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操作系统
第7次开课
开课时间: 2024年08月25日 ~ 2025年01月12日
学时安排: 3-5小时每周
当前开课已结束 已有 3739 人参加
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课程图谱
课程评价(141)
spContent=自1977年以来,操作系统就一直是北京交通大学计算机专业的必修课程,被评为国家级一流本科课程(2023)、北京高校优质本科课程(2020)、校级线上一流本科课程(2020)、校级优质课程(2015)、校级精品课程(2008)。该课程主要面向计算机科学与技术专业学生,但大部分内容也适用于软件工程、信息安全、人工智能等计算机类其它专业的必修性操作系统课程,不少内容并适用于电子等理工类专业的选修性操作系统课程以及从事计算机系统研发和高级应用开发人员的需要。该课程教学具有如下特点:1、知识体系务求科学合理、教学内容务求丰富完善、难点讲授务求思路清晰;2、注重实践与理论并重,持续更新完善实验课题体系,引导学生钻研具有一定创新性和挑战度的操作系统研发难题以培养实践能力及实用技能;3、全面贯彻以学生为中心及因材施教和兴趣驱动的教学理念,注重教学互动、及时反馈和答疑指导。
自1977年以来,操作系统就一直是北京交通大学计算机专业的必修课程,被评为国家级一流本科课程(2023)、北京高校优质本科课程(2020)、校级线上一流本科课程(2020)、校级优质课程(2015)、校级精品课程(2008)。该课程主要面向计算机科学与技术专业学生,但大部分内容也适用于软件工程、信息安全、人工智能等计算机类其它专业的必修性操作系统课程,不少内容并适用于电子等理工类专业的选修性操作系统课程以及从事计算机系统研发和高级应用开发人员的需要。该课程教学具有如下特点:1、知识体系务求科学合理、教学内容务求丰富完善、难点讲授务求思路清晰;2、注重实践与理论并重,持续更新完善实验课题体系,引导学生钻研具有一定创新性和挑战度的操作系统研发难题以培养实践能力及实用技能;3、全面贯彻以学生为中心及因材施教和兴趣驱动的教学理念,注重教学互动、及时反馈和答疑指导。
—— 课程团队
课程概述

本课程是计算机类专业的必修课程,旨在全面系统地介绍操作系统的体系结构、设计机理及实现方法和技术,包括自启动装入、系统调用与接口、处理器调度及进/线程控制、同步与通信机制、死锁处理、基于分区/分页/分段的内存管理及虚拟存储、设备管理、文件系统等,从而培养同学在操作系统研发方面的理论基础及技术素养。课程教学力争突出如下特色和亮点:1、知识体系务求科学合理、教学内容务求丰富完善、难点讲授务求思路清晰;2、注重实践与理论并重,持续更新完善实验课题体系,引导学生钻研具有一定创新性和挑战度的操作系统研发难题以培养实践能力及实用技能;3、全面贯彻以学生为中心及因材施教和兴趣驱动的教学理念,注重教学互动、及时反馈和答疑指导。

授课目标

本课程教学目标与基本任务是全面、系统地介绍计算机操作系统的体系结构、设计机理及相关方法和技术,培养广大学生在操作系统研发方面的理论基础及技术素养。具体包括:

1.理解和掌握操作系统的基本概念、特性、功能组成及体系结构;

2.掌握自启动装入和系统调用实现机制,以及操作系统内核中关于处理机管理、内存管理、设备管理和文件系统的基本设计原理、方法与技术,培养学生分析、设计、开发、移植和维护计算机系统软件的综合素养及基本技能;

3.引导学生应用信号量机制及各类调度算法进行计算机编程问题的分析、建模、设计、编码和测试,逐步具备应用操作系统核心方法和技术解决计算机系统工程领域复杂问题的能力;

4.引导学生理解操作系统技术的发展历程,培养他们分析和解决工程实践问题的创新意识和创新设计能力;

5.掌握操作系统性能研究及检测的实验方法,获得实验设计和实验技能的基本训练;

6.在项目研究过程中培养和锻炼学生的研究能力和表达能力。

课程大纲
操作系统引论
课时目标:了解操作系统与计算机系统其它部分的区别和联系,理解和掌握操作系统的概念,了解构建操作系统所必需的硬件基础知识,理解操作系统用户接口分类与组成,掌握系统调用的概念及实现机制,了解操作系统自启动过程及关键环节,了解操作系统的发展历程,理解和掌握批处理系统、分时系统、实时系统的概念,理解操作系统的主要功能、特征以及结构设计模式。
[0]操作系统课程介绍及考核要求
[1]第一章 操作系统引论
[1-1]操作系统概念
[1-2]操作系统硬件基础
[1-3]操作系统用户接口与系统调用
[1-4]启动模块及自装入机制
[1-5]操作系统的发展
[1-6]操作系统功能及特征
[1-7]操作系统结构设计
第一章操作系统引论单元测试A
操作系统实验课题1_Linux命令解释程序设计与实现
操作系统实验课题2_最简操作系统设计与实现
操作系统实验课题3_Linux启动初始化过程探析
操作系统实验课题4_Linux系统调用设计与添加实现
进程管理
课时目标:理解进程的概念及其和程序之间的区别与联系,掌握进程状态演化及控制操作要领,理解进程同步机制的演化和实现机制,能够运用记录型信号量机制设计和给出一般进程同步问题的正确解决方案,理解管程的概念、实现机制和使用要旨,理解进程通信的主要方式,理解线程的概念及基本实现方式。
[2-1]进程基本概念
[2-2]进程控制
[2-3]进程同步机制
[2-4]经典进程同步问题
[2-5]管程
[2-6]进程通信
[2-7]线程
第二章进程管理单元测试A
第二章进程管理单元测试B
第二章进程管理单元测试C
操作系统实验课题5_同步机制及应用编程实现与比较
操作系统实验课题6_典型同步问题模拟处理编程设计与实现
处理机调度与死锁
课时目标:了解处理器调度的基本类型及层次模型,理解处理器调度算法评价准则,理解和掌握主要处理器调度算法基本思想、优劣及适用场合,理解死锁的概念、成因及不同处理策略,掌握银行家算法和死锁检测算法,能够运用银行家算法实现安全的资源分配。
[3-1]调度类型与模型
[3-2]调度算法及评价准则
[3-3]死锁及处理方法
第三章处理机调度与死锁单元测试A
操作系统实验课题7_处理器调度算法模拟实现与比较
操作系统实验课题8_Linux处理器调度机制及相关调度算法探析
操作系统实验课题9_Linux处理器调度新型算法设计实现与测试验证
操作系统实验课题10_银行家算法模拟实现
操作系统实验课题11_死锁检测算法模拟实现
内存管理
课时目标:了解程序处理基本环节及其与内存管理之间的联系,理解内存管理的主要功能及技术演化,理解和掌握分区内存管理、分页内存管理、分段内存管理及段页式内存管理,理解虚拟内存管理的概念及实现要领,掌握请求分页内存管理的基本方法、支撑机制及实现技术,掌握主要页面淘汰算法的基本思想及优劣性。
[4-1]内存管理概述
[4-2]连续分配内存管理
[4-3]基本分页内存管理
[4-4]基本分段内存管理
[4-5]段页式内存管理
[4-6]虚拟内存管理
[4-7]请求分页内存管理
[4-8]请求分段内存管理
[4-9]x86体系中请求段页式支撑机制
第四章内存管理单元测试A
操作系统实验课题12_动态可重定位分区内存管理模拟设计与实现
操作系统实验指导13_页面淘汰算法模拟实现与比较
操作系统实验指导14_Linux内存管理机制及页面淘汰算法探析
设备管理
课时目标:了解计算机输入输出系统的基本组成结构、设备类型及控制方式,理解设备管理的基本目标、功能框架及层次结构,理解缓冲管理的引入、主要形式及实现要旨,理解设备分配的方法与技术,理解设备驱动的设计与实现机理,理解磁盘存储器管理的功能目标及主要技术,掌握主要的磁盘调度算法。
[5-1]I/O系统组成
[5-2]I/O控制方式
[5-3]设备管理目标、功能及层次结构
[5-4]缓冲管理
[5-5]设备分配
[5-6]设备驱动与输入输出中断处理
[5-7]磁盘存储器管理
第五章设备管理单元测试A
操作系统实验课题15_Linux设备驱动程序设计与实现
操作系统实验课题16_Windows设备驱动程序设计与实现
操作系统实验课题17_Linux特定设备驱动程序设计探析
操作系统实验课题18_基于龙芯处理器的Linux操作系统的移植
操作系统实验课题19_移动头磁盘调度算法模拟实现与比较
文件系统
课时目标:理解文件及文件系统的概念,理解文件系统层次模型,理解和掌握主要的文件逻辑组织及存取方法,理解和掌握主要的文件物理组织结构及优劣,理解和掌握外存空间主要分配方法及数据结构,理解和掌握文件目录的概念及技术演化,掌握目录检索实现机理,理解主要的文件共享方法,理解文件保护手段及文件系统安全保护机制,了解文件系统数据性能改善策略及一致性控制手段。
[6-1]文件系统概念及模型
[6-2]文件逻辑组织及存取方法
[6-3]文件物理组织及外存分配
[6-4]文件存储空间管理之数据结构
[6-5]文件目录结构及管理
[6-6]文件共享与保护
[6-7]文件系统安全保护
[6-8]文件系统数据性能改善策略及一致性控制
第六章文件系统单元测试A
操作系统实验课题20_FAT文件系统模拟设计与实现
操作系统实验课题21_基于Linux的类EXT文件系统的克隆实现
操作系统实验课题22_Linux特定文件系统设计探析
操作系统实例设计分析
课时目标:了解Windows、Linux/Unix等典型操作系统的设计要旨,复习操作系统功能实现关键方法与技术。
[7-0]操作系统领域图灵奖获得者
[7-1]UNIX设计要旨
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预备知识

‍理论知识:数据结构、计算机组成原理

编程基础:C语言程序设计、汇编语言程序设计

参考资料

[1] 汤小丹,梁红兵,哲凤屏等.计算机操作系统(第四版).西安:西安电子科技大学出版社,2014.

[2] Ramez Elmasri,A Gil Carrick,David Levine,操作系统实用教程:螺旋方法(翟高寿译)。机械工业出版社,2018

[3] 邹鹏.操作系统原理与实践.北京:高等教育出版社,2008.

[4] 翟高寿.系统程式. 台北:新文京开发出版股份有限公司,2007.

[5] 张尧学,史美林.计算机操作系统教程(第二版).北京:清华大学出版社,2000.

[6] 陈向群,杨芙清.操作系统教程(第一版).北京:北京大学出版社,2001.

[7] 陈向群,向勇,王雷等.Windows操作系统原理(第二版).北京:机械工业出版社,2005.

[8] 孟静.操作系统教程——原理和实例分析(第二版).北京:高等教育出版社,2006.

[9] 孙仲秀,费翔林,骆斌等.操作系统教程(第三版).北京:高等教育出版社,2003.

[10]赵炯.Linux内核完全剖析(第一版).北京:机械工业出版社,2006.

[11]Silberschatz A.Applied Operating System Concept(影印版).北京:高等教育出版社,2002.

[12]Bach M J.The Design of the UNIX Operating System(影印版).北京:机械工业出版社,2006.(中文书名:UNIX操作系统设计)

[13]Tanenbaum A S.Modern Operating System(Second Edition,影印版).北京:机械工业出版社,2005.(中文书名:现代操作系统)

[14]Tanenbaum A S,Woodhull A S.Operating Systems:Design and Implementation(Second Edition,影印版).北京:清华大学出版社,1997.(中文书名:操作系统设计及实现)

[15]Dhamdhere D.M.Systems Programming and Operating Systems(Second Edition,影印版).北京:清华大学出版社,2001.(中文书名:系统程序设计和操作系统)

北京交通大学
5 位授课老师
翟高寿

翟高寿

副教授

何永忠

何永忠

教授

黄华

黄华

副教授

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