计算机操作系统李翠霞课件

计算机操作系统计算机操作系统是管理和控制计算机硬件资源以及软件资源的程序，它为用户提供一个友好的界面，并协调计算机系统中的各种资源。操作系统是现代计算机系统必不可少的组成部分。操作系统概述计算机系统核心操作系统是计算机系统的重要组成部分，它负责管理和控制系统资源，为应用程序提供运行环境。软件与硬件桥梁操作系统充当了软件和硬件之间的桥梁，为应用程序提供统一的接口，隐藏了硬件的复杂性。资源管理操作系统管理着计算机系统的各种资源，包括CPU、内存、存储器、网络等。用户交互操作系统提供用户界面，方便用户使用计算机，执行各种操作。操作系统的定义和功能管理计算机资源操作系统管理计算机的硬件和软件资源，例如CPU、内存、磁盘和外设。它负责分配资源给不同的应用程序并确保它们能够有效地运行。提供用户界面操作系统提供了一个用户友好的界面，允许用户与计算机交互。这包括图形界面、命令行界面以及各种应用程序接口。管理程序执行操作系统负责加载、执行和管理程序。它处理程序之间的资源竞争并确保程序按照预期的顺序运行。操作系统的发展历程1早期操作系统在20世纪50年代，出现了第一个操作系统，它被称为通用自动计算机（UNIVAC）系统。它主要用于批处理任务，允许用户将一批作业提交给计算机，然后计算机一次处理一个作业。2批处理操作系统在20世纪60年代，出现了批处理操作系统，它可以同时处理多个作业，从而提高了计算机的使用效率。批处理操作系统将用户作业提交给操作系统，操作系统按顺序执行它们，并输出结果。3分时操作系统在20世纪70年代，出现了分时操作系统，它允许多个用户同时使用一台计算机，并使每个用户感觉拥有自己的计算机。分时操作系统将处理器的时间分成多个时间片，并分配给不同的用户，从而实现多用户共享计算机。4现代操作系统在20世纪80年代和90年代，出现了图形用户界面(GUI)操作系统，例如Windows和macOS。这些操作系统使用图形界面，让用户更容易使用计算机。操作系统的基本特征并发操作系统允许多个程序同时运行，提高系统资源利用率。例如，用户可以同时编辑文档、播放音乐、浏览网页等。共享多个程序可以共享系统资源，如CPU、内存、外设等，提高资源利用率。比如，多个用户可以共享打印机、磁盘等资源。虚拟操作系统为用户提供一个虚拟的机器环境，屏蔽硬件细节，简化用户操作。用户无需了解硬件细节，就可以方便地使用系统资源。异步操作系统中程序执行是异步的，即程序执行时间不可预知，允许多个程序并发执行，提高了系统效率。操作系统的基本组成1内核操作系统核心，管理系统资源，提供基础服务。2系统调用接口应用程序与内核交互的桥梁，提供系统功能调用。3系统程序扩展内核功能，提供用户服务，例如文件管理和网络服务。4用户界面用户与操作系统交互的窗口，提供图形界面或命令行界面。操作系统的分类批处理操作系统主要用于处理大量作业，一次性输入多个作业，顺序执行，提高CPU利用率。分时操作系统允许多个用户同时使用系统，将CPU时间切分成时间片，轮流分配给各个用户，实现交互式操作。实时操作系统对时间响应要求很高，需要在规定的时间内完成任务，应用于工业控制、航空航天等领域。网络操作系统支持多个用户在网络环境下共享资源，例如文件、打印机等，提高资源利用率。单道批处理操作系统11.顺序执行一次只运行一个程序，程序执行完毕后才能加载下一个程序。22.效率低下资源利用率低，CPU和内存的利用率不高，浪费了系统资源。33.操作复杂用户需要掌握复杂的命令和操作，对用户来说很麻烦。44.适用场景早期计算环境，计算任务简单，资源有限。多道批处理操作系统同时执行多个程序多道批处理操作系统可以同时运行多个程序，提高系统效率。提高CPU利用率通过在程序之间快速切换，多道批处理系统最大化CPU使用率，减少闲置时间。作业队列多道批处理系统将多个程序（作业）存储在队列中，依次执行。自动作业处理操作员无需手动干预，系统自动执行作业，提高工作效率。分时操作系统多用户共享多个用户可以同时使用一台计算机，每个用户都拥有自己的独立环境，但同时共享计算机的资源，如处理器、内存等。时间片轮转操作系统将处理器时间划分成一个个时间片，每个用户程序可以轮流执行一个时间片，从而实现多个用户程序的并发执行。交互式操作用户可以实时与计算机交互，例如输入命令、查看结果等，并得到快速响应。提高系统资源利用率通过让多个用户共享计算机资源，可以有效提高资源利用率。实时操作系统实时性实时操作系统需要在规定的时间内对事件做出响应。系统必须在时间限制内完成特定任务，以满足实时应用的严格时间要求。应用场景实时操作系统广泛应用于工业自动化，航空航天，医疗设备等领域。它们管理实时应用程序，例如机器人控制，航空交通管制和医疗监测系统。进程概述程序的执行进程是正在执行的程序实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。独立的资源单元进程拥有独立的地址空间、内存资源和打开的文件，程序之间相互独立。动态变化进程会经历创建、运行、暂停、结束等状态，每个状态都可以相互转换，动态地改变。资源管理操作系统通过进程管理来分配和回收资源，提高系统利用率和效率。进程的状态及转换1运行状态进程正在执行2就绪状态进程已准备好执行3阻塞状态进程等待某个事件进程状态是指进程在生命周期中所处的状态。进程状态之间可以相互转换，例如，当一个进程从运行状态被剥夺CPU时，它会进入就绪状态。当一个进程等待某个事件时，它会进入阻塞状态。进程控制块进程控制块（PCB）PCB是操作系统用来管理进程的重要数据结构，包含了进程的各种信息。PCB内容进程标识符进程状态程序计数器CPU寄存器内存地址进程调度进程调度算法进程调度算法用于选择一个就绪进程，并将其分配到处理器上执行。调度目标进程调度算法的目标是提高系统性能，例如吞吐量、响应时间、资源利用率等。常见调度算法先来先服务（FCFS）最短作业优先（SJF）优先级调度时间片轮转调度多级反馈队列调度线程概述轻量级进程线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，是进程的一个执行流。共享资源同一个进程中的所有线程共享进程的内存空间、打开的文件和其他资源。独立执行线程可以独立运行，并拥有自己的堆栈和局部变量，独立进行调度和执行。并发执行多个线程可以同时执行，提高程序的并发性和效率。线程的特点及实现线程允许在同一进程中并行执行多个任务。同一进程的多个线程共享相同的内存空间和资源，例如文件、变量和数据结构。线程比进程更轻量级，创建和销毁线程比创建和销毁进程更有效率。同一进程的线程可以轻松地进行通信，例如通过共享内存或消息传递。内存管理概述内存资源管理计算机内存是有限的，需要合理管理，确保不同程序和数据都能获得必要的内存空间。内存管理主要负责分配和回收内存空间，并确保内存访问的正确性和安全性。内存保护操作系统需要保护不同进程之间的内存空间，防止一个进程访问另一个进程的内存区域。这可以通过地址空间划分、内存访问权限控制等机制来实现。内存分配策略首次适应算法从内存的起始地址开始搜索，直到找到第一个能满足分配需求的空闲分区。最佳适应算法从内存的所有空闲分区中选择最小的能满足分配需求的空闲分区。最坏适应算法从内存的所有空闲分区中选择最大的能满足分配需求的空闲分区。虚拟内存技术内存空间扩展利用硬盘空间作为虚拟内存，扩展物理内存容量。多任务支持多个进程共享物理内存，提高系统利用率。内存保护隔离进程之间的内存访问，保护系统安全。页式虚拟存储管理1地址转换将逻辑地址转换为物理地址。2页表存储页号和物理地址对应关系。3页面逻辑地址空间的最小单位。4帧物理内存的最小单位。页式虚拟存储管理是一种常见的虚拟存储管理技术，它将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，并将物理内存划分为相同大小的帧。每个页面对应一个帧，页面表存储页面和帧之间的对应关系。当CPU访问逻辑地址时，操作系统将逻辑地址转换为物理地址，并根据页面表找到对应的帧，然后访问物理内存。文件管理概述文件组织操作系统负责管理存储在计算机上的各种数据文件，以便用户方便地访问和使用。数据存储文件管理系统负责分配和管理磁盘空间，将数据存储在适当的位置，并确保数据安全性和完整性。文件共享文件管理系统允许用户共享文件，并在不同用户之间建立访问权限控制，确保文件安全。数据备份文件管理系统提供备份和恢复机制，以防止数据丢失，提高数据安全性和可靠性。文件存储设备磁带顺序访问设备，容量大，成本低，数据存储密度高。适用于备份、存档等用途，但访问速度慢，不适合频繁读写。磁盘直接访问设备，速度快，容量较大，随机访问数据。适用于操作系统、应用程序、用户数据等，分为硬盘、软盘、光盘等。固态硬盘闪存芯片，速度快，耐用性高，体积小，但价格高。适用于笔记本电脑、服务器等，越来越流行，逐渐取代传统硬盘。网络存储通过网络连接存储设备，方便共享数据，提高数据安全性。包括NAS（网络附加存储）和SAN（存储区域网络）等。文件存储结构11.顺序结构文件以顺序方式存储，存取必须按顺序进行。22.链接结构文件以多个数据块组成，每个数据块包含指针，指向下一个数据块，形成链状结构。33.索引结构文件包含索引表，每个索引项对应一个数据块，存储数据块地址。44.混合结构结合了顺序结构和链接结构，既能方便顺序访问，又能灵活处理随机访问。文件目录树形目录结构树形目录结构是一种常用的文件组织方式，它将所有文件和目录组织成一个树状结构，方便用户查找和管理文件。层次结构每个目录可以包含子目录和文件，形成一个多层结构，便于用户对文件进行分类和管理。路径每个文件或目录在文件系统中都有一个唯一的路径，用于标识其在文件系统中的位置。根目录文件系统的根目录是所有其他目录的父目录，是文件系统的起点。文件存取方法顺序存取从文件开头开始，顺序读取数据。适用于顺序处理数据的程序。直接存取可直接访问文件中的任何位置，无需顺序访问。适用于频繁修改数据、需要随机访问数据的程序。索引顺序存取结合了顺序存取和直接存取的优点。使用索引表来定位数据，提高访问效率。设备管理概述硬件资源操作系统管理各种硬件设备，例如硬盘、键盘、鼠标、打印机等。软件管理操作系统管理各种软件资源，例如驱动程序、应用程序、库文件等。共享资源操作系统负责管理和分配硬件资源给不同的用户和程序。数据流操作系统管理数据在设备之间传输，并确保数据的完整性和安全性。设备类型及特点硬盘驱动器硬盘驱动器是计算机中最常用的存储设备，用于存储操作系统、应用程序和其他文件。硬盘驱动器通常是基于磁盘的，使用磁头在盘片上读写数据。固态硬盘固态硬盘是一种新型存储设备，使用闪存芯片来存储数据。固态硬盘比硬盘驱动器速度更快，更耐用，但通常价格更高。打印机打印机是一种输出设备，将计算机中的数据转换为纸质文档。打印机可以是喷墨打印机、激光打印机或其他类型。输入设备键盘和鼠标是常用的输入设备，用于向计算机输入信息。键盘用于输入文字和数字，而鼠标用于控制光标和选择选项。设备驱动程序11.接口层负责与操作系统进行交互，接收操作系统的命令并传递给硬件设备。22.硬件层直接与硬件设备交互，控制设备的操作，并向操作系统汇报设备的状态。33.中断处理设备驱动程序需要处理设备产生的中断信号，及时响应设备事件。44.错误处理设备驱动程序需要处理设备运行过程中可能出现的错误，并采取适当的措施。输入/输出系统数据传输输入/输出系统是计算机与外部世界交互的关键，它负责将数据从外部设备传输到内存，或从内存传输到外部设备。设