操作系统 第13次课

《操作系统》教案课件一、教案简介本教案旨在帮助学生了解和掌握操作系统的基本概念、原理和关键技术。

通过本课程的学习，学生将能够理解操作系统的角色和功能，掌握进程管理、内存管理、文件系统、输入/输出系统等基本内容，并能够运用所学知识分析和解决实际问题。

二、教学目标1. 了解操作系统的定义、功能和角色。

2. 掌握进程的定义、创建、调度和管理。

3. 理解内存管理的原理和方法。

4. 熟悉文件系统的结构和工作原理。

5. 掌握输入/输出系统的组成和控制方式。

三、教学内容1. 操作系统概述操作系统的定义操作系统的功能操作系统的角色2. 进程管理进程的定义进程的创建进程的调度进程的管理3. 内存管理内存的分类内存分配与回收内存保护虚拟内存4. 文件系统文件和目录文件系统的结构文件存储和访问文件系统性能优化5. 输入/输出系统输入/输出设备设备驱动程序输入/输出控制缓冲区管理四、教学方法1. 讲授法：通过讲解、阐述操作系统的原理和关键技术。

2. 案例分析法：分析实际操作系统的应用案例，加深学生对知识的理解。

3. 实验法：安排实验课程，让学生动手实践，提高操作能力。

五、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和提问情况，评估学生的参与程度。

2. 作业完成情况：评估学生作业的完成质量，检查学生对知识的掌握程度。

3. 实验报告：评估学生在实验课程中的表现，检查学生的实际操作能力。

4. 期末考试：全面测试学生对操作系统知识的掌握程度。

六、教学资源1. 教材：《操作系统原理与应用》2. 课件：PowerPoint 演示文稿3. 实验设备：计算机、网络设备等4. 网络资源：相关学术论文、操作系统的开源项目等七、教学安排1. 课时：32课时（包括理论课和实验课）2. 授课方式：每周4课时，共8周完成教学内容3. 实验课：安排4课时，每课时2小时八、教学步骤1. 引入操作系统的基本概念，讲解操作系统的功能和角色。

2. 详细介绍进程的定义、创建、调度和管理，通过案例分析加深理解。

《操作系统》教案（第一至第五章）一、教案概述本教案主要针对《操作系统》课程的五个章节进行详细的教学设计，包括教学目标、教学内容、教学方法、教学步骤和教学评价等方面。

通过本教案的学习，学生将掌握操作系统的基本概念、原理和关键技术。

二、教学目标1. 了解操作系统的概念、发展和分类。

2. 掌握操作系统的主要功能和架构。

3. 理解进程管理、内存管理、文件管理和设备管理的基本原理。

4. 学习操作系统的设计方法和实现技术。

三、教学内容第一章：操作系统概述1. 操作系统的概念和发展历程2. 操作系统的目标和功能3. 操作系统的分类和特点第二章：操作系统架构1. 操作系统的主要组件2. 操作系统的层次结构3. 操作系统的接口和API第三章：进程管理1. 进程的概念和特性2. 进程的状态和转换3. 进程调度算法4. 进程同步与互斥5. 死锁与饥饿问题第四章：内存管理1. 内存分配与回收策略2. 内存分页和分段3. 虚拟内存技术4. 页面置换算法5. 内存保护机制第五章：文件管理1. 文件和目录的概念2. 文件系统的组织结构3. 文件存储分配策略4. 文件访问控制5. 磁盘空间管理和文件备份策略四、教学方法1. 讲授法：讲解基本概念、原理和关键技术。

2. 案例分析法：分析实际操作系统案例，加深对原理的理解。

3. 实验法：通过上机实验，巩固理论知识。

4. 小组讨论法：分组讨论问题，培养团队合作能力。

五、教学步骤1. 引导：介绍本章主题，激发学生兴趣。

2. 讲解：详细讲解本章的核心概念和原理。

3. 案例分析：分析实际案例，加深学生对原理的理解。

4. 练习与讨论：布置练习题，组织小组讨论。

5. 总结：对本章内容进行归纳和总结。

六、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和提问情况。

2. 练习题：评估学生对知识的掌握程度。

3. 实验报告：评价学生的实践操作能力。

4. 小组讨论报告：评估学生的团队合作和沟通能力。

七、教学资源1. 教材：选用权威、实用的操作系统教材。

第13章I/O系统I/O硬件的基本特点OS提供的I/O服务及其在应用程序I/O接口中的体现OS如何解决硬件接口与应用程序接口之间的差异n g S y s t e m s , B J U T13.1 概述多样化的设备 多样化的控制方法 内核的I/O 子系统 I/O 技术的发展趋势硬件和软件接口的标准化I/O 设备的多样性迅速发展 设备驱动程序隐藏不同设备的细节和特点 为I/O 子系统提供统一的设备访问接口n g S y s t e m s , B J U T多种分类方法—不同的角度存储设备 磁盘, 磁带传输设备 网卡, 调制解调器人机交互设备屏幕, 键盘, 鼠标n g S y s t e m s , B J U T按传输速率低速设备: 几~几百B/s, 键盘, 鼠标 中速设备: 几~几十KB/s, 行打, 激光打印机 高速设备: 几百KB~数MB/s, 磁带机, 磁盘机, 光盘机 按信息交换的单位块设备: 一般用于存储信息, 信息的存取总是以数据块为单位 字符设备: 一般用于输入一般用于输入、、输出, 基本单位是字符n g S y s t e m s , B J U T按设备的共享性独占设备/ 专用设备在一段时间内只允许一个进程或线程访问 共享设备在一段时间内允许多个进程或线程同时访问 对于每一时刻仍只允许一个进程或线程访问 通常是可寻址通常是可寻址、、可随机访问的设备 虚拟设备通过虚拟技术把一台独占设备变换为若干台逻辑设备, 供若干个用户(进程)同时使用, 经过虚拟技术处理的设备, 称为虚拟设备n g S y s t e m s , B J U T13.2 I/O 硬件I/O 硬件基本概念 端口I/O 设备与计算机通信的连接点 一组寄存器: status, control, data-in, data-out 总线一个或多个设备通过一组公共的导线通信 严格定义的协议: 描述在总线上可以发送的消息 控制器操纵端口操纵端口、、总线或设备的一组电子装置 CPU 与控制器通信 直接I/O 指令 存储区映像I/On g S y s t e m s , B J U T 图示: 典型的PC 总线结构n g S y s t e m s , B J U TI/O 系统的控制方式轮询(poll) / 程序控制I/O 忙等待 如果控制器和设备都很快, 那么……? 课本13.2.1小节最后2段中断驱动I/O 发出I/O 命令 处理器继续执行指令 I/O 完成时, I/O 模块向处理器发出中断 CPU 响应异步事件直接存储器存取(DMA) DMA 模块控制主存与I/O 设备之间的数据交换 整块数据传输结束后中断处理器n g S y s t e m s , B J UT 中断驱动I/O 周期n g S y s t e m s , B J U T中断处理的特性(课本13.2.2小节)处理关键任务期间, 要推迟中断处理 中断屏蔽 可屏蔽中断, 不可屏蔽中断如何迅速转到与提出中断请求对应的处理程序 中断向量多级中断 中断优先级 中断嵌套 中断屏蔽—用软件的办法改变中断优先级 中断在OS 中的地位 CPU 和外设并行工作的基础 多道程序并发执行的推动力n g S y s t e m s , B J U T DMAn g S y s t e m s , B J U T I/O 通道/ 通道(补充)独立于CPU 、专门管理I/O 的处理器完成主存与外设之间的信息传送与CPU 并行地执行操作引入通道以后, 一些原来由CPU 处理的I/O 任务转由通道承担, 把CPU 从繁杂的I/O 任务中解脱出来, CPU 只需向通道发出I/O 指令通道的指令类型单一 主要局限于与I/O 操作有关的指令通道没有自己的内存, 与CPU 共享主存提高了整个系统的效率 CPU 与通道与通道、、通道与通道通道与通道、、各通道上的外设都可以实现并行操作n g S y s t e m s , B J U T 具有通道装置的计算机系统结构n g S y s t e m s , B J U T 13.3 应用程序I/O 接口n g S y s t e m s , B J U T 应用程序I/O 接口—方法 抽象把各式各样的设备抽象为几种通用类型 每种通用类型 通过标准接口访问 封装设备驱动程序封装了具体设备的差异向上提供统一接口I/O 系统调用封装了设备的行为 分层内核中与I/O 有关的部分以分层方式组织n g S y s t e m s , B J U T 内核I/O 结构n g S y s t e m s , B J U T 通用类型设备块设备与字符设备块设备例: 磁盘驱动器命令: read, write, seek字符设备例: 键盘, 鼠标, 串行端口命令: get, put网络设备 网络套接字接口(socket) 时钟与定时器当前时间可编程时间间隔定时器n g S y s t e m s , B J U T 阻塞I/O 与非阻塞I/O 阻塞I/O进程发出阻塞的I/O 系统调用后, 被阻塞, 直到I/O 完成易于理解无法满足某些需要 非阻塞I/O例一边计算/显示, 一边检查严查是否有输入 视频文件的播放: 读, 解压, 显示 方法 多线程 非阻塞的I/O 系统调用n g S y s t e m s , B J U T 13.4 内核I/O 子系统 I/O 调度以什么顺序执行一组I/O 请求? 系统性能, 公平地共享设备, 减少平均等待时间缓冲(buffering)高速缓冲(caching)假脱机与设备预留错误处理n g S y s t e m s , B J U T引入缓冲的原因To cope with device speed mismatch 例: 数据从Modem 到硬盘To cope with device transfer size mismatch 例: 网络数据传输, 分解分解、、重组To maintain “copy semantics ”例: 调用write()后, 数据缓冲区内容变化n g S y s t e m s , B J U T缓冲技术输入 在发出请求之前就开始执行输入传送输出 在发出请求一段时间之后开始执行输出传送 I/O 缓冲方案单缓冲双缓冲循环缓冲n g S y s t e m s , B J U T当用户发出I/O 请求时, OS 把位于主存系统区中的1个缓冲区分配给这个I/O操作n g S y s t e m s , B J U T给一个I/O 操作分配2个缓冲区 以输入为例,当进程从一个缓冲区读取数据时,OS可以把输入的数据存放在另一个缓冲区n g S y s t e m s , B J U T循环缓冲循环缓冲由多个缓冲区组成 更好地平滑I/O设备与进程间的数据流n g S y s t e m s , B J U T缓冲的效用缓冲技术可以缓和处理器与I/O 设备间速度不匹配的矛盾, 提高OS 效率和进程性能 但是, 如果进程的平均I/O 请求大于设备的服务能力, 再多缓冲也无法让I/O 设备赶上进程的速度n g S y s t e m s , B J U TCaching (了解)特点 把数据的副本 速度更高的存储器目标 提高性能 与缓冲的区别两种不同功能缓冲可能保存着唯一存在的数据项 有时一块内存区域可以用于两种目的n g S y s t e m s , B J U TSpooling例在Windows 中打印文件网络共享打印机n g S y s t e m s , B J U TSpooling 与虚拟设备(补充) 独占设备分配与使用中的问题一个作业占有设备设备利用不充分设备分配后, 其他申请者只能等待 独占设备大都是低速外设, 作业执行中等待外设, 延长了作业执行时间n g S y s t e m s , B J U T 脱机外围设备操作特点 操作独立于主处理机 缓解缓解了了CPU 的高速的高速性性和I/O 低速低速性性的矛盾, 在一定程度上提高了效率 问题 需要增加外围处理机 需要操作员手工操作, 出错机会多, 效率低n g S y s t e m s , B J U T 预输入与缓输出预输入OS 将大批作业信息从输入设备上预先输入到辅存磁盘上的输入缓冲区域中暂时保存 运行中的作业需要使用数据时, 不必启动输入设备, 只需从磁盘上的缓冲区读入缓输出 作业运行过程中, 需要输出数据时, 不启动输出设备, 而是直接把数据保存到磁盘的输出缓冲区域中作业执行结束后, OS 组织信息成批输出 预输入程序和缓输出程序完成了外围计算机做的工作n g S y s t e m s , B J U TSpoolingSpoolingThe use of secondary memory as buffer storage to reduce processing delays when transferring data between peripheral equipment and the processor of a computer.S imultaneous P eripheral O perations O n-L ine联机的外围设备同时操作假脱机操作n g S y s t e m s , B J U T 虚拟设备采用Spooling 技术后, 每个作业都感到各自拥有独占使用的设备 Spooling 技术将一台独占设备改造成若干台逻辑设备, 供若干个用户同时使用(像共享设备一样) 经过这种技术处理后的设备称为虚拟设备Spooling 系统 OS 中实现Spooling 技术的功能模块n g S y s t e m s , B J U T Spooling 系统的组成和结构n g S y s t e m s , B J U T Spooling 系统的设计和实现 输入井与输出井系统在辅存开辟的用作缓冲的存储区域, 存放 从输入设备输入的信息存放作业的执行结果(输出)输入缓冲区和输出缓冲区 位于主存输入设备 输入缓冲区 输入井 输出井 输出缓冲区 输出设备 输入进程和输出进程n g S y s t e m s , B J U T作业的四种状态输入状态收容状态执行状态 完成状态n g S y s t e m s , B J U T 作业表和预输入表n g S y s t e m s , B J U TSpooling 系统的特点提高了I/O 速度将独占设备改造改造为为“共享设备” 实现了虚拟设备功能n g S y s t e m s , B J U T设备预留提供对设备的独占访问用于分配和回收的系统调用 死锁设备分配的安全性n g S y s t e m s , B J U T设备独立性(补充) (1) 问题计算机系统常常配置多种类型的外设, 每类外设又有多台如果进程申请使用外设时指定具体的物理设备, 当该设备被其他进程占用, 或有故障时, 即使还有空闲的同类设备, 该进程也只能等待n g S y s t e m s , B J U T 设备独立性(2)设备独立性Device Independence, 也称作设备无关性 应用程序独立于具体使用的物理设备 为实现设备独立性, 引入2个概念逻辑设备: 在应用程序中, 用逻辑设备名称来请求使用某类设备物理设备: 系统实际执行时, 用物理设备名称 系统完成逻辑设备名 物理设备名n g S y s t e m s , B J U T 设备独立性(3)独占设备的分配设备的绝对号用户申请设备不用绝对号, 应当指明设备类 用户申请多个同类设备 “设备设备类类, 相对号”实现设备独立性的好处提高了OS 的可适应性的可适应性、、可扩展性可扩展性、、可靠性 设备分配时的灵活性易于实现I/O 重定向 用于I/O 操作的设备可以更换,而不必改变应用程序n g S y s t e m s , B J U T错误处理设备出错I/O 传输出错 恢复失败: 返回错误代码例: UNIX –errno日志记录n g S y s t e m s , B J U TI/O 内核子系统中的内核数据结构用于用于记录记录I/O 部件的状态信息例: UNIX I/O 内核数据结构n g S y s t e m s , B J U T 与设备无关的I/O 软件n g S y s t e m s , B J U T 13.5 把I/O 请求转换为硬件操作 例: 进程读磁盘文件进程打开文件: 文件名文件系统: 文件名 目录 文件的分配空间 UNIX: 文件名 目录 i-node 多重索引分配文件在哪个设备(磁盘)上? UNIX: mount table进程请求读文件 读磁盘 缓冲区 为请求进程准备好数据 控制返回请求进程n g S y s t e m s , B J U T 一个I/O 请求的生命周期(1)n g S y s t e m s , B J U T 一个I/O 请求的生命周期(2)n g S y s t e m s , B J U T 补充资料(考试不要求)通道的分类n g S y s t e m s , B J U T通道的分类按信息交换方式和连接设备种类分为3类 字节多路通道连接大量慢速外设以字节为单位交叉工作n g S y s t e m s , B J U T通道的分类(Continued) 数组选择通道连接磁带连接磁带、、磁盘等高速设备以成组方式工作, 每次传送一批数据, 这段时间内, 通道只为一台设备服务 数组多路通道结合数组选择通道和字节多路通道的优点 数据传输按数组方式进行各子通道分时并行操作可以连接多台高可以连接多台高、、中速设备。

《计算机操作系统》课件一、引言计算机操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它负责管理和控制计算机硬件资源，为用户提供高效、便捷的服务。

本课件旨在介绍计算机操作系统的基本概念、原理和功能，帮助读者了解操作系统的工作机制，掌握操作系统的使用技巧。

二、操作系统的基本概念1.操作系统的定义操作系统（OperatingSystem，简称OS）是计算机系统中的一种系统软件，负责管理和控制计算机硬件资源，为用户提供一个运行程序的环境。

2.操作系统的功能（1）资源管理：操作系统负责合理分配和调度计算机硬件资源，包括CPU、内存、外设等，以提高资源利用率和系统性能。

（2）程序管理：操作系统负责管理计算机中的程序，包括程序的加载、执行、终止等过程。

（3）文件管理：操作系统负责管理计算机中的文件，包括文件的创建、删除、修改、查询等操作。

（4）用户接口：操作系统为用户提供一个友好、便捷的交互界面，使用户能够方便地使用计算机。

三、操作系统的类型1.单用户操作系统单用户操作系统（SingleUserOperatingSystem）是指在同一时间内只允许一个用户使用计算机的操作系统。

单用户操作系统通常应用于个人计算机，如Windows操作系统。

2.多用户操作系统多用户操作系统（Multi-UserOperatingSystem）是指在同一时间内允许多个用户使用计算机的操作系统。

多用户操作系统通常应用于大型计算机和服务器，如Unix操作系统。

3.批处理操作系统批处理操作系统（BatchOperatingSystem）是指将多个用户的任务按照一定的顺序批量处理的操作系统。

批处理操作系统能够提高计算机的利用率，但用户无法实时干预任务的执行。

4.实时操作系统实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem，简称RTOS）是指能够在规定的时间内完成特定任务的操作系统。

实时操作系统广泛应用于嵌入式系统、控制系统等领域。

四、操作系统的结构1.简单结构简单结构的操作系统是指操作系统的所有功能都集中在一个核心模块中，如早期的Unix操作系统。

操作系统复习大纲1．设置操作系统的目的1、方便性提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用；2、有效性有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源——提高计算机系统资源利用率；合理地组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能——提高系统吞吐量3、可扩充性4、开放性2．操作系统的定义计算机操作系统是方便用户使用，管理和控制计算机软硬件资源的系统软件。

3．操作系统功能与特征四大特性:并发性、共享性、虚拟性和不确定性。

4．多道程序设计与并发性5．进程的定义、进程实体组成、特征进程是一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机上的执行过程和分配资源的基本单位。

6．进程控制块的作用系统根据PCB而感知进程的存在，通过PCB对进程进行管理，PCB是进程存在的惟一标志。

当系统创建一个进程时，必须为它设置一个PCB，在进程的生命期内利用PCB对进程实施控制管理，进程运行结束后，系统要收回它的PCB，进程也随之消亡。

7．线程的定义，引入线程的目的，进程与线程的主要区别定义：进程内的一个基本调度单位。

或者，进程内的一个执行体。

目的：为了减少处理机的空转时间以及处理机调度切换时的时间和空间开销，提高系统的并行能力，因此产生了更小的控制单位：线程。

区别：进程是资源分配的基本单位。

线程是处理机调度的基本单位线程管理减少了系统管理的开销。

线程是进程的一个组成部分。

8．进程的3种基本状态及其转换9．临界资源、临界区临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。

临界区：每个进程中访问临界资源的那一部分程序。

10．信号量与pv操作机制及其应用信号量是表示资源的实体，是一个特殊的变量，其值仅能由PV操作来改变。

操作系统利用信号量的状态对进程和资源进行管理。

PV操作是P操作原语P（s）和V操作原语V（s）的简称，是定义在信号量上的两个操作原语，在执行期间不可分割。

11．处理机的分级调度作业调度（高级调度）：进程调度（低级调度）交换调度（中级调度）12．作业调度和进程调度的主要任务按一定原则选择若干个后备作业调入主存，分配资源，并建立相应的进程，投入运行。