操作系统教案课程.docx
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操作系统教案课程
《计算机操作系统》
教案
备课教师：
晁妍
职称：
助教
教学班级计科专业09级本科2班
时间：
2011年9月
已教轮数：
1
计算机与信息学院
2011-2012学年度第一学期
课程教学目的及教学要求：
本课程是计算机科学与技术专业的主要专业基础课和主干课。
本课程的学习目的在于使学生掌握操作系统的基本概念、基本原理、设计方法和实现技术，具有初步分析实际操作系统的能力，为其今后在相关领域开展工作打下坚实的基础。
教学时数与学时分配：
共51学时，周学时：
17,（分单双周，每次2个学时）
章次
标题
教学手段
学时数
第一章
操作系统引论
4
第二章
进程管理
12
第三章
处理机调度与死锁
4
第四章
存储管理
10
第五章
设备管理
6
第六章
文件系统
8
第七章
操作系统接口
4
第八章
网络操作系统
1
第九章
系统安全性
1
第十章
UNIX系统内核结构
1
教材：
《计算机操作系统》（第三版）汤小丹等
推荐参考书：
[1]《计算机操作系统》（第二版）汤子瀛等西安电子科技大学出版社
[2]《计算机操作系统教程》张尧学史美林清华大学出版社
[3]《UNIX教程》（第2版）（美）SyedMansoorSarwarRobertKoretsky张玉洁孟祥武译机械工业出版社
[4]《计算机操作系统.学习指导与题解》梁红兵、汤小丹西安电子科技大学出版社
[5]《操作系统实验指导—基于linux内核》徐虹编清华大学出版社
第1、2讲（周次：
第2周）
（注：
线右侧写教学方法、实验演示、新增补内容、重要标注、时间分配等）
教学章节：
1.1操作系统的目标和作用（简略）
1.2操作系统的发展过程（每种OS的不足与各自特点）
教学目的及要求：
目的：
是使学生建立起OS的基本概念。
要求：
了解OS的引入和发展；理解多道程序设计技术；
重点、难点：
（注：
重点和难点如果一致，则写在一起，若不同则应分开写）：
OS引入和发展、OS的基本特征和功能。
教学内容：
板书设计见PPT。
（注：
内容每节课1-2页为宜）
复习引入：
首先说明对课程的成绩如何评定，提出学习要求，以及教材的使用并推荐参考教材。
然后介绍本课程的特点、性质和目的，以及如何学习，最后对本课程内容以及课时分配做简单的介绍。
新课讲授：
操作系统在计算机系统中的地位：
（结合课件中图加以说明，由此引出目标和作用）
计算机系统由硬件和软件组成；操作系统在硬件基础上的第一层软件；是其他软件和硬件之间的接口。
操作系统在计算机系统中占据着特别重要的地位，是计算机中最重要的系统软件，是其他系统软件和应用软件运行的基础。
1.1操作系统的目标和作用
1.1.1操作系统的目标
方便性（用户的观点）：
提供良好的、一致的用户接口。
无需了解许多有关硬件和系统软件的细节。
有效性（系统管理人员的观点）：
合理地组织计算机的工作流程，管理和分配硬件、软件资源，提高资源的利用率；提高系统的吞吐量。
可扩充性（开放的观点）：
操作系统必须能方便地开发、测试和引进新的系统功能，以适应计算机硬件和体系结构的迅速发展以及应用不断扩大的要求。
给计算机系统的功能的扩展提供开放式的支撑平台。
开放性：
可移植性和互操作性
其中有效性和方便性是设计OS时最重要的两个目标，设计现代OS的主要目标也是对提高资源利用率和方便用户。
1.1.2操作系统的作用
1.从一般用户的观点来看，OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（桥梁）
用户并不直接与计算机硬件打交道，而是通过操作系统提供的命令、系统功能调用以及图形化接口来使用计算机。
2.从资源管理的观点来看，OS作为计算机系统资源的管理者（管家）
处理机的分配和控制，内存的分配和回收，I/O设备的分配和处理，文件的存取、共享和保护工作都是由操作系统完成的。
主要功能有：
处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理
3.从虚拟机的观点来看，OS用作扩充机器（实现了对计算机资源的抽象）（虚拟机或扩充机）
硬件处在最底层，不附加任何软件的物理计算机?
“裸机”.
操作系统是附加在裸机上的第一层，是对裸机的首次扩充，构成了一个比裸机更强，使用更方便的“虚拟计算机”。
所有系统软件以及更上层的用户应用软件在操作系统虚拟机上运行，它们受操作系统的统一管理和控制，通过操作系统使用各种资源来完成特定的任务。
引出OS的定义（以提问的方式）
操作系统的定义：
是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用计算机的程序的集合。
1.1.3推动操作系统发展主要动力（稍后补充）
1.2操作系统的发展过程（介绍OS的引入与发展，以及推动发展的主要动力）
1.2.1无操作系统的计算机系统
1.人工操作方式
1946-50年代中：
电子管时代（第一代计算机），计算机速度慢，无操作系统，计算机资源昂贵；
工作方式：
用户：
既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员；
编程语言：
机器语言；
输入输出：
纸带或卡片；
计算机的工作特点：
用户独占全机，资源利用率极低；
CPU等待用户，计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；
主要矛盾：
人机矛盾----人工操作严重降低了计算机资源的利用率
提高效率的途径：
脱机输入/输出技术。
2.脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式:
脱机输入方式是指在一台外围机（它是一台专门用来管理I/O的、功能较简单的计算机）的控制下，预先将程序和数据从低速输入设备到磁带，当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带高速地读入内存。
类似地，脱机输出方式是指当CPU需要输出时，先高速地将数据写入磁带，然后在一台外围机的控制下，通过低速输出设备进行输出。
相反，在主机的直接控制下进行的I/O方式被称为联机I/O方式。
脱机I/O方式的主要优点：
减少了CPU的空闲时间、提高I/O速度（缓和了人机矛盾）
1.2.2单道批处理系统（SimpleBatchProcessingSystem）
1．单道批处理系统处理过程
晶体管时代（第二代计算机）
批处理技术是在系统中配置一个监督程序，并在该监督程序的控制下，能够对一批作业自动进行处理的一种技术。
把一批作业以脱机方式输入到磁带或磁盘上，并在系统中配上监督程序（Monitor），在它的控制下使这批作业能一个接一个的连续处理。
2.单道批处理系统的特征：
自动性：
无需人工干预。
顺序性：
作业完成的顺序与它们进入内存的顺序以及作业在磁带上的顺序一致。
单道性：
内存中仅能存放一道作业。
不足：
无法充分利用系统中的所有的资源
1.2.3多道批处理系统
1．多道程序设计技术
是指在内存中同时存放若干个作业，使它们共享系统资源并同时运行的技术。
在单处理机环境下，这些作业仅在宏观上同时运行，而在微观上交替执行。
2．多道批处理系统
采用多道程序设计技术的批处理系统被称作多道批处理系统。
多道批处理系统中必须配置一组软件（调度程序），来解决多道程序对系统资源的共享和争用问题，并对作业进行合理的组织和调度。
外存（后备队列）——>作业调度——>内存（共享CPU和系统中的各种资源）
就形成了现代意义上的OS
3．具有的主要特征：
（与单道批处理的特征对比）
多道性：
内存中可同时存放多个作业
调度性：
（作业调度、进程调度）需通过作业调度从外存中选取若干个作业装入内存，还需通过进程调度在内存的多个作业中分配CPU。
无序性：
作业调度的次序与作业在外存中次序无关，作业完成的次序与作业进入内存的次序也无关。
4．多道批处理系统需解决的问题
（1）多道程序对OS的基本要求
存储管理--系统必须为若干作业分派空间
CPU调度--系统必须在就绪作业中选择准备运行.
设备分配—既方便用户使用，又能提高设备利用率.
（2）多道批处理系统需解决的问题：
处理机管理问题、内存管理问题、设备管理问题、文件管理问题、作业管理问题
5．优缺点：
优点：
资源利用率高——CPU和内存利用率较高；
系统吞吐量大——（单位时间内所完成的总工作量）
缺点：
平均周转时间长——（从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历的时间），短作业的周转时间显着增长
无交互能力——整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；
1.2.4分时系统
1．分时系统的产生
引入：
为了解决批处理系统无法进行人机交互的问题，并使多个用户（包括远程用户）能同时使用昂贵的主机资源，又引入了分时系统。
分时系统：
是指在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。
2．分时系统的设计思想
（1）采用了分时技术：
既把处理机的时间划分成很短的时间片（eg,几百毫秒），轮流地分配给各个终端作业使用。
（若在分配给它的时间片内，作业仍没执行完，它也必须将CPU交给下一个作业使用，并等下一轮得到CPU时再继续执行）
（2）设计目标：
系统能及时响应用户的终端命令
（3）实现中的最关键问题：
使用户能与自己的作业进行交互。
（及时接收、及时处理）
响应时间RT（responsetime）:
从键盘命令进入（按下回车键为准）到开始在终端上显示应答的时间间隔.。
在分时系统中,响应时间≈时间片×用户数
.改变批处理系统的运行方式：
作业直接进入内存
系统采用时间片轮转方式处理服务请求
4.分时系统的特征
多路性：
多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。
宏观上：
是多个人同时使用一个CPU
微观上：
多个人在不同时刻轮流使用CPU
独立性：
用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。
及时性：
通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。
（指用户能在很短的时间内获得系统的响应，是以人们所能接受的等待时间决定的，一般为2~3秒）
交互性：
能进行广泛的人机交
分时系统的关键问题是使用户能与自己的作业进行交互，或者说它追求的主要目标是系统能及时响应用户的终端命令。
1.2.5实时系统（实时：
及时响应并快速处理！
）
引入：
由于前几种操作系统都不能很好的满足在实时控制和实时信息处理领域的需要
1．实时系统及其类型
（1）实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
（2）可分成两大类：
实时控制系统：
通常使指以计算机为中心的生产过程控制系统和武器控制系统。
这类系统要求实时采集现场数据，并对数据进行及时处理，进而自动地控制相应的执行机构。
如工业自动控制、火炮自动控制、飞机自动驾驶、导弹制导等。
实时信息处理系统：
通常使指对信息进行实时处理的系统。
这类系统要求及时接受从终端（包括远程终端）发来的服务请求，按请求的内容对信息进行检索和处理，并在很短的时间内为用户做出正确的回答。
如飞机订票、情报检索等。
2.实时任务的类型
（1）按任务执行时是否呈现周期性来划分
周期性实时任务
非周期性实时任务——截止时间
开始截止时间：
某任务在某时间以前必须开始执行
完成截止时间：
某任务在某时间以前必须完成
（2）根据对截止时间的要求来划分（与截止时间联系的是否严格）
硬实时任务
软实时任务
3．三种基本操作系统的比较：
多路性
独立性
及时性
交互性
可靠性
批处理系统
无
无
差
差
一般
分时系统
多终端服务
有
好
好
可靠
实时系统
多路采集、多路控制
有
最好
一般
高度
可靠
补充：
推动批处理系统的形成与发展的主要动力：
提高系统资源利用率；
推动分时系统形成与发展的动力室方便是用户；推动OS发展的主要动力：
计算机硬件的不断更新换代
1.2.6微机OS的发展
1．单用户单任务OS：
只允许用户程序作为一个任务运行eg.CP/M、MS-DOS
2．单用户多任务OS：
允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行eg.MS-Windows
3．多用户多任务OS：
允许多个用户通过各自的终端使用一台机器。
eg.UNIX、LINUX
教课小结：
1、了解操作系统的目标，理解操作系统的作用，了解推动操作系统发展的主要动力
2、了解无操作系统的计算机系统和单道批处理系统。
理解多道批处理系统、分时系统和实时系统的特征和优缺点。
预习要求：
作业布置：
1、作业：
2、补充习题：
（若没有可以删去）
推荐参考书目、网站及阅读材料：
（若没有可以删去）
实验一：
LINUX入门
第3讲（第3周）
（注：
线右侧写教学方法、实验演示、新增补内容、重要标注、时间分配等）
教学章节：
1.3操作系统的特征
1.4操作系统的主要功能
1.5操作系统的结构设计
教学目的及要求：
1．掌握操作系统的功能和特征。
2．了解分层式结构和微内核结构。
重点、难点：
（注：
重点和难点如果一致，则写在一起，若不同则应分开写）
OS的基本特征和功能。
教学内容：
板书设计见PPT。
（注：
内容每节课1-2页为宜）
复习引入：
上节课学习了OS的引论，介绍了OS的发展过程，其中主要功能小节也是对本书的简要的概括，需要同学们掌握。
OS是系统软件，对于这种大型的软件，在开发的过程中，其软件的结构设计是怎么样的发展过程，下面就来学习：
新课讲授：
1.3操作系统的特征
采用多道程序设计技术的现代操作系统具有如下四个基本特征：
并发、共享、虚拟、异步。
其中并发和共享是OS的两个最基本的特征。
1．并发
并行性：
两个或多个事件在同一时刻发生
并发性：
两个或多个事件在同一时间间隔内发生
在多道程序系统（单处理器）中，宏观上并行，微观上串行（交替执行）
程序（静态实体）不能并发执行，为使多个程序并发执行，引入进程。
进程——在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，（是活动实体）。
现代OS中还引入一个比进程更小的单位——线程，此时，一个进程中可包含若干个线程，资源分配的基本单位虽仍然是进程，但独立运行、独立调度和分配处理机的基本单位却是线程。
2．共享
在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用
共享方式：
互斥共享方式：
资源分配后到释放前，不能被其他进程所用，如打印机、变量、队列等。
临界资源（独占资源）：
一段时间内只允许一个进程访问的资源
同时访问方式：
在同一段时间内可以被多个作业同时访问。
如可重入代码，磁盘文件。
宏观并行微观串行。
并发和共享是OS的两个最基本的特征，又互为存在的条件。
３．虚拟（是以并发和资源共享为前提）
虚拟——通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术
时分复用技术：
虚拟处理机、虚拟设备技术（分时使用方式）
空分复用技术：
虚拟内存、虚拟磁盘技术
４．异步性（是并发与共享的必然结果）
指进程的执行顺序和执行时间的不确定性；指进程以人们不可预知的速度向前推进。
进程的运行速度不可预知：
多个进程并发执行，“时走时停”，不可预知每个进程的运行推进快慢；
无论快慢，结果应该相同。
通过进程互斥和同步手段来保证；
1.4操作系统的主要功能
包括：
处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能、用户接口
1.4.1处理机管理功能
主要是对处理机的分配和运行进行管理。
（创建和撤销进程（线程），对诸进程（线程）的运行进行协调，实现进程（线程）之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）。
）
主要功能包括：
进程控制：
为作业创建进程、撤销已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换
进程同步：
为多个进程（含线程）的运行进行协调（协调方式：
互斥和同步）
进程通信：
用来实现在相互合作的进程之间的信息交换；
调度：
作业和进程的状态切换，包括作业调度和进程调度
1.4.2存储器管理功能
存储器管理为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存
存储器管理功能有：
内存分配：
为每道程序分配内存空间，提高存储器的利用率，允许正在运行的程序申请附加的内存空间；
存储保护：
确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行，彼此互不干扰；
地址映射（变换）：
进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。
内存扩充：
用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题；
请求调入功能
页面置换功能
1.4.3设备管理功能
设备管理的主要任务:
完成用户进程提出的I/O请求，为用户进程分配其所需的I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。
设备管理的功能有：
缓冲管理：
匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度；
设备分配：
根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备;
设备处理：
设备驱动程序用于实现CPU和设备控制器之间的通信。
设备独立性和虚拟设备：
1.4.4文件管理功能
文件系统管理的主要任务：
对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。
文件管理的功能有：
文件存储空间的管理：
为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度;——解决如何存放信息的问题
目录管理:
为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效组织，实现方便的按名存取，能实现文件共享，提供快速的目录查询手段。
（通过目录方式来组织文件，以实现文件的按名存取）——解决信息检索问题
文件的读/写管理和保护：
实现文件的读写操作，并提供有效的存取控制功能，保护文件的安全性。
——解决信息安全问题。
1.4.5OS与用户之间的接口
1.用户接口（提供给用户使用）
（1）命令接口：
用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。
联机用户接口：
由一组键盘操作命令和命令解释程序组成
脱机用户接口：
由一组作业控制语言JCL组成
（2）图形接口：
2.程序接口（提供给程序员在编程时使用）
为用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。
1.5操作系统的结构设计
操作系统的结构：
整体式（无）结构、模块化结构、层次式结构、微内核结构
1、整体式OS结构
整体式系统是早期操作系统和一些较小的操作系统所采用的一种结构模型。
整个系统是一堆过程的集合，每个过程都可以随便调用任意其它过程。
采用这种结构的操作系统不仅调试和维护不方便，而且其可读性和可扩充性都较差。
2、模块化OS结构（关键问题：
模块的划分和规定好模块之间的接口）
模块化程序设计技术，是基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度的。
将OS按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小的模块。
并规定好各模块间的接口，各模块之间能通过该接口实现交互。
衡量模块独立性的两个标准：
内聚性和耦合度。
模块化OS结构优缺点
优点：
提高设计的正确性、可理解性和可维护性
增强可适应性；
加速开发过程
缺点：
模块的划分和接口的规定较困难
模块间还存在着复杂的依赖关系，是os结构变得不够清晰。
（在模块化结构设计中，各模块的设计齐头并进，无法寻找到一个可靠的决定顺序，造成各种决定的“无序性”）
3、层次式结构
为了将模块化中的“决定顺序”无序性变为有序性，引入了有序分层法，常采用自底向上法来铺设这些中间层。
层次式结构是对模块化结构的一种改进。
将一个操作系统分为若干个层次，每层又由若干个模块组成，各层之间只存在着单向的依赖关系，即高层仅依赖于紧邻它的底层。
层次结构的优点:
正确性有保证、便于系统维护、扩充
层次结构的缺点:
模块间需要通信机制、系统开销大、效率低
在OS结构中，分层式结构是最为成熟的一种OS结构，而20世纪90年代兴起的微内核结构是最具有发展前途的OS结构。
补充：
分层式结构与模块式结构的主要区别在于：
分层结构中各模块之间有序的。
分层式结构将各个功能模块按它们的功能流图的调用次序安排成若干层，各层之间的模块不能像模块式结构那样通过接口毫无规则地相互依赖、相互调用，而只能是单向调用，即每层中的模块只能使用较低层模块提供的功能和服务。
因此在分层结构中，模块间的组织结构和依赖关系更加清晰，这不仅增加系统的可读性，同时还使每一层建立在可靠的基础上，从而提高系统的可靠性。
4、微内核OS结构
微内核结构是指将C/S技术、面向对象技术用于基于微内核技术的OS中所形成的结构。
微内核的主要思想是：
在操作系统内核中只留下一些最基本的功能，而将其他服务尽可能地从内核中分离出去。
内核的基本组成：
中断处理、进程调度、同步机制
用若干个运行在用户态下的进程（即服务器进程）来实现，形成所谓的“客户/服务器”模式。
普通用户进程（即客户进程）可通过内核向服务器进程发送请求，以取得操作系统的服务。
C/S技术把OS分为两个部分：
一部分是用于提供各种服务的服务器
另一部分是用于实现os最基本功能的内核，其全部工作是处理C与S之间通信。
优点：
易于扩充，易于移植、提高系统的可靠性、提供多种操作环境、适宜于分布计算模式、有助于多处理器系统的实现、支持实时任务
缺点：
消息传递方式增加开销，使响应变慢
几个商品化系统：
WindowsNT,NextStepXINU,OSF/11.3,WorkspaceOS,Chorus/MixV.4，acG3,QNX,CTOS
举例：
微内核的开放式系统环境、一个分布式系统中的客户服务器模型
在现代OS的设计中，常常还融入面向对象的程序设计技术。
面向对象技术，该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制OS的复杂度。
它利用被封装的数据结构和一组对数据结构进行操作的过程来表示系统中的某个资源，这样，可使资源的管理因一致而简化。
当前广泛使用的Windows2000操作系统，就采用了微内核的结构，同时还融入了面向对象的程序设计技术。
具有面向对象的特点：
封装性、继承性、多态性
微内核的基本功能：
通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。
教课小结：
预习要求：
作业布置：
第4讲（第4周）
（注：
线右侧写教学方法、实验演示、新增补内容、重要标注、时间分配等）
教学章节：
第2章进程管理
2.1进程的基本概念
2.1.1程序的顺序执行及其特征
2.1.2前趋图
2.1.3程序的并发执行及其特征
2.1.4进程的特征与状态
2.1.5进程控制块
教学目的及要求：
学习目的是使学生建立起进程的概念。
进程是OS中最重要的基本概念，本章是全书中最重要的一章。
要求掌握进程的基本概念，
重点、难点：
（注：
重点和难点如果一致，则写在一起，若不同则应分开写）
进程的引入、特征、基本状态、进程控制块
教学内容：
板书设计见PPT。
（注：
内容每节课1-2页为宜）
复习引入：
通过第一章的学习，对操作系统有了整体上的认识，以后的章节就是对各个部分的功能加以详细的论述。
新课讲授：
第2章进程管理
思考问题：
为什么要引入进程
进程具有哪些基本特征
进程具有哪些基本状态
进程控制块的作
升级会员 