《os课程设计》课件

操作系统课程设计本课程设计旨在加深对操作系统原理的理解，并通过实践掌握操作系统核心概念。课程目标培养动手能力通过实际项目，加深对操作系统原理的理解，并锻炼实践技能。提升团队合作通过分组设计和协作完成课程设计，培养团队合作和沟通能力。增强问题解决能力在设计过程中，遇到并解决各种技术问题，提高分析问题和解决问题的能力。一.操作系统概述操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它负责管理计算机系统中的硬件资源，为应用程序提供运行环境，并使计算机系统能够高效地运行。操作系统是用户和计算机硬件之间的接口，它屏蔽了硬件的复杂性，为用户提供了一个友好的使用环境。操作系统的定义和作用定义操作系统是管理计算机硬件和软件资源的软件。它是计算机系统中最重要的软件，负责控制和协调计算机的所有活动。作用操作系统提供一个用户友好的接口，使计算机系统更易于使用。它管理计算机的硬件资源，例如内存、磁盘、打印机等。它管理软件资源，例如程序、数据、文件等。操作系统的基本功能内存管理操作系统负责分配和管理系统内存，确保程序之间共享资源并防止冲突。进程管理操作系统管理着系统中的所有进程，包括创建、调度、终止和同步。文件管理操作系统管理文件系统，包括创建、删除、读取和写入文件，以及访问控制。设备管理操作系统负责管理所有硬件设备，包括分配、调度和控制设备的访问。操作系统的发展历程1批处理系统早期操作系统，例如IBM的OS/360。2分时系统例如Unix和Multics，支持多个用户同时使用一台计算机。3实时系统例如航空管制系统，需要实时响应外部事件。4个人电脑操作系统例如Windows和macOS，为个人用户提供图形界面。操作系统的发展历程与计算机硬件和软件的发展密切相关，从早期的批处理系统到现在的移动操作系统，操作系统不断发展，功能越来越强大，使用越来越便捷。二.进程管理进程是操作系统中一个重要的概念，它代表着一个正在执行的程序。进程管理是操作系统中一项核心功能，它负责创建、调度、同步和销毁进程，以保证系统高效运行。进程的概念程序的执行进程是程序在内存中运行时的动态执行过程，是操作系统进行资源分配的基本单位。资源分配进程拥有独立的内存空间，包含程序代码、数据、堆栈等，并拥有独立的系统资源。时间片进程执行是分时间片进行的，多个进程轮流使用CPU，以实现并发执行的效果。进程状态及转换进程在运行过程中会经历不同的状态，并根据系统资源情况进行转换，这也是操作系统管理进程的关键环节。1运行状态进程正在使用CPU，执行指令2就绪状态进程已准备好运行，等待CPU资源分配3阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成进程状态之间相互转换，例如：运行状态的进程可能由于时间片用完而进入就绪状态，而就绪状态的进程可能由于获得了CPU资源而进入运行状态。进程控制块11.进程标识符唯一标识每个进程，方便系统管理和调度。22.进程状态记录进程当前运行状态，例如就绪、运行、阻塞等。33.进程优先级决定进程在系统中的重要程度，影响调度策略。44.进程资源包括进程所需的内存、文件、I/O设备等资源信息。进程调度算法11.先来先服务(FCFS)简单直观，按照进程到达时间的先后顺序进行调度。22.最短作业优先(SJF)选择执行时间最短的进程，提高系统效率，但可能导致短作业等待时间过长。33.优先级调度为每个进程设定优先级，优先级高的进程优先执行。44.时间片轮转将CPU时间划分成时间片，每个进程执行一个时间片后，轮流执行。三.内存管理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。它确保不同程序和进程能够共享内存资源，并有效地利用内存空间。内存的分类主存(RAM)速度快，但容量有限，数据丢失。辅存(SecondaryStorage)速度慢，容量大，数据持久存储。高速缓存(Cache)介于主存和CPU之间，提升数据访问速度。内存分配策略固定分区分配内存被划分成固定大小的分区，每个进程只能分配一个分区。简单易实现，但内存利用率低，可能存在内存碎片。可变分区分配内存被划分成大小可变的分区，根据进程的大小动态分配内存。内存利用率高，但管理复杂，可能出现内存碎片。伙伴系统内存被划分成大小为2的幂次方的块，并使用伙伴算法分配和回收内存，提高内存利用率，减少内存碎片。页式管理将进程的地址空间划分成大小相等的页，并将这些页存储在物理内存的非连续空间中。分页和分段分页将逻辑地址空间划分为大小相等的页，物理地址空间也划分为大小相同的页框。分段将程序按照逻辑功能划分成若干个段，每个段可以有不同的长度。虚拟内存概念虚拟内存允许程序使用超过物理内存的地址空间。它通过将程序代码和数据分成页面，并将这些页面存储在磁盘上，来扩展物理内存。优势虚拟内存提高了多任务处理效率，允许多个程序同时运行，即使物理内存不足。它还增强了系统安全性，防止程序访问其他程序的内存。四.文件管理文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行存储、访问和管理。文件管理系统为用户提供了一套统一的接口，以便于用户访问和操作文件。文件的概念数据集合文件是计算机中存储在存储设备上的一组相关数据的集合。文件可以包含文本、程序、图像、音频或视频等信息。逻辑单元对于操作系统而言，文件是一个逻辑单元，而不是物理单元。操作系统通过文件系统管理文件，并提供对文件的访问和操作接口。文件系统结构树形结构根目录作为树的根节点，文件和目录作为树的节点。图状结构以图的形式描述文件和目录之间的关系。分层结构将文件系统分为不同的层级，例如物理层和逻辑层。文件组织和存储文件系统结构文件系统是操作系统中重要的组成部分，用于组织和管理文件。文件存储文件存储在磁盘上的特定位置，通常由目录结构和分配表管理。文件分配文件被分成多个数据块，每个数据块分配一个唯一地址，用于存储文件数据。文件访问控制1用户身份验证操作系统需要识别用户的身份，并根据用户类型和权限控制访问权限。2访问权限管理对不同用户和用户组分配不同的访问权限，例如读取、写入或执行文件。3访问控制列表使用访问控制列表(ACL)来管理文件访问权限，并记录每个用户的访问权限。4安全机制使用加密和授权机制来保护文件安全，防止未经授权的访问和修改。五.输入/输出管理输入/输出管理是操作系统的重要组成部分，负责管理系统与外部设备之间的交互。它允许用户程序访问各种硬件设备，并确保这些访问操作安全、高效地进行。I/O设备的分类输入设备输入设备用于将外部数据或指令输入到计算机系统。例如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备输出设备用于将计算机系统处理后的信息或结果输出到外部。例如显示器、打印机、扬声器等。存储设备存储设备用于存储数据和程序。分为主存储器（内存）和辅助存储器（硬盘、U盘等）。通信设备通信设备用于实现计算机系统之间的数据传输。例如网卡、调制解调器等。I/O控制方式程序控制CPU直接控制I/O设备，效率低，不灵活。中断控制I/O设备完成操作后，向CPU发送中断信号，效率提高。通道控制专门的硬件通道控制I/O设备，CPU不再直接干预，效率更高。DMA控制直接内存访问技术，数据传输无需CPU参与，效率最高。磁盘I/O管理磁盘调度算法磁盘调度算法优化磁盘访问顺序，减少寻道时间和旋转延迟，提高磁盘I/O效率。缓冲区管理缓冲区管理为磁盘I/O操作提供缓冲区，减少磁盘访问次数，提高数据传输效率。磁盘缓存磁盘缓存将常用数据块保存在内存中，减少磁盘访问次数，提高系统性能。六.课程设计实践本节将介绍操作系统课程设计的实践部分，包括设计目标、内容、步骤和评估等。设计目标加深理解通过实践，加深对操作系统基本概念和原理的理解。熟悉进程管理、内存管理、文件管理、I/O管理等核心模块的功能和实现。培养能力培养学生动手实践能力，提高解决问题的能力。锻炼分析问题、设计方案、编写代码、测试调试等软件开发的基本技能。探索创新鼓励学生在课程设计中进行探索和创新，尝试设计新的功能或改进已有功能，提升对操作系统的认识和应用水平。设计内容和要求进程管理实现一个简单的进程调度算法，例如先到先服务、最短作业优先或优先级调度算法。内存管理模拟分页或分段内存管理机制，实现内存分配和页面/段替换算法。文件管理设计一个简单文件系统，实现文件创建、删除、打开、关闭、读写等操作。用户界面设计一个简单的用户界面，方便用户创建、管理和运行进程，并观察操作系统运行状态。实现步骤需求分析分析系统需求，包括功能、性能、可靠性等。系统设计设计系统架构，包括模块划分、数据结构、算法设计等。代码实现根据设计文档