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1、计算机操作系统与系统级编程课程教学大纲计算机操作系统与系统级编程课程教学大纲 一、课程基本信息 一、课程基本信息 1、课程代码： 2、课程名称（中/英文） ： 计算机操作系统与系统级编程/ Computer Operating Systems and System Level Programming 3、学时/学分：192/3.5 4、先修课程：C 语言程序设计、SSD2,SSD5、计算机组成原理、计算机系统结构， 5、面向对象： 本科三年级上学期学生 6、开课院（系） ：软件与微电子学院 7、教材、教学参考书： 教材： Computer Systems: A Programmers Pers
2、pective 、Randal E. Bryant, David R. OHallaron、Pearson、2002 教学参考书： ? MODERN OPERATING SYSTEMS 、Andrews Tanenbaum、机械工业出版社、2002 ? 系统分析与设计 （英文版第 3 版）作者：瓦拉西奇，人民邮电出版社 2006-10-1 ISBN:711515154 ? Linux 内核设计与实现 （英文版第 2 版）作者：洛夫，机械工业出版社，2006-1-1 ISBN：711117575 ? System Level Programming 、卡内基梅隆大学网络版教材、 http:/ ?
3、 计算机操作系统教程 、徐甲同 陆丽娜 谷建华、西安电子科技大学出版社、2001 ? 操作系统内核与设计原理 、William Stallings、电子工业出版社、2002 ? 计算机操作系统 、汤子瀛、西安电子科技大学出版社、2003 二、课程性质和任务 二、课程性质和任务 计算机操作系统与系统级编程 既是计算机科学与技术专业的专业基础课程也是一门实践性较强的编程能力培养的课程。 本门课程要使学生在理解现代操作系统的基本原理、 主要功能和相关设计技术的基础上， 掌握汇编器与汇编代码、程序性能的测试与优化、内存组成与访问、网络协议与操作以及并发性等概念；此外，学生还要掌握当今主流操作系统的应用
4、模式和管理方法，了解其运行环境和实现细节，为今后学习、剖析和开发新的操作系统打下坚实的基础。 计算机操作系统与系统级编程是培养学生从用户的角度审视处理器、网络与操作系统；通过该课程学习，学生就可以借助 C 和 C+语言在编程实践的基础上来理解上述概念。 三、教学内容和基本要求 三、教学内容和基本要求 重点掌握内容： ? 操作系统的作用和目的、功能及特征，操作系统的发展历程，现代操作系统的结构及设计模式， 实时及嵌入式系统结构， 安全性、 网络化、多媒体、视窗和硬件发展对操作系统带来的影响。 ? 常用系统调用的概念、使用方式与应用实例。 ? 并发程序，进程与线程，同步与互斥，虚拟内存，逻辑设备，
5、缓冲区及文件目录等重要概念。 ? 进程调度、线程调度，进程通信、进程同步的管理、策略与实现机制，主流操作系统的进程与线程管理特点。 ? 存储请求分页管理和段页式管理的算法与实现机制。 ? 文件结构，文件存储空间的管理，文件的共享与保护，文件的目录管理，文件操作实现。 ? I/O 软件层次结构，I/O 缓冲管理与基本设备的实现机制。 掌握： ? 操作系统的分类，有关操作系统的灵活性、安全性、兼容性的设计问题。 ? 用户接口的基本概念，用户系统状态及其保护，以及用户/系统状态转换到核心态的原理。 ? 进程的状态及转化，进程控制块的结构，并发执行的优缺点，进程与程序、作业的区别，信号量机制及其应用、
6、生产者-消费者模型与读、写者模型、消息缓冲通信和信箱通信，死锁的产生、条件及其预防措施。 ? 存储管理的分配和淘汰策略， 系统颠簸和工作集， 高速缓存及其作用，分页和分段存储管理的主要区别。 ? 文件中的数据，顺序文件和非顺序文件，目录的内容和结构，文件的命名、搜索、访问和备份。 ? I/O 管理体系，I/O 设备分类，设备独立性，缓冲策略，磁盘设备的特性及调度，盘块的交叉编址及信息的优化分布。 理解： ? 作业与作业步的定义、作业的状态和基本类型。 ? 存储管理的目的和功能，覆盖与交换技术。 ? 文件操作的系统调用形式及应用。 ? 通道技术、 设备控制器及其构成、 循环 I/O 测试方式、
7、中断控制方式、DMA 方式、通道控制方式，磁盘高速缓存、RAID、RAM 盘，设备分配的实施。 ? 系统安全概论，保护、访问和身份验证，保护模型和加密技术。 供参考的学时要求： 1. 操作系统概念及发展历程 - 2 学时 2. 现代操作系统分类及结构 - 2 学时 3. 用户与操作系统的接口 - 2 学时 4. 并发程序与进程 - 2 学时 5. 进程调度 - 4 学时 6. 线程调度及其举例 - 2 学时 7. 进程同步、信号量机制及其应用 - 5 学时 8. 进程通信及其实现 - 2 学时 9. 死锁及其对策 - 4 学时 10. 存储管理的基本概念及早期存储管理 - 2 学时 11. 内
8、存布局与分配- 4 学时 12. 分区存储管理 - 2 学时 13. 分页存储管理 - 2 学时 14. 请求分页存储管理 - 4 学时 15. 段页式存储管理及存储保护 - 2 学时 16. 内存操作与性能- 6 学时 17. 文件系统及文件结构 - 4 学时 18. 文件目录管理及文件存储空间管理 - 4 学时 19. 文件共享和文件保护、文件系统与用户的接口 - 4 学时 20. I/O 系统结构、I/O 软件组织、缓冲技术和设备分配管理 - 2 学时 21. 逻辑设备与 Spooling 技术 - 2 学时 22. 磁盘调度、提高磁盘 I/O 速度的技术 - 2 学时 总学时 192
9、学时；课堂授课 64 学时；实验教学学时 128 学时（课外 55 学时） 。 四、实验（上机）内容和基本要求 四、实验（上机）内容和基本要求 练习 1 （16 学时） 1）单项选择（3 学时） 2）操作系统基础（3 学时） 3）解密码实验（课外实验 10 学时） 练习 2 （15 学时） 1）单项选择（3 学时） 2）并发性实验（6 学时） 3）位操作实验（课外实验） （6 学时） 练习 3 （15 学时） 1）单项选择（3 学时） 2）调试内存错误实验（6 学时） 3）找出内存错误实验（课外实验） （6 学时） 练习 4 （21 学时） 1）单项选择（3 学时） 2）内存分配优化实验（9
10、学时） 3）程序调度实验（课外实验） （9 学时） 练习 5 （21 学时） 1）单项选择（3 学时） 2）Cache 命中率提高实验（9 学时） 3）求 Cache 命中率实验（课外实验） （9 学时） 练习 6 （10 学时） 文件操作实验（课外实验） （10 学时） 练习 7 （15 学时） WRK 进程管理实验 1）使用 WinDbg 查看内核中进程（线程）创建、同步互斥等现象。(3 学时) 2）分模块、函数阅读进程（线程）管理代码，总结出进程（线程）管理中 重要的数据结构、工作流程图和算法描述。 （6 学时） 3）修改 WRK 进程（线程）调度算法。 （6 学时） 练习 8 WRK
11、工作集实验 （15 学时） 1）结合 WinDbg 的调试功能，分析一个进程的工作集页面的数据结构。 （3 学时） 2）分模块、函数阅读工作集管理代码，总结出工作集管理中重要的数据结 构、工作集管理流程图和算法描述。 （6 学时） 3）对近似 LRU 算法进行修改，并编写应用程序，通过添加系统调用返回相 关内核参数，对修改后的算法与原算法的性能进行对比，给出实验结果， 并对实验结果给出解释。 （6 学时） 五、各教学环节学时分配 五、各教学环节学时分配 学时 学时 讲课 习题课 讨论课 实验课 其他 合计 讲课 习题课 讨论课 实验课 其他 合计 第一章第一章 4 16 20 4 16 20
12、第二章 4 15 19 第二章 4 15 19 第三章 16 15 31 第三章 16 15 31 第四章 14 21 35 第四章 14 21 35 第五章 12 21 33 第五章 12 21 33 第六章 8 10 18 第六章 8 10 18 第七章 6 30 36 第七章 6 30 36 项 目 六、对学生能力培养的要求 六、对学生能力培养的要求 近些年来计算机操作系统和其抽象机制相对于上层应用软件变得更加复杂，这就要求学生在系统学习内部算法实现和数据结构之前对操作系统有较深入的理解和整体的把握。 因而本课程在对学生培养方面不仅强调对基本原理和设计原则的认知能力上、 更强调对其实现的
13、分析能力以及将操作系统的许多思想用于计算机其他领域的运用能力上。通过该课程的教学，应使学生达到如下要求。 1）重点掌握： ? 指令集与汇编语言编程； ? 内存管理及常见的与内存相关的编程错误； ? 内存访问：Cache、内存、虚拟内存； ? 性能测试与调整； ? 进程、线程与并发性的概念及基本的并发编程。 2）重点完成如下实践环节： ? 用 C 语言实现低级的内存操作与数据操作； ? 用性能工具测试并提高程序性能； ? 用调试工具分析内存访问错误； ? Cache 命中率的计算； ? 使用低级的计数器观察中断与并发操作； ? 对文件、目录以及设备的操作。 七、考核方法：闭卷考试、平时作业和课内实验相结合七、考核方法：闭卷考试、平时作业和课内实验相结合 撰写人：谷建华、杜承烈、黄姝娟 制定日期： 2007 年 3 月 17 日 审定人：武君胜 审定日期： 2007 年 4 月 15 日 主管院长： 朱怡安
