操作系统原理与实践教程(第四版) 教案全套 史苇杭

操作系统授课教案课程目标本课程旨在使学生全面理解和掌握操作系统的基本概念、原理、功能以及实现方法，培养学生具备设计、分析和评价操作系统性能的能力，同时增强学生在多道程序设计、并发控制、存储管理、文件管理和设备管理等方面的实践应用能力。第1章操作系统概论教学目标掌握操作系统的定义及其在计算机系统中的作用。了解操作系统的特征与功能。了解操作系统的形成过程及发展趋势。掌握批处理系统、分时操作系统和实时操作系统的特点。了解操作系统的设计结构。了解常见操作系统的特点。教学内容操作系统的概念、特征、功能与设计目标。操作系统的形成与发展历程。不同类型的操作系统（批处理系统、分时系统、实时系统）的特点与应用。操作系统的结构与设计。常见操作系统简介（如Windows、UNIX/Linux）。教学方法讲授与讨论结合，通过实例讲解操作系统的基本概念与功能。使用多媒体展示操作系统的发展历程与不同类型操作系统的特点。小组讨论常见操作系统的优缺点。任务思考思考并讨论操作系统在现代计算机系统中的重要性。分析不同类型操作系统的适用场景。课后作业调研一种常见的操作系统，撰写一篇关于其特点与应用的短文。第2章操作系统的界面教学目标了解操作系统用户的不同工作环境。掌握操作系统的生成和引导过程。了解操作系统为用户提供的各种用户接口的使用方法。了解系统调用的特点和用法。教学内容用户环境与系统生成。操作系统的引导过程。命令接口、图形用户接口和程序接口的使用。系统调用的概念与实现。教学方法演示操作系统的启动过程，讲解系统生成与引导。实践操作，让学生亲身体验不同用户接口的使用。通过案例分析系统调用的应用。任务思考分析图形用户接口与命令接口的优缺点。讨论系统调用在操作系统中的作用。课后作业完成一次操作系统的启动过程记录，并分析其关键步骤。第3章处理器管理教学目标理解并掌握进程的概念、状态和状态转换机制。理解并掌握线程概念、线程模型及其与进程的关系。理解并掌握处理器调度的不同层次和作用。深入理解处理机调度算法。教学内容进程的概念、特性与分类。进程的状态与转换。线程的概念与多线程模型。处理器调度的层次与调度算法（如FCFS、SJF、优先级调度、轮转调度等）。教学方法通过动画演示进程状态转换过程。讲解与讨论相结合，分析不同调度算法的优缺点。编程实践，模拟处理器调度过程。任务思考分析进程与线程的区别与联系。讨论在实时系统中如何选择合适的调度算法。课后作业实现一个简单的处理器调度算法，并进行性能分析。第4章进程同步与死锁教学目标理解并熟练掌握进程的同步和互斥的概念。理解临界资源和临界区的定义和特征。理解并掌握信号量机制。熟练掌握经典同步问题的解决方案。理解并掌握死锁的概念、死锁产生的原因和必要条件。理解并掌握死锁预防、避免、检测和解除的方法。教学内容进程同步与互斥的基本概念。信号量机制及其实现。经典同步问题（如生产者-消费者问题、读者-写者问题）的解决方案。死锁的概念、产生原因与必要条件。死锁的预防、避免、检测和解除方法。教学方法通过实例讲解进程同步与互斥的概念。编程实践，模拟信号量机制与经典同步问题的解决。小组讨论死锁的预防与解除策略。任务思考分析信号量机制在解决进程同步问题中的作用。探讨在实际应用中如何避免死锁的发生。课后作业使用信号量机制解决一个具体的进程同步问题。第5章存储管理教学目标理解存储管理的任务、功能和方式。掌握连续内存分配的概念及动态分区分配算法。理解内存不足时的管理方法，包括覆盖技术和交换技术。掌握分页存储管理的基本原理、地址映射及页表结构。掌握分段存储管理的基本原理、地址映射及分段与分页的区别。了解段的共享和保护问题。教学内容5.1存储管理概述存储管理的任务与功能多级存储结构（寄存器、主存储器、高速缓存、磁盘缓存）程序装入内存的过程（编辑、编译、链接、装入）5.2连续内存分配单一连续分配固定分区分配动态分区分配（数据结构、分配算法、分配与回收）可重定位分区分配（碎片与拼接技术）5.3处理内存不足的手段覆盖技术交换技术（交换空间管理、进程换出）5.4分页存储管理分页存储管理的基本原理（页面、物理块、页表）地址映射（基本地址映射、具有快表的地址映射）页表结构（两级页表、多级页表）页面的共享5.5分段存储管理分段存储管理方式的引入分段存储管理的基本原理（分段、段表、地址转换）分页和分段的主要区别段的共享和保护5.6段页式存储管理段页式存储管理的基本原理段表和页表动态地址转换过程教学方法讲授与多媒体展示相结合，通过实例和图表解释存储管理概念。小组讨论不同存储管理方法的优缺点。实践操作，让学生动手配置和管理虚拟内存。任务思考分析连续内存分配与离散内存分配的优缺点。讨论覆盖技术和交换技术在现代操作系统中的应用场景。探讨分页存储管理与分段存储管理的适用场景。课后作业实现一个简单的动态分区分配算法，并进行性能分析。设计一个分页存储管理系统，并模拟地址映射过程。分析一个实际应用程序的内存使用情况，提出优化建议。第6章虚拟存储器教学目标理解和掌握虚拟存储器的概念和实现方法。理解和掌握请求分页存储管理的基本原理。理解和掌握页面置换算法。理解抖动问题出现的原因，并掌握工作集理论。教学内容6.1虚拟存储器的引入传统存储管理方式的特征局部性原理（产生原因、类别）虚拟存储器的概念6.2虚拟存储器的实现方法请求分页系统（硬件支持、软件实现）请求分段系统（硬件支持、软件支持）6.3虚拟存储器的特征虚拟性多次性对换性6.4请求分页存储管理请求分页存储管理的硬件支持（页表机制、缺页中断机构、地址变换机构）内存分配策略（最小物理块数的确定、内存分配策略、物理块分配算法）页面调入策略（何时调入页面、从何处调入页面、页面调入过程、缺页率）6.5页面置换算法最佳置换算法先进先出置换算法最近最久未使用置换算法最少使用置换算法Clock置换算法6.6页面缓冲算法影响页面换进换出效率的因素页面缓冲算法概述（特点、VAX/VMS操作系统中的页面缓冲算法）6.7访问内存的有效时间内存有效访问时间的计算公式6.8工作集理论和抖动问题多道程序度与处理机的利用率发生“抖动”的原因工作集的基本概念与定义防止抖动的方法6.9请求分段存储管理请求分段存储管理的硬件支持（请求段表机制、缺段中断机构、地址变换机构）分段的共享与保护（共享段表、共享段的分配与回收、分段保护）教学方法讲授与案例分析相结合，通过实例讲解虚拟存储器的概念和实现方法。分组讨论不同页面置换算法的优缺点。编程实践，模拟请求分页存储管理和页面置换算法。任务思考分析虚拟存储器如何解决传统存储管理方式的问题。探讨如何根据实际应用场景选择合适的页面置换算法。讨论工作集理论在防止抖动中的作用。课后作业实现一个请求分页存储管理系统，并模拟页面置换过程。分析不同页面置换算法在特定应用场景下的性能。研究一种先进的虚拟存储器技术，并撰写研究报告。第7章文件管理教学目标了解文件和文件目录的概念以及文件和目录的基本操作。理解和掌握文件的逻辑结构和物理结构。熟练掌握文件存储空间的分配和管理。理解文件系统的基本概念、结构和实现。了解文件的共享和保护技术。教学内容7.1文件的概念文件的定义及其分类（流式文件、记录式文件）文件的命名规则及扩展名含义文件的属性（基本属性、类型属性、保护属性、管理属性、控制属性）7.2文件目录的概念文件目录的作用及功能要求文件控制块（FCB）及其内容文件目录的实现方式（线性列表、哈希表）文件目录结构（单级目录、两级目录、多级目录）7.3文件操作和目录操作基本文件操作（创建、删除、读、写、定位、截短）文件的“打开”和“关闭”操作目录操作（创建目录、删除目录、检索目录）7.4文件的逻辑结构文件逻辑结构的概念及其类型（定长记录文件、变长记录文件）顺序文件、索引文件、索引顺序文件的特点及应用7.5文件存储空间的管理文件的物理结构及其与外存分配方式的关系文件存储空间的分配策略（连续分配、链接分配、索引分配）空闲表法、空闲链表法、位示图法的管理方式7.6文件系统的基本概念和结构文件系统的定义及其功能文件系统的层次结构（用户接口层、文件逻辑组织层、文件物理组织层、存储设备驱动程序层）文件系统的实现方式（FAT文件系统、NTFS文件系统、EXT文件系统）7.7文件的共享和保护文件共享的概念及其实现方式（基于索引节点的共享方式、利用符号链实现文件共享）文件保护技术（存取控制矩阵、存取控制表、能力表）教学方法‌讲授与多媒体展示‌：通过PPT和实例演示，讲解文件和目录的基本概念、文件的逻辑结构和物理结构等理论知识。‌小组讨论‌：组织学生讨论文件存储空间的分配策略、文件系统的实现方式等，促进学生的思考和交流。‌实践操作‌：让学生动手进行文件操作、目录操作等实践，加深对知识点的理解和掌握。任务思考分析不同文件存储空间分配策略的优缺点及其适用场景。探讨文件系统实现方式的差异及其对系统性能的影响。设计一个简单的文件保护方案，实现文件的存取控制。课后作业完成一个文件管理系统的小型项目，包括文件的创建、删除、读写、定位等基本操作。分析一个实际文件系统的实现方式，并撰写分析报告。设计并实现一个简单的文件共享方案，展示其工作原理。第8章设备管理教学目标了解设备管理的概念和设备的分类。熟悉设备管理的任务和功能以及I/O系统结构。理解和掌握I/O控制方式（程序直接控制方式、中断控制方式、DMA方式、通道控制方式）。理解和掌握中断技术和缓冲技术。理解设备分配的概念，掌握SPOOLing系统的原理和应用。了解I/O软件管理，理解磁盘结构，掌握磁盘调度算法。教学内容8.1设备管理的概念设备的分类（按使用特性、数据传输速率、信息交换单位、共享属性、从属关系分类）设备管理的任务和功能I/O系统的结构8.2设备控制器设备控制器的基本功能设备控制器的组成CPU与控制器的通信方式8.3I/O控制方式程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道控制方式（通道的定义、通道程序、通道的分类）8.4中断技术中断的基本概念中断的作用中断的分类与优先级软中断中断处理过程8.5缓冲技术缓冲技术的引入缓冲的种类（单缓冲、双缓冲、多缓冲和缓冲池）缓冲池的管理（缓冲池的结构、缓冲池管理）8.6设备分配设备分配的数据结构（设备控制表、系统设备表）设备分配的原则（设备的共享属性、设备分配策略、设备分配的安全性）SPOOLing系统（SPOOLing的定义、组成、特点）虚拟设备（共享打印机的实现）8.7I/O软件管理I/O软件设计的注意事项I/O软件层次结构（I/O中断处理程序、设备驱动程序、设备无关软件、用户层I/O软件）各层次软件的功能与实现8.8磁盘调度和管理磁盘结构磁盘访问时间（寻道时间、旋转延迟时间、数据传输时间）磁盘调度算法（先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法、循环扫描算法）磁盘高速缓存（形式、工作方式、置换算法）磁盘管理（初始化、引导、坏块处理）廉价磁盘冗余阵列（RAID的分级、优点）8.9Linux的设备管理设备文件字符设备管理块设备管理网络设备管理教学方法讲授与多媒体展示相结合，通过实例和图表解释设备管理概念。小组讨论不同I/O控制方式的优缺点。实践操作，让学生动手配置和管理设备。任务思考分析不同I/O控制方式的适用场景及其性能特点。探讨中断技术在设备管理中的作用及其实现方式。讨论磁盘调度算法的选择及其对系统性能的影响。课后作业实现一个简单的中断处理程序，模拟设备中断处理过程。设计一个磁盘调度算法，并进行性能分析。分析Linux设备管理机制，并撰写分析报告。第9章操作系统的安全和保护教学目标了解计算机系统安全的概念及常见的计算机安全威胁分类。理解操作系统安全机制的几种方式：加密机制、认证机制、授权机制、审计机制等。理解计算机病毒的概念、常见类型及预防和检测策略。了解操作系统提供的系统访问控制机制。教学内容9.1计算机系统安全和操作系统安全计算机系统安全概述（保密性、完整性、可用性、真实性）操作系统安全及信息安全评价准则计算机安全威胁分类（中断、拒绝服务、数据截取、篡改、伪造、假冒）9.2对计算机系统的攻击内部攻击和外部攻击常用的攻击方式（窃取信息、非法系统调用、封杀校验口令程序等）逻辑炸弹和陷阱门特洛伊木马和登录欺骗缓冲区溢出9.3计算机病毒计算机病毒的基本概念（定义、危害、特征）计算机病毒的类型（文件型病毒、引导扇区病毒、宏病毒、内存驻留病毒、邮件病毒）计算机病毒的预防和检测（预防方法、检测方法）9.4操作系统安全机制加密机制（数据加密模型、加密算法类型）认证机制（数字签名、身份认证）授权机制审计机制9.5访问控制机制保护域访问矩阵的概念访问矩阵的修改（复制权、所有权、控制权）访问矩阵的实现（访问控制表、访问权限表）9.6Linux的安全机制标识与口令鉴别存取控制审计网络安全教学方法讲授与多媒体展示相结合，通过实例和图表解释安全机制。小组讨论不同安全机制的优缺点及其适用场景。实践操作，让学生配置Linux系统的安全设置。任务思考分析不同安全机制的协同工作原理及其在系统保护中的作用。探讨计算机病毒的传播方式及其防御策略。讨论Linux系统安全机制的实现方式及其优化策略。课后作业实现一个简单的文件加密解密程序，理解数据加密机制。分析一个实际的安全攻击案例，并提出防御措施。配置Linux系统的防火墙和SELin