《操作系統(tǒng)》教案課件

《操作系統(tǒng)》課程簡介本課程將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念和原理，幫助您理解計算機系統(tǒng)的工作機制。課程內容涵蓋進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)、設備管理等關鍵主題，并結合實際案例進行講解。WDbyWD操作系統(tǒng)基本概念定義操作系統(tǒng)是管理計算機硬件和軟件資源的系統(tǒng)軟件。目標為用戶提供一個友好的環(huán)境，方便地使用計算機資源。作用管理硬件、提供用戶界面、管理程序、管理文件、提供網絡支持等。操作系統(tǒng)的功能管理計算機硬件資源操作系統(tǒng)管理CPU、內存、磁盤和其他外設，提供統(tǒng)一的接口供應用程序使用。提供用戶接口操作系統(tǒng)為用戶提供友好的圖形界面或命令行界面，方便用戶操作計算機。管理軟件資源操作系統(tǒng)管理應用程序，包括加載、執(zhí)行和卸載應用程序，并分配資源，確保不同程序之間互不沖突。提供文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)，幫助用戶管理文件和目錄，并提供各種文件操作功能。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)批處理系統(tǒng)，例如IBM的OS/360和UNIVAC的EXEC，是早期操作系統(tǒng)。它們將一批作業(yè)一起提交到系統(tǒng)，并按順序執(zhí)行。分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)，例如UNIX和Multics，允許多個用戶同時使用計算機，每個用戶都有自己的進程。它們使用時間片輪轉調度算法，為每個進程分配一定的時間片。個人計算機操作系統(tǒng)個人計算機操作系統(tǒng)，例如MS-DOS和Windows，是為個人電腦設計的，它們提供用戶友好的圖形界面，并支持各種應用程序。網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)，例如NovellNetWare和MicrosoftWindowsNT，是為網絡環(huán)境設計的，它們允許用戶訪問網絡資源，例如文件服務器和打印機。移動操作系統(tǒng)移動操作系統(tǒng)，例如Android和iOS，是為智能手機和平板電腦設計的，它們支持移動應用程序，以及多點觸控和GPS導航。操作系統(tǒng)的分類1批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)一次性處理一批作業(yè)，效率較高，但缺少交互性。2分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)將CPU時間分配給多個用戶，支持多用戶并發(fā)工作，提高系統(tǒng)利用率。3實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)能夠及時響應外部事件，對時間敏感，廣泛應用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)。4網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)提供網絡資源共享，方便用戶訪問網絡資源，支持文件共享、打印共享等功能。進程管理概述進程管理是操作系統(tǒng)中最重要的功能之一，負責創(chuàng)建、調度、銷毀進程。操作系統(tǒng)通過進程管理實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的有效分配和管理，確保多個進程能夠安全、高效地運行。進程的生命周期1創(chuàng)建系統(tǒng)為進程分配資源，例如內存和文件。2就緒進程已準備好運行，等待CPU資源。3運行進程正在執(zhí)行，占用CPU資源。4阻塞進程等待某個事件，例如I/O完成。5終止進程執(zhí)行完成，釋放資源。進程的生命周期是指進程從創(chuàng)建到終止的整個過程。這是一個循環(huán)，進程在不同的狀態(tài)之間切換，直到最終終止。進程同步問題競態(tài)條件多個進程競爭訪問共享資源會導致數(shù)據(jù)不一致，影響程序正確性。死鎖多個進程相互等待對方釋放資源，陷入無限循環(huán)狀態(tài)，無法繼續(xù)執(zhí)行。信號量利用信號量機制控制訪問共享資源，確保操作的原子性和數(shù)據(jù)的一致性。互斥鎖使用互斥鎖保護共享資源，一次僅允許一個進程訪問，防止數(shù)據(jù)沖突。進程同步的方法信號量信號量是一種常用的同步機制，用于控制對共享資源的訪問。互斥鎖互斥鎖是一種更嚴格的同步機制，確保同一時間只有一個進程可以訪問共享資源。管程管程是一種高級的同步機制，它將共享數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的過程封裝在一起。條件變量條件變量用于進程之間的協(xié)作，允許進程在滿足特定條件時被喚醒。進程調度算法調度目標提高系統(tǒng)吞吐量，降低系統(tǒng)開銷，縮短平均等待時間，保證系統(tǒng)公平性。算法分類先來先服務，短作業(yè)優(yōu)先，優(yōu)先級調度，時間片輪轉，多級反饋隊列。算法比較不同算法的優(yōu)缺點各不相同，需要根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最合適的算法。內存管理概述內存管理是操作系統(tǒng)中一項重要功能，負責分配、回收內存資源。內存管理通過合理分配和管理內存空間，提高內存利用率，避免內存碎片化，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。內存管理的主要目標是：提高內存利用率保護進程獨立性方便內存分配和回收分區(qū)管理技術單一連續(xù)分配將內存空間劃分為固定大小的區(qū)域，每個程序占用一個分區(qū)。簡單易實現(xiàn)，但內存利用率低，容易產生內存碎片。可變分區(qū)分配根據(jù)程序大小動態(tài)分配內存空間，提高內存利用率。但分配和回收內存空間復雜，可能導致內存碎片。頁式管理技術頁式管理將邏輯地址空間劃分為大小相同的頁，并將物理內存劃分為大小相同的頁框，頁與頁框之間一一對應，并建立頁表。頁表頁表是一個表格，用于記錄頁與頁框之間的對應關系，以及一些頁面的狀態(tài)信息。地址轉換當程序訪問一個地址時，操作系統(tǒng)通過頁表找到對應的物理地址，然后將數(shù)據(jù)讀寫到內存中。段式管理技術11.分割內存將程序和數(shù)據(jù)分割成大小可變的邏輯段，每個段都有獨立的名稱和地址。22.地址映射將邏輯地址轉換為物理地址，使用段表存儲每個段的起始地址和長度。33.動態(tài)分配允許程序段在運行時動態(tài)加載和卸載，提高內存利用率。44.保護機制通過段表實現(xiàn)訪問控制，保護程序和數(shù)據(jù)不被非法訪問。虛擬內存技術概念虛擬內存是指將部分磁盤空間用作內存擴展，使用戶可以訪問比實際物理內存更大的地址空間。優(yōu)勢提高內存利用率，允許運行大于物理內存的程序，減少內存碎片，增強系統(tǒng)效率。技術虛擬內存通過頁式管理技術實現(xiàn)，操作系統(tǒng)將程序代碼和數(shù)據(jù)分成頁面，按需加載到物理內存。應用現(xiàn)代操作系統(tǒng)廣泛采用虛擬內存技術，例如Windows、Linux和macOS等。文件管理概述文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責對文件進行管理和操作。它提供了一系列功能，包括創(chuàng)建、刪除、修改、讀取、存儲和檢索文件。文件管理系統(tǒng)使得用戶能夠輕松地組織和訪問文件，并確保文件數(shù)據(jù)的安全性和完整性。文件系統(tǒng)結構11.文件組織文件系統(tǒng)將文件組織成層次化的目錄結構，方便管理和訪問。22.元數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)存儲文件屬性信息，例如文件名、大小、創(chuàng)建日期等。33.索引節(jié)點索引節(jié)點保存文件元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)塊地址信息，用于快速定位文件數(shù)據(jù)。44.數(shù)據(jù)塊文件數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，由多個數(shù)據(jù)塊組成，每個數(shù)據(jù)塊包含一定大小的數(shù)據(jù)。文件訪問方法順序訪問順序訪問是指從文件開頭開始，依次讀取或寫入數(shù)據(jù)，一次只能讀取或寫入一個數(shù)據(jù)塊。這種方法簡單直觀，適合處理線性數(shù)據(jù)，但效率較低，不適合隨機訪問。直接訪問直接訪問是指能夠直接訪問文件中的任意位置，而不必從文件開頭逐個讀取數(shù)據(jù)。直接訪問效率高，適用于隨機訪問，但需要額外的索引結構，增加文件管理的復雜度。目錄管理樹形結構目錄管理采用樹形結構，方便組織和管理文件，提高效率。路徑名每個文件都有唯一的路徑名，方便用戶訪問和定位文件。搜索功能提供搜索功能，幫助用戶快速找到所需文件。設備管理概述設備管理是操作系統(tǒng)的一個重要組成部分，負責管理計算機系統(tǒng)中的各種硬件設備。設備管理的主要任務包括：設備的分配和回收、設備的訪問控制、設備的驅動程序管理、設備的性能監(jiān)控和故障處理。設備管理的目標是：有效地利用硬件資源，提高系統(tǒng)性能，保證系統(tǒng)安全可靠地運行。緩存技術高速緩存高速緩存是位于處理器和主內存之間的小型、快速內存。它存儲最近訪問的數(shù)據(jù)和指令，以加快訪問速度。磁盤緩存磁盤緩存是操作系統(tǒng)用來存儲磁盤數(shù)據(jù)副本的內存區(qū)域，以提高磁盤訪問速度。它可以減少磁盤I/O操作，提高系統(tǒng)性能。網絡緩存網絡緩存（也稱為代理緩存）是一種用于存儲網頁和其他網絡內容的服務器。它可以減少對原始服務器的請求，從而提高網絡訪問速度。磁盤調度算法先來先服務(FCFS)按照請求到達順序分配磁頭移動，簡單易實現(xiàn)，但可能導致磁頭頻繁移動，效率低下。最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)選擇下一個距離磁頭最近的請求進行服務，平均尋道時間最短，但可能導致某些請求長時間等待。掃描算法(SCAN)磁頭從當前位置向一個方向掃描，處理所有請求，然后反向掃描，能保證每個請求最終都能被處理。循環(huán)掃描算法(C-SCAN)磁頭從當前位置向一個方向掃描，到達最遠端后立即返回起點，不處理方向相反的請求。中斷處理機制CPU處理器CPU負責執(zhí)行指令，并根據(jù)中斷信號切換到中斷處理程序。中斷處理程序中斷處理程序是專門的代碼段，用于處理特定類型的中斷。中斷向量表中斷向量表用于存儲每個中斷類型對應的中斷處理程序地址。中斷標志寄存器中斷標志寄存器用于控制CPU的中斷處理功能，例如啟用或禁用中斷。I/O管理I/O設備I/O設備是指與計算機系統(tǒng)進行信息交換的外部設備，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、硬盤等。I/O控制操作系統(tǒng)負責管理和控制I/O設備，提供統(tǒng)一的I/O接口，簡化應用程序對I/O設備的訪問。I/O驅動程序I/O驅動程序是操作系統(tǒng)用于與特定I/O設備進行交互的軟件，它負責處理設備的特殊指令和操作。I/O緩沖區(qū)I/O緩沖區(qū)是系統(tǒng)內存中的一塊區(qū)域，用于暫存數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少CPU等待時間。安全管理概述安全管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，確保系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)的安全。它涵蓋了多個方面，包括訪問控制、身份驗證、數(shù)據(jù)加密以及惡意軟件防護。安全管理的目標是防止未經授權的訪問、數(shù)據(jù)泄露和系統(tǒng)故障，從而保護系統(tǒng)資源和用戶信息。訪問控制技術基于用戶身份訪問控制技術基于用戶身份進行驗證和授權，確保只有授權用戶才能訪問特定資源?；诮巧诮巧脑L問控制允許將用戶分配到不同的角色，并根據(jù)角色定義訪問權限，簡化了權限管理。基于策略策略驅動的訪問控制基于預定義的策略來決定用戶對資源的訪問權限，可實現(xiàn)更靈活的訪問控制。加密技術11.對稱加密使用相同的密鑰進行加密和解密。22.非對稱加密使用不同的密鑰進行加密和解密。33.哈希算法將任意長度的輸入轉換為固定長度的輸出。44.數(shù)字簽名使用私鑰對消息進行簽名，公鑰進行驗證。多媒體操作系統(tǒng)多媒體支持多媒體操作系統(tǒng)支持音頻、視頻、圖像等多種格式，并提供相應的處理功能。游戲開發(fā)多媒體操作系統(tǒng)優(yōu)化了對圖形處理、音頻處理、網絡通信等功能的支持，為游戲開發(fā)提供良好的環(huán)境。視頻制作多媒體操作系統(tǒng)支持視頻編輯、特效制作等功能，可用于影視后期制作、動畫制作等。音樂制作多媒體操作系統(tǒng)支持音樂創(chuàng)作、音頻編輯、混音等功能，可用于音樂制作、錄音等。實時操作系統(tǒng)實時性實時操作系統(tǒng)需要在嚴格的時間限制內響應事件。