操作系统设计原理 教学大纲、授课计划（64学时）

PAGEPAGE14《操作系统》教学大纲一、课程基本信息课程中文名：操作系统课程英文名：OperatingSystem课程代码：课程学分：3.5总学时数：64课程类别：专业基础必修课程性质：必修开课学院：xx学院适用专业：xx先修课程：程序设计基础、数据结构与算法、计算机硬件基础后续课程：选用教材：《操作系统设计原理》，毛启容等，清华大学出版社课程网址：二、课程性质与课程目标（一）课程性质操作系统是计算机系统中不可缺少的基础系统软件。它用于管理和控制计算机系统中软、硬件资源，提供用户交互接口，是计算机系统的灵魂和核心。《操作系统》是计算机类专业的重要专业基础课和必修课，在整个教学体系中占据非常重要的地位。作为计算机类专业的核心课程之一，本课程既培养学生掌握操作系统的基本概念、原理和设计方法，又培养学生具备一定的软件系统的设计与开发能力及计算机系统的管理与维护能力。（二）课程目标课程目标1：能够理解和解释操作系统的基本概念、基本原理、功能和作用，了解现代操作系统的特点。课程目标2：能够运用计算机系统工程科学的基本原理，识别和判断操作系统功能模块实现问题的关键环节和影响因素。课程目标3：能够通过文献研究，运用所学知识设计、建模并实现操作系统的功能模块，合理使用相关算法。课程目标4：能够遵循系统化的基本要求，确定操作系统相关功能模块设计目标和技术方案，并体现创新意识，为实现具有自主知识产权的操作系统贡献力量。课程目标5：能够综合应用场景和技术需求，设计可行的实验方案，并对实验结果进行输入条件关联分析和解释，综合评估方案的有效性，探索改进措施。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系序号课程目标毕业要求指标点11,2,3指标点4-1：能够借助文献研究和专业知识，分析问题域的复杂性并抽取问题域的关键特征。24,5指标点4-2：能够基于科学原理或专业理论，根据问题域的关键特征及复杂性，选择可行的技术路线，并制定具体的研究方案。三、课程内容与教学要求第1章操作系统概述（一）课程内容（1）操作系统的定义。（讲授）（2）操作系统的形成与发展，以及我国操作系统的现状。（讲授）（3）操作系统的分类。（讲授+案例式）（4）操作系统的运行环境。（讲授）（5）操作系统结构。（讲授+自学+案例）（6）现代操作系统。（自学）（二）教学要求（1）掌握操作系统的概念、基本类型和功能。（2）了解操作系统的发展历史及操作系统的结构。（3）激发学生学习本课程的兴趣和创新意识。（4）能够识别操作系统功能实现的复杂工程问题。（三）重点与难点（1）重点是操作系统的概念和分类。（2）难点是操作系统结构。第2章进程与线程（一）课程内容（1）多道程序与并发执行。（讲授）（2）进程模型。（讲授）（3）线程模型。（讲授）（4）进程、线程管理实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）理解多道程序与并发执行情况。（2）掌握进程与线程的概念。（3）了解UNIX、Linux、Windows和OpenHarmony中的进程与线程的管理。（4）具有按情形正确选用进程与线程模型的能力。（三）重点与难点（1）重点是进程与线程概念和模型。（2）难点是多线程调度。第3章互斥与同步（一）课程内容（1）进程管理的背景。（讲授+案例）（2）进程互斥。（讲授+案例）（3）进程同步。（讲授+案例+实验）（4）进程通信。（讲授+案例）（5）死锁。（讲授+案例）（6）多核环境下的进程同步。（讲授+自学）（7）进程同步与通信实例。（讲授+案例）（二）教学要求（1）掌握进程同步、进程互斥、进程通信及死锁的概念。（2）掌握进程互斥、进程同步、进程通信及死锁的防止、避免、检测与恢复的实现方法。（3）理解进程管理的背景。（4）了解临界区管理的硬件与软件实现方法。（5）了解UNIX、Linux、Windows和OpenHarmony中进程同步与通信的实现方法。（6）具有按情形构建模型，解决进程的同步与互斥、进程间通信及死锁问题的能力，并明白解决方案的有效性。（三）重点与难点（1）重点是进程的同步、进程互斥、进程通信与死锁概念；进程互斥、进程同步、进程通信及死锁的防止、避免、检测与恢复的实现方法。（2）难点是进程同步与互斥的实现方法。第4章处理机调度（一）课程内容（1）处理器调度类型。（讲授）（2）单处理机调度算法。（讲授+实验）（3）多处理机调度。（讲授）（4）实时调度。（讲授）（5）处理机调度实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）掌握单处理机调度算法、多处理机调度算法和实时调度算法。（2）了解处理机调度实例；（3）具有按情形选用调度算法的能力。（4）能够运用所学知识解决处理器调度功能模块设计与实现问题。（5）能对处理器调度实验结果进行分析、解释，得出结论的有效性。（三）重点与难点（1）重点是短程调度算法；（2）难点是多处理机调度。第5章内存管理（一）课程内容（1）内存管理的功能。（讲授）（2）重定位。（讲授）（3）分区存储管理。（讲授）（4）页式存储管理。（讲授+实验）（5）段式及段页式存储管理。（讲授）（6）内存管理实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）掌握存储管理的功能、分区内存管理、覆盖与交换、分页式和段式内存管理。（2）理解段页式内存管理实现原理。（3）了解局部性原理和抖动问题。（4）了解内存管理的实例。（5）具有按情形正确选用和设计合适的存储管理方式的能力。（6）能够运用所学知识解决存储管理功能模块设计与实现问题。（7）能对存储管理实验结果进行分析、解释，得出结论的有效性。（三）重点与难点（1）重点是分页式内存管理与分段式内存管理技术。（2）难点是页面置换的高效实现。第6章文件管理（一）课程内容（1）文件。（讲授+自学）（2）目录。（讲授）（3）文件系统的空间管理。（讲授）（5）文件系统的可靠性。（讲授）（6）文件系统实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）掌握文件的概念、常用的文件组织方法及文件的存取方法，掌握文件目录管理方法及文件的共享与保护。（2）理解文件系统的实现过程。（3）了解分布式文件系统。（4）了解文件系统实例。（5）了解UNIX、Linux、Windows和OpenHarmony中的文件系统。（6）具有分析、设计文件管理子模块的能力。（三）重点与难点（1）重点是文件的概念、常用的文件组织方法及文件的存取方法，文件目录管理方法及文件的共享与保护。（2）难点是文件分配与存取的高效实施。第7章输入/输出管理（一）课程内容（1）输入/输出管理概述。（讲授）（2）输入/输出控制方式。（讲授）（3）输入/输出缓冲。（讲授）（4）设备驱动程序。（讲授）（5）设备分配。（讲授）（6）磁盘存储器的管理。（讲授+实验）（7）输入/输出管理实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）掌握输入/输出控制方式，输入/输出缓冲，输入/输出软件，磁盘调度。（2）理解输入/输出硬件结构与核心输入/输出子系统。（3）了解虚拟设备实现过程。（4）了解输入/输出管理的实例。（5）具有设计磁盘驱动调度的能力。（6）能够运用所学知识解决设备管理功能模块设计与实现问题。（7）能对设备管理实验结果进行分析、解释，得出结论的有效性。（三）重点与难点（1）重点是输入/输出控制方式，输入/输出缓冲，输入/输出软件，磁盘调度。（2）难点是输入/输出软件架构实现。第8章操作系统安全（一）课程内容（1）操作系统安全概述。（讲授+自学）（2）安全评估与标准。（讲授+自学）（3）安全机制。（讲授）（4）安全模型。（讲授）（5）安全体系结构。（讲授+自学+案例）（6）相关实例。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）掌握计算机系统安全基本概念和操作系统中的常用的保护机制。（2）理解计算机系统安全性保证的方法。（3）了解安全操作系统的研究和开发状况。（4）能够判断或借助于必要的工具判断操作系统是否安全的能力。（5）能合理分析和评价安全操作系统对于社会、健康、安全、法律、文化的影响。（6）能理解操作系统实现与实施中应承担的责任，并理解技术手段的局限性，了解降低其负面影响的手段与方法。（三）重点与难点（1）重点是计算机系统安全基本概念和操作系统中的常用的保护机制。（2）难点是安全机制与安全模型的实施。第9章OpenHarmony系统（一）课程内容（1）OpenHarmony简介。（讲授+自学+案例）（2）OpenHarmony的架构。（讲授+自学+案例）（3）OpenHarmony开发实践（二）教学要求（1）了解OpenHarmony系统的最新发展技术。（2）了解OpenHarmony的开发技术。（3）激发学生学习新技术的兴趣和创新意识，培养学生的爱国热情和探索精神。（三）重点与难点（1）重点是OpenHarmony的系统架构。（2）难点是OpenHarmony的开发环境的搭建和使用流程。第10章操作系统设计问题（一）课程内容（1）操作系统设计目标、界面设计。（讲授+自学+案例）（2）操作系统设计实现、性能优化、项目管理。（讲授+自学+案例）（二）教学要求（1）了解操作系统设计与实现的相关问题。（三）重点与难点（1）重点是操作系统设计目标。（2）难点是操作系统实现的系统结构和相关技术。四、本课程开设的实验项目编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1同步机构4综合型必做4,52处理器调度4设计型必做4,53虚拟存储器4设计型必做4,54驱动调度4综合型必做4,5实验一同步机构1．实验目的要求(1)运用已学过的知识完成模拟PV操作同步机构实验方案的设计。(2)编程并利用相关软件完成实验测试，得到实验结果。(3)通过对实验数据的分析、整理，得出实验结论，培养学生创新思维和编写实验报告的能力，以及处理一般工程设计技术问题的初步能力及实事求是的科学态度。(4)利用实验更加直观、方便和易于操作的优势，提高学生学习兴趣，让学生自主发挥设计和实施实验，发挥出学生潜在的积极性和创造性。2．实验主要内容用利用Unix或Linux的PV操作设计进程的同步与互斥问题。题目：桌上有一只盘子，每次只能放入5只水果。爸爸专放苹果，妈妈专放橘子，一个儿子专等吃盘子中的橘子，一个女儿专等吃盘子中的苹果。用P，V操作实现爸爸、妈妈、儿子、女儿进程的同步控制。3．实验仪器设备(1)PC一台。(2)C++编程软件。实验二处理器调度1．实验目的与要求(1)运用已学过的知识完成单处理器情况下处理器调度实验方案的设计。(2)编程并利用相关软件完成实验测试，得到实验结果。(3)通过对实验数据的分析、整理，得出实验结论，培养学生创新思维和编写实验报告的能力，以及处理一般工程设计技术问题的初步能力及实事求是的科学态度。(4)利用实验更加直观、方便和易于操作的优势，提高学生学习兴趣，让学生自主发挥设计和实施实验，发挥出学生潜在的积极性和创造性。2．实验主要内容(1)设计一个按优先数调度算法实现处理器调度的程序。(2)设计一个根据用户进程运行状况的多级时间片轮转法实现处理器调度的程序。设备要求(1)PC一台。(2)C++编程软件。实验三虚拟存储器1．实验目的要求(1)运用已学过的知识完成分页式虚拟存储管理器实验方案的设计。(2)编程并利用相关软件完成实验测试，得到实验结果。(3)通过对实验数据的分析、整理，得出实验结论，培养学生创新思维和编写实验报告的能力，以及处理一般工程设计技术问题的初步能力及实事求是的科学态度。(4)利用实验更加直观、方便和易于操作的优势，提高学生学习兴趣，让学生自主发挥设计和实施实验，发挥出学生潜在的积极性和创造性。2．实验主要内容(1)模拟分页式存储管理中硬件的地址转换和产生缺页中断。(2)设计一个执行开销小的近似最近最少用（LRU）页面置换程序。3．实验仪器设备(1)PC一台。(2)C++编程软件。实验四驱动调度1．实验目的要求(1)运用已学过的知识完成磁盘驱动调度实验方案的设计。(2)编程并利用相关软件完成实验测试，得到实验结果。(3)通过对实验数据的分析、整理，得出实验结论，培养学生创新思维和编写实验报告的能力，以及处理一般工程设计技术问题的初步能力及实事求是的科学态度。(4)利用实验更加直观、方便和易于操作的优势，提高学生学习兴趣，让学生自主发挥设计和实施实验，发挥出学生潜在的积极性和创造性。2．实验主要内容设计一个以电梯调度思想为主并考虑旋转优化的程序，对磁盘进行移臂和旋转调度。3．实验仪器设备(1)PC一台。(2)C++编程软件。注：本课程为计算机类专业的专业基础课，授课对象为大三学生，实验类型为设计型和综合型实验，需提交报告。实验报告主要包括题目、程序中使用的数据结构及符号说明、流程图、源程序并附上注释、程序运行时的初值和运行结果、实验结果分析。实验评价内容和评分细则参见附录1。五、学时分配、教学方法及支撑课程目标（一）课堂教学章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标讲课实验上机小计第1章操作系统概述202讲授、案例1，2第2章进程与线程606讲授、案例、自学1，2，4第3章互斥与同步8412讲授、案例、自学、实验1，2，3，4，5第4章处理机调度448讲授、案例、自学、实验1，2，3，4，5第5章内存管理6410讲授、案例、自学、实验1，2，3，4，5第6章文件管理808讲授、案例、自学、实验1，2，4第7章输入/输出管理6410讲授、案例、自学、实验1，2，3，4，5第8章操作系统安全404讲授、案例、自学1，2第9章OpenHarmony系统202讲授、案例、自学1，2第10章操作系统设计问题202讲授、案例、自学1，2合计481664（二）其它教学活动通过网络教学平台完成辅助教学。通过随堂测验和大作业等活动检验学生的知识掌握情况和对复杂问题的分析与解决能力。大作业所占比重和具体评分细则如下。大作业评分比重表评分项编号大作业评价内容所占比重要求对课程目标支撑1作业进度10%能够按时完成2设计解决问题的目标和技术方案90%能按系统化的要求，设计解决问题的目标和技术方案，并有创新意识。4大作业具体评分细则如下：大作业评分细则（按5级制评分，折成100分计算）项目优良中及格不及格作业进度，10%提前完成，4.5-5分。按时完成，4分。基本按时完成，3.5分。有一定的时间延迟，3分。在一定的时间内未能完成，3分以下。设计解决问题的目标和技术方案90%能严格按系统化的要求，很好地设计解决问题的目标和技术方案，并有创新意识4.5-5分。能按系统化的要求，较好地设计解决问题的目标和技术方案，并有创新意识，4分。能按系统化的要求，设计解决问题的目标和技术方案，并有创新意识，3.5分。能按系统化的要求，基本正确地设计解决问题的目标和技术方案，并体现创新意识，3分。不能按系统化的要求设计解决问题的目标和技术方案，未体现创新意识，3分以下。六、课程考核序号考核方式或途径考核要求考核权重考核对应的课程目标备注1考勤及平时作业按照作业题目进行评分，总分数平均计算（5次以上）；无故缺勤一次扣1分5%12随堂测验设置若干综合方案题，考查学生能否运用操作系统基本原理判断问题和分析问题，按百分制计算0~10%23大作业主要考查学生的问题分析能力和复杂问题的解决能力5%44实验完成4个实验，每次5分；主要考查问题分析能力，算法设计能力和结果分析能力20%4，55期末考试采用闭卷考试。试卷题型包括选择题、判断题、简答题和综合分析应用题等，以卷面成绩的70%计入课程总成绩。其中考核操作系统概念、原理和算法等基础知识型题目占50%；考核针对操作系统原理及算法问题的综合分析与设计能力的题目占50%。60%~70%1，2，3，4，5总评成绩100%注：1.分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。2.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小论文、项目设计和作品等。3.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。4.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。5.课程考核说明中应给出考核项与课程目标的达成矩阵。期末考试评分比重表评分项编号题型所占比重要求支持课程目标1选择题10%正确理解操作系统基本概念、基本原理、政策法规。12是非判断题10%能够清晰把握操作系统基本概念、原理、安全条件，给出正确判断。23简答题30%能够对操作系统的基本问题正确地表达并给出解决方案44综合应用题40%对处理机调度算法、页面置换算法、磁盘驱动调度算法、文件实现原理及读写操作、银行家算法、死锁检测算法等算法和原理能够全面理解和综合应用3（文件实现原理及读写操作）5（其他应用题）5综合算法题10%能够给出操作系统相关综合性问题(如处理机调度、存储管理、文件管理、进程同步与互斥等)的正确解决方案3七、课程目标达成情况评价（一）课程目标达成度计算课程目标达成情况的计算方法为该课程目标各评价项的平均得分与对应权重系数的乘积之和除以各评价项的应得分与对应权重系数的乘积之和，如下式其中：评价项应得分是评价课程目标的项的总应得分，评价项平均得分是该评价项全班实际平均得分，为该评价项的考核权重。（二）课程指标点达成度计算课程对支撑毕业要求指标点的达成值计算方法为该课程目标达成值与课程目标对毕业要求指标点的支撑权重系数的乘积之和。其中，n是指课程目标总数；ai是指课程的第i个课程目标对毕业要求指标点的支撑权重系数。八、参考书目及学习资料1．《操作系统设计原理》，毛启容等，清华大学出版社。2．《计算机操作系统》，汤小丹,梁红兵等,西安电子科技大学出版社，2014年第四版。3．《OperatingSystems,InternalsandDesignPrinciples》，WilliamStallings，PrenticeHall，2010年第七版。4．《OperatingSystemsConcepts》，AbrahamSilberschatz等，Wiley,2013年第9版。5、《操作系统课程的实验指导书》，刘金平，自编讲义。九、大纲说明1.采用多媒体教学手段，建议采用讲练结合的方式，多种教学手段综合运用。2.课后需要完成约40道习题作业，以加深学生对所学内容的理解和掌握。3.本课程有16个学时的实验，具体实验内容见“三、本课程开设的实验项目”，任课教师亦可以根据实际教学情况适当调整。制定人：审定人：批准人：20xx年x月

附录1：实验评价权重表评分项编号实验评价内容所占比重要求支持课程目标1方案的系统化和创新意识20%（检查与交流）能按系统化的要求设计算法的目标和技术方案，并有创新意识。42程序设计与调试能力30%（检查与交流）能按系统化的要求设计程序，有创新意识，并根据实验结果的关联性而调试程序43结果分析与表述能力40%（报告）能够分析实验结果的关联性，并通过信息综合给出合理有效的结论。54报告清晰，按时提交10%（报告）报告条理清晰，提交准时5具体实验评分细则如下：实验评分细则（每次实验按五级制折成100分计算）项目优良中及格不及格方案的系统化和创新意识，20%能够系统地设计问题解决的目标和技术方案，并有创新性；4.5-5分能够较系统地设计问题解决的目标和技术方案，并有创新意识；4分能够设计问题解决的目标和技术方案，并有一定创新意识；3.5分能够设计问题解决的目标和技术方案，算法基本正确；3分问题解决的目标不明确，设计技术方案错误较多；3分以下设计与调试能力，30%设计的程序很规范、很系统，有创新性，并很好分析实验结果的关联性而调试程序；4.5-5分设计的程序较规范、较系统，有创新性，并较好分析实验结果的关联性而调试程序；4分能系统考虑程序设计，但易读性稍差。能分析实验结果的关联性而调试程序；3.5分程序设计基本正确，有分析实验结果的关联性而调试程序；3分程序错误较多能，不能分析实验结果的关联性而调试程序。3分以下结果分析与表述能力，40%能够依据相关原理清晰明了地分析实验结果的关联性，并通过信息综合给出合理有效的结论；4.5-5分能够依据相关原理分析实验结果的关联性，并通过信息综合给出合理有效的结论；4分能够依据相关原理分析实验结果的关联性，并通过信息综合给出有效的结论；3.5分基本上能够依据相关原理分析实验结果的关联性，并通过信息综合给出有效的结论；3分对实验结果的分析依据不足，结论存在错误：3分以下报告清晰，按时提交，10%报告条理非常清楚，并通过综合比较得到结论的有效性，按时提交；4.5-5分报告条理很清楚，并通过综合比较得到结论的有效性，按时提交；4分报告条理较清楚，并通过综合比较得到结论的有效性，按时提交；3.5分能写出报告，并能比较分析结论，基本按时提交；3分未按时提交，报告条理不清晰；3分以下xx大学教学日历20xx-20xx学年第x学期课程：操作系统专业（班级）：教

学

进

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表周次12345678910111213141516备注讲课4444442222222244讨论实验上机22222222课外每周时数合计4444444444444444教学内容和学时数安排周

次授课日期教学内容教学时数教学方法任课教师分工讲课讨论实验上机课外120xx/x/x1.1操作系统定义1.2操作系统形成与发展1.3操作系统分类1.4环境1.5操作系统结构1.6现代操作系统220xx/x/x2.1多道程序与并发执行2.2进程模型2220xx/x/x2.3线程模型2PBL20xx/x/x2.4进程、线程管理实例2320xx/x/x3.1进程管理背景3.2进程互斥220xx/x/x3.3进程同步2420xx/x/x3.4进程通信220xx/x/x3.5死锁，3.6经典问题，3.7多核环境下的进程同步，3.8进程同步与通信实例2520xx/x/x4.1处理机调度类型，4.2单处理机调度，4.3多处理机调度220xx/x/x4.4实时调度，4.5处理机调度实例2620xx/x/x5.1内存管理功能，5.2内存分配的几种形