件实用程序层2开发工具和系统实用程序操作系统层3系统软件核心管理层硬件层4计算机物理设备基础计算机系统各层次的任务应用程序1专用程序解决特定问题实用程序2提供开发和管理工具操作系统3屏蔽硬件提供接口硬件4基础计算存储能力操作系统发展历程1手工操作阶段程序员直接操作硬件，效率低下，人机交互困难，计算机利用率极低2批处理系统阶段引入监控程序，实现作业自动执行，提高了系统效率和资源利用率3多道程序系统内存同时驻留多个程序，在程序间切换，显著提高了系统吞吐CPU量4现代操作系统分时系统、个人电脑、网络和分布式系统的全面发展阶段早期操作系统（1940s-）1950s无操作系统阶段计算机刚刚诞生的年代，程序员需要直接面对复杂的硬件设备，手工装载程序和数据这种方式不仅效率极低，而且容易出错，计算机的利用率很难提高整个计算过程需要大量的人工干预，严重限制了计算机的应用范围人机交互效率差由于缺乏统一的操作界面，用户必须熟悉各种硬件操作细节程序的输入输出完全依赖手工操作，调试程序更是困难重重这种状况直接导致了计算机使用成本高昂，只有少数专业人员才能操作批处理系统（）1950s-1960s监控程序引入批处理监控程序的出现标志着操作系统的雏形，它能够自动控制作业的装入和执行作业自动转换系统能够连续执行多个作业，无需人工干预，大大提高了作业处理的连续性效率显著提升利用率得到明显改善，减少了人工操作时间，为后续发展CPU奠定了基础多道程序系统（）1960s-1970s多作业并存CPU动态切换1内存中同时存放多个作业程序，为系统处理器在不同作业间快速切换，充分利2并发执行创造了条件用等待时间执行其他任务并发性增强资源利用优化4多个程序看似同时运行，用户体验得到系统资源得到更好的分配和利用，整体3改善，系统响应时间缩短性能显著提升分时系统（）1970s时间片技术交互性改善采用时间片轮转调度算法，确保每个用户都能公平地获得时用户可以实时与系统交互，获得CPU间，实现真正的并发处理快速响应，极大地提高了工作效UNIX诞生率和用户满意度多用户交互系统在这一时期诞生，成UNIX支持多个用户同时在线使用系为现代操作系统的重要里程碑，统，每个用户都能获得独立的操影响了后续操作系统的发展方作环境和个性化体验向2314个人计算机操作系统（）1980s-DOS系统普及图形界面发展成为个人计算机的标准操作系统，以其简单易用的命令系列操作系统引入了图形用户界面，使计算机操作变得MS-DOS Windows行界面赢得了广泛应用系统虽然功能相对简单，但为个人更加直观和友好同时，苹果公司的也在图形界面设计DOS MacOS计算机的普及奠定了重要基础，让计算机走进了千家万户方面取得了重要突破，推动了整个行业向用户友好型方向发展现代操作系统（至今）1990s-分布式操作系统支持多台计算机协同工作，实现资源共享和负载均衡，为大规模计算提供了强大的基础平台云操作系统基于云计算技术的操作系统，提供弹性计算资源和按需服务，彻底改变了传统的计算模式移动操作系统专为智能手机和平板电脑设计的操作系统，如和，开创了移动计Android iOS算的新时代网络操作系统专门为网络环境设计的操作系统，支持网络协议和分布式文件系统，实现了真正的网络计算操作系统用户接口字符界面图形界面通过命令行方式与系统交互，功采用窗口、图标、菜单等图形元能强大且灵活，但需要用户记忆素，直观易用，降低了学习难大量命令，学习成本较高专业度虽然消耗更多系统资源，但用户和系统管理员通常偏爱这种极大提高了用户体验和工作效接口率语音交互新兴的自然交互方式，通过语音识别技术实现人机对话随着人工智能技术的发展，语音接口正在成为未来操作系统的重要发展方向操作系统服务程序开发程序执行设备访问系统保护提供编程工具和开发环负责程序的加载、初始提供统一的设备访问接实现访问控制和安全保境，支持多种编程语化和运行管理，确保程口，隐藏硬件复杂性，护，防止未授权访问，言，帮助开发者高效创序能够正确执行并与系简化应用程序的设备操确保系统稳定性和数据建应用程序统资源交互作安全程序开发服务开发工具提供操作系统集成了编辑器、编译器、调试器等基本开发工具，为程序员提供完整的开发环境多语言支持支持各种编程语言和开发框架，满足不同类型应用程序的开发需求开发效率提升通过集成开发环境和自动化工具，显著提高程序员的开发效率和代码质量程序执行服务程序加载将程序指令和数据从存储设备加载到主内存中，建立程序的运行时环境操作系统负责分配所需的内存空间，并进行必要的地址重定位，确保程序能够在分配的内存区域正确执行资源初始化为程序分配时间、内存空间、文件句柄等系统资源，初始化程序CPU控制块（），建立程序与操作系统之间的通信机制同时准备好PCB程序运行所需的各种系统调用接口执行监控监控程序的执行状态，处理程序运行过程中的异常和中断，管理程序的生命周期当程序执行完成或发生错误时，负责清理相关资源并回收内存空间设备访问服务I/O1硬件抽象隐藏不同设备的硬件细节差异，为应用程序提供统一的设备I/O访问接口2驱动管理管理各种设备驱动程序，负责设备的初始化、配置和控制操作3中断处理处理设备产生的各种中断和异常，确保操作的正确完成I/O4性能优化通过缓冲、预取等技术优化性能，提高系统整体效率I/O文件访问控制服务存储介质管理统一接口提供12了解和管理各种存储设备的特性，优化文件为应用程序提供标准化的文件操作接口，简在不同介质上的存储策略化文件访问操作性能优化访问权限控制通过缓存、预读等技术优化文件访问效率，实现多用户环境下的文件访问保护，防止未43提高系统响应速度授权访问和恶意操作系统资源管理服务安全控制1最高级别的系统保护访问验证2用户身份认证和权限检查资源分配3合理分配和调度系统资源冲突解决4处理资源竞争和访问冲突基础保护5基本的资源访问控制机制进程管理1进程概念与特征理解进程作为程序执行实例的基本概念，掌握进程的动态性、并发性、独立性等重要特征2进程状态与转换学习进程的各种状态及其转换条件，理解操作系统如何管理进程的生命周期3进程控制与调度掌握进程控制块的结构和作用，学习各种进程调度算法的原理和应用场景4进程通信与同步理解进程间通信的必要性，掌握信号量、管程等同步机制的使用方法进程的概念进程的本质进程的特征进程是程序在计算机上的一次执行活动，是系统进行资源分配和进程具有动态性、并发性、独立性和异步性等重要特征动态性调度的基本单位与静态的程序不同，进程具有明显的动态特体现在进程的创建、执行和撤销过程；并发性使多个进程能够同征，包括程序代码、数据、堆栈以及进程控制块等组成部分时执行；独立性保证进程间不会相互干扰；异步性则反映了进程执行的不可预测性进程的状态及转换运行态进程正在上执行指令的状态，在单处理器系统中，同一时刻只能有CPU一个进程处于运行态就绪态进程已经具备运行条件，正在等待分配的状态，这类进程已加载到CPU内存中阻塞态进程因等待某个事件发生而暂时停止执行的状态，如等待操作完成I/O或资源释放终止态进程执行完毕或因异常而结束执行的状态，等待操作系统回收相关资源进程调度调度算法特点适用场景优缺点先来先服务按到达顺序调批处理系统简单但响应时度间长短作业优先优先执行短作已知执行时间平均等待时间业短时间片轮转固定时间片切分时系统响应时间好换优先级调度按优先级高低实时系统灵活但可能饥饿进程同步与互斥临界资源与临界区信号量机制管程机制临界资源是一次只能被一个进程使用信号量是一种经典的进程同步工具，管程是一种高级同步机制，将共享数的共享资源，如打印机、共享变量通过操作和操作实现进程的互斥和据和对数据的操作封装在一起，通过P V等临界区是访问临界资源的代码同步二元信号量用于互斥，计数信条件变量实现进程的等待和唤醒，比段，必须保证同一时刻只有一个进程号量用于资源管理和进程同步信号量更安全易用在临界区内执行死锁问题死锁产生死锁预防多个进程因争夺资源而造成的一种相互通过破坏死锁产生的必要条件来预防死等待现象，导致所有进程都无法继续执锁的发生，如资源有序分配法行死锁恢复死锁检测一旦检测到死锁，通过撤销进程或抢占系统定期检查是否存在死锁状态，发现资源等方式打破死锁状态死锁后采用适当的恢复策略存储管理虚拟存储最高层次的存储抽象页面管理内存分页和地址映射分配策略动态内存分配算法地址映射逻辑地址到物理地址转换内存的层次结构寄存器1内部最快的存储器CPU高速缓存2介于和主存之间的快速存储CPU主存储器3程序和数据的主要存储区域辅助存储4大容量的永久性存储设备连续分配管理方式单一连续分配整个内存只运行一个用户程序，结构简单但内存利用率低，适用于早期的单用户系统固定分区分配将内存划分为若干固定大小的分区，每个分区装入一个作业，实现简单但存在内部碎片动态分区分配根据作业大小动态划分内存分区，提高了内存利用率，但可能产生外部碎片问题非连续分配管理方式分页管理分段管理将逻辑地址空间和物理地址空间都划分为固定大小的页面，通过按照程序的逻辑结构将地址空间划分为若干段，如代码段、数据页表实现地址映射分页管理能够有效利用内存空间，消除外部段等分段管理符合用户的思维习惯，便于程序的编写和调试，碎片，但可能存在内部碎片页面大小的选择需要平衡内部碎片但可能产生外部碎片段的大小可以动态变化，更加灵活和页表大小虚拟内存技术1虚拟内存概念允许程序的逻辑地址空间大于物理内存大小，通过页面调度实现程序的部分装入2请求分页只将当前需要的页面装入内存，其余页面保存在外存中，需要时再调入3页面置换当内存不足时，选择合适的页面换出到外存，为新页面腾出空间4工作集管理根据程序的局部性原理，动态调整每个进程在内存中的页面数量页面置换算法进程的换出换出时机确定当系统内存不足，无法为新进程分配足够内存时，或者当系统负载过重，需要暂时减少内存中的进程数量时，操作系统会启动进程换出机制系统会监控内存使用情况和系统性能指标，在适当时机触发换出操作选择换出进程优先选择处于阻塞状态的进程，因为它们暂时不需要；其次考虑优CPU先级较低的进程；还要考虑进程的大小和换出成本系统会综合评估这些因素，选择最适合换出的进程，以最小化对系统性能的影响执行换出操作将选定进程的内存映像完整地保存到外存的交换区中，更新进程控制块的状态信息，释放该进程占用的内存空间当进程需要重新运行时，再将其从外存换入到内存中，恢复其执行环境设备管理设备分类设备控制器软件层次按照传输速率、信息交硬件与软件之间的接包括用户层、设备独立换单位和共享属性对口，负责控制具体设备层、设备驱动层和中断I/O设备进行分类管理，制的操作，处理设备状态处理层的分层管理结定相应的控制策略和数据传输构缓冲技术通过缓冲区技术平衡和设备之间的速CPU I/O度差异，提高系统整体效率设备分类I/O按传输速率分类按信息交换单位低速设备如键盘鼠标，中速设备如打印块设备以数据块为单位传输，如硬盘；12机，高速设备如磁盘光驱不同速率设字符设备以字符为单位传输，如键盘鼠备需要不同的控制策略标按设备功能分类按设备共享属性输入设备获取外部信息，输出设备显示独占设备一次只能分配给一个进程，共43处理结果，存储设备保存数据信息，通享设备可同时为多个进程服务，虚拟设信设备实现数据传输备通过技术手段实现设备共享软件层次结构I/O用户层I/O软件1为用户程序提供便利的接口I/O设备独立性软件2提供统一的设备访问接口设备驱动程序3控制具体硬件设备操作中断处理程序4处理硬件中断和异常设备分配的基本概念设备分配数据结构系统维护设备控制表（）、控制器控制表（）、通道控制表DCT COCT（）和系统设备表（）等数据结构CHCT SDT设备分配步骤首先分配设备，然后分配控制器，最后分配通道，形成从设备到通道的完整路径I/O分配算法策略采用先来先服务、优先级调度等算法，在保证公平性的同时提高设备利用率设备独立性实现通过逻辑设备名到物理设备名的映射，实现应用程序与具体物理设备的分离磁盘管理磁盘结构与特性磁盘调度算法磁盘由多个盘片组成，每个盘片有两个记录表面，表面划分为多包括先来先服务（）、最短寻道时间优先（）、扫描FCFS SSTF个磁道，每个磁道又分为若干扇区磁盘的性能主要由寻道时算法（）、循环扫描（）等不同算法在吞吐SCAN C-SCAN间、旋转延迟和数据传输时间决定了解磁盘的物理结构是优化量、响应时间和公平性方面各有特点，需要根据实际应用场景选磁盘性能的基础择合适的调度策略文件管理文件的概念与属性文件组织方式文件是存储在外存上的相关信息的命名集合，具有名称、包括顺序组织、索引组织、散列组织等，不同的组织方式类型、大小、创建时间等属性适用于不同的访问模式4目录结构管理文件保护机制从单级目录到树形目录结构的演进，实现文件的分类存储通过访问控制、加密技术等手段保护文件安全，防止未授和高效检索权访问和数据泄露文件的逻辑结构流式文件记录式文件文件内容是连续的字节流，没有文件由一系列相关记录组成，每固定的记录结构这种结构简单个记录包含若干字段记录可以灵活，适用于文本文件、程序文是定长的也可以是变长的，适用件等应用程序可以从任意位置于数据库文件、人事档案等结构开始读写，提供了最大的灵活化数据的存储性索引文件为了提高文件访问效率而建立的具有索引结构的文件通过索引可以快速定位到所需的记录，特别适合大型数据文件的随机访问操作文件的物理结构连续分配索引分配文件在磁盘上占用连续的存储块，访问速度快但容易产通过索引块记录文件各数据块的地址，支持随机访问，生外部碎片，不利于文件动态增长但小文件会浪费索引空间1234链接分配混合索引文件块通过指针链接，支持动态增长，但随机访问效率结合直接索引、间接索引等多种方式，适应不同大小文低，且指针占用额外存储空间件的存储需求，是现代文件系统的主流选择目录管理单级目录结构所有文件都在同一个目录中，结构简单但不支持重名文件，查找效率低下这种结构只适用于早期简单的文件系统，现代系统已基本不采用这种方式文件数量增多时，管理和查找都变得困难两级目录结构为每个用户建立单独的用户目录，解决了文件重名问题，提供了基本的用户隔离但仍然不支持文件的分类组织，用户无法创建子目录来组织自己的文件，限制了文件系统的灵活性树形目录结构支持多级子目录的层次结构，用户可以根据需要创建子目录来分类组织文件这种结构提供了良好的文件组织能力，支持绝对路径和相对路径，是现代文件系统的标准结构允许用户灵活地组织和管理大量文件文件共享与保护系统安全与保护威胁识别加密防护识别和分析各种网络安全威胁，包括恶采用现代加密技术保护敏感数据，实现意软件、网络攻击、数据泄露等风险数据传输和存储的安全性防护体系身份认证部署防火墙、入侵检测系统等多层防护建立可靠的用户身份认证机制，确保只措施，构建完整的安全防护体系有授权用户才能访问系统资源操作系统中的对话框对话框的作用对话框类型对话框是操作系统中重要的用户交互界面元素，用于收集用户输包括文件操作对话框、属性设置对话框、错误信息对话框、确认入、显示系统信息和确认用户操作它们为用户提供了直观的交对话框等多种类型每种对话框都有特定的用途和设计规范，需互方式，使复杂的系统操作变得简单易懂对话框的设计直接影要根据具体的交互需求选择合适的对话框类型，并遵循一致的设响用户体验和操作效率计原则主流操作系统比较操作系统特点适用场景市场占有率用户友好，软个人电脑，办Windows75%件丰富公环境设计精美，性创意设计，专macOS15%能稳定业应用开源免费，可服务器，开发Linux8%定制性强环境移动系统触控优化，应智能手机，平98%用丰富板电脑操作系统发展趋势云操作系统基于云计算的操作系统将成为主流，提供弹性计算资源和按需服务，支持大规模分布式应用物联网操作系统专为物联网设备设计的轻量级操作系统，具有低功耗、实时性强、安全可靠等特点智能化发展人工智能技术与操作系统深度融合，实现智能资源调度、自适应优化和预测性维护虚拟化容器容器技术和虚拟化将进一步发展，提供更高效的资源利用和更灵活的应用部署方式。