課程簡介
Course Introduction
教學大綱
Teaching Syllabus
操作系統(tǒng)
一、課程基本信息
課程代碼: 320728
課程名稱:操作系統(tǒng)
英文名稱: Operating System
課程總學時: 48 總學分: 3.0 實驗學時:8
適用對象:計算機科學與技術、網絡工程及相關專業(yè)
考核方式:考試，平時成績占總成績的30%，期末考試成績占70%。
操作系統(tǒng)是計算機科學與技術專業(yè)課程體系中一門核心課程，也是學生必修課程之一。同時也是人才培養(yǎng)體系中原理核心課程之一，同時是多門課程的前導課程。理論性比較強，其內容綜合了各種操作系統(tǒng)的結構、設計思想、方法、技術和理論，主要講述操作系統(tǒng)的基本概念，基本原理及其實現技術，包括處理器管理、進程并發(fā)管理、存儲器管理、設備管理和文件管理等等。通過課程學習使學生能更好的掌握計算機系統(tǒng)工作、用戶與計算機系統(tǒng)交互和設計開發(fā)應用系統(tǒng)的基本知識結構，為今后的應用和研究打下良好基礎。
二、 教學目的與要求
教學目的:
(1)明確操作系統(tǒng)的作用、功能和地位，并建立起以操作系統(tǒng)為中心的計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)級的認識。
(2)掌握操作系統(tǒng)中資源管理（復用、虛擬、抽象）的關鍵技術。
(3)掌握操作系統(tǒng)中進程管理和調度等控制程序執(zhí)行的關鍵技術。
(4)掌握并發(fā)程序設計的基本思想，并具有解決相關問題的初步能力。
(5)掌握操作系統(tǒng)的構造技術，具有剖析和設計系統(tǒng)模塊的初步能力。
(6)了解1個主流操作系統(tǒng)的設計和實現技術，能熟練操作和使用。
教學要求:
通過本課程的學習,使學生掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理、技術和方法;具有剖析實際操作系統(tǒng)、及設計、開發(fā)和構造現代操作系統(tǒng)的基本能力；深入了解操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位及作用,以及它與硬件和其他軟件之間的關系;進而熟悉操作系統(tǒng)控制和管理整個計算機系統(tǒng)執(zhí)行的全過程,具有以操作系統(tǒng)為中心的計算機系統(tǒng)的全局和整體的概念。
三、教學方法與手段
課程以多媒體教學為主，輔助網絡教學。課堂講授與實驗相結合。注意結合學生已學的內容。及時提問、收集學生學習情況，多實用具體實例來加以說明，注意難易結合，將課程講述得較為淺顯易懂。
四、 教學內容及目標
教學內容 | 教學目標 | 學時 分配 |
第一章 操作系統(tǒng)概論 | 6 | |
第一節(jié) 操作系統(tǒng)概觀 操作系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)；操作系統(tǒng)的資源管理技術（復用、虛擬、抽象）；操作系統(tǒng)的三個最基礎抽象（進程、虛存、文件）；操作系統(tǒng)的定義和作用；操作系統(tǒng)功能和特性。 | 理解 | |
第二節(jié) 操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展 手工操作階段、執(zhí)行程序階段、多道批處理方式、多道交互式方式；操作系統(tǒng)的分類和目標。 第三節(jié) 操作系統(tǒng)基本服務和用戶接口 基本服務和用戶接口；程序接口與系統(tǒng)調用；操作接口與系統(tǒng)程序；Linux系統(tǒng)調用及實現機制。 第四節(jié) 操作系統(tǒng)結構和運行模型 操作系統(tǒng)結構分類；操作系統(tǒng)結構設計；操作系統(tǒng)內核；操作系統(tǒng)的運行模型。 第五節(jié) 幾種流行操作系統(tǒng) UNIX操作系統(tǒng)，自由軟件與Linux操作系統(tǒng)；IBM操作系統(tǒng) | 了解
掌握
了解
了解 | |
重點與難點: 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史、定義、作用、功能、特征、分類、發(fā)展動力和研究動向；操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位，及與其他軟件的區(qū)別；操作系統(tǒng)的資源管理技術:復用、虛擬和抽象；操作系統(tǒng)三個最基本抽象:進程抽象、虛存抽象和文件抽象；操作系統(tǒng)虛擬機及其實現原理；多道程序設計定義、實現基礎、基本原理、主要特征、優(yōu)點缺點。操作系統(tǒng)接口、操作系統(tǒng)服務；POSIX標準、訪管指令、應用編程接口API、標準庫函數； 程序接口與系統(tǒng)調用；操作接口與系統(tǒng)程序。 | ||
衡量學習是否達到目標的標準: 看學生是否能清楚“操作系統(tǒng)是什么?為什么要它?它干什么?它如何干?”等問題。 | ||
第二章 處理器管理 | 10 | |
第一節(jié) 處理器狀態(tài) 處理器；程序狀態(tài)字與程序狀態(tài)字寄存器 | 掌握 | |
第二節(jié) 中斷技術 中斷概念及其作用；中斷源及其分類；中斷和異常的響應及服務；中斷事件處理原則；中斷優(yōu)先級與多重中斷； Linux中斷處理。 第三節(jié) 進程及其實現 進程的定義和屬性；進程的狀態(tài)和轉換；進程的描述和組成；進程上下文切換與處理器狀態(tài)轉換、進程控制和管理。 第四節(jié) 線程及其實現 引入多線程的動機；多線程環(huán)境中的進程與線程；線程的實現方法。 第五節(jié) Linux進程。 第六節(jié) 處理器調度 處理器調度層次；選擇調度算法原則；作業(yè)的管理與調度；低級調度的功能和類型；作業(yè)調度和進程調度算法。 第七節(jié) Linux調度算法 | 理解
理解
掌握
了解 理解
理解 | |
重點與難點: 處理器狀態(tài)及其轉換、特權指令與非特權指令、程序狀態(tài)字；絕對時鐘、間隔時鐘、邏輯時鐘及其實現；中斷分類、中斷和異常的響應及服務、中斷屏蔽、中斷優(yōu)先級、多重中斷；可重入程序和可再用程序；為什么要引入進程?進程的定義和屬性、進程的狀態(tài)和轉換、進程的描述和組成、進程映像、進程上下文；進程切換、切換時機和切換過程、處理器狀態(tài)轉換；為什么要引入線程?多線程環(huán)境中，進程與線程的定義、狀態(tài)、組成、聯(lián)系和區(qū)別；處理器調度的層次；處理器調度算法選擇的準則；進程/線程調度時機；低級調度的功能和類型；作業(yè)調度和低級調度算法。 | ||
衡量學習是否達到目標的標準: 掌握各種中斷技術、線程、進程的概念。熟悉各種處理器調度算法。 | ||
第三章 同步、通信與死鎖 第一節(jié) 并發(fā)進程 順序程序設計和并發(fā)程序設計；進程間的競爭關系和協(xié)作關系。 第二節(jié) 臨界區(qū)管理 進程互斥與臨界區(qū)；臨界區(qū)及其管理原則；實現臨界區(qū)管理的軟件算法；實現臨界區(qū)管理的硬件設施。 |
掌握
理解 | 10 |
第三節(jié) 信號量與PV操作 同步與同步機制；信號量及其分類；信號量與PV操作；經典同步問題及其用信號量與PV操作的解法。 第四節(jié) 管程 管程及其屬性；管程的實現方法；管程方法求解經典同步問題。 第五節(jié) 進程通信 進程通信及其種類；信號通信機制；管道通信機制；共享內存通信機制；消息傳遞機制。 第六節(jié) 死鎖 死鎖產生；死鎖防止；死鎖避免；死鎖檢測和恢復。 第七節(jié) Linux同步和通信機制 重點與難點: 程序的順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行；與時間有關錯誤、相交和不相交并發(fā)進程；進程互斥、臨界區(qū)、臨界資源、競爭條件、臨界區(qū)管理的實現方法(硬件設施和軟件算法)；進程的競爭和協(xié)作；進程同步、同步機制、用信號量和PV操作解決經典同步問題；程的概念、特性、結構、條件變量和實現、管程解決進程同步問題；通信機制的分類和實現原理，用不同通信機制編程解決進程通信問題；死鎖定義、引發(fā)原因、產生條件、死鎖防止、避免、檢測及解除方法。 衡量學習是否達到目標的標準:掌握進程同步、進程通信、死鎖的概念；信號量與PV操作解決操作系統(tǒng)中常見問題。 | 理解
了解
掌握
理解
了解 | |
第四章 存儲管理 | 8 | |
第一節(jié) 存儲器工作原理 存儲器層次；地址轉換與存儲保護； 第二節(jié) 連續(xù)存儲管理 固定分區(qū)存儲管理；可變分區(qū)存儲管理；內存不足的存儲管理技術； 第三節(jié) 分頁存儲管理 分頁存儲管理基本原理；快表；分頁存儲空間的分配與去配；頁面共享和保護；多級頁表；反置頁表 第四節(jié) 分段存儲管理 程序分段結構；分段存儲管理原理；分段存儲管理共享和保護；分段和分頁比較； 第五節(jié) 虛擬存儲管理 虛擬存儲概念；請求分頁虛擬存儲管理；請求段頁式虛擬存儲管理； 第六節(jié) Linux虛擬存儲管理 | 掌握 理解
理解
掌握
理解
理解 | |
重點與難點: 存儲器層次、程序名字空間、邏輯地址空間和物理地址空間及其關系；地址重定位、存儲保護機制；分區(qū)原理、交換原理、覆蓋原理、對換原理；分頁存儲管理基本概念-頁面、頁框、邏輯地址、頁表和地址轉換、快表、頁面共享和保護；多級頁表、反置頁表；分段存儲管理基本概念、實現思想及優(yōu)點；虛擬存儲器、程序局部性原理；請求分頁虛存管理的基本原理、硬件支撐、頁表結構、地址轉換、缺頁中斷率計算；各種分頁虛存頁面替換算法。 衡量學習是否達到目標的標準:掌握存儲管理基本概念；能使用基本原理進行地址轉換；能夠對替換頁、命中率等進行分析和計算。 | ||
第五章 設備管理 | 3 | |
第一節(jié) I/O硬件原理 I/O系統(tǒng)；I/O控制方式；設備控制器； 第二節(jié) I/O軟件原理 I/O軟件設計目標和原則；I/O中斷處理程序；I/O設備驅動程序；獨立于設備的I/O軟件；用戶空間的I/O軟件 第三節(jié) 緩沖技術 單緩沖；雙緩沖；多緩沖 第四節(jié) 驅動調度技術 存儲設備的物理結構；循環(huán)排序；優(yōu)化分布；搜查定位；提高磁盤I/O速度的方法；Linux磁盤I/O調度算法 第五節(jié) 設備分配 設備獨立性；設備分配及其數據結構； 第六節(jié) 虛擬設備 問題提出；SPOOLing設計與實現；SPOOLing應用 第七節(jié) Linux設備管理 | 掌握 掌握
掌握 掌握
掌握 掌握
了解 | |
重點與難點: I/O控制方式；設備管理的功能；I/O設備分類；I/O控制方式；設備控制器及其工作原理；I/O軟件層次（I/O中斷處理程序、I/O設備驅動程序、獨立于設備的I/O軟件和用戶層I/O軟件）及各層的功能；緩沖技術、緩沖區(qū)高速緩存；I/O調度和磁盤驅動調度算法；設備獨立性；設備分配；虛擬設備的原理、數據結構、實現要點。 衡量學習是否達到目標的標準:掌握I/O系統(tǒng)基本概念與原理 | ||
第六章 文件管理 | 3 | |
第一節(jié) 文件 文件概念和命名；文件類型和屬性 第二節(jié) 文件目錄 文件控制塊；文件目錄和目錄文件；層次目錄結構；文件目錄檢索 第三節(jié) 文件組織與數據存儲 文件邏輯結構；文件物理結構； 第四節(jié) 文件系統(tǒng)功能及實現 文件類系統(tǒng)調用；文件共享；文件空間管理；內存映射文件；虛擬文件系統(tǒng)；文件系統(tǒng)性能和可靠性 第五節(jié) Linux文件系統(tǒng) | 掌握 掌握
掌握 了解
了解 | |
重點與難點:文件系統(tǒng)概念；文件存取方法；FCB、inode、文件目錄、目錄文件；目錄組織和檢索；文件邏輯結構、文件物理結構；成組和分解、記錄格式、記錄鍵；文件空間管理。 衡量學習是否達到目標的標準:是否理解文件、文件目錄的概念；掌握文件的邏輯和物理結構。 | ||
第七章 操作系統(tǒng)安全與保護 | 了解 | 0 |
第一節(jié) 安全性概述 第二節(jié) 安全策略 第三節(jié) 安全模型 第四節(jié) 安全機制 第五節(jié) 安全操作系統(tǒng)設計和開發(fā) | ||
重點與難點:安全性和可靠性含義；操作系統(tǒng)面臨的安全威脅來源；安全需求、可信計算基；安全策略的定義及分類；安全模型及分類；硬件安全機制；認證機制；授權機制；加密機制；審計機制；最小特權原理和機制。 衡量學習是否達到目標的標準:是否了解計算機安全、可靠性等概念。 | ||
第八章 操作系統(tǒng)技術新進展 | 了解 | 0 |
第一節(jié) 多處理器與多計算機系統(tǒng) 第二節(jié) 基于網絡的計算模式 第三節(jié) 多核與超線程 第四節(jié) 并行處理環(huán)境下的同步與調度 | ||
重點與難點:多處理器與多計算機系統(tǒng)；基于網絡的計算模式；多核與超線程；并行處理環(huán)境下的同步與調度 衡量學習是否達到目標的標準:是否對操作系統(tǒng)技術新技術有全面了解。 |
五、推薦教材和教學參考資源
1.費翔林 駱斌. 操作系統(tǒng)教程（第5版）.北京:高等教育出版社，2014
2. 孫鐘秀. 操作系統(tǒng)教程（第4版）.北京:高等教育出版社，2008
3. 張堯學.計算機操作系統(tǒng)教程（第4版）. 北京:清華大學出版社，2013
4. 湯小丹 梁紅兵 哲鳳屏 湯子瀛. 計算機操作系統(tǒng)（第四版）. 西安:西安電子科技大學出版社 ,2016
5.http://tres.nju.edu.cn/msmk/courses/czxtylysj/index.htm
