操作系统原理及应用（Linux）| 教学大纲

《操作系统》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程名称：操作系统

先修课程：《计算机导论》（或《计算机应用基础》）、《C语言程序设计》、《数据结构》、《计算机组成原理》

适用专业：计算机科学与技术、软件工程、网络工程等计算机及相关专业。

课程类别：专业教育必修课程/基础课程

课程总学时：56-72 （其中理论40-56学时，实验16学时）

二、课程目标

通过本课程的学习，使学生具备下列能力：

1．能够准确理解及掌握操作系统的基本概念、基本功能和基本原理，理解操作系统的整体运行过程。

2．能够理解及掌握操作系统的各组成部分，包括进程管理、调度、内存管理、文件管理、设备管理的功能及策略、算法、机制及相互关系。

3．能够运用操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题，并能利用C语言描述相关算法。

4．在理解及掌握操作系统原理及算法的基础上，在进行硬件配置、软件设计及编程过程中，能够在资源和效率方面综合考虑，完善提高设计方案，提高利用操作系统知识解决实际问题的能力。

三、教学内容、要求及重难点

第一章操作系统引论（3学时）

教学要求：

1．掌握操作系统的概念及功能，掌握操作系统的分类；

2．掌握操作系统在计算机系统中的地位和作用；理解操作系统的大致运行过程；

3．理解操作系统的特征；了解各种类型操作系统的特点及服务适应情况；

4．了解操作系统的结构特征及发展概况，发展趋势。

教学重点：

操作系统的概念、作用；操作系统的分类；操作系统的特征；操作系统的功能；操作系统的结构设计。

教学难点：

操作系统的特征；操作系统的功能。

[实验名称]

Linux系统管理及命令的使用

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．熟练Linux系统常用命令的使用；

2．掌握Vi编辑器的使用方法；

3．练习Linux shell的作用和主要分类，能编写简单的shell程序

[实验学时]

2学时

第二章进程管理（10学时）

教学要求：

1．掌握进程的概念与特征；

2．掌握进程的结构及进程控制的方法；

3．掌握进程的同步与互斥，以及实现进程同步问题的硬件方法和软件方法；

4．能用信号量机制解决进程的同步问题；

5．掌握线程的基本概念；

6．基本掌握利用管程解决同步问题的方法。

教学重点：                                                

进程的基本概念；进程控制；进程的同步与互斥；进程同步的应用。

教学难点：

进程的概念；进程的并发性；进程同步。

[实验名称]

实验1 进程控制编程

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．利用fork()创建几个进程，并分析这几个进程之间的关系；

2．熟悉并使用下列系统调用：fork()、exit()、wait()、lockf();对进程进行控制。

3．进一步理解进程的并发性。

[实验学时]

2学时

[实验名称]

实验2 进程的消息通信和共享存储区通信

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．实现进程的消息通信：使用系统调用msgget(),msgsnd(  ),msgrcv(  ) 及 msgctl(  )，编制对长度为1K的消息，并进行发送和接收；

2．分析消息的传递过程。

3．实现进程的共享存储区通信：使用系统调用shmget(  )、shmat(  )、sgmdt(  )、shmtctl(   )，编制一个程序，对一个长度为1K的消息进行发送和接收。

4．程序中对共享存储区进行创建、附接和断开的操作。

[实验学时]

 2学时

[实验名称]

实验3 进程通信的管道通信和软中断通信

[实验类型]

验证性

[实验要求]

1．实现进程的管道通信：使用系统调用pipe()建立一个管道文件，用来实现两个进程之间的通信；

2．分析管道通信的实现过程。

3．实现进程之间的软中断通信：使用系统调用fork()创建两个子进程，再用系统调用signal()、kill()实现进程之间的通信。

4．进一步理解体会以上各进程通信的特点及实现。

[实验学时]

2学时

第三章处理机调度与死锁（7学时）

教学要求：

1．掌握三级调度的概念及各级调度的分类；

2．掌握作业调度及进程调度的评价准则；

3．掌握几种典型的调度算法并能灵活应用；

4．掌握死锁的基本概念、产生的原因和必要条件；

5．掌握解决问题的4种方法，以及死锁预防的方法；

6．掌握死锁避免的概念、方法，掌握银行家算法的思想、数据结构和编程方法，并能灵活运用；

7．掌握死锁的检测和解除的方法。

教学重点：

调度的类型和模型；调度算法；实时系统中的调度；多处理机调度；死锁的基本概念、原因和必要条件；死锁的预防和避免；死锁的检测和解除。

教学难点：

三级调度的概念；调度算法；死锁的避免。

[实验名称]

银行家算法

[实验类型]

综合型

[实验要求]

1．正确设置银行家算法中的数据结构，并根据实际情况初始化，理解各结构之间关系及变化过程；

2．根据银行家算法的思想，设计解决实际问题的正确算法；

3．使用gcc写出程序，进行调试和测试。

4．分析程序的运行结果。

[实验学时]

2学时

第四章存储器管理（8学时）

教学要求：

1．理解操作系统内存管理的任务需求，掌握计算机系统的各种存储介质及其特点，以及在功能增强需求时操作系统采取的策略和思想；

2．掌握内存分配的基本方法，包括分区、分页、分段及段页式存储管理方法的思想及优缺点；

3．掌握各种基本内存管理方法的数据结构、重定位方法；

4．掌握虚拟存储器的概念及原理，以及实现虚拟存储器的技术；

5．掌握对换的概念及管理方法；

6．掌握请求分页技术及实现方法，掌握OPT、FIFO、LRU、CLOCK页面置换算法，并能灵活运用；

7．掌握请求分段存储管理方式；

8．掌握工作集、抖动的概念，理解Belady异常现象。

教学重点：

连续分配存储管理方式；基本分页存储管理方式；基本分段存储管理；对换技术；请求分页存储管理方式；页面置换算法；请求分段存储管理方式。

教学难点：

页式存储管理方式；虚拟存储器的概念；请求分页。

[实验名称]

页面置换算法模拟

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．模拟实现各种页面置换算法。具体步骤为：使用产生随机数函数得到一个随机的数列，做为将要载入的页面序列。

2．可以选择使用先进先出（FIFO）算法、最近最久未使用（LRU）置换算法和最佳（OPT）置换算法，给出所需淘汰的页面号序列。列出缺页中断次数。

3．观察实验结果，对以上各置换算法进行分析对比，得出结论。

[实验学时]

2学时

第五章文件管理（6学时）

教学要求：

1．掌握文件及文件系统的概念、功能；

2．掌握文件的逻辑结构，以及在逻辑结构基础上文件的访问方式；

3．掌握文件的物理结构，以及各种结构的特点、文件访问的优缺点；

4．掌握目录文件的结构方法，以及操作系统实现按名访问的工作原理；

5．掌握文件存储空间的管理方法，以及各自的特点；

6．基本掌握文件共享和文件保护的理论及方法。

教学重点：          

文件逻辑结构；外存分配方式；目录管理；文件存储空间的管理；文件共享与文件保护。

教学难点：文件的存取方式；文件的物理结构；文件目录。

[实验名称]

实验1文件管理命令

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．掌握文件相关命令在系统中的存在方式及bin子目录；

2．练习并掌握文件管理命令的使用；

3．练习并掌握目录管理命令的使用。

[实验学时]

2学时

[实验名称]

实验2　文件管理编程

[实验类型]

验证型

[实验要求]

1．使用文件系统调用open(),read(),write(),close()，对文件进行操作。编写实现两个文件合并的程序；在进程中执行一个可执行文件，可以是系统的，也可以是自定义的；

2．编写一个程序，利用fork调用创建一个子进程，并让子进程执行一个可执行文件。

3．理解及掌握操作系统文件管理中命令的建立及实现

 [实验学时]

2学时

第六章设备管理（6学时）

教学要求：

1．掌握I/O系统的组成、I/O控制方式；

2．掌握缓冲区的引入目的，以及缓冲分类，掌握缓冲池的构成及使用过程；

3．了解设备分配方法及设备处理程序的功能特点；

4．掌握设备独立性的概念；

5．了解设备处理程序的处理过程；掌握中断处理程序的处理过程；

6．掌握虚拟设备技术及其实现的方法，掌握Spooling技术原理及其构成；

7．掌握磁盘调度算法；了解磁盘的管理方法；        

8．理解操作系统对设备管理的各种方法对提高系统效率的意义。

教学重点：

I/O系统的组成；I/O控制方式、缓冲管理；设备分配；设备处理；磁盘存储器管理。

教学难点：

I/O控制方式；缓冲管理；磁盘调度算法。

[实验学时]

0学时

四、课程目标与考核内容

五、推荐教材

推荐教材

王红.《操作系统原理及应用(Linux)》.清华大学出版社，2018.3