《操作系统实习课程》课件

《操作系统实习课程》本课程旨在帮助学生深入理解操作系统核心概念学生将通过实践项目，掌握操作系统设计与实现的知识和技能实习课程介绍实践操作理论知识本课程以实践操作为主，通过动手实践加课程内容涵盖了操作系统基础知识，包括深对操作系统原理的理解通过完成课程进程管理、内存管理、文件管理、设备管中的各种项目和实验，同学们能够更好地理等核心模块同时，也会涉及一些更高掌握操作系统的核心概念和技术级的操作系统概念和技术，例如虚拟化、分布式操作系统等实习目标

11.深入理解操作系统原理

22.掌握操作系统常用技术掌握操作系统核心概念，如进程管理、内存管理、文件系统学习系统调用、中断处理、设备驱动程序等关键技术等

33.提升代码编写能力

44.培养独立解决问题的能力通过实际项目开发，锻炼程序设计和调试能力鼓励学生独立思考和解决问题，培养团队协作能力课程大纲操作系统基本概念概述操作系统的概念、目标、功能和类型进程和线程介绍进程和线程的概念，区分它们的差异和联系进程管理讲解进程控制、进程同步和进程通信线程管理介绍线程创建、线程调度和线程同步内存管理学习内存分配、虚拟内存、页面置换算法等内容文件管理介绍文件系统、文件操作、目录管理等知识磁盘管理学习磁盘调度算法、磁盘存储管理等内容输入输出管理了解输入输出设备管理、中断处理和设备驱动程序操作系统基本概念系统软件硬件资源用户接口网络管理操作系统是计算机系统中最重它协调各种硬件组件之间的运操作系统通过提供图形界面或现代操作系统还负责管理网络要的系统软件之一，负责管理作，并提供一个用户友好的接命令行界面，使用户能够与计连接，使计算机能够连接到互系统资源口算机进行交互联网和其他设备进程和线程进程独立运行的程序实例，拥有独立的地址空间和资源线程轻量级进程，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并发多个进程或线程同时运行，但实际执行可能交替进行进程管理进程创建进程终止创建新进程，分配资源，初始化回收进程资源，释放进程控制块进程控制块进程挂起进程唤醒将进程状态设置为挂起，以便以将挂起的进程恢复到运行状态后恢复运行线程管理线程创建线程同步线程调度线程通信线程是轻量级进程，需要创建多个线程访问共享资源时，需操作系统负责调度线程，将线程之间需要相互通信才能协线程以执行特定任务创建线要使用同步机制来确保数据一时间分配给不同的线程，调工作常见的线程通信机制CPU程时，操作系统为其分配资源致性常见同步机制包括互斥以便最大程度地利用系统资源包括消息队列、管道和共享内，包括栈、内存空间和线程标锁、信号量和条件变量线程调度算法包括先到先服存识符务、优先级调度和时间片轮转调度内存管理内存分配虚拟内存内存保护内存碎片为进程分配内存空间，以便存使用磁盘空间作为内存扩展，防止进程访问其他进程的内存内存分配和释放导致内存碎片储程序代码和数据提高内存利用率空间，保障系统安全，降低内存利用率虚拟内存扩展物理内存分页和分段提高内存效率虚拟内存允许程序使用超过物理内存容量的虚拟内存通过将地址空间划分为页面和段，虚拟内存允许多个程序共享物理内存，并通空间，通过将部分数据存储在磁盘上以扩展并使用页表和段表来管理虚拟地址到物理地过交换策略来管理磁盘与内存之间的交换，可用内存址的映射提高内存利用率文件管理文件组织文件访问控制文件操作操作系统管理文件系统，组织文件结构保护文件安全，防止恶意访问或修改，提供文件操作功能，如创建、删除、读文件目录树结构使文件检索更方便通过权限管理机制实现文件访问控制写、复制、移动等，方便用户管理文件磁盘管理磁盘结构磁盘调度算法12磁盘结构包含磁道、扇区、柱磁盘调度算法旨在优化磁盘访面等基本概念，影响着数据的问顺序，提升磁盘读写效率，存储和访问方式如先来先服务、最短寻道时间优先算法磁盘管理策略磁盘分区34磁盘管理策略涉及文件存储、磁盘分区将磁盘划分为多个独分配、回收等，确保数据安全立区域，方便管理和组织数据、完整，同时提高磁盘利用率，并为操作系统分配所需的存储空间输入输出管理I/O设备I/O操作输入输出管理负责协调系统与外操作包括数据传输、设备控制I/O部设备的交互包括键盘、鼠标、错误处理等操作系统管理这、显示器、硬盘等些操作，确保数据的正确性和效率设备驱动程序I/O缓冲区设备驱动程序是操作系统与硬件缓冲区用于临时存储数据，提I/O设备之间的桥梁，负责控制和管高操作效率，减少等待I/O CPU理特定设备的功能时间设备驱动程序

11.硬件接口

22.资源管理驱动程序提供操作系统与硬件管理硬件资源，例如内存、中之间的接口断、通道等I/O

33.错误处理

44.性能优化处理硬件错误并向操作系统报优化硬件性能，提高系统效率告系统启动过程启动引导程序1系统启动过程从加载引导程序开始，引导程序负责初始化硬件并加载操作系统内核内核加载2引导程序将内核加载到内存，内核包含了操作系统核心组件，例如进程管理、内存管理、文件系统等初始化系统3内核初始化系统，包括配置内存、设置设备驱动程序、启动系统服务等，为用户提供一个可用的操作系统环境中断机制中断请求中断请求是硬件设备向发送的信号，表明一个事件已发生CPU中断处理程序暂停当前执行的程序，并将控制权转交给相应的中断处理程序CPU上下文切换中断处理程序执行完毕后，会恢复之前被打断程序的执行CPU系统调用系统调用概述系统调用接口系统调用使用系统调用是用户程序与操作系统之间的一种系统调用接口是一个标准化的函数库，为用程序员通过调用系统调用函数库，实现对硬交互方式，提供对操作系统核心资源的访问户程序提供访问操作系统服务的接口件资源、文件系统等的操作死锁概念定义特点多个进程因竞争资源而陷入相互等待的循环状态，导致所有进程死锁会导致系统资源浪费，降低系统效率，甚至导致系统崩溃都无法继续执行死锁的必要条件互斥条件占有并等待条件不可剥夺条件循环等待条件多个进程需要独占访问共享资一个进程在等待资源的同时保资源不能被系统强制性地从占多个进程形成一个循环等待关源例如，打印机只能由一个持占有其他资源，导致其他进有它的进程中剥夺，进程只能系，每个进程都等待着下一个进程使用程无法获得所需资源主动释放资源进程释放的资源死锁预防和避免

11.互斥条件

22.请求和保持条件通过改变系统资源的分配策略要求进程在申请新资源时，必，如使用非抢占式资源分配，须释放所有已获得的资源，以可以有效预防死锁此避免死锁

33.循环等待条件

44.死锁避免引入资源申请顺序，确保所有通过银行家算法，在资源分配进程按照同一顺序申请资源，过程中进行动态检查，确保系可以有效预防循环等待条件统始终处于安全状态死锁检测和解决死锁检测死锁恢复死锁预防操作系统定期检查系统状态，判断是否一旦检测到死锁，需要采取措施解除死通过设置资源分配策略，避免死锁发生存在死锁情况使用资源分配图或其他锁，例如撤销进程，抢占资源或回滚进例如，使用银行家算法，在资源分配算法进行检测程前进行安全检查操作系统性能评价吞吐量响应时间衡量单位时间内系统处理的任务数量，反映系从用户提交请求到系统完成任务的时间间隔，统处理能力体现系统对用户请求的响应速度CPU利用率内存利用率反映资源的使用情况，过低表示资源浪费反映内存资源的使用情况，过低表示资源浪费CPU，过高可能导致系统性能下降，过高可能导致内存碎片问题调度算法CPU先来先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转最简单的调度算法，按照进程选择运行时间最短的进程，提根据进程优先级分配时间每个进程分配一定时间片，轮CPU到达顺序执行高系统吞吐量，可设置优先级流执行，保证公平性页面置换算法FIFO LRUOPT CLOCK先进先出算法，按照页面进入最近最少使用算法，将最长时最佳置换算法，将未来最长时时钟算法，结合了和FIFO LRU内存的顺序进行置换简单易间未被访问的页面置换性能间不用的页面置换性能最优的优点使用一个循环链表记实现，但可能出现现象较好，但需要记录每个页面的，但无法在实际系统中实现录页面状态，并将最近使用的Belady访问时间页面标记为引用位磁盘调度算法先来先服务算法最短寻道时间优先算法按照请求到达的顺序进行磁盘调度，简单易选择下一个距离当前磁头最近的请求，能有实现，但可能导致磁盘头频繁移动，效率低效减少磁头移动时间，提高效率下扫描算法循环扫描算法磁头从一端扫描到另一端，处理沿途所有请类似扫描算法，但磁头到达一端后会立即返求，再反向扫描，兼顾了效率和公平性回，避免了扫描算法的空闲时间，提高了效率设备管理I/O键盘鼠标显示器打印机键盘是输入设备，用于向计算鼠标是输入设备，用于控制光显示器是输出设备，用于显示打印机是输出设备，用于将文机输入字符和其他命令标并选择项目计算机生成的图像和文本档或图像打印到纸张上实时操作系统概述实时性确定性可靠性实时操作系统需要在严格的时间限制执行时间和资源使用必须是可预测的系统必须高度可靠，能够在各种条件内响应事件下稳定运行嵌入式操作系统概述资源受限嵌入式系统通常拥有有限的内存、存储空间和处理能力实时性要求它们需要及时响应外部事件和控制物理设备，对时间敏感定制化嵌入式操作系统通常针对特定应用和硬件平台进行优化课程总结深入理解实践操作本课程深入介绍了操作系统基本通过实践操作，学生能够亲身体概念、关键技术和设计原则，为验操作系统工作原理，增强对操学生进一步学习和研究奠定坚实作系统知识的理解和应用能力基础未来展望掌握操作系统知识将为学生未来学习和工作提供有力支撑，在云计算、物联网等领域发挥重要作用实习项目介绍基于Linux的文件系统进程调度模拟器内存管理模拟器学生将设计和实现一个简单的文件系统，熟学生将开发一个进程调度模拟器，比较不同学生将设计和实现一个内存管理模拟器，探悉文件系统的工作原理调度算法的性能索虚拟内存机制实习任务与要求任务目标任务内容深入学习操作系统原理和机制，掌握相关知识和技能选择一个操作系统实习项目，进行深入研究运用理论知识，设计和实现操作系统相关功能根据项目需求，设计和实现操作系统相关模块撰写项目报告，阐述设计思路、实现过程和结果。