《操作系统》教学大纲.docx

操作系统(Operating System )
课程代码：3151038
学分：4
学时：64学时，（其中：课程教学学时：48,实验学时：16）
先修课程：《数据结构》、《程序设计基础》、《汇编语言程序设计》
适用专业：计算机科学与技术
教材：汤小丹，梁红兵，哲凤屏，汤子瀛，《计算机操作系统》（第四版）， 西安电子科技大学出版社，2014年5月
开课学院：计算机与软件学院一、课程性质与课程目标
（一）课程性质
《操作系统》课程是计算机科学与技术专业以及其它计算机相关专业的一门专业主干课 程和必修课程，本课程对计算机专业学科能力的培养具有重要意义。
通过本课程的学习，使得学生了解操作系统及其相关的基础计算机科学知识，掌握构建 操作系统的基本思想和原理，实现机制和基本算法。止匕外，通过和操作系统实践课程互.相配 合、理论联系实际，进一步巩固所学的相关理论知识，增强对操作系统原理的理解，并培养 学生良好的系统设计与实现能力。
（二）课程目标
课程目标包括知识目标和能力目标，具体如下：
课程目标1：使学生掌握操作系统的基本概念和基本理论，了解与掌握操作系统组成框 架、原理、实现的核心问题以及解决方案与相关算法，培养学生解决计算机领域复杂工程问 题所需专业基础知识，为本专业后续课程的学习打下良好的理论基础；
课程目标2：通过对操作系统并发与进程管理、内存分配管理以及资源管理等局部的内 容学习，培养学生运用计算思维，工程问题建模，分析和解决问题的能力；
课程目标3：通过对操作系统内存分配、资源分析、并发竞争等相培养学生通过理论分 析手段解决计算机领域复杂工程问题，分析判断影响系统性能的核心因素及相应的解决方案;
课程目标4：能够综合运用操作系统课程的基本理论和设计方法，针对计算机领域复杂 工程问题研究和设计可行的解决方案，并能对解决方案进行分析和论证。
（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系
本课程支撑专业培养计划中的毕业要求指标点1.4、3.3、4.2。
毕业要求指标点1.4：系统掌握计算机基础理论及专业知识，包括计算机硬件、软件及 系统等方面内容，具备理解计算机复杂工程问题的能力，能够运用所学知识进行计算机问题 求解；
毕业要求指标点3.3.在掌握软硬件资源管理基本算法基础上，理解各类资源系统的概
成绩组成
考核/评价环节
分值
考核/评价细那么
对应的毕业 要求指标点
出勤、预 习10%
出勤状况， 预习评价
10
能按时到勤，遵守实验规定，不损坏实验设备（占 5%）；能够预习，并理解实验原理及1=1的（占5%）。
1.4
实验过程 60%
实验中的表现
60
按照预设方案操作实验设备、仪表，正确完成实 验（占25%）；实验结果的准确性（占20%）；利 用所学知识分析解决问题的能力（占15%）。各 个实验在总分中所占权重系数以课时数为标准。
1.4
3.3
4.2
实验报告 30%
实验报告评价
30
主要考察学生对实验结果进行分析和实验数据 进行处理的能力。要求报告字迹工整、格式规范 （占10%）；数据准确（占10%）；并按要求完成 相应思考题（10%）。
1.4
3.3
4.2

念、原理及其在计算机领域的主要表达;毕业要求指标点4.2.具有计算机软硬件及系统相关的工程基础能力，能够针对计算机 领域相关问题进行实验验证与实现，能够利用理论分析手段对实验数据进行解释与比照分析, 给出实验结论。
毕业要求输点、
课程目标1
课程目标2
课程目标3
课程目标4
毕业要求1.4

毕业要求3.3
/

毕业要求4.2

二、课程内容及教学要求
《操作系统》课程主要介绍操作系统的基本概念、基本原理、操作系统各组成局部涉及 到的经典问题与算法。简单介绍操作系统的由来与开展历程；重点介绍操作系统对计算机资 源各方面管理的实现，即进程管理、内存管理、文件管理、外设管理的管理方法、数据模型 架构、算法等，
本课程基本要求是：掌握操作系统组成、实现原理、核心算法，对操作系统的性能有一 定的分析能力；针对典型的计算机系统问题，能选择合适的算法解决问题。
第1章操作系统引论
（一） 教学内容
1 .概述（0.5学时）操作系统的概念、目标、作用、层次模型；操作系统的历史；
2 .操作系统的特征、功能；（0.5学时）操作系统的特征、服务、功能；
3 .操作系统的分类和开展（0.5学时）批处理系统；分时系统；实时系统；单用户操 作系统;网络操作系统;操作系统的三种基本类型、通用操作系统；
4 .操作系统的运行环境（0.5学时）。
（二）教学要求
1 .了解操作系统的作用和两个主要目标；
2 .了解批处理的概念，理解单道和多道的区别，理解分时系统和实时系统的区别；
3 .熟悉操作系统的四个基本特征，理解并发性的含义，做到能区分并发和并行：
4 .熟悉操作系统的五个主要功能；
5 .了解操作系统结构设计的几种方法，熟悉他们各自的优缺点；
6 .了解操作系统提供给的服务和操作系统运行的环境。
（三）教学重点与难点
1 .重点
操作系统的作用，多道程序设计的概念，并发概念的深入理解，操作系统的四个基本 特征的表述和两个最主要的特征。
2 .难点
分时系统和实时系统的比拟，操作系统的概念以及操作系统提供给用户的接口。
第2章处理器管理
（一）教学内容
1 .中断处理（0.5学时）；
2 .进程的概念（1.5学时）前趋图；程序的顺序执行；程序的并发执行；
3 .进程的描述（1.5学时）进程的定义；特征；状态图；状态转换图;进程控制块
4 .进程控制（1.5学时）进程控制方式；进程控制机构；进程的创立与撤消；进程的 阻塞与唤醒；进程的挂起与激活；
5 .进程同步与互斥（2学时）概念；临界资源与临界区；实现临界区互斥的基本方法： 软件实现方法、硬件实现方法：信号量与p.v原语；管程：经典同步问题：生产者一 消费者问题；读者■写者问题；哲学家进餐问题：
6 .进程通信（1.5学时）通信类型：共享存储系统、消息传递系统、管道通信；通信 方式；消息缓冲队列通信机制；
7 .线程概念与多线程模型（1.5学时）。
（二）教学要求
1 .了解引入进程的原因，引入线程的原因；
2 .理解进程的概念和线程的概念和特征，做到能找出进程和程序、进程和现场的区别；
3 .理解进程的三个基本状态之间的转换原理，能列出引出转换的典型事件；
4 .了解进程控制块的构造，了解进程控制的内容；
5 . 了解进程为什么要同步和互斥，同步互斥的区别；
6 .理解临界区和临界资源的概念，能判读简单的两进程临界区算法的正确性；
7 .掌握整型信号量和记录型信号量的伪代码定义；
8 .掌握信号量的用法，能用信号量处理各种实际的互斥和同步的问题；
9 .了解管程的优势和定义；
10 . 了解进程通信的几种方式：
11 . 了解多线程模型和实现临界区互.斥的基本方法。
（三）教学重点与难点
1 .重点
进程和程序的比拟，进程和线程的比拟，进程的三个基本状态的转换的因果关系，判 断临界区算法的正确与否，整型信号量和记录型信号量的定义。
2 .难点
信号量的应用。
第3章调度与死锁
（一）教学内容
1 .进程调度（3.5学时）调度的基本概念；调度的时机、切换与过程，基本准那么；调 度的类型；调度队列模型；调度算法：先来先服务调度算法、短作业（进程）优先调 度算法、优先权优先调度算法进程的时间片轮转法调度、多级反应调度算法；
2 .多处理机调度（0.5学时）基本概念；调度方式；
3 .死锁（4学时）死锁的基本概念；死锁的成因及必要条件；死锁处理策略；死锁预 防与防止；死锁的解除与预防；银行家算法防止死锁：死锁的检测、死锁定理、资源 分配图。
（二）教学要求
1 .理解处理机调度的三级调度各自的含义，会区分这三种调度；
2 .理解抢占式调度和非抢占式调度这两种调度方式的概念，知道时间片轮转法等调度 算法是抢占式的还是非抢占式的：
3 . 了解调度算法的准那么；
4 .掌握常见的几种调度算法,做到能根据系统中各个进程的属性和到达情况按常见的 调度算法调度多个进程执行的顺序；
5 .理解等待时间、周转时间、加权周转时间的含义，做到会计算他们：
6 . 了解实时调度；
7 .理解死锁发生的四个必要条件，做到能举例子如何限制这些条件不成立，能判断当 前系统有没有发生死锁；
8 .理解处理死锁的几个方法，尤其是死锁预防和死锁防止的区别；
9 .掌握死锁防止的重要算法-银行家算法，做到能用银行家算法调度一个系统的资源 分配：
10 .了解死锁检测和解除的概念和方法。
（三）教学重点与难点
1 .重点
三级调度之间的比拟和含义；常见的调度算法的比拟：用常见的调度算法调度当前系 统，并计算平均周转时间、平均加权周转时间、平均等待时间。
2 .难点
用死锁发生的必要条件来分析系统是否会死锁，提出解决方案；用银行家算法判别系 统是否处于平安状态，是否应该同意一个进程的资源申请。
第4章存储器管理
（-）教学内容
1 .存储管理的功能（1学时）程序的装入和程序的链接；存储空间的分配和去配；内 存分配回收算法；
2 .连续分配存储区管理（1学时）重定位概念；单连续存储管理；固定分区存储区管 理；可变分区存储区管理;可变分区存储管理的内存分配算法：首次适应算法、循环首 次适应算法、最正确适应算法：
3 .连续分配存储区管理（3学时•）基本的分页存储管理方式：逻辑页面和页表，地址 变换机构，基本的分段存储管理方式：段表和分段系统的基本原来、分页存储管理方 式和分段存储管理方式得区别，段页式存储管理方式的基本概念；
4 .虚拟存储器（3学时）对换（swapping）的基本概念和对虚拟存储管理的作用：
5 .请求分页虚拟存储管理系统；硬件支持：页表机制、缺页中断机构、地址变换机构， 页面调度算法：最正确置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置 换算法（LRU）；时钟置换算法（CLOCK）；请求分段存储管理系统：硬件支持，地址变 换机构；页面分配策略：抖动现象和工作集；
6 .请求分段管理方式和请求段页式管理方式（2学时）。
（二）教学要求. 了解一个程序从编译、链接到被装入执行的过程，理解逻辑地址和物理地址的含义;
1 . 了解静态链接和动态链接、绝对装入和可重定位装入；.理解几种基本的连续分配方式，能区分是否有内部碎片和外部碎片；
2 .掌握分页存储管理方式的逻辑地址结构，页表结构，能根据页面大小和逻辑地址位 数计算页表的体积；.掌握分页存储管理方式的地址变换过程，能画出分页系统的地址机构图；
3 . 了解快表和多级页表的作用和原理；. 了解分段系统的逻辑地址结构、段表结构，地址变换过程；
4 . 了解分页系统和分段系统的区别和联系，优点和缺点；. 了解段页式系统的地址变换过程；
5 .理解虚拟存储器的概念，知道请求分页、请求分段和请求段页式是如何实现虚拟存 储器的；
6 .掌握请求分页系统的页面置换算法，能根据给出的引用串列页面替换情况表，会计 算缺页率、命中率，知道几种常用置换算法的优缺点，了解Belady异常，了解抖动和 对付抖动的方法一工作集模型；
7 .了解请求分段系统的优点；（三）教学重点与难点
1 .重点
内部碎片和外部碎片；逻辑地址和物理地址；内存分配策略；分贝的地址变换、虫表 的使用；分页和分段的优缺点；虚拟存储器概念。
2 .难点页面置换算法和缺页率。
第5章文件系统（一）教学内容
1 .文件和文件系统（1.5学时）文件、记录、数据项；文件类型、文件系统模型、文 件操作；.文件逻辑结构（1.5学时）顺序文件、索引文件、索引顺序文件；
2 .外存的分配方式（2学时）连续分配、链接分配、索引分配：
3 .目录管理（1学时）文件控制块和索引结点；目录结构的类型；.文件存储空间的管理（1.5学时）空闲表法和空闲链表，位示图法；
4 .文件共享与保护（0.5学时）。
（二）教学要求. 了解文件系统、文件、记录、数据项的概念
1 . 了解文件的几种分类方式，了解文件系统的层次结构.掌握文件的翻开和关闭操作的含义，了解文件的基本操作
2 . 了解文件的逻辑结构，理解有结构文件（记录式文件）的类别
3 .掌握三种外存分配方式，理解连续分配、链接分配和索引分配之间的优缺点，会用 这三种分配方式寻找、删除、插入、移动数据块
4 .掌握混合索引结构的分配方式，以Unix的索引节点为例，会计算混合索引结构所 能访问到的外存空间的容量
5 .了解几种目录结构，掌握多级目录结构（树形目录结构）的访问方式.理解文件存储管理中的空闲表、空闲链表法、位示图法和成组连接法
6 . 了解文件保护的方法，了解文件共享的动机、方式和语义，理解文件共享的几种方 法.了解文件系统的实现
（三）教学重点与难点.重点
文件的翻开操作和关闭操作；记录式文件和流式文件的区别；树形目录结构的文件共 享.难点
连续分配、链接分配及索引分配访问磁盘的次数；混介索引方式访问的磁盘容量和读 取所需的磁盘I/O次数
第6章设备管理（一）教学内容
1 . I /。控制系统（2学时）主要I / 0设备的物理、逻辑特性；I / 0控制方式;.缓冲管理（2学时）基本概念；缓冲方式；
2 .磁盘调度算法（2学时）磁盘的结构，磁盘的调度算法：先来先服务;最短查找时间 优先;扫描算法;分步扫描;单向扫描；
3 .设备分配和管理（2学时）SPOOLING技术；
4 . §6.5设备处理（2学时）。
（二）教学要求. 了解I/O设备的几种类型：
1 .掌握四种I/O控制方式，重点掌握DMA方式和通道方式，做到能列举中断方式、 DMA方式和通道方式之间的区别和联系；
2 . 了解引入缓冲的目的，了解缓冲区的类别和结构，理解缓冲区和快速缓存的区别；. 了解设备分配和回收：
3 .掌握SPOOLing技术的概念，理解引入SPOOLing技术的目的，做到能表达出 SPOOLing7；
4 .掌握几种典型的磁盘调度算法，重点掌握SSTF和SCAN算法,理解他们的优缺点， 做到能为给定的一组磁盘访问请求按照这些算法调度；了解几种提高磁盘I/O速度的方法，理解延迟写的过程；
7. 了解I/O应用接口，出错处理。
（三）教学重点与难点.重点
DMA控制方式的流程，DMA方式和通道方式以及中断方式的区别；引入缓冲的目 的；快速缓存和缓冲区的区别；SPOOLing技术的概念、目的以及实现过程。
1 .难点磁盘访问时间的计算；常用磁盘调度算法的使用
三、本课程开设的实验工程实验1： Unix的命令控制界面和编程界面
编号
实验工程名称
学时
类型
要求
支撑的课程目标
1
Unix的命令控制界面和编程界面
2
综合性
必做
目标1
2
死锁的防止—银行家算法
4
设计性
必做
目标 1, 2, 3, 4
3
请求页式存储管理设计
4
设计性
必做
目标 1, 2, 3, 4
4
进程管理设计
6
设计性
必做
目标 1, 2, 3, 4
.实验目的及要求
1）掌握Unix操作系统的基本操作方法；2）掌握Unix操作系统的用户管理与配置；
3）掌握Unix操作系统的终端基本命令操作；4）在Unix操作系统中编写C语言程序，调用操作系统底层API
2 .实验主要内容1）掌握Unix操作系统的基本操作
2）验证操作系统为用户操作的二种方式以及编程使用操作系统接口.重难点
操作系统的内核API调用实验2.死锁的防止一银行家算法
1 .实验目的及要求了解死锁的概念，死锁产生的原因；
2）掌握银行家算法的概念，算法的数据结构流程3）编程实现对银行家算法的模拟实现
2 .实验主要内容1）了解银行家算法的内容
2）掌握银行家算法实现的数据结构，资源分配策略3）设计银行家算法的程序实现以及模拟银行家算法在资源分配的过程
3 .重难点银行家算法的掌握；编程实现与模拟实现银行家算法分配计算机资源的过程。
实验3.请求页式存储管理设计.实验目的及要求
1） 了解请求页式存储管理的基本概念，存储分配的流程；2）掌握请求页式存储管理，掌握三种请求页式分配算法的数据结构流程
3）编程实现对三种请求页式分配算法的模拟实现.实验主要内容
1）了解三种请求页式分配算法的内容2）掌握三种请求页式分配算法实现的数据结构，资源分配策略
3）设计三种请求页式分配算法程序实现以及模拟页面分配的过程.重难点
三种请求页式分配算法的掌握；编程实现请求页式分配算法程序实现以及模拟页面分配 的过程。
实验4.进程管理设计.实验目的及要求
1） 了解进程调试的基本概念，二种不同调试算法实现的流程；2）掌握二种不同调试算法的数据结构及算法实现流程
2 .实验主要内容1）掌握二种不同调试算法的数据结构及算法实现流程
2）编程实现对二种不同调试算法的模拟实现.重点和难点
二种不同调试算法的模拟实现。
注：本课程为专业课，授课对象为大三学生，实验类型主要包括验证性和综合性实验， 均需要提交实验报告，实验报告主要包括实验目的、要求和内容，数据的分析以及思考题的 回答。实验评价内容和评分细那么参见附录1。
四、学时分配及教学方法
章
教学形式及学时分配
主要教学方法
支撑的课程目标
课堂 教学
实验
上机
课程 实践
小计
第一章操作系统引论
2
2

4
讲授、案例、演 示、讨论
目标1
第二章处理器管理
10
6

16
讲授、案例、自 学、实验
目标 1, 2, 3, 4
第三章调度与死锁
8
4

12
讲授、讨论、对 比、自学
目标 1, 2, 3, 4
第四章存储器管理
10
4

14
讲授、演示、讨 论、自学
目标 1, 2, 3, 4
第五章文件系统
8

8
讲授、自学
目标 1, 2, 3, 4
第六章设备管理
10

10
讲授、自学
目标 1, 2, 3, 4
合计
48
16

64

注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；
2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、工程、案 例等教学方法）等。
五、课程考核1.课程考核方式包括期末考试、平时作业和实验情况考核。
考核形式
考核要求
考核权重
备注
平时作业 及阶段测 试
课后完成15~20个习题，主要考核学生对每节课知识点 的复习、理解和掌握度，计算全部作业的平均成绩再按 15%计入总成绩；可让学生查阅资料，了解本课程相关 技术开展情况，自主学习并完成。
15%
根据平时作业得 分取平均值或结 合平时测试情况
实验
完成2个实验，主要训练学生应用所学知识构建实验系 统，并进行实验的能力，最后按15%计入课程总成绩。
15%
评分细那么见附录1
期末考试
试卷题型包括填空题、选择题、判断改错题、简答题、 综合题5大类，以卷面成绩的70%计入课程总成绩。其 中考核操作系统原理及应用基础知识及应用能力的题
占90%；考核能针对个人或职业开展的需求，采用合适 的方法，自主学习，适应开展占比10%。
70%
期末考试采用闭

六、参考书目及学习资料1、《计算机操作系统教程》，清华大学出版社；张尧学史美林，2000；
2、《操作系统-习题解析》，清华大学出版社；曾平李春葆，2001；
七、大纲说明
1 .主要采用多媒体教学手段，主要知识点板书与多媒体相结合，多种教学手段综合运 用O
2 .课后共需完成近20道习题作'也，以评价学生对所学内容的理解和应用情况。建议利 用网络教学平台自学相关内容。
附录1：实验考核方式及评分细那么
本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表现（其中包含分析与解决问题的能力）、 实验报告的质量等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式进行。实验成绩中出 勒、预习占10%,实验过程表现占60%、实验报告及思考题占30%。