《操作系统课程设计》课件

操作系统课程设计本课程设计旨在深入理解和掌握操作系统的核心概念、原理和设计思想通过实际的编程实践学生将能够设计和实现一个简单但功能完整的操作系统,课程简介系统性学习实践动手能力通过本课程的学习，学生将全面设计多个实践性实验，培养学生了解操作系统的基本概念、原理的动手能力和解决问题的能力及实现前沿技术洞见理论联系实践介绍操作系统的发展历程及前沿将理论知识与实际应用紧密结合,技术动态，拓展学生的视野为学生未来的工作打下良好基础课程目标掌握操作系统的基本概念培养动手能力提高分析问题和解决问题的能力通过本课程的学习学生能够了解操作系统课程安排了丰富的实验环节学生可以通过在学习过程中学生需要运用批判性思维和,,,的功能、结构和基本原理并掌握操作系统动手实践深入理解操作系统的各项功能和创新思维分析和解决实际问题培养相关的,,,,的基本概念机制能力课程内容概述综合知识体系实践操作演练前沿热点探讨系统性学习本课程涵盖操作系统的基本原课程安排了多个实验环节让课程还会涉及一些操作系统的通过对操作系统各模块的系统,理、结构和功能包括进程管学生能亲自动手实践操作系统前沿发展趋势如安全保护、性介绍帮助学生建立起完整,,,理、内存管理、文件管理、设的关键机制加深对理论知识虚拟化技术等拓展学生的视的知识体系和技能架构,,备管理等核心概念的理解野操作系统简介操作系统是一种管理和控制计算机硬件和软件资源的系统软件为,用户和其他软件提供一个良好的计算环境和接口它负责对CPU、内存、存储设备和输入输出等资源进行调度和分配确保系统高,效、安全地运行现代操作系统已经发展成为复杂的软件系统具有丰富的功能和特,性如多任务处理、虚拟内存管理、文件系统管理等满足了用户日,,益增长的需求操作系统发展历程单机批处理1最早的操作系统用于管理单个计算机上的程序执行,分时操作系统2允许多用户同时访问计算机资源提高了利用效率,网络操作系统3支持网络通信和分布式计算为用户提供跨计算机的服务,实时操作系统4专注于对时间敏感的应用确保在严格的时间约束内完成任务,移动操作系统5针对移动设备的特点提供触控交互和低功耗支持,从最初的单机批处理到如今支持各种计算环境的操作系统其发展历程反映了计算机技术的不断进步每一阶段的操作系统都是为了满足不同应用场景的需求而设计的推动,,,了操作系统功能的不断丰富和完善操作系统的基本功能资源管理进程管理12合理分配和调度计算机的硬件资源如、内存、磁盘等创建、调度和控制进程的执行确保各进程公平地获取,CPU,,CPU提高资源利用率时间存储管理设备管理34管理内存为进程提供所需的地址空间并实现虚拟内存技术控制和协调输入输出设备的使用隐藏硬件细节为上层软件,,,,提供统一接口进程管理进程生命周期进程调度进程切换进程同步操作系统如何管理进程从创建系统如何根据进程的优先级和操作系统如何快速、高效地在如何确保多个进程正确地访问、执行到结束的整个过程状态来决定哪个进程获得不同进程之间切换，以提高系共享资源而不会发生冲突CPU资源统效率进程的概念和状态进程概念进程状态进程是操作系统中的基本执行单进程可处于种基本状态就绪、4:元是一个正在执行的程序实例运行、阻塞和终止进程在不同,它拥有独立的地址空间、寄存器状态之间切换以保证系统资源的,和堆栈合理分配进程控制块进程控制块是描述进程状态的数据结构包含进程标识、现场信息及PCB,状态信息等操作系统通过管理进程PCB进程调度算法时间片轮转优先级调度最短作业优先多级反馈队列按照固定时间分配，每个根据进程的优先级动态分配执行最短预计执行时间的进程根据进程特点分配到不同队列CPU进程轮流执行简单易行，但时间高优先级进程优先可提高系统吞吐量，但需要，采用不同调度策略既可公CPU可能导致长作业饥饿执行，但可能导致低优先级进预测进程执行时间平又可提高效率程饥饿同步与互斥进程同步临界区死锁预防进程同步是指多个进程按照特定的顺序执行临界区是指多个进程都需要访问的共享资源死锁是一种特殊的同步问题可以通过合理,关键操作确保数据完整性和系统正确性为了防止数据竞争进程在访问临界区时分配资源、预防循环等待等措施来避免,,同步机制包括信号量、互斥锁等需要互斥执行死锁的概念和预防死锁的概念死锁的条件死锁的预防死锁是指一组进程永远无法完产生死锁需要满足个必要条可以通过破坏死锁的必要条件4成它们的任务因为每个进程件互斥占有和等待来预防死锁如资源分配策,:1,2,3,:1都在等待另一个进程释放它所不可抢占环路等待只要略合理设置等待时间动,4,2,3需要的资源这是一种陷入无有一条件不满足就不会产生态检测和解除死锁,限循环的危险状态死锁内存管理内存层次结构动态分配内存12操作系统使用层次化的内存管理系统，包括高速缓存、主存操作系统采用动态分配内存的方式，根据程序的内存需求动储器和辅助存储器态分配和回收内存空间虚拟内存技术分页和分段管理34虚拟内存技术允许程序访问超过物理内存容量的内存地址空操作系统使用分页和分段管理方式来有效管理和使用内存空间间虚拟内存技术虚拟内存概念页式虚拟内存段式虚拟内存虚拟内存是一种内存管理技术它将系统内页式虚拟内存将进程地址空间分为固定大小段式虚拟内存将进程地址空间划分为不同大,存和硬盘空间组合使用为进程提供更大的的页面根据页面需求在内存和硬盘之间进小的段根据段的需求在内存和硬盘之间进,,,地址空间行页面交换行页面交换页式管理和段式管理页式管理将内存划分成固定大小的页框，将程序和数据分成页存放于内存中改善内存利用率和程序装入效率段式管理将程序和数据分成可变长度的段存放于内存中提高内存利用率和程序执行效率比较页式管理简单高效，段式管理更灵活两种方式各有优缺点，操作系统通常采用两者结合的方式页面置换算法最佳页面置换算法先进先出页面置换算法最近最少使用页面置换随机页面置换算法算法这种算法移除最久未使用的页这种算法移除最早进入内存的这种算法随机选择要移除的页面它能最大化未来访问命中页面它实现简单但可能会这种算法移除最近最少使用的面它实现简单但访问命中,,率，但需要维护一个页面使用移除仍需要使用的页面降低页面它能较好地平衡访问命率较低仅用于一些特殊场景,,历史列表，实现复杂度较高访问命中率中率和实现复杂度是操作系,统常用的页面置换算法文件管理文件系统结构文件存储管理操作系统采用层次化的文件系统操作系统负责分配和管理文件在结构包括目录、文件和各种文件存储介质上的物理位置同时维护,,属性为用户提供友好的文件管理文件的各种元数据信息,界面文件操作接口操作系统为用户提供创建、打开、读写、关闭等一系列标准化的文件操作接口简化了文件管理,文件系统结构分层结构统一命名空间12文件系统采用分层的目录结构所有文件和目录都位于统一的,以树状结构组织文件和目录命名空间中便于管理和访问,逻辑分区元数据管理34文件系统可以由多个逻辑分区文件系统维护文件和目录的元组成每个分区可以有不同的文数据如权限、创建时间等支,,,件系统类型持高级文件管理文件存储管理文件存储结构操作系统采用特定的文件存储结构来组织和管理文件数据，如索引节点和双重间接索引等文件分配策略文件在磁盘上的分配可采用连续分配、链式分配或索引分配等策略每种策略都有其优缺点文件元数据管理操作系统会保存文件的各种属性信息，如文件名、创建时间、大小等用于文件检索和管理,设备管理设备管理概念设备驱动程序中断处理机制设备管理是操作系统负责管理和控制各种外设备驱动程序是操作系统与外围设备之间的中断处理机制用于响应外围设备的事件通知围设备的重要功能包括设备的分配、访问桥梁负责屏蔽硬件细节为上层软件提供统从而及时调度相应的处理程序保证系统的,,,,,控制和设备驱动程序的管理一的设备访问接口实时性和响应性设备驱动程序作用和功能编写和加载关键技术重要性设备驱动程序是操作系统与硬驱动程序通常由设备制造商编设备驱动程序涉及中断处理、设备驱动程序是操作系统正常件设备之间的接口软件它负写并由操作系统在启动时自控制、等关键技术运行的基础它们决定了外围,I/O DMA,,责控制和管理各种外围设备动加载它们位于操作系统内需要深入了解硬件细节设计设备的功能和性能合理的驱,如打印机、显示器、键盘等核中为用户程序提供标准化高性能驱动程序需要对硬件特动程序设计对整个系统的可靠,,实现设备和操作系统之间的信的设备访问接口性、操作系统机制等有全面把性和稳定性至关重要息交换和数据传输握中断处理机制中断的定义中断的类型12中断是指硬件或软件发出的请中断分为内部中断和外部中断求信号，用于暂时中止当前正两大类，包括时钟中断、输入在执行的操作程序，转而处理输出中断、异常中断等/更紧急的事务中断处理流程中断优先级34中断处理包括中断检测、保存操作系统通过设置中断优先级上下文、调用中断服务程序、来确定不同中断的处理顺序，恢复上下文等步骤提高系统响应效率安全与保护身份验证访问控制通过用户名和密码、生物识别等根据用户权限设置操作系统资源手段确认用户身份防止非法访问的访问许可限制非法操作,,加密技术系统监控使用加密算法保护系统数据和通实时监测系统行为及时发现和阻,信传输提高数据安全性止非法访问或恶意攻击,访问控制机制身份验证授权管理12通过用户名和密码等身份验证机制确认用户身份，允许合法根据用户角色划分访问权限，限制非法操作以保护系统安全用户访问系统资源访问控制列表审计跟踪34维护一个访问控制列表，记录每个用户或角色被允许执行的记录用户访问和操作行为的日志信息，便于事后分析和问责操作安全威胁及防御措施安全威胁防御措施系统补丁更新安全审计与监控操作系统面临各种潜在的安全为应对各种安全威胁操作系及时更新系统补丁是预防安全定期进行安全审计和监控可,,威胁如病毒攻击、黑客入侵统需要采取有效的防御措施漏洞的关键操作系统厂商会以及时发现和处理系统中的安,,、数据泄露等这些威胁可能如身份验证、访问控制、加密定期发布安全补丁系统管理全隐患审计日志记录可以帮,导致系统崩溃、信息丢失和隐技术和病毒防御等这些措施员需要及时部署以堵塞安全助追查安全事故的起源和过程,私泄露可以保护系统和数据的安全漏洞课程实践环节实验一进程管理学习进程的创建、切换和调度等基本操作掌握进程间通信和同步的方法,实验二内存管理探讨虚拟内存技术了解页式和段式管理机制比较不同的页面置换算法,,实验三文件管理实践文件系统的基本操作体验不同文件存储管理策略对性能的影响,实验四设备管理学习设备驱动程序的编写和中断处理机制掌握设备管理的核心技术,实验一进程管理进程创建进程状态切换学习使用系统调用来创建新进程，了掌握进程的就绪、运行、等待和终止解父子进程的关系等状态，并能实现状态间的切换进程调度进程间通信学习不同的进程调度算法，如先来先掌握进程间通信的方式，如管道、消服务、最短作业优先等，并分析其优息队列、信号量等，并能实现简单的缺点机制IPC实验二内存管理内存分配虚拟内存研究操作系统如何有效分配和管实现虚拟内存技术如页式管理和,理物理内存空间包括连续分配和段式管理了解页面替换算法的原,,不连续分配等策略理和实现内存保护探讨内存保护机制如访问控制、内存隔离等确保操作系统和应用程序的安,,全性实验三文件管理文件系统结构文件创建与删除文件读写操作探讨不同操作系统的文件系统组织结构包实践如何在程序中使用系统调用创建、打开学习使用系统调用实现文件的读取和写入,,括目录树、文件存储方式等为后续文件管、关闭和删除文件掌握基本的文件操作包括缓冲区管理、异常处理等内容,,理操作打下基础实验四设备管理设备驱动程序外围设备管理中断处理机制在此实验中学生将了解操作系统如何与计学生将学习如何配置和管理计算机的外围设课程重点介绍操作系统如何处理来自硬件设,算机的各种硬件设备进行交互以及如何编备如打印机、扫描仪和输入设备并优化它备的中断请求以及如何设计高效的中断处,,,,写设备驱动程序以实现设备管理功能们的性能和可靠性理机制实验总结与讨论实验过程反思收获与启示未来展望总结实验过程中遇到的问题和挑战分析实通过实验学生对操作系统原理和概念有了讨论未来如何进一步丰富和优化实验内容,,,验结果讨论实验设计的优缺点更深入的理解和认知以促进学生更好地掌握操作系统知识,课程总结与展望总结回顾实践应用本课程全面介绍了操作系统的基一系列实验环节让学生们深入理本概念、功能和实现原理涵盖了解并动手实践操作系统的核心机,进程管理、内存管理、文件管理制培养了解决实际问题的能力,及设备管理等关键主题未来展望随着计算机技术的不断发展操作系统也将面临新的挑战如云计算、移动设,,备等课程将不断更新内容以适应未来需求,,。