操作系統(tǒng)第2章操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件支持202X-12-23匯報(bào)人：操作系統(tǒng)的基本概念操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的硬件支持操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)contents目錄CHAPTER操作系統(tǒng)的基本概念01操作系統(tǒng)定義操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程以及為用戶提供方便使用環(huán)境的程序集合。操作系統(tǒng)作用操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分，使之能夠協(xié)調(diào)工作，為用戶提供高效、便捷的服務(wù)。操作系統(tǒng)地位操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它與硬件緊密結(jié)合，為用戶提供了一個(gè)清晰、一致的界面，使用戶能夠方便地使用計(jì)算機(jī)。操作系統(tǒng)的定義操作系統(tǒng)的功能資源管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源，如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯示器等，確保它們能夠得到合理的分配和有效的利用。任務(wù)調(diào)度操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照一定的策略和優(yōu)先級(jí)調(diào)度任務(wù)，確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠高效地處理各種任務(wù)。文件管理操作系統(tǒng)提供文件管理功能，包括文件的創(chuàng)建、刪除、修改、查找等操作，以及文件的權(quán)限管理。用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供友好的界面，使用戶能夠方便地使用計(jì)算機(jī)的各種功能。只能同時(shí)處理一個(gè)用戶的請(qǐng)求，如DOS。單用戶操作系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)用戶的請(qǐng)求，如UNIX、Linux和Windows。多用戶操作系統(tǒng)除了具有多用戶操作系統(tǒng)的特點(diǎn)外，還具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，如WindowsServer和LinuxServer。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)將多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如網(wǎng)格計(jì)算。分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的分類CHAPTER操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)02010203整體結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)作為一個(gè)整體，提供對(duì)硬件和軟件資源的管理和控制。整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，易于理解和實(shí)現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是功能過(guò)于集中，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。整體結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)01層次結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，每一層只與其上一層和下一層進(jìn)行通信。02層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)和擴(kuò)展。層次結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是通信效率較低，因?yàn)槊恳粚佣夹枰c上下層進(jìn)行通信。03微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是指操作系統(tǒng)的核心功能被劃分為多個(gè)獨(dú)立的微內(nèi)核，每個(gè)微內(nèi)核負(fù)責(zé)特定的功能。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性和靈活性高，因?yàn)榭梢噪S時(shí)添加或刪除微內(nèi)核。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，需要較高的技術(shù)水平。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)是指結(jié)合了整體結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，形成一個(gè)更為完善的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性好、靈活性高?；旌辖Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，需要較高的技術(shù)水平?；旌辖Y(jié)構(gòu)CHAPTER操作系統(tǒng)的硬件支持03

中斷處理中斷處理是操作系統(tǒng)與硬件交互的重要機(jī)制。當(dāng)硬件設(shè)備完成一項(xiàng)任務(wù)或發(fā)生某種事件時(shí)，會(huì)向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前任務(wù)，保存現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。中斷處理程序會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完成后返回原任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式中，CPU需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)皆O(shè)備或從設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存，而DMA允許設(shè)備直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。DMA控制器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嫉刂贰鬏斪止?jié)數(shù)等，并控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。DMA（DirectMemoryAccess）是一種允許硬件設(shè)備直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）通道是一種獨(dú)立的輸入輸出處理機(jī)，用于連接主機(jī)和外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。通道通過(guò)與CPU和內(nèi)存的交互，能夠執(zhí)行多種輸入輸出操作，如磁盤讀寫、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取Ｍǖ捞幚砜梢詼p輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。通道處理CHAPTER操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理0403進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行實(shí)例，是實(shí)現(xiàn)程序功能的重要途徑。01進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。02進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性、獨(dú)立性和制約性，擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。進(jìn)程的概念就緒狀態(tài)進(jìn)程已獲得所需資源，等待CPU調(diào)度。運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程占用CPU，正在執(zhí)行指令。阻塞狀態(tài)進(jìn)程等待某個(gè)事件（如I/O操作）完成而暫時(shí)停止執(zhí)行。終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程正常結(jié)束或異常終止。進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程的創(chuàng)建與終止進(jìn)程創(chuàng)建通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用或命令行創(chuàng)建新進(jìn)程，分配資源并初始化進(jìn)程控制塊。進(jìn)程終止當(dāng)進(jìn)程完成或異常結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)回收資源并釋放進(jìn)程控制塊。通過(guò)信號(hào)量、條件變量等機(jī)制實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程間的協(xié)同工作。通過(guò)管道、消息隊(duì)列、信號(hào)、共享內(nèi)存等方式實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程間的信息交換。進(jìn)程的同步與通信進(jìn)程通信進(jìn)程同步CHAPTER操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理05內(nèi)存回收當(dāng)進(jìn)程不再需要內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)回收這些內(nèi)存以供其他進(jìn)程使用。內(nèi)存擴(kuò)充通過(guò)虛擬內(nèi)存技術(shù)，將物理內(nèi)存與外部存儲(chǔ)器結(jié)合使用，為進(jìn)程提供比實(shí)際物理內(nèi)存更大的內(nèi)存空間。內(nèi)存保護(hù)確保每個(gè)進(jìn)程只能訪問(wèn)其分配的內(nèi)存空間，防止一個(gè)進(jìn)程對(duì)其他進(jìn)程的內(nèi)存進(jìn)行非法訪問(wèn)。內(nèi)存分配為每個(gè)進(jìn)程分配所需的內(nèi)存空間，包括代碼、數(shù)據(jù)和堆棧。內(nèi)存管理的任務(wù)和功能將物理內(nèi)存劃分為固定大小的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)只能被一個(gè)進(jìn)程使用。當(dāng)進(jìn)程結(jié)束時(shí)，其占用的分區(qū)被回收。固定分區(qū)分配根據(jù)進(jìn)程的大小動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和調(diào)整分區(qū)大小。當(dāng)進(jìn)程結(jié)束時(shí)，其占用的分區(qū)被回收。動(dòng)態(tài)分區(qū)分配將一些不活躍的進(jìn)程從物理內(nèi)存移至外部存儲(chǔ)器，以釋放空間給其他進(jìn)程。交換技術(shù)內(nèi)存的分配與回收共享內(nèi)存01多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)訪問(wèn)同一塊物理內(nèi)存區(qū)域，通過(guò)共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信和數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存保護(hù)02通過(guò)硬件和操作系統(tǒng)的支持，確保每個(gè)進(jìn)程只能訪問(wèn)其分配的內(nèi)存空間，防止非法訪問(wèn)。寫時(shí)復(fù)制技術(shù)03當(dāng)多個(gè)進(jìn)程需要共享數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)采用寫時(shí)復(fù)制技術(shù)，為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建數(shù)據(jù)的副本，確保每個(gè)進(jìn)程修改的是自己的數(shù)據(jù)副本，而不是共享的數(shù)據(jù)。內(nèi)存的共享與保護(hù)CHAPTER操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)06文件系統(tǒng)概念文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中用于管理文件存儲(chǔ)和訪問(wèn)的軟件架構(gòu)，它提供了一種組織和管理數(shù)據(jù)的方式。文件系統(tǒng)功能文件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)文件的存儲(chǔ)、檢索、刪除、備份等操作，同時(shí)還負(fù)責(zé)管理文件權(quán)限、文件路徑、文件屬性等。文件系統(tǒng)的概念和功能文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是指文件在磁盤上的物理存儲(chǔ)方式，包括文件的存儲(chǔ)格式、存儲(chǔ)路徑、存儲(chǔ)空間管理等。文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)目錄結(jié)構(gòu)是指文件在磁盤上的組織方式，包括根