【大學(xué)課件】操作系統(tǒng)

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，它管理和控制計(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)的發(fā)展歷程1第一代(1940年代-1950年代)機(jī)器語(yǔ)言編程，批處理系統(tǒng)，無(wú)操作系統(tǒng)概念。2第二代(1950年代-1960年代)匯編語(yǔ)言編程，多道程序設(shè)計(jì)，引入操作系統(tǒng)概念。3第三代(1960年代-1970年代)高級(jí)語(yǔ)言編程，分時(shí)系統(tǒng)，交互式操作界面。4第四代(1980年代-至今)圖形用戶界面，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，移動(dòng)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的基本功能管理硬件資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源，包括CPU、內(nèi)存、外設(shè)等，以確保它們高效地運(yùn)行。提供用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供一個(gè)友好的界面，方便用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互，執(zhí)行各種操作。管理應(yīng)用程序操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、執(zhí)行和管理應(yīng)用程序，確保它們之間能夠和諧地運(yùn)行。進(jìn)程管理進(jìn)程的概念一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。進(jìn)程控制創(chuàng)建、終止、掛起、恢復(fù)和調(diào)度進(jìn)程。進(jìn)程通信進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享和同步。進(jìn)程同步與互斥同步確保多個(gè)進(jìn)程按特定順序執(zhí)行，協(xié)調(diào)訪問(wèn)共享資源?；コ夥乐苟鄠€(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一共享資源，防止數(shù)據(jù)不一致。關(guān)鍵區(qū)共享資源訪問(wèn)的代碼段，需要保護(hù)以保證互斥訪問(wèn)。信號(hào)量一種同步機(jī)制，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)次數(shù)。內(nèi)存管理內(nèi)存分配將內(nèi)存分配給不同的進(jìn)程，以便它們可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和代碼。內(nèi)存保護(hù)防止一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)另一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存，從而保護(hù)系統(tǒng)完整性。內(nèi)存回收當(dāng)一個(gè)進(jìn)程不再需要內(nèi)存時(shí)，將內(nèi)存釋放回操作系統(tǒng)，以便其他進(jìn)程使用。虛擬內(nèi)存技術(shù)物理地址物理地址是內(nèi)存芯片上的實(shí)際地址，用于訪問(wèn)實(shí)際存在的內(nèi)存單元。虛擬地址虛擬地址是由操作系統(tǒng)分配的邏輯地址，用于訪問(wèn)程序中的數(shù)據(jù)和指令。頁(yè)表頁(yè)表用于將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，存儲(chǔ)了虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系。設(shè)備管理管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件設(shè)備，例如磁盤、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)等。負(fù)責(zé)分配和協(xié)調(diào)設(shè)備的使用，防止沖突和資源浪費(fèi)。提供統(tǒng)一的接口供應(yīng)用程序訪問(wèn)設(shè)備，屏蔽設(shè)備的差異。文件管理文件組織文件系統(tǒng)將磁盤空間劃分為文件和目錄，方便用戶管理數(shù)據(jù)。目錄結(jié)構(gòu)可以組織和檢索文件。文件訪問(wèn)控制操作系統(tǒng)提供文件訪問(wèn)控制機(jī)制，例如用戶權(quán)限和訪問(wèn)控制列表，保護(hù)文件安全和完整性。文件操作操作系統(tǒng)提供一系列文件操作，如創(chuàng)建、刪除、打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫、重命名等，便于用戶使用和管理文件。磁盤調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)(FCFS)按照請(qǐng)求到達(dá)順序進(jìn)行調(diào)度，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)但效率低。最短尋道時(shí)間優(yōu)先(SSTF)選擇距離當(dāng)前磁頭位置最近的請(qǐng)求，提高了效率但可能導(dǎo)致饑餓。掃描(SCAN)磁頭從一端掃描到另一端，處理沿途的請(qǐng)求，避免了饑餓問(wèn)題。循環(huán)掃描(C-SCAN)磁頭從一端掃描到另一端，然后直接返回到起始位置，提高了公平性。輸入輸出管理1設(shè)備管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理各種輸入輸出設(shè)備，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤等等。2數(shù)據(jù)傳輸操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備，例如從硬盤讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存。3中斷處理當(dāng)一個(gè)設(shè)備完成了一個(gè)操作后，會(huì)向操作系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，操作系統(tǒng)需要處理這些中斷信號(hào)。中斷處理硬件中斷由硬件設(shè)備產(chǎn)生的中斷，例如鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤等。軟件中斷由軟件產(chǎn)生的中斷，例如除零錯(cuò)誤、內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤等。操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程加電自檢(POST)啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行硬件自檢，確保所有組件正常工作。引導(dǎo)加載程序(BIOS)BIOS找到存儲(chǔ)在硬盤上的操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，并將控制權(quán)交給它。內(nèi)核加載引導(dǎo)程序加載操作系統(tǒng)內(nèi)核到內(nèi)存中，并初始化系統(tǒng)資源。啟動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)啟動(dòng)必要的系統(tǒng)服務(wù)，例如文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。登錄界面顯示用戶登錄界面，允許用戶登錄系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)核內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序與內(nèi)核交互的接口，提供訪問(wèn)系統(tǒng)資源的功能。用戶界面用戶界面是用戶與操作系統(tǒng)交互的接口，提供命令行或圖形界面。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)核心功能基本內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和線程管理。服務(wù)器通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用與用戶程序交互。模塊化設(shè)計(jì)可選模塊，如文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。單處理器系統(tǒng)單核處理器只有一個(gè)核心，可以同時(shí)執(zhí)行一個(gè)指令流。多核處理器有多個(gè)核心，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令流，提升性能。多處理器系統(tǒng)1并行處理多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，提高系統(tǒng)性能。2資源共享處理器共享內(nèi)存和外設(shè)，提高資源利用率。3高可靠性一個(gè)處理器故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)間約束實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，以滿足對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用程序的要求。確定性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須能夠在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，而不會(huì)受到其他進(jìn)程或中斷的影響。可靠性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須高度可靠，以確保關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序能夠始終如一地執(zhí)行。分布式操作系統(tǒng)多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，共同完成任務(wù)。共享資源，例如處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備等。系統(tǒng)之間需要進(jìn)行通信，以協(xié)調(diào)和同步任務(wù)執(zhí)行。操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算云操作系統(tǒng)提供虛擬化，按需擴(kuò)展和資源共享，降低成本并提高效率。移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)操作系統(tǒng)優(yōu)化電池壽命，觸控交互和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶對(duì)便攜性和連接性的需求。人工智能操作系統(tǒng)將融合AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化資源分配，安全管理和個(gè)性化服務(wù)。Linux操作系統(tǒng)開(kāi)源性Linux是一種開(kāi)源操作系統(tǒng)，其源代碼可供任何人自由使用、修改和分發(fā)。這為開(kāi)發(fā)人員提供了高度的靈活性，并促進(jìn)了社區(qū)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新。穩(wěn)定性和可靠性Linux以其高度穩(wěn)定性和可靠性而聞名，使其成為服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)和各種應(yīng)用的理想選擇。多功能性Linux支持多種桌面環(huán)境和應(yīng)用程序，可以滿足不同用戶的需求。它在服務(wù)器、桌面電腦、移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。Windows操作系統(tǒng)歷史悠久微軟公司開(kāi)發(fā)，起源于1985年的MS-DOS系統(tǒng)，發(fā)展至今已有30多年歷史。圖形界面以其友好的圖形界面而聞名，易于使用，廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備。版本多樣提供不同的版本，從Windows10Home到WindowsServer2022，以滿足不同用戶的需求。應(yīng)用廣泛在全球范圍內(nèi)擁有龐大的用戶群，覆蓋個(gè)人、企業(yè)、教育和政府等領(lǐng)域。Unix操作系統(tǒng)多用戶支持多個(gè)用戶同時(shí)使用系統(tǒng)。多任務(wù)允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行。層次文件系統(tǒng)將文件組織成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，方便管理。命令行界面通過(guò)命令行輸入指令，控制系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)資源受限嵌入式系統(tǒng)通常具有有限的內(nèi)存、處理能力和存儲(chǔ)空間。實(shí)時(shí)性要求許多嵌入式應(yīng)用需要在特定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，例如工業(yè)控制或醫(yī)療設(shè)備。專用性強(qiáng)嵌入式操作系統(tǒng)通常針對(duì)特定硬件和應(yīng)用而設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)安全性訪問(wèn)控制防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)操作系統(tǒng)資源，包括文件、目錄和設(shè)備。數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)不被篡改或損壞，包括防止惡意軟件入侵和數(shù)據(jù)泄露。系統(tǒng)可靠性保證操作系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，防止崩潰或錯(cuò)誤，并確保系統(tǒng)資源可用性。用戶身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶身份，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問(wèn)系統(tǒng)資源和敏感信息。進(jìn)程調(diào)度算法1先來(lái)先服務(wù)(FCFS)最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度。2最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)選擇下一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程，其估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短。3優(yōu)先級(jí)調(diào)度為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行。4時(shí)間片輪轉(zhuǎn)為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)時(shí)間片用完后，進(jìn)程被強(qiáng)制切換到就緒隊(duì)列等待下次調(diào)度。存儲(chǔ)器管理技術(shù)分區(qū)管理將內(nèi)存劃分為固定大小的區(qū)域，方便分配和回收內(nèi)存。分頁(yè)管理將程序劃分成固定大小的頁(yè)面，提高內(nèi)存利用率。分段管理將程序劃分成邏輯意義上的段，方便程序的模塊化管理。文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄結(jié)構(gòu)組織文件和文件夾的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)分配磁盤空間分配策略，如連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配訪問(wèn)控制用戶和組的權(quán)限控制，防止非法訪問(wèn)和修改輸入輸出