《操作系统实习课程》课件

《操作系统实习课程》本课程旨在帮助学生深入理解操作系统核心概念。学生将通过实践项目，掌握操作系统设计与实现的知识和技能。实习课程介绍实践操作本课程以实践操作为主，通过动手实践加深对操作系统原理的理解。通过完成课程中的各种项目和实验，同学们能够更好地掌握操作系统的核心概念和技术。理论知识课程内容涵盖了操作系统基础知识，包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等核心模块。同时，也会涉及一些更高级的操作系统概念和技术，例如虚拟化、分布式操作系统等。实习目标11.深入理解操作系统原理掌握操作系统核心概念，如进程管理、内存管理、文件系统等。22.掌握操作系统常用技术学习系统调用、中断处理、设备驱动程序等关键技术。33.提升代码编写能力通过实际项目开发，锻炼程序设计和调试能力。44.培养独立解决问题的能力鼓励学生独立思考和解决问题，培养团队协作能力。课程大纲操作系统基本概念概述操作系统的概念、目标、功能和类型。进程和线程介绍进程和线程的概念，区分它们的差异和联系。进程管理讲解进程控制、进程同步和进程通信。线程管理介绍线程创建、线程调度和线程同步。内存管理学习内存分配、虚拟内存、页面置换算法等内容。文件管理介绍文件系统、文件操作、目录管理等知识。磁盘管理学习磁盘调度算法、磁盘存储管理等内容。输入输出管理了解输入输出设备管理、中断处理和设备驱动程序。系统调用讲解系统调用机制、常用系统调用和用户程序接口。死锁介绍死锁的概念、必要条件、预防、避免、检测和解决方法。操作系统性能评价学习操作系统性能评价指标和常用的性能评价方法。CPU调度算法讲解常见的CPU调度算法，如先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。页面置换算法介绍常见的页面置换算法，如FIFO、LRU、OPT等。磁盘调度算法学习常见的磁盘调度算法，如先来先服务、最短寻道时间优先等。I/O设备管理讲解I/O设备管理技术和常见设备驱动程序。实时操作系统介绍实时操作系统的特点、分类和应用。嵌入式操作系统讲解嵌入式操作系统的特点、分类和应用。操作系统基本概念系统软件操作系统是计算机系统中最重要的系统软件之一，负责管理系统资源。硬件资源它协调各种硬件组件之间的运作，并提供一个用户友好的接口。用户接口操作系统通过提供图形界面或命令行界面，使用户能够与计算机进行交互。网络管理现代操作系统还负责管理网络连接，使计算机能够连接到互联网和其他设备。进程和线程进程独立运行的程序实例，拥有独立的地址空间和资源。线程轻量级进程，共享进程的地址空间和资源，但拥有独立的执行栈和程序计数器。并发多个进程或线程同时运行，但实际执行可能交替进行。进程管理进程创建创建新进程，分配资源，初始化进程控制块。进程终止回收进程资源，释放进程控制块。进程挂起将进程状态设置为挂起，以便以后恢复运行。进程唤醒将挂起的进程恢复到运行状态。线程管理线程创建线程是轻量级进程，需要创建线程以执行特定任务。创建线程时，操作系统为其分配资源，包括栈、内存空间和线程标识符。线程同步多个线程访问共享资源时，需要使用同步机制来确保数据一致性。常见同步机制包括互斥锁、信号量和条件变量。线程调度操作系统负责调度线程，将CPU时间分配给不同的线程，以便最大程度地利用系统资源。线程调度算法包括先到先服务、优先级调度和时间片轮转调度。线程通信线程之间需要相互通信才能协调工作。常见的线程通信机制包括消息队列、管道和共享内存。内存管理内存分配为进程分配内存空间，以便存储程序代码和数据。虚拟内存使用磁盘空间作为内存扩展，提高内存利用率。内存保护防止进程访问其他进程的内存空间，保障系统安全。内存碎片内存分配和释放导致内存碎片，降低内存利用率。虚拟内存扩展物理内存虚拟内存允许程序使用超过物理内存容量的空间，通过将部分数据存储在磁盘上以扩展可用内存。分页和分段虚拟内存通过将地址空间划分为页面和段，并使用页表和段表来管理虚拟地址到物理地址的映射。提高内存效率虚拟内存允许多个程序共享物理内存，并通过交换策略来管理磁盘与内存之间的交换，提高内存利用率。文件管理文件组织操作系统管理文件系统，组织文件结构。文件目录树结构使文件检索更方便。文件访问控制保护文件安全，防止恶意访问或修改，通过权限管理机制实现文件访问控制。文件操作提供文件操作功能，如创建、删除、读写、复制、移动等，方便用户管理文件。磁盘管理1磁盘结构磁盘结构包含磁道、扇区、柱面等基本概念，影响着数据的存储和访问方式。2磁盘调度算法磁盘调度算法旨在优化磁盘访问顺序，提升磁盘读写效率，如先来先服务、最短寻道时间优先算法。3磁盘管理策略磁盘管理策略涉及文件存储、分配、回收等，确保数据安全、完整，同时提高磁盘利用率。4磁盘分区磁盘分区将磁盘划分为多个独立区域，方便管理和组织数据，并为操作系统分配所需的存储空间。输入输出管理I/O设备输入输出管理负责协调系统与外部设备的交互。包括键盘、鼠标、显示器、硬盘等。I/O操作I/O操作包括数据传输、设备控制、错误处理等。操作系统管理这些操作，确保数据的正确性和效率。设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，负责控制和管理特定设备的功能。I/O缓冲区I/O缓冲区用于临时存储数据，提高I/O操作效率，减少CPU等待时间。设备驱动程序11.硬件接口驱动程序提供操作系统与硬件之间的接口。22.资源管理管理硬件资源，例如内存、中断、I/O通道等。33.错误处理处理硬件错误并向操作系统报告。44.性能优化优化硬件性能，提高系统效率。系统启动过程1启动引导程序系统启动过程从加载引导程序开始，引导程序负责初始化硬件并加载操作系统内核。2内核加载引导程序将内核加载到内存，内核包含了操作系统核心组件，例如进程管理、内存管理、文件系统等。3初始化系统内核初始化系统，包括配置内存、设置设备驱动程序、启动系统服务等，为用户提供一个可用的操作系统环境。中断机制中断请求中断请求是硬件设备向CPU发送的信号，表明一个事件已发生。中断处理程序CPU暂停当前执行的程序，并将控制权转交给相应的中断处理程序。上下文切换中断处理程序执行完毕后，CPU会恢复之前被打断程序的执行。系统调用系统调用概述系统调用是用户程序与操作系统之间的一种交互方式，提供对操作系统核心资源的访问。系统调用接口系统调用接口是一个标准化的函数库，为用户程序提供访问操作系统服务的接口。系统调用使用程序员通过调用系统调用函数库，实现对硬件资源、文件系统等的操作。死锁概念定义多个进程因竞争资源而陷入相互等待的循环状态，导致所有进程都无法继续执行。特点死锁会导致系统资源浪费，降低系统效率，甚至导致系统崩溃。死锁的必要条件互斥条件多个进程需要独占访问共享资源。例如，打印机只能由一个进程使用。占有并等待条件一个进程在等待资源的同时保持占有其他资源，导致其他进程无法获得所需资源。不可剥夺条件资源不能被系统强制性地从占有它的进程中剥夺，进程只能主动释放资源。循环等待条件多个进程形成一个循环等待关系，每个进程都等待着下一个进程释放的资源。死锁预防和避免11.互斥条件通过改变系统资源的分配策略，如使用非抢占式资源分配，可以有效预防死锁。22.请求和保持条件要求进程在申请新资源时，必须释放所有已获得的资源，以此避免死锁。33.循环等待条件引入资源申请顺序，确保所有进程按照同一顺序申请资源，可以有效预防循环等待条件。44.死锁避免通过银行家算法，在资源分配过程中进行动态检查，确保系统始终处于安全状态。死锁检测和解决死锁检测操作系统定期检查系统状态，判断是否存在死锁情况。使用资源分配图或其他算法进行检测。死锁恢复一旦检测到死锁，需要采取措施解除死锁，例如撤销进程，抢占资源或回滚进程。死锁预防通过设置资源分配策略，避免死锁发生。例如，使用银行家算法，在资源分配前进行安全检查。操作系统性能评价吞吐量衡量单位时间内系统处理的任务数量，反映系统处理能力。响应时间从用户提交请求到系统完成任务的时间间隔，体现系统对用户请求的响应速度。CPU利用率反映CPU资源的使用情况，过低表示资源浪费，过高可能导致系统性能下降。内存利用率反映内存资源的使用情况，过低表示资源浪费，过高可能导致内存碎片问题。CPU调度算法先来先服务最简单的调度算法，按照进程到达顺序执行。最短作业优先选择运行时间最短的进程，提高系统吞吐量。优先级调度根据进程优先级分配CPU时间，可设置优先级。时间片轮转每个进程分配一定时间片，轮流执行，保证公平性。页面置换算法FIFO先进先出算法，按照页面进入内存的顺序进行置换。简单易实现，但可能出现Belady现象。LRU最近最少使用算法，将最长时间未被访问的页面置换。性能较好，但需要记录每个页面的访问时间。OPT最佳置换算法，将未来最长时间不用的页面置换。性能最优，但无法在实际系统中实现。CLOCK时钟算法，结合了FIFO和LRU的优点。使用一个循环链表记录页面状态，并将最近使用的页面标记为引用位。磁盘调度算法先来先服务算法按照请求到达的顺序进行磁盘调度，简单易实现，但可能导致磁盘头频繁移动，效率低下。最短寻道时间优先算法选择下一个距离当前磁头最近的请求，能有效减少磁头移动时间，提高效率。扫描算法磁头从一端扫描到另一端，处理沿途所有请求，再反向扫描，兼顾了效率和公平性。循环扫描算法类似扫描算法，但磁头到达一端后会立即返回，避免了扫描算法的空闲时间，提高了效率。I/O设备管理键盘键盘是输入设备，用于向计算机输入字符和其他命令。鼠标鼠标是输入设备，用于控制光标并选择项目。显示器显示器是输出设备，用于显示计算机生成的图像和文本。打印机打印机是输出设备，用于将文档或图像打印到纸张上。实时操作系统概述实时性实时操作系统需要在严格的时间限制内响应事件。确定性执行时间和资源使用必须是可预测的。可靠性系统必须高度可靠，能够在各种条件下稳定运行。嵌入式操作系统概述资源受限嵌入式系统通常拥有有限的内存、存储空间和处理能力。实时性要求它们需要及时响应外部事件和控制物理设备，对时间敏感。定制化嵌入式操作系统通常针对特定应用和硬件平台进行优化。课程总结深入理解本课程深入介绍了操作系统基本概念、关键技术和设计原则，为学生进一步学习和研究奠定坚实基础。实践操作通过实践操作，学生能够亲身体验操作系统工作原理，增强对操作系统知识的理解和应用能力。未来展望掌握操作系统知识将为学生未来学习和工作提供有力支撑，在云计算、物联网等领域发挥重要作用。实习项目介绍基于Lin