操作系統(tǒng) 教學大綱

1、操作系統(tǒng) 教學大綱學分： 4.0 周學時（按16周計）：3-2面向?qū)ο螅喝昙売嬎銠C科學與技術專業(yè)本科生預修課程要求：能夠用高級程序設計語言進行程序設計（即預修一門程序設計語言課程，最好是C/C+）；掌握鏈表、數(shù)組、圖、樹等基本數(shù)據(jù)結(jié)構和查找、排序的基本算法（即預修“數(shù)據(jù)結(jié)構基礎”）；掌握計算機硬件工作原理，對CPU、存儲器、I/O系統(tǒng)、中斷等有全面的了解（即預修“計算機組成”）。一、教學目標(一)學習目標操作系統(tǒng)是計算機科學與技術專業(yè)的一門理論與實踐并重的專業(yè)核心課程礎課程。一般建議在專業(yè)基礎課（特別是“計算機組成”）之后修讀。其與“計算機體系結(jié)構”可以并行修讀，是“編譯原理”、“信息安全”

2、等專業(yè)課程的前置課程，“計算機網(wǎng)絡”也需要用到本課程知識點。如果學生還同時修讀“匯編與接口”，則對深入理解本課程內(nèi)容有更大幫助。操作系統(tǒng)是計算機最基礎的系統(tǒng)軟件，與軟件、硬件均密切關聯(lián)，是所有軟件中最復雜的。在計算機相關專業(yè)知識體系中，操作系統(tǒng)課程具有承上啟下的重要作用。它既是對先行課程的總結(jié)和提高，提高學生對計算機系統(tǒng)的整體理解，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程打下必要的知識基礎，引導學生理解大型系統(tǒng)軟件的基本結(jié)構、模型和算法，掌握各類系統(tǒng)的集成應用。本課程是培養(yǎng)學生計算思維能力、算法分析及設計能力、大規(guī)模軟件設計與實現(xiàn)能力，以及計算機軟硬件系統(tǒng)的認知、分析、設計與應用能力的重要課程。（二）可測量結(jié)果

3、了解操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢和前沿技術。掌握操作系統(tǒng)概念、方法、策略、算法等，了解計算機程序是如何運行的。學會用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用編寫系統(tǒng)程序。掌握設計、開發(fā)操作系統(tǒng)的常用技術。注：以上結(jié)果可以通過課程作業(yè)、綜合性課程設計、以及筆試等環(huán)節(jié)測量。二、課程要求（一）授課方式與要求授課方式：a. 教師課堂授課、引導討論，穿插實例分析、習題課、小測驗。部分教師全英文授課。b. 布置結(jié)合Linux內(nèi)核的實驗。c. 結(jié)合網(wǎng)絡教學，利用操作系統(tǒng)資源網(wǎng)站進行網(wǎng)上討論、答疑，習題的布置、解答、提交、批閱，參考資料共享。d. 期末閉卷考試。課程要求：熟悉基本知識、培養(yǎng)思維和表達能力及合作精神、提高中外文計算機科學文獻

4、的閱讀能力?？荚囋u分與建議作業(yè)占10% ；平時課堂測驗占10% ；實驗驗收（8次）占15%；實驗報告占20%；期末閉卷考試占45%。三、教學安排講課安排課程模塊教學單元知識點講授學時如何學習操作系統(tǒng)課程介紹2操作系統(tǒng)結(jié)構操作系統(tǒng)定義，系統(tǒng)調(diào)用，用戶模式，內(nèi)核模式2進程管理進程概念進程，進程狀態(tài)，進程控制塊，進程如何在內(nèi)存中呈現(xiàn)2示例：Linux的PCB1進程操作1線程動機，用戶層線程vs內(nèi)核層線程，多線程模型，多線程引發(fā)的問題2CPU調(diào)度極大化CPU利用率，CPU密集型，I/O密集型，調(diào)度時機，搶占式調(diào)度，CPU分派程序，調(diào)度準則，F(xiàn)CFS算法，SJF算法，最高響應比優(yōu)先法，優(yōu)先級算法，輪轉(zhuǎn)法

5、，Linux進程調(diào)度2示例：Linux的進程調(diào)度算法3進程同步臨界區(qū)問題臨界區(qū)，互斥，空閑讓進，有限等待，臨界區(qū)解決方案模型1算法1（雙進程）2算法2（雙進程）Peterson算法（雙進程）Lamport面包房算法（N進程）硬件同步指令。利用同步指令解決臨界區(qū)問題TestAndSet指令，Swap指令1信號量原語操作，wait()原語，signal()原語，信號量定義，信號量解決臨界區(qū)問題，信號量應用于同步問題2經(jīng)典同步問題有限緩沖問題，讀者-寫者問題，哲學家就餐問題2死鎖死鎖，死鎖示例死鎖示例，死鎖模型0.5死鎖必要條件互斥，保持和等待，不可搶占，循環(huán)等待0.5死鎖處理方法死鎖預防，死鎖避免

6、，安全狀態(tài)，安全算法，Dijkstra銀行家算法，死鎖檢測和算法，死鎖恢復1內(nèi)存管理內(nèi)存管理基本概念源程序的常規(guī)處理流程，地址綁定，邏輯地址，物理地址，MMU，動態(tài)加載，動態(tài)鏈接，交換，地址管理模型，模型指標0.5連續(xù)區(qū)內(nèi)存分配內(nèi)存分區(qū)，基地址寄存器，界限寄存器，地址映射，動態(tài)分區(qū)管理，動態(tài)存儲分配算法，外部碎片，內(nèi)部碎片0.5頁式內(nèi)存管理頁，頁幀，頁表，地址映射流程，硬件支持，頁表實現(xiàn)，TLB，有效訪問時間，頁式管理的模型指標分析1頁表結(jié)構多層頁表，哈希頁表，反向頁表1段式內(nèi)存管理段，段表，地址映射流程，硬件支持，段式管理的模型指標分析示例：Intel的i386虛擬存儲虛擬存儲思想需求，虛擬

7、地址1按需調(diào)頁實現(xiàn)思想，頁表項的有效位，缺頁處理流程1示例：Linux的缺頁中斷處理1.5頁面置換頁面置換發(fā)生時機，性能分析，COW，頁面置換思想，引用串，F(xiàn)IFO算法，Beladys Anomaly，最優(yōu)化算法，LRU算法，近似LRU算法1.5頁幀分配1系統(tǒng)抖動系統(tǒng)顛簸現(xiàn)象，工作集模型示例：Linux存儲管理2文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)界面文件，文件結(jié)構，文件屬性，文件操作，文件類型，文件訪問方式，目錄，目錄操作，目錄結(jié)構1文件系統(tǒng)分區(qū)與安裝文件共享與保護文件共享，文件保護，訪問控制文件系統(tǒng)結(jié)構層次化文件系統(tǒng)管理，引導塊，文件控制塊，駐留內(nèi)存的文件系統(tǒng)結(jié)構1虛擬文件系統(tǒng)1目錄實現(xiàn)連續(xù)分配方法exten

8、t based system2鏈接分配方法FAT文件系統(tǒng)索引分配方法雙層索引空閑空間管理示例：Linux的ext2文件系統(tǒng)2大容量存儲器大容量存儲系統(tǒng)磁盤結(jié)構，傳輸時間，尋道時間，延遲時間，主機附屬存儲，網(wǎng)絡附屬存儲NAS，存儲區(qū)域網(wǎng)絡SAN1磁盤調(diào)度調(diào)度時機，F(xiàn)CFS算法，SSTF算法，SCAN算法，C-SCAN算法，LOOK算法，C-LOOK算法1磁盤管理磁盤格式化，主引導塊MBR1RAIDI/O系統(tǒng)I/O設備訪問方式端口，總線，I/O地址，輪詢，中斷，DMA0.5I/O設備類型塊設備，字符設備，網(wǎng)絡設備0.5操作系統(tǒng)內(nèi)核的I/O子系統(tǒng)內(nèi)核I/O子系統(tǒng)的體系結(jié)構，假脫機技術SPOOLING

9、1實驗安排序號實驗項目名 稱實 驗 內(nèi) 容學時分配每組人數(shù)1Linux系統(tǒng)與環(huán)境學習Linux操作系統(tǒng)的操作環(huán)境，安裝Linux系統(tǒng)，使用Linux shell基本命令。412創(chuàng)建進程和進程通信使用Linux的系統(tǒng)調(diào)用和Pthread線程庫編寫進程創(chuàng)建和進程通信的程序，進一步理解、掌握操作系統(tǒng)進程、線程概念，利用操作系統(tǒng)提供的進程通信機制實現(xiàn)進程之間的通信，利用信號量解決進程之間的同步與互斥。413重建Linux內(nèi)核在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下重新編譯內(nèi)核。實驗主要內(nèi)容：查找并且下載一份內(nèi)核源代碼，配置內(nèi)核，編譯內(nèi)核和模塊，配置啟動文件。414創(chuàng)建Linux系統(tǒng)調(diào)用在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加一個不用傳遞

10、參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用。該系統(tǒng)調(diào)用的功能是實現(xiàn)遍歷系統(tǒng)中的所有進程。實驗主要內(nèi)容：添加系統(tǒng)調(diào)用的名字，利用標準C庫進行包裝，添加系統(tǒng)調(diào)用號，在系統(tǒng)調(diào)用表中添加相應表項，sys_mysyscall的實現(xiàn)，編寫用戶態(tài)測試程序。415創(chuàng)建Linux文件系統(tǒng)添加一個類似于ext2的自定義文件系統(tǒng)myext2。實驗主要內(nèi)容：添加一個和ext2完全相同的文件系統(tǒng)myext2，修改myext2的magic number，修改文件系統(tǒng)操作616創(chuàng)建Linux內(nèi)核模塊編寫一個內(nèi)核模塊helloworld。當用insmod命令加載模塊后，會顯示Hello World ！。此模塊與Linux內(nèi)核模塊機制兼容，可以用lsmo

11、d命令顯示模塊信息，可以用rmmod命令刪除該模塊。217統(tǒng)計Linux內(nèi)存缺頁次數(shù)統(tǒng)計操作系統(tǒng)自內(nèi)核加載以后，累計發(fā)生的缺頁次數(shù)，以及總運行時間。418任選一題（1）在Linux環(huán)境下，有一個經(jīng)典的聊天程序talk。試分析其實現(xiàn)機理，對于talk程序的不足之處進行一些改進。（2）編寫一個USB塊設備驅(qū)動程序。41四、參考教材及相關資料教材：Operating System Concepts (7th edition) (影印版).Abraham Silberschatz.高等教育出版社.2007年。邊干邊學：Linux內(nèi)核指導(第2版)。李善平，季江民等。浙江大學出版社。2008年4月。參考書：Operating Systems: Internals and Design Principles (7th Edition) .William Stalling. .Prentice Hall。2011年3月。深入理解Linux內(nèi)核。DANINEL P.R