《操作系统原理与中断机制》课件

《操作系统原理与中断机制》本课件将带您深入了解操作系统的基本原理，并着重探讨中断机制在操作系统中的重要作用。通过学习，您将掌握操作系统的核心概念和关键技术，为进一步学习计算机科学打下坚实的基础。课程简介目标本课程旨在帮助学生理解操作系统的基本原理、关键技术和应用场景。通过深入学习，学生将掌握操作系统的核心概念，并能够分析和解决实际问题。内容课程涵盖了操作系统的核心模块，包括进程管理、内存管理、文件管理、中断机制等。同时，还会探讨与操作系统密切相关的技术，如系统调用、DMA、磁盘管理等。操作系统概述操作系统是计算机系统中不可或缺的核心软件，它负责管理和控制计算机的硬件资源，并为应用程序提供运行环境。操作系统就像是计算机系统的管家，负责协调和管理各种硬件和软件资源，以保证计算机系统的正常运行。操作系统的基本功能进程管理负责创建、撤销、调度和同步进程，以实现多道程序运行和提高系统效率。内存管理负责分配和回收内存空间，以满足进程运行的内存需求，并防止内存资源的浪费。文件管理负责对文件进行创建、删除、修改、读写等操作，并为用户提供方便易用的文件操作接口。设备管理负责管理系统中的各种硬件设备，如磁盘、打印机、键盘等，为用户提供统一的设备访问接口。进程管理进程管理是操作系统的核心功能之一，它负责管理系统中运行的所有进程，包括进程的创建、终止、调度和同步等操作。进程管理的目标是提高系统的资源利用率，并确保进程之间能够协同工作，共同完成任务。进程的状态转换就绪进程已准备好运行，但CPU资源不足。1运行进程正在使用CPU执行任务。2阻塞进程因等待I/O操作或其他事件而暂停执行。3进程调度算法先来先服务按照进程到达的顺序进行调度，简单易实现，但可能导致短进程等待时间过长。最短作业优先优先调度运行时间最短的进程，可提高系统吞吐量，但无法预测未来进程的运行时间。时间片轮转为每个进程分配一定的时间片，轮流执行，适合交互式系统，但时间片过短会增加进程切换开销。线程概述线程是轻量级的进程，它可以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。使用线程可以有效地提高系统资源利用率，并简化多任务编程。线程创建与删除创建调用系统提供的线程创建函数，为新线程分配资源，并启动执行。删除调用系统提供的线程删除函数，回收线程资源，并终止线程执行。线程同步机制线程同步机制用于协调多个线程之间的访问共享资源，防止数据竞争和冲突。常用的线程同步机制包括互斥锁、信号量、条件变量等。经典同步问题生产者-消费者问题描述了生产者线程生产数据并存入缓冲区，消费者线程从缓冲区获取数据并消费数据的过程，需要同步机制来协调生产者和消费者线程的访问。读者-写者问题多个读者线程可以同时读取数据，但只有一个写者线程可以写入数据，需要同步机制来协调读写线程的访问。哲学家就餐问题五个哲学家围坐在一张圆桌旁，每个人都有自己的筷子，但需要两根筷子才能吃饭，需要同步机制来协调哲学家获取筷子的过程，防止死锁的发生。死锁概述死锁是指两个或多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行的状态。死锁会导致系统资源浪费和性能下降，甚至可能导致系统崩溃。死锁的必要条件1互斥条件每个资源只能被一个进程独占访问。2请求与保持条件进程已经获得了至少一个资源，但又请求其他资源，且被阻塞。3不可剥夺条件进程获得的资源在未使用完之前不能被其他进程强占。4循环等待条件系统中存在一个闭环，每个进程都等待环中下一个进程释放的资源。死锁的预防和避免预防通过破坏死锁的必要条件来防止死锁的发生，例如，采用资源预先分配的方式，避免资源的循环等待。避免在系统运行过程中动态地检测可能发生死锁的条件，并采取措施避免死锁的发生，例如，使用银行家算法来判断系统是否处于安全状态。内存管理概述内存管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理计算机系统中的内存空间，为进程分配和回收内存资源，并确保内存资源的有效利用，防止内存冲突和内存泄漏。连续分配方式1单一连续分配将整个内存空间划分成系统区和用户区，用户区仅为一个进程分配，简单但浪费空间。2固定分区分配将内存空间划分成固定大小的若干分区，每个分区只能分配给一个进程，简单但可能导致内存碎片。3可变分区分配将内存空间划分成大小可变的若干分区，每个进程分配所需大小的内存空间，提高空间利用率，但会产生内存碎片。离散分配方式1页式管理将逻辑地址空间划分为大小相等的页，物理地址空间划分为大小相等的页框，并通过页表建立页和页框之间的映射关系。2段式管理将逻辑地址空间划分为大小不等的段，物理地址空间也划分为大小不等的段框，并通过段表建立段和段框之间的映射关系。3段页式管理将逻辑地址空间划分为段，每个段再进一步划分为页，物理地址空间也划分为页框，并通过段表和页表建立段页和页框之间的映射关系。虚拟内存技术虚拟内存技术允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间，通过将部分程序和数据存储在磁盘上，并在需要时加载到内存中，从而扩展了内存容量，提高了系统资源利用率。页式虚拟内存页式虚拟内存是一种常用的虚拟内存技术，它将逻辑地址空间划分为大小相等的页，物理地址空间划分为大小相等的页框，通过页表建立页和页框之间的映射关系，实现虚拟地址到物理地址的转换。段式虚拟内存段式虚拟内存将逻辑地址空间划分为大小不等的段，物理地址空间也划分为大小不等的段框，通过段表建立段和段框之间的映射关系，实现虚拟地址到物理地址的转换。请求分页管理机制请求分页管理机制是一种常用的虚拟内存管理机制，它允许进程在需要时才加载页面到内存中，从而减少了内存占用，提高了系统资源利用率。中断概述中断是一种硬件机制，它允许硬件设备在需要的时候向CPU发出信号，请求CPU处理某些事件。中断机制是操作系统实现异步事件处理的重要手段，可以提高系统的响应速度和效率。中断分类1硬件中断由硬件设备发出的中断信号，例如键盘输入、磁盘读写完成等。2软件中断由软件程序发出的中断信号，例如系统调用、异常处理等。中断响应过程中断发生硬件设备或软件程序发出中断信号。中断处理CPU保存当前执行环境，并跳转到中断处理程序。中断处理程序处理中断事件，例如处理键盘输入、磁盘读写完成等。中断返回中断处理程序完成后，恢复中断前的执行环境，并继续执行被中断的程序。时钟中断处理时钟中断是由系统定时器发出的，用于实现进程调度和时间片轮转等功能。操作系统通过处理时钟中断，可以定期切换正在运行的进程，保证每个进程都能获得CPU资源。I/O中断处理I/O中断是由I/O设备发出的，用于通知CPUI/O操作已经完成。操作系统通过处理I/O中断，可以及时响应I/O操作的完成，并将数据传递给应用程序。软中断处理软中断是由软件程序发出的，例如系统调用，用户程序可以通过系统调用请求操作系统提供服务。操作系统通过处理软中断，可以为用户程序提供各种系统服务，如进程创建、文件操作等。系统调用机制系统调用是用户程序与操作系统交互的一种机制，用户程序通过系统调用可以请求操作系统提供各种服务，例如进程创建、文件操作、内存分配等。系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，它将用户程序与操作系统内核隔离开来，保证操作系统的安全性和稳定性。系统调用示例以下是一些常见的系统调用示例：-create()：创建新进程-fork()：复制当前进程-exec()：加载并执行新程序-open()：打开文件-read()：读取文件内容-write()：写入文件内容-close()：关闭文件-exit()：终止当前进程DMA技术DMA（直接内存访问）技术允许I/O设备直接访问内存，而无需CPU的干预。DMA技术可以有效地提高I/O速度，减轻CPU的负担，提高系统性能。DMA传输过程DMA传输过程如下：1.CPU将DMA控制器初始化，并设置数据传输参数，例如数据源地址、数据目标地址、数据传输长度等。2.DMA控制器接管数据传输，直接从数据源读取数据并写入数据目标，无需CPU干预。3.DMA传输完成后，DMA控制器向CPU发出中断信号，通知CPU数据传输完成。磁盘管理概述磁盘管理是操作系统的重要功能之一，它负责管理系统中的磁盘存储空间，为用户提供文件存储和访问服务。磁盘管理需要解决文件存储空间分配、磁盘调度、文件保护等问题。磁盘调度算法文件管理系统文件管理系统是操作系统的重要组成部分，它负责管理系统中的文件，为用户提供创建、删除、修改、读写等文件操作服务。文件管理系统需要解决文件存储空间管理、文件目录结构、文件保护等问题。文件目录结构文件目录结构用于组织和管理系统中的文件，它描述了文件在磁盘上的存储位置和关系。常用的文件目录结构包括单级目录结构、树形目录结构和图状目录结构。文件存储空间管理1连续分配为每个文件分配一块连续的磁盘空间，简单但可能导致外部碎片。2链接分配将文件分散存储在磁盘上的不同位置，通过链接方式连接文件各个部分，提高空间利用率，但可能导致访问效率降低。3索引分配为每个文件建立一个索引块，索引块中存放文件各部分的地址