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)歡迎來(lái)到操作系統(tǒng)課程。本課程將探討操作系統(tǒng)的基本原理、核心組件、設(shè)計(jì)策略以及實(shí)際應(yīng)用，幫助你深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制。課程概述目標(biāo)幫助學(xué)生掌握操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)和原理，了解操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要作用，并為學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。內(nèi)容涵蓋操作系統(tǒng)的基本概念、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、存儲(chǔ)管理、輸入輸出管理、保護(hù)與安全、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)和移動(dòng)操作系統(tǒng)等方面。方式采用課堂講授、案例分析、實(shí)驗(yàn)練習(xí)等多種教學(xué)方式，幫助學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)原理和應(yīng)用。操作系統(tǒng)的基本功能程序管理加載、執(zhí)行和管理用戶程序，提供運(yùn)行環(huán)境。數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)、組織和管理用戶數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)安全性和完整性。設(shè)備管理控制和分配系統(tǒng)硬件資源，包括CPU、內(nèi)存和外設(shè)。用戶界面提供友好的用戶交互方式，方便用戶使用系統(tǒng)。進(jìn)程管理操作系統(tǒng)核心功能之一，負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度、銷毀進(jìn)程，協(xié)調(diào)進(jìn)程間資源使用。進(jìn)程定義一個(gè)正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，擁有獨(dú)立的地址空間、資源和執(zhí)行環(huán)境。進(jìn)程狀態(tài)運(yùn)行、就緒、阻塞，進(jìn)程在不同狀態(tài)之間切換，反映其運(yùn)行狀態(tài)變化。進(jìn)程的定義和狀態(tài)進(jìn)程是指一個(gè)正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，它擁有自己的內(nèi)存空間、資源和其他屬性。進(jìn)程通常處于以下幾種狀態(tài)：運(yùn)行、就緒、阻塞、創(chuàng)建和終止。進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換取決于系統(tǒng)的調(diào)度策略和事件發(fā)生。進(jìn)程調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。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)程進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片用完后，進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列等待下一次調(diào)度。進(jìn)程同步共享資源訪問(wèn)多個(gè)進(jìn)程可能需要訪問(wèn)相同的資源，例如共享文件或數(shù)據(jù)庫(kù)。協(xié)調(diào)執(zhí)行確保多個(gè)進(jìn)程能夠協(xié)同工作，避免數(shù)據(jù)不一致或競(jìng)爭(zhēng)條件。同步機(jī)制使用信號(hào)量、互斥量、條件變量等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步。死鎖資源競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)有限的資源，導(dǎo)致互相等待對(duì)方釋放資源。循環(huán)等待多個(gè)進(jìn)程形成一個(gè)循環(huán)等待鏈，每個(gè)進(jìn)程都等待鏈中下一個(gè)進(jìn)程釋放資源。內(nèi)存管理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)分配和管理內(nèi)存資源，為運(yùn)行的程序提供地址空間。內(nèi)存保護(hù)確保程序訪問(wèn)其分配的內(nèi)存區(qū)域，防止程序之間相互干擾。連續(xù)分配內(nèi)存空間連續(xù)分配給每個(gè)進(jìn)程，簡(jiǎn)單易懂。可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存碎片，導(dǎo)致內(nèi)存利用率降低。適合單用戶或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)，如嵌入式系統(tǒng)。分頁(yè)1邏輯地址將內(nèi)存空間分成大小相等的頁(yè)，每個(gè)頁(yè)都有一個(gè)頁(yè)號(hào)。2物理地址將物理內(nèi)存分成大小相等的頁(yè)框，每個(gè)頁(yè)框也有一個(gè)頁(yè)框號(hào)。3頁(yè)表將邏輯地址空間中的頁(yè)號(hào)映射到物理地址空間中的頁(yè)框號(hào)。分段邏輯地址空間將程序的地址空間劃分為若干段，每個(gè)段可以有不同的長(zhǎng)度和訪問(wèn)權(quán)限，以便更好地管理內(nèi)存。物理地址空間將內(nèi)存劃分為若干物理段，每個(gè)物理段可以存放一個(gè)或多個(gè)邏輯段，提高內(nèi)存利用率。段表用于記錄邏輯段與物理段之間的映射關(guān)系，以便程序能夠訪問(wèn)到物理內(nèi)存。存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理是操作系統(tǒng)中最重要的功能之一，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源，包括內(nèi)存和外存。1內(nèi)存管理分配內(nèi)存空間，管理內(nèi)存使用，并確保程序能夠高效地訪問(wèn)內(nèi)存。2外存管理管理磁盤和其他外存設(shè)備，包括文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。3緩存管理使用緩存來(lái)加速數(shù)據(jù)訪問(wèn)，提高系統(tǒng)性能。緩存機(jī)制速度提升緩存存儲(chǔ)器速度遠(yuǎn)快于主存儲(chǔ)器，訪問(wèn)緩存可以顯著提高系統(tǒng)性能。減少訪問(wèn)時(shí)間通過(guò)將頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存中，減少了訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的次數(shù)，縮短了程序執(zhí)行時(shí)間。降低主存儲(chǔ)器壓力緩存機(jī)制減輕了主存儲(chǔ)器的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的整體效率。虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器允許進(jìn)程訪問(wèn)比物理內(nèi)存更大的地址空間。部分程序和數(shù)據(jù)保存在磁盤上，需要時(shí)再調(diào)入內(nèi)存。將內(nèi)存和磁盤劃分為固定大小的頁(yè)，實(shí)現(xiàn)虛擬地址到物理地址的映射。文件系統(tǒng)文件組織文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和組織計(jì)算機(jī)上的文件和目錄，使數(shù)據(jù)能夠被有效地存儲(chǔ)和檢索。訪問(wèn)控制文件系統(tǒng)提供安全機(jī)制，控制用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限，確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上，并提供對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作。輸入輸出管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的交互橋梁，負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)流入和流出。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)控制和管理特定設(shè)備的軟件模塊。中斷機(jī)制設(shè)備向CPU發(fā)出信號(hào)，通知數(shù)據(jù)傳輸完成或出現(xiàn)異常事件。磁盤管理負(fù)責(zé)分配和管理磁盤空間，確保數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和快速訪問(wèn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1硬件與軟件的橋梁設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的接口，負(fù)責(zé)管理和控制硬件設(shè)備的操作。2硬件特性的封裝驅(qū)動(dòng)程序隱藏了硬件設(shè)備的復(fù)雜細(xì)節(jié)，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口。3提高資源利用率驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)分配和管理硬件資源，提高資源利用率，確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。中斷機(jī)制中斷定義中斷是一種硬件機(jī)制，用于通知操作系統(tǒng)有事件發(fā)生，例如鍵盤輸入、磁盤操作完成或錯(cuò)誤發(fā)生。中斷處理流程當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，處理器會(huì)保存當(dāng)前執(zhí)行的程序狀態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到一個(gè)預(yù)定義的處理程序來(lái)處理該事件。中斷類型中斷可以分為硬件中斷和軟件中斷，硬件中斷由硬件事件觸發(fā)，軟件中斷由程序指令觸發(fā)。磁盤管理存儲(chǔ)空間管理為文件分配存儲(chǔ)空間，包括磁盤空間的分配和回收。數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制控制用戶對(duì)磁盤數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限，確保數(shù)據(jù)安全性和完整性。磁盤性能優(yōu)化通過(guò)磁盤調(diào)度算法和緩存機(jī)制提高磁盤讀寫速度和效率。保護(hù)與安全操作系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)安全的核心機(jī)制。它負(fù)責(zé)控制用戶和程序?qū)ο到y(tǒng)資源的訪問(wèn)權(quán)限，防止惡意軟件或程序破壞系統(tǒng)。訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)控制機(jī)制限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)權(quán)限，例如文件、內(nèi)存、設(shè)備等。認(rèn)證與授權(quán)用戶需要進(jìn)行身份驗(yàn)證才能訪問(wèn)系統(tǒng)資源，系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份和權(quán)限授權(quán)用戶訪問(wèn)相應(yīng)的資源。訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)控制機(jī)制來(lái)保護(hù)系統(tǒng)資源，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。訪問(wèn)控制列表(ACL)或訪問(wèn)控制矩陣是常用的訪問(wèn)控制方法。訪問(wèn)控制可以基于用戶身份、組成員身份或資源類型來(lái)實(shí)施。認(rèn)證與授權(quán)認(rèn)證驗(yàn)證用戶身份的過(guò)程，確保用戶是其聲稱的人。授權(quán)根據(jù)用戶身份賦予其訪問(wèn)特定資源或執(zhí)行特定操作的權(quán)限。加密技術(shù)對(duì)稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。例如，AES、DES。非對(duì)稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密。例如，RSA、ECC。哈希算法將任意長(zhǎng)度的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的輸出數(shù)據(jù)。例如，MD5、SHA-256。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是專門為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。與通用操作系統(tǒng)不同，RTOS需要滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束，確保任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。實(shí)時(shí)任務(wù)特性時(shí)限性實(shí)時(shí)任務(wù)必須在特定的時(shí)間限制內(nèi)完成，否則可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障或不可預(yù)測(cè)的行為。確定性實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間必須是可預(yù)測(cè)的，以確保任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成?？煽啃詫?shí)時(shí)系統(tǒng)必須高度可靠，以確保任務(wù)的正確執(zhí)行，即使在遇到故障或異常情況時(shí)。實(shí)時(shí)調(diào)度算法1先到先服務(wù)最簡(jiǎn)單，但可能無(wú)法滿足實(shí)時(shí)任務(wù)的延遲要求。2優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)優(yōu)先級(jí)分配CPU時(shí)間，適合緊急任務(wù)。3最短剩余時(shí)間優(yōu)先優(yōu)先執(zhí)行剩余時(shí)間最短的任務(wù)，減少平均響應(yīng)時(shí)間。4時(shí)間片輪轉(zhuǎn)將CPU時(shí)間分成時(shí)間片，每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間片，輪流執(zhí)行，提高系統(tǒng)公平性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)案例分析1航空控制系統(tǒng)航空控制系統(tǒng)需要精確的時(shí)間控制和可靠性，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠確保飛機(jī)在不同飛行階段的穩(wěn)定性和安全。2工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制生產(chǎn)線上的機(jī)器和設(shè)備，提高效率和生產(chǎn)質(zhì)量。3醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療設(shè)備，例如心電圖儀和呼吸機(jī)，需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)處理，以保障患者的安全。分布式操作系統(tǒng)分布式系統(tǒng)概述分布式操作系統(tǒng)將計(jì)算資源分散到多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上，以提高性能、可靠性和可擴(kuò)展性。應(yīng)用場(chǎng)景適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、高并發(fā)訪問(wèn)和高可用性需求。分布式體系結(jié)構(gòu)客戶端-服務(wù)器客戶端與服務(wù)器之間的交互，通常用于Web應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間平等交流，例如BitTorrent文件共享。云計(jì)算將資源池化，提供按需服務(wù)，例如AWS和Azure。進(jìn)程通信和同步消息傳遞：進(jìn)程間通過(guò)傳遞消息進(jìn)行通信，例如管道、消息隊(duì)列。同步機(jī)制：確保多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享資源的正確性，例如信號(hào)量、互斥鎖。遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RPC)：允許一個(gè)進(jìn)程調(diào)用另一個(gè)進(jìn)程的函數(shù)，跨越網(wǎng)絡(luò)邊界。分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余通過(guò)將數(shù)據(jù)復(fù)制到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以提高容錯(cuò)能力，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)一致性保證分布式文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，需要考慮并發(fā)訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)延遲等因素。數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率通過(guò)分布式存儲(chǔ)和負(fù)載均衡，可以提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度，滿足高并發(fā)訪問(wèn)需求。移動(dòng)操作系統(tǒng)移動(dòng)操作系統(tǒng)是專門為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，例如智能手機(jī)、平板電腦等。它與傳統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)操作系統(tǒng)相比，具有獨(dú)特的特點(diǎn)。移動(dòng)設(shè)備特點(diǎn)移動(dòng)設(shè)備通常資源有限，例如電池壽命、屏幕尺寸、存儲(chǔ)空間等。用戶交互移動(dòng)設(shè)備的用戶交互方式與臺(tái)式機(jī)不同，例如觸摸屏、手勢(shì)操作等。網(wǎng)絡(luò)連接移動(dòng)設(shè)備通常需要連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)才能使用。移動(dòng)端特點(diǎn)便攜性移動(dòng)設(shè)備體積小巧，易于攜帶，方便用戶隨時(shí)隨地訪問(wèn)信息和服務(wù)。多點(diǎn)觸控觸控屏技術(shù)帶來(lái)更直觀的交互方式，用戶可以通過(guò)手指點(diǎn)擊、滑動(dòng)等操作進(jìn)行操作。無(wú)線連接移動(dòng)設(shè)備可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和服務(wù)。Android和iOS概述AndroidAndroid是由Google開(kāi)發(fā)的一種開(kāi)源移動(dòng)操作系統(tǒng)，為各種設(shè)備提供靈活性和定制性。iOSiOS是由蘋果公司開(kāi)發(fā)的一種閉源移動(dòng)操作系統(tǒng)，以其簡(jiǎn)潔的界面和安全的生態(tài)系統(tǒng)而聞名。移動(dòng)操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1人工智能人工智能正在為移動(dòng)操作系統(tǒng)帶來(lái)新的可能性，例如智能助手、個(gè)性化推薦和預(yù)測(cè)性維護(hù)。2物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)操作系統(tǒng)將與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)縫集成，使設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。35G技術(shù)