《操作系统》教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 中文名称 操作系统 英文名称 Operating System 课程代码 B230102306 课程类别 专业基础课 开课学期 第2学期 总 学 时 48 理论学时 32 实验学时 16 学分 2.5 先导课程 计算机组成原理、数据结构 二、课程的性质、地位和任务 《操作系统》是计算机科学与技术专业的主干课程, 是一门技术性很强的课程，既注重操作系统基础理论，又着眼培养学生解决实际问题的能力。 作为计算机科学与技术专业的一门专业基础课，在课程体系中《操作系统》起着承上启下的作用；巩固《数据结构》、《计算机组成原理》的知识和能力；同时引导学生进一步理解计算机系统的工作原理，初步掌握复杂软件的设计方法，为后续专业课程的学习打下坚实的技术能力基础。 本课程主要任务是学习和探讨操作系统的基本思想和基本方法及其实现技术，包括处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理以及进程的同步与互斥、通信与死锁等内容。通过对操作系统的学习，使学生具有利用操作系统开发自己所需各种应用软件的基础能力。使学生具有相当的自学能力，能较快地掌握和使用自己所拥有的具体的操作系统，使它能为自己的开发工作提供各种深度支撑。 支撑毕业要求： 1.2 掌握计算机组成与体系、云计算基础架构平台、虚拟化技术、云存储技术、云安全配置管理、程序开发设计等专业基础知识，能将其用于云计算系统、云应用等复杂工程问题解决方案进行分析，并尝试改进。 3.1 能够针对云计算系统、云应用服务复杂工程问题进行调研并明确相关的约束条件，完成云计算应用系统平台的需求分析，方案设计，确定设计目标。 4.1 能够对云计算系统、云应用服务相关的关键算法、模块进行研究和实验验证。 9.1 能够与其他学科的成员合作开展工作，能胜任个体和团队成员的角色并承担相应责任。 三、课程对毕业要求的支撑关系 毕业要求 支撑强度 要求1 要求3 要求4 要求9 要求1.2 要求3.1 要求4.1 要求9.1 课程对毕业要求支撑强度 M M H L 四、课程目标 总体目标：通过本课程的教学，使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，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分析能力。 具体目标： 1.知识目标 1.1了解操作系统产生的背景、发展动力、演化历程、典型实例及国内外现状； 1.2理解操作系统的基本原理、组成、基本概念和主要功能； 1.3掌握操作系统中常用算法的基本思想和用法，包括进程调度算法、页面置换算法、银行家算法、内存分配算法、磁盘调度算法、磁盘分配算法等。 2.能力目标 2.1熟练使用计算机操作系统； 2.2提高学生调查研究、分析讨论、辩证思维的学习能力。 3.素质目标 3.1具备团结合作的意识和能力，提高终身学习的能力； 3.2加强职业道德意识，厚植爱国主义情怀，培养学生勇于担当重任的爱国主义精神 ； 3.3培养学生分析问题、解决问题时坚韧不拔、不怕困难的优秀品质。 五、课程学时分配的建议 课程内容 学时分配 理论 实验 小计 第1章 计算机操作系统概论 4 2 6 第2章 进程的描述与控制 8 4 12 第3章 处理器调度与死锁 4 4 6 第4章 存储器管理 4 4 6 第5章 虚拟存储器 4 2 6 第6章 输入输出系统 2 -- 2 第7章 文件管理 4 -- 4 第8章 磁盘存储器的管理 2 2 合 计 32 16 48 六、教学内容、要求及与课程目标对应关系 本课程将全面系统地阐述计算机操作系统的基本原理、主要功能及实现技术；重点论述多用户、多任务操作系统的运行机制，系统资源管理的策略与方法；拓展讨论现代操作系统所采用的并行处理技术与虚拟化技术，本课程将以Linux系统为实例，剖析操作系统的特点及其具体实现技术。 教学内容 教学要求 课程思政、劳动教育案例 对应课程目标 第1章 操作系统引论 本章是整体性介绍，涉及内容简单但知识面宽，介绍了操作系统概念，发展，用户对操作系统的看法、学习和研究操作系统的原因、操作系统的功能、分类与运行原理等。 重点： 1.操作系统的作用 2.操作系统的基本特性 3.操作系统的功能 4.对操作系统的双模态的理解； 难点： 对操作系统的双模态的理解； 一、教学目标 1.掌握操作系统的概念、目的和在计算机体系中的地位，以及在操作系统中的一些重要的概念，如并行、并发、时间片等； 2.理解在计算机的发展过程中出现的各种不同类型的操作系统以及它们的特点； 3.了解常用的操作系统以及我国操作系统的现状； 4.能够辩证分析各种操作系统的特点； 5.理解操作系统的特性和功能； 6.具备分析操作系统功能实现方法的能力 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用案例教学法、课堂讲授与讨论、在线测试和课外阅读等。 1.课堂讨论：围绕OS的发展史，讨论各种OS的特点； 2.在线测试； 3.课外阅读：查阅资料，了解我国OS的发展现状，鼓励学生发展眼光看待问题；学会折衷1.从操作系统的发展，引出国产操作系统现状；华为的发展与成就令人由衷感叹：华为鸿蒙3.0，真正意义上的国产操作系统于2021年正式发布！ 企业不屈志，国人当自强！ 2.理解在计算机的发展过程中出现的各种不同类型的操作系统以及它们的特点，引导学生发展和全方位看待问题，不畏困难，勇于创新； 课程目标1,3 第2章 进程的描述与控制 本章介绍操作系统中最重要的概念：进程与线程。遵循并发操作和处理的思路，从多道程序概念引入并发，讨论进程描述、控制和调度、协调与通信等问题。 重点： 1.进程的状态以及转换； 2.信号量机制来解决进程的同步问题； 难点： 1.进程控制； 2.对同步和互斥问题的分析方法； 3.使用信号量机制解决常用同步问题并模拟执行。 一、教学目标 1.掌握进程的基本概念以及和进程有关的内容，包括PCB、作业、任务等； 2.掌握进程的状态以及转换时机；3.掌握进程通信的方法； 4.掌握线程的概念以及线程和进程的区别； 5.掌握进程同步的概念和方法以及进程同步的四个准则； 6.会用信号量机制来解决进程的同步问题，并能熟练应用同步信号量和互斥信号量。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用问题引导、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂问题讨论：为什么引入进程？同步如何实现？ 2.作业：围绕进程状态转化，结合linux，画出状态转化图； 3.课外阅读：OS垄断，国产OS现状； 3.如何解决操作系统垄断？ 引导学生，通过发挥我们自身的价值，助力研发自主可控的国产操作系统； 4. 推荐阅读： 2021年初，上海赛昉科技有限公司发布了其自主研发的全球首款基于RISC-V的人工智能单板计算机——星光体积小、功耗低，具备当今台式计算机的所有可扩展性功能；其另外一大特点是开源（开放源代码），这有望降低RISC-V开发者的使用门槛。星光可以应用在机械、交通、能源等诸多领域，必将助力我国RISC-V产业快速发展。引导学生开源代码分享和不畏困难，勇于创新的精神。 课程目标1，2，3 第3章 处理机调度与死锁 围绕在多道程序环境下，内存中存在着多个进程，进程数目往往多于处理机数目。这就要求系统能按某种算法，动态地将处理机分配给处于就绪状态的一个进程，使之执行。对于大型系统运行时的性能，如系统吞吐量、资源利用率、作业周转时间或响应的及时性等，在很大程度上都取决于处理机调度性能的好坏。因而，处理机调度便成为OS中至关重要的部分。 重点： 1.基本的调度算法； 2.死锁的产生原因、定义和四个必要条件； 3.处理死锁的基本方法； 难点： 1.非抢占式调度和抢占式调度的区别； 2.各种调度算法的衡量方法； 3.死锁的四个必要条件理解； 4.银行家算法的理解和应用 一、教学目标 1.掌握处理机调度的基本类型、基本概念以及调度准则、衡量调度算法的参数； 2.掌握基本的调度算法以及抢占式调度和非抢占式调度的区别； 3.理解多级队列调度和多级反馈队列调度的算法； 4.能够对比分析不同调度算法的评价指标； 5.掌握死锁的产生原因、定义和四个必要条件； 6.掌握处理死锁的基本方法； 7.掌握用银行家算法来避免死锁；8.能够辩证分析资源分配图以及死锁的恢复和检测机制。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：调度的层次？抢占和非抢占的应用场景？死锁如何避免？ 2.作业：调度算法等内容布置。 3.课外阅读：“龙芯”的相关内容；我国的“神威”巨型机。 4.在线测试； 5.处理器调度：CPU作为计算机的运算与控制核心，主要负责读取指令、译码指令、执行指令、控制时间、处理数据等。目前，Intel公司和AMD公司领跑着全球通用CPU市场，我国自主研发的CPU（如龙芯、鲲鹏等）正处于奋力追赶时期，以中国科学院、华为等为代表的单位/企业正在全力打造“中国芯”。坚信，在相关部门和有志之士的共同努力下，国产CPU一定可以实现赶超、引领市场。 课程目标1,2,3 第4章 存储器管理 围绕存储管理的背景知识，包括存储器层次结构，程序装入与链接，对换与覆盖内容；介绍了连续分配方式和离散方案中的分页管理策略，并以X-86架构为例，说明了目前个人计算机OS内存管理策略。 重点： 1.逻辑地址到物理地址转换 2.可变分区分配算法 3.页式存储管理的地址变换过程 4.引入快表后平均访存时间的计算 5.两级和多级页表 难点： 1.分页存储管理中的地址映射过程； 2.动态重定位； 3.加入TLB后的分页系统中有效访问时间的计算。 一、教学目标 1.掌握存储管理的三种主要的方法：连续分配、分页和分段存储管理，并掌握这三种机制的方法、算法、区别和联系，其中重点掌握分页存储管理； 2.理解存储管理中的基本概念，包括存储器的层次结构、地址转换、逻辑与物理地址空间、动态重定位、动态装入、动态链接、交换、碎片等。 3.能够分析不同管理方式的特点和应用场景。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：围绕不同存储管理方案展开。 2.作业：地址转换和主存空间分配算法等内容布置。 3.课外阅读：查阅相关资料，结合linux，阅读相关代码及实现。 6.推荐查阅：Linux的伙伴系统 讨论； 伙伴系统中，其分配和回收的时间性能，与顺序搜索和快速适应算法比较优缺点？引导学生具备辩证思维的能力； 课程目标1,2,3 第5章 虚拟存储器 本章在介绍虚拟存储器的基本概念、实现原理的基础上，详细介绍了请求分页存储管理方式，包括缺页中断、页面置换算法、系统性能分析、“抖动”和工作集等。围绕页面置换算法，本章详细介绍了最佳页面置换算法、FIFO页面置换算法、LRU页面置换算法、LFU页面置换算法、Clock页面置换算法和改进型Clock页面置换算法等的基本原理与具体实现。 重点： 1.页面置换算法 2.影响缺页率的因素 3.有效访问时间的计算 难点： 1.页面置换算法； 2.请求分页系统中有效访问时间的计算。 一、教学目标 1.掌握请求式分页系统的原理以及FIFO、最优、LRU等页面置换算法； 2.掌握颠簸的原因以及检测解决的方法； 3.理解虚拟存储器的概念以及实现方法； 4.能够分析提高虚拟存储器效率的方法，尝试提出解决方案。 5.能够分析计算有效访问时间。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用问题导入法、案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：围绕不同页面置换算法展开。 2.作业：围绕页面置换等内容布置。 3.课外阅读：虚拟化相关技术。 4.在线测试。 7.推荐阅读：为了让更多的用户程序能够并发运行，面向内存引入了虚拟化技术，该技术的实现须依赖页面置换算法。现有很多页面置换算法因需要特殊硬件的支撑而未被广泛应用，为此，国内学者提出了多种新的页面置换算法，如结合预调方式的页面置换算法、具有页面诊断功能的页面置换算法、基于子页感知的闪存页面置换算法、基于内存池的应用程序级页面置换算法等，读者课后可以进行拓展研究与实践应用。 课程目标1,2,3 第6章 输入/输出系统 介绍操作系统如何控制计算机系统的各部件及与外界交互。讨论接口控制方式，设备分配及管理方法，数据缓冲等。 重点： 1.磁盘结构 2.磁盘调度算法 3.缓冲区和假脱机 难点： 1.中断和中断处理程序； 2.缓冲和假脱机； 3.磁盘调度。 一、教学目标 1.掌握现代I/O系统的两个基本思想：设备驱动和与设备无关性； 2.理解I/O设备的分类、中断等内容； 3.了解设备的I/O控制方式； 4.理解缓冲技术的应用以及怎样实现虚拟设备。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用问题导入法、案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：硬盘。 2.作业：围绕磁盘结构等内容布置。 3.课外阅读：国产固态硬盘。 8.推荐阅读：紫光集团有限公司，成立于1993年4月，是一家综合型集成电路企业。2019年初，其完全自主研发的国产固态硬盘——紫光存储S100实现量产。该硬盘采用了国产闪存颗粒，至此，我国一举打破了国外固态硬盘的长期垄断。 课程目标1,2,3 第7章 文件管理 讨论了文件系统和文件管理。对软件的管理，实现按名存取，怎样提高检索速度，怎样保证文件的安全等。 重点： 1.文件分类 2.文件目录 难点： 1.不同文件的逻辑结构的特点； 2.不同目录结构的特点。 一、教学目标 1.掌握文件的访问方法和目录结构，以及他们之间的关系； 2.掌握文件目录的性能优化方法；3.能够分析提高检索速度的方法。 4.理解文件操作的作用，具备熟练使用操作系统的方法。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用问题探讨法、案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：大文件如何存储？如何管理大容量硬盘？。 2.作业：文件目录的优化，散列函数。 3.课外阅读：hash 函数 9.知识拓展：Hash函数，或称散列函数，是可将任意长度的输入（又叫作预映射）通过散列算法转换（压缩映射）成固定长度的输出的一种函数，其输出结果即散列值。其实，Hash函数并没有固定的公式，只要符合散列思想的函数都可以被称为Hash函数。目前，Hash函数多应用于数据挖掘、信息安全以及数字签名等领域。 课程目标1,2,3 第8章 磁盘存储器管理 结合文件管理，围绕存储空间的有效利用，介绍了文件的三种物理组织；根据文件类型不同，存储空间的管理有空闲区表法、位示图法、成组链接法等。 重点： 1.文件的物理结构 2.磁盘空间的管理-位示图 3.提高磁盘I/O的技术 难点： 1.UNIX 的混合索引方式； 2.文件存储空间的管理方法。 一、教学目标 1.掌握三种磁盘空间分配方法：连续、链接和索引，以及它们的优缺点； 2.掌握文件存储空间的管理方法，特别是位示图； 3.理解提高磁盘I/O速度的途径和提高磁盘可靠性的技术。 4.掌握文件的物理组织； 5.会分析如何存储大文件； 6.根据所学，具备分析提高系统访问速度的途径。 二、教学方法 围绕教学重点和教学难点，综合应用案例教学法、课堂讲授与讨论、作业、课外阅读等。 1.课堂讨论：鸿蒙系统。 2.作业：围绕磁盘空间管理和unix混合索引等内容布置。 3.课外阅读：鸿蒙系统。 4.在线测试。 10.新一轮科技变革之际 国产OS如何依托工业互联网实现“换道超车”？ 2019年，国际政治关系的变化导致华为技术有限公司（以下简称华为）面临紧迫的Android（安卓）系统停供风险。在此背景下，华为毅然推出自主研发的操作系统——鸿蒙系统（HarmonyOS），以尽量减少Android系统停供所造成的损失。鸿蒙系统一经问世便引发产业界高度关注，这充分反映出大家对优秀国产操作系统的期盼。 课程目标1,2,3 七、教学建议 1.案例教学，与当前主流操作系统linux相结合，通过案例使学生理解并掌握操作系统中的实现技术。 2.启发式教学，在教学过程中充分利用网络资源，激发学生主动查询相关资料，通过阅读源代码，初步掌握复杂软件的设计方法，提高编程水平。 3.互动式教学，通过小组讨论的形式，引导学生充分参与学习过程，培养学生独立思考、分析问题和团队合作的能力。 八、课程考核和评价 （一）课程考核 考核环节包括4部分，每部分均实行百分制，其中平时成绩占20%，由课堂表现和课后作业等组成；单元测试占10%，由在线测试组成；实验20%，由实验过程观察及实验报告成绩组成；期末考试成绩占50%。总评成绩以百分计，满分100分。 成绩构成 考核方式 考核/评价细则 对应课 程目标 平时 成绩（40%） 课堂表现 20分 课堂发言A1，回答问题A2、讨论参与A3、笔记展示A4、质疑答疑A5，课外阅读/梳理总结后，课堂展示A6等，根据课堂计分。 课堂表现得分=(A1+A2+A3+A4+A5+A6),上限20分; 课程目标3 作业 30分 根据所学内容，布置4-6次作业涵盖内容如下： (1)处理器调度/死锁(B1); (2)进程同步(B2); (3)地址转换/页面调度(B3)； (4)文件结构(B4)； (5)磁盘驱动调度(B5); (6)作业得分=（B1+B2+B3+B4+B5）/题目总分×30。 课程目标1，2 实验 50分 实验项目共6个，每次实验成绩按100分，根据学生实验操作规范性（10分），实验运行结果（30分）、实验报告（60分）综合评分。其中，学生实验操作规范性主要考查课程目标3，占比10%；实验运行结果和实验报告主要考查课程目标1、2，占比90%。 实验总评成绩为6次实验成绩的平均分，并按20%计入总成绩。 课程目标1，2，3 单元测试（10%） 在线测试 100分 根据所学内容，开展4-6次单元在线测试，考核学生对相应知识点的掌握情况；采用优慕课/雨课堂/问卷星等方式，系统自动评分，以客观题方式为主。 (1)操作系统概论(D1); (2)进程描述与控制（D2); (3)进程同步（D3）； (4)存储管理（D4）； (5)文件和设备管理（D5）； (6)单元测试得分=（D1+D2+D3+D4+D5）/题目总分×100。 课程目标1，2 期末 考试（50%） (1)卷面成绩100分。卷面成绩按比例50％计入课程总评成绩，考试内容覆盖课程目标1，2，3。 (2)主要考核内容：处理器调度、进程并发、地址转换、页面调度、文件管理等。 (3)卷面成绩E得分，根据期末考试参考答案和评分标准。 选择题20-30分 课程目标1，2 填空题10-20分 课程目标1，2 简答题10-20分 课程目标2 综合题40-50分 课程目标2，3 （二）课程评价 毕业要求指标点 课程目标 支撑环节 目标分值 学生平均得分 达成度计算示例 1.2 课程目标1：知识目标 作业 4 B1 课程目标1达成度 实验 6 C1 =（B1+C1+D1+E1）/（B01+C01+D01+E01）=（B1+C1+D1+E1）/22 单元测试 4 D1 期末考试 8 E1 3.1，4.1 课程目标2：能力目标 作业 8 B2 课程目标2达成度 实验 12 C2 =（B2+C2+D2+E2）/（B02+C02+D02+E02）=（B2+C2+D2+E2）/66 单元测试 6 D2 期末考试 40 E2 9.1 课程目标3：素质目标 课堂表现 8 A3 课程目标3达成度 实验 2 C3 =(A3+C3+E3)/(A03+C03+E03)=(A3+C3+E3)/12 期末考试 2 E3 课程目标达成度 100 A3+B1+B2+C1+C2+ D1+D2+E1+ E2+ E3 课程总目标达成度 =(A3+B1+B2+C1+C2+D1+D2+E1+E2+E3)/100 毕业要求指标点： 1.2 掌握计算机组成与体系、云计算基础架构平台、虚拟化技术、云存储技术、云安全配置管理、程序开发设计等专业基础知识，能将其用于云计算系统、云应用等复杂工程问题解决方案进行分析，并尝试改进。 3.1 能够针对云计算系统、云应用服务复杂工程问题进行调研并明确相关的约束条件，完成云计算应用系统平台的需求分析，方案设计，确定设计目标。 4.1 能够对云计算系统、云应用服务相关的关键算法、模块进行研究和实验验证。 9.1 能够与其他学科的成员合作开展工作，能胜任个体和团队成员的角色并承担相应责任。 注：字母A、B、C、D和E分别表示总评成绩中课堂表现、作业、实验、单元测试、期末考试的目标分值，其中A3代表支撑课程目标3的课堂表现目标值，B1代表支撑课程目标1的作业目标值，B2代表支撑课程目标2的作业目标值; C1代表支撑课程目标1的实验目标值，C2代表支撑课程目标2的实验目标值，C3代表支撑课程目标3的实验目标值; D1代表支撑课程目标1的在线测试目标值，D2代表支撑课程目标2的在线测试目标值; E1代表支撑课程目标1的期末考试目标值，E2代表支撑课程目标2的期末考试目标值，E3代表支撑课程目标3的期末考试目标值。 九、推荐教材和参考文献 （一）推荐教材 《计算机操作系统（第四版）》，汤小丹 梁红兵 哲凤屏 汤子瀛 编著，西安电子科技大学出版社，2014年5月，教材性质。 （二）参考文献 《操作系统》，郑鹏编著，上海交通大学出版社，2012年5月，教材性质。 《计算机操作系统（慕课版）》，汤小丹 王红玲 姜华 汤子瀛 编著，人民邮电出版社，2021年6月，教材性质。 编写人：杨秀华 审定人：张春雷