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《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OS3．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著增长无交互能力——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-DOS2．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-Windows3．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