操作系统原理课程大纲

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1、计算机各专业操作系统原理课程教学大纲中山大学信息科学与技术学院操作系统原理课程教学大纲课程名称：操作系统原理类别：专业必修课授课对象：本科生总学时：54学时适用专业：专业名称开课学期：第5学期编写人员：凌应标审核人员：刘玉葆编写日期：2011年4月一、教学目的操作系统是计算机系统的核心，又是计算机软件这座复杂又庞大的大厦的基础。随着计算机技术的迅猛发展，计算机的硬、软件资源越来越丰富，用户也要求能更方便、更灵活地使用计算机系统。为了增强计算机系统的处理能力以及方便用户有效地使用计算机系统，操作系统已成为现代计算机系统中不可缺少的重要组成部分。因此，计算机软件及其相关专业的本科学生必需修操作系统

2、原理，才能顺利掌握基本的专业知识和技能。本课程从操作系统实现资源管理的观点出发，阐述如何对计算机系统中的硬、软件资源进行管理，使计算机系统协调一致地、有效地为用户服务，充分发挥资源的使用效率，提高计算机系统的服务质量，支持各种软件开发架构。一个从事计算机科学技术的工作者，必需掌握操作系统的工作原理和实现方法，才能开发计算机系统各种应用软件和系统软件，包括从事操作系统分析、扩展和设计的知识和能力。本课程学习的基本要求包括：了解操作系统在整个计算机系统中的作用、了解操作系统的组成部分，掌握操作系统的基本原理、基本概念，掌握操作系统对各种资源的管理方法和操作系统各部分程序之间的关系，在此基础上真正掌

3、握操作系统的工作原理和基本设计方法，具备分析和设计操作系统的初步能力。了解在UNIX/LINUX/Windows中，操作系统基本原理的应用和实现技术。二、教材选择在确保课程教学内容的系统性和前沿性的基础上，进一步确定选择课程教材（包括其配套书籍）及参考资料的依据，并对该教材及参考资料的内容在教学时的取舍作原则性描述，并争取与相关院校同类课程相比有自己的一些特色。1、教学内容概述本课程的主要教学内容包括： （1）操作系统概述：介绍操作系统的发展过程和发展方向；操作系统的主要理论与成就；操作系统的研究方法和主要观点等等；现代操作系统的特征。指导学生完成操作系统引导程序实验项目。（2）进程模型：介绍

4、进程概念、表示和状态转换、进程控制、多线程、操作系统的代码运行方式、内核和对称多处理、进程同步与通信号、死锁等等。说明实例操作系统中的进程模型。指导学生完成多进程和多线程的控制与通信实验项目。（3）存储管理：介绍存储管理的基本问题、分区、分页、分段等实存管理方法；虚拟存储概念、虚拟存储硬件和控制结构、虚拟存储的算法和工作集等理论。说明实例操作系统中的内存管理方法。指导学生完成处理器调度的模拟实现实验项目。（4）处理器调度：调度的分层、调度的目标与原则、单处理器调的算法与评价，多处理器调度和实时调方法。指导学生完成处理器调度的模拟实现实验项目。（5）输入输出与文件系统：输入输出的模式，缓冲技术和

5、磁盘调度、虚拟设备技术、设备驱动程序，文件系统功能、文件的逻辑结构和物理结构、文件目录组织方法、文件操作、文件存储空间组织、FAT文件系统结构、UNIX文件系统结构和其它文件系统结构。指导学生完成编写设备驱动程序的实验项目和文件系统的模拟实现实验项目。2.教材分析对目前可用的教材及其优缺点做简单的分析和总结。n Willian Stallings著、陈渝译，操作系统：精髓与设计原理 （第五版） ，电子工业出版社，2006年2月这是我院计算机科学各专业已用多年的教材。这是一本世界范围的操作系统经典教材，该书特点是：内容详实，原理透彻、精益求精、难易适中，配套习题和实验项目等教学资源较丰富。作者对

6、计算机体系结构与操作系统关系处理比较好。n Abraham Siberschatz著，操作系统概念（第六版）高等教育出版社，2002年5月这也是我们双语教学时已用多年的教材。这是一本世界范围的较有影响的操作系统经典教材，该书特点是：内容详实，原理透彻、组织合理、图文并茂、难易适中和教学资源较丰富。作者对操作系统的逻辑与实现的关系处理得较好。n A.S. Tanenbaum著，现代操作系统原理，机械工业出版社，1999年11月本书作者是多个操作系统的设计者，曾编写多部较有影响的操作系统教材，该书特点是：内容实用，原理与实现结合、论述深入到实现层、重视操作系统的实现技术。作者对操作系统的实现讲解得

7、较透彻，能学到实在的知识。3.教材与参考书推荐 推荐教材1Willian Stallings著、陈渝译，操作系统：精髓与设计原理 （第6版），机械工业出版社，2010年9月 主要参考书推荐给学生阅读的相关教材或参考书包括：2Bruce Molay著， Unix/Linux编程实践教程，清华大学出版社，2004年10月3Abraham Siberschatz著，操作系统概念（第七版），高等教育出版社，2010年11月4A.S. Tanenbaum著，现代操作系统（第3版），机械工业出版社，2010年7月三、教学基本要求教学基本要求包括：（1）任课教师应具有分析实际操作系统的经验，能够将抽象的概念

8、具体化为实际操作系统的实现层面，不能停留在抽象空洞的文字解释层面。（2）教学内容要合理处理原理知识的系统性与实用性，多强调当前主流操作系统中还在应用的概念和技术，但要系统介绍原理的全部内容，以便让学生掌握相关概念和技术的演化过程。（3）建议采用启发式教学方法，讲授过程不要只读文本，要多穿插提问和实际操作系统中的相关细节。因为教学过程中信息量大，一定要用PPT课件和多媒体教学手段（4）要配置较多的实验项目，模拟型的实验项目难度较小，学生容易完成，而且加深对原理的理解效果不错，实验项目每章一个，进度与原理教学同步，这样效果更好。（5）有些章节的内容教学可采用自底向上的方向，比如文件系统，可以从某文

9、件系统的盘结构开始，向上解释文件如何组织，再向上解释文件目录如何实现，再向上解释文件操作的实现，之后再讲文件系统的一般概念和逻辑功能就非常容易理解了。四、相关课程1、先修课程操作系统是管理计算机系统资源和控制程序执行的一种系统软件，它直接扩充裸机（不配有任何软件的计算机）的功能，为程序的执行提供良好的环境。因此，在学习操作系统之前应该先学习一定的计算机硬件和软件知识，在这些先行课的基础上学习本课程符合循序渐进的规律，这样不仅容易理解课程内容，而且能正确地把操作系统的各部分程序有机地联系起来，并动手分析和设计简单的操作系统。本课程的先修课程包括：(1).计算机组成原理：所有内容。(2). 汇编语

10、言程序设计：所有内容。(3). 数据结构导论：线性数据类型（队列、栈和数组），树(4). 高级语言程序设计：基本控制流、模块、函数、变量、静态数据、局部变量与全局变量、调用和返回时栈2、后续课程操作系统是计算机软件这座复杂又庞大的大厦的基础。因此操作系统原理课程是计算机软件和相关专业的其它一些核心课程和选修课程的先修课程，本课程中的许多基本概念和方法将在这此后课程中使用、深化或扩展。本课程的后续课程包括：(1).计算机网络原理：互斥、同步、C/S计算体系、资源管理(2).编译原理：逻辑地址、链接技术、可执行程序文件结构(3).数据库系统原理：互斥、同步、事务、并发控制、恢复技术(4).软件工程

11、学：结构化技术、模块、封装、代码重用、共享、藕合、软件可维护性。3、平行课程无五、教学内容与学时分配1、操作系统的计算机硬件基础（3学时）1.1 计算机硬件系统，要求达到“识记”层次。说明计算机硬件系统由哪些部分组成。以当前主流的个人计算机为例，说明其计算机硬件系统的主要特点。【基本知识点】硬件；中央处理器；存储器；输入输出设备；总线结构；【可选知识点】个人计算机硬件系统；嵌入式硬件系统；1.2 CPU寄存器，要求达到“领会”层次说明CPU的各类寄存器及其作用。以Intel 80386为例，说明该CPU寄存器哪些是通用的（用户程序可使用的），哪些是专用的（不可直接操作的）？说明专用的寄存器的内

12、容及作用。以Intel 80386为例，说明该CPU的指令分为哪几大类，寻址方式有哪几种，哪些是特权指令。以Intel 80386为例，说明程序状态字的基本内容和作用。【基本知识点】寄存器；通用寄存器；专用寄存器；【可选知识点】Intel 80386的寄存器1.3 指令执行，要求达到“领会”层次。以算术运算指令为例，说明指令执行主要的步骤。说明指令计数器寄存器在程序的执行过程中的作用和指令执行前后内容如何变化。【基本知识点】指令执行流程；地址；程序计数器；操作码；操作数；1.4 中断原理，要求达到“领会”层次。说明中断机制的作用。根据指令执行周期说明中断响应发生时机。以PC为例，说明其中断机制

13、的主要组成部件及其在中断过程中的作用。以PC为例，说明其中断响应的过程，特别要求说明在CPU控制权转移给中断处理程序前，程序状态字和程序计数器保存在何处。说明中断向量的作用。以PC为例，说明其中断向量的组织方式和保存位置。以PC为例，说明其中断响应时，CPU控制权怎样转移给中断处理程序。说明中断处理程序的一般结构。说明多重嵌套中断中处理器的控制流转移过程。【基本知识点】中断机制；中断处理过程；中断优先级；多重中断【可选知识点】个人计算机的中断机制1.5 存储器层次，要求达到“领会”层次。说明存储器基本层次结构有哪几层。从容量、速度、价格和CPU访问其内容的频率这几个方面，说明存储器层次从上到下

14、的变化规律。说明存储器层次化的动机。1.6 CACHING，要求达到“领会”层次。说明什么是CACHE；说明存储器分层化是CACHING技术的一种形式。列举CACHING技术在计算机硬件系统和软件系统中的一些典型应用说明缓存效率分析方法：即设CPU从高速缓存中存取一个字的时间为t1，而CPU从内存中存取一个字的时间为t2，CPU从高速缓存中存取命中率为r，如果数据没有命中，则数据从内存复制到高速缓存的时间为t3，说明该CACHING技术的效率。1.7 I/O方式，要求达到“领会”层次。说明CPU同步程序控制I/O方式过程说明中断控制I/O方式过程说明DMA控制I/O方式过程说明通道控制I/O方

15、式过程从CPU利用率、CPU与设备通信方式和CPU与设备的并行程度这三个方面说明四种I/O方式各自的特点2、操作系统概述（3学时）2.1 操作系统目的与功能，要求达到“识记”层次。说明计算机系统由哪些部分组成。说明计算机系统有哪些硬件资源和软件资源。说明设置操作系统的动机。说明操作系统的有哪些主要功能。说明操作系统为什么要具有易扩展性2.2 操作系统的发展，要求达到“领会”层次。说明裸机时代使用计算机的操作特点解释联机操作的含义。说明监控程序的主要功能。说明多道批处理系统为什么能提高计算机系统的利用率，并说明其硬件要求。说明脱机操作的含义。说明分时系统的特点，及它的硬件环境和应用环境具有的特点。说明实时系统的特点，及它的硬件环境和应用环境具有的特点。2.3 操作系统的理论与模型，要求达到“领会”层次。说明进程模型在操作系统理论的核心地位。