《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析》課程介紹與教學(xué)大綱

PAGEPAGE8《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析》課程簡(jiǎn)介課程編號(hào)：07014017課程名稱：Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析/AnalysisonLinuxOperatingSystemKernel學(xué)分:3.5學(xué)時(shí)：56（課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(踐)：上機(jī)：16課外實(shí)踐：）適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)建議修讀學(xué)期：第6學(xué)期開(kāi)課單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系先修課程：操作系統(tǒng)（原理），C語(yǔ)言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，匯編語(yǔ)言等考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：閉卷，筆試。考試成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%。平時(shí)成績(jī)根據(jù)作業(yè)、出勤和課內(nèi)上機(jī)實(shí)驗(yàn)情況決定。如果課內(nèi)三次無(wú)故缺勤或上機(jī)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)，無(wú)考試資格。教材：1.倪繼利主編.Linux內(nèi)核分析及編程.北京：電子工業(yè)出版社，2005主要參考書(shū)目：1、吳國(guó)偉等主編.Linux內(nèi)核分析及高級(jí)編程.北京：電子工業(yè)出版社，20082、拉芙(RobertLove)主編，陳莉君，康華譯Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第3版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20113、新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì).Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)的藝術(shù)-圖解Linux操作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20134、WolfgangMauerer主編，郭旭譯.ProfessionalLinuxKernelArchitecture.北京：人民郵電出版社，2012內(nèi)容概述：中文：本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門(mén)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的重要專業(yè)課程，是從事系統(tǒng)方面設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵內(nèi)容體系之一。該課程要求了解Linux內(nèi)核使用的數(shù)據(jù)類型、執(zhí)行文件結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過(guò)程、內(nèi)核編譯和配置以及內(nèi)核調(diào)試等基礎(chǔ)內(nèi)容；理解Linux的設(shè)計(jì)上使用的通用鏈表、系統(tǒng)調(diào)用等基本概念；掌握Linux進(jìn)程以及進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)核同步、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、EXT2文件系統(tǒng)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)等方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本課程結(jié)合Linux的內(nèi)核源代碼（如2.6.11Version）實(shí)例，通過(guò)講解使學(xué)生理解并掌握Linux系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基本原理，基本方法，再結(jié)合上機(jī)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生具有Linux底層系統(tǒng)基本能力意識(shí)。英文：ThiscourseisacomprehensiveandhighlypracticalimportantprofessionalcourseformajorofComputerScienceandTechnologyandothers’,itisoneofthekeyelementsofthesystemlevelsoftwaredevelopmentanddesignrelated.ThecourserequirestoknowalittleofdatatypeusedbyLinuxkernel,structureandprocessingofexecutablefileandLinuxkernel’sconfiguration,compileanddebug,clearlyunderstandsbasicconceptonlinkedlistgenerallyusedbykernelandsystemcallinLinuxkernel;masterthedesignandcodeimplementationprinciplesofLinuxtask,taskschedule,Linuxkernelsynchronization,memorymanagement,virtualfilesystem,EXT2filesystemanddevicedrivers.CombinedwiththespecificLinuxkernelcodes(suchas2.6.11version)instance,byexplainingtoenablestudentstounderstandandmasterthebasicprinciplesofLinuxkernelsystemarchitecturedesignanddevelopmentandbasictechniques,thenpassedonexperiments,trainingsystemarchitecturedesign,developmentbasedonthebasiccapacity.《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析》教學(xué)大綱課程名稱課程編號(hào)學(xué)分/學(xué)時(shí)建議開(kāi)課學(xué)期Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析070140173.5/566先修課程后續(xù)課程開(kāi)課單位適用專業(yè)操作系統(tǒng)（原理），C語(yǔ)言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，匯編語(yǔ)言等無(wú)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等一、課程性質(zhì)、目的與任務(wù)（說(shuō)明課程在人才培養(yǎng)過(guò)程中的地位及作用，概括本課程的指導(dǎo)思想，提出本課程的任務(wù)。包括對(duì)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等。）《《Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析》課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。由于目前社會(huì)信息化乃至智能化的基礎(chǔ)是構(gòu)建適用各行各業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，所以該課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中處于重要的地位，不僅能使學(xué)生對(duì)Linux內(nèi)核技術(shù)的基本原理有一個(gè)全面的掌握，更能為設(shè)計(jì)出好的應(yīng)用系統(tǒng)打下良好理論基礎(chǔ)。本課程要求了解Linux內(nèi)核使用的數(shù)據(jù)類型、執(zhí)行文件運(yùn)行過(guò)程、內(nèi)核編譯和配置以及內(nèi)核調(diào)試等基礎(chǔ)內(nèi)容；理解Linux的設(shè)計(jì)上使用的通用鏈表、系統(tǒng)調(diào)用等基本原理；掌握Linux進(jìn)程以及進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)核同步、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、EXT2文件系統(tǒng)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)等方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本課程結(jié)合Linux的內(nèi)核源代碼（如2.6.11V）實(shí)例，通過(guò)講解使學(xué)生理解并掌握Linux系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基本原理，基本方法，再結(jié)合上機(jī)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生具有Linux底層系統(tǒng)基本能力意識(shí)。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求：1-2、2-3、3-1、4-2）具體要求如下：（1）結(jié)合Linux的內(nèi)核源代碼（如2.6.11Version）實(shí)例，使學(xué)生學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核的編程思想和方法；（1-2、3-1）（2）從Linux的內(nèi)核角度，要求學(xué)生掌握理解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（2-3，4-2）二、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配具體內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排等如下表所示：課程內(nèi)容教學(xué)要求重點(diǎn)（☆）難點(diǎn)（△）學(xué)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)時(shí)備注第1單元Linux內(nèi)核基礎(chǔ)知識(shí)與準(zhǔn)備1.1數(shù)據(jù)類型及鏈表C0.5第1章1.2系統(tǒng)調(diào)用C0.5第13章1.3執(zhí)行文件的運(yùn)行過(guò)程C1第15章1.4Linux系統(tǒng)的初始化A☆1第12章第2單元Linux內(nèi)核編譯與調(diào)試2.1內(nèi)核配置與編譯A1第18章2.2內(nèi)核調(diào)試A1第15章第3單元進(jìn)程及進(jìn)程調(diào)度3.1進(jìn)程結(jié)構(gòu)B0.5第2章3.2進(jìn)程創(chuàng)建A☆1第2章3.3內(nèi)核線程C0.5第2章3.4工作隊(duì)列A1第2章3.5進(jìn)程調(diào)度A☆△2.5第2章3.6內(nèi)核搶占B0.5第2章第4單元內(nèi)核同步機(jī)制4.1內(nèi)核中的互斥機(jī)制B1第3章4.2RCUA☆△2第3章4.3內(nèi)核與用戶空間的通信機(jī)制B1第3章第5單元內(nèi)存管理5.1內(nèi)存地址類型和內(nèi)存保護(hù)C0.5第4章5.280386的段頁(yè)式管理機(jī)制A☆1第4章5.3IA-64-Linux的地址空間劃分C0.5第4章5.4進(jìn)程的內(nèi)存組織B0.5第4章5.5虛擬內(nèi)存管理A☆2第4章5.6物理內(nèi)存管理（一）A☆△2第4章5.6物理內(nèi)存管理（二）A☆△1.5第4章第6單元虛擬文件系統(tǒng)6.1VFS的超級(jí)塊、dentry和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)B0.5第5章6.2與進(jìn)程聯(lián)系的文件系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)A☆1第5章6.3系統(tǒng)有關(guān)操作函數(shù)集的結(jié)構(gòu)B0.5第5章6.4文件系統(tǒng)的建立過(guò)程B0.5第5章6.5文件系統(tǒng)的注冊(cè)、安裝與卸載B0.5第5章6.6文件系統(tǒng)的調(diào)用過(guò)程A☆1第5章6.7文件系統(tǒng)的各種緩存B0.5第5章6.8緩存同步操作A☆△1.5第5章第7單元EXT2文件系統(tǒng)7.1EXT2文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)A☆△1第6章7.2EXT2文件系統(tǒng)的建立B0.5第6章7.3ext2_read_inode函數(shù)分析A☆1第6章7.4文件讀寫(xiě)A1第6章7.5EXT2的目錄項(xiàng)及文件定位B0.5第6章第8單元設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序8.1設(shè)備文件及設(shè)備訪問(wèn)方式C0.5第10章8.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型A☆△1第10章8.3字符設(shè)備操作過(guò)程C0.5第10章8.4塊設(shè)備偽文件系統(tǒng)C0.5第10章8.5通用硬盤(pán)A☆1第10章8.6通用塊層A☆2第10章8.7塊設(shè)備讀寫(xiě)請(qǐng)求隊(duì)列及提交過(guò)程B0.5第10章8.8IOCTL設(shè)備控制A☆0.5第10章8.9編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本步驟C0.5第10章合計(jì)40學(xué)時(shí)（教學(xué)基本要求：A-掌握；B-熟悉；C-了解）建議實(shí)驗(yàn)（上機(jī)）項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)要求1進(jìn)程同步機(jī)制實(shí)驗(yàn)閱讀源代碼，學(xué)習(xí)、修改、調(diào)試一種Linux內(nèi)核的同步機(jī)制，并撰寫(xiě)該機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖2驗(yàn)證性必做2進(jìn)程調(diào)度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一種新的調(diào)度算法（改進(jìn)調(diào)度算法）4設(shè)計(jì)性必做3設(shè)備管理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序4設(shè)計(jì)性必做4存儲(chǔ)管理實(shí)驗(yàn)閱讀源代碼，學(xué)習(xí)、修改、調(diào)試并理解Linux新頁(yè)面置換算法并撰寫(xiě)該機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖2驗(yàn)證性必做5文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)閱讀源代碼，學(xué)習(xí)、修改、調(diào)試?yán)斫釲inuxVFS機(jī)制，并撰寫(xiě)該機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖2驗(yàn)證性必做6接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)接口（如sleep函數(shù)）并將其命令化2設(shè)計(jì)性必做合計(jì)16四、教學(xué)方法與教學(xué)手段1.教學(xué)方法：1.教學(xué)方法：在重視課堂講授的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)務(wù)操作的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力及實(shí)踐能力。在課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式、討論式、參與式等教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使課堂教學(xué)效果提高，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。2.教學(xué)手段：利用現(xiàn)代手段提高課堂教學(xué)水平,采取講練結(jié)合,結(jié)合答疑、作業(yè)批改，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，利用多媒體、CAI課件等現(xiàn)代教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。五、考核方式與成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)課程考核成績(jī)采用平時(shí)成績(jī)+期終考試成績(jī)相結(jié)合的方式，平時(shí)成績(jī)占課程考核成績(jī)的30%，平時(shí)成績(jī)考核采用作業(yè)、出勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的方式，如果課內(nèi)三次無(wú)故缺勤或上機(jī)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)，無(wú)考試資格；期終考試成績(jī)占課程考核成績(jī)的70%，期終考試試卷對(duì)應(yīng)該課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的情況如下表所示：課程支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)在試卷中的相應(yīng)分?jǐn)?shù)指標(biāo)點(diǎn)1-220指標(biāo)點(diǎn)2-330指標(biāo)點(diǎn)3-120指標(biāo)點(diǎn)4-230總計(jì)100六、教材與主要參考書(shū)目1.倪繼利主編.Linux內(nèi)核分析及編程.北京：電子工業(yè)出版社，20052、拉芙(RobertLove)主編，陳莉君，康華譯Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第3版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20113、新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì).Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)的藝術(shù)-圖解Linux操作系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理(第2版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20134、WolfgangMauerer主編，郭旭譯.Professi