操作系统原理
计算机操作系统原理
计算机操作系统原理计算机操作系统是计算机系统中的核心软件之一，它负责管理和控制计算机硬件资源的分配和使用。
了解计算机操作系统的原理对于学习和理解计算机系统的工作方式至关重要。
本文将介绍计算机操作系统的基本原理，并详细列出步骤。
1. 操作系统概述：- 定义：操作系统是一种软件，用于管理和控制计算机系统中的硬件资源。
- 作用：提供用户与计算机系统之间的接口，协调和管理硬件和软件资源，为应用程序提供便捷的运行环境。
2. 操作系统的组成：- 内核：操作系统的核心部分，负责管理和控制计算机系统的各种硬件资源。
- Shell：操作系统与用户之间的接口，用户可以通过命令行或图形化界面与操作系统进行交互。
- 文件系统：用于存储和管理计算机系统中的文件和目录。
- 进程管理：负责协调和管理系统中的各个进程，包括进程的创建、调度、通信和终止等。
- 内存管理：负责管理计算机系统中的主存储器，包括内存的分配和释放、虚拟内存的管理等。
- 文件系统：负责管理计算机系统中的文件和目录，包括文件的创建、读写、删除等操作。
- 设备管理：负责管理计算机系统中的各种设备，包括输入输出设备和存储设备等。
3. 操作系统的基本原理：- 多道程序设计：操作系统能够在同一时间内并发执行多个程序，提高计算机系统的利用率和响应速度。
- 中断机制：操作系统通过中断机制来响应和处理外部设备的请求和异常情况。
- 内存管理：操作系统负责管理计算机系统中的主存储器，包括内存的分配和释放、虚拟内存的管理等。
- 进程管理：操作系统负责协调和管理系统中的各个进程，包括进程的创建、调度、通信和终止等。
- 设备管理：操作系统负责管理计算机系统中的各种设备，包括输入输出设备和存储设备等。
4. 操作系统的工作步骤：- 引导：计算机启动时，操作系统首先被加载到内存中，通过引导程序启动操作系统。
- 初始化：操作系统启动后会对计算机系统的各个硬件进行初始化，并建立系统数据结构。
windows操作系统原理
windows操作系统原理Windows操作系统原理是指Windows操作系统设计与实现的基本原理和机制。
Windows操作系统是由微软公司开发的一种面向个人计算机的操作系统。
Windows操作系统的原理包括以下几个方面：1. 多任务管理：Windows操作系统采用了抢占式的多任务处理机制，通过任务调度器来管理多个任务的执行。
每个任务独立运行在自己的进程中，操作系统根据进程的优先级和时间片来进行任务调度。
2. 内存管理：Windows操作系统使用虚拟内存管理机制，将物理内存划分为多个页框，每个进程有自己的虚拟地址空间。
操作系统通过分页机制将虚拟内存映射到物理内存中，以便实现进程间的隔离和保护。
3. 文件系统：Windows操作系统使用NTFS文件系统作为默认的文件系统。
NTFS文件系统支持文件和目录的权限控制、文件压缩和加密等功能。
4. 设备管理：Windows操作系统通过设备驱动程序来管理硬件设备。
每个设备驱动程序负责与特定设备的通信，并提供统一的接口供应用程序调用。
5. 网络通信：Windows操作系统支持TCP/IP协议栈，并提供了各种网络通信服务，如网络协议栈、网络接口、套接字接口等，以实现应用程序之间的网络通信。
6. 用户界面：Windows操作系统提供了图形用户界面（GUI），包括窗口管理、菜单、对话框等，使得用户可以通过鼠标、键盘等输入设备与计算机进行交互。
7. 安全性：Windows操作系统通过用户账户和权限管理来保护系统和用户数据的安全性。
每个用户都有自己的账户，并且可以通过权限控制来限制对文件和系统资源的访问。
这些原理和机制共同构成了Windows操作系统的核心。
通过合理地设计和实现，Windows操作系统能够提供稳定、安全、高效的计算环境，满足用户的各种需求。
操作系统原理总结
操作系统原理总结操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
它负责控制和协调计算机的各种活动，使得计算机能够高效、稳定地运行。
下面就让我们来深入了解一下操作系统的原理。
操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口。
处理机管理的任务是合理地分配和调度处理机资源，以提高处理机的利用率和系统的性能。
进程是处理机管理中的一个重要概念，它是程序的一次执行过程。
操作系统通过进程控制、进程同步、进程通信和进程调度等手段来管理进程。
进程调度算法决定了哪个进程将获得处理机资源，常见的调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。
存储器管理的目标是为程序的运行提供良好的内存环境，提高内存的利用率。
内存分配方式有连续分配和离散分配两种。
连续分配包括单一连续分配和分区分配，离散分配则包括分页存储管理、分段存储管理和段页式存储管理。
虚拟存储器技术通过将部分程序和数据暂时存放在外存上，使得计算机能够运行比实际内存更大的程序。
设备管理的主要任务是管理和控制各类 I/O 设备，方便用户使用设备，并提高设备的利用率。
设备管理包括设备分配、设备驱动、设备缓冲和设备独立性等方面。
设备分配算法要考虑设备的使用情况和请求的优先级。
设备驱动程序是操作系统与设备硬件之间的接口，负责控制设备的操作。
设备缓冲可以减少 I/O 操作的次数，提高系统的性能。
文件管理负责对文件进行组织、存储、检索和保护。
文件系统为用户提供了一种按名存取的方式，方便用户对文件进行操作。
文件的逻辑结构有流式文件和记录式文件，物理结构有连续文件、链接文件和索引文件。
文件存储空间的管理方法有空闲表法、空闲链表法和位示图法等。
文件的保护机制可以防止文件被非法访问和修改。
用户接口是操作系统与用户之间的交互界面，分为命令接口和程序接口。
命令接口包括联机命令接口和脱机命令接口，程序接口则通过系统调用为用户程序提供服务。
操作系统的体系结构主要有单体结构、层次结构、微内核结构和客户/服务器结构等。
操作系统原理及其实现方式
操作系统原理及其实现方式操作系统是计算机系统中的一个重要组成部分，它起着协调、管理和控制计算机硬件和软件资源的作用。
本文将详细介绍操作系统的原理以及实现方式，以便读者对操作系统有更深入的了解。
一、操作系统原理1.1 操作系统的定义操作系统是一个管理计算机硬件和软件资源的程序，它可以提供给用户和应用程序一个简单的接口，对资源进行管理和分配，以实现计算机系统的高效运行。
1.2 操作系统的功能操作系统具有以下基本功能：1)处理器管理：对处理器的分配和调度，确保每个任务都能得到足够的处理时间。
2)内存管理：对内存的分配和回收，以及进程的地址空间管理。
3)文件系统管理：对磁盘上文件的组织和访问进行管理。
4)设备管理：对输入输出设备的控制和分配。
5)用户接口：提供给用户和应用程序一个方便的操作界面。
1.3 操作系统的设计原则操作系统的设计遵循以下几个原则：1)简洁性：操作系统应该尽量简洁，去除冗余的功能，保证核心功能的高效运行。
2)可靠性：操作系统应该具有足够的容错能力，能够正确处理各种异常情况。
3)可扩展性：操作系统应该具备良好的扩展性，能够方便地添加新的功能和设备支持。
4)高效性：操作系统应该具有高效的资源管理和调度机制，以提高整个系统的运行效率。
二、操作系统的实现方式2.1 单任务操作系统单任务操作系统是最简单的操作系统形式，它只能处理一个任务，无法进行并发处理。
单任务操作系统的实现方式通常采用顺序执行的方式，即按照特定的顺序执行任务，并在任务完成后切换到下一个任务。
2.2 多任务操作系统多任务操作系统可以同时处理多个任务，具有并发处理的能力。
多任务操作系统的实现方式主要有以下几种：1)分时系统：将处理器的时间片分配给不同的任务，轮流执行，给用户一种同时运行多个任务的错觉。
2)多道程序系统：将内存划分为多个区域，每个区域存放一个程序，并同时加载多个程序到内存中，通过在程序之间进行切换实现多任务处理。
3)实时系统：针对实时应用的操作系统，具有对任务的响应时间有严格要求，需保证实时任务在规定的时间内完成。
《操作系统原理》授课教案-《操作系统原理》
《操作系统原理》授课教案-《操作系统原理》操作系统原理授课教案 - 操作系统原理一、教学目标本课程的教学目标主要包括以下几个方面：1. 了解和掌握操作系统的基本概念和原理；2. 熟悉操作系统的常见功能和特性；3. 掌握操作系统的设计和实现方法；4. 培养学生对操作系统的分析和解决问题的能力。
二、教学内容本课程的教学内容将涵盖以下几个模块：1. 操作系统概述- 操作系统的定义和作用- 操作系统的发展历程- 操作系统的分类和特点2. 进程管理- 进程和线程的概念- 进程调度算法和实现- 进程同步和互斥3. 存储管理- 内存管理的基本原理- 内存分配和回收算法- 虚拟内存的实现和管理4. 文件系统- 文件系统的组成和结构- 文件的存储和访问方式- 文件系统的管理和维护5. 设备管理- 设备管理的基本原理- 设备驱动程序的设计和实现- 设备的分配和调度三、教学方法本课程将采用以下教学方法：1. 理论授课：介绍操作系统的基本概念和原理，并通过案例分析进行实际应用的讲解。
2. 实践操作：通过实际操作和编程练，加深学生对操作系统的理解和掌握。
3. 分组讨论：组织学生进行小组讨论，共同分析和解决操作系统相关的问题。
四、教学评估本课程的评估方式将包括以下几个方面：1. 课堂表现：考察学生对操作系统知识的掌握情况和参与讨论的主动性。
2. 实验报告：评估学生在实践操作和编程练中的实际能力和成果。
3. 期末考试：综合考察学生对操作系统的理论知识和应用能力。
五、教学资源本课程的教学资源包括以下几个方面：1. 教材：选用经典的操作系统教材作为参考书。
2. 讲义：提供详细的课堂讲义，帮助学生更好地理解和研究。
3. 实验环境：提供适合操作系统实验的计算机环境和工具。
六、教学进度安排本课程的教学进度安排如下：七、参考资料1. 牛津大学计算机科学系，操作系统原理教学课程手册。
2. 郁才根，操作系统简明教程，清华大学出版社，2018。
2024年度《操作系统原理》教学大纲
介绍RBAC的基本概念和实现方法，如何通 过角色来管理用户的权限。
2024/2/2
35
加密技术在操作系统中的应用
加密技术的基本概念
解释加密技术的核心思想，包括加密 算法、密钥管理等。
文件加密
描述操作系统中文件加密的实现方法 和技术，如EFS（加密文件系统）。
2024/2/2
磁盘加密
阐述磁盘加密的原理和实现方法，包 括全盘加密和分区加密等。
微型化与嵌入式操作系统
随着物联网和智能终端的普及 ，微型化和嵌入式操作系统将 成为未来发展的重要方向，它 们需要更加轻量级、高效和安 全。
云计算与分布式操作系统
云计算和分布式系统的快速发 展对操作系统提出了新的挑战 和机遇，未来的操作系统需要 支持大规模并发处理、资源动 态管理和跨平台协作等功能。
人工智能与操作系统融合
优点分析
解决了内存碎片问题，提高了内存利用率。允许程序的大小超过可用内存的大小，通过虚 拟内存技术实现。提供了更好的内存保护，每个程序只能访问自己的内存空间，不能访问 其他程序的内存空间。
缺点分析
需要复杂的软件和硬件支持，如页表、段表等数据结构以及相应的内存管理算法。在页式 存储管理中，会产生页面抖动现象，即频繁地换入换出页面导致系统性能下降。
34
访问控制机制的实现原理
访问控制的基本概念
访问控制列表（ACL）
解释访问控制的核心思想，即主体对客体 的访问权限管理。
描述ACL的工作原理和实现方法，如何通过 ACL来管理用户对资源的访问权限。
强制访问控制（MAC）
基于角色的访问控制（RBAC）
阐述MAC的特点和实现原理，如基于格模 型的访问控制。
2024/2/2
操作系统原理
操作系统原理操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理计算机硬件资源和提供用户与计算机之间的接口。
操作系统原理是指操作系统设计与实现的基本原理和机制，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等方面。
一、进程管理进程是计算机中正在运行的程序的实例，是操作系统中最核心的概念之一。
进程管理的主要任务包括进程的创建、调度、同步与通信等。
进程的创建是指操作系统根据用户的请求或系统的需要，创建新的进程。
进程的调度是指操作系统根据调度算法，按照一定的优先级将CPU时间分配给不同的进程。
进程的同步与通信是指多个进程之间的数据共享和互斥操作，确保进程之间能够有效地进行合作和协调。
二、内存管理内存管理是指操作系统对计算机内存资源的分配与管理。
在多道程序环境下，操作系统需要合理地管理内存空间，提供给正在运行的进程使用。
内存管理的主要任务包括地址映射、地址转换、内存分配与回收等。
地址映射是指将逻辑地址转换为物理地址，以实现程序对实际内存的访问。
地址转换是指操作系统通过分页或分段机制，将逻辑地址转换为物理地址的过程。
内存分配与回收是指操作系统根据进程的需要，动态地分配和回收内存空间，以满足不同进程的需求。
三、文件系统文件系统是指操作系统对存储设备中数据进行组织和管理的机制。
操作系统使用文件系统来管理硬盘、磁盘和其他存储设备上的文件。
文件系统将文件组织成目录结构，并提供对文件的读取、写入、删除等操作。
文件系统的设计要考虑文件的命名、存储、保护等方面，以提高文件的访问效率和数据的安全性。
四、设备管理设备管理是指操作系统对计算机硬件设备进行管理和控制。
在多道程序环境下，计算机系统中会有多个设备与操作系统交互，如磁盘、打印机、键盘等。
设备管理的主要任务包括设备的分配与释放、设备的请求与响应、设备的故障处理等。
设备的分配与释放是指操作系统根据进程的需求，动态地分配和释放设备资源。
设备的请求与响应是指操作系统接收到设备请求后，将请求分配给相应的设备，并在设备完成操作后将结果返回给进程。
操作系统原理学什么
操作系统原理学什么引言操作系统是计算机系统中非常重要的一个组成部分，它承担着管理硬件资源和提供应用程序执行环境的重要任务。
学习操作系统原理，对于计算机科学和工程领域的学生和从业人员来说非常重要。
本文将探讨操作系统原理中涵盖的主要内容，以及为什么学习操作系统原理是如此重要。
操作系统的定义和功能操作系统是一种系统软件，它管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源。
主要功能包括：1.进程管理：操作系统负责管理多个同时运行的进程，分配和调度它们的资源，并提供进程间通信和同步机制。
2.内存管理：操作系统管理主存储器的分配和回收，确保不同进程之间的内存空间相互隔离。
3.文件系统：操作系统负责管理文件的创建、读写和删除，提供文件的共享和保护机制。
4.设备管理：操作系统管理计算机系统中的各种设备，如磁盘驱动器、打印机和网络接口，提供设备的访问和控制接口。
5.用户界面：操作系统提供与用户交互的用户界面，如命令行界面和图形用户界面。
操作系统原理的学习内容学习操作系统原理涵盖了多个重要的概念和技术。
下面是几个关键的学习内容：进程和线程管理进程是计算机系统中能够独立运行的实体，它有自己的代码和数据空间。
线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。
学习如何创建、调度和同步进程和线程是操作系统原理的重点之一。
理解进程和线程的概念，以及它们之间的区别和联系，对于设计高效的并发应用程序非常重要。
内存管理内存是计算机系统中用于存储程序和数据的关键资源。
学习如何管理和分配内存，包括虚拟内存和页面置换算法，对于提高系统的性能和资源利用率至关重要。
理解内存分配的原则和策略，能够优化程序的内存使用情况，提高系统的运行效率。
文件系统文件系统是操作系统中管理文件和目录的重要组成部分。
学习如何创建、读写和删除文件，以及实现文件的共享和保护机制，对于开发文件操作相关的应用程序非常重要。
理解文件系统的组织结构和访问机制，能够更好地利用操作系统提供的文件管理功能。
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IOCTL_DISK_GET_DRIVE_GEOMETRY, // operation to perform
NULL, 0,
// no input buffer
pdg, sizeof(*pdg),
// output buffer
&junk,
// # bytes returned
(LPOVERLAPPED) NULL); // synchronous I/O
11
l 层次结构 n把所有功能模块按照调用次序分别排成若干层，确 保各层之间只能是单向依赖或单向调用。
p分层原则 n硬件相关——最底层 n外部特性——最外层 n中间层——调用次序或消息传递顺序 n共性的服务——较低层 n活跃功能——较低层
12
l 分层逻辑结构的OS实例
13
l 层次结构的优点 n结构清晰，避免循环调用。 n整体问题局部化，系统的正确性容易保证。 n有利于操作系统的维护、扩充、移植。
4
操作系统虚拟化技术
操作系统虚拟化(Containers)
• 虚拟操作系统访问 • 创建多个虚拟OS实例 • 物理服务器拥有1个标准OS内核 • Parallels Virtuozzo Containers,
Sun Solaris Containers, OpenVZ
l 虚拟化的结果：一台服务器当N台服务器来使用
全部在内核中实现， 和内核运行在同一
销，获得较高的运
地址空间。
行效率。
●内核庞大，占用资 UNIX 源较多且不易剪裁。 Linux
●系统的稳定性和安
全性不好。
只实现OS基本功能， ●内核精练，便于 用户状态和内核状态
将图形、文件系统、 剪裁和移植。 ●系统服务程序运
需要频繁切换，从而 导致系统效率不如单
n 用户态 (User mode,目态)： u仅能访问部分资源，其它资源受限。 u用户程序
n 管态(Supervisor mode) u介于核态和用户态之间
24
l 硬件和OS对CPU的观察
n硬件按”态”来区分CPU的状态 nOS按“进程”来区分CPU的状态
uA,B,C,D：四个进程 uK：Kernel mode，核心态 uU：User mode，用户态
case IOCTL_DISK_GET_DRIVE_GEOMETRY: { //具体实现硬盘参数的获取 } case IOCTL_DISK_GET_DRIVE_TOTALSPACE: { } case IOCTL_DISK_GET_DRIVE_PRODUCTID: { } } }
29
特权指令集
l 特权指令仅能在核态下被OS使用 l 特权指令集
n允许和禁止中断； n在进程之间切换CPU； n存取用于内存保护的寄存器； n执行I/O操作； n停止CPU的工作。 n从管态转回用户态 n……
30
用户态和核态之间的转换
l 用户态向核态转换 n 用户请求OS提供服务 n 发生中断 n 用户进程产生错误（内部中断） n 用户态企图执行特权指令
l 核态向用户态转换的情形 n一般是中断返回：IRET
BOOL DeviceIoControl(
HANDLE hDevice,
// 设备句柄 //CreateFile打开创建
DWORD dwIoControlCode, // 控制码//指明需要内核完成的操作类型
LPVOID lpInBuffer,
// 输入数据缓冲区 //Ring3输入
DWORD nInBufferSize,
14
Linux内核结构
l Linux中的调用层次 n应用层：应用程序使用指定的参数值执行系统调用 指令(int x80)，使CPU从用户态切换到核心态（调用 服务的应用层） n服务层：OS根据具体的参数值调用特定的服务程序 （执行系统调用的服务层） n底层：服务程序根据需要调用底层的支持函数（支 持系统调用的底层函数）
31
存储器
l 存储程序和数据的部件 l 分类
n 按与CPU的联系 u主存：直接和CPU交换信息. u辅存：不能直接和CPU交换信息
n 按存储元的材料 u半导体存储器(常作主存) u磁存储器(磁带，磁盘) u光存储器(光盘)
n 按存储器(半导体存储器)读写工作方式 uRAM uROM
32
存储体系
l 理想存储器：速度快，容量大，成本低 l 分级存储系统
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典型操作系统的结构
l Windows NT
登录
OS/2
进程
客户
Win32 客户
POSIX 客户
安全 子系统
OS/2 子系统
Win32 子系统
POSIX 子系统
用户态
核心态
NT
执 对象 行 管理器 体
系统服务
安全引用 进程和线程 本地过程
监视器
管理器
调用功能
内核
虚拟内存 管理器
I/O管理器 高速缓存管理器 文件系统驱动程序 网络重定向 硬件设备驱动程序
0,
// no access to the drive
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
NULL, OPEN_EXISTING, 0, // file attributes
NULL);
// do not copy file attributes
bResult = DeviceIoControl( hDevice, // device to be queried
n核外服务器 u完成OS的绝大部分功能，等待客户提出请求。 u由若干服务器或进程共同构成 p例如：进程/线程服务器，虚存服务器，设备 管理服务器等，以进程形式运行在用户态。
17
l 微内核和单体内核的比较
实质
优点
缺点
代表
单体内核 微内核
将图形、设备驱动 减少进程间通信和
及文件系统等功能 状态切换的系统开
// handle to the drive to be examined
BOOL bResult;
// results flag
DWORD junk;
// discard results
hDevice = CreateFile("\\\\.\\PhysicalDrive0", // 通过物理设备名的方式打开设备。
l 结论： n层次式（具有整体式特点） n单体内核（即内核文件一个）
15
Linux内核结构
lLinux = 内核+Shell+X Window+应用程序
16
3. 微内核结构（客户/服务器结构,Client/Server）
l 客户：应用程序 l 操作系统 = 微内核+核外服务器
n微内核 u足够小，提供OS最基本的核心功能和服务 u① 实现与硬件紧密相关的处理 u② 实现一些较基本的功能； u③ 负责客户和服务器间的通信。
}
28
//驱动程序：得到一个磁盘设备分区状况
NTSTATUS DriverEntry( IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, // 指向一个刚被初始化的驱动程序对象 IN PUNICODE_STRING RegistryPath )
{ DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = DispatchDeviceControl;
// generic results flag
ULONGLONG DiskSize;
// size of the drive, in bytes
bResult = GetDriveGeometry (&pdg);
if (bResult)
{
printf("Cylinders = %I64d\n", pdg.Cylinders);
25
Intel CPU和Windows下的态
l Intel CPU: Ring 0 ~ Ring 3 （Ring 0 最核心， Ring 3最外层）
l Windows OS: 仅支持Ring 0和Ring 3
n Ring 0：特权指令，OS内核或驱动程序
n Ring 3：应用程序
l 通信方式:DeviceIoControl (kernel32.dll)
}
return ((int)bResult);
}
27
DeviceIoControl的例子
//IOCTL_DISK_GET_DRIVE_GEOMETRY：操作代码：获取柱数，磁道数，扇区数,字节数等。
BOOL GetDriveGeometry ( DISK_GEOMETRY *pdg)
{
HANDLE hDevice;
printf("Tracks/cylinder = %ld\n", (ULONG) pdg.TracksPerCylinder);
printf("Sectors/track = %ld\n", (ULONG) pdg.SectorsPerTrack);
printf("Bytes/sector = %ld\n", (ULONG) pdg.BytesPerSector);
硬件抽象层
20
l Windows 2000
21
2 操作系统依赖的基本硬件环境
22
l 支持操作系统的最基本硬件结构 nCPU n内存 n中断 n时钟
23
CPU
l CPU态 (Mode)
n CPU的工作状态。 n 对资源和指令使用权限的描述
l 态的分类
n 核态(Kernel mode)： u能够访问所有资源和执行所有指令 u管理程序/OS内核