操作系统教案30学时.docx

操作系统教案30学时.docx

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操作系统教案30学时

教案

2017～2018学年第1学期

课程名称

：

操作系统

课程类别

：

所属部门

：

主讲教师

：

职称

：

授课班级

：

使用教材

：

操作系统

教务处制

二○一七年九月

使用说明

（打印在封面反页）

1.理论、实验、理实一体、实训和实习课程的教案模版一致。

2.新入职我校的教师（副高职称以上、曾讲授过本课程的教师除外）在担任教学工作的前两年、其他教师上新课的第一轮，教案须手写。

除此以外，教案可手写，可为电子文档。

3.理论、实验、理实一体课程的节次以2节为单位进行填写；实习、实训课程的节次根据教学内容选取，一般为2～4节，最大节次单元不超过6节。

4.每一轮课程教案，要体现出内容的更新。

5.教案须以纸质形式带入课堂。

章节或项目名称

第一章概述（第1次）

本次授课类型

理论□实验□理实一体□实训□实习

班级

地点

周次

星期

节次

授课进度

符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

教学目标

1、理解操作系统的定义

2、了解操作系统发展

3、了解操作系统分类和基本功能

教学重点

1、操作系统的定义

2、操作系统发展

3、操作系统基本分类和基本功能

教学难点

操作系统的分类

教学设计

教学环节

内容要点

教学方法

与手段

时间

分配

一、引入

1、操作系统课程的的重要性

2、操作系统的作用

二、讲授新课

1、操作系统定义

2、操作系统的发展

3、操作系统的分类

（1）批处理操作系统

（2）实时操作系统

（3）分时操作系统（4）网络操作系统

（5）分布式操作系统

三、小结

总结本课内容

四、作业1、操作系统？

2、操作系统分类

启发式

讲授法

10分

20分

20分

35分

5分

教学效果及改进思路

学生基本上理解了操作系统的定义、了解了发展、分类和基本功能，但都理解不够深刻。

第一节什么是操作系统

一、计算机系统

1、计算机系统定义：

是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。

2、计算机系统构成：

硬件系统和软件系统。

3、硬件系统组成：

中央处理器（CPU）、主存储器、辅助存储器、各种输入/输出设备。

计算机之父：

冯.诺依曼

冯.诺依曼的贡献：

（1）提出用二进制表示数；

（2）提出五大部件组成计算机；

（3）提出“存储程序”思想，即把程序和数据都存放在存储器，早期的程序是由开关控制实现的，数据是存放在存储器中。

二、操作系统

1、操作系统定义：

是一种管理计算机系统资源、控制程序执行、改善人机界面和为其他软件提供支持的系统软件。

2、操作系统在计算机中的作用：

（1）管理计算机系统资源；

（2）控制程序执行；

（3）改善人机界面和为其他软件提供支持。

即操作系统的定义就是在计算机中的作用。

从用户观点理解，操作系统是人机交互接口；

从资源管理角度，操作系统是管理计算机的软、硬件资源；

从程序控制观点，操作系统控制计算机程序的执行。

总结为：

操作系统是：

（1）管理计算机的软件、硬件资源；

（2）合理组织计算机工作流程；

（3）提供方便用户操作的接口

和软件的集合。

计算机配置操作系统的目的是提高资源的利用率。

操作使用者认为操作系统认为操作是一组命令的集合，它接收输入的命令，程序设计人员认为操作系统是一组功能调用程序（系统调用）的集合。

3、操作系统两个主要设计原则（目标）：

（1）能使得计算机系统使用方便。

即方便；

（2）提高计算机工作效率。

即效率。

第二节操作系统的发展

1控制台：

早期，程序的装入、调试以及控制程序的运行都是程序员通过控制台上的开关来实现（第一阶段，对应着第一代计算机，电子管时代）。

2、原始汇编系统：

用汇编语言编写的程序称为源程序，它不能直接在机器上执行，只有通过汇编语言解释程序把源程序转换成用机器指令序列表示的目标程序后才能在计算机上运行。

3、设备驱动程序：

是最原始（初级）的操作系统。

是一种控制设备工作的程序。

4、管理程序（是初级的操作系统。

是一种能对计算机硬件和软件进行管理和调度的程序（管理程序阶段，也称第二阶段，对应着第二代计算机，晶体管时代）。

5、操作系统：

采用了SPOOLING的处理形式。

SPOOLING又称“斯普林”（翻译为联机的同时外围设备操作）。

从本质上说，SPOOLING是把磁盘作为一个巨大的缓冲器。

在一个计算问题开始之前，把计算所需要的程序和数据从读卡机或其他输入设备上预先输入到磁盘上存放。

这样，在进行计算时不再需要访问读卡机等慢速的输入设备，而可以从速度快得多的磁盘上读取程序和数据。

同样，对于计算的结果也是先在磁盘上缓冲存放，待计算完成后，再从打印机上打印出该计算问题的所有计算结果（操作系统阶段，也称第三阶段，对应着第三代计算机，集成电路时代）。

操作系统发展的历史：

（1）无操作系统（或人工）阶段（第一代）

这个阶段有卡片、磁带机和打印机。

通过各种开关操作计算机。

特点：

①用户独占计算机②CPU等待人工操作

缺点：

资源利用率低，CPU利用不充分（人机矛盾，随着计算机速度的提高日益显著）。

（2）管理程序阶段（第二代）

出现了编程语言：

FORTRAN（用于科学计算）、COBOL（用于商业、特别是银行、股票）。

第一个完整（初级）操作系统（管理程序）在IBM360上，1900系列（英国）。

特点：

①半自动方式②管理部分资源③资源可实现简单共享

这个阶段提供了一套控制命令——控制卡，以此来成批地处理用户程序，使其能自动有序执行。

缺点：

CPU与I/O设备速度不匹配，系统效率较低。

（3）操作系统阶段（第三阶段）

出现大容量的磁盘，主存容量增大，CPU速度加快。

软件有了较大的发展。

联机输入输出：

在主机控制之下的输入输出操作。

只有一台主机。

脱机输入输出：

一台主机，两台外围机，分开的输入输出操作。

采用多种典型技术：

①多道批处理技术：

不完善，解决了人机矛盾及CPU与I/O设备速度不匹配，提高了资源利用率。

多道程序设计技术利用并发挥了计算机硬件资源的并行能力。

②SPOOLING技术：

预输入和缓输出（脱机输入输出）。

（作业调度各程序调用井管理程序，井管理读程序（从输入井读）和井管理写程序（向输出井写））

③多道程序设计技术：

内存若只有一道程序，若该程序请求I/O操作，则CPU处于等待I/O完成状态，即空闲。

为改善CPU和利用率，同时把若干作业放入主存，允许其交替执行，共享系统的软、硬件资源。

（4）现代操作系统阶段（第四代）

代表性的UNIX（多用户分时操作系统）。

（5）智能计算和网络计算阶段。

章节或项目名称

操作系统分类（第2次）

本次授课类型

理论□实验□理实一体□实训□实习

班级

地点

周次

星期

节次

授课进度

符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

教学目标

1、理解解操作系统分类

2、理解操作系统的特征和基本功能

教学重点

1、操作系统分类

教学难点

操作系统的分类

教学设计

教学环节

内容要点

教学方法

与手段

时间

分配

一、复习回顾

1、操作系统定义

2、操作系统的发展阶段

二、讲授新课

3、操作系统的分类

（1）批处理操作系统

（2）实时操作系统

（3）分时操作系统（4）网络操作系统

（5）分布式操作系统

三、操作系统的基本

四、小结

总结本课内容

五、作业1、操作系统？

2、操作系统分类

讲授式

讲授法

10分

20分

20分

35分

5分

教学效果及改进思路

学生基本上理解了操作系统的分类，但都理解不够深刻。

第三节操作系统的分类

按照操作系统提供的服务进行分类，可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、多机操作系统和嵌入式操作系统等。

其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统。

作业：

用户请求计算机要解决的一个计算问题，作业可以分成若干环节，每个环节称为作业步。

任务：

是作业的一部分，相当于每个作业步；存放在磁盘上的一个程序可以看作一个作业；

进程：

等价作业，当一个程序从磁盘上调入主存（内存），则程序转化为进程。

例如，一个作业（以一C语言程序为例）分成四步：

（1）编写源程序（*.C）；（*.C是文本文件，可以用记事本打开）

（2）编译（*.C→*.obj）；（将*.C翻译成*.obj目标代码（伪代码，无法单独执行））

（3）连接（*.obj→*.exe）；（加载C系统中编写好的head头文件）

（4）执行（运行*.exe）。

每一步，称为作业步（在作业执行过程中，每一相对独立的部分，称为作业步）。

一、批处理操作系统

1、定义：

用户为作业准备好程序和数据后，再写一份控制作业执行的说明书（作业说明书）。

然后把作业说明书连同相应的程序和数据一起交给操作员。

操作员将收到的一批作业的有关信息输入到计算机系统中等待处理，由操作系统选择作业，并按其操作说明书的要求自动控制作业的执行。

采用这种批量化处理作业的操作系统称为批处理操作系统。

2、分类：

（1）批处理单道系统：

一次只选择一个作业装入计算机系统的主存储器运行。

（2）批处理多道系统：

允许多个作业同时装入主存储器，使中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需要的外围设备。

09年7月填空题中考了本知识点。

3、批处理多道系统优点：

（1）多道作业并行工作减少了处理器的空闲时间，即提高了处理器的利用率。

（2）作业调度可以按一定的组合选择装入主存储器的作业，只要搭配合理。

（3）作业执行过程中，不再访问低速的设备，而是直接从高速的磁盘上存取信息，从而缩短了作业执行时间，使单位时间内的处理能力得到提高。

（4）作业成批输入、自动选择和控制作业执行，减少了人工操作时间和作业交接时间，有利于提高系统的吞吐率（量）。

4、缺点

（1）平均周转时间长（从进入系统到完成所经历的时间）一个作业一旦运行便运行到完成，使许多短作业的周转时间显著增长。

（2）不提供交互能力：

用户将作业交给系统后，无法再与之交互作用，因此必须提供一份详细的作业说明书。

二、分时操作系统

1、定义：

能使用户通过与计算机相连的终端来使用计算机系统，允许多个用户同时与计算机系统进行一系列的交互，并使得每个用户感到好像自己独占一台支持自己请求服务的计算机系统。

具有这种功能的操作系统称为分时操作系统，简称分时系统。

09年7月的选择题考查了本知识点。

2、分时技术：

即把CPU时间划分成许多时间片，每个终端用户每次可以使用一个由时间片规定的CPU时间。

这样，多个终端用户就轮流地使用CPU时间。

如果某个用户在规定的一个时间片内还没有完成它的全部工作，这时也要把CPU让给其他用户，等待下一轮再使用一个时间片的时间，循环轮转，直至结束。

注意：

每个用户作业的时间片不一定相同。

3、分时系统主要特点：

（1）同时性。

允许多个终端用户同时使用一个计算机系统。

（2）独立性。

用户在各自的终端上请求系统服务，彼此独立，互不干扰。

（3）及时性。

对用户的请求能在较短时间内给出应答。

响应时间与用户数目和时间片长度有关。

（4）交互性。

采用人机对话的方式工作。

4.前台与后台

由分时系统控制的作业称为“前台”作业，而那些由批处理系统控制的作业称为“后台”作业。

具有前台和后台的OS提高了系统的效率。

5、分时OS与多道批处理区别

（1）目标不同：

批处理OS是提高系统效率，分时OSJ对应用请求的快速响应。

（2）作业性质：

批OS适用于需长时间的大型作业，分OS适用于时间较短的小作业。

（3）批OS可同时接收经合理安排的各种不同功能的作业，分时OS适合于运行执行相同功能的作业。

三、实时操作系统

1、定义：

能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且在严格的规定时间内处理结束，再给出反馈信号的操作系统称为实时操作系统，简称为实时系统。

2、实时操作系统的应用十分广泛，如控制科学实验、控制生产流水，监督病人的临床功能、监督和控制飞机的飞行状态，进行工业过程控制等。

实时操作系统分两类：

（1）实时控制，比如：

自动控制；

（2）实时处理，比如：

天气预报、订票系统等。

3、设计实时系统注意点：

（1）要及时响应、快速处理。

（2）实时系统要求高可靠性和安全性，不强求系统资源的利用率。

4、实时OS特点

①及时性：

首先必须考虑，其次才是资源的利用率，确保任何时候都能及时响应。

②可靠性：

常用双工体制，两台计算机同时运行，一台为主机，另一台为备用机。

四、单用户微机操作系统

是指早期的微型计算机上运行的操作系统每次只允许一个用户使用计算机。

五、网络操作系统

为计算机网络（由若干台计算机通过网络通信设备连接起来的系统）配置的操作系统称为网络操作系统。

网络操作系统把计算机网络中各台计算机系统有机地联合起来，为用户提供一种统一、经济而有效地使用各台计算机系统的方法，可使各台计算机系统相互间传送数据，实现各台计算机系统之间的通信以及网络中各种资源的共享。

即网络操作系统功能：

（1）通信；

（2）资源共享

六、分布式操作系统

为分布式计算机系统配置的操作系统称为分布式操作系统。

分布式操作系统能使系统中若干台计算机相互协作完成一个共同的任务，或者说把一个计算问题可以分成若干个子计算，每个子计算可以在计算机系统中的各计算机上并行执行。

网络OS与分布式OS区别：

网络OS采用集中式，着重于信息共享，有专门的共享服务器（集中式），而分布式OS可把一个大作业分解成多个小任务运行于网络的多台计算机上，着重于并行处理（分布式）。

七、多机操作系统

为多处理器系统配置的操作系统称为多机操作系统。

八、嵌入式操作系统

是指运行在嵌入式系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件。

（主要特点是微型化和实时性）

嵌入式系统结构：

微型化、低功耗。

第五节操作系统的功能

1、操作系统的功能：

（从资源管理的角度来分）

（1）处理器管理：

对CPU进行管理。

（2）存储管理：

对主存储器进行管理。

（3）文件管理：

通过对磁盘进行管理，实现对软件资源进行管理。

（4）设备管理：

对各类输入/输出设备进行管理。

2、操作系统为用户提供的使用接口：

（1）程序员接口：

通过“系统调用”使用操作系统功能。

（开发者，系统级，程序接口）

（2）操作员接口：

通过操作控制命令提出控制要求。

（应用者，用户级，命令接口）

章节或项目名称

第二章进程与线程（第3次）

本次授课类型

理论□实验□理实一体□实训□实习

班级

地点

周次

星期

节次

授课进度

符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

教学目标

1、理解进程的定义

2、理解进程的状态和进程控制块

3、理解进程的控制原语

教学重点

第二章处理器管理

2.1进程管理

（1）进程的引入

（2）进程状态和进程控制块（3）控制原语

教学难点

1、进程的定义

2、进程控制块与进程控制

教学设计

教学环节

内容要点

教学方法

与手段

时间

分配

一、复习回顾

1、操作系统的定义

2、操作系统分类

二、讲授新课

1、进程定义

2、进程的状态

3、进程控制块

4、进程的控制原语

三、小结

总结本课内容

四、作业1、进程的定义？

2、进程控制块包括的内容？

启发式

讲授法

10分

20分

20分

20分

15分

5分

教学效果及改进思路

学生基本上理解了进程的定义、进程的状态和进程控制，但都对进程的控制块理解不深入。

一、多道程序设计

1.让多个计算问题同时装入一个计算机系统的主存储器并行执行，这种程序设计技术称为多道程序设计。

2.注意三个问题

（1）存储保护；

（2）程序浮动；

（3）资源的分配和调度。

调度分为处理器调度（或进程调度）和作业调度。

对具有处理器与外设并行工作能力的计算机系统来说，采用了多道程序设计技术后，能提高整个系统的效率。

具体表现为：

（1）提高了处理器的利用率。

（2）充分利用外围设备资源。

（3）发挥了处理器与外围设备以及外围设备之间的并行工作能力。

采用多道程序设计能改善资源使用情况，提高系统效率，但是要注意两个问题：

（1）可能延长程序执行时间。

（2）并行工作道数与系统效率不成正比。

3.引入多道程序设计的目的

（1）提高了系统的效率，实现了处理器和外设的并行工作。

（2）增加了系统吞吐量（单位时间内运行作业的道数），但作业周转时间（作业的完成时间与作业提交时间的差）延长了。

二、进程概述

把一个程序在一个数据集上的一次执行称为一个进程。

引入进程的原因有以下两个方面：

（1）提高资源的利用率。

（2）正确描述程序的执行情况。

进程有如下一些基本属性：

（1）进程的动态性。

（2）多个不同的进程可以包含相同的程序。

（3）进程可以并发执行。

进程有三种基本状态。

为了便于管理进程，我们按进程在执行过程中不同时刻的不同情况定义三种基本状态：

（1）等待态—等待某一事件。

（2）就绪态—等待系统分配处理器以便运行。

（3）运行态—正在占用处理器运行。

根据进程的四个基本属性可概括出进程具有如下三个特性：

1．动态性：

进程是程序的一次执行过程，在执行过程中进程状态不断发生变化。

2．并发性：

若干进程是可同时执行的，它们轮流占用处理器交替执行。

3．异步性：

进程的执行速度取决于自身与外界原因以及能占用处理器的时间，因此以不可预知的速度向前推进。

章节或项目名称

第二章进程控制（第4次）

本次授课类型

理论□实验□理实一体□实训□实习

班级

地点

周次

星期

节次

授课进度

符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

教学目标

1、理解进程控制块

2、理解进程的控制原语

教学重点

第二章处理器管理

2.1进程管理

（1）进程控制块（3）控制原语

教学难点

1、进程控制块与进程控制

教学设计

教学环节

内容要点

教学方法

与手段

时间

分配

一、复习回顾

1、进程的定义

2、进程的状态

二、讲授新课

1、进程控制块

2、进程的控制原语

三、小结

总结本课内容

四、作业1、进程的定义？

2、进程控制块包括的内容？

启发式

讲授法

10分

20分

20分

20分

15分

5分

教学效果及改进思路

学生基本上理解了进程的定义、进程的状态和进程控制，但都对进程的控制块理解不深入。

三、进程控制块

为了标识进程，记录各个进程执行时的情况，操作系统在创建进程时为每一个进程设置一个进程控制块。

进程控制块的英文名称是ProcessControlBlock，缩写为PCB。

进程控制块（PCB）作用：

①标识进程

②记录进程执行

在一般情况下，进程控制块应包含四类信息：

（1）标识信息

①标识每个进程的进程ID。

②对进程标识的说明，进程名。

（2）说明信息

①进程的当前状态（运行、就绪和等待之一），若是等待态，则需要进一步说明具体的等待原因。

②“进程的程序存放的位置”指出该进程的程序存放在哪里？

③“进程数据的存放位置”指出进程执行时的工作区，用来存放被处理的数据集和处理结果。

。

（3）现场信息

包括控制寄存器（程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、数据缓冲器（MDR）、地址缓冲器（MAR））、通用寄存器（R0—Rn-1）和程序状态字寄存器（如断点信息）（PSW）。

（4）管理信息。

包括进程的管理和调度信息。

如进程优先级（进程占用CPU的先后次序）。

“队列指针”指出处于状态的另一个进程的进程控制块地址。

进程队列就是进程控制块的链表。

程序的一个静态的实体，进程是一个动态的实体。

四、进程控制原语

一个程序在一个数据集上的一次运行称为一个进程。

进程是有生命的，从创建而产生，到撤销而消亡。

操作系统中往往设计一些完成特定功能的，不可中断的过程，这些不可中断的过程称为原语。

用于控制进程的原语有：

1．“创建”原语：

为一个程序分配一个工作区和建立一个进程控制块，并置该进程为就绪状态。

2．“撤消”原语：

一个进程完成工作后，收回它的工作区和进程控制块。

3．“阻塞”原语：

进程运行过程中发生等待事件时，把进程状态改为等待态。

4．“唤醒”原语：

当进程等待的事件发生时，把进程的状态改为就绪态。

进程从等待态到就绪态，没有进行进程的切换。

2012年4月选择题。

进程的就绪队列可能不止一个，可以按优先级的高、中、低分成三个就绪队列。

同样，等待队列也可能不止一个。

进程从等待队列到就绪队列，就是把PCB从等待队列删除，插入到就绪队列中。

进程队列分单向链表和双向链表，队尾指针“0”表示不指向任何位置。

章节或项目名称

PV操作、互斥与同步（第5次）

本次授课类型

理论□实验□理实一体□实训□实习

班级

地点

周次

星期

节次

授课进度

符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

□符合□超前□滞后

教学目标

1、理解进程的并发性

2、理解进程并发与时间有关的错误

3、理解PV操作实现进程的互斥与同步

教学重点

1、进程的并发性

2、进程并发与时间有关的错误

3、PV操作

教学难点

PV操作实现互斥与同步

教学设计

教学环节

内容要点

教学方法

与手段

时间

分配

一、复习回顾

1、设备管理基本功能

2、I/O控制方式

3、实验三、四内容

二、讲授新课

1、进程的并发性

2、进程并发与时间有关的错误

3、PV操作实现进程的互斥与同步

三、小结

总结本课内容

四、作业

1、什么叫PV操作？

讲授法

讲授法

10分

20分

30分

20分

10分

教学效果及改进思路

学生基本上理解进程的并发性，与时间有关的错误，由于太快，对PV操作实现进程的并发的互斥与同步一知半解。

一、进程的顺序性和并发性

1．进程的顺序性

目前使用的计算机的基本特点是处理器顺序执行指令。

进程的顺序性就是指进程在顺序处理器上的执行是严格