操作系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書教案剖析

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目錄實驗一………………3實驗二………………8實驗三………………13實驗四………………14實驗五………………16實驗六………………18

實驗一進程管理與控制實驗?zāi)康倪M程管理是操作系統(tǒng)多用戶與多任務(wù)管理的基本重要手段，用戶作業(yè)與任務(wù)進入內(nèi)存后采用進程模式進行管理，利用不同進程對資源的不同要求實現(xiàn)進程的并發(fā)管理是提高系統(tǒng)效率的有效途徑。本實驗的目的是要求學(xué)生通過實驗全面了解進程管理與控制的相關(guān)內(nèi)容，并通過Windows2000系統(tǒng)中管理控制工具觀察進程，分析系統(tǒng)性能。實驗要求應(yīng)用操作系統(tǒng)原理模擬程序進一步體會進程管理與控制的相關(guān)原理，如PCB、進程基本狀態(tài)及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進程控制、進程互斥與進程同步。啟動一個或多個應(yīng)用程序，通過Windows2000系統(tǒng)任務(wù)管理器，觀看程序、進程和性能標(biāo)簽，并完成實驗記錄。實驗過程啟動操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)，選擇進程管理與控制模塊，創(chuàng)建一組進程，完成進程調(diào)度、進程阻塞、喚醒、撤銷等控制任務(wù)。打開進程互斥模塊，體會進程互斥原理及信號量機制。打開進程同步模塊，體會進程同步原理。關(guān)閉操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)。啟動一個或多個應(yīng)用程序，鼠標(biāo)右鍵點擊任務(wù)欄，在快捷菜單中選擇任務(wù)管理器，觀察程序、進程和性能標(biāo)簽。選擇任務(wù)管理器查看菜單(在進程標(biāo)簽選擇后)，單擊“選擇列”進行添加進程計數(shù)器操作。啟動控制面板，點擊“管理工具”圖標(biāo)，選擇“性能”，啟動系統(tǒng)性能監(jiān)視器。在屬性中為“PROCESS”和“THREAD”對象添加相應(yīng)的計數(shù)器，監(jiān)視進程工作狀態(tài)。通過Windows2000系統(tǒng)幫助文件，查找相關(guān)內(nèi)容，并完成實驗記錄。實驗記錄實驗練習(xí)選擇任務(wù)管理器進程標(biāo)簽，添加“頁面錯誤增量”列，并啟動應(yīng)用程序進行觀察。什么是句柄？有什么用途？線程與進程有什么區(qū)別？實驗小結(jié)附:WindowsNT中的進程知識一、進程1、定義：WindowsNT中進程被定義為表示操作系統(tǒng)所要做的工作，是操作系統(tǒng)用于組織其必須完成的諸項工作的一種手段。2、NT中的進程由以下四個部分組成：（1）一個可執(zhí)行的程序：它定義了初始代碼和數(shù)據(jù)；（2）一個私用地址空間：即進程的虛擬地址空間；（3）系統(tǒng)資源：由操作系統(tǒng)分給進程，并且是進程執(zhí)行時所必須的一個資源的集合；（4）至少有一個執(zhí)行線程。二、線程1、定義：進程內(nèi)的一個執(zhí)行單元；進程內(nèi)的一個可調(diào)度實體。2、線程的組成：（1）一個唯一標(biāo)識符，稱之為客戶ID；（2）描述處理器狀態(tài)的一組狀態(tài)寄存器的內(nèi)容（相當(dāng)于“老程序狀態(tài)字”的意思；（3）兩個棧，分別用于用戶態(tài)和核心態(tài)下執(zhí)行時使用；（4）一個私用存儲器。為什么NT要推出線程來實現(xiàn)并行性呢？問題是因為兩進程來實現(xiàn)并行性并不總是有效的。以UNIX為例，當(dāng)一個進程創(chuàng)建一個子進程時，系統(tǒng)必須將父進程地址空間的所有內(nèi)容拷貝到新進程的地址空間中去。這對大地址空間來說，這操作很費時，更何況兩進程還需要建立共享數(shù)據(jù)。如果用多線程不實現(xiàn)并行性要有利得多，因為這些線程共享進程的同一地址空間、對象句柄以及其它資源，所以沒有用進程來實現(xiàn)并行性所存在的缺點，此外還有如下的優(yōu)點：（1）通過線程可方便而有效地實現(xiàn)并行性，進程可創(chuàng)建多個線程來執(zhí)行同程序的不同部分，如一個編譯進程可創(chuàng)建預(yù)處理線程和編譯線程這樣兩線程。（2）創(chuàng)建線程比創(chuàng)建進程要快，而且只需很少的開銷，因為所有線程除棧和寄存器內(nèi)容外共享同一主存，不需特殊的數(shù)據(jù)傳送機制（如發(fā)消息），一個線程只需簡單地把輸出寫入主存，另一線程可以讀出作為輸入。而且進程的資源線程都可用。（3）創(chuàng)建多線程進程，對多個用戶同時提出服務(wù)請求時的回答也十分有利，因為服務(wù)器程序只被裝入主存一次，就可使每個客戶的服務(wù)請求分別由一個獨立的服務(wù)器線程，通過執(zhí)行適當(dāng)?shù)姆?wù)器功能，并行地為客戶進行處理。NT的線程有些什么特點呢？（1）線程也是作為對象來實現(xiàn)。（2）每個NT進程創(chuàng)建時只有一個線程，需要時這個線程可以創(chuàng)建其它線程；（3）線程調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)是采用陷阱（trap）方式。線程對象類對象類線程對象體屬性客戶ID線程描述表動態(tài)優(yōu)先級基本優(yōu)先級線程處理器表線程執(zhí)行時間報警狀態(tài)掛起記數(shù)模仿令牌終止端口線程退出狀態(tài)服務(wù)創(chuàng)建線程打開線程查詢線程信息當(dāng)前線程終止線程取得描述表置描述表掛起重新開始報警線程檢測線程警報寄存器終止端口（4）線程是調(diào)度的基本單位，線程之間競爭處理機，為防止一個線程獨占處理機，采用可搶占的優(yōu)先級調(diào)度算法。（5）線程在它的生命周期間有六種狀態(tài)的變化，每一時刻處于六種狀態(tài)之一。（6）由于NT的調(diào)度程序只在線程（而不是進程）中挑選合適的線程到處理機上運行，所以每個進程在可以執(zhí)行前，至少必須調(diào)度一個線程，NT進程只有在它的一個線程被調(diào)度執(zhí)行才被激活。（7）用戶態(tài)進程的線程主要在用戶態(tài)處理器模式下運行。三、進程和線程的關(guān)系（1）線程是進程的一個組成部分；（2）進程的多個線程都在進程的地址空間活動；(3)資源分配的對象是進程，換句話說，資源是分給進程的，而不是分給線程的，并系統(tǒng)還為分給進程的資源規(guī)定配額；（4）調(diào)度的基本單位是線程。也就是說，處理機是分給線程的，真正在處理機上執(zhí)行的是線程（從某種意義上說，進程不干活，它只通過線程工作），線程在執(zhí)行中需要資源時，系統(tǒng)分給它，但從進程的配額中扣除；（5）線程在執(zhí)行過程中，需要協(xié)作同步，在不同進程的線程間同步要用消息通信辦法。四、線程的六個狀態(tài)（1）就緒狀態(tài)；（2）備用狀態(tài)；（3）運行狀態(tài)；（4）等待狀態(tài)；（5）轉(zhuǎn)換狀態(tài)；（6）終止?fàn)顟B(tài)。

實驗二內(nèi)存管理實驗?zāi)康耐ㄟ^本次實驗，掌握存儲管理的基本原理，理解虛頁式存儲管理系統(tǒng)中作業(yè)分頁與內(nèi)存分塊的對應(yīng)關(guān)系及頁表的作用，并利用Windows2000系統(tǒng)中管理控制工具觀察內(nèi)存使用情況，監(jiān)測內(nèi)存狀態(tài)。實驗內(nèi)容應(yīng)用操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)，進一步體會虛頁式存儲管理得相關(guān)原理。查看系統(tǒng)物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存和核心內(nèi)存的大小。啟動一個或多個應(yīng)用程序，通過Windows2000系統(tǒng)任務(wù)管理器，觀看程序、進程和性能標(biāo)簽，并完成實驗記錄。實驗過程啟動操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)的存儲管理模塊，按照虛頁存儲管理原理完成例題所給作業(yè)序列的訪問，統(tǒng)計缺頁次數(shù)。關(guān)閉操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)。打開任務(wù)管理器察看內(nèi)存狀態(tài)，記錄物理內(nèi)存和核心內(nèi)存容量。打開控制面板，選擇系統(tǒng)的高級標(biāo)簽，在性能選項中觀察系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存容量。啟動系統(tǒng)性能監(jiān)視器，為“MEMORY”對象添加“AVAILABLEBYTES”計數(shù)器，觀察其值得變化是否在一個穩(wěn)定的區(qū)間，大約為多大？再為“MEMORY”對象添加“PAGES/SEC”計數(shù)器，觀察頁面調(diào)度情況，做好記錄。實驗記錄操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)的存儲管理模塊中所給例題產(chǎn)生的缺頁此書為多少？你所用的實驗機的物理內(nèi)存、虛擬內(nèi)存和核心內(nèi)存分別為多大？3、MEMORY對象“AVAILABLEBYTES”計數(shù)器的值為多少？4、MEMORY對象“PAGES/SEC”計數(shù)器的值為多少？實驗小結(jié)附：內(nèi)存管理基本原理（１）虛擬內(nèi)存管理。NT技術(shù)使用對系統(tǒng)中所有應(yīng)用程序都能適用的平面線形4GB大小的虛擬內(nèi)存模式和地址空間，進程都可以獲得4GB的內(nèi)存，其中2GB用于內(nèi)核模式執(zhí)行進程，2GB以用戶模式執(zhí)行進程。最新Windows2000操作系統(tǒng)支持的內(nèi)存范圍已經(jīng)超過了這個值。（２）Windows2000憑借虛擬內(nèi)存技術(shù)，通過頁調(diào)度文件提供比機器現(xiàn)有物理內(nèi)存更多的內(nèi)存用于系統(tǒng)功能和應(yīng)用程序。程序使用虛擬內(nèi)存而不是物理內(nèi)存進行數(shù)據(jù)的存取，當(dāng)應(yīng)用程序試圖訪問實際物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存轉(zhuǎn)換為實際物理內(nèi)存地址，這一過程，對用戶來說是透明的。（ＶＭＭ虛擬內(nèi)存管理器）。（3）NT的設(shè)計者認為，虛擬空間的線性模式遠比分段模式更與主存的實際結(jié)構(gòu)（單字節(jié)的存儲單元的連續(xù)集合）相吻合，所以決定采用“請求分頁的虛擬存儲管理技術(shù)”。固定頁面區(qū)固定頁面區(qū)頁交換區(qū)直接映射區(qū)頁交換區(qū)FFFFFFFFHCHHH系統(tǒng)存儲區(qū)用戶存儲區(qū)圖虛擬地址空間系統(tǒng)區(qū)分為三個部分：最上部的固定頁面區(qū)（稱為非頁交換區(qū)）用以存放永不被換出內(nèi)存的頁面，這些頁面中存放系統(tǒng)中需常駐內(nèi)存的代碼（如實現(xiàn)頁面調(diào)度的代碼）。而第二部分稱為頁交換區(qū)，用于存放非常駐內(nèi)存的系統(tǒng)代碼和數(shù)據(jù)。第三部分稱為直接映射區(qū)是比較特殊的，首先這一區(qū)域的尋址是由硬件直接交換的，其次這些頁面常駐內(nèi)存，永不“失效”。因此存取這一區(qū)域的數(shù)據(jù)特別快，用以存放NT內(nèi)核中需頻繁使用、響應(yīng)速度快的那些代碼，如調(diào)度線程執(zhí)行的代碼。（4）NT虛擬分頁的地址變換機構(gòu)虛擬分頁技術(shù)的實現(xiàn)應(yīng)包括地址變換機構(gòu)與頁面調(diào)度策略兩方面。NT的地址變換機構(gòu)不同于傳統(tǒng)的頁面地址變換機構(gòu)，它采用一種稱為兩級頁表結(jié)構(gòu)的技術(shù)，這也是比較特殊的，具體實現(xiàn)如下圖，第一級表叫頁目錄，每個進程一個頁目錄每個頁目錄均包含1024個表目，每個頁目錄表指出其第二級頁目表所在的頁架號（也稱頁表地址）。第二級頁表中也包含有1024個表目，每個表目大小是4個字節(jié)，因此第二級頁表均為4KB大?。ㄇ『谜家豁摽臻g），這些特點從圖中虛擬地址結(jié)構(gòu)中完全可以看出。在系統(tǒng)中有控制寄存器指出進程的頁目錄地址——即頁目錄所在的頁架號，由第22位到第31位）；頁表位移（10位，由第12位到21位）；頁內(nèi)位移（12位，由第0位到11位）。地址變換機構(gòu)將寄存器中的頁目錄地址中包含有頁表位移（同理左移二位）拼成頁表中目標(biāo)表目地址，其中包含有該頁所在的頁架號。最后將此頁架號與頁內(nèi)位移拼成主存的絕對地址，從而訪問主存。NT技術(shù)還采用快表和使用高速緩存技術(shù)。即使用高速相關(guān)存儲器來存放經(jīng)常使用的頁表表目，在微處理器和主存間設(shè)置32KB或64KB的高速緩沖存儲器，大部分的指令和數(shù)據(jù)取自高速緩存（命中率98%）。所以存取數(shù)據(jù)和指令速度相當(dāng)高，達到與處理器速度完全相匹配。：：指由兩個地址拼接而成⊕主存頁表頁目錄⊕⊕⊕0112131目錄位移頁表位移頁內(nèi)位移虛擬地址頁表地址頁架號地址頁目錄地址圖二級頁表地址變換機構(gòu)（5）NT頁面調(diào)度算法頁面調(diào)度策略包括取頁策略、置頁策略和淘汰（置換）策略。取頁策略分“提前取頁”和按進程需要的“請求取頁”兩種策略。頁NT采用的既按進程需要是的請求取頁，又采取集群方法把一些頁面提前裝入主存。集群方法提前取頁的含意是當(dāng)一人線程發(fā)生缺頁時，不但把它所需的頁裝入主存，而且把該頁附近的一些頁也一起裝入主存。這樣做的主要根據(jù)是程序行為的局部特性。因此裝入一簇虛頁會減少缺頁的數(shù)量。尤其在一個線程開始執(zhí)行時，請求取頁會造成頻繁缺頁，降低系統(tǒng)性能。而集群方法提前取頁使缺頁情況大大減少。

實驗三設(shè)備管理實驗?zāi)康脑O(shè)備管理是操作系統(tǒng)對系統(tǒng)擁有的設(shè)備資源實現(xiàn)管理的重要模塊，有效地實現(xiàn)設(shè)備管理是提高系統(tǒng)效率的重要途徑，設(shè)備管理要考慮進程互斥問題，要考慮不安全因素及進程調(diào)度問題。本實驗的目的是要求學(xué)生通過實驗了解進程申請設(shè)備的過程，系統(tǒng)對設(shè)備管理與分配的過程與方法，進一步理解設(shè)備管理的基本原理，并實踐安裝卸載即插即用設(shè)備。實驗內(nèi)容通過操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)，進一步體會設(shè)備管理得相關(guān)原理。通過設(shè)備管理器安裝卸載即插即用設(shè)備。更改設(shè)備高級設(shè)置和屬性。更新設(shè)備驅(qū)動程序。實驗過程啟動操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)的設(shè)備管理模塊，按照原理進行設(shè)備管理和分配操作。關(guān)閉操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)。打開控制面板雙擊“系統(tǒng)”，單擊“硬件”選項卡，選擇“設(shè)備管理器”。選擇“聲卡”獲“顯卡”設(shè)備進行卸載，然后重啟動機器再安裝。通過設(shè)備管理器查看實驗機網(wǎng)卡的信息，并進行記錄。為教師提供的即插即用設(shè)備（如攝像頭）查找安裝驅(qū)動程序。實驗記錄實驗練習(xí)什么是設(shè)備無關(guān)性？實驗小結(jié)

實驗四Windows2000磁盤文件操作實驗?zāi)康奈募芾硐到y(tǒng)是操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)信息與用戶信息管理及存取的重要手段，用戶的程序與數(shù)據(jù)是以文件形式保存在計算機存儲器中的。如何支持用戶方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取，是文件管理系統(tǒng)設(shè)計的核心，其中目錄管理是方便用戶“按名存取”的關(guān)鍵。通過本實驗使學(xué)生進一步理解文件管理系統(tǒng)的基本原理，并且掌握磁盤和文件的基本操作。實驗內(nèi)容通過運行操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)，進一步理解文件系統(tǒng)的基本原理。文件和文件夾的共享、壓縮及加密操作。實驗過程運行操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)的文件管理模塊，根據(jù)原理進行文件的創(chuàng)建、查找和刪除操作。關(guān)閉操作系統(tǒng)原理模擬程序系統(tǒng)。打開資源管理器，完成文件和文件夾的復(fù)制、刪除、修改和移動等操作。建立一個文件夾，以自己學(xué)號命名。對該文件夾進行共享，設(shè)置共享屬性。完成對該文件夾的壓縮操作。完成對該文件夾的加密操作。完成磁盤碎片整理，觀察現(xiàn)象。實驗記錄實驗練習(xí)請簡述FAT、FAT32和NTFS三種文件系統(tǒng)的區(qū)別。實驗小結(jié)

實驗五DOS系統(tǒng)常用命令實驗?zāi)康耐ㄟ^試驗，掌握DOS系統(tǒng)常用命令的功能和使用。實驗內(nèi)容DATE：顯示和設(shè)置日期命令格式：C:>DATE。TIME：顯示和設(shè)置時間命令格式：C:>TIME。MD：建立目錄命令格式：C:>MDSTU；C:>MDD:\STU。RD：刪除目錄命令格式：C:>RDSTU；C:>RDD:\STU。CD：進入及退出目錄命令格式：C:>CDSTU；C:>CDD:\STUC:>CD..（退到上一級目錄）。DIR：顯示某個目錄內(nèi)的文件和子目錄（TREE：顯示整個磁盤或某個目錄內(nèi)的目錄結(jié)構(gòu)）命令格式：C:>DIR/P/W；C:>DIR?A*.*；C:>DIR*.TXT；其中：參數(shù)P表示分頁現(xiàn)實；W表示滿一屏?xí)和?，通配符“？”可代表任意一個字符；“*”可用來代表任意個數(shù)不限的字符。COPY：文件拷貝命令格式：C:>COPY*.DOCD:\STUC:>COPYD:\STU\*.DOCTYPE：顯示文件內(nèi)容命令格式：C:>TYPED:\STU\*.TXTREN：修改文件名字命令格式：C:>REN原文件名新文件名10、DEL：刪除文件命令格式：C:>DEL文件名11、ATTRIB：查看和修改文件屬性命令格式：C:>ATTRIB文件名C:>ATTRIB+R(A,H,S)文件名其中，參數(shù)R表示只讀屬性，A表示歸檔屬性，H表示隱藏屬性，S表示系統(tǒng)屬性。12、CLS：清除顯示屏幕命令格式：C:>CLS13、COPYCON：建立簡單批處理程序例：C:>COPYCONSTU.BATMDD:\STU\TTCOPY*.DOCD:\STU\TTDIRD:\STU\TT以CTRL+Z結(jié)束，