操作系统

教学大纲 Teaching Syllabus

操作系统

一、课程基本信息

课程代码: 320728

课程名称:操作系统

英文名称: Operating System

课程总学时: 48 总学分: 3.0 实验学时:8

适用对象:计算机科学与技术、网络工程及相关专业

考核方式:考试，平时成绩占总成绩的30%，期末考试成绩占70%。

操作系统是计算机科学与技术专业课程体系中一门核心课程，也是学生必修课程之一。同时也是人才培养体系中原理核心课程之一，同时是多门课程的前导课程。理论性比较强，其内容综合了各种操作系统的结构、设计思想、方法、技术和理论，主要讲述操作系统的基本概念，基本原理及其实现技术，包括处理器管理、进程并发管理、存储器管理、设备管理和文件管理等等。通过课程学习使学生能更好的掌握计算机系统工作、用户与计算机系统交互和设计开发应用系统的基本知识结构，为今后的应用和研究打下良好基础。

二、教学目的与要求

教学目的:

(1)明确操作系统的作用、功能和地位，并建立起以操作系统为中心的计算机系统的系统级的认识。

(2)掌握操作系统中资源管理（复用、虚拟、抽象）的关键技术。

(3)掌握操作系统中进程管理和调度等控制程序执行的关键技术。

(4)掌握并发程序设计的基本思想，并具有解决相关问题的初步能力。

(5)掌握操作系统的构造技术，具有剖析和设计系统模块的初步能力。

(6)了解1个主流操作系统的设计和实现技术，能熟练操作和使用。

教学要求:

通过本课程的学习,使学生掌握操作系统的基本概念、原理、技术和方法;具有剖析实际操作系统、及设计、开发和构造现代操作系统的基本能力；深入了解操作系统在计算机系统中的地位及作用,以及它与硬件和其他软件之间的关系;进而熟悉操作系统控制和管理整个计算机系统执行的全过程,具有以操作系统为中心的计算机系统的全局和整体的概念。

三、教学方法与手段

课程以多媒体教学为主，辅助网络教学。课堂讲授与实验相结合。注意结合学生已学的内容。及时提问、收集学生学习情况，多实用具体实例来加以说明，注意难易结合，将课程讲述得较为浅显易懂。

四、教学内容及目标

教学内容	教学目标	学时分配
第一章操作系统概论		6
第一节操作系统概观操作系统与计算机系统；操作系统的资源管理技术（复用、虚拟、抽象）；操作系统的三个最基础抽象（进程、虚存、文件）；操作系统的定义和作用；操作系统功能和特性。	理解
第二节操作系统的形成和发展手工操作阶段、执行程序阶段、多道批处理方式、多道交互式方式；操作系统的分类和目标。第三节操作系统基本服务和用户接口基本服务和用户接口；程序接口与系统调用；操作接口与系统程序；Linux系统调用及实现机制。第四节操作系统结构和运行模型操作系统结构分类；操作系统结构设计；操作系统内核；操作系统的运行模型。第五节几种流行操作系统 UNIX操作系统，自由软件与Linux操作系统；IBM操作系统	了解掌握了解了解
重点与难点: 操作系统的发展历史、定义、作用、功能、特征、分类、发展动力和研究动向；操作系统在计算机系统中的地位，及与其他软件的区别；操作系统的资源管理技术:复用、虚拟和抽象；操作系统三个最基本抽象:进程抽象、虚存抽象和文件抽象；操作系统虚拟机及其实现原理；多道程序设计定义、实现基础、基本原理、主要特征、优点缺点。操作系统接口、操作系统服务；POSIX标准、访管指令、应用编程接口API、标准库函数；程序接口与系统调用；操作接口与系统程序。
衡量学习是否达到目标的标准: 看学生是否能清楚“操作系统是什么?为什么要它?它干什么?它如何干?”等问题。
第二章处理器管理		10
第一节处理器状态处理器；程序状态字与程序状态字寄存器	掌握
第二节中断技术中断概念及其作用；中断源及其分类；中断和异常的响应及服务；中断事件处理原则；中断优先级与多重中断； Linux中断处理。第三节进程及其实现进程的定义和属性；进程的状态和转换；进程的描述和组成；进程上下文切换与处理器状态转换、进程控制和管理。第四节线程及其实现引入多线程的动机；多线程环境中的进程与线程；线程的实现方法。第五节 Linux进程。第六节处理器调度处理器调度层次；选择调度算法原则；作业的管理与调度；低级调度的功能和类型；作业调度和进程调度算法。第七节 Linux调度算法	理解理解掌握了解理解理解
重点与难点: 处理器状态及其转换、特权指令与非特权指令、程序状态字；绝对时钟、间隔时钟、逻辑时钟及其实现；中断分类、中断和异常的响应及服务、中断屏蔽、中断优先级、多重中断；可重入程序和可再用程序；为什么要引入进程?进程的定义和属性、进程的状态和转换、进程的描述和组成、进程映像、进程上下文；进程切换、切换时机和切换过程、处理器状态转换；为什么要引入线程?多线程环境中，进程与线程的定义、状态、组成、联系和区别；处理器调度的层次；处理器调度算法选择的准则；进程/线程调度时机；低级调度的功能和类型；作业调度和低级调度算法。
衡量学习是否达到目标的标准: 掌握各种中断技术、线程、进程的概念。熟悉各种处理器调度算法。
第三章同步、通信与死锁第一节并发进程顺序程序设计和并发程序设计；进程间的竞争关系和协作关系。第二节临界区管理进程互斥与临界区；临界区及其管理原则；实现临界区管理的软件算法；实现临界区管理的硬件设施。	掌握理解	10
第三节信号量与PV操作同步与同步机制；信号量及其分类；信号量与PV操作；经典同步问题及其用信号量与PV操作的解法。第四节管程管程及其属性；管程的实现方法；管程方法求解经典同步问题。第五节进程通信进程通信及其种类；信号通信机制；管道通信机制；共享内存通信机制；消息传递机制。第六节死锁死锁产生；死锁防止；死锁避免；死锁检测和恢复。第七节 Linux同步和通信机制重点与难点: 程序的顺序执行与并发执行；与时间有关错误、相交和不相交并发进程；进程互斥、临界区、临界资源、竞争条件、临界区管理的实现方法(硬件设施和软件算法)；进程的竞争和协作；进程同步、同步机制、用信号量和PV操作解决经典同步问题；程的概念、特性、结构、条件变量和实现、管程解决进程同步问题；通信机制的分类和实现原理，用不同通信机制编程解决进程通信问题；死锁定义、引发原因、产生条件、死锁防止、避免、检测及解除方法。衡量学习是否达到目标的标准:掌握进程同步、进程通信、死锁的概念；信号量与PV操作解决操作系统中常见问题。	理解了解掌握理解了解
第四章存储管理		8
第一节存储器工作原理存储器层次；地址转换与存储保护；第二节连续存储管理固定分区存储管理；可变分区存储管理；内存不足的存储管理技术；第三节分页存储管理分页存储管理基本原理；快表；分页存储空间的分配与去配；页面共享和保护；多级页表；反置页表第四节分段存储管理程序分段结构；分段存储管理原理；分段存储管理共享和保护；分段和分页比较；第五节虚拟存储管理虚拟存储概念；请求分页虚拟存储管理；请求段页式虚拟存储管理；第六节 Linux虚拟存储管理	掌握理解理解掌握理解理解
重点与难点: 存储器层次、程序名字空间、逻辑地址空间和物理地址空间及其关系；地址重定位、存储保护机制；分区原理、交换原理、覆盖原理、对换原理；分页存储管理基本概念-页面、页框、逻辑地址、页表和地址转换、快表、页面共享和保护；多级页表、反置页表；分段存储管理基本概念、实现思想及优点；虚拟存储器、程序局部性原理；请求分页虚存管理的基本原理、硬件支撑、页表结构、地址转换、缺页中断率计算；各种分页虚存页面替换算法。衡量学习是否达到目标的标准:掌握存储管理基本概念；能使用基本原理进行地址转换；能够对替换页、命中率等进行分析和计算。
第五章设备管理		3
第一节 I/O硬件原理 I/O系统；I/O控制方式；设备控制器；第二节 I/O软件原理 I/O软件设计目标和原则；I/O中断处理程序；I/O设备驱动程序；独立于设备的I/O软件；用户空间的I/O软件第三节缓冲技术单缓冲；双缓冲；多缓冲第四节驱动调度技术存储设备的物理结构；循环排序；优化分布；搜查定位；提高磁盘I/O速度的方法；Linux磁盘I/O调度算法第五节设备分配设备独立性；设备分配及其数据结构；第六节虚拟设备问题提出；SPOOLing设计与实现；SPOOLing应用第七节 Linux设备管理	掌握掌握掌握掌握掌握掌握了解
重点与难点: I/O控制方式；设备管理的功能；I/O设备分类；I/O控制方式；设备控制器及其工作原理；I/O软件层次（I/O中断处理程序、I/O设备驱动程序、独立于设备的I/O软件和用户层I/O软件）及各层的功能；缓冲技术、缓冲区高速缓存；I/O调度和磁盘驱动调度算法；设备独立性；设备分配；虚拟设备的原理、数据结构、实现要点。衡量学习是否达到目标的标准:掌握I/O系统基本概念与原理
第六章文件管理		3
第一节文件文件概念和命名；文件类型和属性第二节文件目录文件控制块；文件目录和目录文件；层次目录结构；文件目录检索第三节文件组织与数据存储文件逻辑结构；文件物理结构；第四节文件系统功能及实现文件类系统调用；文件共享；文件空间管理；内存映射文件；虚拟文件系统；文件系统性能和可靠性第五节 Linux文件系统	掌握掌握掌握了解了解
重点与难点:文件系统概念；文件存取方法；FCB、inode、文件目录、目录文件；目录组织和检索；文件逻辑结构、文件物理结构；成组和分解、记录格式、记录键；文件空间管理。衡量学习是否达到目标的标准:是否理解文件、文件目录的概念；掌握文件的逻辑和物理结构。
第七章操作系统安全与保护	了解	0
第一节安全性概述第二节安全策略第三节安全模型第四节安全机制第五节安全操作系统设计和开发
重点与难点:安全性和可靠性含义；操作系统面临的安全威胁来源；安全需求、可信计算基；安全策略的定义及分类；安全模型及分类；硬件安全机制；认证机制；授权机制；加密机制；审计机制；最小特权原理和机制。衡量学习是否达到目标的标准:是否了解计算机安全、可靠性等概念。
第八章操作系统技术新进展	了解	0
第一节多处理器与多计算机系统第二节基于网络的计算模式第三节多核与超线程第四节并行处理环境下的同步与调度
重点与难点:多处理器与多计算机系统；基于网络的计算模式；多核与超线程；并行处理环境下的同步与调度衡量学习是否达到目标的标准:是否对操作系统技术新技术有全面了解。

五、推荐教材和教学参考资源

1.费翔林骆斌. 操作系统教程（第5版）.北京:高等教育出版社，2014

2. 孙钟秀. 操作系统教程（第4版）.北京:高等教育出版社，2008

3. 张尧学.计算机操作系统教程（第4版）. 北京:清华大学出版社，2013

4. 汤小丹梁红兵哲凤屏汤子瀛. 计算机操作系统（第四版）. 西安:西安电子科技大学出版社 ,2016

5.http://tres.nju.edu.cn/msmk/courses/czxtylysj/index.htm

教学内容	教学目标	学时分配
第一章操作系统概论		6
第一节操作系统概观操作系统与计算机系统；操作系统的资源管理技术（复用、虚拟、抽象）；操作系统的三个最基础抽象（进程、虚存、文件）；操作系统的定义和作用；操作系统功能和特性。	理解
第二节操作系统的形成和发展手工操作阶段、执行程序阶段、多道批处理方式、多道交互式方式；操作系统的分类和目标。第三节操作系统基本服务和用户接口基本服务和用户接口；程序接口与系统调用；操作接口与系统程序；Linux系统调用及实现机制。第四节操作系统结构和运行模型操作系统结构分类；操作系统结构设计；操作系统内核；操作系统的运行模型。第五节几种流行操作系统 UNIX操作系统，自由软件与Linux操作系统；IBM操作系统	了解掌握了解了解
重点与难点: 操作系统的发展历史、定义、作用、功能、特征、分类、发展动力和研究动向；操作系统在计算机系统中的地位，及与其他软件的区别；操作系统的资源管理技术:复用、虚拟和抽象；操作系统三个最基本抽象:进程抽象、虚存抽象和文件抽象；操作系统虚拟机及其实现原理；多道程序设计定义、实现基础、基本原理、主要特征、优点缺点。操作系统接口、操作系统服务；POSIX标准、访管指令、应用编程接口API、标准库函数；程序接口与系统调用；操作接口与系统程序。
衡量学习是否达到目标的标准: 看学生是否能清楚“操作系统是什么?为什么要它?它干什么?它如何干?”等问题。
第二章处理器管理		10
第一节处理器状态处理器；程序状态字与程序状态字寄存器	掌握
第二节中断技术中断概念及其作用；中断源及其分类；中断和异常的响应及服务；中断事件处理原则；中断优先级与多重中断； Linux中断处理。第三节进程及其实现进程的定义和属性；进程的状态和转换；进程的描述和组成；进程上下文切换与处理器状态转换、进程控制和管理。第四节线程及其实现引入多线程的动机；多线程环境中的进程与线程；线程的实现方法。第五节 Linux进程。第六节处理器调度处理器调度层次；选择调度算法原则；作业的管理与调度；低级调度的功能和类型；作业调度和进程调度算法。第七节 Linux调度算法	理解理解掌握了解理解理解
重点与难点: 处理器状态及其转换、特权指令与非特权指令、程序状态字；绝对时钟、间隔时钟、逻辑时钟及其实现；中断分类、中断和异常的响应及服务、中断屏蔽、中断优先级、多重中断；可重入程序和可再用程序；为什么要引入进程?进程的定义和属性、进程的状态和转换、进程的描述和组成、进程映像、进程上下文；进程切换、切换时机和切换过程、处理器状态转换；为什么要引入线程?多线程环境中，进程与线程的定义、状态、组成、联系和区别；处理器调度的层次；处理器调度算法选择的准则；进程/线程调度时机；低级调度的功能和类型；作业调度和低级调度算法。
衡量学习是否达到目标的标准: 掌握各种中断技术、线程、进程的概念。熟悉各种处理器调度算法。
第三章同步、通信与死锁第一节并发进程顺序程序设计和并发程序设计；进程间的竞争关系和协作关系。第二节临界区管理进程互斥与临界区；临界区及其管理原则；实现临界区管理的软件算法；实现临界区管理的硬件设施。	掌握理解	10
第三节信号量与PV操作同步与同步机制；信号量及其分类；信号量与PV操作；经典同步问题及其用信号量与PV操作的解法。第四节管程管程及其属性；管程的实现方法；管程方法求解经典同步问题。第五节进程通信进程通信及其种类；信号通信机制；管道通信机制；共享内存通信机制；消息传递机制。第六节死锁死锁产生；死锁防止；死锁避免；死锁检测和恢复。第七节 Linux同步和通信机制重点与难点: 程序的顺序执行与并发执行；与时间有关错误、相交和不相交并发进程；进程互斥、临界区、临界资源、竞争条件、临界区管理的实现方法(硬件设施和软件算法)；进程的竞争和协作；进程同步、同步机制、用信号量和PV操作解决经典同步问题；程的概念、特性、结构、条件变量和实现、管程解决进程同步问题；通信机制的分类和实现原理，用不同通信机制编程解决进程通信问题；死锁定义、引发原因、产生条件、死锁防止、避免、检测及解除方法。衡量学习是否达到目标的标准:掌握进程同步、进程通信、死锁的概念；信号量与PV操作解决操作系统中常见问题。	理解了解掌握理解了解
第四章存储管理		8
第一节存储器工作原理存储器层次；地址转换与存储保护；第二节连续存储管理固定分区存储管理；可变分区存储管理；内存不足的存储管理技术；第三节分页存储管理分页存储管理基本原理；快表；分页存储空间的分配与去配；页面共享和保护；多级页表；反置页表第四节分段存储管理程序分段结构；分段存储管理原理；分段存储管理共享和保护；分段和分页比较；第五节虚拟存储管理虚拟存储概念；请求分页虚拟存储管理；请求段页式虚拟存储管理；第六节 Linux虚拟存储管理	掌握理解理解掌握理解理解
重点与难点: 存储器层次、程序名字空间、逻辑地址空间和物理地址空间及其关系；地址重定位、存储保护机制；分区原理、交换原理、覆盖原理、对换原理；分页存储管理基本概念-页面、页框、逻辑地址、页表和地址转换、快表、页面共享和保护；多级页表、反置页表；分段存储管理基本概念、实现思想及优点；虚拟存储器、程序局部性原理；请求分页虚存管理的基本原理、硬件支撑、页表结构、地址转换、缺页中断率计算；各种分页虚存页面替换算法。衡量学习是否达到目标的标准:掌握存储管理基本概念；能使用基本原理进行地址转换；能够对替换页、命中率等进行分析和计算。
第五章设备管理		3
第一节 I/O硬件原理 I/O系统；I/O控制方式；设备控制器；第二节 I/O软件原理 I/O软件设计目标和原则；I/O中断处理程序；I/O设备驱动程序；独立于设备的I/O软件；用户空间的I/O软件第三节缓冲技术单缓冲；双缓冲；多缓冲第四节驱动调度技术存储设备的物理结构；循环排序；优化分布；搜查定位；提高磁盘I/O速度的方法；Linux磁盘I/O调度算法第五节设备分配设备独立性；设备分配及其数据结构；第六节虚拟设备问题提出；SPOOLing设计与实现；SPOOLing应用第七节 Linux设备管理	掌握掌握掌握掌握掌握掌握了解
重点与难点: I/O控制方式；设备管理的功能；I/O设备分类；I/O控制方式；设备控制器及其工作原理；I/O软件层次（I/O中断处理程序、I/O设备驱动程序、独立于设备的I/O软件和用户层I/O软件）及各层的功能；缓冲技术、缓冲区高速缓存；I/O调度和磁盘驱动调度算法；设备独立性；设备分配；虚拟设备的原理、数据结构、实现要点。衡量学习是否达到目标的标准:掌握I/O系统基本概念与原理
第六章文件管理		3
第一节文件文件概念和命名；文件类型和属性第二节文件目录文件控制块；文件目录和目录文件；层次目录结构；文件目录检索第三节文件组织与数据存储文件逻辑结构；文件物理结构；第四节文件系统功能及实现文件类系统调用；文件共享；文件空间管理；内存映射文件；虚拟文件系统；文件系统性能和可靠性第五节 Linux文件系统	掌握掌握掌握了解了解
重点与难点:文件系统概念；文件存取方法；FCB、inode、文件目录、目录文件；目录组织和检索；文件逻辑结构、文件物理结构；成组和分解、记录格式、记录键；文件空间管理。衡量学习是否达到目标的标准:是否理解文件、文件目录的概念；掌握文件的逻辑和物理结构。
第七章操作系统安全与保护	了解	0
第一节安全性概述第二节安全策略第三节安全模型第四节安全机制第五节安全操作系统设计和开发
重点与难点:安全性和可靠性含义；操作系统面临的安全威胁来源；安全需求、可信计算基；安全策略的定义及分类；安全模型及分类；硬件安全机制；认证机制；授权机制；加密机制；审计机制；最小特权原理和机制。衡量学习是否达到目标的标准:是否了解计算机安全、可靠性等概念。
第八章操作系统技术新进展	了解	0
第一节多处理器与多计算机系统第二节基于网络的计算模式第三节多核与超线程第四节并行处理环境下的同步与调度
重点与难点:多处理器与多计算机系统；基于网络的计算模式；多核与超线程；并行处理环境下的同步与调度衡量学习是否达到目标的标准:是否对操作系统技术新技术有全面了解。