《操作系统实验》课件

操作系统实验课程通过一系列实践性实验学习操作系统的基本原理及实现深入理解计算机系统的,,工作机制将理论与实践相结合培养学生的动手能力和解决实际问题的能力,课程简介实践为先理论与实践结合本课程采用实验驱动的教学方式课程内容涵盖操作系统的基本原，让学生通过亲身动手操作来深理和设计思想，并提供相应的实入理解操作系统的核心概念和机验环节，让学生将理论应用到实制践中全面系统覆盖技术前沿洞见课程涵盖操作系统的进程管理、课程还包括容器技术、云计算、内存管理、文件系统、设备驱动实时操作系统等新兴技术的实验,等各个关键模块，为学生提供全让学生了解最新的操作系统发展面的实验体验趋势实验环境搭建安装虚拟机1在本地计算机上安装虚拟机软件下载操作系统2选择合适的操作系统镜像文件配置虚拟环境3在虚拟机中配置操作系统、编译器等必要工具实验环境的搭建是本课程的基础需要先在本地计算机上安装虚拟机软件然后下载合适的操作系统镜像文件最后在虚拟机中配置好所需的,,,操作系统和编译器等工具为后续的实验做好准备,进程管理实验进程创建与调度进程间通信进程状态管理实验学习如何创建、管理和调度多个进程探讨进程间通信的机制和方法包括管道、学习如何有效管理进程的生命周期包括创,,,以实现高效的任务分配和执行消息队列、信号量等掌握进程间数据共享建、就绪、运行、阻塞和结束等状态的切换,和同步的技能和控制进程通信实验进程间通信通过管道、消息队列、共享内存等实现进程间的数据交换和同步进程同步利用信号量、互斥量等机制控制并发访问共享资源，避免数据竞争和死锁远程通信使用套接字编程实现跨主机的进程通信，支持客户端服务器模式-内存管理实验进程地址空间管理动态内存分配12了解操作系统如何为每个进程分配虚拟地址空间并实现进实现和等动态内存管理函数的基本原理学习内,malloc free,程地址空间的划分和切换存碎片化问题及其解决方法页式存储管理段式存储管理34探索页表结构了解页面置换算法如和算法掌握研究段式存储管理的基本概念实现段表的建立和段式地址,LRU Clock,,缺页中断处理流程转换过程页式存储管理实验页式内存管理页表管理页面置换算法实验内容页式内存管理是一种常见的内页式内存管理需要通过页表来当物理内存不足时需要通过本实验将探讨页式内存管理的,存管理方式将物理内存划分维护逻辑地址到物理地址的映页面置换算法来选择合适的页基本原理包括页表设计、页,,为固定大小的页面并将程序射关系实现对内存的动态分面进行交换以保证程序的正面置换算法的实现以及性能评,,,的逻辑地址映射到物理页面上配和管理常运行估等段式存储管理实验内存地址空间划分段表管理地址转换过程通过段式存储管理策略将程序的逻辑地址段表用于记录每个段的起始地址、长度和访通过段式存储程序使用的逻辑地址会被转,,空间划分为多个可独立管理的段提高内存问权限等信息操作系统据此完成地址转换换为物理地址满足多个程序共享物理内存,,,利用效率和访问控制的需求虚拟内存实验内存管理机制页面置换算法高速缓存管理性能分析与优化探讨虚拟内存管理的基本概念研究常见的页面置换算法如学习高速缓存在虚拟内存系统分析虚拟内存子系统的性能瓶,、页式和段式虚拟内存管理策、和时钟算法比较它中的作用以及缓存淘汰策略的颈并提出优化措施以提高整体FIFO LRU,,,略们的优缺点影响性能文件系统实验文件系统结构文件操作目录管理磁盘分区和挂载API实验探讨常见文件系统如学习操作系统提供的文件系统研究目录创建、删除、遍历等实践如何对存储设备进行分区FAT、和的基本结构包如、、功能的实现并优化目录查找并将文件系统挂载到操作系NTFS ext,API,open readwrite,,括目录结构、文件元数据和文和了解底层实现原理效率统中供应用程序使用close,件分配方式磁盘调度算法实验先来先服务最短寻道时间优先FCFS SSTF按照磁盘请求的到达顺序进行调选择当前磁头位置距离最近的磁度简单易实现但可能导致平均盘请求进行服务可以减小平均寻,,寻道时间较长道时间但存在饥饿问题扫描算法循环扫描算法SCAN C-SCAN磁头从一端移动到另一端沿途服在算法的基础上磁头移动,SCAN,务所有请求可以降低平均寻道到另一端后立即返回起点可以缓,时间但存在边缘效应解边缘效应,死锁预防实验定义死锁探讨预防措施实验目标123死锁是指两个或多个进程因相互竞争通过资源分配策略、死锁检测算法及设计死锁预防算法并进行实验验证,资源而陷入无限等待的状态其解决方法来预防和解决死锁问题提高对死锁问题的理解死锁检测与解决实验死锁检测死锁解决实验目标通过资源分配图和等待图等方采用资源抢占、进程终止或进掌握检测和解决死锁的方法,法检测系统中是否存在死锁程挂起等策略来打破死锁根提高对操作系统安全性和可靠识别出涉及的进程和资源并据具体情况选择最适合的解决性的理解和分析能力,分析导致死锁的原因方案尽量减少对系统的影响,调度算法实验CPU时间片轮转调度优先级调度多级反馈队列最短作业优先这种最简单的调度算法为根据进程优先级动态调度高优根据进程运行情况在多个就绪选择就绪队列中估计执行时间CPU,每个进程分配一个固定时间片先级进程优先执行提高关键任队列之间动态调度兼顾响应时最短的进程优先执行可以最大,,,轮流执行确保公平性和响应时务的响应速度间和系统吞吐量限度减少平均响应时间,间多线程实验创建多线程线程同步学习使用各种方法创建线程如使用线掌握线程同步机制如互斥锁、信号量,,程库、并发编程框架等、条件变量等确保线程安全,死锁预防性能优化学习如何识别和预防死锁问题确保多探讨如何通过合理的线程调度和资源,线程程序的正确性管理来提高多线程程序的性能异步实验I/O非阻塞事件驱动模型I/O实验探索非阻塞的概念及其实研究事件驱动的异步模型了I/O I/O,现方式减少等待时间并提高系统解其工作原理及性能优势,响应性多路复用异步I/O I/O API掌握、和等多学习使用异步如select pollepoll I/O POSIXI/O API,路复用技术实现高效的并发、等提高,I/O aio_read aio_write,I/O处理并发性中断处理实验中断概念中断处理机制12了解中断的工作原理学习探讨中断向量表、中断控制器,CPU如何快速响应和处理中断事件以及中断优先级的作用和配置中断服务程序中断嵌套机制34编写中断服务程序学习保存和掌握中断嵌套的原理实现对关,,恢复寄存器状态的技术键资源的互斥访问设备驱动实验驱动程序的作用实验步骤12驱动程序是操作系统与硬件设包括实现字符设备驱动、块设备之间的桥梁负责控制和管理备驱动、网络驱动等并测试其,,设备的运行功能重点难点应用价值34理解设备的工作原理掌握设备设备驱动是操作系统的重要组,驱动的关键系统调用成部分理解其实现有助于提升,系统设计能力系统调用实验理解系统调用实验目标实验内容实验结果系统调用是操作系统为应用程掌握系统调用的基本概念包包括文件系统调用、进程管提交实验报告内容包括系统,IO,序提供的服务接口应用程序括系统调用的类型、参数传递理系统调用、设备控制系统调调用的原理分析、编程实现和,通过系统调用与操作系统交互、返回值等能编写利用系统用等要求学生独立编程并测测试结果,学习系统调用的原理和使用调用的简单程序试方法很重要引导程序实验理解引导程序学习和BIOS UEFI引导程序负责在计算机启动时加和是两种常见的引导BIOS UEFI载操作系统内核它负责执行各程序了解它们的工作原理和不种硬件检测和初始化操作同特性很重要实现引导加载分析引导过程通过编写引导加载程序代码学习研究引导过程中的各个阶段并了,,如何从硬盘或其他设备加载操作解如何优化引导速度和可靠性系统内核和实验BIOS UEFI基础探究启动管理固件升级安全启动BIOS UEFIBIOS/UEFI UEFI通过对配置界面的深入掌握的启动流程和管理学习和固件的升理解的安全启动机制掌BIOS UEFIBIOS UEFIUEFI,了解学习的基本功能和方式能够灵活地配置启动设备级方法以应对系统运行中可能握如何配置和管理系统的安全,BIOS,,设置方法为操作系统启动奠定和引导程序出现的问题启动环境,基础操作系统虚拟化实验虚拟机技术容器技术利用虚拟机技术创建多个独立的操作使用容器引擎如构建轻量级虚Docker系统环境分享硬件资源并隔离系统拟化环境实现应用级别的隔离和部署,,虚拟化平台云计算技术选择合适的虚拟化平台如、利用虚拟化和云计算技术构建弹性、VMware或配置和管理虚拟机可扩展的资源池实现灵活的资源分配Hyper-V KVM,,容器技术实验集装箱隔离平台Docker容器技术可以将应用程序与底层操作是最广泛使用的容器平台提Docker,系统和基础设施隔离，确保一致性和供构建、部署和管理容器的工具可移植性编排微服务架构Kubernetes是一个容器编排系统用容器技术支持微服务架构将应用程序Kubernetes,,于自动化部署、扩展和管理容器化应分解为独立、可部署的小型服务用程序云计算技术实验云计算基础设施云平台部署与自动化云监控与运维云安全实践云计算实验涉及虚拟机、容器学生将学习如何使用实验还将涉及云平台的监控、学生将学习云环境下的安全防、分布式存储等基础设施的搭、等工具实日志分析和故障排查等运维技护措施包括访问控制、加密、Terraform Ansible,建和管理学生需要熟悉各种现云资源的自动化部署和配置能掌握这些技能对确保云服安全组等以保护云上的数据和,云服务和部署模型管理这有助于提高云环境的务的高可用性至关重要应用免受各种安全威胁可靠性和可扩展性实时操作系统实验实时性确定性可预测性时间驱动实时操作系统必须能够在严格实时系统要求任务能够以确定实时系统需要可预测的行为实时系统以时间为中心关注,,的时间约束内完成任务以确的时间内完成避免不确定的使得开发人员能够分析和验证任务的截止时间而不是数据,,,保关键系统的安全和可靠性延迟和随机行为系统的时间特性的吞吐量分布式操作系统实验互联网架构容错性学习分布式操作系统如何通过探讨如何确保分布式系统中的计连接和管理远程计算机算节点故障不会导致整个系统瘫Internet资源掌握云计算、微服务等先痪学习冗余备份、负载均衡等进技术技术数据一致性资源调度研究如何在多个节点间保持数据掌握分布式系统中如何有效调度一致性避免分布式事务带来的问、内存、存储等稀缺资源提,CPU,题学习原则和定理高整体性能ACID CAP性能优化实验优化利用率改善内存管理CPU12通过负载均衡和进程调度策略优化内存分配和页面置换算法,调整提高资源的利用效率减少内存开销和读写延迟,CPU优化性能功耗优化I/O34优化磁盘读写、网络传输等通过动态调整频率和电压CPU操作提高数据处理的吞吐等措施降低系统的功耗开销I/O,,量安全机制实验访问控制加密与解密12实验基于角色和权限的访问控利用密码学技术保护系统数据制机制管理用户对系统资源的的机密性和完整性确保信息安,,访问全传输审计与监控容错与容灾34记录和分析系统访问行为及时通过备份、热修复等手段确保,发现和预防非法操作系统在硬件故障或恶意攻击时的可用性新兴技术实验物联网人工智能探索如何将传感器和网络连接技研究机器学习和深度学习技术在术应用于各种实际场景以提高效数据分析、决策支持和自动化任,率和改善生活品质务中的应用区块链和边缘计算5G学习分布式账本技术在金融、供探索高速移动通信和分布式计算应链和身份验证等领域的创新应在支持物联网、增强现实和远程用应用中的作用课程总结与展望总结回顾前景展望实践应用建议与反馈回顾本课程的主要内容和学习展望操作系统技术的最新发展鼓励学生将所学知识应用于实征求学生对课程内容和教学方重点巩固掌握操作系统的核心趋势包括实时系统、分布式系际项目开发提高动手能力和创式的意见和建议不断优化课程,,,,概念和原理统、虚拟化等前沿应用新意识体系答疑和讨论作为本课程的总结环节我们将开放时间进行答疑和讨论讨论的内容包括但不限于课程内容、实验设计、系统实现、技术难点等我们鼓,励同学们积极提出问题并展开交流探讨从而深入理解操作系统的相关知识,我们还将邀请业内专家参与讨论为大家解答疑难问题并分享他们在操作系统领域的最新研究成果和实践经验同时也欢迎同学们就自己,,的实验心得或创新想法与大家分享交流。