《操作系統(tǒng)新相識(shí)說》課件

操作系統(tǒng)新相識(shí)說操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的硬件資源和軟件資源。它為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境，并與用戶交互，幫助用戶使用計(jì)算機(jī)。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(biāo)幫助學(xué)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(yīng)用。課程安排將通過理論講解、案例分析、實(shí)踐練習(xí)等多種方式進(jìn)行授課。學(xué)習(xí)建議積極參與課堂討論，并結(jié)合課后練習(xí)，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(jì)算機(jī)硬件資源，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。資源管理者操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)的CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)交互。操作系統(tǒng)的功能文件管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和組織計(jì)算機(jī)中的文件，包括創(chuàng)建、刪除、復(fù)制和移動(dòng)文件。進(jìn)程管理操作系統(tǒng)管理著計(jì)算機(jī)中的所有應(yīng)用程序，包括創(chuàng)建、調(diào)度、終止應(yīng)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存資源，確保應(yīng)用程序之間能夠有效地共享內(nèi)存，并防止內(nèi)存沖突。設(shè)備管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)上的所有硬件設(shè)備，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)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(wù)處理和資源管理提供了基礎(chǔ)。分時(shí)操作系統(tǒng)1960年代，分時(shí)操作系統(tǒng)例如UNIX和Multics誕生，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，提高了效率。個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)1980年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)如MS-DOS和蘋果公司的MacOS問世，為個(gè)人電腦普及奠定了基礎(chǔ)。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(yàn)?，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(jì)算和移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)等新興領(lǐng)域，改變著我們與計(jì)算機(jī)的交互方式?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)的分類單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)僅支持一個(gè)用戶同時(shí)運(yùn)行一個(gè)程序。這類操作系統(tǒng)通常用于嵌入式系統(tǒng)和個(gè)人計(jì)算機(jī)的早期階段。單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行，但只支持一個(gè)用戶。例如，Windows95和Windows98屬于此類操作系統(tǒng)。多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)支持多個(gè)用戶同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，例如Linux和WindowsServer。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）主要用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等需要快速響應(yīng)和高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景，例如航空航天和工業(yè)自動(dòng)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(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)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(shè)備，從嵌入式系統(tǒng)到超級(jí)計(jì)算機(jī)。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(diǎn)。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(jì)算環(huán)境。它包括多個(gè)版本，如Windows10、Windows11等，針對(duì)不同的用戶群體和設(shè)備提供相應(yīng)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(qiáng)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(shè)備生態(tài)系統(tǒng)無縫集成。macOS內(nèi)置了各種應(yīng)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(gè)開源操作系統(tǒng)，由LinusTorvalds在1991年創(chuàng)建。它是一個(gè)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(yīng)用于各種設(shè)備，包括服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備。它以其穩(wěn)定性、安全性和可定制性而聞名。移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)iOS蘋果公司開發(fā)的移動(dòng)操作系統(tǒng)，以其用戶友好性而聞名。iOS擁有一個(gè)封閉的生態(tài)系統(tǒng)，提供無縫的用戶體驗(yàn)。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(yīng)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(dòng)操作系統(tǒng)，旨在提供跨設(shè)備的無縫連接和體驗(yàn)。HarmonyOS擁有強(qiáng)大的性能和安全功能。操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)核操作系統(tǒng)核心，管理硬件資源，提供基本服務(wù)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(wù)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(yīng)用程序接口提供給應(yīng)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(yùn)行在內(nèi)核模式，擁有最高權(quán)限，可直接訪問硬件。用戶模式用戶程序運(yùn)行在用戶模式，權(quán)限有限，需要通過系統(tǒng)調(diào)用訪問硬件。隔離保護(hù)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(jìn)程管理進(jìn)程定義進(jìn)程是正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，是系統(tǒng)資源分配的基本單位。每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的地址空間、數(shù)據(jù)、堆棧和文件等。進(jìn)程管理任務(wù)進(jìn)程管理負(fù)責(zé)創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度和同步進(jìn)程，以確保系統(tǒng)資源的有效利用和進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)運(yùn)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(jìn)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(kuò)展內(nèi)存，為進(jìn)程提供更大的地址空間。33.內(nèi)存保護(hù)操作系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)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(chǔ)操作系統(tǒng)將文件存儲(chǔ)在硬盤或其他存儲(chǔ)設(shè)備上，并維護(hù)文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，例如目錄樹。2文件訪問用戶可以通過應(yīng)用程序或命令行接口訪問文件，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理文件讀寫操作。3文件權(quán)限操作系統(tǒng)管理文件訪問權(quán)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(fù)制、移動(dòng)等，操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行這些操作。設(shè)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(biāo)、打印機(jī)等。分配策略操作系統(tǒng)決定哪些程序可以使用哪些設(shè)備，以及如何使用。驅(qū)動(dòng)程序操作系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。數(shù)據(jù)傳輸操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)在硬件設(shè)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(hù)防止數(shù)據(jù)丟失、篡改和未經(jīng)授權(quán)的訪問。用戶身份驗(yàn)證確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間通信的接口。應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供服務(wù)。作用系統(tǒng)調(diào)用提供了一層抽象層，屏蔽底層硬件細(xì)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(jī)制CPU執(zhí)行程序CPU持續(xù)執(zhí)行程序指令，但有時(shí)需要暫停當(dāng)前任務(wù)，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(hào)，通知CPU停止當(dāng)前任務(wù)。中斷處理CPU響應(yīng)中斷，保存當(dāng)前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，完成相關(guān)操作。返回原程序中斷處理完成后，CPU恢復(fù)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(dòng)過程1電源開啟啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備2BIOS/UEFI啟動(dòng)檢測(cè)硬件，初始化系統(tǒng)3引導(dǎo)加載加載操作系統(tǒng)內(nèi)核4內(nèi)核啟動(dòng)初始化系統(tǒng)資源，進(jìn)入用戶模式操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的流程，從電源開啟到用戶界面出現(xiàn)，經(jīng)歷多個(gè)步驟。首先，BIOS/UEFI引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)檢測(cè)硬件并初始化系統(tǒng)。然后，引導(dǎo)加載程序負(fù)責(zé)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并傳遞控制權(quán)給內(nèi)核。最后，內(nèi)核啟動(dòng)并初始化系統(tǒng)資源，為用戶程序的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序啟動(dòng)過程第一步引導(dǎo)程序是操作系統(tǒng)啟動(dòng)的第一個(gè)程序，也是系統(tǒng)初始化的關(guān)鍵步驟。存儲(chǔ)位置引導(dǎo)程序通常存儲(chǔ)在系統(tǒng)硬盤的第一個(gè)扇區(qū)，也稱為主引導(dǎo)記錄(MBR)。核心功能引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)初始化硬件，加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并將控制權(quán)交給內(nèi)核。BIOS和UEFIBIOSBIOS是基本輸入輸出系統(tǒng)。它存儲(chǔ)在主板上的閃存芯片中，是操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的第一個(gè)程序。BIOS負(fù)責(zé)初始化硬件，引導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，它取代了傳統(tǒng)的BIOS。UEFI提供了更快的啟動(dòng)速度，支持更大的硬盤容量，并且具有更強(qiáng)大的安全功能。操作系統(tǒng)的引導(dǎo)過程1BIOS初始化執(zhí)行自檢，加載引導(dǎo)扇區(qū)2加載引導(dǎo)程序從硬盤讀取操作系統(tǒng)引導(dǎo)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(dòng)系統(tǒng)服務(wù)引導(dǎo)過程是操作系統(tǒng)啟動(dòng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)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(biāo)、鍵盤、觸摸屏等交互，更加直觀易用。33.手勢(shì)和觸控移動(dòng)設(shè)備使用手勢(shì)和觸控，提高交互效率。44.跨平臺(tái)兼容性支持不同平臺(tái)和設(shè)備，擴(kuò)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(dāng)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(fù)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(yàn)圖形用戶界面使用圖標(biāo)、菜單和窗口，讓用戶更容易理解和操作計(jì)算機(jī)。多任務(wù)處理通過窗口管理功能，用戶可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)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(dòng)設(shè)備提供了更直觀的用戶體驗(yàn)。手勢(shì)和觸控直觀交互手指滑動(dòng)、點(diǎn)擊、捏合等手勢(shì)，取代了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤操作，使人機(jī)交互更自然直觀。移動(dòng)設(shè)備的革命觸控技術(shù)極大地提升了移動(dòng)設(shè)備的用戶體驗(yàn)，為智能手機(jī)和平板電腦的普及鋪平了道路。未來趨勢(shì)隨著技術(shù)的進(jìn)步，手勢(shì)和觸控功能將不斷完善，應(yīng)用范圍將擴(kuò)展到更多領(lǐng)域，例如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)?？缙脚_(tái)兼容性應(yīng)用范圍更廣跨平臺(tái)兼容性使應(yīng)用程序能夠在不同的操作系統(tǒng)和設(shè)備上運(yùn)行，擴(kuò)大其潛在用戶群。例如，使用Java編寫的應(yīng)用程序可以在Windows、macOS和Linux上運(yùn)行。開發(fā)效率更高開發(fā)人員可以為多個(gè)平臺(tái)編寫一次代碼，從而節(jié)省時(shí)間和精力?？缙脚_(tái)兼容性簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)過程，縮短了上市時(shí)間。操作系統(tǒng)的未來發(fā)展1云計(jì)算和容器技術(shù)云計(jì)算環(huán)境下，操作系統(tǒng)將變得更加輕量級(jí)，以適應(yīng)虛擬化和容器化的需求。2物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要輕量級(jí)、高效的操作系統(tǒng)，邊緣計(jì)算需要更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。3人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)未來操作系統(tǒng)將更加智能化，能夠自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)性能，提供個(gè)性化的服務(wù)。云計(jì)算和容器技術(shù)11.資源共享云計(jì)算提供可擴(kuò)展資源，容器技術(shù)則幫助高效利用這些資源，提高效率。22.可移植性容器技術(shù)讓應(yīng)用程序可以輕松移植到不同的云平臺(tái)，確?？缙脚_(tái)兼容性。33.自動(dòng)化管理容器技術(shù)簡化了應(yīng)用程序部署和管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，降低運(yùn)維成本。44.靈活性容器技術(shù)支持微服務(wù)架構(gòu)，讓應(yīng)用程序更加靈活，易于擴(kuò)展和更新。物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理和分析