ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ:

Декан факультета АВТ___________________С.А. Гайворонский

"___"_______________ 2008 г.

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, СРЕДЫ И ОБОЛОЧКИ

Рабочая программа для направления 351400 «ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА (по областям)»

Факультет Автоматики и Вычислительной Техники Обеспечивающая кафедра Оптимизации систем управления

Курс 2Семестр 4Учебный план набора 2003 года

Распределение учебного времениЛекции 32 часов(ауд.)Лабораторные занятия 24 часов(ауд.) Всего аудиторных занятий 56 часовСамостоятельная (внеаудиторная) работа

51 часов

Общая трудоемкость 119 часовКурсовая работа в 4 семестре ___________

Дифзачет в 4 семестре ___________

Томск 2006 г.

2

Предисловие

1 Рабочая программа составлена на основе ГОС по специальности 351400 «ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА (по областям)», утвержденного 14.03.2000, и стандарта СТП ТПУ 2.4.01-99 "Система образовательных стандартов. Рабочая программа учебной дисциплины. Общие требования к содержанию и оформлению.

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры Оптимизации систем управления протокол № _____ от

_______2 Разработчики

доцент каф. Оптимизации систем управления ______ А.А. Дубаковассистент каф. Оптимизации систем управления ______ Е.Е. Мокина

3. Зав. Кафедрой Оптимизации систем управления_______В.А. Силич

4 Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой __________________О.Б. Фофанов

АннотацияКурс охватывает архитектуру и современные концепции и технологии

проектирования операционных систем: управление процессами, работу с памятью, мультипроцессорные системы, управление устройствами, управление данными, безопасность систем. Изложение ведется в общем виде без привязки к какой - либо конкретной операционной системе. Рассмотрены наиболее распространенные и играющие важную роль в настоящее время операционные системы: UNIX, Windows NT.

Annotation

In the course are considered an architecture and modern concepts and design technologies of operating systems: processes management, concurrency and control of asynchronous processes, mutual exclusion, deadlocks, memory management, virtual memory and paging, processor scheduling, devices management, file system organization, protection and security. The topics consider issues in modern operating systems and present algorithms and designs used in variety of systems. Contents of the lecture are unbound with any specific operating systems. The most popular and important operating systems are covered: UNIX, Windows NT.

3

4

1. ЦЕЛЬ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является:1) приобретение студентами знаний по общей структуре программного

обеспечения, операционных систем ЭВМ и направления их развития;2) ознакомление с архитектурами различных типов ЭВМ, овладение

основными принципами построения и функционирования современных операционных систем;

3) освоение и приобретение навыков работы с операционной системой MS-DOS, Unix, Windows XP/2003/Vista. После завершения изучения данной дисциплины студент будет

знать: цели и задачи операционной системы; современные принципы функционирования подсистем

операционной системы;уметь: выбирать операционную систему для решения задач обработки

информации; разрабатывать эффективные программные системы; устранять причины неэффективной и некорректной работы

информационно-вычислительной системы; использовать операционные системы для реализации программных

комплексов и информационных систем.1.1Задачами изложения и изучения дисциплины являются:

определение понятия, структуры и роли операционной системы для повышения эффективности программных систем;

обсуждение задач, функций и алгоритмов функционирования подсистем операционной системы;

обсуждение современных концепций построения и функционирования операционных систем;

изучение популярных современных операционных систем;1.3. Программа ориентирована на подготовку бакалавров по 351400

«ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА (по областям)» и является базовой для изучения большинства дисциплин данного направления.

Целью упражнений, представленных для каждой темы, является закрепление основных понятий и знаний с использованием, как учебного пособия, так и дополнительной информации, не вошедшей в пособие по курсу. В процессе выполнения упражнений следует обращаться к рекомендованной литературе и глобальным информационным ресурсам Internet. Вопросы и упражнения представляют различные степени сложности и приведены с целью стимулирования познавательной деятельности. Следует

5

стараться привести ответы и рассуждения на максимально возможное число упражнений.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫТема 1 2Понятие и эволюция операционных систем. Определение операционной

системы. История развития операционных систем режимов работы ЭВМ. Нулевое поколение, машинный язык. Непосредственное программирование. Первое поколение. Система программирования ассемблера. Режим пакетной обработки. Задание. Язык управления заданиями. Второе поколение. Библиотеки подпрограмм. Связывающие загрузчики и редакторы связей. Мультипрограммирование и мультизадачность. Независимость программирования от внешних устройств. Интерактивный режим. Сеанс. Диалоговый режим. Интерпретаторы. Системы реального времени. Режим разделения времени. Многопользовательские ОС. Мультипроцессорные системы. Третье поколение. Универсальные многорежимные ОС. Дружественные, ориентированные на пользователя ОС. Распределенная обработка данных. Сетевые ОС. Интегрированные ОС.

Перспективные направления развития ОС. Основные характеристики ОС. Принципы построения ОС.

Тема 2 2Общая структура программного обеспечения и операционных систем

ЭВМ. Архитектура программного обеспечения (ПО) вычислительных систем. Вертикальные слои ПО. Микропрограммирование, базовое, инструментальное, системно-прикладное и прикладное ПО. Системное и общесистемное ПО. Архитектура вычислительной системы (ВС). ОС как система автоматизации процесса решения задач на ЭВМ. Пользователи ОС. Средства взаимодействия с пользователями. ОС как система управления ресурсами вычислительных систем. Подсистемы ОС: управления процессами, памятью, процессорами, периферийными устройствами, данными, заданиями, системой.

Тема 3 2Управление процессами. Процесс и ресурс. Монопольные, разделяемые

и виртуальные ресурсы. Очередь. Состояния процесса. Переход процесса из состояния в состояние. Блок управления процессом. Операции над процессами. Обработка прерываний. Типы прерываний. Контекст. Переключение контекста процессов.

Тема 4 2Асинхронные параллельные процессы. Взаимодействие процессов.

Взаимоисключение. Критические участки. Средства синхронизации процессов. Примитивы взаимоисключения. Семафоры. Мониторы. Тупики.

6

Условия возникновения тупика. Предотвращение тупиков. Восстановление после тупиков. Тема 5 2

Управление памятью. Память как ресурс ЭВМ. Организация памяти. Иерархия памяти. Адресное пространство: физическое, логическое, виртуальное. Стратегия управления памятью. Непрерывное распределение памяти для одного пользователя. Распределение фиксированными и переменными разделами. Свопинг. Страничное распределение памяти.

Тема 6 2Виртуальная память. Динамическое преобразование адресов. Процедура

вычисления реального адреса виртуальной памяти. Динамическая страничная организация. Сегментная организация. Странично-сегментная организация памяти. Двухуровневая страничная организация памяти.

Тема 7 2Управление процессорами и заданиями в однопроцессорном

вычислительном комплексе. Двухуровневая и трехуровневая процедуры планирования. Диспетчирование процессов. Цели и критерии планирования. Приоритеты. Статическое и динамическое приоритетное планирование. Планирование по принципу FIFO. Интервальный таймер. Циклическое планирование – RR(Round robin). Планирование по принципу - «кратчайшее задание первым» (SJF - shortest-job first). Планирование по наименьшему оставшемуся времени – SRT (Shortest-remaining-time). Планирование по наибольшему относительному времени реакции – HRN (highest response-ratio-next). Смешанные дисциплины планирования. Многоуровневые очереди с обратными связями.Тема 8 2

Управление процессорами и заданиями в мультипроцессорном вычислительном комплексе. Виды мультипроцессорных вычислительных систем. Мультипроцессорные системы с подчиненными, равноправными процессорами и с симметричной организацией. Тема 9 2

Управление периферийными устройствами. Эволюция систем ввода-вывода, каналы ввода-вывода. Контроллеры групповые и одиночные. Регистры и команды ввода-вывода. Архитектура микро и мини-ЭВМ и многомашинных комплексов. Устройства прямого доступа памяти. Структура программного обеспечения ввода-вывода. Драйверы устройств и способы их работы. Пользовательский слой программного обеспечения.

Тема 10 2

7

Управление данными. Задачи системы управления данными. Логическое и физическое представление данных. Файл. Запись. Набор данных. Блок. Буферизация. Том. Оглавление тома. Операции над файлами и записями. Типы файлов. Атрибуты файлов. Функции файловой системы. Управление доступом к файлам. Защита данных от несанкционированного доступа. Организация файлов. Последовательная, индексная, прямая, индексно-последовательная, библиотечная организации. Управление внешней памятью. Организация файловых систем. Трековое и секторное распределение внешней памяти. Стратегия распределения внешней памяти. Дескриптор файла. Непрерывное распределение. Блочное распределение. Файловая система MS-DOS и UNIX.Тема 11 2

Современные концепции и технология проектирования операционных систем. Расширяемость, переносимость, надежность, совместимость, безопасность и производительность – требования к современным ОС. Монолитные системы. Модель клиент-сервер и микроядро. Объектно-ориентированный подход проектирования ОС. Множественные прикладные среды.

Тема 12 2История и общая характеристика семейства операционных систем

UNIX. Мобильность. Версии UNIX. Общая характеристика UNIX. Области применения.

Тема 13 2История и версии Windows XP. Общая характеристика и области

использования Windows XP.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯВведение: Основные компоненты и принципы функционирования

операционных систем Лабораторная работа №1

        Знакомство с Far Manager       Основные команды MS DOS

Лабораторная работа №2        Знакомство с командными файлами

Лабораторная работа №3        Дополнительные возможности командных файлов

Лабораторная работа №4Знакомство с операционной системой UNIX - 4 часа.

Краткая история операционной системы UNIX, ее структура. Системные вызовы и библиотека libc. Понятия login и password.

8

Упрощенное понятие об устройстве файловой системы в UNIX. Полные имена файлов. Понятие о текущей директории. Команда pwd. Относительные имена файлов. Домашняя директория пользователя и ее определение. Команда man - универсальный справочник. Команды cd - смены текущей директории и ls - просмотра состава директории. Команда cat и создание файла. Перенаправление ввода и вывода. Простейшие команды для работы с файлами - cp, rm, mkdir, mv. История редактирования файлов - ed, vi. Система Midnight Commander - mc. Встроенный mc редактор и редактор joe. Пользователь и группа. Команды chown и chgrp. Права доступа к файлу. Команда ls с опциями -al. Использование команд chmod и umask. Системные вызовы getuid и getgid. Компиляция программ на языке C в UNIX и запуск их на счет. Основные команды Shell. (2 часа)Лабораторная работа № 5

Процессы в операционной системе UNIX - 4 часаПонятие процесса в UNIX, его контекст. Идентификация

процесса. Состояния процесса. Краткая диаграмма состояний. Иерархия процессов. Системные вызовы getpid(), getppid(). Создание процесса в UNIX. Системный вызов fork(). Завершение процесса. Функция exit(). Параметры функции main() в языке С. Переменные среды и аргументы командной строки. Изменение пользовательского контекста процесса. Семейство функций для системного вызова exec().

Лабораторная работа № 6 Организация взаимодействия процессов через pipe и FIFO в UNIX - - 4 часа

Понятие потока ввода-вывода. Представление о работе с файлами через системные вызовы и стандартную библиотеку ввода-вывода. Понятие файлового дескриптора. Открытие файла. Системный вызов open(). Системные вызовы close(), read(), write(). Понятие pipe. Системный вызов pipe(). Организация связи через pipe между процессом-родителем и процессом-потомком. Наследование файловых дескрипторов при вызовах fork() и exec(). Особенности поведения вызовов read() и write() для pip’а. Понятие FIFO. Использование системного вызова mknod() для создания FIFO. Функция mkfifo(). Особенности поведения вызова open() при открытии FIFO.

Лабораторная работа № 7Средства System V IPC. Организация работы с разделяемой памятью в UNIX- 4 часа.

Понятие нитей исполнения (thread). Преимущества и недостатки потокового обмена данными. Понятие System V IPC. Пространство имен. Адресация в System V IPC. Функция ftok(). Дескрипторы System V IPC. Разделяемая память в UNIX. Системные вызовы shmget(), shmat(), shmdt(). Команды ipc и ipcrm. Использование системного

9

вызова shmctl() для освобождения ресурса. Разделяемая память и системные вызовы fork(), exec() и функция exit(). Понятие о нити исполнения (thread) в UNIX. Идентификатор нити исполнения. Функция pthread_self(). Создание и завершение thread'а. Функции pthread_create(), pthread_exit(), pthread_join(). Необходимость синхронизации процессов и нитей исполнения, использующих общую память.

4 КУРСОВАЯ РАБОТА

В период изучения дисциплины предполагается самостоятельное изучение всех рассматриваемых тем на основе использования основной и дополнительной литературы, а также электронных материалов.

Задание по курсовой работе по дисциплине «Операционные системы, среды и оболочки»

1. Требования к оформлению реферата

Объем реферата – 20 – 25 стр. печатного текста. Шрифт – не более 14

pt, TimesNewRoman, интервал – 1,5, поля: верхнее, нижнее, левое – 2 см,

правое 1,5 см.

На титульном листе указывается название работы, ФИО студента и

группа, ФИО преподавателя (научного руководителя), проверяющего и

оценивающего реферат, наименование кафедры и учебного заведения. Тема

реферата может быть сформулирована самостоятельно, по согласованию с

преподавателем.

Название работы оформляется следующим образом:

Реферат по дисциплине «Операционные системы, среды и

оболочки» на тему: «……»Текст реферата печатается на одной стороне страницы; сноски и примечания

печатаются на той же странице, к которой они относятся (через 1 интервал, более мелким

шрифтом, чем текст). Основной текст должен сопровождаться иллюстративным

материалом (рисунки, фотографии, диаграммы, схемы, таблицы, программы). Если в

основной части содержатся цитаты или ссылки на высказывания, необходимо указать

10

номер источника по списку, приведенному в конце реферата, и страницу в квадратных

скобках в конце цитаты или ссылки.

Реферат – это краткое изложение в письменной форме содержания прочитанных

книг и документов; сообщение об итогах изучения научного вопроса; доклад на

определенную тему, освещающий ее вопросы на основе литературных и других

источников. Целью написания реферата является углубление знаний по конкретной

проблеме, получение навыков работы с научной и научно-популярной литературой.

Работа над рефератом требует, как правило, не менее месяца.

В процессе работы над проблемой необходимо:

Выявить и сформулировать проблему;

самостоятельно изучить проблему на основе доступных литературных и

сетевых источников;

дать обзор использованной литературы;

последовательно и доказательно изложить материал;

правильно оформить ссылки на источники;

подготовить презентацию (6-7 мин) и

Обязательные элементы структуры реферата:

1. Введение, в котором описывается актуальность проблемы,

определяются   цели и задача реферата; объем введения – 1 - 2

страницы.

2. Содержание.

3. Текст реферата должен содержать: обоснование выбранной темы;

сравнительный анализ литературы по проблеме;

изложение собственной точки зрения на проблему;

выводы и предложения;

заключение.

4. Список использованных источников должен оформляться в соответствии с

ГОСТом и может содержать не только названия книг, журналов, газет, но и любые

источники информации (например, сведения из сети Интернет, информацию из теле- и

радиопередач, а также частные сообщения каких-либо специалистов, высказанные в

личных беседах их с автором реферата).

11

Реферат излагается доступным научным (научно-популярным) языком в

относительно сжатой форме с использованием облегченных синтаксических конструкций.

Такие конструкции могут стать своеобразным планом реферативной статьи: “ В

рассматриваемой статье ставится ряд вопросов …Автор подчеркивает, что … Более

подробно рассмотрена проблема… Анализируются разные точки зрения … В заключение

необходимо отметить что …” и т.д.

При выставлении оценки за реферат учитываются следующие компоненты:

своевременность представления отчета - 10;

содержательная часть (глубина проработки проблемы, структура работы, объем

проанализированных источников и т.п.) - 60;

оформление (соответствие стандарту, эстетика оформления, наличие

иллюстративного материала и т.п.);

презентация и защита реферата (доклад, ответы на вопросы, ориентация в

тексте реферата и т.п.).

Реферат сдается в отпечатанном виде и в электронном виде.

Темы рефератов (* отмечены темы, которые можно разрабатывть

вдвоем)

1. Особенности построения серверных операционных систем

2. Основные производители серверных операционных систем

3. Основные производители клиентских операционных систем

4. *Кластерные операционные системы

5. Обзор коммерческих Unix-операционных систем различных

производителей

6. Обзор свободно распространяемых Unix-операционных систем

различных производителей

7. Обзор Linux-операционных систем различных производителей

8. *Управление удаленным доступом в ОС Windows и Linux

9. Структура и архитектура Windows server 2003

10.*Оптимизация операционной системы Windows XP

11.Общие сведения о файловых системах. Файловые системы FAT,

FAT32, NTFS. Вопросы совместимости и ограничения

12

12.Реестр операционной системы Windows XP

13. Инсталляция операционной системы Windows XP

14.Обеспечение безопасности компьютера Windows 2003

15.*Стек протоколов TCP/IP

16.Применение управления DHCP IP

17.*Управление маршрутизацией

18. Установка нескольких операционных систем на ПК

19. Тенденции развития сетевых операционных систем

20. Операционные системы реального времени

21. Обзор стандартов, регламентирующих разработку операционных

систем

22.Цифровая подпись

23. *Операционные системы многопроцессорных компьютеров

24. * Средства управления компьютером. Понятие, архитектура и работа

MMC. Оснастки Windows XP/2003.

25. Керберос. Шифрование данных в Windows

26.Множественные прикладные среды

27.Организация мультипроцессорных и мультикомпьютерных

вычислений. Кластеры

28.*Понятие GRID-систем, примеры

29.Графическая среда для UNIX – XWindow

30. Объектно-ориентированные технологии в разработке операционных

систем

31. Операционные системы Интернет-серверов

32.Настройка и оптимизация производительности операционных систем

33. Особенности построения сетевых операционных систем

34. Подготовка жесткого диска к установке операционной системы

13

Необходимо представить документ в электронном виде (формат RTF, HTML или WORD). Реферат в электронном виде может быть переслан по электронной почте по адресу: aad@ tpu .ru

14

6 ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Максимальный балл дисциплины Р 1000 Оценки : Отлично Р 840 - 1000

Хорошо Р 740 - 839Удовлетворительно Р 640 - 739

Виды учебных занятийЛекции Лабораторные работы Максимал

ьный балТема лекции Балл Название лабораторной работы

Балл

Тема 1Тема 2Тема 3Тема 4Тема 5Тема 6Тема 7Тема 8Тема 9Тема 10Тема 11Тема 12Тема 13Тема 14

2020202020202020202020202020

Лабораторные работы 1Лабораторные работы 2Лабораторные работы 3Отчет №1Лабораторные работы 4Лабораторные работы 5Отчет №2Лабораторные работы 6Лабораторные работы 7Лабораторные работы 8Отчет №3Доклад

202020202020202020202050

Итого 280 270 550Промежуточный тест 100 100Курсовая работа 200 200

Заключительный тест 150Всего 1000

15

5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Дубаков А.А. Операционные системы: Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ. 1999 140 с.

2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы: -Спб: Питер, 2002. - 544 с.

3. Ф. Зубанов, MICROSOFT WINDOWS 2000: ПЛАНИРОВАНИЕ, РАЗВЕРТЫВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ, Издательство "Русская Редакция", - 2001, 592 c, ISBN 5-7502-0178-3

4. Дж. Ханикат, ЗНАКОМСТВО С MS WINDOWS SERVER 2003, Издательство "Русская Редакция" – 2004, 448 c., ISBN 5-7502-0177-5,

5. Дейтел Г. Введение в операционные системы: В 2-х т. - М.: Мир, 1987. - 359с.

6. Краковяк С. Основы организации и функционирование ОС ЭВМ. Пер. с франц. - М: Мир, 1988. - 480 с.

7. Operating Systems: Internals and Design Principles. - 3rd ed. -:William Stallings Published, 1997 - 781 pp

8. A.S. Tanenbaum. Operating Systems: Design and Implementation. - 2nd ed. - Prentice Hall Engeneering , 1996. - 940 pp.

9. A.Silberschatz, P.Galvin. Operating System Concepts. -5th ed.-:Addison Wesley Longman, 1998.

10.J.Garms. Windows NT 4.0 Server Unleashed. - Sams Publishing 1996. - 1152 pp.

16