計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課件湯子瀛

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件資源和軟件資源的基礎(chǔ)軟件。它為用戶和應(yīng)用程序提供了一個(gè)良好的環(huán)境,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和核心。操作系統(tǒng)涵蓋了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和功能,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)重要組成部分。操作系統(tǒng)的基本功能和作用資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源,如CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備。程序執(zhí)行操作系統(tǒng)提供運(yùn)行應(yīng)用程序所需的環(huán)境,負(fù)責(zé)程序的加載和調(diào)度。用戶交互操作系統(tǒng)提供圖形用戶界面(GUI)或命令行界面,便于用戶操作計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)免受惡意軟件和未授權(quán)訪問(wèn)的侵害。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程1大型機(jī)時(shí)代1950年代至1960年代的中央集中式操作系統(tǒng)2微型機(jī)時(shí)代1970年代至1980年代的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)3網(wǎng)絡(luò)時(shí)代1990年代至2000年代的分布式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)4移動(dòng)時(shí)代2000年代至今的移動(dòng)智能設(shè)備操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從大型機(jī)時(shí)代、微型機(jī)時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代到移動(dòng)時(shí)代的發(fā)展歷程。每個(gè)階段的操作系統(tǒng)都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景,反映了計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)步。操作系統(tǒng)的基本組成內(nèi)核(Kernel)操作系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)硬件資源,如內(nèi)存、CPU和I/O設(shè)備等。文件管理器管理文件的創(chuàng)建、讀寫(xiě)、存儲(chǔ)和保護(hù)等,提供統(tǒng)一的文件接口。內(nèi)存管理負(fù)責(zé)進(jìn)程的內(nèi)存分配和回收,實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存等功能。進(jìn)程管理負(fù)責(zé)進(jìn)程的創(chuàng)建、切換和調(diào)度,確保公平合理地使用CPU資源。操作系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程1啟動(dòng)系統(tǒng)電源開(kāi)啟，BIOS自檢并加載引導(dǎo)程序。2加載內(nèi)核引導(dǎo)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存中。3初始化內(nèi)核初始化各種系統(tǒng)資源和進(jìn)程。4運(yùn)行操作系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，管理和調(diào)度各種進(jìn)程。操作系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程包括四個(gè)主要步驟:啟動(dòng)、加載內(nèi)核、初始化、以及進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中,操作系統(tǒng)會(huì)管理和調(diào)度各種進(jìn)程,確保系統(tǒng)資源的高效利用。進(jìn)程管理進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一,涉及創(chuàng)建、調(diào)度、控制和終止進(jìn)程等操作,確保系統(tǒng)資源的有效利用和任務(wù)的高效執(zhí)行。進(jìn)程的概念和狀態(tài)進(jìn)程的概念進(jìn)程是一個(gè)正在執(zhí)行的程序?qū)嵗?是操作系統(tǒng)管理和調(diào)度的基本單元。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的地址空間、資源和執(zhí)行狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程可處于就緒、運(yùn)行、阻塞和終止等不同狀態(tài),操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程狀態(tài)的切換來(lái)調(diào)度和管理進(jìn)程的執(zhí)行。進(jìn)程切換當(dāng)一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程由于某種原因無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行時(shí),操作系統(tǒng)會(huì)中斷該進(jìn)程并保存其當(dāng)前狀態(tài),然后切換到另一個(gè)就緒進(jìn)程。進(jìn)程通信不同進(jìn)程可通過(guò)共享內(nèi)存、消息傳遞等方式進(jìn)行通信和協(xié)作,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。進(jìn)程控制進(jìn)程創(chuàng)建通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新的進(jìn)程,并分配必要的資源。進(jìn)程終止進(jìn)程可主動(dòng)調(diào)用退出系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束自身,或被操作系統(tǒng)強(qiáng)制終止。進(jìn)程切換操作系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度算法在進(jìn)程間切換,保證公平性和響應(yīng)性。進(jìn)程掛起/恢復(fù)進(jìn)程可被暫時(shí)掛起,并在需要時(shí)恢復(fù)執(zhí)行。進(jìn)程同步與互斥進(jìn)程同步進(jìn)程同步是指多個(gè)進(jìn)程之間協(xié)調(diào)操作,確保它們按照特定的順序執(zhí)行,避免因資源爭(zhēng)用而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。同步機(jī)制包括信號(hào)量、互斥鎖等。進(jìn)程互斥進(jìn)程互斥是指在一個(gè)時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)臨界區(qū)資源,避免資源爭(zhēng)用導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致。常用的互斥機(jī)制包括測(cè)試與設(shè)置指令、信號(hào)量和互斥鎖。案例分析通過(guò)具體的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題等案例,分析進(jìn)程同步和互斥的實(shí)現(xiàn)方式以及在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用。進(jìn)程調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度,簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。短作業(yè)優(yōu)先優(yōu)先調(diào)度估計(jì)運(yùn)行時(shí)間較短的進(jìn)程,提高系統(tǒng)吞吐量。最高優(yōu)先級(jí)優(yōu)先根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度,確保高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程得到及時(shí)執(zhí)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)按照時(shí)間片輪流調(diào)度各個(gè)進(jìn)程,兼顧公平性和響應(yīng)性。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配計(jì)算機(jī)的內(nèi)存資源,確保各個(gè)進(jìn)程能夠高效、安全地訪問(wèn)內(nèi)存。內(nèi)存管理包括內(nèi)存分配策略、虛擬內(nèi)存技術(shù)等。內(nèi)存分配策略連續(xù)內(nèi)存分配將內(nèi)存劃分為大小相等的塊,每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)或多個(gè)完整的內(nèi)存塊。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但內(nèi)存利用率低。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配根據(jù)進(jìn)程需求大小動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存,可提高內(nèi)存利用率。但需要復(fù)雜的內(nèi)存管理算法來(lái)維護(hù)內(nèi)存空閑區(qū)。分頁(yè)內(nèi)存分配將內(nèi)存劃分為固定大小的頁(yè),進(jìn)程以頁(yè)為單位申請(qǐng)內(nèi)存。靈活性好,但需要額外的頁(yè)表管理開(kāi)銷。虛擬內(nèi)存技術(shù)內(nèi)存抽象虛擬內(nèi)存技術(shù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間,隱藏了物理內(nèi)存的細(xì)節(jié),讓程序以簡(jiǎn)單的方式訪問(wèn)內(nèi)存。頁(yè)面交換當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí),虛擬內(nèi)存可將不常用的頁(yè)面交換到磁盤(pán)上,從而提高內(nèi)存的利用率。內(nèi)存隔離虛擬內(nèi)存技術(shù)可以在不同進(jìn)程之間建立內(nèi)存隔離,提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中各種類型的文件數(shù)據(jù),包括創(chuàng)建、打開(kāi)、關(guān)閉、讀取、寫(xiě)入和刪除等操作。同時(shí)還要提供良好的文件目錄結(jié)構(gòu)和訪問(wèn)控制機(jī)制,以確保文件的安全和有效利用。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)采用分層目錄結(jié)構(gòu),用戶可以通過(guò)路徑快速定位到所需文件。根目錄為起點(diǎn),下設(shè)多層子目錄,形成樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)。元數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)維護(hù)文件的元數(shù)據(jù),如文件名、創(chuàng)建時(shí)間、所有者等信息,用于快速查找和管理。持久性存儲(chǔ)文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)在磁盤(pán)等持久性存儲(chǔ)介質(zhì)上,即使斷電也能保證數(shù)據(jù)安全。訪問(wèn)控制文件系統(tǒng)提供訪問(wèn)控制機(jī)制,確保文件的安全性,只有授權(quán)用戶才能訪問(wèn)和修改相應(yīng)文件。文件訪問(wèn)控制1身份驗(yàn)證文件訪問(wèn)控制需要實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份的有效驗(yàn)證,確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶才能訪問(wèn)文件。2權(quán)限管理操作系統(tǒng)需要提供細(xì)致的權(quán)限管理機(jī)制,包括讀、寫(xiě)、執(zhí)行等不同權(quán)限,滿足不同用戶的需求。3日志記錄對(duì)于關(guān)鍵文件的訪問(wèn)情況要進(jìn)行日志記錄,以便于審查和分析。4動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)該支持對(duì)文件訪問(wèn)權(quán)限的動(dòng)態(tài)調(diào)整,以靈活應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需求的變化。設(shè)備管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理各種硬件設(shè)備的運(yùn)行,確保它們?cè)谙到y(tǒng)中協(xié)調(diào)工作。設(shè)備管理包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的加載和控制、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控以及I/O請(qǐng)求的管理等關(guān)鍵功能。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備抽象化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)椴僮飨到y(tǒng)提供統(tǒng)一的設(shè)備操作接口,隱藏了硬件細(xì)節(jié),簡(jiǎn)化了上層軟件的開(kāi)發(fā)。硬件兼容性設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序確保操作系統(tǒng)能夠與各種硬件設(shè)備無(wú)縫協(xié)作,提高了系統(tǒng)的兼容性和靈活性。動(dòng)態(tài)加載現(xiàn)代操作系統(tǒng)支持熱插拔和動(dòng)態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。硬件控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠直接訪問(wèn)硬件寄存器,提供了對(duì)硬件的精細(xì)控制。輸入輸出系統(tǒng)中央處理器與外圍設(shè)備的協(xié)作操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)中央處理器與外圍設(shè)備之間的通信與數(shù)據(jù)交換,確保高效穩(wěn)定的輸入輸出操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,作為各類外圍設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的接口,屏蔽硬件細(xì)節(jié)。緩沖區(qū)和緩存技術(shù)操作系統(tǒng)利用緩沖區(qū)和緩存技術(shù),提高輸入輸出效率,降低處理延遲。同步與異步I/O操作系統(tǒng)支持同步和異步輸入輸出模式,滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。中斷處理機(jī)制快速響應(yīng)中斷機(jī)制能立即暫停當(dāng)前進(jìn)程,優(yōu)先處理緊急事件,確保系統(tǒng)可及時(shí)響應(yīng)外部設(shè)備和內(nèi)部事件。優(yōu)先級(jí)調(diào)度通過(guò)設(shè)置不同優(yōu)先級(jí),中斷處理程序能夠根據(jù)事件重要性高低進(jìn)行調(diào)度,保證關(guān)鍵任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。硬件支持中斷機(jī)制依賴于CPU、總線和外圍設(shè)備等硬件的支持,確保事件通知和處理的及時(shí)性。軟件管理操作系統(tǒng)通過(guò)建立中斷向量表、中斷處理程序和中斷屏蔽等機(jī)制,有效管理中斷的軟件實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)安全性操作系統(tǒng)安全性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán),涉及用戶訪問(wèn)控制、加密認(rèn)證等核心功能。通過(guò)實(shí)施有效的安全防護(hù)措施,可以有效保護(hù)系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù),確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。訪問(wèn)控制機(jī)制1身份認(rèn)證通過(guò)用戶名、密碼、生物特征等方式確認(rèn)用戶身份，確保只有授權(quán)用戶能訪問(wèn)系統(tǒng)。2權(quán)限管理根據(jù)用戶的角色和職責(zé)分配相應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限，限制用戶的操作范圍。3審計(jì)追蹤記錄用戶的訪問(wèn)行為,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并追究責(zé)任。4策略制定制定合理的訪問(wèn)控制策略,平衡系統(tǒng)安全與用戶需求。加密和認(rèn)證技術(shù)數(shù)據(jù)加密通過(guò)先進(jìn)的加密算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無(wú)法讀取的形式,確保信息安全傳輸。身份驗(yàn)證通過(guò)密碼、生物特征等方式驗(yàn)證用戶身份,防止非法訪問(wèn)或冒充。數(shù)字簽名使用私鑰對(duì)文件數(shù)字簽名,確保數(shù)據(jù)完整性和來(lái)源可信度。密鑰管理建立安全可靠的密鑰生成、分發(fā)和存儲(chǔ)機(jī)制,確保加密系統(tǒng)的安全性。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,操作系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和變革。從傳統(tǒng)的單一功能型操作系統(tǒng),到現(xiàn)代化的多功能集成操作系統(tǒng),再到未來(lái)可能出現(xiàn)的智能操作系統(tǒng),它們都反映了人類需求的變化與技術(shù)發(fā)展的方向。微內(nèi)核操作系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)微內(nèi)核操作系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),將操作系統(tǒng)內(nèi)核精簡(jiǎn)到最小,將大部分系統(tǒng)功能作為用戶態(tài)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。這提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。增強(qiáng)安全性微內(nèi)核設(shè)計(jì)將關(guān)鍵系統(tǒng)組件隔離,提高了系統(tǒng)的安全性,降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)也更容易恢復(fù)。性能優(yōu)勢(shì)相比傳統(tǒng)的宏內(nèi)核設(shè)計(jì),微內(nèi)核在執(zhí)行速度和響應(yīng)時(shí)間上有顯著優(yōu)勢(shì),適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)快速響應(yīng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)專注于對(duì)關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行快速、可預(yù)測(cè)的響應(yīng),確保及時(shí)完成關(guān)鍵操作。確定性和可靠性實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常用于航天、醫(yī)療等對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域,需要提供確定的行為和高度的可靠性。資源管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須能夠高效地管理和分配有限的系統(tǒng)資源,以滿足各個(gè)任務(wù)的時(shí)間約束。實(shí)時(shí)調(diào)度實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用專門(mén)的調(diào)度算法,根據(jù)任務(wù)的截止時(shí)間和優(yōu)先級(jí)來(lái)安排執(zhí)行順序。分布式操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合分布式操作系統(tǒng)能夠?qū)⒍嗯_(tái)計(jì)算機(jī)連接起來(lái),形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算環(huán)境。可擴(kuò)展性分布式系統(tǒng)可根據(jù)需求動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,增加或減少計(jì)算資源,提高系統(tǒng)性能。容錯(cuò)性當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí),分布式系統(tǒng)可自動(dòng)轉(zhuǎn)移任務(wù),確保整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。協(xié)作共享分布式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享和信息交換,提高整體工作效率。云計(jì)算操作系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展性云計(jì)算操作系統(tǒng)能夠根據(jù)需求動(dòng)態(tài)擴(kuò)展計(jì)算和存儲(chǔ)資源,提供高度的靈活性和可伸縮性?；谔摂M化的架構(gòu)云計(jì)算操作系統(tǒng)基于虛擬化技術(shù),將硬件資源抽象為虛擬資源,實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)分配和管理。多租戶和服務(wù)模式云計(jì)算操作系統(tǒng)支持多租戶隔離,并以服務(wù)的形式提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源。安全和隱私保護(hù)云計(jì)算操作系統(tǒng)需要提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)控制機(jī)制,保護(hù)用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全。移動(dòng)操作系統(tǒng)智能移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)操作系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備，為用戶提供流暢的交互體驗(yàn)。多樣化生態(tài)主流移動(dòng)操作系統(tǒng)包括iOS、Android、WindowsPhone等，擁有豐富的應(yīng)用程序和服務(wù)生態(tài)。即時(shí)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接移動(dòng)操作系統(tǒng)支持隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)連接，為用戶提供便捷的信息獲取和社交分享功能。個(gè)性化設(shè)置移動(dòng)操作系統(tǒng)允許用戶自定義主屏幕、聲音提示、壁紙等個(gè)性化設(shè)置，增強(qiáng)使用體驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)1高度集成物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)緊密集成傳感器、通信和處理能力,提供端到端的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。2實(shí)時(shí)響應(yīng)快速響應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),能夠即時(shí)作出決策和反饋,滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用