操作系统-理论教学大纲

《操作系统》教学大纲课程编号： XXX课程名称：操作系统课程类型：专业必修课总学时： 64理论学时：48实验学时： 16学分： 4适用专业：计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、网络工程先修课程：程序设计基础、数据结构一、课程性质、目的和任务《操作系统》课程是计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、网络工程专业的专业课，它在学生的计算机专业知识结构中有着重要的地位和作用。

本课程的目的和任务是使学生全面地了解和掌握操作系统的目标、作用和模型，从资源管理的角度领会操作系统的功能和实现过程。

使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练，提高运用理论知识解决实际问题的能力。

本课程概述操作系统的形成、类型和功能；阐述进程管理，包括进程和线程的基本概念、进程的同步和通信、调度和死锁；详细介绍存储器管理和虚拟存储器的概念以及对虚拟存储器性能的分析；讨论设备管理、文件系统以及磁盘存储器的管理通过本课程的学习，帮助学生建立计算机操作系统处理问题的思维模式，初步掌握设计系统的基本思想，基础知识、基本原理和基本方法，培养和提高学生操作系统设计和调试操作系统的能力，启发学生将该课程的知识引入到其它专业课的学习。

二、教学基本要求本课程的目标是使学生掌握现代计算机操作系统的基本原理、基本设计方法及实现技术，具有分析现行操作系统和设计、开发实际操作系统的基本能力，共分为八章。

通过第一章引论的学习，使学生掌握操作系统的概念，操作系统的作用、特征和发展过程，知道操作系统是配置计算机硬件上的第一层软件，是现代计算机系统必须配置的软件；第二章进程管理，使学生了解在现代的操作系统中程序并不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位是进程。

操作系统所具有的四大特征也都是基于进程而形成的，并可以从进程的观点来研究操作系统；第三章处理机调度与死锁，使学生在了解现代多道程序环境下，进程的数目往往越多于处理机的数据，因此要按照一定的算法动态的处理机分配给就绪队列中的一个进程使之执行；第四章存储管理和第五章虚拟存储管理，使学生在了解程序的装入和链接方法的基础上掌握各种存储管理方法和页面置换算法；第六章I/O系统，使学生掌握四种I/O控制方式、缓冲引入原因、设备分配、磁盘调度算法；第七章文件管理，使学生掌握文件的逻辑结构和物理结构以及目录管理方法，并了解文件的共享和保护以及数据一致性的控制；第八章磁盘存储器管理，让学生掌握如何能够有效地利用存储空间，提高磁盘的IO速度和可靠性。

操作系统实验课时共16学时，均为基础性实验，使学生综合运用程序设计基础与语言、数据结构等先行课程的知识以及操作系统课程的知识在各种资源管理调度策略下，设计操作系统资源管理的模拟程序，使学生加深了解操作系统的工作机理，对操作系统的功能及结构设计有更加深入的实践。

要求学生认真学习教学过程中讲授的与实验相关的内容，提前做好实验预习，准备好需要输入的中间数据；估计可能出现的问题；预计可能得到的运行结果。

做到在每个实验前明确实验目的、掌握实验的基本内容及操作方法；在实验中正确调试程序，认真观察、分析实验结果；实验后要根据要求做好总结，上交实验报告。

三、各教学环节学时分配章节主要内容总学时理论学时实验学时备注一操作系统引论 4 4 0二进程的描述与控制12 8 4三处理机调度与死锁10 8 2四存储器管理8 8 0五虚拟存储器8 6 2六输入输出系统10 6 4七文件管理8 4 4八磁盘存储器管理 4 4 0 自学合计64 48 16四、教学内容及要求第一章操作系统引论【目的要求】了解：操作系统的形成和发展过程、操作系统的结构。

熟悉：多道程序设计、批处理系统、分时系统和实时系统等重要概念。

掌握：操作系统作用、功能与特性；操作系统各模块功能及特征。

【教学内容】1.操作系统的目标和作用。

2.操作系统的发展过程。

3.操作系统的基本特征。

4.操作系统的主要功能。

第二章进程的描述和控制【目的要求】了解：进程与程序的区别；利用硬件方法解决进程互斥。

熟悉：进程的基本概念与特征；经典的进程同步问题；线程的概念。

掌握：进程的基本状态转换；进程控制；临界区、临界资源等概念；利用信号量机制解决进程互斥与同步；进程通信的概念，各种不同的进程通信类型；线程的实现。

【教学内容】1.前驱图和程序执行。

2.进程的描述。

3.进程的控制。

4.进程的同步。

5.进程通信。

6.线程的基本概念和实现。

第三章处理机调度与死锁【目的要求】了解：处理机调度的层次和调度算法的目标；产生死锁的各种原因。

熟悉：衡量调度性能优劣的作业周转时间、进程周转时间等概念。

掌握：操作系统中存在的3级调度；调度算法；各种死锁解决措施，特别是避免死锁的方法。

【教学内容】1.处理机调度的层次和调度算法的目标。

2.作业与作业调度。

3.进程调度。

4.实时调度。

5.死锁概述。

6.预防、避免死锁。

7.死锁的检测和解除。

第四章存储器管理【目的要求】了解：层次结构；三种程序链接方式；分段存储管理方式。

熟悉：相关概念：逻辑(虚拟)地址空间，存储(物理地址)空间，静态重定位，动态重定位。

掌握：三种程序装入方式：绝对装入、可重定位装入、动态运行时装入；连续分配存储管理的几种方式；分页存储管理方式。

【教学内容】1.存储器的层次结构。

2.程序的装入和链接。

3.连续分配存储管理方式。

4.分页存储管理方式。

5.分段存储管理方式。

6.对换。

第五章虚拟存储器【目的要求】了解：请求分段存储管理方式。

熟悉：虚拟存储器的基本概念。

掌握：请求分页存储管理方式；请求分段存储管理方式；页面置换算法；抖动与工作集。

【教学内容】1.虚拟存储器概述。

2.请求分页存储管理方式。

3.页面置换算法。

4.抖动与工作集。

5.请求分段存储器管理方式。

第六章输入输出系统【目的要求】了解：I/O系统的组成；Spooling技术；设备驱动程序。

熟悉：缓冲管理；中断机构和中断处理程序。

掌握：I/O控制方式；磁盘调度算法。

【教学内容】1.I/O系统的功能、模型和接口。

2.I/O设备和设备控制器。

3.中断机构和中断处理程序。

4.设备驱动程序。

5.缓冲区管理。

6.磁盘存储器的性能和调度。

第七章文件管理【目的要求】了解：文件共享的含义，实现文件共享的方法；文件保护的相关方法。

熟悉：文件的相关概念。

掌握：文件的逻辑结构；单级目录结构、两级目录结构、树型目录结构以及各自的目录查询技术。

【教学内容】1.文件和文件系统。

2.文件的逻辑结构。

3.文件目录。

4.文件共享。

5.文件保护。

第八章磁盘存储器管理【目的要求】了解：文件存储空间的三种方法。

熟悉：提高磁盘I/O速度的途径；提高磁盘可靠性的技术。

掌握：外存的5种组织方式。

【教学内容】1.外存的组织方式。

2.磁盘存储空间的管理。

3.提高磁盘I/O速度的途径。

4.提高磁盘可靠性的技术。

5.数据一致性控制。

五、教学方法与手段本课程的教学方式主要采用课堂讲授和实验操作，包括：课堂讲授、多媒体教学、实验操作、习题解析、课堂讨论等多种形式相结合，并配合网络教学等教学手段，保证学生掌握操作系统的基本知识，理解算法的实现，培养学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力。

教学方法：采用启发式教学和探究式教学，以学生为主体，鼓励学生自己针对某种操作系统进行分析和研究，培养学生的自学能力，以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练，调动学生学习的主观能动性。

教学手段：充分利用电子教案、PPT课件和网络教学平台等多种教学手段和资源。

六、课外习题及自主学习1.课外习题（考研真题）（1）某博物馆最多可容纳500人同时参观，有一个出入口，该出入口一次仅允许一个人通过。

参观者的活动描述如下：Cobegin参观者进程i；{…进门；…参观；…出门；…}Coend请添加必要的信号量和P、V（或wait()、signal()）操作，以实现上述叙述中的互斥与同步。

要求写出完整的过程，说明信号量的含义并赋初值。

请添加必要的信号量和P、V（或wait()、signal()）操作，以实现上述叙述中的互斥与同步。

要求写出完整的过程，说明信号量的含义并赋初值。

（2）某系统有R1、R2和R3三种资源，在T0时刻有4个进程P1、P2 、P3和P4，它们占用资源和需求资源的情况如下表示。

最大资源需求量已分配资源数量R1R2R3R1R2R3 P1 3 2 2 1 0 0P2 6 1 3 4 1 1P3 3 1 4 2 1 1P4 1 2 2 0 0 2 此时，系统可用的资源向量为（2，1，2）。

①试写出T0时刻系统的资源分配矩阵②如果此时P1和P2均发出资源请求（1，0，1），为了保证系统的安全性，应该如何分配资源给这两个进程？说明理由。

（3）某计算机主存按字节编址，逻辑地址和物理地址都是32 位，页表项大小为4 字节。

请回答下列问题。

①若使用一级页表的分页存储管理方式，逻辑地址结构为：页号（20位）页内偏移量（12位）则页的大小是多少字节？页表最大占用多少字节？②若使用二级页表的分页存储管理方式，逻辑地址结构为：页目录号（10位）页表索引（10位）页内偏移量（12位）设逻辑地址为LA,请分别给出其对应的页目录号和页表索引的表达式。

③采用①中的分页存储管理方式，一个代码段起始逻辑地址为0000 8000H, 其长度为8KB，被装载到从物理地址0090 0000H开始的连续主存空间中。

页表从主存0020 0000H 开始的物理地址处连续存放，如下图所示（地址大小自下向上递增）。

请计算出该代码段对应的两个页表项的物理地址，这两个页表项中的页框号以及代码页面2的起始物理地址。

（4）某请求分页系统的页面置换策略如下：系统从0时刻开始扫描，每隔5个时间单位扫描一轮驻留集（扫描时间忽略不计），本轮没有被访问过的页框将被系统回收，并放入到空闲页框链尾，其中内容在下一次被分配之前不被清空。

当发生缺页时，如果该页曾被使用过且还在空闲页框链表中，则重新放回进程的驻留集中；否则，从空闲页框链表头部取出一个页框。

假设不考虑其它进程的影响和系统开销，初始时进程驻留集为空。

目前系统空闲页框链表中页框号依次为：32、15、21、41。

进程P依次访问的<虚拟页号，访问时刻>是：<1，1>、<3，2>、<0，4>、<0，6>、<1，11>、<0，13>、<2，14>。

请回答下列问题。

①访问<0，4>时，对应的页框号是什么？②访问<1，11>时，对应的页框号是什么？说明理由。

③访问<2，14>时，对应的页框号是什么？说明理由。

④该策略是否适合于时间局部性好的程序？说明理由。

（5）假设计算机系统采用CSCAN（循环扫描）磁盘调度策略，使用2KB的内存空间记录16,384个磁盘块的空闲状态。