操作系统教学大纲

《操作系统》课程教学大纲

课程代码：030731030

课程英文名称：Operating System

课程总学时：48 讲课：40 实验：8 上机：

适用专业：电子信息科学与技术

大纲编写（修订）时间：2017.5

一、大纲使用说明

（一）课程的地位及教学目标

操作系统是电子信息科学与技术专业的主干专业基础课，主要讲授操作系统的基本概念、管理策略和实现原理。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，着重培养学生的软件开发与创新能力，培养学生的项目管理与团队协作等素质。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：

1．建立起以操作系统为中心的对计算机系统整体性和系统级的认识；

2．深入理解操作系统的基本概念、原理和方法；

3．掌握操作系统中处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理中的关键技术；

4．了解计算机操作系统的新发展，跟上现代操作系统发展的速度和步伐。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求

1.基本知识：掌握有关计算机操作系统的一般知识，操作系统的定义和功能、硬件支撑环境、常采用的结构模式以及分类等。

2.基本理论和方法：掌握处理机管理涉及到的关键技术，各种作业调度算法、各种进程调度算法、实时处理与实时调度算法等；掌握基本存储管理和虚拟存储管理的基本策略，分页式、分段式、段页式、请求分页式、请求分段式存储管理以及请求页式虚拟存储管理、请求段式虚拟存储管理的基本思想；掌握文件管理，文件的逻辑结构、物理结构、目录结构、磁盘存储空间的管理、按名存取的实现过程等；掌握设备管理，I/O的组织结构、实现方式、缓冲技术、虚拟设备与SPOOLing技术以及磁盘的移臂调度策略；掌握并发进程的设计技术，用信号量实现互斥、同步、资源分配的方法；掌握死锁的概念、产生死锁的必要条件、死锁的预防、避免、检测与恢复、各种安全威胁与防护措施等。

3.基本技能:掌握系统分析、软件开发与设计、实验验证、编程技术等技能。

（三）实施说明

1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本原理和基本方法的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生运用所学操作系统知识分析问题、解决问题的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案、课件、多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

3．计算机辅助设计：要求学生基于Linux操作系统利用相关程序语言进行实验设计。

（四）对先修课的要求

本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程为：计算机原理。本课程将为计算机网络、软件工程等其它专业课的学习以及课程设计、毕业设计打下良好基础。

（五）对习题课、实践环节的要求

1．对重点、难点章节（如：处理机管理、存储管理、进程的互斥与同步、进程的死锁等）

应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。

2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及算法实现方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。

3．每个学生要完成大纲中规定的必修实验，通过实验环节，学生应掌握操作系统管理计算机系统资源的工作流程，获得实验操作的基本训练，培养学生对实际应用问题的解决能力，以达到理论联系实际的目的。实验成绩作为评定课程成绩的一部分。

4．安排大作业，大作业成绩作为平时成绩的一部分。

5．本课程的课程设计单独设课，单独考核，具体要求参见相应的课程设计教学大纲。

（六）课程考核方式

1．考核方式：考试

2．考核目标：在考核学生对操作系统基本知识、基本原理和方法的基础上，重点考核学生对操作系统中的关键技术通过特定数据结构和算法来实现的能力。

3．成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占10%，实验成绩占15%，期末考试成绩占75%。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出；实验成绩由实验老师参照相关规定按百分制给出，实验无成绩或实验不及格，取消期末考试资格，总成绩直接以不及格计。

（七）参考书目

《操作系统》，宗大华、宗涛、陈吉人编，人民邮电出版社，2009

《操作系统教程》(第4版)，孙钟秀、费翔林、骆斌编，高等教育出版社，2008

《现代操作系统》，汤小丹、梁红兵、哲凤屏、汤子瀛编，电子工业出版社，2009

《计算机操作系统教程》，张尧学、史美林编，清华大学出版社，2006

《计算机操作系统》学习指导与题解(第2版)，梁红兵、汤小丹编，西安电子科技大学出版社，2008

二、中文摘要

本课程是计算机专业学生必修的一门主干专业基础课程。课程通过对计算机操作系统涉及到的内容和关键技术的讲授，使学生掌握操作系统计的基本知识、基本原理和基本方法，并具有将操作系统中的基本管理策略通过特定数据结构和算法进行实现的能力。课程主要内容包括处理机管理、存储管理、文件管理、设备管理、并发进程的设计与死锁等。本课程将为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。

三、课程学时分配表

四、教学内容及基本要求

第1部分操作系统概述

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验: 2 上机: 0

第1.1部分操作系统的定义与功能、第1.2部分操作系统的接口与内核模式（讲课2学时）具体内容:

1) 明确本课程的内容、性质和任务；

2) 掌握操作系统的定义与功能；

3) 掌握操作系统的两种接口；

4) 掌握操作系统内核的结构模式。

重点:

操作系统内核的结构模式；

第1.3部分操作系统的基本分类、第1.4部分硬件支撑环境、第1.5部分 Linux操作系统的诞生（讲课2学时）

具体内容:

1) 掌握操作系统的基本分类；

2) 掌握计算机硬件的基本构成；

3) 掌握中断的概念及中断的处理过程；

4) 了解操作系统的发展简史。

重点:

计算机硬件的基本构成

难点:

中断的处理过程

习题:

CPU的核心态与用户态的区别、多道程序设计中资源利用率的计算等

实验:

操作系统的基本功能实验（2学时）

第2部分进程与线程

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验: 2 上机: 0

第2.1部分进程的概念（讲课2学时）

具体内容:

1) 掌握多道程序设计环境下的程序特点；

2) 掌握进程的定义；

3) 掌握进程的状态及状态变迁。

重点:

进程的状态及状态变迁

难点:

多道程序设计环境下的程序特点

第2.2部分进程的管理、第2.3部分线程、第2.4部分 Linux的进程（讲课2学时）具体内容:

1) 掌握进程控制块；

2) 掌握进程控制的系统调用命令；

3) 掌握线程；

4) 掌握Linux进程。

重点:

进程与线程的关系

难点:

进程控制的系统调用命令

习题:

进程状态的变迁图、进程的直接制约和间接制约关系等

实验:

进程管理实验（2学时）

第3部分处理机管理

总学时(单位：学时):8 讲课:6 实验: 2 上机: 0

第3.1部分处理机调度概述、第3.2部分作业调度算法（讲课2学时）具体内容：

1) 掌握处理机的3个层次；

2) 掌握调度算法的性能评价指标；

3) 掌握各种作业调度算法的基本策略。

重点:

各种作业调度算法的基本策略

第3.3部分进程调度算法（讲课2学时）

具体内容：

1) 掌握进程调度的功能、时机；

2) 掌握各种进程调度算法的基本策略。

重点:

各种进程调度算法的基本策略

第3.4部分实时处理与实时调度算法、第3.5部分 Linux的处理机调度（讲课2学时）具体内容：

1) 了解实时处理的特征；

2) 掌握各种实时调度算法的基本策略；

3) 了解Linux的处理机调度。

重点:

各种实时调度算法的基本策略

习题:

利用作业调度算法、进程调度算法、实时调度算法的有关计算等

实验:

处理机管理实验（2学时）

第4部分基本存储管理

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验:0 上机:0

第4.1部分存储管理预备知识、第4.2部分分区存储管理（讲课2学时）具体内容:

1) 了解用户程序的4个处理阶段；

2) 掌握地址重定位；

3) 掌握固定分区、可变分区存储管理的基本策略；

4) 掌握覆盖、交换技术。

固定分区、可变分区存储管理的基本策略

难点:

地址重定位

第4.3部分分页式存储管理（讲课1学时）

具体内容:

1) 掌握分页式存储管理的基本思想；

2) 掌握分页式存储管理的地址转换；

3) 掌握页帧的分配与回收。

重点:

分页式存储管理的基本思想

难点:

分页式存储管理的地址转换

第4.4部分分段式和段页式存储管理（讲课1学时）

具体内容:

1) 掌握分段式存储管理的基本思想；

2) 掌握分段式存储管理的地址转换；

3) 掌握段页式存储管理的基本思想；

4) 掌握段页式存储管理的地址转换。

重点:

分段式、段页式存储管理的基本思想

难点:

分段式、段页式存储管理的地址转换

习题:

利用分页式、分段式、段页式存储管理策略的计算等

第5部分虚拟存储管理

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验:0 上机:0

第5.1部分请求页式虚拟存储管理基础（讲课1学时）

具体内容:

1) 了解虚拟存储器的概念；

2) 掌握请求页式虚拟存储管理的策略。

重点:

请求页式虚拟存储管理的策略

第5.2部分请求页式的替换策略（讲课1学时）

具体内容:

1) 掌握请求页式静态替换策略；

2) 掌握请求页式动态替换策略。

重点:

请求页式动态替换策略

第5.3部分请求段式虚拟存储管理、第5.4部分 Linux的存储管理（讲课2学时）具体内容:

1) 掌握请求段式虚拟存储管理策略；

2) 掌握段的动态链接；

3) 掌握Linux的存储管理。

请求段式虚拟存储管理策略

习题:

请求页式、段式虚拟存储管理策略的计算等

第6部分文件管理

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验: 2 上机: 0

第6.1部分文件系统概述、第6.2部分文件的目录结构（讲课2学时）

具体内容:

1) 了解文件系统的功能；

2) 掌握文件的逻辑结构；

3) 掌握文件的目录结构。

第6.3部分文件在磁盘上的组织、第6.4部分文件的使用、第6.5部分 Linux的文件管理（讲课2学时）

具体内容:

1) 掌握磁盘存储空间的管理策略；

2) 掌握文件的物理结构；

3) 掌握文件的存取方式；

4) 掌握文件的操作。

重点:

文件的存取方式

难点:

文件的物理结构

习题:

文件相对块号与物理块号的计算、文件按名存取的实现等

实验:

文件管理实验（2学时）

第7部分设备管理

总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0

第7.1部分设备管理概述、第7.2部分 I/O的4种实现方式（讲课2学时）具体内容:

1) 了解I/O系统的组织结构；

2) 了解计算机设备的分类；

3) 了解设备管理的目标与功能；

4) 掌握I/O的4种实现方式。

重点:

I/O的4种实现方式

第7.3部分缓冲技术、虚拟设备与SPOOLing技术、第7.4部分磁盘及磁盘的移臂调度策略、第7.5部分 Linux的I/O管理（讲课2学时）

具体内容:

1) 了解I/O缓冲；

2) 掌握虚拟设备与SPOOLing技术；

3) 掌握磁盘的移臂调度策略。

重点:

磁盘的移臂调度策略

虚拟设备与SPOOLing技术

习题:

利用磁盘的移臂调度策略的计算等

第8部分并发性：互斥和同步

总学时(单位：学时):8 讲课:6 实验:0 上机:0

第8.1部分互斥和同步、第8.2部分实现互斥的方法讨论（讲课2学时）具体内容:

1) 掌握进程互斥和同步的基本概念；

2) 掌握临界区的使用规则；

3) 了解实现互斥的硬件、软件方法。

重点:

临界区的使用规则

第8.3部分信号量与P、V（讲课2学时）

具体内容:

1) 掌握用P、V操作实现互斥；

2) 掌握用P、V操作实现同步；

3) 掌握用P、V操作实现资源分配。

重点:

用P、V操作实现互斥、同步以及资源分配

难点:

用P、V操作实现资源分配

第8.3部分互斥、同步的样例分析、第8.4部分高级进程通信（讲课2学时）具体内容:

1) 掌握读者-写者问题；

2) 了解哲学家就餐问题；

3) 了解理发师理发问题；

4) 了解高级进程通信。

重点:

读者-写者问题

难点:

读者-写者问题

习题:

用P、V操作实现生产者-消费者问题、读者-写者问题等

第9部分死锁、系统安全

总学时(单位：学时):6 讲课:4 实验:0 上机:0

第9.1部分死锁概述（讲课1学时）

具体内容:

1) 掌握死锁的定义；

2) 掌握资源分配图；

3) 掌握产生死锁的必要条件。

重点:

产生死锁的必要条件

第9.2部分死锁的预防、避免、检测与恢复（讲课1学时）

具体内容:

1) 掌握死锁的预防；

2) 掌握死锁的避免；

3) 掌握死锁的检测与恢复。

重点:

银行家算法

第9.3部分系统的安全与保护（讲课2学时）具体内容:

1) 了解计算机安全问题；

2) 了解计算机面临的主要威胁；

3) 掌握具体的安全防护措施。

重点:

计算机具体的安全防护措施

习题:

利用银行家算法避免死锁的计算等