操作系统设计
操作系统的设计和实现
操作系统的设计和实现操作系统（Operating System，简称OS）是一种管理计算机硬件和软件资源的系统软件，它为用户和应用程序提供了一个友好的、稳定的和统一的运行环境。
操作系统的设计和实现涉及到计算机体系结构、编程语言、算法、数据结构、系统调用、进程通信、内存管理、文件系统和网络通信等多个方面。
操作系统的设计和实现可以分为以下几个阶段：第一阶段：引导程序当计算机启动时，首先执行的程序是BIOS（Basic Input/Output System）或UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）固件。
这些固件负责初始化硬件设备、自检和检测外部设备。
接着会加载引导程序或操作系统。
引导程序负责读取操作系统镜像文件，将其加载到内存中，并跳转到操作系统的入口点。
第二阶段：内核初始化操作系统的内核（Kernel）是最基本的组成部分，它负责管理计算机的硬件和软件资源。
内核初始化的任务包括建立基本的数据结构、设置中断和异常处理、初始化进程调度器、设置内存管理以及加载设备驱动程序。
内核初始化完成后，就可以开始接受和响应系统调用请求。
第三阶段：进程管理操作系统通过进程管理来控制程序的执行。
进程是一个程序的执行实例，它拥有自己的内存空间、寄存器和资源。
操作系统通过进程调度器来分配CPU时间片，以保证每个进程都能得到执行的机会。
进程之间可以通过进程通信机制（如管道、消息队列、信号和共享内存）来实现数据共享和同步。
操作系统还提供了进程状态监测和调试工具，方便程序员进行调试和性能分析。
第四阶段：内存管理内存管理是操作系统的一个关键功能，它负责管理内存的分配、回收和保护。
操作系统需要提供一个虚拟内存地址空间，使得每个进程都能访问自己的独立内存空间。
操作系统通过页表映射机制来实现虚拟内存和物理内存之间的映射。
操作系统还需要提供内存保护机制，以防止进程越界访问或误操作导致系统崩溃。
操作系统的设计与实现
操作系统的设计与实现操作系统是计算机硬件的核心，它可以控制整个计算机系统的工作，为用户提供方便和高效的计算机环境。
计算机操作系统不仅需要具有稳定可靠的性能，同时还需要满足安全、易用和灵活等需求。
本文将从操作系统的设计和实现两个方面来探讨计算机操作系统的原理和实践。
一、操作系统的设计1.1、操作系统的层次结构操作系统的层次结构是指在操作系统中采用了不同的层次来完成不同的职责。
操作系统的层次结构可以分为：硬件层、内核层、系统调用层、程序库层和应用层等。
硬件层是指物理层，主要是处理器、内存、硬盘等设备，操作系统需要对这些硬件资源进行管理和分配。
内核层是操作系统的核心，主要提供管理和分配硬件资源的功能，同时还负责处理硬件和软件之间的交互和通讯。
系统调用层是通过应用程序向内核层请求服务的界面，它包含了一系列的系统调用接口，应用程序可以利用这些接口来请求内核级别的服务。
程序库层是应用程序开发的基础，它包含了一些函数库和工具集，开发人员可以通过这些工具来更方便地开发应用程序。
应用层是最外层，包含了各种应用程序，例如浏览器、文本编辑器、游戏等，用户可以通过这些应用程序来完成功能。
1.2、操作系统的功能操作系统的主要功能包括：进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和安全管理。
进程管理：进程是指正在运行的程序，操作系统需要对进程进行管理和调度，使它们能够协调地运行。
进程管理包括进程创建、进程调度、进程通信、进程同步和进程撤销等。
内存管理：内存是计算机的重要组成部分，操作系统需要对内存进行管理和分配。
内存管理包括内存分配、内存回收、内存保护和虚拟内存管理等。
文件管理：文件是计算机系统中重要的数据存储和共享方式，操作系统需要提供文件管理功能。
文件管理包括文件的创建、删除、修改、复制和文件保护等。
设备管理：设备是计算机系统中的重要组成部分，操作系统需要对设备进行管理。
设备管理包括设备的驱动程序开发、设备的分配和设备的控制等。
操作系统的原理及设计
操作系统的原理及设计操作系统是计算机硬件和应用程序之间的桥梁，它提供了计算机硬件资源的管理和应用程序的运行环境。
操作系统的设计与实现是计算机科学领域中的重要研究课题，其对计算机系统的性能、稳定性和安全性具有重要的影响。
本文从操作系统的原理和设计方面，对操作系统的相关知识进行探讨。
一、操作系统的基本原理操作系统是计算机系统中最为重要的软件之一，它直接控制计算机的硬件资源，提供应用程序的运行环境。
操作系统的基本原理包括进程管理、内存管理、文件系统和设备驱动程序等。
1. 进程管理进程是操作系统中最基本的概念之一，它指的是正在运行的一个程序。
进程管理是操作系统对进程进行创建、撤销、调度和通信等操作的过程。
在多道程序设计中，进程管理起着至关重要的作用，它能够实现对计算机处理器的高效利用，提高计算机的运行效率。
2. 内存管理内存管理是操作系统中另一个重要的概念，它指的是操作系统对内存资源的管理过程。
在操作系统中，内存资源的分配和释放都是由内存管理模块完成的。
内存管理的主要任务包括内存的分配、内存的回收、内存的保护和内存的共享等。
通过对内存资源的合理管理，可以实现对计算机的资源管理和优化。
3. 文件系统文件系统是操作系统中用于管理存储设备和数据的软件模块。
通过文件系统，用户可以对存储设备和数据进行访问、创建、修改和删除等操作。
文件系统可以为用户提供方便的数据管理方式，使得用户可以通过简单的命令实现对数据的管理。
4. 设备驱动程序设备驱动程序是操作系统中用于管理外设的软件模块。
设备驱动程序负责将应用程序所发出的请求转换为外设所需要的操作指令。
设备驱动程序通过提供标准的接口，使得应用程序可以方便地与外设进行交互，并实现对外设的高效管理。
二、操作系统的设计操作系统的设计过程中，需要考虑计算机硬件平台、应用程序的需求和系统的可靠性等多方面的因素。
下面将具体探讨操作系统的设计原则和实现技术。
1. 设计原则操作系统的设计原则包括系统可靠性、可扩展性和可移植性等。
操作系统课程设计
操作系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解操作系统的基本概念、功能、类型和结构，掌握操作系统的五大核心功能模块（处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口）；2. 掌握操作系统的发展历程、主要操作系统（如Windows、Linux、Mac OS）的特点及应用场景；3. 了解操作系统的设计与实现原理，包括进程管理、内存管理、设备管理、文件系统等关键技术；4. 学会使用操作系统提供的命令行或图形界面进行基本的系统操作与维护。
技能目标：1. 培养学生对操作系统的实际操作能力，能够熟练使用至少一种操作系统进行日常管理与维护；2. 培养学生运用操作系统原理解决实际问题的能力，如分析系统性能、诊断故障、优化配置等；3. 提高学生的编程能力，使其能够编写简单的系统程序或脚本，实现特定功能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统的兴趣，激发学生学习计算机科学的热情；2. 培养学生的团队合作意识，使其在讨论、分析、解决问题的过程中学会倾听、交流、协作；3. 培养学生具备良好的信息素养，关注操作系统领域的最新发展，增强信息安全意识。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业（或相关领域）的必修课，具有较强的理论性和实践性。
学生特点：学生已具备一定的计算机基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但可能对操作系统原理的理解和应用尚有不足。
教学要求：注重理论与实践相结合，以案例驱动、任务导向的方式进行教学，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过本课程的学习，使学生能够掌握操作系统的基本原理，提高实际应用水平，为后续专业课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 操作系统概述：介绍操作系统的基本概念、功能、类型，比较不同操作系统的特点，分析操作系统的发展趋势。
教材章节：第一章 操作系统概述2. 进程与线程管理：讲解进程与线程的概念、状态与转换，进程调度算法，同步与互斥，死锁与饥饿问题。
教材章节：第二章 进程管理3. 存储管理：介绍内存分配与回收策略，虚拟内存技术，页面置换算法，内存保护机制。
《操作系统》课程设计
《操作系统》课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握操作系统的基本概念，包括进程、线程、内存管理、文件系统等核心知识；2. 了解操作系统的历史发展，掌握不同类型操作系统的特点及使用场景；3. 掌握操作系统的性能评价方法和常用的调度算法。
技能目标：1. 培养学生运用操作系统知识解决实际问题的能力，如分析系统性能瓶颈、优化系统资源分配等；2. 培养学生具备基本的操作系统编程能力，如进程创建、线程同步、文件操作等；3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，通过小组讨论和项目实践，学会共同解决问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统学科的兴趣，激发学生的学习热情，使其形成积极向上的学习态度；2. 培养学生具备良好的信息素养，尊重知识产权，遵循法律法规；3. 培养学生的创新精神和批判性思维，敢于质疑、勇于探索，形成独立思考的能力。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业的核心课程，旨在让学生掌握操作系统的基本原理和实现方法，提高学生的系统分析和编程能力。
学生特点：学生具备一定的编程基础和计算机系统知识，具有较强的逻辑思维能力和动手实践能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，通过案例分析和项目实践，帮助学生将所学知识内化为具体的学习成果。
在教学过程中，关注学生的学习进度和反馈，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 操作系统概述：介绍操作系统的定义、发展历程、功能、类型及特点，对应教材第一章内容。
- 操作系统的起源与发展- 操作系统的功能与类型- 操作系统的主要特点2. 进程与线程：讲解进程与线程的概念、状态、调度算法，对应教材第二章内容。
- 进程与线程的定义与区别- 进程状态与转换- 进程调度算法3. 内存管理：分析内存管理的基本原理、策略和技术，对应教材第三章内容。
- 内存分配与回收策略- 虚拟内存技术- 页面置换算法4. 文件系统：介绍文件系统的基本概念、结构、存储原理，对应教材第四章内容。
操作系统设计方案
操作系统设计方案摘要：本文旨在探讨操作系统的设计方案，以提供一个高效可靠的操作系统。
操作系统是计算机系统中的核心软件之一，负责管理计算机的硬件和软件资源，为用户和应用程序提供一个友好和可靠的环境。
通过本文的设计方案，我们将详细介绍操作系统的组成部分、功能和关键设计原则，旨在帮助开发人员构建出一个高性能和可靠的操作系统。
1. 引言操作系统是计算机系统中的重要组成部分，其主要目标是管理和控制计算机系统的各种资源，以提供一个友好和高效的工作环境。
操作系统设计与开发涉及多个方面，如资源管理、进程调度、内存管理、文件系统等。
在设计操作系统时，需要考虑到系统的可靠性、性能、安全性和可扩展性等方面的需求。
2. 操作系统的组成部分- 内核（Kernel）：操作系统的核心部分，负责管理硬件资源和提供系统调用接口。
内核通常分为微内核和宏核两种类型，微内核将核心功能模块化，以提高系统的可靠性和扩展性，而宏核则将所有功能都集成在一个内核中，以提高系统的性能。
- 设备驱动程序：负责管理计算机系统的各类硬件设备，包括输入设备、输出设备、存储设备等。
设备驱动程序通过与硬件设备进行交互，实现对硬件设备的控制和管理。
- 文件系统：提供对文件和目录的管理和访问，包括文件的创建、删除、读取和写入。
文件系统还需要提供文件的共享和保护机制，以确保多个用户或应用程序可以安全地访问文件。
- 进程管理：负责进程的创建、撤销和调度。
进程管理还需要提供进程间通信的机制，以实现进程之间的数据交换和共享。
- 内存管理：负责对计算机系统的内存资源进行管理和分配。
内存管理需要实现虚拟内存和物理内存的映射，以提高内存的利用率和系统的性能。
- 网络协议栈：负责计算机系统中网络通信的协议栈，包括网络传输协议、网络路由协议、网络安全协议等。
3. 操作系统的功能- 资源管理：操作系统负责管理计算机系统的各类资源，包括处理器、内存、硬盘、网络等。
资源管理需要实现资源的分配和回收，以满足不同用户或应用程序的需求。
操作系统课程设计项目参考
滴加碘液后
滴加碘液前
12/12/2021
第十二页，共二十三页。
消化(xiāohuà)：在消化道内将食物分解成可吸收 (xīshōu)的成分的过程
（包括物理性消化和化学性消化）
吸收(xīshōu)：营养物质通过消化道壁进入循环 系统的过程
12/12/2021
第十三页，共二十三页。
消化(xiāohuà)和吸收的过程
12/12/2021
第十九页，共二十三页。
练习(liànxí)
• 2、分析数据，指出(zhǐ chū)哪一部分消化道中消化液最多。
• 在每天摄入800克食物和1200毫升水的情况下， 消化腺大致分泌以下数量消化液。 1500毫升唾液 2000毫升胃液 1500毫升肠液 500毫升胆汁 1500毫升胰液
12/12/2021
第二十二页，共二十三页。
内容 总结 (nèiróng)
第二节。食物中的营养物质是在消化系统中被消化和吸收的。这粒西瓜籽在姗姗的消化道内， 经过了难忘的时光。它先遇到像轧钢机似的上、下尖硬的怪物，差点儿将它压得粉身碎骨。后来它
No 钻进了一条(yī tiáo)又长又窄的迷宫，它在这里走了很久，身边的许多物质都神秘地消失了。走出迷
唾液腺、胃腺(wèixiàn)、肝脏、胰腺、肠腺
1、淀粉在__口__腔__开始消化、蛋白质在____开始胃消化、脂肪在_______开始 消小化肠。
2、胆汁是一种消化液，但不含消化酶，起乳化脂肪的作用。
二、人体消化、吸收的主要器官—— _____小肠 能 训 练解
胰脏：分泌(fēnmì)胰液 肠腺：分泌肠液
肝脏：最大的腺体，分泌胆汁。 胆汁无消化酶，有乳化脂肪 的
作用。
第七页，共二十三页。
操作系统课程设计Linux
操作系统课程设计Linux一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握Linux操作系统的核心概念、原理和应用技能。
通过本课程的学习，学生将能够：1.理解操作系统的基本原理，包括进程管理、内存管理、文件系统和输入/输出系统。
2.掌握Linux操作系统的安装、配置和管理方法。
3.熟练使用Linux命令行界面，进行日常操作和系统管理。
4.掌握Linux常用命令、 shell脚本编写和系统监控工具的使用。
5.了解Linux操作系统在服务器、嵌入式设备和云计算等领域的应用。
二、教学内容本课程的教学内容分为五个部分：1.操作系统概述：介绍操作系统的定义、功能和分类，以及Linux操作系统的历史和发展。
2.进程管理：讲解进程的基本概念、进程控制、进程同步和互斥、死锁及其解决方法。
3.内存管理：介绍内存分配与回收策略、内存保护、虚拟内存和分页分段机制。
4.文件系统：讲解文件和目录结构、文件访问控制、文件系统性能优化和磁盘空间分配策略。
5.输入/输出系统：介绍I/O设备管理、中断和DMA机制、设备驱动程序和I/O调度策略。
三、教学方法本课程采用多种教学方法相结合的方式，以提高学生的学习兴趣和主动性：1.讲授法：教师讲解操作系统的核心概念和原理，引导学生掌握基本知识。
2.讨论法：学生针对实际案例和问题进行讨论，培养学生的思考和分析能力。
3.案例分析法：分析Linux操作系统的实际应用案例，使学生了解操作系统的应用场景。
4.实验法：安排实验室课时，让学生亲自动手进行系统安装、配置和调试，提高学生的实践能力。
四、教学资源本课程的教学资源包括：1.教材：选用权威、实用的Linux操作系统教材，如《Linux操作系统原理与应用》。
2.参考书：提供相关的学术论文、技术博客和在线文档，供学生拓展阅读。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频和演示文稿，辅助学生理解和记忆。
4.实验设备：提供Linux服务器、虚拟机和实验室环境，让学生进行实际操作。
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图1
2020/6/16
第十章 操作系统设计
模块3 模块62020/616图2模块1
模块4
模块2 模块5
模块7 模块8
第十章 操作系统设计
特点
❖根据功能划分模块
❖数据基本上作为全局量使用
❖在系统内部，不同模块的程序之间可以 不加控制地互相调用和转移
❖信息的传递方式可以根据需要随意约定， 因而造成模块间的循环调用
❖ 每台虚拟机都与裸机相同，所以每台虚拟机 可以运行一台裸机能运行的任何类型的操作 系统。不同的虚拟机可以运行不同的操作系 统。
❖ 实际上在VM/370提供的虚拟机上，一些运行 2020O/6/1S6 /360的后续版本第十章，操作另系统一设计些运行CMS系统
虚拟机思想的应用实：例在1奔腾CPU上运行老
Linux在S/390下有三种实现模式：
❖本地运行模式：即独立运行模式，Linux可以 不依赖S/390的任何操作系统完整地运行
❖逻辑分区运行模式：Linux在S/390的硬件逻 辑分区内运行，S/390最大支持15个独立的逻 辑分区
❖VM/ESA模式：Linux运行在一个虚拟机上， VM提供虚拟的CPU、I/O子系统和内存资源
2020/6/16
第十章 操作系统设计
优点
❖结构紧密 ❖接口简单直接 ❖模块之间转接的灵活性使系统效率高
2020/6/16
第十章 操作系统设计
缺点
❖由于模块之间可以任意相互调用，形成 网络，各模块互相联系，独立性差，系 统结构不清晰
❖数据作为全局量处理，系统内各模块均 可对其进行存取和修改，造成模块间更 为隐蔽的关系。使得难于对软件结构作 出综合性的理解，难于修改，可靠性、 易读性、适应性难以保证
2020/6/16
第十章 操作系统设计
按照系统的功能结和构特设性要计求，选择合适
的结构，使用相应的结构设计方法将系 统逐步地分解、抽象和综合，使操作系 统结构清晰、简单、可靠、易读、易修 改，而且使用方便，适应性强
2020/6/16
第十章 操作系统设计
10.2.1 操整体作式系结统构的结构
10.2.2 层次式结构 10.2.3 虚拟机结构 10.2.4 客户-服务器结构
E.W.Dijkstra和他的学生在荷兰开发的THE 系统（1968年）
2020/6/16
第十章 操作系统设计
分层
该系统分为六层：
层次 功能
5 操作员
4 用户程序
3 输入/输出管理
2 操作员-进程通信
1 内存和磁盘管理
0 处理器分配和多道程序 2020/6/16
第十章 操作系统设计
10.2.3 虚拟机结构
的MS-DOS程序
Intel在奔腾芯片上提供了一个虚拟8086 模式，在此模式下，奔腾机就像一台8086 计算机一样，包括1M字节内的16位寻址方 式
虚拟8086模式被Windows、OS/2及其他 操作系统用于运行MS-DOS程序。
2020/6/16
第十章 操作系统设计
IBM390与Linux实： 例2
2020/6/16
第十章 操作系统设计
图
370虚拟机
I/O指令 陷入
CMS
CMS VM/370 370裸机
CMS
系统调用 陷入
2020/6/16
第十章 操作系统设计
说明
❖ 系统核心被称为虚拟机监控程序。它提供若 干台虚拟机，这些虚拟机不是那种有文件系 统等优良特征的扩展计算机。与之相反，它 们仅仅是精确复制裸机硬件。
OS/360的最早版本是纯批处理系统，然 而许多用户希望使用分时系统。IBM决定开 发一个分时系统，花费5千万美元研制了 TSS/360，但它非常庞大，运行缓慢，几乎 没有人用它，该系统最后被弃之不用。
IBM的一个研究中心开发了另一个完全不 同的系统，最初命名为CP/CMS，后来改名 为VM/370。如图：
2020/6/16
第十章 操作系统设计
首先1确0定.2操.1作系整统的体总式体结功能构，然后
将总功能分解为若干个子功能，实现每 个子功能的程序称为模块。继续分解， 直至每个模块仅包含单一功能为止。最 后通过接口将所有模块连接起来形成一 个整体。
也称单体式结构。
2020/6/16
第十章 操作系统设计
2020/6/16
第十章 操作系统设计
微内1核0.2. 4 客户-服务器结构
VM/370把大部分传统操作系统的代码分离 放在更高层次上，即CMS上，系统由此得到简 化。但是VM/370本身仍然非常复杂，因为要 模拟虚拟的许多370硬件不是一件简单的工作 （尤其是还想取得高效率时更困难）
现代操作系统的一个趋势，将传统操作系 统的大部分代码分离出来放在更高的层次上。 即从操作系统中去掉尽可能多的东西，而只 留一个最小的核心
系统运行效率： =(Tu+Tsu)/(Tu+Tsu+Tsm)
2020/6/16
第十章 操作系统设计
易读性 3、易维护
易扩充性 易修改性 易裁减性
2020/6/16
第十章 操作系统设计
4、易移植性 5、安全性 6、可适应性 7、简明性
2020/6/16
第十章 操作系统设计
设1计0.一2 个操操作作系系统统的主结要构包设括计： 功能设计 算法设计 结构设计
1、1可0.靠1 性操作系统设计目标
➢ 正确性 困难：并发性、共享性、随机性 （中断）
➢ 健壮性（鲁棒性）
2020/6/16
第十章 操作系统设计
多道程序设计的2、目标高是效提性高资源利用率，但
系统开销加大 Tu：运行目态程序所用的时间 Tsu：运行管态程序为用户服务所用的时间 Tsm：运行管态程序做系统管理工作所用的 时间
2020/6/16
第十章 操作系统设计
通常的实现方法是将大多数操作系统功能由 用户进程来实现
核心的全部工作是处理客户与服务器间的通 信。操作系统被分割成许多部分，每一部分只 处理一方面的功能，如文件服务、进程服务、 终端服务或存储器服务。如图
微内核操作系统可以提供多种OS运行环境。
2020/6/16
2020/6/16
第十章 操作系统设计
❖由于模块接口法常以大型表格为中心，为 保证数据完整性，往往采用全局封中断的方 法，从而限制了系统的并发性
结论：可适应性较差，适用于规模较小、使 用环境比较稳定却要求效率较高的系统
2020/6/16
第十章 操作系统设计
按此模型10构.造2.的2第层一次个操式作结系构统是