*** 作系统课程设计

课程概况

计算机 *** 作系统是中央电大计算机科学与技术专业（本科）的一门统设必修课。课程教学总学时72，4学分，开设一学期。前修课程为计算机组成原理、面向对象程序设计和数据结构。

计算机 *** 作系统课是计算机专业的重要课程之一，通过学习使学员掌握计算机 *** 作系统的设计基本原理及组成；计算机 *** 作系统的基本概念和相关的新概念、名词及术语；了解计算机 *** 作系统的发展特点和设计技巧和方法；对常用计算机 *** 作系统（DOS、Windows和UNIX或Linux）会进行基本的 *** 作使用。

• 课程主要内容

主要内容包括：计算机 *** 作系统概述、作业管理、文件管理、存储管理、输入输出设备管理、进程及处理机管理、 *** 作系统结构及程序设计。

二、教学内容体系及教学要求

第一章 *** 作系统概述

教学内容：

*** 作系统定义及发展； *** 作系统的形成和五大类型； *** 作系统的五大功能；表征 *** 作系统的属性； *** 作系统的配置、“生成”概念

教学要求：

熟练掌握：什么是 *** 作系统；知道 *** 作系统有五大类型和五大功能；

掌握：至少掌握一种实际揽 *** 作系统的安装、使用和维护；

了解：初步了解如何认识、熟悉和解剖 *** 作系统

第二章 人机交互界面、任务、作业管理

教学内容：

人机交互界面的发展特点；第一、二、三代界面开发特点；基本的键盘命令和系统调用 *** 作系统Shell语言；作业调度算法；

教学要求：

熟练掌握：能进行一些人机接口界面的设计；

掌握：掌握 *** 作系统人机接口界面的基本设计思想；

了解： *** 作系统传统的接口界面

第三章 文件管理

教学内容：

文件管理的任务与功能；文件的结构与分类；文件的物理结构和逻辑结构；文件的目录结构；文件的存取控制和安全机制；文件系统与模型结构；

教学要求：

熟练掌握：文件的基本存取控制和系统管理；

掌握：文件系统的目录分类管理特点；

了解：文件系统的编程设计

第四章 内部存储管理

教学内容：

内存的分区、分页、分段管理概念；物理地址与逻辑地址；内存“扩充”技术；页式存储管理；段式存储管理；内存的分配算法

教学要求：

熟练掌握：内存管理中基本分配和调度方法；

掌握：掌握内存管理中各种分区、分页和分段方法的特点；

了解：内存空间的有效利用

第五章 输入输出设备管理

教学内容：

输入输出设备功能与分类；独享、共享、虚拟设备的管理特点；输入输出设备处理程序；输入输出设备的管理策略；

教学要求：

熟练掌握：掌握输入输出设备的管理特点；

掌握：掌握输入输出设备的分类设计方法；

了解：输入输出设备处理程序的编程要点

第六章 低级处理机管理

教学内容：

*** 作系统核心功能；“进程”概念；进程的并发与并行；进程的基本状态与转换；进程调度算法；进程的同步与互斥；进程的P—V *** 作；“死锁”概念；

教学要求：

熟练掌握： *** 作系统核心运行与“进程”的基本概念；

掌握：“进程”的基本转换状态与应用特点；

了解：进程调度算法的程序编制

第七章 *** 作系统程序结构

教学内容：

*** 作系统的层次、模块结构； *** 作系统的设计与检测；

教学要求：

本章教学基本要求：了解现代计算机 *** 作系统的基本设计思想与方法

三、课程教学媒体说明

本课程使用的教学媒体主要有：文字教材、录像教材和网上教学辅导。

1. 文字教材

《计算机 *** 作系统》（第2版）吴企渊著清华大学出版社

注：课程实验含在主教材中。

文字教材为该课程的主媒体。文字教材的编写既保持了学科体系的先进性、科学性，又兼顾 *** 作系统的理论、技术、实现三方面的融合，并强调能力的培养。

2. 录像教材

该课程已经制作16讲课程录像，每讲50分钟，讲授课程的重点、难点、课程总结。帮助学生理解，建立 *** 作系统的整体概念和思想，由吴企渊教授主讲。

课程录像与文字教材相对应，注意发挥录像教材艺术表现力、形象化教学的作用。

3．网上教学辅导

网上教学辅导与上述媒体有机配合，有几方面作用：（1）发布教学指导性文件、课程公告、问题咨询、参考资料；（2）按照教学进度，发布辅导文章，刊登练习自测题；（3）在课程论坛上进行实时答疑和日常答疑；（4）开展网上的教师培训和教学研讨等工作。

文字教材是学生学习的基本依据，录像教材是文字教材的补充，网上辅导则是教与学交互的便捷方式。总之，多种媒体的分工和搭配为学生提供较大的自学空间，便于学生自由选择、自主学习，提高学生的自学能力。

四、教学安排建议

1. 课程主教材及课程实验教学安排建议

教学点请根据中央电大的统一要求安排课程的面授辅导，见表1。

表1 课程主教材及课程实验教学安排建议

周次 教学内容 建议学时 实验内容 建议学时

一 *** 作系统课程教学安排概况介绍 2

二 *** 作系统定义、五大类型和五大功能 4

三 人机交互界面管理 2 Linux实践准备 1

四 作业管理任务调度 4

五 文件管理的任务和功能 2 Linux *** 作命令使用 1

六 文件的逻辑结构和物理结构 4

七 存储管理的任务和功能 2 命令解释程序编制 2

八 分区式分配存储管理 4

九 页式、段式分配存储管理 6 作业调度模拟编程 4

十 设备管理的任务和功能 2

十一 设备分配技术和管理 4 存储管理设计 4

十二 进程的定义和特征 4

十三 进程调度与通信 6 进程调度模拟编程 4

十四 死锁的产生和处理 2

十五 *** 作系统的层次模块结构 4

十六 （总复习） 4

总计 56 16

课程录像内容，见表2。

表2 录像教材内容

章 教学内容 课内学时 录像学时分配

一 *** 作系统概述 8学时 4

二 作业管理 8学时 2

三 文件管理 8学时 2

四 存储管理 8学时 2

五 设备管理 8学时 2

六 进程管理 10学时 4

七 *** 作系统程序结构 6学时 0

总计 56学时 16

2、网上辅导

网上辅导内容包括课程的教学文件、课程辅导、网络课堂。充分利用网络资源，定期与不定期的在网上提供有关的课程辅导材料，根据教学需要，适当安排网上辅导和考前答疑活动。具体安排如下：

• 教学文件

包括课程说明、教师介绍、教学大纲、教学设计方案。

• 课程辅导

包括课程作业及解答、专题辅导、练习和解答、期末自测、考核说明等；网上还提供了教师讲课教案，供各教学点教学使用。

• 网络课堂

包括直播课堂和IP课件。

网上教学活动：中央电大一般将每学期集中安排1次对学生的实时在线辅导，和1次对教师的教研活动。具体的时间安排每学期在电大在线主页上公布。

• 论坛：进行课程的日常答疑。

3、直播课堂

课程首开学期，通过教育电视台直播方式，安排4次直播课堂，每次50分。前3讲为对教学重点、难点，对教学过程中反映的共性问题和有代表性的问题进行辅导，后1讲为复习辅导和有关考试说明。直播课堂的内容挂在课程网页内。

4、作业

该课程有一份形成性考核册，即课程作业册。作业成绩计入课程总成绩。中央电大将不定期地抽查作业，检查作业的评审及完成情况。

关于课程考核的具体内容，请参考中央电大“计算机 *** 作系统课程考核说明”。

五、教学方法的建议

• 教学建议

（1）计算机 *** 作系统是实践性较强的课程。其特点是概念多、涉及面广。要求教学辅导要由浅入深对易混淆的概念加以详细说明，对每章的重点，管理和控制的调度算法技巧作详细介绍。

（2）在实验中着重培养学员熟练使用 *** 作系统，以及在维护 *** 作系统工作中的分析问题和解决问题能力。

• 学习建议

（1）学习 *** 作系统要从宏观和微观两方面把握。在宏观上要认识 *** 作系统在计算机系统中的地位，清楚 *** 作系统的整体结构；微观方面应掌握 *** 作系统是如何管理计算机的各种资源的（进程、处理机、存储器、文件、设备），理解有关概念、原理及技术。

（2） *** 作系统是计算机技术与管理技术的结合，学习时可以联想日常生活中熟悉的管理示例反复体会 *** 作系统的管理方法，以加深对问题的理解。

（3）注意加强对自主学习能力和动手能力的培养，努力实现“学以致用”的目标。

一．题目要求：

通过实现页面置换算法的FIFO和LRU两种算法，理解进程运行时系统是怎样选择换出页面的，对于两种不同的算法各自的优缺点是哪些。

要求设计主界面以灵活选择某算法，且以下算法都要实现 1) 最佳置换算法(OPT)：将以后永不使用的或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面换出。

2) 先进先出算法(FIFO)：淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

3) 最近最久未使用算法(LRU)：淘汰最近最久未被使用的页面。 4) 最不经常使用算法(LFU) 二．实验目的：

1、用C语言编写OPT、FIFO、LRU，LFU四种置换算法。 2、熟悉内存分页管理策略。 3、了解页面置换的算法。 4、掌握一般常用的调度算法。 5、根据方案使算法得以模拟实现。 6、锻炼知识的运用能力和实践能力。 三、设计要求

1、编写算法，实现页面置换算法FIFO、LRU；

2、针对内存地址引用串，运行页面置换算法进行页面置换； 3、算法所需的各种参数由输入产生（手工输入或者随机数产生）； 4、输出内存驻留的页面集合，页错误次数以及页错误率；

四．相关知识：

1．虚拟存储器的引入：

局部性原理：程序在执行时在一较短时间内仅限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域，它主要表现在以下两个方面：时间局限性和空间局限性。

2．虚拟存储器的定义：

虚拟存储器是只具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。

3．虚拟存储器的实现方式：

分页请求系统，它是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页面形式虚拟存储系统。

请求分段系统，它是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。

4．页面分配：

平均分配算法，是将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。 按比例分配算法，根据进程的大小按比例分配物理块。

考虑优先的分配算法，把内存中可供分配的所有物理块分成两部分：一部分按比例地分配给各进程；另一部分则根据个进程的优先权，适当的增加其相应份额后，分配给各进程。

5．页面置换算法：

常用的页面置换算法有OPT、FIFO、LRU、Clock、LFU、PBA等。 五、设计说明

1、采用数组页面的页号

2、FIFO算法，选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰；

分配n个物理块给进程，运行时先把前n个不同页面一起装入内存，然后再从后面逐一比较，输出页面及页错误数和页错误率。

3、LRU算法，根据页面调入内存后的使用情况进行决策；

同样分配n个物理块给进程，前n个不同页面一起装入内存，后面步骤与前一算法类似。

选择置换算法，先输入所有页面号，为系统分配物理块，依次进行置换： 六．设计思想：

OPT基本思想：

是用一维数组page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组next[mSIZE]记录物理块中对应页面的最后访问时间。每当发生缺页时，就从物理块中找出最后访问时间最大的页面，调出该页，换入所缺的页面。

FIFO基本思想：

是用队列存储内存中的页面，队列的特点是先进先出，与该算法是一致的，所以每当发生缺页时，就从队头删除一页，而从队尾加入缺页。或者借助辅助数组time[mSIZE]记录物理块中对应页面的进入时间，每次需要置换时换出进入时间最小的页面。

LRU基本思想：

是用一维数组page[pSIZE]存储页面号序列，memery[mSIZE]是存储装入物理块中的页面。数组flag[10]标记页面的访问时间。每当使用页面时，刷新访问时间。发生缺页时，就从物理块中页面标记最小的一页，调出该页，换入所缺的页面。 七．流程图：

如下页所示

六．运行结果： 1. 按任意键进行初始化：

2. 载入数据：

3. 进入置换算法选择界面：

4.运算中延迟 *** 作：

5.三种算法演示结果：