МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический
университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
___________ М.А. Сонькин
«___» ____________2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 010400 ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И
ИНФОРМАТИКА
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2012 г.
КУРС 2; СЕМЕСТР 3
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 6 кредитов ECTS
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Информатика», «Практикум на ЭВМ»
КОРРЕКВИЗИТЫ: «Языки и методы программирования»
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
36
часов (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
36
72
72
144
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
часов (ауд.)
часа
часа
часа
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ – 3 семестр
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: «Прикладная математика»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.ф.-м.н., профессор В.П. Григорьев
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
к.т.н., доцент Д.Ю. Степанов
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
к.ф.-м.н., доцент Г.Е. Шевелев
2012 г.
1. Цели освоения дисциплины
В дисциплине «Операционные системы» изучаются классические
основы операционных систем (ОС), их архитектура, алгоритмы и методы,
применяемые при их разработке; изучаются ОС компании Microsoft,
семейства UNIX/Linux и др. Знание ОС способствует становлению зрелого
мышления программиста,
хорошему знанию сетевых технологий и
протоколов, виртуальных машин, методов современного программирования.
Соответствие целей формируемым компетенциям приведены в табл.1
Код
цели
1
Ц2
Ц3
Ц3
Таблица 1.
Формулировка цели
Требования ФГОС ВПО (код УЦ
ООП / коды формируемых
компетенций)
2
3
Подготовка
выпускников
к Требования ФГОС ВПО (Б3 / ОК
решению задач производственной 5, 11; ПК 1, 2)
и технологической деятельности на
профессиональном
уровне,
включая: разработку и применение
алгоритмических и программных
решений в области системного и
прикладного программирования,
современных
языков
программирования, языков баз
данных, электронных библиотек и
пакетов
программ,
сетевых
технологий
Выпускник
образовательной Требования ФГОС ВПО (Б3 / ОК
программы на основе знаний, 12 , 14; ПК 1-4, 9, 10)
умений, навыков, приобретенных
компетенций интегрирует знания в
области фундаментальных наук для
решения
исследовательских
и
прикладных задач на основе
методов
математического
моделирования
и современных
Подготовка
выпускников
к Требования ФГОС ВПО (Б3 / ОК
пакетов прикладных программ
организационно-управленческой
применительно
к 13, 14)
деятельности при выполнении
профессиональной
деятельности.
междисциплинарных
проектов в
профессиональной области, в том
числе
в
интернациональном
коллективе.
2
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Операционные системы» относится к профессиональному
циклу дисциплин. Пререквизиты - «Информатика», «Практикум на ЭВМ».
Кореквизиты – «Языки и методы программирования»
3. Результаты освоения дисциплины
После изучения дисциплины в соответствии с ФГОС ООП студент
должен:
Знать:
 Назначение, функции и структуру операционной системы (ОС),
классификацию компьютерных систем, особенности ОС для различных
классов компьютерных систем, архитектуру компьютерной системы.
 Понятие процесса, управление процессами, планирование и
диспетчеризацию процессов.
 Стратегию и критерии диспетчеризации процессов.
 Понятие ресурса, виды ресурсов, управление ресурсами.
 Управление памятью.
 Синхронизацию процессов, семафоры,
их использование для
решения задач взаимоисключения и синхронизации.
 Тупики (deadlocks), методы предотвращения и обнаружения тупиков.
 Файловую систему на диске.
 Системы ввода-вывода.
 Возможности систем Windows 2000/XP/2003/Vista/2008/7.
 Возможности системы Linux.
 ОС для облачных вычислений (cloud computing) – Windows Azure.
Уметь:
 использовать полученные знания по операционным системам для
работы в сфере программирования;
 решать задачи производственной и технологической деятельности
на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и
программных
решений
в
области
системного и
прикладного
программирования (ПК9);
 использовать в научной и познавательной деятельности, а также в
социальной сфере профессиональные навыки работы с информационными и
компьютерными технологиями (ОК14).
Владеть:
3
 способностью приобретать новые научные и профессиональные
знания, используя современные образовательные и информационные
технологии (ПК2);
 способностью применять
в
профессиональной деятельности
современные языки программирования, операционные системы,
электронные библиотеки и пакеты программ, сетевые технологии
(ПК10);
 технологией работы на компьютере в среде современных ОС.
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Содержание разделов дисциплины
Назначение, функции и структура операционной системы (ОС),
классификация компьютерных систем, особенности ОС для различных
классов компьютерных систем – 4 часа.
Понятие операционной системы и цели ее работы. Компоненты
компьютерной системы. Общая картина функционирования компьютерной
системы. Классификация компьютерных систем. Основные компоненты
операционной системы. Особенности операционных систем для
компьютеров общего назначения (mainframes). Распределение памяти в
однозадачной ОС с пакетной обработкой заданий. ОС пакетной обработки с
поддержкой мультипрограммирования. Режим разделения времени и
особенности ОС с режимом разделения времени. Параллельные
компьютерные системы и особенности их ОС. Распределенные
компьютерные системы и особенности их ОС. Кластерные вычислительные
системы и их ОС. Системы и ОС реального времени.
Архитектура компьютерной системы – 2 часа.
Архитектура
компьютерной
системы.
Функционирование
компьютерной системы. Обработка прерываний. Архитектура ввода-вывода.
Таблица состояния устройств. Прямой доступ к памяти (Direct Memory
Access – DMA). Структура памяти. Аппаратная защита памяти и процессора.
Архитектура ОС. Обзор функций ОС. Архитектура UNIX и MSDOS - 4 часа.
Основные компоненты ОС. Управление процессами. Управление
основной памятью. Управление файлами. Управление вторичной памятью.
Система
защиты
(ptotection).
Система
поддержки
командного
интерпретатора. Сервисы (службы) ОС. Исполнение программ в MS DOS.
Исполнение нескольких программ в UNIX. Структура системы MS DOS.
Структура системы UNIX.
4
Управление процессами. Планирование и диспетчеризация
процессов. Потоки и многопоточное выполнение программ. Стратегии и
критерии диспетчеризации процессов – 4 часа.
Основные концепции управления процессами, планирования и
диспетчеризации процессов.
Понятие потока (thread) и многопоточное выполнение (multi-threading);
модели многопоточности; пользовательские потоки и потоки ядра. Потоки в
Solaris, Linux, Windows 2000.
Планирование
и
диспетчеризация
процессора;
критерии
диспетчеризации;
стратегии
диспетчеризации
(FCFS,
SJF,
RR);
многоуровневые очереди.
Управление параллельными взаимодействующими процессами.
Проблемы тупиков и методы борьбы с ними – 4 часа.
Независимые
и
взаимодействующие
процессы.
Средства
синхронизации и связи.
Использование блокировки памяти при
синхронизации параллельных процессов. Синхронизация процессов при
помощи операции «Проверка и установка». Семафорные примитивы
Дейкстры. Мониторы Хоара. Почтовые ящики. Конвейеры и очереди
сообщений.
Понятие тупиковой ситуации при выполнении параллельных
процессов. Примеры тупиковых ситуаций и причины их возникновения.
Методы борьбы с тупиками. Предотвращение тупиков. Обход тупиков.
Обнаружение тупика.
Управление
памятью.
Страничная организация
памяти.
Сегментная организация памяти. Виртуальная память – 4 часа.
Принципы управления памятью. Устройство управления памятью.
Логическое и физическое адресные пространства. Динамическая линковка.
Оверлейная структура программы.
Откачка и подкачка (swapping). Стратегии динамического
распределения памяти. Фрагментация. Принципы страничной организации.
Таблица страниц.
Сегментная организация памяти. Сегментно-страничная организация
памяти (Intel x86).
Концепция виртуальной памяти. Отображение виртуальной памяти на
физическую память.
Файловые системы – 4 часа.
Понятие и структура файла. Атрибуты и операции над файлами. Типы
и методы доступа к файлам.
Функции файловой системы ОС и иерархия данных. Структура
магнитного диска (разбиение дисков на разделы).
Файловая система FAT. Таблица размещения файлов.
5
Файловая система NTFS.
Управление вводом-выводом – 2 часа.
Организация ввода-вывода в компьютерной системе и ее поддержка в
ОС. Режимы управления вводом/выводом.
Основные системные таблицы ввода/вывода. Синхронный и
асинхронный ввод/вывод.
Кэширование операций ввода/вывода при работе с дисками.
Безопасность операционных систем и сетей – 2 часа.
Концепция безопасности. Сетевые и системные угрозы (атаки). Борьба
с атаками. Аудит сетевых систем. Брандмауэры. Обнаружение попыток
взлома. Криптография. SSL. Уровни безопасности компьютеров. Решение
проблем безопасности в Windows NT и в Microsoft.NET. Политики
безопасности.
Обзор
архитектуры
и
возможностей
систем
Windows
2000/XP/2003/Vista/2008/7 и Linux – 4 часа.
История Windows. Роль Windows NT. Архитектура Windows. Ядро.
Исполнительная подсистема. Подсистемы окружения.
История создания Linux. Linux и GNU-проекты. Ядро Linux. Развитие
Linux. Архитектура Linux. Linux как серверная ОС. Принципы
проектирования Linux. Компоненты Linux. Управление процессами.
ОС для облачных вычислений. Windows Azure – 2 часа.
Понятие облачных вычислений (cloud computing) и особенности их
организации. Сервисы. Центры обработки данных. Обзор ОС и инструментов
для облачных вычислений. Microsoft Windows Azure, ее особенности,
преимущества и лидирующая роль в развитии облачных вычислений.
Платформа Microsoft.NET как базис для архитектуры Windows Azure.
Перспективы ОС для облачных вычислений.
Лабораторные занятия
1. Ревизия системных ресурсов.
2. Изучение конфигурации, настроек и управления настройками
BIOS.
3. Ввод-вывод в стандартные файлы.
4. Управление видеоадаптером в текстовом режиме.
5. Подсистема управления процессами.
Задача о спящем парикмахере.
Задача об обедающих философах.
6. Многопоточное программирование в Windows NT.
7. Создание параллельных взаимодействующих вычислительных
процессов.
6
8. Менеджер памяти.
9. Организация файловой системы на диске.
10.Конфигурирование, протоколирование
безопасности win.
11. Операционная система Linux.
событий,
подсистема
4.2. Структура дисциплины
Таблица 2
Название
раздела/темы
Назначение, функции
и структура ОС,
классификация
компьютерных систем,
1 особенности ОС для
различных классов
компьютерных систем
Аудиторная работа (час)
Лекции
Лаб. раб.
(час.)
(час.)
СРС. (час).
Итого
4
4
8
16
2
2
(час.)
4
8
Архитектура ОС.
Обзор функций ОС.
3 Архитектура UNIX и
MS-DOS
4
4
8
16
Управление
процессами.
Планирование и
диспетчеризация
процессов. Потоки и
4 многопоточное
выполнение программ.
Стратегии и критерии
диспетчеризации
процессов.
4
4
8
16
Управление
параллельными
взаимодействующими
5 процессами.
Проблемы тупиков и
методы борьбы с
ними.
4
4
8
16
Архитектура
2 компьютерной
системы
7
Управление памятью.
Страничная
организация памяти.
6 Сегментная
организация памяти.
Виртуальная память.
Файловые системы.
7
Управление вводом-
8 выводом.
Безопасность ОС и
9 сетей.
Обзор архитектуры и
возможностей систем
10 Windows
2000/XP/2003/Vista/20
08/7 и Linux
ОС для облачных
вычислений. Windows
11 Azure.
Итого
4
4
8
16
4
4
8
16
2
2
4
8
2
2
4
8
4
4
8
16
2
2
4
8
36
36
72
144
5. Образовательные технологии
При освоении разделов дисциплины используется сочетание видов
образовательной деятельности (ОД) – лекция, лабораторная работа,
самостоятельная работа – с различными методами ее активизации (см. табл.
3).
Таблица 3. Сочетание видов ОД с различными методами ее активизации
Метод акт. ОД / Вид ОД
IT-методы
Работа в команде
Проблемное обучение
Контекстное обучение
Обучение на основе опыта
Индивидуальное обучение
Междисциплинарное
обучение
Опережающая
самостоятельная работа
Лекции
+
+
+
+
Лаб. раб.
+
+
+
+
+
+
+
Сам. раб
+
+
+
+
+
+
От общего количества аудиторных занятий доля лекционных учебных
занятий составляет 50%, доля интерактивных – 50%.
8
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов
Основой для самостоятельной работы студентов является наличие
Интернет-ресурсов различного уровня для выполнения опережающей
самостоятельной работы.
На уровне ТПУ – это авторский курс, размещенный на персональном
сайте Шевелева Г.Е.
http://portal.tpu.ru/SHARED/g/GSHEVELYOV/teacher_work/SPPO
На российском уровне – лекции по ОС
http://www.twirpx.com/files/informatics/os/lectures/,
лабораторные работы по ОС
http://www.twirpx.com/files/informatics/os/labs/
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения
дисциплины
Фонд оценочных средств дисциплины (ФОС) состоит из средств
входного контроля знаний по информатике, текущего контроля выполнения
заданий и средств для промежуточной аттестации (зачета в 1-ом семестре).
Эти средства содержат перечень:
 вопросов, ответы на которые дают возможность студенту
продемонстрировать, а преподавателю оценить степень усвоения
теоретических и фактических знаний на уровне знакомства;
 заданий, позволяющих оценить приобретенные студентами практические
умения на репродуктивном уровне;
Входной и выходной контроль знаний осуществляется в форме
компьютерного тестирования. Содержание ФОС по дисциплине приведено в
Приложении 1.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
В соответствии с рейтинговой системой текущий контроль
производится ежемесячно в течение семестра путем балльной оценки
качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы) и
результатов практической деятельности (решение задач, выполнение заданий,
решение проблем).
Промежуточная аттестация (зачет) производится в конце семестра
также путем балльной оценки. Итоговый рейтинг определяется
суммированием баллов текущей оценки в течение семестра (60 баллов
максимум) и баллов промежуточной аттестации в конце семестра по
результатам зачета (40 баллов максимум). Максимальный итоговый рейтинг
соответствует 100 баллам (текущая оценка в семестре + промежуточная
аттестация в конце семестра = 60 + 40).
9
9.Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
9.1. Основная литература
1. Таненбаум Э. Современные операционные системы. Питер, 2007.
2. Гордеев А.В., Молчанов А.Ю. Системное программное
обеспечение. – СПб. : Питер, 2003. – 736 с.: ил.
3. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы:
Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2003. – 544 с.: ил.
4. Карпов В.Е., Коньков К.А. Основы операционных систем.
Интернет-университет Информационных технологий. Москва, 2004, 632 с.
9.2. Дополнительная литература
1. Соломон Д., Руссинович М. Внутреннее устройство MS Windows:
Windows Server 2003, Windows XP и Windows 2000. 4-е изд
Русская редакция (Microsoft Press), 2008.
2. Моримото Р., Ноэл М., Драуби О., Мистри Р., Амарис К.
Windows Server 2008 R2. Полное руководство М.: Вильямс, 2010.
3. Назаров
С.В.,
Гудыно
Л.П.,
Кириченко
А.А
Операционные системы. Практикум М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008.
– 464
с.
4. Робачевский А.М. Операционная система UNIX СПб: BHV, 1999,
144 с.
9.3. Методические указания к выполнению лабораторных работ
1. Г.Е. Шевелев. Ввод информации в компьютер с клавиатуры.
ТПУ. Рег. № 44 от 06.03.03, 12 с.
2. Г.Е. Шевелев. Ревизия системных ресурсов. ТПУ. Рег. № 51 от
06.03.03, 8 с.
3. Г.Е. Шевелев. Система прерываний микропроцессора Intel 8086.
ТПУ. Рег. № 45 от 06.03.03, 10 с.
4. Г.Е. Шевелев. Управление выводом на дисплей. ТПУ. Рег. № 46
от 06.03.03, 10 с.
5. Г.Е. Шевелев. Вывод дампа памяти и сектора диска. ТПУ. Рег. №
47 от 06.03.03, 9 с.
9.4. Программное обеспечение и Internet-ресурсы
1.
2.
3.
4.
http://www.twirpx.com/file/325538/
http://www.twirpx.com/files/informatics/os/lectures/
http://www.twirpx.com/files/informatics/os/labs/
http://portal.tpu.ru/SHARED/g/GSHEVELYOV/teacher_work/SPPO
10. Материально - техническое обеспечение дисциплины
10
Для преподавания дисциплины кафедрой ПМ предоставляется 4
компьютерных класса (ауд. 102 – 105 корпуса ИК). В классах установлены:
 18 ПК типа Core I5 760/ 2,8 GHz Quad Core, мониторы LCD 24"
BENQ, ОС – Windows 7;
 11 ПК Intel Pentium D Dual Core 2,66 GHz, мониторы LCD 17" LG,
ОС – Windows XP ;
 8 ПК Intel Pentium 4 2,2 GHz, мониторы LCD 17" LG, ОС – Windows
XP.
Все ПК с помощью cетевого коммутатора CNet 16 ports объединены в
локальную сеть с автоматическим выходом в корпоративную сеть ТПУ и
глобальную сеть Интернет.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению 010400 «Прикладная математика и
информатика».
Программа одобрена на заседании кафедры ПМ (протокол № от
«
» 2011 г.).
Автор – доцент кафедры прикладной математики Шевелев Геннадий
Ефимович
Рецензент – доцент кафедры прикладной математики Рыбалка Сергей
Анатольевич
11