《操作系統(tǒng)實(shí)習(xí)課程》課件

《操作系統(tǒng)實(shí)習(xí)課程》本課程旨在幫助學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)核心概念。學(xué)生將通過實(shí)踐項(xiàng)目，掌握操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的知識(shí)和技能。實(shí)習(xí)課程介紹實(shí)踐操作本課程以實(shí)踐操作為主，通過動(dòng)手實(shí)踐加深對(duì)操作系統(tǒng)原理的理解。通過完成課程中的各種項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們能夠更好地掌握操作系統(tǒng)的核心概念和技術(shù)。理論知識(shí)課程內(nèi)容涵蓋了操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)，包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理等核心模塊。同時(shí)，也會(huì)涉及一些更高級(jí)的操作系統(tǒng)概念和技術(shù)，例如虛擬化、分布式操作系統(tǒng)等。實(shí)習(xí)目標(biāo)11.深入理解操作系統(tǒng)原理掌握操作系統(tǒng)核心概念，如進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。22.掌握操作系統(tǒng)常用技術(shù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)調(diào)用、中斷處理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等關(guān)鍵技術(shù)。33.提升代碼編寫能力通過實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)，鍛煉程序設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。44.培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。課程大綱操作系統(tǒng)基本概念概述操作系統(tǒng)的概念、目標(biāo)、功能和類型。進(jìn)程和線程介紹進(jìn)程和線程的概念，區(qū)分它們的差異和聯(lián)系。進(jìn)程管理講解進(jìn)程控制、進(jìn)程同步和進(jìn)程通信。線程管理介紹線程創(chuàng)建、線程調(diào)度和線程同步。內(nèi)存管理學(xué)習(xí)內(nèi)存分配、虛擬內(nèi)存、頁(yè)面置換算法等內(nèi)容。文件管理介紹文件系統(tǒng)、文件操作、目錄管理等知識(shí)。磁盤管理學(xué)習(xí)磁盤調(diào)度算法、磁盤存儲(chǔ)管理等內(nèi)容。輸入輸出管理了解輸入輸出設(shè)備管理、中斷處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。系統(tǒng)調(diào)用講解系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制、常用系統(tǒng)調(diào)用和用戶程序接口。死鎖介紹死鎖的概念、必要條件、預(yù)防、避免、檢測(cè)和解決方法。操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和常用的性能評(píng)價(jià)方法。CPU調(diào)度算法講解常見的CPU調(diào)度算法，如先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等。頁(yè)面置換算法介紹常見的頁(yè)面置換算法，如FIFO、LRU、OPT等。磁盤調(diào)度算法學(xué)習(xí)常見的磁盤調(diào)度算法，如先來先服務(wù)、最短尋道時(shí)間優(yōu)先等。I/O設(shè)備管理講解I/O設(shè)備管理技術(shù)和常見設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)講解嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用。操作系統(tǒng)基本概念系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件之一，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源。硬件資源它協(xié)調(diào)各種硬件組件之間的運(yùn)作，并提供一個(gè)用戶友好的接口。用戶接口操作系統(tǒng)通過提供圖形界面或命令行界面，使用戶能夠與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。網(wǎng)絡(luò)管理現(xiàn)代操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)連接，使計(jì)算機(jī)能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)和其他設(shè)備。進(jìn)程和線程進(jìn)程獨(dú)立運(yùn)行的程序?qū)嵗?，擁有?dú)立的地址空間和資源。線程輕量級(jí)進(jìn)程，共享進(jìn)程的地址空間和資源，但擁有獨(dú)立的執(zhí)行棧和程序計(jì)數(shù)器。并發(fā)多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)運(yùn)行，但實(shí)際執(zhí)行可能交替進(jìn)行。進(jìn)程管理進(jìn)程創(chuàng)建創(chuàng)建新進(jìn)程，分配資源，初始化進(jìn)程控制塊。進(jìn)程終止回收進(jìn)程資源，釋放進(jìn)程控制塊。進(jìn)程掛起將進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為掛起，以便以后恢復(fù)運(yùn)行。進(jìn)程喚醒將掛起的進(jìn)程恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)。線程管理線程創(chuàng)建線程是輕量級(jí)進(jìn)程，需要?jiǎng)?chuàng)建線程以執(zhí)行特定任務(wù)。創(chuàng)建線程時(shí)，操作系統(tǒng)為其分配資源，包括棧、內(nèi)存空間和線程標(biāo)識(shí)符。線程同步多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)，需要使用同步機(jī)制來確保數(shù)據(jù)一致性。常見同步機(jī)制包括互斥鎖、信號(hào)量和條件變量。線程調(diào)度操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度線程，將CPU時(shí)間分配給不同的線程，以便最大程度地利用系統(tǒng)資源。線程調(diào)度算法包括先到先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。線程通信線程之間需要相互通信才能協(xié)調(diào)工作。常見的線程通信機(jī)制包括消息隊(duì)列、管道和共享內(nèi)存。內(nèi)存管理內(nèi)存分配為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，以便存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)。虛擬內(nèi)存使用磁盤空間作為內(nèi)存擴(kuò)展，提高內(nèi)存利用率。內(nèi)存保護(hù)防止進(jìn)程訪問其他進(jìn)程的內(nèi)存空間，保障系統(tǒng)安全。內(nèi)存碎片內(nèi)存分配和釋放導(dǎo)致內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存利用率。虛擬內(nèi)存擴(kuò)展物理內(nèi)存虛擬內(nèi)存允許程序使用超過物理內(nèi)存容量的空間，通過將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤上以擴(kuò)展可用內(nèi)存。分頁(yè)和分段虛擬內(nèi)存通過將地址空間劃分為頁(yè)面和段，并使用頁(yè)表和段表來管理虛擬地址到物理地址的映射。提高內(nèi)存效率虛擬內(nèi)存允許多個(gè)程序共享物理內(nèi)存，并通過交換策略來管理磁盤與內(nèi)存之間的交換，提高內(nèi)存利用率。文件管理文件組織操作系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)，組織文件結(jié)構(gòu)。文件目錄樹結(jié)構(gòu)使文件檢索更方便。文件訪問控制保護(hù)文件安全，防止惡意訪問或修改，通過權(quán)限管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)文件訪問控制。文件操作提供文件操作功能，如創(chuàng)建、刪除、讀寫、復(fù)制、移動(dòng)等，方便用戶管理文件。磁盤管理1磁盤結(jié)構(gòu)磁盤結(jié)構(gòu)包含磁道、扇區(qū)、柱面等基本概念，影響著數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問方式。2磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法旨在優(yōu)化磁盤訪問順序，提升磁盤讀寫效率，如先來先服務(wù)、最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法。3磁盤管理策略磁盤管理策略涉及文件存儲(chǔ)、分配、回收等，確保數(shù)據(jù)安全、完整，同時(shí)提高磁盤利用率。4磁盤分區(qū)磁盤分區(qū)將磁盤劃分為多個(gè)獨(dú)立區(qū)域，方便管理和組織數(shù)據(jù)，并為操作系統(tǒng)分配所需的存儲(chǔ)空間。輸入輸出管理I/O設(shè)備輸入輸出管理負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)與外部設(shè)備的交互。包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、硬盤等。I/O操作I/O操作包括數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制、錯(cuò)誤處理等。操作系統(tǒng)管理這些操作，確保數(shù)據(jù)的正確性和效率。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的橋梁，負(fù)責(zé)控制和管理特定設(shè)備的功能。I/O緩沖區(qū)I/O緩沖區(qū)用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提高I/O操作效率，減少CPU等待時(shí)間。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序11.硬件接口驅(qū)動(dòng)程序提供操作系統(tǒng)與硬件之間的接口。22.資源管理管理硬件資源，例如內(nèi)存、中斷、I/O通道等。33.錯(cuò)誤處理處理硬件錯(cuò)誤并向操作系統(tǒng)報(bào)告。44.性能優(yōu)化優(yōu)化硬件性能，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)啟動(dòng)過程1啟動(dòng)引導(dǎo)程序系統(tǒng)啟動(dòng)過程從加載引導(dǎo)程序開始，引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)初始化硬件并加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。2內(nèi)核加載引導(dǎo)程序?qū)?nèi)核加載到內(nèi)存，內(nèi)核包含了操作系統(tǒng)核心組件，例如進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等。3初始化系統(tǒng)內(nèi)核初始化系統(tǒng)，包括配置內(nèi)存、設(shè)置設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、啟動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)等，為用戶提供一個(gè)可用的操作系統(tǒng)環(huán)境。中斷機(jī)制中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求是硬件設(shè)備向CPU發(fā)送的信號(hào)，表明一個(gè)事件已發(fā)生。中斷處理程序CPU暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的中斷處理程序。上下文切換中斷處理程序執(zhí)行完畢后，CPU會(huì)恢復(fù)之前被打斷程序的執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用概述系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的一種交互方式，提供對(duì)操作系統(tǒng)核心資源的訪問。系統(tǒng)調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)庫(kù)，為用戶程序提供訪問操作系統(tǒng)服務(wù)的接口。系統(tǒng)調(diào)用使用程序員通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源、文件系統(tǒng)等的操作。死鎖概念定義多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而陷入相互等待的循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。特點(diǎn)死鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)效率，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。死鎖的必要條件互斥條件多個(gè)進(jìn)程需要獨(dú)占訪問共享資源。例如，打印機(jī)只能由一個(gè)進(jìn)程使用。占有并等待條件一個(gè)進(jìn)程在等待資源的同時(shí)保持占有其他資源，導(dǎo)致其他進(jìn)程無法獲得所需資源。不可剝奪條件資源不能被系統(tǒng)強(qiáng)制性地從占有它的進(jìn)程中剝奪，進(jìn)程只能主動(dòng)釋放資源。循環(huán)等待條件多個(gè)進(jìn)程形成一個(gè)循環(huán)等待關(guān)系，每個(gè)進(jìn)程都等待著下一個(gè)進(jìn)程釋放的資源。死鎖預(yù)防和避免11.互斥條件通過改變系統(tǒng)資源的分配策略，如使用非搶占式資源分配，可以有效預(yù)防死鎖。22.請(qǐng)求和保持條件要求進(jìn)程在申請(qǐng)新資源時(shí)，必須釋放所有已獲得的資源，以此避免死鎖。33.循環(huán)等待條件引入資源申請(qǐng)順序，確保所有進(jìn)程按照同一順序申請(qǐng)資源，可以有效預(yù)防循環(huán)等待條件。44.死鎖避免通過銀行家算法，在資源分配過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。死鎖檢測(cè)和解決死鎖檢測(cè)操作系統(tǒng)定期檢查系統(tǒng)狀態(tài)，判斷是否存在死鎖情況。使用資源分配圖或其他算法進(jìn)行檢測(cè)。死鎖恢復(fù)一旦檢測(cè)到死鎖，需要采取措施解除死鎖，例如撤銷進(jìn)程，搶占資源或回滾進(jìn)程。死鎖預(yù)防通過設(shè)置資源分配策略，避免死鎖發(fā)生。例如，使用銀行家算法，在資源分配前進(jìn)行安全檢查。操作系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)吞吐量衡量單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理的任務(wù)數(shù)量，反映系統(tǒng)處理能力。響應(yīng)時(shí)間從用戶提交請(qǐng)求到系統(tǒng)完成任務(wù)的時(shí)間間隔，體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)速度。CPU利用率反映CPU資源的使用情況，過低表示資源浪費(fèi)，過高可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。內(nèi)存利用率反映內(nèi)存資源的使用情況，過低表示資源浪費(fèi)，過高可能導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題。CPU調(diào)度算法先來先服務(wù)最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，按照進(jìn)程到達(dá)順序執(zhí)行。最短作業(yè)優(yōu)先選擇運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，提高系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)分配CPU時(shí)間，可設(shè)置優(yōu)先級(jí)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)進(jìn)程分配一定時(shí)間片，輪流執(zhí)行，保證公平性。頁(yè)面置換算法FIFO先進(jìn)先出算法，按照頁(yè)面進(jìn)入內(nèi)存的順序進(jìn)行置換。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能出現(xiàn)Belady現(xiàn)象。LRU最近最少使用算法，將最長(zhǎng)時(shí)間未被訪問的頁(yè)面置換。性能較好，但需要記錄每個(gè)頁(yè)面的訪問時(shí)間。OPT最佳置換算法，將未來最長(zhǎng)時(shí)間不用的頁(yè)面置換。性能最優(yōu)，但無法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。CLOCK時(shí)鐘算法，結(jié)合了FIFO和LRU的優(yōu)點(diǎn)。使用一個(gè)循環(huán)鏈表記錄頁(yè)面狀態(tài)，并將最近使用的頁(yè)面標(biāo)記為引用位。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)算法按照請(qǐng)求到達(dá)的順序進(jìn)行磁盤調(diào)度，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致磁盤頭頻繁移動(dòng)，效率低下。最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法選擇下一個(gè)距離當(dāng)前磁頭最近的請(qǐng)求，能有效減少磁頭移動(dòng)時(shí)間，提高效率。掃描算法磁頭從一端掃描到另一端，處理沿途所有請(qǐng)求，再反向掃描，兼顧了效率和公平性。循環(huán)掃描算法類似掃描算法，但磁頭到達(dá)一端后會(huì)立即返回，避免了掃描算法的空閑時(shí)間，提高了效率。I/O設(shè)備管理鍵盤鍵盤是輸入設(shè)備，用于向計(jì)算機(jī)輸入字符和其他命令。鼠標(biāo)鼠標(biāo)是輸入設(shè)備，用于控制光標(biāo)并選擇項(xiàng)目。顯示器顯示器是輸出設(shè)備，用于顯示計(jì)算機(jī)生成的圖像和文本。打印機(jī)打印機(jī)是輸出設(shè)備，用于將文檔或圖像打印到紙張上。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概述實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)事件。確定性執(zhí)行時(shí)間和資源使用必須是可預(yù)測(cè)的。可靠性系統(tǒng)必須高度可靠，能夠在各種條件下穩(wěn)定運(yùn)行。嵌入式操作系統(tǒng)概述資源受限嵌入式系統(tǒng)通常擁有有限的內(nèi)存、存儲(chǔ)空間和處理能力。實(shí)時(shí)性要求它們需要及時(shí)響應(yīng)外部事件和控制物理設(shè)備，對(duì)時(shí)間敏感。定制化嵌入式操作系統(tǒng)通常針對(duì)特定應(yīng)用和硬件平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。課程總結(jié)深入理解本課程深入介紹了操作系統(tǒng)基本概念、關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)原則，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)踐操作通過實(shí)踐操作，學(xué)生能夠親身體驗(yàn)操作系統(tǒng)工作原理，增強(qiáng)對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。未來展望掌握操作系統(tǒng)知識(shí)將為學(xué)生未來學(xué)習(xí)和工作提供有力支撐，在云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。實(shí)習(xí)項(xiàng)目介紹基于Lin