操作系统教学大纲.docx
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操作系统教学大纲
操作系统教学大纲
一、说明
（一）课程性质
操作系统课程是计算机科学与工程学院平台必修课程。
该课程的先修课程有计算机组成原理、高级语言程序设计和数据结构等，后续课程有嵌入式操作系统、计算机网络、数据库原理及应用等。
操作系统是计算机系统的核心和灵魂。
操作系统课程系统地讲解操作系统的基本概念、基本原理、实现方法与技术等。
教学中既阐述经典内容，又以当代主流操作系统作为实例介绍最新发展；既注重操作系统的理论知识，又重视操作系统的实践和应用。
（二）教学目的
通过本课程的学习，使学生认识到操作系统在计算机系统中的重要地位，掌握操作系统的基本知识和实现方法，掌握操作系统对计算机系统中各种资源的管理和控制功能，理解操作系统与硬件和其它软件之间的关系，从而建立以操作系统为中心的计算机系统全局和整体概念。
此外，通过实验课程的学习和训练，帮助学生理解和掌握操作系统的基本概念、原理及实现算法，提高学生的编程能力、剖析和设计操作系统的能力以及实践动手能力，提高学生对课程的学习兴趣，加强创新精神与综合素质的培养，从而使学生具备一定的系统软件开发技能，为以后从事研究、开发工作提供必要的支持。
（三）教学内容
操作系统是一种系统软件，负责对计算机系统中各种资源进行有效的管理和对各种活动进行正确的组织，指挥计算机系统正常运行，使整个计算机系统协调一致且高效地工作。
操作系统基于硬件，并对硬件实施管理，并构成对所有软件运行的支持平台，给用户使用计算机提供方便、灵活、友好的接口。
本课程的教学内容围绕操作系统的资源管理功能展开，主要包括以下内容：
操作系统的概念、地位、发展历史、分类、功能等基本知识以及作业管理、处理机管理、进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、用户接口等资源管理功能。
此外，还可以对操作系统的安全、保护，网络操作系统和分布式操作系统以及操作系统的未来发展进行选讲，让学生对学科发展有所了解。
（四）教学时数
本课程的教学总时数为108学时，其中，课堂教学时数为72学时，实验教学时数为36学时。
（五）教学方式
本课程的教学方式主要采用课堂讲授和实验操作，包括：
课堂讲授、多媒体教学、实验操作、算法分析与设计、习题解析、课堂讨论、批改作业、课外辅导等多种形式相结合，并配合网络教学等教学手段，保证学生掌握操作系统的基本知识，理解算法的实现，培养学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。
教学方法：
采用启发式教学和探究式教学，以学生为主体，鼓励学生自己针对某种操作系统进行分析和研究，培养学生的自学能力，以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练，调动学生学习的主观能动性。
教学手段：
充分利用电子教案、CAI课件和网络教学平台等多种教学手段和资源。
考试环节：
考试形式采用笔试和实验机试等形式，考试题型包括填空题、选择题、判断题、简答题、应用题、分析设计题等多种题型，力争做到对学生学习水平和能力的综合评价。
二、本文
理论部分
第1章操作系统概论
教学要点：
本章是对操作系统的整体描述，主要介绍了操作系统的定义、主要特性、地位与作用、发展历史、分类和资源管理功能等基本知识，教学重点是基本概念的掌握和理解。
教学过程中要强调这门课程的重要性，强调软件和硬件是紧密结合，不可分的。
教学时数：
4学时。
教学内容：
1.1操作系统概观（0.5学时）
1.熟练掌握操作系统的定义和主要特性，了解操作系统的目标；
2.理解操作系统在计算机系统中的地位、作用和资源管理功能。
1.2操作系统的形成与发展（2学时）
1.了解操作系统的发展历史；
2.理解多道程序设计的原理和优缺点；
3.理解各种类型（包括批处理、分时、实时、个人计算机、嵌入式、网络和分布式等）操作系统的概念和特征。
1.3操作系统的用户接口（1学时）
1.理解操作系统为用户提供的两大类接口是程序接口和系统调用；
2.了解程序接口的各种形式；
3.理解系统调用的概念、实现过程、分类及其与函数调用之间的关系。
1.4操作系统结构和运行模型（0.25学时）
了解操作系统的构件、结构和运行模型。
1.5流行操作系统简介（0.25学时）
了解目前主流的操作系统。
考核要求：
1.识记：
操作系统的定义和主要特性。
2.领会：
操作系统在计算机系统中的地位、作用和资源管理功能；多道程序设计的原理和优缺点；各种类型操作系统的概念和特征；操作系统为用户提供的两大类接口；系统调用的概念、实现过程、分类及其与函数调用之间的关系。
第2章处理器管理
教学要点：
本章主要介绍了进程、线程和处理器调度的基本概念和处理器调度算法，教学过程中除了注重理论知识的讲授，还要教会学生运用各种处理器调度算法解决问题和编写程序。
教学时数：
10学时。
教学内容：
2.1进程及其实现（4学时）
1.了解进程的引入原因；
2.熟练掌握进程的定义和特征，掌握进程与程序的比较；
3.熟练掌握进程的三种基本状态及其相互转换；
4.掌握进程控制块PCB的概念、作用，了解其内容和组织方式；
5.理解访管指令和特权指令；
6.了解进程映像的概念和组成，了解进程上下文的概念、组成和进程上下文的切换；
7.理解处理器的工作模式，了解工作模式的切换；
8.理解原语的概念和特征；
9.理解进程控制常用的创建、撤消、阻塞和唤醒原语的引起事件和执行过程。
2.2线程及其实现（1学时）
1.理解引入线程的动机；
2.掌握线程的概念和特征，线程与进程的关系；
3.了解线程的实现。
2.3作业管理（1学时）
1.理解作业的状态及其转换；
2.了解作业的概念，作业与进程的关系，作业的组成；
3.了解作业控制块JCB的概念、内容和作用。
2.4处理器调度（1学时）
1.掌握处理器调度的层次以及各级调度的主要任务和功能；
2.了解选择调度算法的原则。
2.5处理器调度算法（3学时）
1.熟练掌握各种作业调度和进程调度算法的调度策略；
2.学会熟练运用先来先服务调度算法、最短作业优先调度算法、最短剩余时间优先调度算法、响应比最高者优先调度算法、优先级调度算法和轮转调度算法解决问题；
3.了解实时调度算法和多处理机调度算法。
2.6Linux和Windows的进程与线程（选讲）
了解Linux和Windows操作系统中的进程与线程。
考核要求：
1.识记：
进程的定义和特征，进程与程序的比较，进程的三种基本状态及其相互转换，进程控制块PCB的作用，线程的概念和特征，线程与进程的关系，各种作业调度和进程调度算法的调度策略等。
2.领会：
操作系统引入进程和线程的原因，进程控制的原语，作业的状态及其转换，处理器调度的层次以及各级调度的主要任务和功能等。
3.综合应用：
使用各种作业调度和进程调度算法调度作业和进程，会计算作业的周转时间和带权周转时间。
第3章进程管理
教学要点：
本章主要介绍了多道程序设计环境下，进程并发执行时的同步机制，重点是信号量机制。
此外，还介绍了进程通信和死锁。
本章是教学的重点章节。
教学时数：
16学时。
教学内容：
3.1并发进程（2学时）
1.了解程序顺序执行的概念和特征；
2.理解程序并发执行的概念和特征；理解进程的并发性；
3.掌握前驱图和Berstein条件的概念并学会解决相关问题；
4.理解并发进程与时间有关的错误；
5.掌握进程并发执行时的两种基本制约关系：
竞争和协作；
6.掌握进程互斥和进程同步的概念。
3.2临界区管理（1学时）
1.掌握临界区和临界资源的概念；
2.掌握临界区的调度原则；
3.了解临界区管理的软件方法和硬件设施。
3.3信号量与PV操作（6学时）
1.了解同步机制的概念和常用类型；
2.掌握信号量的概念和含义；
3.熟练掌握信号量操作原语：
P操作和V操作的执行过程与含义；
4.熟练掌握使用记录型信号量机制描述进程并发执行的过程；
5.掌握同步机制的经典问题：
五个哲学家吃通心面问题、生产者与消费者问题、读者与写者问题，理解理发师问题。
3.4管程（1学时）
了解管程的概念、一般形式和实现。
3.5进程通信（2学时）
理解进程通信的概念、类型和方式，了解消息通信机制。
3.6死锁（4学时）
1.理解死锁产生的原因；
2.掌握死锁的概念和解决方法；
3.掌握死锁产生的4个必要条件，理解死锁防止的策略；
4.理解死锁避免的概念，熟练掌握银行家算法及其应用，学会解决相关问题；
5.理解死锁定理，掌握资源分配图及其化简方法；
6.了解死锁的解除方法。
考核要求：
1.识记：
进程并发执行的特征，竞争和协作，互斥和同步，临界区和临界资源，临界区的调度原则，信号量的概念和含义，P操作和V操作的执行过程与含义，记录型信号量机制，五个哲学家吃通心面问题，生产者与消费者问题，读者与写者问题，死锁的概念和产生的4个必要条件等。
2.领会：
进程的并发性，并发进程与时间有关的错误，死锁产生的原因和排除方法等。
3.综合应用：
使用前驱图和Berstein条件解决相关问题，应用信号量值的含义解决问题，使用记录型信号量机制描述进程并发执行的过程，使用银行家算法避免死锁发生，化简资源分配图。
第4章存储管理
教学要点：
本章主要介绍了连续存储管理方法（包括单一连续区存储管理、固定分区存储管理和可变分区存储管理）和离散存储管理方法（包括页式存储管理、段式存储管理和段页式存储管理）以及虚拟存储器的概念和实现方法，是教学的重点章节。
教学时数：
14学时。
教学内容：
4.1概述（2学时）
1.理解存储管理的对象和功能；
2.了解计算机系统存储器的层次结构；
3.了解程序的编译、链接、装入和执行过程；
4.掌握逻辑地址空间和物理地址空间，逻辑地址和物理地址的概念；
5.掌握地址重定位的概念和两种方式；
6.理解存储保护的概念和方法。
4.2连续存储空间管理（3学时）
1.了解单一连续存储管理和固定分区存储管理方法的基本原理、内存分配和回收方法以及优缺点；
2.理解可变分区存储管理方法的基本原理，内存分配和回收、地址转换、存储保护和存储共享的方法以及优缺点；
3.掌握可变分区存储管理的内存分配算法并学会解决相关问题；
4.了解伙伴系统；
5.理解连续存储管理中主存扩充的技术：
覆盖、交换和移动。
4.3分页存储管理（3学时）
1.掌握分页存储管理的基本原理，包括逻辑地址空间和物理地址空间的划分，页表和地址转换过程，学会计算逻辑地址和物理地址；
2.理解引入快表的原因和地址转换过程；
3.理解分页存储空间内存的分配和回收方法；
4.理解页面共享和保护的方法；
5.了解多级页表和反置页表；
6.掌握分页存储管理的优缺点。
4.4分段存储管理（2学时）
1.掌握分段存储管理的基本原理，包括逻辑地址空间和物理地址空间的划分，段表和地址转换过程，学会计算逻辑地址和物理地址；
2.理解段的共享和保护方法；
3.掌握分段存储管理的优缺点；
4.掌握分页和分段存储管理的比较。
4.5虚拟存储管理（4学时）
1.了解程序局部性原理；
2.掌握虚拟存储器的概念及其容量问题；
3.掌握请求分页虚拟存储管理的实现原理，包括页表的结构、地址转换过程、缺页中断和页面置换的概念；
4.熟练掌握页面替换算法的策略和应用，能够解决实际问题；
5.掌握请求分段虚拟存储管理的实现原理，包括段表的结构、地址转换过程、段的扩充、段的共享和保护等；
6.理解请求段页式虚拟存储管理的实现原理，包括逻辑地址空间和物理地址空间的划分，逻辑地址的结构、段表的结构、页表的结构、地址转换过程和优缺点等。
考核要求：
1.识记：
地址重定位的概念和方式，可变分区存储管理的内存分配算法，分页和分段存储管理的基本原理、地址转换和优缺点，分页和分段存储管理的比较，虚拟存储器的概念和容量，页面替换算法等。
2.领会：
存储管理的功能，逻辑地址空间和物理地址空间的概念，逻辑地址和物理地址的概念，固定分区和可变分区存储管理的基本原理，移动技术，内存共享和保护，请求分页、分段、段页式虚拟存储管理的实现原理等。
3.综合应用：
可变分区存储管理的内存分配算法，分页存储管理的地址转换，分段存储管理的地址转换和页面替换算法。
第5章文件管理
教学要点：
本章主要介绍了文件系统的功能，文件的概念和分类，文件目录的结构和检索，文件的组织与存取方法，文件存储空间的管理等内容。
教学时数：
12学时。
教学内容：
5.1文件（1学时）
1.理解文件系统的概念和功能；
2.了解文件的概念和命名规则；
3.理解文件的分类和文件属性；
4.掌握文件的存取方法。
5.2文件目录（4学时）
1.了解文件系统的分层结构；
2.理解文件控制块FCB的概念、内容和作用；
3.理解文件目录和目录文件的概念；
4.掌握UNIX/Linux系统中引入索引节点inode后文件目录的组织方法；
5.了解一级和二级目录结构；
6.理解层次目录结构；
7.掌握文件目录的检索方法。
5.3文件组织与数据存储（3学时）
1.掌握文件逻辑结构的概念和两种基本形式：
流式文件和记录式文件，了解记录格式，理解记录、键等概念；
2.理解记录的成组和分解；
3.掌握文件物理结构的概念和常用的组织方法及其优缺点。
5.4文件存储空间的管理（2学时）
掌握文件存储空间的管理方法，包括空闲块的组织方法，空闲块的分配和回收算法等。
5.5文件系统其它功能的实现（2学时）
1.了解文件系统调用的实现；
2.理解文件共享的概念和实现方法；
3.了解虚拟文件系统。
考核要求：
1.识记：
文件的存取方法，文件的逻辑结构和物理结构，位示图法。
2.领会：
文件系统的功能，文件的分类，文件目录的结构和检索，文件存储空间的管理，文件系统调用，文件共享等。
3.应用：
位示图的组成和计算，文件目录的检索，记录的成组和分解。
第6章设备管理
教学要点：
本章主要介绍了设备管理的功能，设备的分类，I/O硬件与软件原理，通道技术，缓冲技术，驱动调度技术，设备分配和虚拟设备等知识。
教学时数：
10学时。
教学内容：
6.1I/O硬件原理（2学时）
1.理解设备管理的功能；
2.理解I/O系统的概念；
3.理解设备的分类；掌握字符设备和块设备的概念和典型设备等；
4.掌握I/O控制方式，包括控制过程、优缺点及其对比等；
5.了解设备控制器的概念、组成和功能。
6.2I/O软件原理（2学时）
1.理解I/O软件的设计目标和原则；
2.理解I/O软件的组成和层次；
3.了解I/O中断处理程序；
4.理解I/O设备驱动程序的任务和功能；
5.理解独立于设备的I/O软件的功能；
6.了解用户空间的I/O软件的种类和功能。
6.3具有通道的I/O系统（0.5学时）
1.掌握通道、通道命令、通道程序的概念；
2.了解通道命令字、通道地址字、通道状态字的组成，理解其作用；
3.了解I/O指令和主机I/O程序；
4.理解通道方式的I/O操作过程。
6.4缓冲技术（1.5学时）
1.理解引入缓冲的目的；
2.理解常用的缓冲技术，理解多缓冲的组织和工作过程。
6.5驱动调度技术（2学时）
1.了解磁盘的物理结构；
2.了解循环排序和优化分布；
3.熟练掌握移臂调度算法的调度策略，学会解决实际问题；
4.了解独立磁盘冗余阵列的概念和类型；
5.理解提高磁盘I/O速度的方法：
提前读、延迟写和虚拟盘的概念。
6.6设备分配（1学时）
1.掌握设备独立性的概念和优点，了解其实现；
2.理解设备分配的方式、数据结构和分配算法。
6.7虚拟设备（1学时）
1.掌握虚拟设备、SPOOLing技术的概念；
2.理解SPOOLing系统的组成、实现和优点。
考核要求：
1.识记：
字符设备和块设备、I/O控制方式、通道技术、缓冲技术、移臂调度算法、设备独立性、虚拟设备和SPOOLing技术。
2.领会：
设备管理的功能，设备的分类，I/O软件的设计目标和层次，设备驱动程序的任务和功能，通道的工作过程，引入缓冲的目的，设备分配的方式、数据结构和分配算法，SPOOLing系统的组成、实现和优点。
第7章网络与分布式操作系统
教学要点：
本章主要介绍了计算机网络和分布式系统的概念、特征和功能以及运行其上的操作系统的概念、特征和实现。
教学时数：
6学时。
教学内容：
7.1计算机网络概述（1学时）
1.理解计算机网络的概念、组成、功能；
2.了解网络体系结构和网络协议。
7.2网络操作系统（1学时）
理解网络操作系统的概念、特征和类型。
7.3分布式操作系统（4学时）
1.理解分布式系统的概念和特征；
2.理解分布式操作系统的概念和功能；
3.理解分布式系统和网络系统的对比；
4.理解分布式进程通信、进程同步和进程迁移；
5.理解套接字和中间件的概念与应用；
6.了解分布式资源管理和文件系统。
考核要求：
1.识记：
计算机网络和分布式系统及其操作系统的概念、特征和功能，分布式系统和网络系统的对比。
2.领会：
分布式进程通信、进程同步和进程迁移的实现，套接字和中间件的概念与应用。
实验部分
（一）基本要求
《操作系统实验》是《操作系统》课程教学中不可分割的重要组成部分。
实验课程设计的思想是帮助学生理解和掌握操作系统的基本概念、算法、技术和原理，熟练掌握Linux系统的使用方法，通过适当的编程提高学生的编程能力、剖析和设计操作系统的能力以及实践动手能力，提高学生对课程的学习兴趣，加强创新精神与综合素质的培养。
（二）实验项目总表
序号
实验项目名称
学时数
项目类别
项目类型
1
熟悉Linux系统的环境
2
基础
必做
2
Linux的常用命令
2
基础
必做
3
Linux的文本编辑器
2
基础
必做
4
进程创建
4
设计
必做
5
进程通信
4
设计
必做
6
进程调度
6
综合
必做
7
存储管理
4
综合
必做
8
文件管理
4
设计
必做
9
设备管理
4
设计
必做
（三）实验项目内容及要求
实验一：
熟悉Linux系统的环境
实验内容：
熟悉RedHatLinux9.0操作系统的环境，包括图形界面和命令操作界面。
实验目的：
熟悉RedHatLinux9.0操作系统的环境，学会Linux操作系统的基本使用。
实验要求：
掌握Linux操作系统的使用，比较其和Windows操作系统。
实验二：
Linux的常用命令
实验内容：
熟悉Linux的常用命令，包括系统及用户管理命令、设备管理命令和目录及文件操作命令等。
如man、passwd、mount、ls、cd、more、rm、mv、cp、mkdir、rmdir等。
实验目的：
熟悉常用的shell命令的格式，并能熟练操作。
实验要求：
1.熟练掌握Linux的常用命令，熟悉Linux的命令操作界面；
2.在实验报告中列出命令的格式和常用参数。
实验三：
Linux的文本编辑器
实验内容：
1.使用vi编辑器创建短小、简单的程序文件并正确运行；
2.使用pico编辑器创建程序文件并正确运行；
3.使用emacs编辑器创建程序文件并正确运行。
实验目的：
熟练掌握文本文件编辑工具vi、pico、emacs等的按键命令语法及相关操作，。
实验要求：
学会使用vi编辑器创建和编辑程序文件并正确运行。
实验四：
进程创建
实验内容：
1.进程的创建
编写一段程序，使用系统调用fork（）创建两个子进程。
当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。
让每个进程在屏幕上显示一句话和进程ID，试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
2.创建进程扇、进程链和进程树。
3.使用fork-exec组合，用新创建的进程执行一个新的任务。
实验目的：
1.加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别；
2.进一步认识并发执行的实质；
3.掌握系统调用fork（）的功能。
实验要求：
1.写出源程序及运行结果。
2.根据运行结果，绘制出进程扇、进程链和进程树，并进行分析。
实验五：
进程通信
实验内容：
1.管道通信
编写程序，使用系统调用pipe（）建立一条管道线，两个子进程p1和p2分别向管道各写一句话，而父进程从管道中读出来自于两个子进程的信息，显示在屏幕上。
2.信号通信
编写程序，实现通过键盘发出信号，实现通信。
信号SIGINT由按CTRL+C键发出，信号SIGQUIT由按CTRL+\组合键发出。
实验目的：
1.理解Linux系统中进程通信的基本原理；
2.理解管道通信和信号通信。
实验要求：
编写程序并进行详细的注释，理解相关系统调用的功能。
实验六：
进程调度
实验内容：
编写程序，模拟实现某种进程调度算法。
实验目的：
模拟进程调度算法的实现，帮助学生加深理解处理器调度，提高编程能力。
实验要求：
1.对程序中使用的数据结构及符号进行说明；
2.画出N-S流程图；
3.正确运行程序并列出运行结果。
实验七：
存储管理
实验内容：
编写程序，模拟某种存储管理方法的实现。
实验目的：
掌握主存空间分配、回收等管理算法的实现，提高编程能力。
实验要求：
1.对程序中使用的数据结构及符号进行说明；
2.画出N-S流程图；
3.正确运行程序并列出运行结果。
实验八：
文件管理
实验内容：
1.熟悉建立文件链接的命令ln；
2.使用create、open、read、write等系统调用，实现cp命令的功能。
3.使用opendir和readdir等系统调用完成Ls的命令行命令。
实验目的：
1.熟悉和理解文件的共享；
2．理解文件系统的功能及实现。
3．学习文件系统的系统调用及命令。
实验要求：
1.熟练ln、Ls命令的使用；
2.了解creat、open、read、write等系统调用；
3.写出源程序并附上注释，比较程序的运行结果与命令的运行结果是否一致。
实验九：
设备管理
实验内容：
编写程序，模拟实现设备分配算法或设备独立性。
实验目的：
掌握设备分配算法或设备独立性的概念和实现，提高编程能力。
实验要求：
1.对程序中使用的数据结构及符号进行说明；
2.画出N-S流程图；
3.正确运行程序并列出运行结果。
（四）考核要求
1.能够独立熟练安装操作系统；
2.熟悉Linux环境，熟练使用Linux的常用键盘命令；
3.程序编写规范，运行结果正确；
4.实验报告中能对问题和现象进行解释，对设计和综合类的实验项目，要有分析、设计以及测试的过程说明。
三、参考书目
1.孙钟秀，《操作系统教程（第四版）》，高等教育出版社，2008.4
2.汤晓丹等，《计算机操作系统教程（第三版）》，西安电子科技大学出版社，2007.5
3.
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