(2024年)《操作系統(tǒng)原理》教學大綱

《操作系統(tǒng)原理》教學大綱12024/3/26contents目錄課程介紹與教學目標操作系統(tǒng)基本概念進程管理內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設備管理操作系統(tǒng)安全與保護課程總結(jié)與展望22024/3/2601課程介紹與教學目標32024/3/26

課程背景及意義計算機系統(tǒng)的核心操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的核心軟件，它提供了計算機運行的基本環(huán)境。承上啟下的作用操作系統(tǒng)在計算機科學中處于承上啟下的地位，它既是硬件功能的首次擴充，又是其他系統(tǒng)軟件和應用軟件運行的基礎平臺。推動技術(shù)發(fā)展對操作系統(tǒng)原理的深入理解和掌握有助于推動計算機科學技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。42024/3/2603素質(zhì)目標培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，提高學生的計算機素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。01知識目標掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理和功能，了解各種類型的操作系統(tǒng)及其特點。02能力目標能夠運用所學知識分析和解決操作系統(tǒng)中的常見問題，具備設計和開發(fā)簡單操作系統(tǒng)的能力。教學目標與要求52024/3/263.《深入理解計算機系統(tǒng)》（作者：RandalE.Bryant,DavidR.O'Hallaron，出版社：機械工業(yè)出版社）2.《操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)》（作者：XXX，出版社：XXX）1.《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》（作者：AndrewS.Tanenbaum,HerbertBos，出版社：機械工業(yè)出版社）教材：《操作系統(tǒng)原理》（作者：XXX，出版社：XXX）參考書目教材及參考書目62024/3/2602操作系統(tǒng)基本概念72024/3/26定義操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，它是計算機上的一個關(guān)鍵組成部分。功能操作系統(tǒng)主要功能是管理計算機硬件和軟件資源，為用戶提供一個方便、高效的使用環(huán)境。重要性操作系統(tǒng)的好壞直接影響計算機系統(tǒng)的性能和用戶的使用體驗。操作系統(tǒng)的定義與功能82024/3/26根據(jù)不同的標準，操作系統(tǒng)可以分為批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)等。分類發(fā)展歷程趨勢操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從手工操作到批處理，再到分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程。未來操作系統(tǒng)將更加注重用戶體驗、安全性和智能化。030201操作系統(tǒng)的分類與發(fā)展歷程92024/3/26WindowsLinuxmacOSUnix典型操作系統(tǒng)介紹Windows操作系統(tǒng)界面友好，適合普通用戶使用，但資源占用較多。macOS操作系統(tǒng)只能在蘋果電腦上使用，設計優(yōu)美，用戶體驗好。Linux操作系統(tǒng)開源免費，安全性高，但操作相對復雜。Unix操作系統(tǒng)歷史悠久，穩(wěn)定性好，但價格較高。102024/3/2603進程管理112024/3/26進程是操作系統(tǒng)中進行資源分配和調(diào)度的基本單位，它是程序的執(zhí)行過程，具有動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性和異步性等基本特征。進程的定義進程在其生命周期內(nèi)會經(jīng)歷多種狀態(tài)，如新建態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、阻塞態(tài)和終止態(tài)等。這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了進程的基本行為。進程的狀態(tài)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以清晰地表示進程在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程，以及導致狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件或條件。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進程的概念及狀態(tài)轉(zhuǎn)換122024/3/26PCB的定義01進程控制塊（PCB）是操作系統(tǒng)用于記錄和描述進程狀態(tài)及相關(guān)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是進程存在的唯一標識。PCB的作用02PCB提供了進程管理和調(diào)度所需的各種信息，如進程標識符、處理器狀態(tài)、進程優(yōu)先級、資源清單等。操作系統(tǒng)通過PCB來感知和管理進程。PCB的內(nèi)容03PCB通常包含進程標識符、處理機狀態(tài)、進程調(diào)度信息、進程控制信息等內(nèi)容。其中處理機狀態(tài)包括通用寄存器、程序計數(shù)器和程序狀態(tài)字等。進程控制塊PCB的作用與內(nèi)容132024/3/26常見的進程調(diào)度算法包括先來先服務（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級調(diào)度（PriorityScheduling）、時間片輪轉(zhuǎn)（RR）等。這些算法根據(jù)不同的原則和目標對進程進行調(diào)度。進程調(diào)度算法評價進程調(diào)度算法的指標主要包括周轉(zhuǎn)時間、等待時間、響應時間、吞吐量等。這些指標反映了算法的性能和效率，是評價算法優(yōu)劣的重要依據(jù)。評價指標進程調(diào)度算法及評價指標142024/3/2604內(nèi)存管理152024/3/26內(nèi)存的定義內(nèi)存是計算機中重要的部件之一，它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內(nèi)存中進行的，因此內(nèi)存的性能對計算機的影響非常大。內(nèi)存的作用內(nèi)存也被稱為內(nèi)存儲器，其作用是用于暫時存放CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲器交換的數(shù)據(jù)。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進行運算，當運算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來，內(nèi)存的運行也決定了計算機的穩(wěn)定運行。內(nèi)存的基本概念及作用162024/3/26連續(xù)分配管理方式是指為一個用戶程序分配一個連續(xù)的內(nèi)存空間。包括單一連續(xù)分配、固定分區(qū)分配和動態(tài)分區(qū)分配三種方式。連續(xù)分配管理方式實現(xiàn)簡單，不需要復雜的軟件和硬件支持。對于某些特定的應用，如需要大塊連續(xù)內(nèi)存空間的應用，連續(xù)分配管理方式可以提供較好的性能。優(yōu)點分析會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，內(nèi)存利用率低。在動態(tài)分區(qū)分配方式中，每次分配和回收內(nèi)存都需要進行大量的系統(tǒng)開銷，如查找空閑分區(qū)、修改分區(qū)大小等。缺點分析連續(xù)分配管理方式及優(yōu)缺點分析172024/3/26非連續(xù)分配管理方式非連續(xù)分配管理方式允許一個程序分散地裝入到不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中。包括分頁存儲管理、分段存儲管理和段頁式存儲管理三種方式。優(yōu)點分析解決了內(nèi)存碎片問題，提高了內(nèi)存利用率。允許程序的大小超過可用內(nèi)存的大小，通過虛擬內(nèi)存技術(shù)實現(xiàn)。提供了更好的內(nèi)存保護，每個程序只能訪問自己的內(nèi)存空間，不能訪問其他程序的內(nèi)存空間。缺點分析需要復雜的軟件和硬件支持，如頁表、段表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應的內(nèi)存管理算法。在頁式存儲管理中，會產(chǎn)生頁面抖動現(xiàn)象，即頻繁地換入換出頁面導致系統(tǒng)性能下降。非連續(xù)分配管理方式及優(yōu)缺點分析182024/3/2605文件系統(tǒng)192024/3/26123文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責管理持久性數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，它提供了對數(shù)據(jù)的組織、存儲、訪問和保護等功能。文件系統(tǒng)的定義包括文件的創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉、刪除等操作，以及文件的組織和存儲管理，如目錄管理、磁盤空間管理等。文件系統(tǒng)的功能通常包括用戶接口、文件系統(tǒng)功能實現(xiàn)和存儲設備驅(qū)動三個層次，各層次之間通過接口進行交互。文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)的基本概念及功能202024/3/26文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)文件的邏輯結(jié)構(gòu)是用戶可見的，而物理結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)內(nèi)部管理的。操作系統(tǒng)需要實現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的映射，以提供高效的文件訪問服務。邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系從用戶角度出發(fā)看到的文件組織形式，常見的邏輯結(jié)構(gòu)有順序文件、索引文件、散列文件等。文件的邏輯結(jié)構(gòu)文件在存儲設備上的存放方式，與存儲設備的物理特性有關(guān)。常見的物理結(jié)構(gòu)有連續(xù)存放、鏈式存放、索引存放等。文件的物理結(jié)構(gòu)212024/3/26文件目錄的概念文件目錄是記錄文件系統(tǒng)中所有文件信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它提供了對文件的組織和訪問方式。文件目錄的結(jié)構(gòu)常見的目錄結(jié)構(gòu)有單級目錄、二級目錄樹和多級目錄樹等。多級目錄樹可以更有效地組織和管理大量文件。目錄訪問方法包括路徑名訪問法和句柄訪問法。路徑名訪問法是通過給出從根目錄到目標文件的路徑來訪問文件；句柄訪問法是通過系統(tǒng)提供的文件句柄來訪問文件，適用于對文件的直接和快速訪問。文件目錄結(jié)構(gòu)及訪問方法222024/3/2606設備管理232024/3/2603確保設備的高效、安全和可靠運行。01設備管理的任務02提供方便的設備使用接口，使用戶無需關(guān)心設備細節(jié)。設備管理的任務和功能242024/3/26123實現(xiàn)設備的合理分配和調(diào)度，提高設備利用率。設備管理的功能設備識別與配置：自動識別系統(tǒng)設備，并進行合理配置。設備管理的任務和功能252024/3/26設備狀態(tài)監(jiān)測與故障處理實時監(jiān)測設備狀態(tài)，對故障進行及時處理。設備安全與保護確保設備數(shù)據(jù)的安全性和完整性，防止非法訪問和操作。設備驅(qū)動與控制提供設備驅(qū)動程序，實現(xiàn)對設備的控制。設備管理的任務和功能262024/3/26特點CPU與設備串行工作，效率低下。適用場景簡單、低速的I/O設備。I/O控制方式及特點比較272024/3/26I/O控制方式及特點比較特點CPU與設備可并行工作，提高了效率。適用場景中、低速的I/O設備。282024/3/26VS主存與設備之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與設備可并行工作，進一步提高了效率。適用場景高速的I/O設備。特點I/O控制方式及特點比較292024/3/26特點實現(xiàn)了對I/O操作的統(tǒng)一管理，進一步提高了系統(tǒng)的并行性。適用場景大型、復雜的計算機系統(tǒng)。I/O控制方式及特點比較302024/3/26在作業(yè)開始執(zhí)行前，一次性地為其分配所需的全部設備資源。靜態(tài)分配策略在作業(yè)執(zhí)行過程中，根據(jù)實際需要動態(tài)地為其分配設備資源。動態(tài)分配策略設備分配策略及實現(xiàn)方法312024/3/26通過建立設備分配表、控制器表、通道表等表格來記錄設備的分配情況。表格法利用位圖來表示設備的分配狀態(tài)，每一位代表一個設備或一類設備。位圖法使用鏈表來記錄設備的分配情況，鏈表中的每個節(jié)點代表一個設備或一類設備。鏈表法設備分配策略及實現(xiàn)方法322024/3/2607操作系統(tǒng)安全與保護332024/3/26威脅與攻擊類型分析常見的操作系統(tǒng)威脅和攻擊手段，如病毒、蠕蟲、木馬、拒絕服務攻擊等。安全策略與機制介紹操作系統(tǒng)提供的安全策略和機制，如用戶認證、訪問控制、加密等。操作系統(tǒng)安全性的定義闡述操作系統(tǒng)安全性在計算機系統(tǒng)中的重要性，包括數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可用性。操作系統(tǒng)安全概述342024/3/26解釋訪問控制的核心思想，即主體對客體的訪問權(quán)限管理。訪問控制的基本概念描述ACL的工作原理和實現(xiàn)方法，如何通過ACL來管理用戶對資源的訪問權(quán)限。訪問控制列表（ACL）闡述MAC的特點和實現(xiàn)原理，如基于格模型的訪問控制。強制訪問控制（MAC）介紹RBAC的基本概念和實現(xiàn)方法，如何通過角色來管理用戶的權(quán)限?；诮巧脑L問控制（RBAC）訪問控制機制的實現(xiàn)原理352024/3/26解釋加密技術(shù)的核心思想，包括加密算法、密鑰管理等。加密技術(shù)的基本概念文件加密磁盤加密網(wǎng)絡通信加密描述操作系統(tǒng)中文件加密的實現(xiàn)方法和技術(shù)，如EFS（加密文件系統(tǒng)）。闡述磁盤加密的原理和實現(xiàn)方法，包括全盤加密和分區(qū)加密等。介紹網(wǎng)絡通信中加密技術(shù)的應用，如SSL/TLS協(xié)議提供的端到端加密通信。加密技術(shù)在操作系統(tǒng)中的應用362024/3/2608課程總結(jié)與展望372024/3/26進程管理詳細闡述了進程的概念、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進程調(diào)度算法以及進程同步與通信等關(guān)鍵內(nèi)容。操作系統(tǒng)基本概念包括操作系統(tǒng)的定義、功能、分類以及發(fā)展歷程等。內(nèi)存管理深入探討了內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)、虛擬內(nèi)存管理、頁面置換算法以及內(nèi)存分配與回收等核心知識點。設備管理講解了設備管理的目標和功能、I/O控制方式、設備分配與回收以及緩沖管理等關(guān)鍵知識點。文件系統(tǒng)介紹了文件系統(tǒng)的基本概念、文件的組織與訪問方式、文件目錄結(jié)構(gòu)以及文件保護等重要內(nèi)容。課程重點內(nèi)容回顧382024/3/26微型化與嵌入式操作系統(tǒng)隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能終端的普及，微型化和嵌入式操作系統(tǒng)將成為未來發(fā)展的重要方向，它們需要更加輕量級、高效和安全。云計算和分布