《操作系统课程设计》课件

操作系统课程设计本课程设计旨在深入学习操作系统核心概念并进行实践应用。通过设计和实现一个小型操作系统，加深对操作系统的理解，掌握操作系统设计的基本原理和方法。课程设计背景与目的1理论实践结合将操作系统理论知识应用于实际项目开发。2提升编程能力培养学生解决实际问题的编程能力和实践操作技能。3掌握核心技术深入了解操作系统内核，掌握进程管理、内存管理等核心技术。实验环境与工具介绍虚拟机环境使用虚拟机软件创建虚拟的Linux操作系统环境，如VirtualBox或VMware。代码编辑器选择适合的代码编辑器编写实验代码，例如VisualStudioCode或Atom。命令行工具熟悉Linux命令行工具，使用它们与操作系统进行交互，例如bash和zsh。调试工具使用调试工具分析代码并解决运行时错误，例如GDB和LLDB。实验一：进程管理进程是操作系统分配资源的基本单位，也是程序执行的最小单位。进程管理是操作系统最重要的功能之一，它负责创建、撤销、调度和同步进程。进程的创建与终止进程创建是操作系统为一个新进程分配资源并将其加入系统进程列表的过程。进程终止则是在进程完成任务后释放资源，并将其从系统进程列表中删除。1申请资源内存、文件、设备2创建PCB进程控制块3初始化进程设置状态、程序计数器、寄存器4将进程加入队列就绪队列进程终止后，系统会回收其占用的所有资源，包括内存、文件、设备等。进程终止的方式包括正常退出、异常退出和错误退出等。进程间通信机制管道管道是进程间通信的最基本方式，允许一个进程向另一个进程发送数据。管道是一种单向的数据流，数据只能从管道的一端写入，从另一端读出。管道分为匿名管道和命名管道，匿名管道只允许具有共同祖先的进程访问，而命名管道则允许任何进程访问。消息队列消息队列是一种异步通信机制，允许进程之间交换消息而不必直接相互通信。消息队列允许进程将消息写入队列，其他进程可以从队列中读取消息。消息队列可以用于进程之间的通信，也可以用于不同进程之间的通信。共享内存共享内存是一种允许进程直接访问同一块内存区域的通信机制。共享内存是进程间通信最快的方式，因为它不需要进行数据复制。共享内存通常用于需要快速数据交换的应用程序，例如图形处理和数据库。信号量信号量是一种用于控制多个进程访问共享资源的机制。信号量可以用来同步进程，确保只有特定的进程可以访问共享资源。信号量也可以用来协调进程之间的合作，确保多个进程以正确的顺序访问共享资源。进程调度算法先来先服务（FCFS）按照进程到达的先后顺序进行调度，简单易实现，但可能导致短作业等待时间过长。最短作业优先（SJF）选择下一个运行的进程是估计运行时间最短的进程，可以提高系统吞吐量，但需要预测运行时间。时间片轮转（RR）每个进程运行一个时间片，时间片结束后，调度器选择下一个进程运行，可提高系统交互性，但时间片过短会导致系统开销增大。优先级调度根据进程的优先级进行调度，优先级高的进程优先运行，可以满足一些重要任务的需求，但需要设计合理的优先级分配机制。实验二：内存管理内存管理是操作系统中至关重要的部分，它负责分配和管理计算机系统中的内存资源。内存管理的目标是优化内存使用效率，提高程序运行速度，并确保程序之间相互隔离，防止相互干扰。连续分配和分页管理连续分配连续分配内存管理方式，将内存划分成若干个分区，每个分区只分配给一个进程，并要求进程的代码和数据必须存放在连续的内存空间中。分页管理分页管理是将进程的地址空间分成大小相同的页面，将内存也划分成同样大小的页框，并将进程的页面分配到内存的页框中。优势连续分配简单易实现，但空间利用率低；分页管理提高了内存利用率，但也增加了系统开销。虚拟内存管理地址空间扩展虚拟内存允许进程访问超出物理内存范围的地址空间，扩展了程序的可用内存。多任务处理通过将部分程序页面交换到磁盘，虚拟内存使得多个程序可以共享有限的物理内存，提高系统效率。内存保护每个进程拥有独立的虚拟地址空间，防止程序之间的相互干扰，提高系统安全性和稳定性。页面置换算法先进先出（FIFO）最早进入内存的页面最先被替换出去。简单易实现，但易发生抖动现象。最近最少使用（LRU）最近最少使用的页面最先被替换出去。较好的性能，但需要额外的记录时间戳信息。最佳置换算法（OPT）选择未来最长时间不会被访问的页面替换。性能最优，但无法在实际系统中实现。时钟算法（CLOCK）将页面标记为已使用或未使用，选择未使用的页面替换。折中性能和复杂度。实验三：文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和组织文件系统。它为用户提供创建、删除、访问、修改等操作。文件的创建、打开与关闭文件创建操作系统提供文件创建系统调用，分配磁盘空间并创建文件控制块。文件打开操作系统验证用户访问权限，并根据文件名找到文件控制块，建立文件表项。文件关闭删除文件表项，将文件内容写入磁盘，释放相关资源。文件的读写操作1打开文件使用系统调用打开文件2读写操作使用系统调用读写文件内容3关闭文件使用系统调用关闭文件文件读写操作是操作系统中一项基本功能，涉及打开文件、读取或写入数据以及关闭文件等步骤。目录和文件属性管理文件目录结构文件系统通过目录树组织文件，方便用户查找和管理。每个目录包含子目录和文件。用户可使用目录命令创建、删除和修改目录结构。文件属性管理每个文件都拥有属性，例如文件名、文件大小、创建日期、访问权限等。操作系统提供了接口，允许用户查看和修改文件属性。实验四：设备管理设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理和控制计算机系统中的各种硬件设备。它为用户提供统一的接口，屏蔽硬件设备的差异，并有效地分配和利用硬件资源。设备驱动程序结构11.设备独立性设备驱动程序提供统一的接口，隐藏设备差异。22.中断处理驱动程序处理来自设备的中断，并通知操作系统。33.缓冲区管理驱动程序管理数据传输缓冲区，提高效率。44.错误处理驱动程序负责处理设备错误，并通知用户。中断处理机制中断处理程序处理来自硬件或软件的中断，并执行相应的操作。堆栈中断发生时，保存当前程序状态，以便中断处理完成后恢复正常执行。中断向量表包含每个中断的地址，用于快速找到相应的处理程序。缓冲区管理缓冲区是用于暂存数据的一种内存区域，可以提高数据传输的效率。缓冲区管理涉及对缓冲区的分配、释放和管理，以优化数据流的处理和存储。常用的缓冲区管理策略包括单缓冲、双缓冲和循环缓冲，以及各种缓存替换算法。实验五：死锁处理死锁是指多个进程因竞争资源而互相等待，导致所有进程都无法继续执行的现象。死锁会导致系统资源浪费，降低系统效率。死锁的概念与预防死锁定义多个进程因竞争资源而互相等待，导致所有进程都无法继续执行。死锁条件互斥条件持有并等待不可剥夺循环等待死锁预防破坏死锁条件以防止其发生，例如采用资源预先分配或打破循环等待。死锁的检测与解决11.检测通过系统资源分配情况，寻找系统中是否出现了循环等待的情况，从而确定是否出现了死锁。22.资源抢占从一个或多个进程中抢占资源，打破循环等待的条件，但是需要考虑资源抢占的安全性。33.进程终止终止涉及死锁的进程，释放其占用的资源，但可能会导致程序的失效。44.回滚将死锁进程回滚到一个安全状态，并释放资源，但回滚的代价较大。银行家算法应用算法流程银行家算法是一个资源分配算法，它用于防止系统死锁。资源分配该算法通过模拟银行家贷款的方式，为每个进程分配资源。安全状态检查算法会检查系统是否处于安全状态，以确保资源分配不会导致死锁。实验总结与讨论本课程设计项目旨在深入理解操作系统原理，通过实践操作掌握相关知识，并锻炼编程能力和问题解决能力。实验过程中，同学们积极思考，独立完成设计和编码工作，取得了丰硕成果。总结与展望实