《操作系统原理实验》课件

《操作系统原理实验》课件本课件旨在帮助学生深入理解操作系统原理，并通过实际操作掌握相关知识和技能。课程简介课程内容覆盖操作系统核心概念，涵盖进程管理、内存管理、文件管理、设备管理、安全机制等。实验环节通过实际操作，巩固理论知识，提升动手能力，掌握操作系统原理在实践中的应用。学习目标了解操作系统的基本概念和原理，掌握常用操作系统的基本功能和使用方法，培养系统分析和解决问题的能力。实验目标深入理解操作系统原理通过动手实践，加深对操作系统核心概念的理解，如进程管理、内存管理、文件管理等。培养实践能力掌握操作系统相关实验的操作方法，锻炼独立解决问题的能力，提高实际动手能力。提升编程技能通过编写代码完成实验任务，熟练运用编程语言，提升软件开发能力。培养团队合作精神鼓励团队协作完成实验，增强团队合作意识，提高沟通能力。实验环境准备1选择操作系统根据实验内容选择合适的操作系统，例如Linux、Windows或macOS。2安装操作系统在虚拟机或物理机上安装操作系统，并配置网络连接。3安装实验环境根据实验内容安装必要的软件和工具，例如编译器、调试器、虚拟机等。进程管理实验进程管理是操作系统的核心功能之一，负责创建、管理和终止进程。进程管理实验旨在让学生深入理解进程的概念、状态、操作，以及进程间通信和同步机制。进程创建1系统调用进程创建通过系统调用完成，比如fork()函数，会创建子进程并复制父进程的资源。2资源分配创建进程时，系统会分配给它所需的资源，比如内存、文件描述符、信号量等，为其运行提供基础。3初始化进程控制块为新进程创建一个进程控制块(PCB)，记录进程相关信息，以便操作系统管理和调度。4状态设置进程创建后，会处于就绪状态，等待系统调度执行。进程间通信管道管道是一种简单的进程间通信机制，它允许进程通过一个共享的FIFO队列进行数据交换。共享内存共享内存允许进程直接访问同一块内存区域，从而实现高效的数据共享。消息队列消息队列提供了一种异步的进程间通信方式，允许进程通过发送和接收消息进行交互。信号量信号量是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问，确保进程之间的协调与合作。进程同步临界区临界区是指进程中访问共享资源的代码段，保证同一时间只有一个进程能够访问该资源，避免数据不一致。互斥锁互斥锁是一种同步机制，用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源，通过获取和释放锁来控制访问权限。信号量信号量是一种用于控制多个进程对共享资源访问的同步机制，通过增加或减少信号量的值来实现进程间的同步。管程管程是一种高级同步机制，提供了一种封装共享资源和同步操作的抽象，简化了并发编程的复杂性。进程调度11.概述进程调度是操作系统管理和控制进程执行的关键环节，它决定了哪些进程可以运行以及运行的顺序。22.目标进程调度算法的目标是高效利用系统资源，提高系统吞吐量，缩短用户等待时间，确保系统公平性。33.算法常见的进程调度算法包括先来先服务，短作业优先，时间片轮转，优先级调度等。44.实践通过实验，学生可以深入理解进程调度算法的原理，并分析不同算法的优缺点。内存管理实验内存管理是操作系统的重要组成部分，负责分配和管理计算机系统中的内存资源。实验主要通过模拟内存分配、内存保护和虚拟内存等机制，帮助学生理解内存管理的原理和实践。内存分配内存分配算法内存分配算法决定如何将可用内存分配给不同的进程。常见算法包括最先适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法和伙伴算法。每个算法都有其优缺点，适合不同的应用场景。内存碎片问题内存碎片是指可用内存被分割成许多小的空闲区域，导致无法分配足够大的连续内存块给进程。内存碎片会降低内存利用率，影响系统性能。内存保护地址空间隔离保护每个进程的地址空间，防止进程访问其他进程的内存区域。内存访问控制限制进程对内存的访问权限，例如只读、可写、可执行等。硬件机制使用内存管理单元(MMU)进行地址转换和访问控制。操作系统支持操作系统提供内存保护机制，包括页表管理、虚拟内存等。虚拟内存虚拟地址空间为每个进程提供一个独立的虚拟地址空间，屏蔽了物理内存的限制，允许进程使用比实际物理内存更大的地址空间。页面映射通过页表将虚拟地址转换为物理地址，实现虚拟地址空间与物理地址空间的映射关系。磁盘交换将不在内存中的页面存储在磁盘上，当需要访问这些页面时，再将它们调入内存。页式虚拟内存将虚拟内存和物理内存划分成大小相等的页，通过页面映射和磁盘交换实现虚拟内存管理。文件管理实验文件管理实验是操作系统原理实验课程的重要组成部分。通过实验，学生可以深入理解文件系统的结构和工作原理，掌握文件操作的基本技能。文件系统结构树形结构文件系统使用树形结构组织文件，方便管理和查找。层次结构通过目录层级，实现文件的逻辑组织，方便用户访问。索引节点每个文件对应一个索引节点，存储文件的元数据信息。文件操作文件创建创建新文件，指定文件名和路径。文件写入将数据写入文件，覆盖或追加内容。文件读取从文件读取数据，按字节或字符进行读取。文件删除删除文件，释放磁盘空间。设备管理实验设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种硬件设备。本实验将深入探讨设备管理的原理和实践，包括设备驱动程序的编写、中断处理机制、输入输出系统的实现等。设备驱动程序硬件与软件桥梁设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，它充当桥梁，将硬件设备的功能抽象成操作系统可以理解的接口。实现硬件功能驱动程序负责控制和管理特定硬件设备，实现设备的初始化、数据传输、中断处理等功能，确保硬件设备与系统软件的协同工作。中断处理中断概念中断是CPU暂停当前正在执行的程序，转而执行中断处理程序，以处理特定事件。中断类型中断可分为硬件中断和软件中断，硬件中断由硬件设备引起，软件中断由程序指令触发。中断处理流程中断发生时，CPU保存当前状态，跳转到中断处理程序执行，处理完成后恢复现场，继续执行原程序。中断处理程序中断处理程序是一个专门的程序，用于处理特定中断类型，它负责识别中断源，并执行相应的处理逻辑。输入输出系统键盘键盘是用户向计算机输入数据的主要途径。鼠标鼠标是用户控制计算机光标和进行操作的设备。显示器显示器是计算机用来显示信息的设备。打印机打印机是用来打印文本和图形的输出设备。安全机制实验操作系统安全是保护系统资源和用户数据的关键。本实验将通过实践探索常见的安全机制。访问控制1用户身份验证验证用户身份，确认其访问权限。使用用户名和密码、生物识别等方法。2权限分配根据用户角色和需要，分配不同的访问权限，控制用户对资源的访问范围和操作权限。3访问控制列表定义用户对特定资源的访问权限，实现细粒度的访问控制，保障系统安全。4访问日志记录记录用户的访问操作，包括访问时间、访问对象和操作类型，便于追溯和审计。加密解密加密将数据转换成无法理解的形式，只有拥有密钥的人才能解密。解密使用密钥将加密数据还原成原始数据。应用场景保护敏感信息，例如密码、银行卡信息等。审计机制跟踪系统活动记录用户操作、系统事件和资源使用情况，为安全分析提供依据。识别安全威胁通过分析审计日志，识别潜在的安全威胁，如恶意攻击、内部威胁和系统故障。责任追溯确定系统事件的责任人，追溯操作过程，帮助定位问题根源。合规性验证确保系统操作符合安全策略和相关法律法规，为合规性审查提供证据。网络管理实验网络管理实验涉及操作系统与网络的交互，旨在深入理解网络编程、协议和安全机制。学生将通过实践学习网络通信的基本原理、网络应用开发和网络安全防护。套接字编程套接字API套接字API提供函数，用于创建、绑定、监听、连接和发送/接收数据。网络协议套接字使用TCP或UDP协议进行通信，提供可靠或非可靠的数据传输。客户端-服务器模型套接字用于实现客户端-服务器模型，其中客户端向服务器发送请求，服务器响应请求。网络协议TCP/IP协议TCP/IP协议是互联网的核心，提供网络通信的标准规范。TCP提供可靠的、面向连接的传输服务，IP提供无连接的数据报服务。HTTP协议HTTP是超文本传输协议，用于在Web服务器和浏览器之间传输数据。HTTP协议定义了请求和响应格式，支持多种数据类型，包括文本、图像和视频。DNS协议DNS是域名系统，用于将域名解析为IP地址，方便用户访问网站。DNS协议使用层次化的域名结构，支持多种域名解析类型，如A记录、MX记录等。网络安全11.数据机密性保护数据不被未授权访问或披露。22.数据完整性确保数据不被篡改或损坏。33.可用性确保系统和数据可被授权用户访问。44.身份验证验证用户的身份，确保只有授权用户才能访问系统和数据。实验小结实践操作通过实验加深对操作系统原理的理解，掌握基本操作技能。