操作系统原理与Linux实践教程（第2版）-教学大纲

《操作系统》课程教学大纲课程名称（中/英文）：操作系统/OperatingSystem课程编号：153011适用专业：计算机科学与技术、软件工程学分：3学时：48（其中：理论学时48，实践学时0）课程类型：专业核心先修课程：《数字逻辑与数字电路》、《计算机组成原理》、《汇编语言》、《高级语言程序设计》、《数据结构与算法分析》开课单位：计算机与人工智能学院一、课程简介本课程是软件工程专业及计算机类相关专业的一门专业核心课程。操作系统几乎是每个计算设备用户都必须使用的一种系统软件，它是各种应用软件工作的基础。因此，学习、理解操作系统的内部结构和工作原理，对于准确、熟练地应用操作系统、开发各种应用软件和操作系统的定制开发具有十分重要的意义。操作系统介于硬件和用户及应用软件之间，屏蔽硬件复杂性，为用户及应用软件提供方便易用的服务功能。操作系统构造管理各类硬件所需数据结构、处理模块，响应用户的资源申请，协调系统中的并发操作，为用户提供人机接口友好的工作平台和开发平台。通过本课程的学习，学生能够了解操作系统的基本概念，认识操作系统的内部结构，理解操作系统的工作流程，为后续课程的学习以及毕业后从事计算机专业工作打下必要的基础。二、课程目标与毕业要求1.课程目标通过《操作系统》的理论教学，使学生具备下列能力：课程目标1：准确理解操作系统全局概念和核心概念及资源管理策略与算法；理解不同概念之间的逻辑关系，以服务进程为主线，以资源管理为目标构建不同知识点之间的逻辑关系图，将各章知识形成有机整体，扎实掌握操作系统的知识体系并能够将其应用于软件工程实践中，解决系统和支撑平台的设计、开发、优化和管理等问题；课程目标2：掌握资源管理的数据结构与算法，具备通过查阅相关书籍、研究论文和其他参考资料进行深入学习和分析的能力，进而能够运用这些算法和技术解决实际操作系统设计和实现中遇到的问题。课程目标3：在日常使用操作系统的过程中，能够将所学的操作系统理论知识与实际应用相结合，对出现的各种现象做出合理的解释，并具备解决实际应用中遇到的问题的能力。独立掌握Linux操作系统的基本操作和编程接口，深入了解Linux如何实现操作系统理论中的核心概念以及资源管理的相关技术。获取并熟悉几种当前流行且具有代表性的操作系统及其配套的开发工具，掌握它们的使用方法，理解其内部运行机制和存在的局限性，从而为深入理解操作系统、有效利用操作系统内核功能以及进行自主操作系统研发打下坚实的基础。2.课程支撑的毕业要求课程主要支撑毕业要求1-2、4-1、5-1的达成，其中：毕业要求1-2：掌握软件工程、计算机及相关的工程基础和专业知识，能将其应用于软件工程中的系统架构、支撑平台等问题。毕业要求4-1：能够基于科学原理，通过文献研究或相关方法，调研和分析复杂软件工程问题的解决方案。毕业要求5-1：了解软件工程专业常用系统软件和开发工具，能够理解其局限性。3.课程目标对毕业要求的支撑关系课程目标对毕业指标点的支撑关系如表1所示。表1课程目标与毕业要求的支撑关系毕业要求1-2毕业要求4-1毕业要求5-1课程目标1HL课程目标2H课程目标3LH注：H表示高支撑，M表示中支撑，L表示低支撑。三、课程教学方法/教学内容及学时分配1.教学方法本课程共48学时，采用现场讲授教学方法，将课堂教学、随堂练习即时反馈、章节知识脉络总结、作业评讲等有机结合起来，实现教、学互动，双向反馈，增强学生的参与性和主动性，激发学生学习积极性和潜能。充分利用多媒体教学手段提高教学效率和教学效果。在教学过程中，注重基本理论、基本概念和基本方法。在传授学生课程知识的同时，培养学生认知能力和自主学习能力。2.教学内容及学时分配各章节教学内容安排与学时分配表如表2所示。表2教学内容与学时分配表章节序号课程内容课堂教学习题及讨论课对应课程目标第1章操作系统概论41课程目标1第2章处理器管理61课程目标2、3第3章并发进程的同步、互斥与死锁101课程目标2、3第4章存储管理81课程目标2、3第5章设备管理71课程目标2、3第6章文件管理71课程目标2、3总计426下面分章节介绍教学内容、主要要求和该章节的课程思政点。第1章操作系统概论1.教学内容（1）操作系统的定义和目标；（2）操作系统的资源管理技术；（3）操作系统的服务与功能；（4）操作系统的特性；（5）操作系统的发展与分类；（6）操作系统的用户接口；（7）操作系统的结构和运行模型。2.基本要求（1）掌握各个知识点与他们之间的逻辑关系，形成知识网络。（2）理论联系实际，将各个知识点与经典操作系统的对应概念相联系，理解其具体表现形式。3．课程思政（1）在说明操作系统复杂庞大、理解难度高的问题性时，以自己在学生时期阅读理解2.1万行操作系统源程序和反汇编3.6万行调试程序的艰苦实践类比，引起学生反思自己实践的不足；（2）在介绍芬兰大三学生LinusTorvalds成功创立Linux时，请学生思考：作为同龄人，自己做过哪些成功的计算机专业的事情，反思差距，寻找自己的发展点。第2章处理器管理1.教学内容（1）与操作系统设计相关的处理器的硬件知识，包括：中央处理器中寄存器的分类与作用，特权指令与非特权指令的概念，处理器状态与程序状态字，中断的概念和中断的分类，中断的响应和处理过程，中断与操作系统实现的密切关系，中断与处理器工作模式的关系；（2）操作系统对处理器执行任务的软件实现：进程的定义，进程实体组成，进程状态及转变，进程映像，进程上下文，进程控制块，进程切换的过程和时机，模式切换，进程管理和控制的处理过程；（3）线程的概念，线程的结构与状态，线程与进程的关系，线程的实现；（4）作业调度、中级调度和低级调度的职责和配置，低级调度的功能和类型；各种调度算法的思想及应用。2.基本要求（1）深刻理解处理器的特权级别与操作系统、用户程序和中断的关系；（2）熟悉进程及线程的定义、进程的组成、进程的状态及转变等基本概念；（3）理解进程切换与进程状态转变之间的关系和进程控制的处理过程；（4）能够将进程状态及转换的原则与进程调度算法的运用相结合。3．课程思政（1）将进程状态转换与红绿灯交通通行规则类比，引导学生思考操作系统设计思想的现实生活来源；（2）以企业间的协作类比进程间的协作，以企业内部部门间的协作类比进程内部线程之间的协作，引导学生思考形象理解进程与线程的关系。第3章并发进程的同步、互斥与死锁1.教学内容（1）程序执行的顺序性与并发性的含义以及两者的关系；（2）进程并发执行时与时间有关的错误；（3）进程无关和交互的概念及判断进程无关性的准则；（4）交互进程间的竞争关系和协作关系；（5）进程互斥和进程同步；（6）临界区和临界资源的定义，临界区调度原则，临界区管理的硬件技术和软件算法；（7）信号量和PV操作的数据结构、算法及其互斥、同步应用；（8）管程的定义、组成、实现和应用；（9）进程通信的方式：管道、共享内存、消息传递、套接字和信号的机理和应用，进程通信与进程同步和互斥的关系；（10）死锁的定义和死锁产生的原因，死锁产生的四个必要条件，应对死锁问题的策略：死锁的防止、死锁的避免和死锁的检测与解除。2.基本要求（1）准确区分同步与互斥的不同；（2）信号量和PV操作同步、互斥应用算法编制；（3）进程通信机制的应用；（4）死锁产生的各个条件的辨析；（5）死锁应对方法的应用。3．课程思政（1）以进程间的同步互斥关系类比国与国、人与人之间的竞争合作关系，思考课程知识与现实世界的映射关系。（2）揭示霍尔管程对同步互斥关系的协调过程是社会公德意识在计算机领域的延续，文明促进科学。第4章存储管理1.教学内容（1）存储器层次及其功能；（2）逻辑地址、物理地址、地址重定位的定义；（3）连续存储管理方案：固定分区、可变分区和伙伴系统；（4）分页存储管理系统的原理：机制、作业结构、内存结构、页面、页框、页表和页表控制寄存器等概念，分页地址转换，多级页表；（5）分段存储管理系统的原理：作业结构、内存结构、段、段表、段表控制寄存器、分段地址转换；（6）虚拟存储器的定义、实现基础、实现方案；（7）请求分页虚拟存储管理系统的原理：机制、缺页中断处理过程、各种全局和局部页面替换算法；（8）工作集虚拟存储管理原理：工作集定义、变量参数、基于工作集的可变分配局部页面替换算法。2.基本要求（1）熟悉存储管理的四项功能以及逻辑地址、地址重定位的定义；（2）理解伙伴系统的原理，查证其在Linux中的实现技术；（3）理解分页存储管理系统的原理，查证其在Linux中的实现技术；（4）理解请求分页虚拟存储管理系统的原理，掌握页面替换算法应用；（5）理解工作集虚拟存储管理原理，掌握其页面替换算法应用。3．课程思政比较简单的存储管理方案与复杂的存储管理方案的适用场合，表明技术本身无好坏，每种技术都有其用武之地，技术需要与需求最佳匹配，脱离需求谈技术优劣是舍本逐末的思维。第5章设备管理1.教学内容（1）硬件设备分类与硬件系统组成；（2）四种输入输出控制方式及它们之间的关系；（3）设备控制器的结构与作用；（4）输入输出软件的设计原则和目标及达到目标的方法；（5）输入输出软件系统的四个层次、职能及工作流程：输入输出中断处理程序、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；（6）硬盘的构造、工作原理和存储编址方式、磁盘调度算法；（7）虚拟设备的概念、SPOOLing系统的结构组成和工作过程。2.基本要求（1）熟悉设备分类，了解Linux设备分类情况及分类理由；（2）理解输入输出软件系统的层次结构及协作过程，了解Linux块设备驱动架构和字符设备架构；（3）掌握磁盘调度算法的应用，了解Linux磁盘调度算法的特征；（4）理解虚拟设备的概念、SPOOLing的结构和工作原理及其实际应用手段。3．课程思政（1）设备具有多样性，而统一的管理模式和应用模式则简化系统和用户的工作量。统一是在下层保留设备差异性而在上层抽取共性特征的求同存异。设备多样性并未妨碍设备管理和应用模式的统一性。设备管理和应用模式的统一性也未限制设备的多样性。统一性和多样性的共存状态反映科学、文明水平。（2）设备运行速度低，易成应用瓶颈，造成用户和作业拥堵，虚拟设备及SPOOLing充当了作业的集中接收者，它们类似于房屋销售中介、贷款中介、房产过户中介，在用户与业务员之间提供代办服务。计算机中的技术方法是现实世界在计算机领域的映射。第6章文件管理1.教学内容（1）文件的概念、文件命名、文件类型、文件属性和存取方法；（2）文件控制块、文件目录和目录文件的概念；（3）目录层次、索引节点目录结构及其访问方法；（4）文件的不同访问方式，文件逻辑结构与物理结构的含义及分类；（5）文件操作系统调用功能内核处理过程：文件的创建、打开、读写、关闭、删除等；（6）文件的共享方式及其实现方法：静态共享、动态共享、符号链接共享；（7）文件空间管理：文件空间分配方法，文件外存空间管理方法；（8）Linux/UNIX多级混合索引文件存储结构，Linux/UNIX磁盘空间的成组链接管理方法；（9）内存映射文件访问机制；（10）虚拟文件系统原理与组成。2.基本要求（1）结合操作系统实验，熟悉文件常见类型、主要属性；（2）理解索引节点目录结构及其访问方法；（3）熟悉文件逻辑结构与物理结构种类；（4）理解常见文件操作系统调用功能内核处理过程：涉及的数据结构和访问操作；（5）结合Linux、Windows理解文件的共享方式及其实现方法；（6）理解Linux/UNIX存储结构和磁盘空间管理方法；（7）理解内存映射文件访问机制工作原理及其与缺页中断机制的异同；（8）理解虚拟文件系统原理及Linux实现方法。3．课程思政（1）文件有别于硬件及程序，硬件及程序构成的计算机是一台数据加工机构，产生的产品为文件。所以，文件是计算机应用的归宿。许多文件比计算机本身价值更高，尊重文件的价值就是尊重知识产权。文件的使用、操作系统的使用以及程序的使用必须有安全访问控制机制加以保护。文件的创建、打开、读写等系统调用都包含着访问权限的检查功能。（2）Linux/UNIX多级混合索引文件存储结构和磁盘空间的成组链接管理方法再次体现了工业应用技术的优点综合性、实用性、市场可生存性。再次证明：技术的生命力在于用户需求。四、考核及成绩评定方法 考核方式：过程性考核（包括：作业考核、随堂问题讨论）、期末考试。成绩评定：过程性成绩（作业考核（10%））、期末考试（90%）。平时成绩评定标准如表3所示。表3过程性成绩评定标准课程目标及毕业要求评价依据评价标准能力提升情况得分课程目标1、2、3毕业要求指标点1-2、4-1、5-1作业讨论按时完成和提交每章作业，积极思考回答课堂问题，不迟到，不早退，随堂提问能够熟练正确运用相关概念、理论，表述准确、完整；作业能够独立思考，正确运用所需理论和公式，计算步骤完整，结果准确优按时完成和提交每章作业，积极思考回答课堂问题，基本做到不迟到，不早退，随堂提问能够正确运用相关概念、理论，表述基本准确、完整；作业能够独立思考，理论和公式运用基本正确，计算步骤较完整，结果准确良基本按时完成和提交每章作业，基本做到不迟到，不早退，随堂提问能够运用相关概念、理论，表述基本准确、完整；作业整洁度欠缺，计算步骤不太完整，结果有误中未能按时完成和提交每章作业，有抄袭现象；迟到、早退次数多；作业不整洁，漏做题目，计算步骤不完整，结果错误差期末考试主要考核操作系统理论知识的掌握程度，书面考试形式，具体成绩评定标准如下表4所示。表4期末成绩评定标准课程目标及毕业要求评价依据评价标准能力提升情况得分课程目标1毕业要求指标点1-2期末试卷涉及课程目标1的试题概念、理论表述准确、完整、清晰，专业术语运用得当。优概念、理论表述基本准确、完整，专业术语运用得当。良概念、理论表述基本准确，但不够完整，不能准确使用专业术语回答问题。中概念、理论表述错误较多，回答不充分、不完整、不相关、不专业。差课程目标2毕业要求指标点4-1期末试卷涉及课程目标2的试题能够正确运用操作系统相关章节基本算法及变形算法求解问题，解题过程完整、清晰，结果准确。能够运用信号量及PV操作同步互斥工具、消息传递通信机制设计同步互斥问题算法，算法完整，功能符合需求。能够准确、完整刻画核心数据结构组成、功能及其计算或操作处理。优能够正确运用操作系统相关章节基本算法及变形算法求解问题，解题过程完整，结果准确。能够运用信号量及PV操作同步互斥工具、消息传递通信机制设计同步互斥问题算法，算法较完整，功能符合需求。能够较准确、完整刻画核心数据结构组成、功能及其计算或操作处理。良能够运用操作系统相关章节基本算法及变形算法求解问题，解题过程基本完整，结果部分错误。能够运用信号量及PV操作同步互斥工具、消息传递通信机制设计同步互斥问题算法，算法不太完整，功能不完全符合需求。不能够准确、完整刻画核心数据结构组成、功能及其计算或操作处理。中不能够运用操作系统相关章节基本算法及变形算法求解问题，解题过程不完整，过程和结果均有错误。不能够运用信号量及PV操作同步互斥工具、消息传递通信机制设计同步互斥问题算法，算法不正确，功能不符合需求。不能刻画核心数据结构组成、功能及其计算或操作处理。差课程目标3毕业要求指标点5-1期末试卷涉及课程目标3的试题能够正确运用相关知识点分析判断类选项正确性。能够准确、完整表述进程控制、存储管理、设备管理、文件操作等内核事务处理过程。能够全面、准确分类总结，回答相关主题问题。能够对比性地准确指出相关知识点的区别与联系。优能够较正确运用相关知识点分析判断类选项正确性。能够较准确、完整表述进程控制、存储管理、设备管理、文件操作等内核事务处理过程。能够较全面、准确分类总结，回答相关主题问题。能够对比性地指出相关知识点的区别与联系。良运用相关知识点分析判断类选项正确性出现部分错误。表述进程控制、存储管理、设备管理、文件操作等内核事务处理过程时不够完整、准确。分类总结不够全面、准确。相关知识点的主要区别与联系未指出。中运用相关知识点分析判断类选项正确性出现较多错误。表述进程控制、存储管理、设备管理、文件操作等内核事务处理过程时不完整、不正确、不相关。分类总结不全面、不准确，重要条目缺失。相关知识点的主要区别与联系未指出。差五、评价依据评价依据：郑州大学计算机与人工智能学院课程目标达成情况评价机制。课程目标的达成还依据过程性数据和期末成绩，表5分别从4个课程目标给出