《操作系統(tǒng)原理實驗》課件

《操作系統(tǒng)原理實驗》課件本課件旨在幫助學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)原理，并通過實際操作掌握相關(guān)知識和技能。課程簡介課程內(nèi)容覆蓋操作系統(tǒng)核心概念，涵蓋進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理、安全機制等。實驗環(huán)節(jié)通過實際操作，鞏固理論知識，提升動手能力，掌握操作系統(tǒng)原理在實踐中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標了解操作系統(tǒng)的基本概念和原理，掌握常用操作系統(tǒng)的基本功能和使用方法，培養(yǎng)系統(tǒng)分析和解決問題的能力。實驗?zāi)繕松钊肜斫獠僮飨到y(tǒng)原理通過動手實踐，加深對操作系統(tǒng)核心概念的理解，如進程管理、內(nèi)存管理、文件管理等。培養(yǎng)實踐能力掌握操作系統(tǒng)相關(guān)實驗的操作方法，鍛煉獨立解決問題的能力，提高實際動手能力。提升編程技能通過編寫代碼完成實驗任務(wù)，熟練運用編程語言，提升軟件開發(fā)能力。培養(yǎng)團隊合作精神鼓勵團隊協(xié)作完成實驗，增強團隊合作意識，提高溝通能力。實驗環(huán)境準備1選擇操作系統(tǒng)根據(jù)實驗內(nèi)容選擇合適的操作系統(tǒng)，例如Linux、Windows或macOS。2安裝操作系統(tǒng)在虛擬機或物理機上安裝操作系統(tǒng)，并配置網(wǎng)絡(luò)連接。3安裝實驗環(huán)境根據(jù)實驗內(nèi)容安裝必要的軟件和工具，例如編譯器、調(diào)試器、虛擬機等。進程管理實驗進程管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一，負責(zé)創(chuàng)建、管理和終止進程。進程管理實驗旨在讓學(xué)生深入理解進程的概念、狀態(tài)、操作，以及進程間通信和同步機制。進程創(chuàng)建1系統(tǒng)調(diào)用進程創(chuàng)建通過系統(tǒng)調(diào)用完成，比如fork()函數(shù)，會創(chuàng)建子進程并復(fù)制父進程的資源。2資源分配創(chuàng)建進程時，系統(tǒng)會分配給它所需的資源，比如內(nèi)存、文件描述符、信號量等，為其運行提供基礎(chǔ)。3初始化進程控制塊為新進程創(chuàng)建一個進程控制塊(PCB)，記錄進程相關(guān)信息，以便操作系統(tǒng)管理和調(diào)度。4狀態(tài)設(shè)置進程創(chuàng)建后，會處于就緒狀態(tài)，等待系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。進程間通信管道管道是一種簡單的進程間通信機制，它允許進程通過一個共享的FIFO隊列進行數(shù)據(jù)交換。共享內(nèi)存共享內(nèi)存允許進程直接訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享。消息隊列消息隊列提供了一種異步的進程間通信方式，允許進程通過發(fā)送和接收消息進行交互。信號量信號量是一種同步機制，用于控制對共享資源的訪問，確保進程之間的協(xié)調(diào)與合作。進程同步臨界區(qū)臨界區(qū)是指進程中訪問共享資源的代碼段，保證同一時間只有一個進程能夠訪問該資源，避免數(shù)據(jù)不一致。互斥鎖互斥鎖是一種同步機制，用于確保同一時間只有一個線程可以訪問共享資源，通過獲取和釋放鎖來控制訪問權(quán)限。信號量信號量是一種用于控制多個進程對共享資源訪問的同步機制，通過增加或減少信號量的值來實現(xiàn)進程間的同步。管程管程是一種高級同步機制，提供了一種封裝共享資源和同步操作的抽象，簡化了并發(fā)編程的復(fù)雜性。進程調(diào)度11.概述進程調(diào)度是操作系統(tǒng)管理和控制進程執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了哪些進程可以運行以及運行的順序。22.目標進程調(diào)度算法的目標是高效利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)吞吐量，縮短用戶等待時間，確保系統(tǒng)公平性。33.算法常見的進程調(diào)度算法包括先來先服務(wù)，短作業(yè)優(yōu)先，時間片輪轉(zhuǎn)，優(yōu)先級調(diào)度等。44.實踐通過實驗，學(xué)生可以深入理解進程調(diào)度算法的原理，并分析不同算法的優(yōu)缺點。內(nèi)存管理實驗內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)分配和管理計算機系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。實驗主要通過模擬內(nèi)存分配、內(nèi)存保護和虛擬內(nèi)存等機制，幫助學(xué)生理解內(nèi)存管理的原理和實踐。內(nèi)存分配內(nèi)存分配算法內(nèi)存分配算法決定如何將可用內(nèi)存分配給不同的進程。常見算法包括最先適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法、最壞適應(yīng)算法和伙伴算法。每個算法都有其優(yōu)缺點，適合不同的應(yīng)用場景。內(nèi)存碎片問題內(nèi)存碎片是指可用內(nèi)存被分割成許多小的空閑區(qū)域，導(dǎo)致無法分配足夠大的連續(xù)內(nèi)存塊給進程。內(nèi)存碎片會降低內(nèi)存利用率，影響系統(tǒng)性能。內(nèi)存保護地址空間隔離保護每個進程的地址空間，防止進程訪問其他進程的內(nèi)存區(qū)域。內(nèi)存訪問控制限制進程對內(nèi)存的訪問權(quán)限，例如只讀、可寫、可執(zhí)行等。硬件機制使用內(nèi)存管理單元(MMU)進行地址轉(zhuǎn)換和訪問控制。操作系統(tǒng)支持操作系統(tǒng)提供內(nèi)存保護機制，包括頁表管理、虛擬內(nèi)存等。虛擬內(nèi)存虛擬地址空間為每個進程提供一個獨立的虛擬地址空間，屏蔽了物理內(nèi)存的限制，允許進程使用比實際物理內(nèi)存更大的地址空間。頁面映射通過頁表將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，實現(xiàn)虛擬地址空間與物理地址空間的映射關(guān)系。磁盤交換將不在內(nèi)存中的頁面存儲在磁盤上，當需要訪問這些頁面時，再將它們調(diào)入內(nèi)存。頁式虛擬內(nèi)存將虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存劃分成大小相等的頁，通過頁面映射和磁盤交換實現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。文件管理實驗文件管理實驗是操作系統(tǒng)原理實驗課程的重要組成部分。通過實驗，學(xué)生可以深入理解文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握文件操作的基本技能。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)使用樹形結(jié)構(gòu)組織文件，方便管理和查找。層次結(jié)構(gòu)通過目錄層級，實現(xiàn)文件的邏輯組織，方便用戶訪問。索引節(jié)點每個文件對應(yīng)一個索引節(jié)點，存儲文件的元數(shù)據(jù)信息。文件操作文件創(chuàng)建創(chuàng)建新文件，指定文件名和路徑。文件寫入將數(shù)據(jù)寫入文件，覆蓋或追加內(nèi)容。文件讀取從文件讀取數(shù)據(jù)，按字節(jié)或字符進行讀取。文件刪除刪除文件，釋放磁盤空間。設(shè)備管理實驗設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。本實驗將深入探討設(shè)備管理的原理和實踐，包括設(shè)備驅(qū)動程序的編寫、中斷處理機制、輸入輸出系統(tǒng)的實現(xiàn)等。設(shè)備驅(qū)動程序硬件與軟件橋梁設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)與硬件設(shè)備之間的接口，它充當橋梁，將硬件設(shè)備的功能抽象成操作系統(tǒng)可以理解的接口。實現(xiàn)硬件功能驅(qū)動程序負責(zé)控制和管理特定硬件設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的初始化、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理等功能，確保硬件設(shè)備與系統(tǒng)軟件的協(xié)同工作。中斷處理中斷概念中斷是CPU暫停當前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序，以處理特定事件。中斷類型中斷可分為硬件中斷和軟件中斷，硬件中斷由硬件設(shè)備引起，軟件中斷由程序指令觸發(fā)。中斷處理流程中斷發(fā)生時，CPU保存當前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序執(zhí)行，處理完成后恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷處理程序中斷處理程序是一個專門的程序，用于處理特定中斷類型，它負責(zé)識別中斷源，并執(zhí)行相應(yīng)的處理邏輯。輸入輸出系統(tǒng)鍵盤鍵盤是用戶向計算機輸入數(shù)據(jù)的主要途徑。鼠標鼠標是用戶控制計算機光標和進行操作的設(shè)備。顯示器顯示器是計算機用來顯示信息的設(shè)備。打印機打印機是用來打印文本和圖形的輸出設(shè)備。安全機制實驗操作系統(tǒng)安全是保護系統(tǒng)資源和用戶數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。本實驗將通過實踐探索常見的安全機制。訪問控制1用戶身份驗證驗證用戶身份，確認其訪問權(quán)限。使用用戶名和密碼、生物識別等方法。2權(quán)限分配根據(jù)用戶角色和需要，分配不同的訪問權(quán)限，控制用戶對資源的訪問范圍和操作權(quán)限。3訪問控制列表定義用戶對特定資源的訪問權(quán)限，實現(xiàn)細粒度的訪問控制，保障系統(tǒng)安全。4訪問日志記錄記錄用戶的訪問操作，包括訪問時間、訪問對象和操作類型，便于追溯和審計。加密解密加密將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無法理解的形式，只有擁有密鑰的人才能解密。解密使用密鑰將加密數(shù)據(jù)還原成原始數(shù)據(jù)。應(yīng)用場景保護敏感信息，例如密碼、銀行卡信息等。審計機制跟蹤系統(tǒng)活動記錄用戶操作、系統(tǒng)事件和資源使用情況，為安全分析提供依據(jù)。識別安全威脅通過分析審計日志，識別潛在的安全威脅，如惡意攻擊、內(nèi)部威脅和系統(tǒng)故障。責(zé)任追溯確定系統(tǒng)事件的責(zé)任人，追溯操作過程，幫助定位問題根源。合規(guī)性驗證確保系統(tǒng)操作符合安全策略和相關(guān)法律法規(guī)，為合規(guī)性審查提供證據(jù)。網(wǎng)絡(luò)管理實驗網(wǎng)絡(luò)管理實驗涉及操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的交互，旨在深入理解網(wǎng)絡(luò)編程、協(xié)議和安全機制。學(xué)生將通過實踐學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)通信的基本原理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全防護。套接字編程套接字API套接字API提供函數(shù)，用于創(chuàng)建、綁定、監(jiān)聽、連接和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議套接字使用TCP或UDP協(xié)議進行通信，提供可靠或非可靠的數(shù)據(jù)傳輸?？蛻舳?服務(wù)器模型套接字用于實現(xiàn)客戶端-服務(wù)器模型，其中客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器響應(yīng)請求。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的核心，提供網(wǎng)絡(luò)通信的標準規(guī)范。TCP提供可靠的、面向連接的傳輸服務(wù)，IP提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)。HTTP協(xié)議HTTP是超文本傳輸協(xié)議，用于在Web服務(wù)器和瀏覽器之間傳輸數(shù)據(jù)。HTTP協(xié)議定義了請求和響應(yīng)格式，支持多種數(shù)據(jù)類型，包括文本、圖像和視頻。DNS協(xié)議DNS是域名系統(tǒng)，用于將域名解析為IP地址，方便用戶訪問網(wǎng)站。DNS協(xié)議使用層次化的域名結(jié)構(gòu)，支持多種域名解析類型，如A記錄、MX記錄等。網(wǎng)絡(luò)安全11.數(shù)據(jù)機密性保護數(shù)據(jù)不被未授權(quán)訪問或披露。22.數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)不被篡改或損壞。33.可用性確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)可被授權(quán)用戶訪問。44.身份驗證驗證用戶的身份，確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。實驗小結(jié)實踐操作通過實驗加深對操作系統(tǒng)原理的理解，掌握基本操作技能。