《os系統(tǒng)的組成》課件

操作系統(tǒng)的組成操作系統(tǒng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源，并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。什么是操作系統(tǒng)11.管理資源操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè)。22.提供接口操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件差異，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。33.管理進(jìn)程操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度和管理進(jìn)程，確保多個(gè)進(jìn)程能夠共享資源，并高效地執(zhí)行任務(wù)。44.保護(hù)系統(tǒng)操作系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)資源不被非法訪問(wèn)，防止惡意程序破壞系統(tǒng)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。操作系統(tǒng)的功能管理系統(tǒng)資源包括CPU、內(nèi)存、外設(shè)等，確保高效利用，防止資源沖突。提供用戶接口方便用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交互，例如圖形界面、命令行界面。保證系統(tǒng)安全防止惡意軟件攻擊、數(shù)據(jù)丟失，保護(hù)系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)。管理程序運(yùn)行加載程序、分配內(nèi)存、執(zhí)行程序，并協(xié)調(diào)不同程序之間的運(yùn)行。操作系統(tǒng)的分類批處理操作系統(tǒng)批處理操作系統(tǒng)將作業(yè)以批量的形式提交，系統(tǒng)按順序執(zhí)行作業(yè)，提高了計(jì)算機(jī)資源利用率，降低了運(yùn)行成本。分時(shí)操作系統(tǒng)分時(shí)操作系統(tǒng)將CPU時(shí)間分配給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶都能與計(jì)算機(jī)交互，提高了系統(tǒng)交互性。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，主要用于工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)資源共享，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高了工作效率。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源2系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序與內(nèi)核交互的橋梁3系統(tǒng)程序提供系統(tǒng)級(jí)服務(wù)，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理4用戶程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，完成用戶任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核是核心組件，負(fù)責(zé)管理所有系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、CPU、設(shè)備等。系統(tǒng)調(diào)用接口為用戶程序提供了與內(nèi)核交互的機(jī)制，以便訪問(wèn)系統(tǒng)資源。系統(tǒng)程序提供更高級(jí)別的服務(wù)，例如文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理。用戶程序是在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)完成用戶任務(wù)。進(jìn)程管理進(jìn)程管理概述進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)核心組件之一。負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度、同步和終止進(jìn)程。進(jìn)程管理確保系統(tǒng)高效利用CPU和其他資源。進(jìn)程的定義及狀態(tài)進(jìn)程定義進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。它是一個(gè)正在執(zhí)行的程序，包含程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源等內(nèi)容。進(jìn)程狀態(tài)就緒狀態(tài)：等待分配CPU資源運(yùn)行狀態(tài)：正在執(zhí)行阻塞狀態(tài)：等待事件完成創(chuàng)建狀態(tài)：創(chuàng)建進(jìn)程終止?fàn)顟B(tài)：進(jìn)程結(jié)束進(jìn)程調(diào)度算法先到先服務(wù)(FCFS)最早提交的進(jìn)程首先獲得處理器，簡(jiǎn)單易行。優(yōu)先級(jí)調(diào)度(Priority)根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)分配處理器，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RoundRobin)每個(gè)進(jìn)程輪流獲得處理器時(shí)間片，適合多用戶系統(tǒng)。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行，提高系統(tǒng)吞吐量。線程管理線程定義線程是進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行單元，可以獨(dú)立運(yùn)行。線程共享進(jìn)程的地址空間和資源。線程優(yōu)點(diǎn)提高程序效率，允許多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。降低程序復(fù)雜度，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。內(nèi)存管理11.分配內(nèi)存操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配和管理內(nèi)存資源，為不同的進(jìn)程分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存空間。22.內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制可以防止進(jìn)程訪問(wèn)其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，確保系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。33.內(nèi)存共享操作系統(tǒng)允許進(jìn)程之間共享內(nèi)存，提升效率并簡(jiǎn)化進(jìn)程間通信。44.內(nèi)存回收當(dāng)進(jìn)程結(jié)束或不再需要內(nèi)存空間時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)回收分配給它的內(nèi)存。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存技術(shù)將主存與輔助存儲(chǔ)器結(jié)合，為程序提供更大的地址空間。它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間。分頁(yè)分頁(yè)是將邏輯地址空間分成固定大小的頁(yè)面，物理內(nèi)存也分成相同大小的頁(yè)框，頁(yè)面和頁(yè)框一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。頁(yè)面置換當(dāng)需要訪問(wèn)不在內(nèi)存中的頁(yè)面時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將部分內(nèi)存頁(yè)面換出到磁盤，并將所需的頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存。文件管理文件存儲(chǔ)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)組織文件，為用戶提供訪問(wèn)方式。文件訪問(wèn)用戶通過(guò)操作系統(tǒng)接口訪問(wèn)文件，進(jìn)行創(chuàng)建、刪除、修改等操作。安全保護(hù)文件管理系統(tǒng)確保文件安全，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和修改。文件共享操作系統(tǒng)支持不同用戶共享文件，提高資源利用率。文件系統(tǒng)的邏輯組成1目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，組織和管理文件和目錄。每個(gè)目錄都可以包含其他目錄和文件。這種結(jié)構(gòu)便于用戶組織文件。2文件元數(shù)據(jù)每個(gè)文件都包含元數(shù)據(jù)，提供有關(guān)文件的信息，例如文件大小、創(chuàng)建時(shí)間、訪問(wèn)權(quán)限等。這些信息幫助用戶管理文件。3存儲(chǔ)分配文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配磁盤空間，將文件存儲(chǔ)在磁盤上。它采用不同的分配策略，例如連續(xù)分配、鏈接分配和索引分配。設(shè)備管理硬件資源管理操作系統(tǒng)管理著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，例如CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)接口等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，它負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備進(jìn)行交互，并將硬件設(shè)備抽象成操作系統(tǒng)可以理解的形式。設(shè)備分配和共享操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配設(shè)備資源，確保多個(gè)應(yīng)用程序和用戶可以共享設(shè)備資源。設(shè)備安全和保護(hù)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)硬件設(shè)備免受惡意軟件和非授權(quán)訪問(wèn)的攻擊。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序11.硬件接口驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)操作系統(tǒng)和硬件之間的橋梁，提供與硬件交互的接口。22.硬件抽象驅(qū)動(dòng)程序隱藏硬件的復(fù)雜細(xì)節(jié)，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口。33.資源管理驅(qū)動(dòng)程序管理硬件資源，如內(nèi)存、中斷和I/O端口。44.錯(cuò)誤處理驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)處理硬件錯(cuò)誤，并通知操作系統(tǒng)。輸入/輸出管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序輸入/輸出管理的核心是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)管理特定硬件設(shè)備。它提供了軟件接口，允許應(yīng)用程序與硬件交互，并管理數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸輸入/輸出管理負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序傳遞到硬件設(shè)備，或從硬件設(shè)備傳遞到應(yīng)用程序。它管理數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，確保數(shù)據(jù)正確傳輸。中斷處理當(dāng)設(shè)備完成操作時(shí)，它會(huì)向操作系統(tǒng)發(fā)送中斷信號(hào)。輸入/輸出管理負(fù)責(zé)處理這些中斷，并通知應(yīng)用程序設(shè)備已經(jīng)完成操作。系統(tǒng)安全與保護(hù)安全威脅操作系統(tǒng)面臨各種安全威脅，例如病毒、惡意軟件、黑客攻擊等。安全威脅可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)崩潰或資源被盜。安全措施為了保障系統(tǒng)安全，操作系統(tǒng)采用各種安全措施，例如訪問(wèn)控制、身份驗(yàn)證、加密、防火墻等。安全措施旨在阻止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)、保護(hù)數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和可用性。用戶界面交互方式用戶通過(guò)界面與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，包括鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備。圖形元素界面包含圖標(biāo)、窗口、菜單等圖形元素，幫助用戶直觀地操作系統(tǒng)。視覺(jué)呈現(xiàn)用戶界面通過(guò)視覺(jué)呈現(xiàn)信息，提供用戶友好的操作體驗(yàn)。圖形用戶界面圖形用戶界面(GUI)使用圖形元素，例如圖標(biāo)、菜單和窗口，使操作更直觀。用戶通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等交互設(shè)備與界面進(jìn)行交互，提高了操作系統(tǒng)的易用性。GUI廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如Windows、macOS和Linux等。命令行界面命令行界面（CLI）是一種以文本方式與計(jì)算機(jī)交互的界面。用戶通過(guò)輸入命令來(lái)控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定操作。CLI通常用于系統(tǒng)管理員、程序員和其他需要進(jìn)行高級(jí)操作的用戶。它提供了一種更靈活、更強(qiáng)大的方式來(lái)與計(jì)算機(jī)交互。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要在嚴(yán)格的時(shí)間約束內(nèi)響應(yīng)事件，并完成指定的任務(wù)。應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。關(guān)鍵特性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常具有高可靠性、低延遲、高效率等特點(diǎn)。內(nèi)核設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核通常采用微內(nèi)核或混合內(nèi)核設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)時(shí)性的需求。嵌入式操作系統(tǒng)資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、存儲(chǔ)和處理能力。專用性它們通常設(shè)計(jì)用于執(zhí)行特定任務(wù)，例如控制設(shè)備或管理網(wǎng)絡(luò)。實(shí)時(shí)性它們必須對(duì)事件做出快速響應(yīng)，以確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行?？煽啃郧度胧较到y(tǒng)必須高度可靠，以避免故障導(dǎo)致設(shè)備損壞或數(shù)據(jù)丟失。分布式操作系統(tǒng)分布式資源多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成一個(gè)整體，共享資源。高可用性提高系統(tǒng)可靠性，容錯(cuò)性，提供持續(xù)服務(wù)。并行處理將任務(wù)分解到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，提高效率。并行操作系統(tǒng)定義并行操作系統(tǒng)允許在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，通過(guò)多處理器的使用，提升計(jì)算能力。優(yōu)點(diǎn)可以提高系統(tǒng)吞吐量，縮短任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，并提升資源利用率。特點(diǎn)需要特殊的硬件架構(gòu)，例如多處理器系統(tǒng)或集群，才能實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算、科學(xué)模擬、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。多處理器操作系統(tǒng)定義多處理器操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)處理器，每個(gè)處理器都能夠獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)。多處理器系統(tǒng)可以顯著提高系統(tǒng)性能，因?yàn)槎鄠€(gè)處理器可以并行處理多個(gè)任務(wù)。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期操作系統(tǒng)20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)批處理操作系統(tǒng)，提高了計(jì)算機(jī)利用率，但缺乏交互性。分時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)60年代，分時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了多用戶共享資源，并提供了交互式界面。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)20世紀(jì)70年代，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)出現(xiàn)，專門用于控制工業(yè)設(shè)備或其他實(shí)時(shí)系統(tǒng)。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)興起，如MS-DOS和Apple操作系統(tǒng)，為個(gè)人電腦用戶提供了方便易用的界面。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)20世紀(jì)90年代，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)發(fā)展迅速，如WindowsNT和Unix，支持網(wǎng)絡(luò)連接和資源共享。移動(dòng)操作系統(tǒng)21世紀(jì)，移動(dòng)操作系統(tǒng)成為主流，如Android和iOS，為智能手機(jī)和平板電腦提供了強(qiáng)大的功能和用戶體驗(yàn)。未來(lái)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算與云操作系統(tǒng)云計(jì)算將成為未來(lái)操作系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一，云操作系統(tǒng)將提供更加靈活、可擴(kuò)展和按需付費(fèi)的資源管理和服務(wù)模式。人工智能與操作系統(tǒng)人工智能技術(shù)將與操作系統(tǒng)深度融合，帶來(lái)更智能、更個(gè)性化的用戶體驗(yàn)，例如智能助手、自動(dòng)任務(wù)管理和安全防護(hù)。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將為操作系統(tǒng)帶來(lái)全新的用戶界面和交互方式，為用戶提供更沉浸式和互動(dòng)式的體驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)與操作系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及將對(duì)操作系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，例如如何管理海量設(shè)備、保證實(shí)時(shí)性和安全性。操作系統(tǒng)的選擇硬件兼容性確保操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備相兼容，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等。軟件支持選擇一個(gè)支持您需要的軟件和應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)，例如辦公軟件、開(kāi)發(fā)工具、游戲等。安全性和穩(wěn)定性選擇一個(gè)安全可靠的操作系統(tǒng)，可以有效地保護(hù)您的數(shù)據(jù)和隱私。用戶界面選擇一個(gè)擁有友好的用戶界面，并符合您的使用習(xí)慣的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的應(yīng)用案例11.桌面操作系統(tǒng)Windows、macOS、Linux等操作系統(tǒng)提供用戶友好的界面和豐富的應(yīng)用程序，廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦和筆記本電腦。22.移動(dòng)操作系統(tǒng)Android、iOS