《操作系統(tǒng)新相識說》課件

操作系統(tǒng)新相識說操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它負責管理計算機的硬件資源和軟件資源。它為應用程序提供運行環(huán)境，并與用戶交互，幫助用戶使用計算機。課程概述課程內(nèi)容介紹操作系統(tǒng)的基本概念、功能、歷史發(fā)展和分類。課程目標幫助學生了解操作系統(tǒng)的核心概念，并能夠理解常見操作系統(tǒng)的基本原理和應用。課程安排將通過理論講解、案例分析、實踐練習等多種方式進行授課。學習建議積極參與課堂討論，并結(jié)合課后練習，深入理解操作系統(tǒng)的工作原理。操作系統(tǒng)的定義系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，它管理計算機硬件資源，為應用程序提供運行環(huán)境。資源管理者操作系統(tǒng)負責管理計算機的CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡等硬件資源，并協(xié)調(diào)這些資源的分配和使用。用戶接口操作系統(tǒng)提供用戶界面，例如圖形界面或命令行界面，方便用戶與計算機交互。操作系統(tǒng)的功能文件管理操作系統(tǒng)負責管理和組織計算機中的文件，包括創(chuàng)建、刪除、復制和移動文件。進程管理操作系統(tǒng)管理著計算機中的所有應用程序，包括創(chuàng)建、調(diào)度、終止應用程序，并分配系統(tǒng)資源。內(nèi)存管理操作系統(tǒng)分配和管理計算機的內(nèi)存資源，確保應用程序之間能夠有效地共享內(nèi)存，并防止內(nèi)存沖突。設備管理操作系統(tǒng)負責管理計算機上的所有硬件設備，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等，并提供統(tǒng)一的接口。操作系統(tǒng)的歷史發(fā)展早期操作系統(tǒng)1940年代至1950年代，批處理操作系統(tǒng)出現(xiàn)，例如IBM的OS/360系統(tǒng)，為多任務處理和資源管理提供了基礎。分時操作系統(tǒng)1960年代，分時操作系統(tǒng)例如UNIX和Multics誕生，允許多個用戶同時使用一臺計算機，提高了效率。個人計算機操作系統(tǒng)1980年代，個人計算機操作系統(tǒng)如MS-DOS和蘋果公司的MacOS問世，為個人電腦普及奠定了基礎。圖形用戶界面1980年代末期，圖形用戶界面(GUI)的出現(xiàn)，例如蘋果的MacOS和微軟的Windows，極大地改善了用戶體驗?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)近年來，操作系統(tǒng)不斷發(fā)展，例如Linux和Android等開源系統(tǒng)，以及云計算和移動設備操作系統(tǒng)等新興領域，改變著我們與計算機的交互方式?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)的分類單用戶單任務操作系統(tǒng)僅支持一個用戶同時運行一個程序。這類操作系統(tǒng)通常用于嵌入式系統(tǒng)和個人計算機的早期階段。單用戶多任務操作系統(tǒng)允許多個程序同時運行，但只支持一個用戶。例如，Windows95和Windows98屬于此類操作系統(tǒng)。多用戶多任務操作系統(tǒng)支持多個用戶同時運行多個程序，例如Linux和WindowsServer。實時操作系統(tǒng)（RTOS）主要用于工業(yè)控制、醫(yī)療設備等需要快速響應和高可靠性的應用場景，例如航空航天和工業(yè)自動化系統(tǒng)。常見操作系統(tǒng)簡介1Windows微軟公司開發(fā)的圖形界面操作系統(tǒng)，是全球使用最廣泛的操作系統(tǒng)之一。2macOS蘋果公司為其Mac電腦開發(fā)的操作系統(tǒng)，以其簡潔的設計和用戶體驗而聞名。3Linux開源操作系統(tǒng)，擁有廣泛的版本和發(fā)行版，適用于各種設備，從嵌入式系統(tǒng)到超級計算機。Windows操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)是微軟公司開發(fā)的圖形用戶界面操作系統(tǒng)，目前是全球使用最廣泛的操作系統(tǒng)之一。它是使用最為廣泛的操作系統(tǒng)，具有易用性和功能豐富等特點。Windows操作系統(tǒng)支持各種硬件和軟件，并提供安全、穩(wěn)定、高效的計算環(huán)境。它包括多個版本，如Windows10、Windows11等，針對不同的用戶群體和設備提供相應的解決方案。macOS操作系統(tǒng)macOS是蘋果公司為其Mac電腦開發(fā)的操作系統(tǒng)，它以其用戶友好界面、安全性以及強大的功能而聞名。macOS基于Unix系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和安全性，并且與其他蘋果設備生態(tài)系統(tǒng)無縫集成。macOS內(nèi)置了各種應用程序，例如Safari瀏覽器、Pages文字處理軟件以及FinalCutPro視頻編輯軟件。Linux操作系統(tǒng)Linux是一個開源操作系統(tǒng)，由LinusTorvalds在1991年創(chuàng)建。它是一個自由、開放源代碼的操作系統(tǒng)，這意味著用戶可以查看、修改和重新發(fā)布其源代碼。Linux廣泛應用于各種設備，包括服務器、臺式機、筆記本電腦和移動設備。它以其穩(wěn)定性、安全性和可定制性而聞名。移動設備操作系統(tǒng)iOS蘋果公司開發(fā)的移動操作系統(tǒng)，以其用戶友好性而聞名。iOS擁有一個封閉的生態(tài)系統(tǒng)，提供無縫的用戶體驗。Android由Google開發(fā)的開源操作系統(tǒng)，具有廣泛的兼容性和可定制性。Android擁有龐大的應用程序生態(tài)系統(tǒng)，滿足各種需求。HarmonyOS由華為公司開發(fā)的移動操作系統(tǒng)，旨在提供跨設備的無縫連接和體驗。HarmonyOS擁有強大的性能和安全功能。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，管理硬件資源，提供基本服務系統(tǒng)調(diào)用用戶程序與內(nèi)核交互的接口，提供系統(tǒng)服務用戶界面用戶與操作系統(tǒng)交互的界面，提供可視化操作應用程序接口提供給應用程序開發(fā)者使用的接口，方便程序開發(fā)內(nèi)核和用戶模式內(nèi)核模式操作系統(tǒng)內(nèi)核運行在內(nèi)核模式，擁有最高權限，可直接訪問硬件。用戶模式用戶程序運行在用戶模式，權限有限，需要通過系統(tǒng)調(diào)用訪問硬件。隔離保護內(nèi)核模式與用戶模式隔離，防止用戶程序破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。進程管理進程定義進程是正在運行的程序的實例，是系統(tǒng)資源分配的基本單位。每個進程都有獨立的地址空間、數(shù)據(jù)、堆棧和文件等。進程管理任務進程管理負責創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度和同步進程，以確保系統(tǒng)資源的有效利用和進程之間的協(xié)調(diào)運作。內(nèi)存管理11.物理內(nèi)存分配操作系統(tǒng)管理物理內(nèi)存，為進程分配所需的內(nèi)存空間。22.虛擬內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存通過將硬盤空間作為擴展內(nèi)存，為進程提供更大的地址空間。33.內(nèi)存保護操作系統(tǒng)保護進程的內(nèi)存空間，防止它們相互干擾。44.內(nèi)存碎片整理內(nèi)存碎片整理可以回收零散內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用率。文件管理1文件存儲操作系統(tǒng)將文件存儲在硬盤或其他存儲設備上，并維護文件系統(tǒng)的組織結(jié)構，例如目錄樹。2文件訪問用戶可以通過應用程序或命令行接口訪問文件，操作系統(tǒng)負責處理文件讀寫操作。3文件權限操作系統(tǒng)管理文件訪問權限，確保文件安全和數(shù)據(jù)完整性。4文件操作常見的文件操作包括創(chuàng)建、刪除、重命名、復制、移動等，操作系統(tǒng)提供相應的系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行這些操作。設備管理硬件資源操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)中的硬件，例如硬盤、鍵盤、鼠標、打印機等。分配策略操作系統(tǒng)決定哪些程序可以使用哪些設備，以及如何使用。驅(qū)動程序操作系統(tǒng)通過驅(qū)動程序與硬件設備進行通信，實現(xiàn)對設備的控制。數(shù)據(jù)傳輸操作系統(tǒng)負責管理數(shù)據(jù)在硬件設備之間傳輸，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。安全管理數(shù)據(jù)保護防止數(shù)據(jù)丟失、篡改和未經(jīng)授權的訪問。用戶身份驗證確保只有授權用戶才能訪問系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡安全保護系統(tǒng)免受網(wǎng)絡攻擊和惡意軟件的侵害。系統(tǒng)調(diào)用定義系統(tǒng)調(diào)用是應用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間通信的接口。應用程序通過系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)提供服務。作用系統(tǒng)調(diào)用提供了一層抽象層，屏蔽底層硬件細節(jié)。用戶程序無需直接與硬件交互，提高了軟件開發(fā)效率和安全性。中斷機制CPU執(zhí)行程序CPU持續(xù)執(zhí)行程序指令，但有時需要暫停當前任務，處理緊急事件。中斷源觸發(fā)例如，用戶按下鍵盤按鍵，產(chǎn)生中斷信號，通知CPU停止當前任務。中斷處理CPU響應中斷，保存當前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，完成相關操作。返回原程序中斷處理完成后，CPU恢復之前保存的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。操作系統(tǒng)的啟動過程1電源開啟啟動計算機的硬件設備2BIOS/UEFI啟動檢測硬件，初始化系統(tǒng)3引導加載加載操作系統(tǒng)內(nèi)核4內(nèi)核啟動初始化系統(tǒng)資源，進入用戶模式操作系統(tǒng)啟動過程是一個復雜的流程，從電源開啟到用戶界面出現(xiàn)，經(jīng)歷多個步驟。首先，BIOS/UEFI引導程序負責檢測硬件并初始化系統(tǒng)。然后，引導加載程序負責加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并傳遞控制權給內(nèi)核。最后，內(nèi)核啟動并初始化系統(tǒng)資源，為用戶程序的運行做好準備。操作系統(tǒng)的引導程序啟動過程第一步引導程序是操作系統(tǒng)啟動的第一個程序，也是系統(tǒng)初始化的關鍵步驟。存儲位置引導程序通常存儲在系統(tǒng)硬盤的第一個扇區(qū)，也稱為主引導記錄(MBR)。核心功能引導程序負責初始化硬件，加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并將控制權交給內(nèi)核。BIOS和UEFIBIOSBIOS是基本輸入輸出系統(tǒng)。它存儲在主板上的閃存芯片中，是操作系統(tǒng)啟動過程中的第一個程序。BIOS負責初始化硬件，引導操作系統(tǒng)，并提供一些基本的硬件操作功能。UEFIUEFI是一種更現(xiàn)代化的固件接口標準，它取代了傳統(tǒng)的BIOS。UEFI提供了更快的啟動速度，支持更大的硬盤容量，并且具有更強大的安全功能。操作系統(tǒng)的引導過程1BIOS初始化執(zhí)行自檢，加載引導扇區(qū)2加載引導程序從硬盤讀取操作系統(tǒng)引導程序3操作系統(tǒng)內(nèi)核加載將操作系統(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存4初始化系統(tǒng)配置硬件，啟動系統(tǒng)服務引導過程是操作系統(tǒng)啟動的第一步，從BIOS自檢開始，逐步加載操作系統(tǒng)內(nèi)核并初始化系統(tǒng)。這一過程需要讀取硬件信息，配置設備驅(qū)動程序，并建立系統(tǒng)環(huán)境。用戶界面11.命令行界面用戶通過鍵入命令與操作系統(tǒng)交互，需要熟練掌握命令。22.圖形用戶界面用戶通過鼠標、鍵盤、觸摸屏等交互，更加直觀易用。33.手勢和觸控移動設備使用手勢和觸控，提高交互效率。44.跨平臺兼容性支持不同平臺和設備，擴展用戶群體。命令行界面文本命令命令行界面使用文本命令與操作系統(tǒng)交互，例如，輸入“dir”列出當前目錄下的文件和文件夾。靈活控制命令行界面提供了更靈活的控制方式，可以執(zhí)行更復雜的命令，例如批量操作文件或執(zhí)行腳本。編程和腳本命令行界面是程序員和系統(tǒng)管理員的常用工具，用于編寫和執(zhí)行腳本，管理系統(tǒng)資源。圖形用戶界面直觀的交互體驗圖形用戶界面使用圖標、菜單和窗口，讓用戶更容易理解和操作計算機。多任務處理通過窗口管理功能，用戶可以同時運行多個應用程序，提高工作效率。觸控交互現(xiàn)代圖形用戶界面支持觸控操作，為移動設備提供了更直觀的用戶體驗。手勢和觸控直觀交互手指滑動、點擊、捏合等手勢，取代了傳統(tǒng)的鼠標和鍵盤操作，使人機交互更自然直觀。移動設備的革命觸控技術極大地提升了移動設備的用戶體驗，為智能手機和平板電腦的普及鋪平了道路。未來趨勢隨著技術的進步，手勢和觸控功能將不斷完善，應用范圍將擴展到更多領域，例如虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實?？缙脚_兼容性應用范圍更廣跨平臺兼容性使應用程序能夠在不同的操作系統(tǒng)和設備上運行，擴大其潛在用戶群。例如，使用Java編寫的應用程序可以在Windows、macOS和Linux上運行。開發(fā)效率更高開發(fā)人員可以為多個平臺編寫一次代碼，從而節(jié)省時間和精力?？缙脚_兼容性簡化了應用程序的開發(fā)過程，縮短了上市時間。操作系統(tǒng)的未來發(fā)展1云計算和容器技術云計算環(huán)境下，操作系統(tǒng)將變得更加輕量級，以適應虛擬化和容器化的需求。2物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算物聯(lián)網(wǎng)設備需要輕量級、高效的操作系統(tǒng)，邊緣計算需要更強大的數(shù)據(jù)處理能力。3人工智能和機器學習未來操作系統(tǒng)將更加智能化，能夠自動優(yōu)化系統(tǒng)性能，提供個性化的服務。云計算和容器技術11.資源共享云計算提供可擴展資源，容器技術則幫助高效利用這些資源，提高效率。22.可移植性容器技術讓應用程序可以輕松移植到不同的云平臺，確?？缙脚_兼容性。33.自動化管理容器技術簡化了應用程序部署和管理，實現(xiàn)自動化，降低運維成本。44.靈活性容器技術支持微服務架構，讓應用程序更加靈活，易于擴展和更新。物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算傳感器網(wǎng)絡邊緣計算將數(shù)據(jù)處理和分析