華中科技大學(xué)操作系統(tǒng)課件全集

華中科技大學(xué)操作系統(tǒng)課件全集本課件涵蓋了操作系統(tǒng)課程的各個方面，從基礎(chǔ)概念到高級主題，從理論知識到實踐應(yīng)用，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)提供全面的指導(dǎo)。課程簡介1操作系統(tǒng)概述介紹操作系統(tǒng)的基本概念、功能和重要性，包括操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史、類型和結(jié)構(gòu)。2進(jìn)程管理深入探討進(jìn)程管理的核心內(nèi)容，包括進(jìn)程的概念、進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進(jìn)程控制和進(jìn)程通信等。3內(nèi)存管理講解內(nèi)存管理的原理和技術(shù)，包括內(nèi)存分配策略、頁面置換算法、虛擬內(nèi)存等。4I/O系統(tǒng)介紹I/O系統(tǒng)的組成、工作原理，以及各種I/O設(shè)備的管理和控制方法。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)概念進(jìn)程正在執(zhí)行的程序，是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。線程進(jìn)程中的執(zhí)行單元，共享進(jìn)程的資源，可提高并發(fā)效率。內(nèi)存管理管理內(nèi)存空間，分配和回收內(nèi)存資源。進(jìn)程管理進(jìn)程概念進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程可以處于運行、就緒、阻塞等狀態(tài)，狀態(tài)之間可以轉(zhuǎn)換。進(jìn)程控制塊(PCB)PCB存儲了進(jìn)程相關(guān)的信息，例如進(jìn)程標(biāo)識符、進(jìn)程狀態(tài)、程序計數(shù)器、內(nèi)存地址等。進(jìn)程調(diào)度1調(diào)度算法FCFS、SJF、優(yōu)先級調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)、多級反饋隊列等2調(diào)度目標(biāo)提高CPU利用率，縮短平均周轉(zhuǎn)時間，減少平均等待時間等3調(diào)度策略搶占式調(diào)度、非搶占式調(diào)度并發(fā)與同步并發(fā)多個任務(wù)同時執(zhí)行，提高系統(tǒng)效率。同步協(xié)調(diào)并發(fā)任務(wù)，避免數(shù)據(jù)沖突。死鎖互斥條件資源只能被一個進(jìn)程占用，其他進(jìn)程需要等待。占有并等待進(jìn)程在占用資源時申請其他資源，并保持已占用資源。不可剝奪條件進(jìn)程不能強行剝奪其他進(jìn)程已占有的資源。循環(huán)等待條件多個進(jìn)程形成一個環(huán)形等待鏈，每個進(jìn)程都等待著鏈中下一個進(jìn)程占有的資源。內(nèi)存管理物理內(nèi)存計算機系統(tǒng)中實際存在的內(nèi)存，由內(nèi)存芯片構(gòu)成。虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)通過虛擬內(nèi)存技術(shù)，將物理內(nèi)存擴(kuò)展到磁盤空間。內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)管理內(nèi)存的硬件組件，負(fù)責(zé)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。分頁與分段分頁將程序和數(shù)據(jù)劃分成大小相等的頁面，然后將頁面裝入內(nèi)存。分段根據(jù)程序的邏輯結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)劃分成大小不等的段，然后將段裝入內(nèi)存。虛擬內(nèi)存擴(kuò)展物理內(nèi)存虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，通過將一部分?jǐn)?shù)據(jù)暫存在磁盤上，模擬更大的內(nèi)存空間。提高并發(fā)度多個程序可以共享物理內(nèi)存，通過虛擬內(nèi)存技術(shù)，每個程序都擁有獨立的虛擬地址空間，互不干擾。簡化內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存管理機制可以將內(nèi)存的分配和回收變得更加高效，簡化了內(nèi)存管理的復(fù)雜度。I/O系統(tǒng)硬件接口I/O系統(tǒng)與硬件設(shè)備的連接方式，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。驅(qū)動程序用于控制和管理特定硬件設(shè)備的軟件模塊。數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在I/O設(shè)備和內(nèi)存之間的傳輸方式，例如DMA傳輸。中斷處理I/O設(shè)備完成操作時發(fā)送中斷信號給CPU，并處理相應(yīng)的事件。磁盤管理磁盤調(diào)度優(yōu)化磁盤訪問順序，提高效率。文件分配管理磁盤空間分配和文件組織。數(shù)據(jù)安全保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和防止數(shù)據(jù)丟失。文件系統(tǒng)文件組織文件系統(tǒng)用于組織和管理計算機上的文件和目錄。訪問控制文件系統(tǒng)提供對文件的訪問權(quán)限控制，確保數(shù)據(jù)安全。存儲管理文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將文件存儲到磁盤，并管理磁盤空間的使用。設(shè)備驅(qū)動程序作用設(shè)備驅(qū)動程序充當(dāng)操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的橋梁，為用戶提供操作設(shè)備的接口，并將硬件設(shè)備的底層操作封裝起來。類型常見的設(shè)備驅(qū)動程序類型包括塊設(shè)備驅(qū)動程序（例如硬盤）、字符設(shè)備驅(qū)動程序（例如鍵盤）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序（例如網(wǎng)卡）等。設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計需要考慮硬件設(shè)備的特點，并遵循操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序框架，以確保安全可靠地訪問和操作硬件設(shè)備。用戶接口圖形用戶界面(GUI)提供直觀易用的交互方式，使用戶更容易操作計算機。命令行界面(CLI)用戶通過輸入命令來與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，適合高級用戶。用戶體驗(UX)關(guān)注用戶在使用系統(tǒng)時的感受，使其更加流暢、友好。安全與保護(hù)系統(tǒng)安全保護(hù)操作系統(tǒng)免受惡意攻擊和非法訪問。數(shù)據(jù)安全確保用戶數(shù)據(jù)機密性和完整性。資源保護(hù)防止不同用戶之間相互干擾。實時操作系統(tǒng)工業(yè)自動化實時操作系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中扮演著關(guān)鍵角色，確保機器和設(shè)備以精確的時序運行。醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)療設(shè)備中，實時操作系統(tǒng)保障著關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和處理，例如心率監(jiān)測、血壓測量等。自動駕駛自動駕駛汽車需要實時操作系統(tǒng)來處理傳感器數(shù)據(jù)，做出快速準(zhǔn)確的決策，保證安全駕駛。嵌入式操作系統(tǒng)定義專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的操作系統(tǒng)，具有資源受限、實時性和可靠性等特點。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于手機、智能家居、汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域。主要特點體積小、效率高、實時性強、可靠性高、安全性高。Linux操作系統(tǒng)概述Linux是一款開源操作系統(tǒng)，在服務(wù)器、桌面、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它具有穩(wěn)定、可靠、安全、免費等優(yōu)點，并擁有龐大的用戶社區(qū)和豐富的軟件資源。Linux系統(tǒng)基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)，提供豐富的系統(tǒng)調(diào)用和編程接口，支持多種硬件平臺和編程語言。Linux進(jìn)程管理進(jìn)程創(chuàng)建fork()函數(shù)創(chuàng)建新進(jìn)程，并復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存空間。進(jìn)程終止exit()函數(shù)使進(jìn)程正常終止，而kill()函數(shù)可強制終止進(jìn)程。進(jìn)程間通信管道、消息隊列、共享內(nèi)存、信號量等機制，允許進(jìn)程間協(xié)同工作。Linux內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存Linux使用虛擬內(nèi)存來擴(kuò)展可用內(nèi)存。它將硬盤空間用作額外的內(nèi)存，允許應(yīng)用程序使用比物理內(nèi)存更多的內(nèi)存。頁面分配Linux使用頁框來管理內(nèi)存，每個頁面通常為4KB。當(dāng)應(yīng)用程序需要內(nèi)存時，Linux會分配頁框來滿足其需求。內(nèi)存映射Linux支持內(nèi)存映射文件，允許應(yīng)用程序直接訪問磁盤文件的內(nèi)容，而無需將整個文件加載到內(nèi)存中。Linux文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)Linux使用分層文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，允許將磁盤空間組織成目錄和文件。虛擬文件系統(tǒng)(VFS)VFS提供統(tǒng)一的接口，允許應(yīng)用程序訪問各種文件系統(tǒng)，例如ext4、XFS和NTFS。元數(shù)據(jù)每個文件系統(tǒng)都有一個元數(shù)據(jù)區(qū)域，它存儲有關(guān)文件和目錄的信息，例如權(quán)限、所有者和時間戳。Linux設(shè)備驅(qū)動程序內(nèi)核交互驅(qū)動程序是連接內(nèi)核和硬件設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)處理硬件的訪問和操作。模塊化設(shè)計Linux驅(qū)動程序采用模塊化設(shè)計，可以方便地加載和卸載，提高系統(tǒng)靈活性。測試與調(diào)試驅(qū)動程序開發(fā)需要進(jìn)行嚴(yán)格的測試和調(diào)試，以確保其穩(wěn)定性和可靠性。Linux網(wǎng)絡(luò)編程套接字Linux網(wǎng)絡(luò)編程的核心是套接字，它是一種用于進(jìn)程間通信的抽象接口，支持TCP/IP和UDP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議了解TCP/IP、UDP和ICMP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及它們在網(wǎng)絡(luò)通信中的作用，是網(wǎng)絡(luò)編程的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)工具熟悉網(wǎng)絡(luò)工具，例如ping、netstat和ifconfig，可以幫助您診斷和調(diào)試網(wǎng)絡(luò)問題。Linux系統(tǒng)編程系統(tǒng)調(diào)用Linux系統(tǒng)編程涉及與內(nèi)核進(jìn)行交互，通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問底層資源，例如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存等。進(jìn)程管理學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建、終止、管理進(jìn)程，以及進(jìn)程間通信，包括信號、管道、消息隊列等。內(nèi)存管理掌握內(nèi)存分配、釋放、共享機制，以及虛擬內(nèi)存、內(nèi)存映射等概念。文件系統(tǒng)了解Linux文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)文件操作、目錄操作，以及文件系統(tǒng)管理等。Linux安全管理安全審計定期審計系統(tǒng)配置、用戶活動和安全日志，識別潛在的安全漏洞和威脅。防火墻配置使用iptables或其他工具配置防火墻規(guī)則，阻止來自外部網(wǎng)絡(luò)的惡意訪問。用戶權(quán)限管理根據(jù)需要分配用戶權(quán)限，最小化用戶特權(quán)，限制用戶訪問敏感資源。Linux內(nèi)核分析內(nèi)核結(jié)構(gòu)深入了解Linux內(nèi)核的組件和模塊，例如進(jìn)程調(diào)度器、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。系統(tǒng)調(diào)用研究用戶空間和內(nèi)核空間之間的交互方式，以及如何使用系統(tǒng)調(diào)用訪問內(nèi)核功能。驅(qū)動程序分析設(shè)備驅(qū)動程序的架構(gòu)，以及如何與硬件交互并管理設(shè)備資源。Linux性能優(yōu)化優(yōu)化系統(tǒng)資源使用，例如CPU、內(nèi)存、磁盤I/O和網(wǎng)絡(luò)帶寬。分析和調(diào)整系統(tǒng)配置參數(shù)，例如內(nèi)核參數(shù)、文件系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。優(yōu)化應(yīng)用程序代碼，例如使用高效的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢云計算云計算技術(shù)不斷發(fā)展，為操作系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。例如，云操作系統(tǒng)需要支持虛擬化、資源管理和安全保障等功能。移動設(shè)備移動設(shè)備的普及推動了操作系統(tǒng)向輕量級、低功耗和高性能方向發(fā)展。例如，Android和iOS操作系統(tǒng)已經(jīng)成為移動設(shè)備的標(biāo)配。人工智能人工智能的興起正在影響著操作系統(tǒng)的設(shè)計。例如，AI驅(qū)動的操作系統(tǒng)可以根據(jù)