《操作系統(tǒng)實習課程》課件

《操作系統(tǒng)實習課程》本課程旨在幫助學生深入理解操作系統(tǒng)核心概念。學生將通過實踐項目，掌握操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的知識和技能。實習課程介紹實踐操作本課程以實踐操作為主，通過動手實踐加深對操作系統(tǒng)原理的理解。通過完成課程中的各種項目和實驗，同學們能夠更好地掌握操作系統(tǒng)的核心概念和技術。理論知識課程內(nèi)容涵蓋了操作系統(tǒng)基礎知識，包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設備管理等核心模塊。同時，也會涉及一些更高級的操作系統(tǒng)概念和技術，例如虛擬化、分布式操作系統(tǒng)等。實習目標11.深入理解操作系統(tǒng)原理掌握操作系統(tǒng)核心概念，如進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)常用技術學習系統(tǒng)調(diào)用、中斷處理、設備驅(qū)動程序等關鍵技術。33.提升代碼編寫能力通過實際項目開發(fā)，鍛煉程序設計和調(diào)試能力。44.培養(yǎng)獨立解決問題的能力鼓勵學生獨立思考和解決問題，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。課程大綱操作系統(tǒng)基本概念概述操作系統(tǒng)的概念、目標、功能和類型。進程和線程介紹進程和線程的概念，區(qū)分它們的差異和聯(lián)系。進程管理講解進程控制、進程同步和進程通信。線程管理介紹線程創(chuàng)建、線程調(diào)度和線程同步。內(nèi)存管理學習內(nèi)存分配、虛擬內(nèi)存、頁面置換算法等內(nèi)容。文件管理介紹文件系統(tǒng)、文件操作、目錄管理等知識。磁盤管理學習磁盤調(diào)度算法、磁盤存儲管理等內(nèi)容。輸入輸出管理了解輸入輸出設備管理、中斷處理和設備驅(qū)動程序。系統(tǒng)調(diào)用講解系統(tǒng)調(diào)用機制、常用系統(tǒng)調(diào)用和用戶程序接口。死鎖介紹死鎖的概念、必要條件、預防、避免、檢測和解決方法。操作系統(tǒng)性能評價學習操作系統(tǒng)性能評價指標和常用的性能評價方法。CPU調(diào)度算法講解常見的CPU調(diào)度算法，如先來先服務、短作業(yè)優(yōu)先、時間片輪轉等。頁面置換算法介紹常見的頁面置換算法，如FIFO、LRU、OPT等。磁盤調(diào)度算法學習常見的磁盤調(diào)度算法，如先來先服務、最短尋道時間優(yōu)先等。I/O設備管理講解I/O設備管理技術和常見設備驅(qū)動程序。實時操作系統(tǒng)介紹實時操作系統(tǒng)的特點、分類和應用。嵌入式操作系統(tǒng)講解嵌入式操作系統(tǒng)的特點、分類和應用。操作系統(tǒng)基本概念系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件之一，負責管理系統(tǒng)資源。硬件資源它協(xié)調(diào)各種硬件組件之間的運作，并提供一個用戶友好的接口。用戶接口操作系統(tǒng)通過提供圖形界面或命令行界面，使用戶能夠與計算機進行交互。網(wǎng)絡管理現(xiàn)代操作系統(tǒng)還負責管理網(wǎng)絡連接，使計算機能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)和其他設備。進程和線程進程獨立運行的程序?qū)嵗瑩碛歇毩⒌牡刂房臻g和資源。線程輕量級進程，共享進程的地址空間和資源，但擁有獨立的執(zhí)行棧和程序計數(shù)器。并發(fā)多個進程或線程同時運行，但實際執(zhí)行可能交替進行。進程管理進程創(chuàng)建創(chuàng)建新進程，分配資源，初始化進程控制塊。進程終止回收進程資源，釋放進程控制塊。進程掛起將進程狀態(tài)設置為掛起，以便以后恢復運行。進程喚醒將掛起的進程恢復到運行狀態(tài)。線程管理線程創(chuàng)建線程是輕量級進程，需要創(chuàng)建線程以執(zhí)行特定任務。創(chuàng)建線程時，操作系統(tǒng)為其分配資源，包括棧、內(nèi)存空間和線程標識符。線程同步多個線程訪問共享資源時，需要使用同步機制來確保數(shù)據(jù)一致性。常見同步機制包括互斥鎖、信號量和條件變量。線程調(diào)度操作系統(tǒng)負責調(diào)度線程，將CPU時間分配給不同的線程，以便最大程度地利用系統(tǒng)資源。線程調(diào)度算法包括先到先服務、優(yōu)先級調(diào)度和時間片輪轉調(diào)度。線程通信線程之間需要相互通信才能協(xié)調(diào)工作。常見的線程通信機制包括消息隊列、管道和共享內(nèi)存。內(nèi)存管理內(nèi)存分配為進程分配內(nèi)存空間，以便存儲程序代碼和數(shù)據(jù)。虛擬內(nèi)存使用磁盤空間作為內(nèi)存擴展，提高內(nèi)存利用率。內(nèi)存保護防止進程訪問其他進程的內(nèi)存空間，保障系統(tǒng)安全。內(nèi)存碎片內(nèi)存分配和釋放導致內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存擴展物理內(nèi)存虛擬內(nèi)存允許程序使用超過物理內(nèi)存容量的空間，通過將部分數(shù)據(jù)存儲在磁盤上以擴展可用內(nèi)存。分頁和分段虛擬內(nèi)存通過將地址空間劃分為頁面和段，并使用頁表和段表來管理虛擬地址到物理地址的映射。提高內(nèi)存效率虛擬內(nèi)存允許多個程序共享物理內(nèi)存，并通過交換策略來管理磁盤與內(nèi)存之間的交換，提高內(nèi)存利用率。文件管理文件組織操作系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)，組織文件結構。文件目錄樹結構使文件檢索更方便。文件訪問控制保護文件安全，防止惡意訪問或修改，通過權限管理機制實現(xiàn)文件訪問控制。文件操作提供文件操作功能，如創(chuàng)建、刪除、讀寫、復制、移動等，方便用戶管理文件。磁盤管理1磁盤結構磁盤結構包含磁道、扇區(qū)、柱面等基本概念，影響著數(shù)據(jù)的存儲和訪問方式。2磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法旨在優(yōu)化磁盤訪問順序，提升磁盤讀寫效率，如先來先服務、最短尋道時間優(yōu)先算法。3磁盤管理策略磁盤管理策略涉及文件存儲、分配、回收等，確保數(shù)據(jù)安全、完整，同時提高磁盤利用率。4磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)將磁盤劃分為多個獨立區(qū)域，方便管理和組織數(shù)據(jù)，并為操作系統(tǒng)分配所需的存儲空間。輸入輸出管理I/O設備輸入輸出管理負責協(xié)調(diào)系統(tǒng)與外部設備的交互。包括鍵盤、鼠標、顯示器、硬盤等。I/O操作I/O操作包括數(shù)據(jù)傳輸、設備控制、錯誤處理等。操作系統(tǒng)管理這些操作，確保數(shù)據(jù)的正確性和效率。設備驅(qū)動程序設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設備之間的橋梁，負責控制和管理特定設備的功能。I/O緩沖區(qū)I/O緩沖區(qū)用于臨時存儲數(shù)據(jù)，提高I/O操作效率，減少CPU等待時間。設備驅(qū)動程序11.硬件接口驅(qū)動程序提供操作系統(tǒng)與硬件之間的接口。22.資源管理管理硬件資源，例如內(nèi)存、中斷、I/O通道等。33.錯誤處理處理硬件錯誤并向操作系統(tǒng)報告。44.性能優(yōu)化優(yōu)化硬件性能，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)啟動過程1啟動引導程序系統(tǒng)啟動過程從加載引導程序開始，引導程序負責初始化硬件并加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。2內(nèi)核加載引導程序?qū)?nèi)核加載到內(nèi)存，內(nèi)核包含了操作系統(tǒng)核心組件，例如進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。3初始化系統(tǒng)內(nèi)核初始化系統(tǒng)，包括配置內(nèi)存、設置設備驅(qū)動程序、啟動系統(tǒng)服務等，為用戶提供一個可用的操作系統(tǒng)環(huán)境。中斷機制中斷請求中斷請求是硬件設備向CPU發(fā)送的信號，表明一個事件已發(fā)生。中斷處理程序CPU暫停當前執(zhí)行的程序，并將控制權轉交給相應的中斷處理程序。上下文切換中斷處理程序執(zhí)行完畢后，CPU會恢復之前被打斷程序的執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用概述系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的一種交互方式，提供對操作系統(tǒng)核心資源的訪問。系統(tǒng)調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口是一個標準化的函數(shù)庫，為用戶程序提供訪問操作系統(tǒng)服務的接口。系統(tǒng)調(diào)用使用程序員通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)庫，實現(xiàn)對硬件資源、文件系統(tǒng)等的操作。死鎖概念定義多個進程因競爭資源而陷入相互等待的循環(huán)狀態(tài)，導致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。特點死鎖會導致系統(tǒng)資源浪費，降低系統(tǒng)效率，甚至導致系統(tǒng)崩潰。死鎖的必要條件互斥條件多個進程需要獨占訪問共享資源。例如，打印機只能由一個進程使用。占有并等待條件一個進程在等待資源的同時保持占有其他資源，導致其他進程無法獲得所需資源。不可剝奪條件資源不能被系統(tǒng)強制性地從占有它的進程中剝奪，進程只能主動釋放資源。循環(huán)等待條件多個進程形成一個循環(huán)等待關系，每個進程都等待著下一個進程釋放的資源。死鎖預防和避免11.互斥條件通過改變系統(tǒng)資源的分配策略，如使用非搶占式資源分配，可以有效預防死鎖。22.請求和保持條件要求進程在申請新資源時，必須釋放所有已獲得的資源，以此避免死鎖。33.循環(huán)等待條件引入資源申請順序，確保所有進程按照同一順序申請資源，可以有效預防循環(huán)等待條件。44.死鎖避免通過銀行家算法，在資源分配過程中進行動態(tài)檢查，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。死鎖檢測和解決死鎖檢測操作系統(tǒng)定期檢查系統(tǒng)狀態(tài)，判斷是否存在死鎖情況。使用資源分配圖或其他算法進行檢測。死鎖恢復一旦檢測到死鎖，需要采取措施解除死鎖，例如撤銷進程，搶占資源或回滾進程。死鎖預防通過設置資源分配策略，避免死鎖發(fā)生。例如，使用銀行家算法，在資源分配前進行安全檢查。操作系統(tǒng)性能評價吞吐量衡量單位時間內(nèi)系統(tǒng)處理的任務數(shù)量，反映系統(tǒng)處理能力。響應時間從用戶提交請求到系統(tǒng)完成任務的時間間隔，體現(xiàn)系統(tǒng)對用戶請求的響應速度。CPU利用率反映CPU資源的使用情況，過低表示資源浪費，過高可能導致系統(tǒng)性能下降。內(nèi)存利用率反映內(nèi)存資源的使用情況，過低表示資源浪費，過高可能導致內(nèi)存碎片問題。CPU調(diào)度算法先來先服務最簡單的調(diào)度算法，按照進程到達順序執(zhí)行。最短作業(yè)優(yōu)先選擇運行時間最短的進程，提高系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進程優(yōu)先級分配CPU時間，可設置優(yōu)先級。時間片輪轉每個進程分配一定時間片，輪流執(zhí)行，保證公平性。頁面置換算法FIFO先進先出算法，按照頁面進入內(nèi)存的順序進行置換。簡單易實現(xiàn)，但可能出現(xiàn)Belady現(xiàn)象。LRU最近最少使用算法，將最長時間未被訪問的頁面置換。性能較好，但需要記錄每個頁面的訪問時間。OPT最佳置換算法，將未來最長時間不用的頁面置換。性能最優(yōu)，但無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。CLOCK時鐘算法，結合了FIFO和LRU的優(yōu)點。使用一個循環(huán)鏈表記錄頁面狀態(tài)，并將最近使用的頁面標記為引用位。磁盤調(diào)度算法先來先服務算法按照請求到達的順序進行磁盤調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但可能導致磁盤頭頻繁移動，效率低下。最短尋道時間優(yōu)先算法選擇下一個距離當前磁頭最近的請求，能有效減少磁頭移動時間，提高效率。掃描算法磁頭從一端掃描到另一端，處理沿途所有請求，再反向掃描，兼顧了效率和公平性。循環(huán)掃描算法類似掃描算法，但磁頭到達一端后會立即返回，避免了掃描算法的空閑時間，提高了效率。I/O設備管理鍵盤鍵盤是輸入設備，用于向計算機輸入字符和其他命令。鼠標鼠標是輸入設備，用于控制光標并選擇項目。顯示器顯示器是輸出設備，用于顯示計算機生成的圖像和文本。打印機打印機是輸出設備，用于將文檔或圖像打印到紙張上。實時操作系統(tǒng)概述實時性實時操作系統(tǒng)需要在嚴格的時間限制內(nèi)響應事件。確定性執(zhí)行時間和資源使用必須是可預測的?？煽啃韵到y(tǒng)必須高度可靠，能夠在各種條件下穩(wěn)定運行。嵌入式操作系統(tǒng)概述資源受限嵌入式系統(tǒng)通常擁有有限的內(nèi)存、存儲空間和處理能力。實時性要求它們需要及時響應外部事件和控制物理設備，對時間敏感。定制化嵌入式操作系統(tǒng)通常針對特定應用和硬件平臺進行優(yōu)化。課程總結深入理解本課程深入介紹了操作系統(tǒng)基本概念、關鍵技術和設計原則，為學生進一步學習和研究奠定堅實基礎。實踐操作通過實踐操作，學生能夠親身體驗操作系統(tǒng)工作原理，增強對操作系統(tǒng)知識的理解和應用能力。未來展望掌握操作系統(tǒng)知識將為學生未來學習和工作提供有力支撐，在云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領域發(fā)揮重要作用。實習項目介紹基于Lin