《操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》課件

操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)旨在深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)核心概念并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型操作系統(tǒng)，加深對(duì)操作系統(tǒng)的理解，掌握操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。課程設(shè)計(jì)背景與目的1理論實(shí)踐結(jié)合將操作系統(tǒng)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。2提升編程能力培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的編程能力和實(shí)踐操作技能。3掌握核心技術(shù)深入了解操作系統(tǒng)內(nèi)核，掌握進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等核心技術(shù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境與工具介紹虛擬機(jī)環(huán)境使用虛擬機(jī)軟件創(chuàng)建虛擬的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境，如VirtualBox或VMware。代碼編輯器選擇適合的代碼編輯器編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)代碼，例如VisualStudioCode或Atom。命令行工具熟悉Linux命令行工具，使用它們與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，例如bash和zsh。調(diào)試工具使用調(diào)試工具分析代碼并解決運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，例如GDB和LLDB。實(shí)驗(yàn)一：進(jìn)程管理進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位，也是程序執(zhí)行的最小單位。進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)最重要的功能之一，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建、撤銷、調(diào)度和同步進(jìn)程。進(jìn)程的創(chuàng)建與終止進(jìn)程創(chuàng)建是操作系統(tǒng)為一個(gè)新進(jìn)程分配資源并將其加入系統(tǒng)進(jìn)程列表的過(guò)程。進(jìn)程終止則是在進(jìn)程完成任務(wù)后釋放資源，并將其從系統(tǒng)進(jìn)程列表中刪除。1申請(qǐng)資源內(nèi)存、文件、設(shè)備2創(chuàng)建PCB進(jìn)程控制塊3初始化進(jìn)程設(shè)置狀態(tài)、程序計(jì)數(shù)器、寄存器4將進(jìn)程加入隊(duì)列就緒隊(duì)列進(jìn)程終止后，系統(tǒng)會(huì)回收其占用的所有資源，包括內(nèi)存、文件、設(shè)備等。進(jìn)程終止的方式包括正常退出、異常退出和錯(cuò)誤退出等。進(jìn)程間通信機(jī)制管道管道是進(jìn)程間通信的最基本方式，允許一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)。管道是一種單向的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)只能從管道的一端寫(xiě)入，從另一端讀出。管道分為匿名管道和命名管道，匿名管道只允許具有共同祖先的進(jìn)程訪問(wèn)，而命名管道則允許任何進(jìn)程訪問(wèn)。消息隊(duì)列消息隊(duì)列是一種異步通信機(jī)制，允許進(jìn)程之間交換消息而不必直接相互通信。消息隊(duì)列允許進(jìn)程將消息寫(xiě)入隊(duì)列，其他進(jìn)程可以從隊(duì)列中讀取消息。消息隊(duì)列可以用于進(jìn)程之間的通信，也可以用于不同進(jìn)程之間的通信。共享內(nèi)存共享內(nèi)存是一種允許進(jìn)程直接訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域的通信機(jī)制。共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信最快的方式，因?yàn)樗恍枰M(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。共享內(nèi)存通常用于需要快速數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序，例如圖形處理和數(shù)據(jù)庫(kù)。信號(hào)量信號(hào)量是一種用于控制多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享資源的機(jī)制。信號(hào)量可以用來(lái)同步進(jìn)程，確保只有特定的進(jìn)程可以訪問(wèn)共享資源。信號(hào)量也可以用來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的合作，確保多個(gè)進(jìn)程以正確的順序訪問(wèn)共享資源。進(jìn)程調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)（FCFS）按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致短作業(yè)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）選擇下一個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程是估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，可以提高系統(tǒng)吞吐量，但需要預(yù)測(cè)運(yùn)行時(shí)間。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片結(jié)束后，調(diào)度器選擇下一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行，可提高系統(tǒng)交互性，但時(shí)間片過(guò)短會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)銷增大。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行，可以滿足一些重要任務(wù)的需求，但需要設(shè)計(jì)合理的優(yōu)先級(jí)分配機(jī)制。實(shí)驗(yàn)二：內(nèi)存管理內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，它負(fù)責(zé)分配和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的目標(biāo)是優(yōu)化內(nèi)存使用效率，提高程序運(yùn)行速度，并確保程序之間相互隔離，防止相互干擾。連續(xù)分配和分頁(yè)管理連續(xù)分配連續(xù)分配內(nèi)存管理方式，將內(nèi)存劃分成若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)只分配給一個(gè)進(jìn)程，并要求進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)必須存放在連續(xù)的內(nèi)存空間中。分頁(yè)管理分頁(yè)管理是將進(jìn)程的地址空間分成大小相同的頁(yè)面，將內(nèi)存也劃分成同樣大小的頁(yè)框，并將進(jìn)程的頁(yè)面分配到內(nèi)存的頁(yè)框中。優(yōu)勢(shì)連續(xù)分配簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但空間利用率低；分頁(yè)管理提高了內(nèi)存利用率，但也增加了系統(tǒng)開(kāi)銷。虛擬內(nèi)存管理地址空間擴(kuò)展虛擬內(nèi)存允許進(jìn)程訪問(wèn)超出物理內(nèi)存范圍的地址空間，擴(kuò)展了程序的可用內(nèi)存。多任務(wù)處理通過(guò)將部分程序頁(yè)面交換到磁盤(pán)，虛擬內(nèi)存使得多個(gè)程序可以共享有限的物理內(nèi)存，提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存保護(hù)每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的虛擬地址空間，防止程序之間的相互干擾，提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。頁(yè)面置換算法先進(jìn)先出（FIFO）最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面最先被替換出去。簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但易發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。最近最少使用（LRU）最近最少使用的頁(yè)面最先被替換出去。較好的性能，但需要額外的記錄時(shí)間戳信息。最佳置換算法（OPT）選擇未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面替換。性能最優(yōu)，但無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘算法（CLOCK）將頁(yè)面標(biāo)記為已使用或未使用，選擇未使用的頁(yè)面替換。折中性能和復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)三：文件管理文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理和組織文件系統(tǒng)。它為用戶提供創(chuàng)建、刪除、訪問(wèn)、修改等操作。文件的創(chuàng)建、打開(kāi)與關(guān)閉文件創(chuàng)建操作系統(tǒng)提供文件創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用，分配磁盤(pán)空間并創(chuàng)建文件控制塊。文件打開(kāi)操作系統(tǒng)驗(yàn)證用戶訪問(wèn)權(quán)限，并根據(jù)文件名找到文件控制塊，建立文件表項(xiàng)。文件關(guān)閉刪除文件表項(xiàng)，將文件內(nèi)容寫(xiě)入磁盤(pán)，釋放相關(guān)資源。文件的讀寫(xiě)操作1打開(kāi)文件使用系統(tǒng)調(diào)用打開(kāi)文件2讀寫(xiě)操作使用系統(tǒng)調(diào)用讀寫(xiě)文件內(nèi)容3關(guān)閉文件使用系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉文件文件讀寫(xiě)操作是操作系統(tǒng)中一項(xiàng)基本功能，涉及打開(kāi)文件、讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)以及關(guān)閉文件等步驟。目錄和文件屬性管理文件目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通過(guò)目錄樹(shù)組織文件，方便用戶查找和管理。每個(gè)目錄包含子目錄和文件。用戶可使用目錄命令創(chuàng)建、刪除和修改目錄結(jié)構(gòu)。文件屬性管理每個(gè)文件都擁有屬性，例如文件名、文件大小、創(chuàng)建日期、訪問(wèn)權(quán)限等。操作系統(tǒng)提供了接口，允許用戶查看和修改文件屬性。實(shí)驗(yàn)四：設(shè)備管理設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種硬件設(shè)備。它為用戶提供統(tǒng)一的接口，屏蔽硬件設(shè)備的差異，并有效地分配和利用硬件資源。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)11.設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供統(tǒng)一的接口，隱藏設(shè)備差異。22.中斷處理驅(qū)動(dòng)程序處理來(lái)自設(shè)備的中斷，并通知操作系統(tǒng)。33.緩沖區(qū)管理驅(qū)動(dòng)程序管理數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)，提高效率。44.錯(cuò)誤處理驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)處理設(shè)備錯(cuò)誤，并通知用戶。中斷處理機(jī)制中斷處理程序處理來(lái)自硬件或軟件的中斷，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。堆棧中斷發(fā)生時(shí)，保存當(dāng)前程序狀態(tài)，以便中斷處理完成后恢復(fù)正常執(zhí)行。中斷向量表包含每個(gè)中斷的地址，用于快速找到相應(yīng)的處理程序。緩沖區(qū)管理緩沖區(qū)是用于暫存數(shù)據(jù)的一種內(nèi)存區(qū)域，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。緩沖區(qū)管理涉及對(duì)緩沖區(qū)的分配、釋放和管理，以優(yōu)化數(shù)據(jù)流的處理和存儲(chǔ)。常用的緩沖區(qū)管理策略包括單緩沖、雙緩沖和循環(huán)緩沖，以及各種緩存替換算法。實(shí)驗(yàn)五：死鎖處理死鎖是指多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而互相等待，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行的現(xiàn)象。死鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)效率。死鎖的概念與預(yù)防死鎖定義多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而互相等待，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖條件互斥條件持有并等待不可剝奪循環(huán)等待死鎖預(yù)防破壞死鎖條件以防止其發(fā)生，例如采用資源預(yù)先分配或打破循環(huán)等待。死鎖的檢測(cè)與解決11.檢測(cè)通過(guò)系統(tǒng)資源分配情況，尋找系統(tǒng)中是否出現(xiàn)了循環(huán)等待的情況，從而確定是否出現(xiàn)了死鎖。22.資源搶占從一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程中搶占資源，打破循環(huán)等待的條件，但是需要考慮資源搶占的安全性。33.進(jìn)程終止終止涉及死鎖的進(jìn)程，釋放其占用的資源，但可能會(huì)導(dǎo)致程序的失效。44.回滾將死鎖進(jìn)程回滾到一個(gè)安全狀態(tài)，并釋放資源，但回滾的代價(jià)較大。銀行家算法應(yīng)用算法流程銀行家算法是一個(gè)資源分配算法，它用于防止系統(tǒng)死鎖。資源分配該算法通過(guò)模擬銀行家貸款的方式，為每個(gè)進(jìn)程分配資源。安全狀態(tài)檢查算法會(huì)檢查系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)，以確保資源分配不會(huì)導(dǎo)致死鎖。實(shí)驗(yàn)總結(jié)與討論本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目旨在深入理解操作系統(tǒng)原理，通過(guò)實(shí)踐操作掌握相關(guān)知識(shí)，并鍛煉編程能力和問(wèn)題解決能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同學(xué)們積極思考，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和編碼工作，取得了豐碩成果?？偨Y(jié)與展望實(shí)