屠菁-《操作系统》实验指导书(2016)

2015-2016学年第2学期《操作系统》实验指导书授课教师：屠菁计算机科学与技术系2016年3月目录《操作系统》实验教学大纲（修订）..........................................................错误!未定义书签。实验考核方式与基本要求.............................................................................................................3实验一进程控制描述与控制.....................................................................................................12实验二并发与调度.....................................................................................................................24实验三存储管理.........................................................................................................................31实验四设备管理.........................................................................................................................40实验五文件管理与系统安全.....................................................................................................44附录实验报告参考规范.............................................................................................................64《操作系统》实验指导书1《操作系统》实验教学大纲（修订）课程编号：M044011课程名称：操作系统实验学时：16先修课程：《数据库原理与应用》、《面向过程程序设计》、《面向对象程序设计》、《数据结构与算法》、《计算机组成与结构》适用专业：软件工程、计算机科学与技术、网络工程、网络系统管理一、本实验课的性质、任务与目的操作系统作为计算机专业的一门专业基础课，是计算机专业的核心课程之一，学好与否直接关系到学生是否能更好地学习后续课程。通过本实验课程的学习，使学生理解与掌握操作系统设计所遵循的基本原理，基本方法，建立多道程序设计环境下的并行程序设计的思维方式。此外，操作系统用到的各种算法也是学生加强算法锻炼的好机会，对日后从事系统开发方面的工作有直接的借鉴作用。本实验课程在操作系统原理课程教学中占有重要地位，目的是让学生及时掌握和巩固所学的基本原理和基础理论，加深理解。提高学生自适应能力，为将来使用和设计各类新的操作系统打下良好的基础。二、本实验课所依据的课程基本理论计算机操作系统，操作系统中所介绍的重要算法。三、实验类型与要求序号实验内容实验内容及目标实验要求实验时数实验类型每组人数所在实验室名称备注一进程控制与描述掌握了解操作系统模型和主要特征的能力，掌握进程控制方式操作的能力必修4验证2系机房二并发与调度掌握进程控制、互斥和同步原理的原理，具有信号量机制、进程通信机制来进行进程控制和进程通信的能力必修2验证2系机房三存储管理认知存储器管理方式的能力，掌握内存空间分配方式的能力，熟悉虚拟存储器工作方式的能力必修2验证2系机房四设备管理掌握设备管理的基本原理，掌握设备分配与回收方法的能力必修2验证2系机房五文件管理与系统安全熟悉文件系统目录结构，掌握文件操作的具体手段的能力，以及对操作系统安全进行配置的能力任选2验证2系机房《操作系统》实验指导书2六操作系统功能模拟设计实验掌握通过程序编程语言实现操作系统功能模拟设计的能力必修4综合4-5系机房四、每组人数与实验学时数序号实验内容实验时数每组人数一进程控制与描述22二并发与调度22三存储管理22四设备管理22五文件管理与系统安全22六操作系统功能模拟设计实验44-5五、考核方式与评分办法考核方式：1、验证性实验在规定时间内，按要求设计相应的模拟系统并上机调试运行，写出详细的实验报告，在机上向教师演示自己设计的模拟系统，根据教师要求回答相应问题，教师根据实验报告和回答问题的质量分别给出五分制成绩。总评成绩计入总成绩的15%。2、综合型实验在规定时间内，每组根据所选择操作系统功能的题目设计完成相应的程序，并编写完整的综合设计性实验报告，在机上向教师演示自己设计的模拟系统，组内每位同学根据教师要求回答相应问题，教师根据实验报告、回答问题的质量及各成员在组内的分工分别给出五分制成绩。总评成绩计入总成绩的15%。六、本实验课配套教材或实验指导书[1]周苏，金海溶等编著，操作系统原理实验，北京：科学出版社，2003.[2]自编.七、实验报告要求1、实验报告应按实验指导书的要求根据数据库实验的实际情况撰写，于规定时间内提交到任课教师处。2、实验报告由每组独立完成，每组一份。报告应字迹整齐，程序代码、运行结果等符合要求。3、实验报告应包括以下几个部分：(1)封面(包括：实验名称、姓名及学号、实验日期、报告完成日期)；(2)实验目的；(3)实验步骤；(4)实验过程与结果分析；(5)思考题(6)实验总结：对实验结果作简练明确的分析并给出结论或评价，分析应从数据库体系结构理论出发进行探讨；对本人在实验全过程中的经验、教训、体会、收获等进行必要的小结。八、其它教研室：软件工程执笔人：屠菁系主任审核签名：《操作系统》实验指导书3实验考核方式与基本要求1）按要求设计相应的模拟系统并上机调试运行2）写出详细的实验报告，实验报告要求如下：（1）实验题目。（2）程序中使用的数据结构及符号说明。（3）流程图。（4）打印一份源程序并附上注释。（5）打印程序运行时的初值和运行结果。基本要求：3或4人为一小组，采取课内上机和业余上机相结合的方式进行，在规定时间内每个小组以论文形式上交实验（设计）结果并上机演示说明。实验考核题目㈠进程管理㈡模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。㈢银行家算法㈣模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。㈤用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。㈥用最近最少用（LRU）页面调度算法处理缺页中断。㈦设计一个按优先数调度算法实现处理器调度的进程。㈧设计一个按时间片轮转法实现处理器调度的程序。㈨模拟实现一个简单的固定（或可变）分区存储管理系统㈩模拟实现单通路I/O系统中的设备分配程序。{十一}模拟实现用位示图法管理文件存储空间的分配与回收。实验提示㈠进程管理1．实验内容至少要有：创建新的进程；查看运行进程；换出某个进程；杀死运行进程以及进程之间通信等功能。2．实验提示PCB结构通常包括以下信息：进程名，进程优先数，轮转时间片，进程所占用的CPU时间，进程的状态，当前队列指针等。可根据实验的不同，PCB结构的内容可以作适当的增删。《操作系统》实验指导书4例：实验运行结果*********************************************进程演示系统*********************************************1.创建新的进程2.查看运行进程3.换出某个进程4.杀死运行进程5.进程之间通信6.退出系统********************************************请选择（1～6）然后根据你选择的不同，出现不同的结果。㈡第一题：模拟PV操作同步机构，且用PV操作解决生产者——消费者问题。㈢第二题：银行家算法实验提示[第一题]：在系统初始化时应把信号量semaphore定义为某个类型，为简单起见，在模拟实验中可把上述的semaphore直接改成integer。生产者——消费者问题。假定有一个生产者和消费者，生产者每次生产一件产品，并把生产的产品存入共享缓冲器以供消费者取走使用。消费者每次从缓冲器内取出一件产品去消费。禁止生产者将产品放入已满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。假定缓冲器内可同时存放10件产品。进程控制块PCB。在模拟实验中，假设进程控制块的结构如下图。其中进程的状态有：运行态、就绪态、等待态和完成态。当进程处于等待态时，在进程控制块PCB中要说明进程等待原因（在模拟实验中进程等待原因为等待信号量s1或s2）；当进程处于等待态或就绪态时，PCB中保留了断点信息，一旦进程再度占有处理器则就从断点位置继续运行；当进程处于完成状态，表示进程执行结束。处理器的模拟。计算机硬件提供了一组机器指令，处理器的主要职责是解释执行机器指令。为了模拟生产者和消费者进程的并发执行，我们必须模拟一组指令和处理器职能。模拟的指令功能P(s)执行P操作原语V(s)执行v操作原语putB[IN]:=product;IN:=(IN+1)mod10GETX:=B[out];out:=(out+1)mod10进程名状态等待原因断点《操作系统》实验指导书5produce输入一个字符放入C中consume打印或显示x中的字符GOTOLPC:LNOP空操作模拟的处理器指令模拟的一组指令见上图，其中每条指令的功能由一个过程来实现。用变量PC来模拟“指令计数器”，假设模拟的指令长度为1，每执行一条模拟指令后，PC加1，指出下一条指令地址。使用模拟的指令，可把生产者和消费者进程的程序表示为下图的形式。序号生产者程序消费者程序0produceP(s2)1P(s1)GET2PUTV(s1)3V(s2)consume4goto0goto0生产者和消费者程序定义两个一维数组PA[0..4]和SA[0..4],每一个PA[i]存放生产者程序中的一条模拟指令执行的入口地址；每个SA[i]存放消费者程序中的一条模拟指令执行的入口地址。于是模拟处理器执行一条指令的过程为：取出PC之值，按PA[PC]或SA[PC]得模拟指令执行的入口地址，将PC之值加1，转向由入口地址确定的相应的过程执行。[第二题]：编写银行家算法，要求对于书127页给出的资源分配表，可以对输入各种请求进行安全性判断，最后给出安全序列或者不能分配的原因。㈣第一题：模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。㈤第二题：用先进先出（FIFO）页面调度算法处理缺页中断。㈥第三题：用最近最少用（LRU）页面调度算法处理缺页中断。实验提示第一题[提示]（1）分页式虚拟存储系统是把作业信息的副本存放在磁盘上，当作业被选中时，可把作业的开始几页先装入主存且启动执行。为此，在为作业建立页表时，应说明哪些页已在主存，哪些页尚未装入主存，页表的格式为：页号标志主存块号在磁盘上的位置《操作系统》实验指导书6其中，标志----用来表示对应页是否已经装入主存，标志位=1，则表示该页已经在主存，标志位=0，则表示该页尚未装入主存。主存块号----用来表示已经装入主存的页所占的块号。在磁盘上的位置----用来指出作业副本的每一页被存放在磁盘上的位置。（2）作业执行时，指令中的逻辑地址指出了参加运算的操作存放的页号和单元号，硬件的地址转换机构按页号查页表，若该页对应标志为“1”，则表示该页已在主存，这时根据关系式：绝对地址=块号×块长+单元号计算出欲访问的主存单元地址。如果块长为2的幂次，则可把块号作为高地址部分，把单元号作为低地址部分，两者拼接而成绝对地址。若访问的页对应标志为“0”，则表示该页不在主存，这时硬件发“缺页中断”信号，由操