《操作系統(tǒng)專升本新》課件

《操作系統(tǒng)專升本新》本課件旨在為準(zhǔn)備升本考試的同學(xué)提供操作系統(tǒng)方面的學(xué)習(xí)資料。通過深入淺出地講解操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)，幫助考生更好地理解和掌握操作系統(tǒng)核心概念，為考試做好充分準(zhǔn)備。課程導(dǎo)言本課程將深入探討操作系統(tǒng)，重點(diǎn)講解操作系統(tǒng)的重要概念、核心技術(shù)及應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握操作系統(tǒng)基本原理，并能夠理解操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)硬件資源并為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)可以有效地利用計(jì)算機(jī)硬件資源，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率和可靠性，為用戶提供一個(gè)友好的界面。操作系統(tǒng)的定義和功能定義操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件資源和軟件資源的軟件系統(tǒng)。功能主要功能包括：管理計(jì)算機(jī)硬件資源、提供用戶界面、提供系統(tǒng)服務(wù)、管理用戶程序、提供安全機(jī)制等。重要性操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，它為用戶提供一個(gè)簡單、方便的操作環(huán)境，并確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期階段20世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)，操作系統(tǒng)主要用于管理硬件資源，比如內(nèi)存、CPU和外設(shè)。當(dāng)時(shí)的操作系統(tǒng)是批處理系統(tǒng)，效率比較低，程序運(yùn)行之間需要手動(dòng)切換。多任務(wù)階段20世紀(jì)60年代，多任務(wù)操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)，多個(gè)程序可以同時(shí)運(yùn)行。這使得計(jì)算機(jī)資源利用率更高，用戶體驗(yàn)也得到了改善。網(wǎng)絡(luò)階段20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦開始普及，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟。操作系統(tǒng)開始支持網(wǎng)絡(luò)功能，并出現(xiàn)了圖形界面。移動(dòng)階段21世紀(jì)，移動(dòng)設(shè)備快速發(fā)展，移動(dòng)操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)操作系統(tǒng)更注重移動(dòng)性和易用性，并支持各種移動(dòng)應(yīng)用。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了其各個(gè)組成部分如何協(xié)同工作。主要包括內(nèi)核、外殼和系統(tǒng)服務(wù)三個(gè)部分。內(nèi)核核心程序內(nèi)核是操作系統(tǒng)最核心的部分，它直接管理計(jì)算機(jī)硬件。負(fù)責(zé)系統(tǒng)資源的分配和管理，例如內(nèi)存、CPU、外設(shè)等。外殼用戶接口外殼提供用戶與內(nèi)核交互的橋梁，為用戶提供命令行或圖形界面操作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。命令解釋器外殼解析用戶輸入的命令，將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)核可執(zhí)行的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。進(jìn)程管理外殼負(fù)責(zé)管理用戶進(jìn)程的創(chuàng)建、執(zhí)行、終止等操作，并協(xié)調(diào)不同進(jìn)程之間的資源競爭。系統(tǒng)服務(wù)1文件管理操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)，用于管理存儲(chǔ)在磁盤上的文件，包括創(chuàng)建、刪除、讀取和寫入文件等操作。2進(jìn)程管理操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)中的進(jìn)程，包括創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度和同步進(jìn)程等操作。3內(nèi)存管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)存的分配和回收，以及虛擬內(nèi)存管理等任務(wù)，以保證應(yīng)用程序的正常運(yùn)行。4設(shè)備管理操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)中的各種設(shè)備，包括輸入/輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的訪問接口。進(jìn)程管理進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)中一項(xiàng)核心功能，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中所有進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)和資源分配。它通過協(xié)調(diào)和控制不同進(jìn)程之間的活動(dòng)，保證系統(tǒng)有效率地運(yùn)行，并為用戶提供良好的交互體驗(yàn)。進(jìn)程的概念程序程序是靜態(tài)的指令集合,存儲(chǔ)在磁盤上.數(shù)據(jù)程序運(yùn)行時(shí)所需的各種數(shù)據(jù),包括輸入數(shù)據(jù),輸出數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù).進(jìn)程控制塊(PCB)記錄進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài),存儲(chǔ)進(jìn)程相關(guān)信息,是系統(tǒng)管理進(jìn)程的依據(jù).進(jìn)程的狀態(tài)1運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在使用CPU執(zhí)行指令。2就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備就緒，等待CPU分配。3阻塞狀態(tài)進(jìn)程等待I/O操作或其他事件。4終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程已完成執(zhí)行或發(fā)生錯(cuò)誤。進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度程序負(fù)責(zé)選擇一個(gè)等待的進(jìn)程，并將其分配給CPU。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片用完后會(huì)被掛起，下一個(gè)進(jìn)程開始運(yùn)行。優(yōu)先級調(diào)度算法進(jìn)程根據(jù)優(yōu)先級被調(diào)度，優(yōu)先級高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法估計(jì)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間，短的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行，以提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中的核心組成部分，負(fù)責(zé)分配和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。操作系統(tǒng)需要合理分配和管理內(nèi)存資源，以確保各個(gè)進(jìn)程能夠有效地運(yùn)行，并防止不同進(jìn)程之間相互干擾。內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)高速緩存高速緩存是最快的，但也是最小的。它存儲(chǔ)最近使用的數(shù)據(jù)，以減少對主內(nèi)存的訪問時(shí)間。主內(nèi)存主內(nèi)存是操作系統(tǒng)直接訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。它比高速緩存更大，但速度更慢。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器是容量最大，速度最慢的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)未被使用的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存分配策略首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的開始位置開始查找，找到第一個(gè)足夠大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。簡單易實(shí)現(xiàn)，但容易造成內(nèi)存碎片化。最佳適應(yīng)算法從所有空閑分區(qū)中選擇最小的，但足以滿足進(jìn)程需求的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。可以減少內(nèi)存碎片化，但搜索過程較為復(fù)雜。最壞適應(yīng)算法從所有空閑分區(qū)中選擇最大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。降低了內(nèi)存碎片化的速度，但可能會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存空間。伙伴系統(tǒng)將內(nèi)存空間劃分為大小為2的冪次方的塊，方便內(nèi)存分配和回收。提高了內(nèi)存利用率，但也限制了分配塊的大小。虛擬內(nèi)存技術(shù)物理內(nèi)存不足將部分程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上，僅將需要執(zhí)行的部分加載到內(nèi)存中。邏輯地址空間每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)獨(dú)立的邏輯地址空間，不受物理內(nèi)存限制。頁面調(diào)入調(diào)出通過頁面調(diào)度算法，決定將哪些頁面加載到內(nèi)存，哪些頁面移至磁盤。內(nèi)存碎片當(dāng)內(nèi)存空間不夠時(shí)，會(huì)將部分頁面移至磁盤，造成內(nèi)存碎片。輸入/輸出管理輸入/輸出管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的交互。它允許程序通過統(tǒng)一的接口訪問各種I/O設(shè)備，并提供緩沖機(jī)制來提高數(shù)據(jù)傳輸效率。I/O設(shè)備的種類1輸入設(shè)備輸入設(shè)備用于將數(shù)據(jù)和指令傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如，鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。2輸出設(shè)備輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果和信息呈現(xiàn)給用戶。例如，顯示器、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等。3存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和程序。例如，硬盤、內(nèi)存、固態(tài)硬盤等。4通信設(shè)備通信設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。例如，網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。I/O中斷機(jī)制中斷信號(hào)設(shè)備完成操作后向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，通知CPU處理該事件。中斷處理程序CPU接收中斷信號(hào)后，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，執(zhí)行相應(yīng)的操作。中斷向量表操作系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)中斷向量表，記錄每個(gè)中斷信號(hào)對應(yīng)的處理程序地址。I/O設(shè)備的緩沖管理緩沖區(qū)緩沖區(qū)是內(nèi)存中的一塊區(qū)域，用于臨時(shí)存儲(chǔ)I/O設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。緩沖區(qū)可以提高I/O效率，減少CPU等待時(shí)間。緩沖管理策略單緩沖：一個(gè)緩沖區(qū)用于處理一個(gè)I/O請求。雙緩沖：兩個(gè)緩沖區(qū)交替使用，提高效率。循環(huán)緩沖：多個(gè)緩沖區(qū)構(gòu)成環(huán)形隊(duì)列，用于高效處理大量數(shù)據(jù)。文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)中的所有文件。文件管理系統(tǒng)為用戶提供訪問、存儲(chǔ)和檢索文件的方法，并確保文件數(shù)據(jù)的完整性和安全性。文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用樹形結(jié)構(gòu)組織文件，文件和目錄之間存在父子關(guān)系。目錄結(jié)構(gòu)根目錄是樹形結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，其他目錄和文件都作為根目錄的子節(jié)點(diǎn)。表結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)文件信息，例如文件名、大小、類型、權(quán)限等。文件的組織形式線性結(jié)構(gòu)文件按順序排列，類似于鏈表結(jié)構(gòu)，通過索引訪問。樹形結(jié)構(gòu)文件組織成樹狀，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)目錄或文件。圖形化結(jié)構(gòu)使用圖形界面表示文件，方便用戶直觀地管理和操作。目錄管理樹狀結(jié)構(gòu)目錄結(jié)構(gòu)通常采用樹形結(jié)構(gòu)，以便于組織和管理文件。每個(gè)目錄可以包含子目錄和文件，形成層次化的文件系統(tǒng)。目錄操作操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建、刪除、重命名、訪問目錄等操作，方便用戶管理文件組織結(jié)構(gòu)，查找所需文件。安全管理操作系統(tǒng)安全管理保護(hù)系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)，防止非法訪問和惡意攻擊。安全管理的核心是訪問控制機(jī)制，確保授權(quán)用戶訪問授權(quán)資源，并防止未授權(quán)用戶或進(jìn)程訪問敏感數(shù)據(jù)。安全的基本概念保護(hù)系統(tǒng)資源防止未經(jīng)授權(quán)的訪問、使用、修改或破壞系統(tǒng)資源。確保數(shù)據(jù)完整性防止數(shù)據(jù)被篡改或破壞，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。維護(hù)系統(tǒng)可用性確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，不受攻擊或故障的影響。保障用戶隱私保護(hù)用戶的個(gè)人信息，防止泄露或被非法使用。訪問控制機(jī)制11.基于身份的訪問控制根據(jù)用戶的身份驗(yàn)證權(quán)限，用戶可以訪問特定資源。22.基于角色的訪問控制根據(jù)用戶所扮演的角色分配權(quán)限，例如管理員或普通用戶。33.基于規(guī)則的訪問控制使用預(yù)定義規(guī)則來確定用戶對特定資源的訪問權(quán)限。加密技術(shù)對稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。非對稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密。哈希算法將任意長度的輸入轉(zhuǎn)換為固定長度的輸出。數(shù)字簽名使用私鑰對信息進(jìn)行簽名，公鑰驗(yàn)證簽名。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是一種特殊的操作系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于控制實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序?qū)r(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)外部事件，并快速完成操作，以滿足應(yīng)用程序?qū)r(shí)間的要求。可靠性實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常運(yùn)行在關(guān)鍵應(yīng)用中，因此需要高度的可靠性，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全。資源管理實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要有效地管理系統(tǒng)資源，例如處理器時(shí)間、內(nèi)存和外設(shè)，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)的正常執(zhí)行?？深A(yù)測性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要保證應(yīng)用程序的執(zhí)行時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間是可預(yù)測的，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度11.實(shí)時(shí)調(diào)度算法實(shí)時(shí)調(diào)度算法決定何時(shí)執(zhí)行任務(wù)，確保關(guān)鍵任務(wù)在截止時(shí)間內(nèi)完成。22.優(yōu)先級調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)根據(jù)其重要性和緊急程度分配優(yōu)先級。33.時(shí)間片調(diào)度每個(gè)任務(wù)分配固定時(shí)間片，以確保公平分配處理器時(shí)間。44.動(dòng)態(tài)調(diào)度動(dòng)態(tài)調(diào)度算法根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境變化調(diào)整任務(wù)調(diào)度策略。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用航空航天實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)，確保安全性和可靠性。工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于控制工業(yè)機(jī)器人，提高生產(chǎn)效率和精度。醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于醫(yī)療設(shè)備，例如心電圖機(jī)和呼吸機(jī)，確保精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。汽車電子實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)用于汽車電子系統(tǒng)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)控制和安全系統(tǒng)，提高汽車性能和安全性。分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)是將操作系統(tǒng)功能分散到多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上的系統(tǒng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)，但這些操作系統(tǒng)協(xié)同工作以提供單一系統(tǒng)映像。分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)客戶端-服務(wù)器結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)中，多個(gè)客戶端連接到一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器。服務(wù)器提供資源和服務(wù)，客戶端請求并使用這些資源。對等結(jié)構(gòu)對等結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是客戶端又是服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)可以與其他節(jié)點(diǎn)直接通信，共享資源和服務(wù)。進(jìn)程通信機(jī)制消息傳遞進(jìn)程之間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和同步控制。共享內(nèi)存多個(gè)進(jìn)程可以訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和高效通信。管道進(jìn)程間通過管道進(jìn)行