《操作系統(tǒng)原理與中斷機制》課件

《操作系統(tǒng)原理與中斷機制》本課件將帶您深入了解操作系統(tǒng)的基本原理，并著重探討中斷機制在操作系統(tǒng)中的重要作用。通過學習，您將掌握操作系統(tǒng)的核心概念和關(guān)鍵技術(shù)，為進一步學習計算機科學打下堅實的基礎。課程簡介目標本課程旨在幫助學生理解操作系統(tǒng)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和應用場景。通過深入學習，學生將掌握操作系統(tǒng)的核心概念，并能夠分析和解決實際問題。內(nèi)容課程涵蓋了操作系統(tǒng)的核心模塊，包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、中斷機制等。同時，還會探討與操作系統(tǒng)密切相關(guān)的技術(shù)，如系統(tǒng)調(diào)用、DMA、磁盤管理等。操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中不可或缺的核心軟件，它負責管理和控制計算機的硬件資源，并為應用程序提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)就像是計算機系統(tǒng)的管家，負責協(xié)調(diào)和管理各種硬件和軟件資源，以保證計算機系統(tǒng)的正常運行。操作系統(tǒng)的基本功能進程管理負責創(chuàng)建、撤銷、調(diào)度和同步進程，以實現(xiàn)多道程序運行和提高系統(tǒng)效率。內(nèi)存管理負責分配和回收內(nèi)存空間，以滿足進程運行的內(nèi)存需求，并防止內(nèi)存資源的浪費。文件管理負責對文件進行創(chuàng)建、刪除、修改、讀寫等操作，并為用戶提供方便易用的文件操作接口。設備管理負責管理系統(tǒng)中的各種硬件設備，如磁盤、打印機、鍵盤等，為用戶提供統(tǒng)一的設備訪問接口。進程管理進程管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一，它負責管理系統(tǒng)中運行的所有進程，包括進程的創(chuàng)建、終止、調(diào)度和同步等操作。進程管理的目標是提高系統(tǒng)的資源利用率，并確保進程之間能夠協(xié)同工作，共同完成任務。進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換就緒進程已準備好運行，但CPU資源不足。1運行進程正在使用CPU執(zhí)行任務。2阻塞進程因等待I/O操作或其他事件而暫停執(zhí)行。3進程調(diào)度算法先來先服務按照進程到達的順序進行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但可能導致短進程等待時間過長。最短作業(yè)優(yōu)先優(yōu)先調(diào)度運行時間最短的進程，可提高系統(tǒng)吞吐量，但無法預測未來進程的運行時間。時間片輪轉(zhuǎn)為每個進程分配一定的時間片，輪流執(zhí)行，適合交互式系統(tǒng)，但時間片過短會增加進程切換開銷。線程概述線程是輕量級的進程，它可以共享進程的地址空間和資源，但擁有獨立的執(zhí)行棧和程序計數(shù)器。使用線程可以有效地提高系統(tǒng)資源利用率，并簡化多任務編程。線程創(chuàng)建與刪除創(chuàng)建調(diào)用系統(tǒng)提供的線程創(chuàng)建函數(shù)，為新線程分配資源，并啟動執(zhí)行。刪除調(diào)用系統(tǒng)提供的線程刪除函數(shù)，回收線程資源，并終止線程執(zhí)行。線程同步機制線程同步機制用于協(xié)調(diào)多個線程之間的訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)競爭和沖突。常用的線程同步機制包括互斥鎖、信號量、條件變量等。經(jīng)典同步問題生產(chǎn)者-消費者問題描述了生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，消費者線程從緩沖區(qū)獲取數(shù)據(jù)并消費數(shù)據(jù)的過程，需要同步機制來協(xié)調(diào)生產(chǎn)者和消費者線程的訪問。讀者-寫者問題多個讀者線程可以同時讀取數(shù)據(jù)，但只有一個寫者線程可以寫入數(shù)據(jù)，需要同步機制來協(xié)調(diào)讀寫線程的訪問。哲學家就餐問題五個哲學家圍坐在一張圓桌旁，每個人都有自己的筷子，但需要兩根筷子才能吃飯，需要同步機制來協(xié)調(diào)哲學家獲取筷子的過程，防止死鎖的發(fā)生。死鎖概述死鎖是指兩個或多個進程互相等待對方釋放資源，導致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。死鎖會導致系統(tǒng)資源浪費和性能下降，甚至可能導致系統(tǒng)崩潰。死鎖的必要條件1互斥條件每個資源只能被一個進程獨占訪問。2請求與保持條件進程已經(jīng)獲得了至少一個資源，但又請求其他資源，且被阻塞。3不可剝奪條件進程獲得的資源在未使用完之前不能被其他進程強占。4循環(huán)等待條件系統(tǒng)中存在一個閉環(huán)，每個進程都等待環(huán)中下一個進程釋放的資源。死鎖的預防和避免預防通過破壞死鎖的必要條件來防止死鎖的發(fā)生，例如，采用資源預先分配的方式，避免資源的循環(huán)等待。避免在系統(tǒng)運行過程中動態(tài)地檢測可能發(fā)生死鎖的條件，并采取措施避免死鎖的發(fā)生，例如，使用銀行家算法來判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)。內(nèi)存管理概述內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，它負責管理計算機系統(tǒng)中的內(nèi)存空間，為進程分配和回收內(nèi)存資源，并確保內(nèi)存資源的有效利用，防止內(nèi)存沖突和內(nèi)存泄漏。連續(xù)分配方式1單一連續(xù)分配將整個內(nèi)存空間劃分成系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)，用戶區(qū)僅為一個進程分配，簡單但浪費空間。2固定分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成固定大小的若干分區(qū)，每個分區(qū)只能分配給一個進程，簡單但可能導致內(nèi)存碎片。3可變分區(qū)分配將內(nèi)存空間劃分成大小可變的若干分區(qū)，每個進程分配所需大小的內(nèi)存空間，提高空間利用率，但會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。離散分配方式1頁式管理將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁，物理地址空間劃分為大小相等的頁框，并通過頁表建立頁和頁框之間的映射關(guān)系。2段式管理將邏輯地址空間劃分為大小不等的段，物理地址空間也劃分為大小不等的段框，并通過段表建立段和段框之間的映射關(guān)系。3段頁式管理將邏輯地址空間劃分為段，每個段再進一步劃分為頁，物理地址空間也劃分為頁框，并通過段表和頁表建立段頁和頁框之間的映射關(guān)系。虛擬內(nèi)存技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)允許程序使用比實際物理內(nèi)存更大的地址空間，通過將部分程序和數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，并在需要時加載到內(nèi)存中，從而擴展了內(nèi)存容量，提高了系統(tǒng)資源利用率。頁式虛擬內(nèi)存頁式虛擬內(nèi)存是一種常用的虛擬內(nèi)存技術(shù)，它將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁，物理地址空間劃分為大小相等的頁框，通過頁表建立頁和頁框之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。段式虛擬內(nèi)存段式虛擬內(nèi)存將邏輯地址空間劃分為大小不等的段，物理地址空間也劃分為大小不等的段框，通過段表建立段和段框之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。請求分頁管理機制請求分頁管理機制是一種常用的虛擬內(nèi)存管理機制，它允許進程在需要時才加載頁面到內(nèi)存中，從而減少了內(nèi)存占用，提高了系統(tǒng)資源利用率。中斷概述中斷是一種硬件機制，它允許硬件設備在需要的時候向CPU發(fā)出信號，請求CPU處理某些事件。中斷機制是操作系統(tǒng)實現(xiàn)異步事件處理的重要手段，可以提高系統(tǒng)的響應速度和效率。中斷分類1硬件中斷由硬件設備發(fā)出的中斷信號，例如鍵盤輸入、磁盤讀寫完成等。2軟件中斷由軟件程序發(fā)出的中斷信號，例如系統(tǒng)調(diào)用、異常處理等。中斷響應過程中斷發(fā)生硬件設備或軟件程序發(fā)出中斷信號。中斷處理CPU保存當前執(zhí)行環(huán)境，并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序。中斷處理程序處理中斷事件，例如處理鍵盤輸入、磁盤讀寫完成等。中斷返回中斷處理程序完成后，恢復中斷前的執(zhí)行環(huán)境，并繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。時鐘中斷處理時鐘中斷是由系統(tǒng)定時器發(fā)出的，用于實現(xiàn)進程調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)等功能。操作系統(tǒng)通過處理時鐘中斷，可以定期切換正在運行的進程，保證每個進程都能獲得CPU資源。I/O中斷處理I/O中斷是由I/O設備發(fā)出的，用于通知CPUI/O操作已經(jīng)完成。操作系統(tǒng)通過處理I/O中斷，可以及時響應I/O操作的完成，并將數(shù)據(jù)傳遞給應用程序。軟中斷處理軟中斷是由軟件程序發(fā)出的，例如系統(tǒng)調(diào)用，用戶程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)提供服務。操作系統(tǒng)通過處理軟中斷，可以為用戶程序提供各種系統(tǒng)服務，如進程創(chuàng)建、文件操作等。系統(tǒng)調(diào)用機制系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)交互的一種機制，用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用可以請求操作系統(tǒng)提供各種服務，例如進程創(chuàng)建、文件操作、內(nèi)存分配等。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給用戶程序的接口，它將用戶程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核隔離開來，保證操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)調(diào)用示例以下是一些常見的系統(tǒng)調(diào)用示例：-create()：創(chuàng)建新進程-fork()：復制當前進程-exec()：加載并執(zhí)行新程序-open()：打開文件-read()：讀取文件內(nèi)容-write()：寫入文件內(nèi)容-close()：關(guān)閉文件-exit()：終止當前進程DMA技術(shù)DMA（直接內(nèi)存訪問）技術(shù)允許I/O設備直接訪問內(nèi)存，而無需CPU的干預。DMA技術(shù)可以有效地提高I/O速度，減輕CPU的負擔，提高系統(tǒng)性能。DMA傳輸過程DMA傳輸過程如下：1.CPU將DMA控制器初始化，并設置數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，例如數(shù)據(jù)源地址、數(shù)據(jù)目標地址、數(shù)據(jù)傳輸長度等。2.DMA控制器接管數(shù)據(jù)傳輸，直接從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)目標，無需CPU干預。3.DMA傳輸完成后，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號，通知CPU數(shù)據(jù)傳輸完成。磁盤管理概述磁盤管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，它負責管理系統(tǒng)中的磁盤存儲空間，為用戶提供文件存儲和訪問服務。磁盤管理需要解決文件存儲空間分配、磁盤調(diào)度、文件保護等問題。磁盤調(diào)度算法文件管理系統(tǒng)文件管理系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負責管理系統(tǒng)中的文件，為用戶提供創(chuàng)建、刪除、修改、讀寫等文件操作服務。文件管理系統(tǒng)需要解決文件存儲空間管理、文件目錄結(jié)構(gòu)、文件保護等問題。文件目錄結(jié)構(gòu)文件目錄結(jié)構(gòu)用于組織和管理系統(tǒng)中的文件，它描述了文件在磁盤上的存儲位置和關(guān)系。常用的文件目錄結(jié)構(gòu)包括單級目錄結(jié)構(gòu)、樹形目錄結(jié)構(gòu)和圖狀目錄結(jié)構(gòu)。文件存儲空間管理1連續(xù)分配為每個文件分配一塊連續(xù)的磁盤空間，簡單但可能導致外部碎片。2鏈接分配將文件分散存儲在磁盤上的不同位置，通過鏈接方式連接文件各個部分，提高空間利用率，但可能導致訪問效率降低。3索引分配為每個文件建立一個索引塊，索引塊中存放文件各部分的地址