《操作系統(tǒng)課程設(shè)計》課件

操作系統(tǒng)課程設(shè)計本課程設(shè)計旨在深入學習操作系統(tǒng)核心概念并進行實踐應用。通過設(shè)計和實現(xiàn)一個小型操作系統(tǒng)，加深對操作系統(tǒng)的理解，掌握操作系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和方法。課程設(shè)計背景與目的1理論實踐結(jié)合將操作系統(tǒng)理論知識應用于實際項目開發(fā)。2提升編程能力培養(yǎng)學生解決實際問題的編程能力和實踐操作技能。3掌握核心技術(shù)深入了解操作系統(tǒng)內(nèi)核，掌握進程管理、內(nèi)存管理等核心技術(shù)。實驗環(huán)境與工具介紹虛擬機環(huán)境使用虛擬機軟件創(chuàng)建虛擬的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境，如VirtualBox或VMware。代碼編輯器選擇適合的代碼編輯器編寫實驗代碼，例如VisualStudioCode或Atom。命令行工具熟悉Linux命令行工具，使用它們與操作系統(tǒng)進行交互，例如bash和zsh。調(diào)試工具使用調(diào)試工具分析代碼并解決運行時錯誤，例如GDB和LLDB。實驗一：進程管理進程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。進程管理是操作系統(tǒng)最重要的功能之一，它負責創(chuàng)建、撤銷、調(diào)度和同步進程。進程的創(chuàng)建與終止進程創(chuàng)建是操作系統(tǒng)為一個新進程分配資源并將其加入系統(tǒng)進程列表的過程。進程終止則是在進程完成任務后釋放資源，并將其從系統(tǒng)進程列表中刪除。1申請資源內(nèi)存、文件、設(shè)備2創(chuàng)建PCB進程控制塊3初始化進程設(shè)置狀態(tài)、程序計數(shù)器、寄存器4將進程加入隊列就緒隊列進程終止后，系統(tǒng)會回收其占用的所有資源，包括內(nèi)存、文件、設(shè)備等。進程終止的方式包括正常退出、異常退出和錯誤退出等。進程間通信機制管道管道是進程間通信的最基本方式，允許一個進程向另一個進程發(fā)送數(shù)據(jù)。管道是一種單向的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)只能從管道的一端寫入，從另一端讀出。管道分為匿名管道和命名管道，匿名管道只允許具有共同祖先的進程訪問，而命名管道則允許任何進程訪問。消息隊列消息隊列是一種異步通信機制，允許進程之間交換消息而不必直接相互通信。消息隊列允許進程將消息寫入隊列，其他進程可以從隊列中讀取消息。消息隊列可以用于進程之間的通信，也可以用于不同進程之間的通信。共享內(nèi)存共享內(nèi)存是一種允許進程直接訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域的通信機制。共享內(nèi)存是進程間通信最快的方式，因為它不需要進行數(shù)據(jù)復制。共享內(nèi)存通常用于需要快速數(shù)據(jù)交換的應用程序，例如圖形處理和數(shù)據(jù)庫。信號量信號量是一種用于控制多個進程訪問共享資源的機制。信號量可以用來同步進程，確保只有特定的進程可以訪問共享資源。信號量也可以用來協(xié)調(diào)進程之間的合作，確保多個進程以正確的順序訪問共享資源。進程調(diào)度算法先來先服務（FCFS）按照進程到達的先后順序進行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但可能導致短作業(yè)等待時間過長。最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）選擇下一個運行的進程是估計運行時間最短的進程，可以提高系統(tǒng)吞吐量，但需要預測運行時間。時間片輪轉(zhuǎn)（RR）每個進程運行一個時間片，時間片結(jié)束后，調(diào)度器選擇下一個進程運行，可提高系統(tǒng)交互性，但時間片過短會導致系統(tǒng)開銷增大。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調(diào)度，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先運行，可以滿足一些重要任務的需求，但需要設(shè)計合理的優(yōu)先級分配機制。實驗二：內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，它負責分配和管理計算機系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的目標是優(yōu)化內(nèi)存使用效率，提高程序運行速度，并確保程序之間相互隔離，防止相互干擾。連續(xù)分配和分頁管理連續(xù)分配連續(xù)分配內(nèi)存管理方式，將內(nèi)存劃分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)只分配給一個進程，并要求進程的代碼和數(shù)據(jù)必須存放在連續(xù)的內(nèi)存空間中。分頁管理分頁管理是將進程的地址空間分成大小相同的頁面，將內(nèi)存也劃分成同樣大小的頁框，并將進程的頁面分配到內(nèi)存的頁框中。優(yōu)勢連續(xù)分配簡單易實現(xiàn)，但空間利用率低；分頁管理提高了內(nèi)存利用率，但也增加了系統(tǒng)開銷。虛擬內(nèi)存管理地址空間擴展虛擬內(nèi)存允許進程訪問超出物理內(nèi)存范圍的地址空間，擴展了程序的可用內(nèi)存。多任務處理通過將部分程序頁面交換到磁盤，虛擬內(nèi)存使得多個程序可以共享有限的物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存保護每個進程擁有獨立的虛擬地址空間，防止程序之間的相互干擾，提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。頁面置換算法先進先出（FIFO）最早進入內(nèi)存的頁面最先被替換出去。簡單易實現(xiàn)，但易發(fā)生抖動現(xiàn)象。最近最少使用（LRU）最近最少使用的頁面最先被替換出去。較好的性能，但需要額外的記錄時間戳信息。最佳置換算法（OPT）選擇未來最長時間不會被訪問的頁面替換。性能最優(yōu)，但無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。時鐘算法（CLOCK）將頁面標記為已使用或未使用，選擇未使用的頁面替換。折中性能和復雜度。實驗三：文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責管理和組織文件系統(tǒng)。它為用戶提供創(chuàng)建、刪除、訪問、修改等操作。文件的創(chuàng)建、打開與關(guān)閉文件創(chuàng)建操作系統(tǒng)提供文件創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用，分配磁盤空間并創(chuàng)建文件控制塊。文件打開操作系統(tǒng)驗證用戶訪問權(quán)限，并根據(jù)文件名找到文件控制塊，建立文件表項。文件關(guān)閉刪除文件表項，將文件內(nèi)容寫入磁盤，釋放相關(guān)資源。文件的讀寫操作1打開文件使用系統(tǒng)調(diào)用打開文件2讀寫操作使用系統(tǒng)調(diào)用讀寫文件內(nèi)容3關(guān)閉文件使用系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉文件文件讀寫操作是操作系統(tǒng)中一項基本功能，涉及打開文件、讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)以及關(guān)閉文件等步驟。目錄和文件屬性管理文件目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通過目錄樹組織文件，方便用戶查找和管理。每個目錄包含子目錄和文件。用戶可使用目錄命令創(chuàng)建、刪除和修改目錄結(jié)構(gòu)。文件屬性管理每個文件都擁有屬性，例如文件名、文件大小、創(chuàng)建日期、訪問權(quán)限等。操作系統(tǒng)提供了接口，允許用戶查看和修改文件屬性。實驗四：設(shè)備管理設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責管理和控制計算機系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。它為用戶提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件設(shè)備的差異，并有效地分配和利用硬件資源。設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)11.設(shè)備獨立性設(shè)備驅(qū)動程序提供統(tǒng)一的接口，隱藏設(shè)備差異。22.中斷處理驅(qū)動程序處理來自設(shè)備的中斷，并通知操作系統(tǒng)。33.緩沖區(qū)管理驅(qū)動程序管理數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，提高效率。44.錯誤處理驅(qū)動程序負責處理設(shè)備錯誤，并通知用戶。中斷處理機制中斷處理程序處理來自硬件或軟件的中斷，并執(zhí)行相應的操作。堆棧中斷發(fā)生時，保存當前程序狀態(tài)，以便中斷處理完成后恢復正常執(zhí)行。中斷向量表包含每個中斷的地址，用于快速找到相應的處理程序。緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)是用于暫存數(shù)據(jù)的一種內(nèi)存區(qū)域，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。緩沖區(qū)管理涉及對緩沖區(qū)的分配、釋放和管理，以優(yōu)化數(shù)據(jù)流的處理和存儲。常用的緩沖區(qū)管理策略包括單緩沖、雙緩沖和循環(huán)緩沖，以及各種緩存替換算法。實驗五：死鎖處理死鎖是指多個進程因競爭資源而互相等待，導致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行的現(xiàn)象。死鎖會導致系統(tǒng)資源浪費，降低系統(tǒng)效率。死鎖的概念與預防死鎖定義多個進程因競爭資源而互相等待，導致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖條件互斥條件持有并等待不可剝奪循環(huán)等待死鎖預防破壞死鎖條件以防止其發(fā)生，例如采用資源預先分配或打破循環(huán)等待。死鎖的檢測與解決11.檢測通過系統(tǒng)資源分配情況，尋找系統(tǒng)中是否出現(xiàn)了循環(huán)等待的情況，從而確定是否出現(xiàn)了死鎖。22.資源搶占從一個或多個進程中搶占資源，打破循環(huán)等待的條件，但是需要考慮資源搶占的安全性。33.進程終止終止涉及死鎖的進程，釋放其占用的資源，但可能會導致程序的失效。44.回滾將死鎖進程回滾到一個安全狀態(tài)，并釋放資源，但回滾的代價較大。銀行家算法應用算法流程銀行家算法是一個資源分配算法，它用于防止系統(tǒng)死鎖。資源分配該算法通過模擬銀行家貸款的方式，為每個進程分配資源。安全狀態(tài)檢查算法會檢查系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)，以確保資源分配不會導致死鎖。實驗總結(jié)與討論本課程設(shè)計項目旨在深入理解操作系統(tǒng)原理，通過實踐操作掌握相關(guān)知識，并鍛煉編程能力和問題解決能力。實驗過程中，同學們積極思考，獨立完成設(shè)計和編碼工作，取得了豐碩成果?？偨Y(jié)與展望實