操作系统课程设计教学大纲.doc

操作系统课程设计课程教学大纲
名 称：
操作系统课程设计
课程编码：

英文名称：
operating system
实习周数：
2
其中实验学时：

学 分：
2
安排学期：
5
适用专业：
软件工程、网络工程

一、课程设计目的及任务
操作系统是计算机专业的核心专业课，“操作系统课程设计”是理解和巩固操作系统基本理论、原理和方法的重要的实践环节。
操作系统课程主要讲述的内容是多道操作系统的原理与技术，与其它计算机原理、编译原理、汇编语言、计算机网络、程序设计等专业课程关系十分密切。本课程设计的目的综合应用学生所学知识，建立系统和完整的计算机系统概念，理解和巩固操作系统基本理论、原理和方法，掌握操作系统基本理论与管理方式。在算法基础上，解决实际的管理功能的问题，提高学生实际应用、编程的能力。
主要任务是实现操作系统和相关系统软件的设计，其中涉及进程创建，同步，进程间的通信，存储管理，文件系统等操作系统概念。
二、课程设计的基本要求
1）对需要上机完成的题目进行认真分析，列出实验具体步骤，写出符合题目要求的程序清单，准备出调试程序使用的数据。
2）以完整的作业包的形式提交原始代码、设计文档和可运行程序。课程设计报告字数不少于2000字，主要内容有：
(1）概述：设计主要完成的任务和解决的主要问题；
(2）设计的基本概念和原理；
(3) 总体设计：实现的方法和主要技术路线；
(4) 详细设计：使用主要控件、函数；
(5) 简要的使用说明；
（6）总结：特色、经验、教训和感受；
三、课程设计地点及要求
每个学生一台微机，需要安装windows98或windows2000操作系统，配备VC、VB、java或C编程语言，每个学生上机时间不少于24个小时。
四、课程设计的选题原则
在下面各设计任务中按学号指定一个题目进行设计。
五、课程设计的内容
设计一：
设计任务：
实现一个简单的shell（命令行解释器），类似于bash, csh等。本设计的主要目的在于学会如何在Unix系统下创建进程和管理进程。
要求实现的shell支持以下内部命令：
1. cd <目录>
更改当前的工作目录到另一个<目录>。如果<目录>未指定，输出当前工作目录。如果<目录>不存在，要求有适当的错误信息提示。改命令应能够改变PWD的环境变量。
2. environ
列出所有环境变量字符串的设置（类似于Unix系统下的env命令）。
3. echo <内容>
显示echo后的内容且换行。
4. help
简短概要地输出你的shell的使用方法和基本功能。
5. jobs
输出shell当前的一系列子进程，要求提供子进程的命名和PID号。
6. quit, exit, bye
退出shell。
所有的内部命令应当优于在$PATH中同名的程序。
任何非内部命令必须请求shell创建一个新进程，且该子进程执行指定的程序。这个新进程必须继承shell的环境变量和指定的命令行参数。
要求实现的shell支持以下内部命令：
1. Batch Processing 如果shell启动带有一个文件名作为参数，打开该文件并执行文件里所有命令。待所有进程全部结束退出shell。
2. Debugging 提供-v选项，shell启动时打开此选项将在运行过程中输出若干调试信息。在该模式下，shell应该显示所有被创建了的进程的PID号，通报已结束的子进程和传递给子进程的参数等。
3. Prompt (命令行提示符) 解释器打印$PS2作为提示符。
4. Background Processing 如果命令以符合&终止，在后台并发执行该程序。Shell立即等待下一命令的输入，而不等待该程序的结束。
注：所有命令和参数由空格或tab符分隔。
设计二：
设计任务：
掌握进程的管道通讯机制和信号量同步互斥机制。
1． 进程的管道通讯
编制一个程序，程序中创建一个子进程。然后父子进程各自独立运行，父进程不断地在标准输入设备上读入小写字母，写入管道。子进程不断地从管道中读取字符，转换为大写字母后输出到标准输出设备上。当读到x时，结束。
2． 信号量实现的同步互斥机制
编制一个程序，程序中创建5个子进程，代表五位哲学家，然后父进程结束。使用信号量机制解决哲学家进餐问题。当哲学家进餐时，屏幕输出：
[进程号] eating!
当哲学家思考时，屏幕输出：
[进程号] thinging!
相关的系统调用和函数：pipe(); write(); read(); semget(); sepop(); semctl();
要求：查找并阅读上述系统调用的相关资料，将上述相关的函数封装为P( )、V( )操作，使用你封装的P( )、V( )操作实现5位哲学家的同步和互斥。
设计三：
设计任务：
一个十字路口，共有四组红绿灯，每个路口的车辆都遵循“红灯停、绿灯行”的原则，假设将每一台汽车都作为一个进程，请设计良好的机制，展示出合理的“十字路口交通管理”情况。
1. 车辆数目：每个路口的车辆数目不超过5辆，程序能够提供参数来设定初始的车辆数目。
2. 交通灯设定：初始情况一个路口为红灯、一个路口为绿灯；红灯变为绿灯的间隔为3秒，必须保持十字路口交通灯的设定正确。
3. 车辆通行设定：路口宽度不限，对一个路口而言，只有当一辆车通过路口（越过对面路口的交通灯后）后，其后续车辆才能继续通过交通灯，车辆通过路口的时间可以固定、可以自行计算，但是不能为3秒。（即必须体现交通灯对通行的管制）。
提示
1. 进程的互斥：交通灯进程实际上是互斥的，即不能同时为红或者同时为绿。
2. 进程的消息通信或其他通信方式：对车辆进程而言，每一个车辆在通过路口前，必须确认前面的车辆已经通过了路口。
3. 进程的调度：停留在一个路口的车辆，决定其前进或等候的因素是交通灯和前面车辆的状态，需要设计一个良好的进程调度机制来控制所有车辆的通行。
设计四：
设计任务：
请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。本设计通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式管理的页面置换算法。
通过随机数产生一个指令序列，共320条指令。指令的地址按下述原则生成：
① 50% 的指令是顺序执行的；
② 25% 的指令是均匀分布在前地址部分；
③ 25% 的指令是均匀分布在后地址部分。
具体的实施方法是：
①在 [0,319] 的指令地址之间随机选取一起点 m；
②顺序执行一条指令；
③在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行，该指令的地址为 m′；
④顺序执行一条指令，其地址为 m′+1；
⑤在后地址 [m′+2,319] 中随机选取一条指令并执行 ；
⑥重复上述步骤② ~ ⑤ ， 直到执行 320 次指令。
将指令序列变换成为页地址流
设：①页面大小为 1K；
②用户内存容量为 4 页到 32 页 ；
③用户虚存容量为 32K 。
在用户虚存中，按每 K 存放 10 条指令排列虚存地址，即 320 条指令在虚存中的存放方式为：
第 0 条 ~ 第 9 条指令为第 0 页 ( 对应虚存地址为 [0,9])；
第 10 条 ~ 第 19 条指令为第 1 页 ( 对应虚存地址为 [10,19] ) ；
┇
┇
第 310 条 ~ 第 319 条指令为第 31 页 ( 对应虚存地址为 [310,319]) 。
按以上方式，用户指令可组成 32 页
计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。
先进先出的算法 (FIFO)；
最近最少使用算法 (LRR)；
最少访问页面算法 (LFR)；
最近最不经常使用算法 (NUR)。
提示
1. 命中率 = 1 - 页面失效次数∕页地址流长度
在本实验中，页地址流长度为 320，页面失效次数为每次访问相应指令时，该指令所对应的页不在内存的次数。
2. 随机数产生办法
关于随机数产生办法，Windwos系统提供函数srand( ) 和 rand( )，进行初始化和产生随机数。例如：
#include
srand( (unsigned)time( NULL ) );
语句可初始化一个随机数 ;
a[o]=10 * rand( ) / 32767 * 319 + 1;
a[1]= 10 * rand( ) / 32767 * a[o];
┇
语句可用来产生 a[0] 与 a[1] 中的随机数。
设计五：
设计任务：
模拟Linux文件系统。在任一OS下，建立一个大文件，把它假象成一张盘，在其中实现一个简单的 模拟Linux文件系统 。
1. 在现有机器硬盘上开辟20M的硬盘空间，作为设定的硬盘空间。
2. 编写一管理程序对此空间进行管理，以模拟Linux文件系统，具体要求如下：
（1） 要求盘块大小1k 正规文件
(2) i 结点文件类型 目录文件 (共1byte)
块设备 管道文件 物理地址（索引表） 共有13个表项，每表项2byte
文件长度 4byte 。联结计数 1byte
（3）0号块 超级块 栈长度50
空闲盘块的管理：成组链接 ( UNIX)
位示图法 (Linux)
（4）每建一个目录，分配4个物理块
文件名 14byte
（5）目录项信息
i 结点号 2byte
(6)结构： 0#： 超级块
1#－20#号为 i 结点区
20#－30#号为根目录区
3. 该管理程序的功能要求如下：
(1) 能够显示整个系统信息，源文件可以进行读写保护。目录名和文件名支持全路径名和相对路径名，路径名各分量间用“/”隔开。
(2) 改变目录：改变当前工作目录，目录不存在时给出出错信息。
(3) 显示目录：显示指定目录下或当前目录下的信息，包括文件名、物理地址、保护码、文件长度、子目录等（带/s参数的dir命令，显示所有子目录）。
(4) 创建目录：在指定路径或当前路径下创建指定目录。重名时给出错信息。
(5) 删除目录：删除指定目录下所有文件和子目录。要删目录不空时，要给出提示是否要删除。
(6) 建立文件（需给出文件名，文件长度）。
(7) 打开文件（显示文件所占的盘块）。
(8) 删除文件：删除指定文件，不存在时给出出错信息。
4. 程序的总体流程为：
(1) 初始化文件目录；
(2) 输出提示符，等待接受命令，分析键入的命令；
(3) 对合法的命令，执行相应的处理程序，否则输出错误信息，继续等待新命令，直到键入EXIT退出为止。
六、课程设计的具体日程安排
序号
内容
地点
时间安排（天）
1
布置任务
教室
0.5
2
问题分析及解决方案确定
实验室、图书馆
1
3
形成编程思路
实验室
2
4
使用具体语言实现算法
实验室
3
5
上机调试程序
实验室
3
6
编写课程设计报告
实验室、图书馆
2
七、考核及成绩评定
教师根据设计报告、软件的运行演示和学生回答问题的情况评定成绩。
（1） 设计报告规范、完整，概念原理论述清楚、软件设计结构合理,独立完成设计，软件运行正常，回答问题准确明了，可以评为优秀（A）。
（2） 设计报告规范、完整，概念原理论述清楚、软件设计结构合理，独立完成、软件基本运行正常，回答问题正确，可以评为良(B)。
（3） 设计报告规范、概念原理论述基本清楚、软件设计结构合理，基本独立完成，软件基本运行正常，回答问题部分正确，可以评为中良(C)。
（4） 设计报告基本规范、概念原理论述基本清楚、软件设计结构基本合理，部分独立完成，软件基本可以运行，回答问题部分正确，可以评为及格(D)。
（5） 设计报告不规范、概念原理论述不清楚、软件设计结构不合理，大部分不能独立完成，软件基本不能运行，回答问题大部分不正确，可以评为不及格(E)。

八、主要教材、参考书
[1]汤子嬴.计算机操作系统.西安：西安电子科技大学出版社.2008
[2]谭耀铭.操作系统.北京：中国人民大学出版社.1999
[3]张尧学,史美林.计算机操作系统教程(第三版).北京：清华大学出版社.2006
制定人：崔广才
审定人：高培成
2010年10月

设计题目选题：学号%5，余数为1、2、3、4、0分别做第1、2、3、4、5题）
每小组之间设计内容不得雷同，否则成绩不及格。

缺席次数
最终成绩
1次
中及以下
2次及以上
不及格

7