计算机操作系统课件

计算机操作系统概述操作系统是计算机系统的核心，管理着硬件资源和软件资源，为用户提供一个统一的界面，方便用户使用计算机。操作系统主要负责管理计算机的内存、文件系统、进程、线程、中断和外设等，以确保系统的稳定运行和高效利用。操作系统的定义和作用11.定义操作系统是计算机系统中最重要的系统软件。22.功能它负责管理计算机系统的硬件和软件资源。33.作用为用户提供一个友好、高效的运行环境。44.核心操作系统是计算机系统中的核心。操作系统的基本功能内存管理操作系统负责管理计算机系统的内存资源，为程序提供所需的内存空间，并确保程序之间的内存隔离。文件管理操作系统负责管理文件系统，提供创建、删除、修改、复制、读取和写入文件的功能，并组织和维护文件存储空间。用户管理操作系统负责管理用户身份和权限，控制用户对系统资源的访问，并提供用户认证和安全管理。设备管理操作系统负责管理计算机系统中的各种硬件设备，如磁盘、打印机、网络接口等，并为应用程序提供统一的访问接口。操作系统的分类批处理操作系统批处理操作系统将作业以批次的形式提交给系统，并按顺序执行。交互式操作系统交互式操作系统允许用户与系统直接交互，及时获得反馈。实时操作系统实时操作系统要求系统能及时响应外部事件，并对事件进行处理。分布式操作系统分布式操作系统将多个计算机系统连接起来，共同完成一个任务。单道批处理操作系统单道批处理操作系统是一种早期操作系统。它一次只运行一个程序，程序执行完毕后才能运行下一个程序。由于只能顺序执行，效率较低。该系统利用穿孔卡片或磁带输入程序，并把结果打印到纸质报表上，没有交互性。批处理系统主要适用于科学计算和数据处理等任务。多道批处理操作系统资源共享多道程序设计允许多个程序同时驻留在内存中，共享系统资源。提高CPU利用率通过轮流执行多个程序，最大限度地利用了CPU，提高了系统效率。作业调度操作系统负责调度程序执行顺序，确保各个程序都能获得执行机会。分时操作系统分时操作系统是一种多用户操作系统，它允许多个用户同时使用一台计算机。它通过时间片轮转的方式，将处理器时间分配给不同的用户，从而使每个用户都感觉自己在独占地使用计算机。分时操作系统的主要特点是：快速响应、交互性、资源共享和安全性。实时操作系统快速响应实时操作系统需要在严格的时间限制内完成任务，以满足实时应用程序的要求。确定性行为实时操作系统保证响应时间和任务执行时间，以确保系统可靠性和可预测性。高可靠性实时操作系统通常用于安全关键系统，需要确保系统稳定性和数据完整性。应用领域实时操作系统广泛应用于工业自动化、医疗设备、航空航天等领域，提供实时控制和数据处理能力。个人计算机操作系统个人计算机操作系统(PCOS)专为个人电脑设计，提供用户友好的界面和丰富的应用程序。常见PC操作系统包括Windows、macOS和Linux。PCOS通常支持图形用户界面(GUI)，简化了用户与计算机的交互。操作系统的体系结构分层结构操作系统被分成多个层次。每个层次都提供一些服务给上层，并使用下层提供的服务。这种结构方便调试和维护。微内核结构将操作系统核心功能最小化，其他功能以模块形式实现。这种结构更灵活，更容易扩展。客户机/服务器结构操作系统被分成客户机和服务器两部分。客户机请求服务，服务器提供服务。这种结构更易于管理和扩展。进程管理1进程创建创建新进程，分配资源2进程调度选择进程，分配CPU3进程同步协调进程间通信4进程通信进程间数据交换5进程终止回收进程资源进程管理是操作系统核心功能之一，负责管理系统中运行的多个进程，确保它们有效运行并互相协调。进程管理包括进程创建、调度、同步、通信和终止等。进程的概念程序程序是一组指令，是静态的，不能独立执行。进程进程是程序的执行过程，是动态的，有独立的执行空间。进程的状态运行状态进程正在CPU上运行，执行它的指令。就绪状态进程已准备好运行，但由于其他进程正在运行而等待CPU。阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成。进程在生命周期中会不断转换这三种状态。进程控制块进程标识符用于唯一标识一个进程。它可以是数字、字符串或其他形式的标识符。进程状态表示进程当前所处的状态，例如运行、就绪、阻塞等。程序计数器指示进程下一步要执行的指令地址。CPU寄存器包含进程在执行过程中需要使用的各种寄存器值，例如累加器、通用寄存器等。进程调度算法11.先来先服务(FCFS)进程按到达时间顺序执行，简单易实现，但容易造成短作业等待时间过长。22.最短作业优先(SJF)选择预计运行时间最短的进程优先执行，可以提高系统吞吐量，但需要预知作业执行时间。33.优先级调度根据进程优先级选择进程，可以设置静态优先级或动态优先级，优先级高的进程优先执行。44.时间片轮转每个进程分配一个时间片，轮流执行，可以实现交互式系统，但需要进行上下文切换，增加系统开销。内存管理1内存管理的重要性内存管理是操作系统的核心功能之一，它负责分配和回收内存资源，保证程序高效运行。2内存管理目标内存管理的目标是提高内存利用率，防止内存碎片，并确保程序之间相互独立。3内存管理方式常见的内存管理方式包括连续分配、离散分配和虚拟内存技术，每种方式都有其优缺点。内存管理的基本概念11.内存空间分配为程序和数据分配内存空间，确保程序之间不会相互干扰。22.内存保护防止程序访问未授权的内存区域，保护系统安全性和稳定性。33.内存共享允许多个程序共享内存空间，提高内存利用率，并方便程序之间的数据交互。44.内存回收释放不再使用的内存空间，为新的程序和数据提供空间。连续分配方式单一连续分配将整个内存空间分配给一个进程，每个进程占据一块连续的内存区域。简单易于实现，但是内存利用率低，可能导致内存碎片。固定分区分配将内存划分成固定大小的区域，每个区域可以分配给一个进程。内存利用率比单一连续分配更高，但仍可能存在内存碎片问题。离散分配方式分页式内存管理将内存空间划分为大小相等的页面，程序也划分为相同大小的页面。程序的各页面可以在内存中不相邻，实现程序的非连续分配。分段式内存管理将程序划分为逻辑上独立的段，每个段对应于程序中一个逻辑单元，例如函数、数组或数据结构。段页式内存管理结合了分页和分段的优点，将程序分成段，然后将每个段分成页面。这种方式提供了更灵活的内存分配方式。虚拟内存技术虚拟内存的概念虚拟内存是将逻辑地址空间映射到物理地址空间的技术。分页式虚拟内存将虚拟内存划分为固定大小的页，物理内存也划分为相同大小的页框。分段式虚拟内存将虚拟内存划分为逻辑上连续的段，物理内存也划分为段。虚拟内存的优势可以运行比物理内存更大的程序允许多个程序同时运行提高系统资源利用率文件管理文件的概念和特性文件是存储在计算机上的信息集合。每个文件都有一个唯一的文件名和扩展名。文件具有大小、创建时间、修改时间等属性。文件系统结构文件系统组织和管理磁盘上的文件和目录。常见的结构包括树状结构和图状结构。文件存储空间管理操作系统管理磁盘上的存储空间，分配给不同的文件和目录。常见的方法包括连续分配、链接分配和索引分配。文件读写操作操作系统提供文件读写操作接口，允许应用程序访问和操作文件内容。文件的概念和特性文件信息存储和管理的基本单位。数据集合包含数据、程序、文本、图像、音频、视频等。命名和属性文件名文件类型创建时间文件大小安全属性访问权限控制，防止数据被恶意修改或删除。文件系统结构11.文件目录结构文件目录结构指文件在存储介质上的组织方式，它为用户提供了一种方便的查找和访问文件的方法。22.文件分配方式文件分配方式决定了文件在存储介质上的物理存储方式，不同的分配方式会影响文件的访问速度、存储效率等。33.文件访问控制文件访问控制机制用于保护文件信息，防止非法访问，它规定了不同的用户对文件的访问权限，例如读、写、执行等。44.文件系统安全文件系统安全是指保护文件信息的安全，防止数据丢失、损坏、被恶意篡改等，常见的安全机制包括访问控制、加密、备份等。文件存储空间管理连续分配方式连续分配方式简单易行，但会导致外部碎片问题。外部碎片是指内存中存在一些空闲空间，但这些空间太小，无法满足用户的需求。因此，连续分配方式容易导致内存利用率低下。链接分配方式链接分配方式可以克服外部碎片问题，但会导致内存访问速度变慢。因为需要根据链接指针来查找文件块，因此会增加磁盘访问次数。索引分配方式索引分配方式结合了连续分配和链接分配的优点，既可以克服外部碎片问题，又可以提高内存访问速度。但是，索引分配方式需要额外的空间来存储索引信息。文件读写操作文件读取操作将文件内容从存储介质传输到主内存的操作。文件写入操作将主内存中的数据传输到存储介质的操作。读写操作的类型顺序访问、直接访问、索引访问。输入/输出管理1I/O设备键盘、鼠标、显示器、打印机等2I/O控制管理I/O设备、分配资源3数据传输负责数据在CPU和I/O设备之间传输4错误处理处理I/O设备的故障和错误输入/输出管理是操作系统的重要组成部分。它负责管理计算机系统中所有I/O设备，包括分配I/O资源、控制数据传输和处理I/O错误。I/O设备的种类输入设备例如：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等，它们将外部信息转换为计算机能够识别的信号。输出设备例如：显示器、打印机、音箱、绘图仪等，将计算机处理的结果以人类可以理解的形式呈现出来。I/O设备的管理设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，负责控制设备的运行。设备独立性设备独立性是指操作系统屏蔽硬件设备的差异，让应用程序以统一的方式访问各种设备。设备分配策略设备分配策略决定了如何将I/O设备分配给多个进程，提高资源利用率。缓冲区管理缓冲区管理用于协调CPU和I/O设备之间的数据传输速度，提高系统效率。中断机制11.硬件中断硬件中断由硬件设备触发，例如键盘输入、硬盘访问完成。22.软件中断软件中断由程序执行指令触发，例如除零错误、访问非法内存地址。33.中断处理过程中断发生时，CPU会保存当前执行状态，然后转去执行中断处理程序。44.中断向量表中断向量表存储着各种中断类型对应的中断处理程序地址。设备驱动程序软件接口驱动程序充当操作系统与硬件设备之间的桥梁