第六讲 操作系统的运行模型
操作系统慕课版第六章
操作系统慕课版第六章首先，第六章介绍了进程的概念和特征。
进程是程序在执行过程中的实体，它包括了程序的代码、数据和执行状态等信息。
进程具有独立性、动态性和并发性等特征。
独立性指的是每个进程都拥有独立的地址空间，不会相互干扰；动态性指的是进程的创建、执行和终止都是动态的过程；并发性指的是多个进程可以同时执行，通过时间片轮转等调度算法进行切换。
其次，第六章介绍了进程的状态和状态转换。
进程可以处于就绪、执行和阻塞三种状态之一。
就绪状态表示进程已经具备执行的条件，等待系统调度执行；执行状态表示进程正在执行指令；阻塞状态表示进程由于等待某些事件而暂时无法执行。
进程在不同状态之间的转换是由操作系统进行调度和管理的。
第三，第六章介绍了进程的创建和终止。
进程的创建是通过fork()系统调用来实现的，它会创建一个与父进程相同的子进程，但是子进程有自己独立的地址空间。
进程的终止可以通过exit()系统调用来实现，它会释放进程所占用的资源，并通知父进程。
此外，第六章还介绍了进程的执行顺序和进程控制块等相关内容。
第四，第六章介绍了进程调度的算法和策略。
进程调度是操作系统中非常重要的一项功能，它决定了进程的执行顺序和分配时间片的方式。
常见的进程调度算法有先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、最高优先级调度（HPF）、时间片轮转调度（RR）等。
不同的调度算法有不同的优缺点，可以根据实际情况选择合适的调度策略。
第五，第六章还介绍了进程同步和互斥的概念。
在多进程环境中，进程之间可能会共享资源，为了避免竞争条件和死锁等问题，需要进行进程同步和互斥的操作。
常见的同步和互斥机制有信号量、互斥锁、条件变量等。
这些机制可以保证进程之间的有序执行和资源的合理分配。
总结起来，第六章主要介绍了进程管理的相关内容，包括进程的概念和特征、进程的状态和状态转换、进程的创建和终止、进程调度的算法和策略，以及进程同步和互斥的概念。
通过学习这些内容，我们可以更好地理解和掌握操作系统中的进程管理机制，提高系统的性能和资源利用率。
《操作系统》教案》课件
《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。
操作系统的运行原理与应用
操作系统的运行原理与应用在现代计算机领域中，操作系统扮演着一个至关重要的角色。
如今，我们所使用的各种设备和应用都离不开操作系统的协助和支持。
而在人们的常规工作和学习生活之中，我们也常常需要理解和掌握操作系统的相关内容。
因此，在本文中我们将深入探讨操作系统的运行原理以及其在实际应用中的体现。
一、操作系统的运行原理1.1 操作系统的概念操作系统（Operating System）是计算机系统中与硬件直接打交道的系统软件。
它是软件和硬件之间的桥梁，负责管理和协调计算机系统中的所有资源，包括处理机、内存、外部设备以及程序等。
操作系统还提供了一种用户与计算机交互的接口，使得用户可以方便地使用计算机。
1.2 操作系统的作用操作系统可以说是计算机系统中最为重要的软件。
它对于计算机系统的正常运行和稳定性具有不可替代的作用。
操作系统主要有以下几个作用：1）资源管理：操作系统可以管理计算机系统中各种资源，包括处理器、存储器、输入/输出设备、文件等。
通过对这些资源进行管理，操作系统可以实现资源的分配、保护、调度和回收等功能；2）进程管理：操作系统负责管理系统中的进程（Program）。
它可以控制进程的创建、运行、暂停、恢复和终止等操作，以实现系统的协作和并发；3）内存管理：操作系统管理计算机中的内存资源，包括内存分配、回收、调度、交换、页式存储等操作，以保证系统可以高效地使用内存；4）输入/输出管理：操作系统可以管理计算机中的输入和输出设备，并控制数据的传输、缓存和恢复等操作；5）文件管理：操作系统还提供了对文件系统的支持，可以管理文件的创建、删除、修改、保护和共享等操作。
1.3 操作系统的架构操作系统的架构一般可以分为单体结构、层次结构、微内核结构和客户机结构等。
其中，微内核结构和客户机结构是操作系统设计的两种主流结构。
微内核结构将操作系统核心的基础功能拆分为若干个小型服务，这些服务运行在操作系统的最底层，提供了一系列的基本服务，包括中断处理、进程管理、通信机制等。
操作系统的系统性能模型
操作系统的系统性能模型操作系统的系统性能模型是对系统中各种资源及其相互关系的量化分析，用于评估系统的性能表现和优化系统运行效率。
系统性能模型可以帮助开发人员和系统管理员更好地了解系统资源的利用情况，发现瓶颈并提出改进建议。
在操作系统中，系统性能模型通常包括以下几个方面：1. 资源利用率：通过监测系统中各种资源的利用率（如CPU、内存、磁盘、网络等），可以了解系统资源的分布和使用情况。
例如，CPU利用率高可能表明系统存在CPU密集型任务，内存利用率高可能表示系统内存较小或存在内存泄漏等问题。
2. 吞吐量：吞吐量是指系统在单位时间内能够处理的任务数量或数据量。
通过监测系统的吞吐量，可以评估系统处理能力的强弱，发现系统的瓶颈并进行优化。
例如，提高磁盘读写的吞吐量可以提升系统的IO性能。
3. 响应时间：响应时间是指系统对用户请求作出响应的时间长度。
响应时间短意味着系统响应速度快，用户体验好；而响应时间长可能会导致用户等待时间过长，影响用户体验。
通过监测系统的响应时间，可以优化系统的性能，提升用户体验。
4. 稳定性：稳定性是指系统在面对异常情况时的表现。
例如，系统在大量并发请求下能否稳定运行，系统在长时间运行后是否会出现内存泄漏等问题。
通过系统性能模型，可以评估系统的稳定性，并采取相应措施加以改善。
对于操作系统的系统性能模型，我们可以采用各种可靠的工具和技术来进行监测和评估。
例如，可以通过系统性能监控工具（如Zabbix、Nagios）对系统资源利用率、吞吐量和响应时间等指标进行实时监测。
同时，可以利用性能测试工具（如JMeter、LoadRunner）对系统进行负载测试，评估系统在不同负载条件下的性能表现。
总的来说，操作系统的系统性能模型是评估系统性能的重要手段，可以帮助我们了解系统的运行状态和性能瓶颈，并提出改进建议，以优化系统性能，提升系统的稳定性和用户体验。
通过科学的系统性能模型分析，我们可以更好地管理和优化系统资源，提高系统的性能表现和运行效率。
第六讲第一原理计算方法简介及Materials Studio中Castep使用汇总
高分子与介观模拟 MS.Synthia MS.Blends MS.DPD MS.MesoDyn MS.MesoPro
Visualizer:图形化建模模块 可构建计算的模型：晶胞，分子，晶体表面， 纳米结构，聚合物等
TiO2(111)
锐钛矿TiO2
Pt(110)-CO(2x1)
碳纳米管
TiO2纳米棒
计算：允许选择计算选项（如基集，交换关联势和收敛判据），作业控制 和文档控制。
分析：允许处理和演示CASTEP计算结果。这一工具提供加速整体直观化以 及键结构图，态密度图形和光学性质图形。
CASTEP的任务
CASTEP计算包括单点的能量计算，几何优化或分子动 力学。可提供这些计算中的每一个以便产生特定的物理性 能。 在CASTAP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组： 结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的3D模型 文件，有大量方法规定一种结构：可使用构建晶体 （Build Crystal)或构建真空板(Build Vacuum Stab)来 构建，也可从已经存在的结构文档中引入，还可修正已存 在的结构。 注意： CASTEP仅能在3D周期模型文件基础上进行计算， 必须构建超单胞，以便研究分子体系。
第一原理计算软件
Code Name ABINIT Basis Set Plane wave CASTEP Plane wave PWscf Plane wave VASP Plane wave WIEN2K
Potentials Plane Wave Pseudopotential Codes
操作系统 Web Site
Http Gateway Ftp
Module
parallel Windows Linux Linux IA32 IA64
简述linux操作系统进程状态转换模型
简述linux操作系统进程状态转换模型Linux操作系统是一种强大的、免费开源的操作系统，而进程状态转换模型是Linux操作系统的一项核心功能之一。
本文将为您详细解析Linux操作系统进程状态转换模型，让您对其有更好的理解和掌握。
首先，我们需要了解进程的概念。
在Linux操作系统中，每个运行的程序都被视为一个进程，它可以是一个单独的应用程序、一个系统服务或是一个用户交互的Shell。
每个进程都有独立的虚拟地址空间，包含代码段、堆栈段以及数据段等，它们可以互相通信、共享资源、协同工作。
进程状态是指进程在操作系统中的运行状态，Linux操作系统中的进程状态可以分为五种状态：运行态（R）、就绪态（S）、休眠态（D）、僵尸态（Z）和停止态（T）。
运行态是指该进程正在CPU上运行的状态，此时系统已经为该进程分配了处理器资源，进程正在执行它的指令。
就绪态是指该进程已经准备好了运行，但是它还没有获得处理器资源，需要等待CPU轮转到它时才能开始执行。
休眠态是指该进程正在等待某些特定的事件发生，比如等待磁盘IO、等待信号量、等待网络数据等，此时进程不再占用CPU资源。
僵尸态是指进程已经完成了它的任务，并且已经向父进程发送了终止命令，但是它的父进程尚未接收到这个信号，导致该进程变成了僵尸态。
停止态是指进程被暂停了，它暂时停止了执行，并且向操作系统发出了暂停请求，此时其它进程无法与之通信。
Linux操作系统中的进程状态转换模型是一个状态机，进程的状态可以在不同的状态之间转换。
当一个进程被创建时，它的初始状态是就绪态，待系统为其分配CPU资源时，才会进入运行态。
当进程等待某些事件发生时，就会转换为休眠态，事件发生后则会回到就绪态等待CPU的分配。
当进程完成其任务后，它会向其父进程发送终止信号，但是被终止的进程并不会立刻销毁，而是转换为僵尸态，等待父进程接收终止信号并清理资源。
最后，当进程被暂停或终止时，进程状态会变成停止态。
操作系统的运行流程及原理
操作系统的运行流程及原理
朱晓斌201440703048
2014级java17班
操作系统，管理计算机系统内部全部资源的程序模块和数据集合的总称。操作系统的主要功能是资源管理,程序控制和人机交互等。操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。操作系统基本上必须具备以下功能，进程管理.内存管理.文件系统.网络通讯.安全机制.用户界面.驱动程序。
3就绪状态：进行进程调度，分为抢占调度和非抢占调度，调度算法分为RR算法和MLP算法和MLF算法，调度效率分为cpu利用率.吞吐率，
4运行状态，如果任务被堵塞，会被进程重新调度，一个作业在经历了多次的运行-阻塞-就绪-在运行之后，最终运行完毕，转为5完成状态操作系统调用设备管理模块和存储管理模块。将作业占用的外部设备和内存空间释放，系统运行流程完成。
系统的运行，最开始是从”作业”开始的，作业分为批处理作业.ห้องสมุดไป่ตู้互型作业.实时性作业。人类或计算机需要完成的某些任务，这些任务形成了计算机能够识别的作业，首先，
1提交状态，进行一个作业的提交，然后在进行作业管理过程，系统为作业分配外存空间，并进行设备管理spooling。
2后备状态，作业提交到计算机，接下来由命令处理程序负责接收操作，进入后备状态，作业放在作业池中，等待调度，作业调度有四种算法，FCFS算法.SJF算法.HPF算法.HRF算法，调度准则是系统吞吐量高.处理机制利用率高.资源均衡利用.对短作业优惠.优先权有保证.响应时间有保证.截止时间有保证，采用最有效率的算法进行调度，优先级对调度也有影响。
周国运《操作系统》讲义[第1章第4部分]
![周国运《操作系统》讲义[第1章第4部分]](https://img.taocdn.com/s3/m/6ed3d073a26925c52cc5bf7f.png)
系统服务调度进程 核心态可调用接口(执行程序API)
核 心 态
1.4.7 Windows 2000/ XP结构(4)
1、硬件抽象层HAL
硬件抽象层 HAL （ Hardware Abstract Level）内容： HAL隐藏各种与硬件有关的细节，如系 统总线、计时器、 I/O 接口、 DMA 、中断 控制器、多处理器通信机制等，对内核来 说是运行在计算机硬件平台上的低级接口。 HAL的作用：是实现可移植性的关键部 分，位于硬件最上面和系统的最低层，把 系统的内核、设备驱动程序及执行体从与 平台相关的硬件差异中分隔开来。
内核和裸机组成了一台虚拟机具 有以下特性：
1）虚拟机没有中断， 2 ）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟 处理器， 3 ）虚拟机为进程或模块提供了功能较 强的指令系统。
内核被触发和内 核处理流程
执 行管 称态 为、 管核 态心 或态 核： 心程 态序 、在 系 统 态内 核
OS
自愿中断事件 保护现场
运行进程
1.4.3 层次式结构的操作系统(3)
构造层次结构OS分层原则
1）把与机器硬件有关的程序模块放在最底 层 2）反映系统外特性的软件放在最外层 3）为进程的正常运行创造环境和提供条件 的内核程序应该尽可能放在底层。 4）按照实现操作系统命令时模块间的调用 次序或按进程间单向发送信息的顺序来分层
1.4.3 层次式结构的操作系统(4)
1.4.4 虚拟机结构的操作系统(2)
程序设 计接口
进程 进程 进程
内核
内核
虚机器 硬件 虚拟机概念结构 370虚拟机
内核
CMS：会话监控系统， 即操作系统
系统调用
I/O指令 陷入
CMS
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应用 进程
内核 函数
Байду номын сангаас
应用 进程 内核 函数
…
应用 进程 内核 函数
用户态
核心态
进程切换 函数
大部分的操作系统功能组织成一组内核函数供应用程序调 用，操作系统的地址空间位于共享地址空间中，不与应用 程序的地址空间重叠，但被所有的应用进程共享。 当发生一次中断或系统调用后，处理器状态将从用户态切 换到核心态，控制权被传递给操作系统；此时，发生了模 式切换，模式上下文（现场）信息被保存，但是进程上下 文切换并没有发生，操作系统仍在该用户进程中执行。 当操作系统的内核函数完成工作后，如果让当前进程继续 运行，执行一次模式切换恢复执行原来被中断的用户进程。 如果应该发生进程切换，控制权就被传递给操作系统的进 程切换函数，实现进程切换，指派另一个就绪进程来占有 处理器运行。 核心：每一次中断时，操作系统的一个模块程序被执行， 然而这个执行过程依然从属于用户进程的执行过程。
OS功能(函数)作为进程执行的模型把操作系统组织成一组系统 进程，即操作系统功能是这些系统进程集合运行的结果，这些系 统进程也称为服务器或服务器进程，于是与用户进程或其他服务 器进程之间构成了客户/服务器关系。Windows 2000/ XP采用了 这种结构。
核心：操作系统本身（除了内核之外）也作为几个进程工作， 它可以接收用户进程的指令，向用户进程提供服务。
系统 进程
服务 进程
应用 程序
环境子 系统
子系统动态链接库 用户态 核心态
执行体
核心 设备驱动程序 图形 引擎
硬件抽象层
系统进程 服务管理器 安全验证 Win登录 会话管理器
服务进程 Service.exe RPC Spooler 事件日志
环境子系统 POSIX
应用程序 任务管理器 IE浏览器 用户程序 子系统DLL
核 心 态
1）可扩充性：适应市场需求易于扩充和改动。 2）可移植性： 3）可靠性与坚固性：防止内部故障和外部侵扰。 4）兼容性：与DOS、Windows旧版本兼容，与UNIX、 OS2、Netware等其他操作系统互操作。 5）高性能：
Windows 20003设计者认为：采用整体式或层次式 操作系统体系结构在可扩充性和可移植性方面效果 不好；纯的微内核运算成本太高，不适用于商业。 因而，Windows 2003把许多系统服务代码放在核 心态运行，包括：文件服务、设备管理、图形引擎 等。 采用基于对象技术，提出了一种C/S系统结构，该结 构在纯微内核结构的基础上做了扩展，融合了层次 式结构和纯微内核结构的特点。 对操作系统性能影响很大的组件放在内核下运行， 其他功能则在内核外实现。 主要优点是模块化程度高、灵活性大、便于维护、 系统性能好。
内核具有独立的存储空间，也可以访问应用进程的空间。
在这种模式下，进程的概念仅仅是针对用户程序而言，操作系统 代码作为一个独立实体在内核模式下运行。
内核函数不可以并发执行。
应用 进程
应用 进程
… 内核
应用 进程
用户态
核心态
为提高内核函数的并发行，在创建应用进程时，同时为 其分配一个核心栈，用于运行操作系统的内核函数，形 成操作系统在应用进程内执行的方式。
OS2 WIN32
系统线程
NTDLL.DLL
用 户 态
系统服务调度进程 Win32 User I/O 文件缓 即插即 电源 安全访 虚存 进程线 注册表配 局部过 GDI 管理器 存管理 用管理 管理器 问监视 管理 程管理 置管理器 程调用 图形驱动 器 对象管理器 核心态可调用接口(执行程序API) 设备驱动程序 硬件抽象层(HAL) 硬件接口（总线、I/O、时钟、计时器、中断、DMA、CACHE控制器） 内核
教学目标
◦ 让学生理解三种操作系统的运行模型 ◦ 让学生了解Windows操作系统的运行模型
教学重点
◦ 三种操作系统运行模型
教学难点
◦ 理解三种操作系统运行模型
操作系统本身是一组程序，也在处理器上运行，那 么，操作系统程序是否组织成进程?它是如何控制的、 怎样执行的呢?它在什么模式下运行呢? 从操作系统的运行方式来看，可分成： 1)非进程内核模型、 2)OS功能(函数)在用户进程内执行的模型、 3)OS功能(函数)作为进程执行的模型。
应 用 进 程
应 用 进 程
OS … 函 用 数 户 态 核 微内核（进程切换函数） 心 态
应 … 用 进 程
OS OS 函 函 数 数
优点： 首先，它采用了模块化的操作系统实现方法。 其次，原来由内核实现的多种操作系统功能被组织成独 立的进程，有利于操作系统的实现、配置和扩充。 最后，这一结构在多处理器多计算机的环境下非常有效， 一些操作系统服务可指派到专门处理器上执行。
注意：实际上，这里讨论的操作系统的运行模型，指 的是实现操作系统的服务功能的模块的运行方式。 根据操作系统的结构（单内核/微内核）不同，实现这 些服务功能的模块的位置也不同，可以在内核里，也 可以在内核外。 讨论操作系统的运行模型，就需要针对不同的情况分 别讨论。
早期操作系统的实现方式，系统的执行与应用进程不存在关联