РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики и компьютерных наук
Кафедра информационной безопасности
ОЛЕННИКОВ Е. А.
Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов очной формы обучения,
специальности 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», профили подготовки: «Технологии программирования»,
«Параллельное программирование»
Тюменский государственный университет
2014
. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов очной формы обучения специальности 010500.62 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», профили подготовки: «Технологии программирования», «Параллельное программирование». Тюмень, 2011, 13 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. umk3.utmn. ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой информационной безопасности.
Утверждено проректором по учебной работе ТюмГУ
Ответственный редактор: , зав. кафедрой информационной безопасности, д. т.н., проф.
© ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2014
© , 2014
2. Пояснительная записка
2.1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей» имеет целью дать целостное представление:
- о принципах построения операционных и вычислительных систем (ОС, ВС);
- об основных функциях ОС;
− о методах управления вычислительными процессами, вводом-выводом,
памятью в ОС;
- об архитектуре наиболее распространенных современных ОС.
Задачами дисциплины являются:
Задачей курса является изучение теоретических основ построения операционных систем и приобретение студентами навыков практической работы с операционной системой UNIX в качестве опытных пользователей.
2.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата:
Дисциплина «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей» относится к базовой части профессионального цикла. Её изучение базируется на следующих дисциплинах:
«Информатика».
Знания, полученные при изучении дисциплины " «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей», используются при изучении дисциплин:
«Администрирование информационных систем».
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- типы СУБД;
- основные задачи и функции администратора СУБД, ОС;
- основные инструментальные средства, применяемые при администрировании.
Уметь:
- производить конфигурирование сервера баз данных и его объектов;
- управлять пользователями сервера баз данных;
- используя инструментальные средства операционной системы, управлять пользователями, конфигурированием аппаратных и программных средств системы, защитой системы;
Владеть:
навыками администрирования СУБД, рабочих станций и серверов под управлением операционных систем семейства Windows, Unix.
2.3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих общекультурных, и профессиональных компетенций:
общекультурных (ОК):
· способность учиться (ОК-7);
профессиональных (ПК):
· знать принципы обеспечения условий безопасности жизнедеятельности при эксплуатации аппаратуры и систем различного назначения (ПК-22);
· знать проблемы и направления развития технологий программирования (ПК-23);
· иметь навыки выбора архитектуры и комплексирования современных компьютеров, систем, комплексов и сетей системного администрирования (ПК-35);
· иметь навыки выбора, проектирования, реализации, оценки качества и анализа эффективности программного обеспечения для решения задач в различных предметных областях (ПК-36).
3. Структура и трудоемкость дисциплины.
Таблица 1.
Вид учебной работы | Семестр 3 | |
Аудиторные занятия (всего) | 72 | |
В том числе: | - | |
Лекции | 36 |
|
Лабораторные работы (ЛР) | 36 |
|
Самостоятельная работа (всего) | 36 |
|
Вид промежуточной аттестации (экзамен) | Экзамен |
|
Общая трудоемкость | Зет) | |
4. Тематический план.
Таблица 2.
Тематический план
№ | Тема | недели семестра | Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. | Итого часов по теме | Из них в интерактивной форме | Итого количество баллов | ||
Лекции | Практические занятия | Самостоятельная работа | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Модуль 1 | ||||||||
1 | История развития ОС. | 1 | 2 | 2 | 4 | 2 | 0-2 | |
2 | Основные понятия, концепции, функции ОС. Архитектурные собенности. | 2 | 2 | 2 | 4 | 2 | 0-2 | |
3 | Управление процессами. Гонки, синхронизация процессов. Тупики и методы борьбы с ними. | 3-5 | 6 | 8 | 18 | 32 | 2 | 0-30 |
4 | Управление памятью. | 6-7 | 4 | 4 | 6 | 14 | 2 | 0-10 |
Всего | 14 | 12 | 28 | 54 | 8 | 0-44 | ||
Модуль 2 | ||||||||
5 | Управление вводом-выводом | 8 | 2 | 2 | 4 | 8 | 2 | 0-2 |
6 | Файловые системы | 9 | 2 | 2 | 4 | 8 | 2 | 0-2 |
7 | Организация файловой системы FAT, NTFS | 10-11 | 4 | 4 | 10 | 18 | 2 | 0-20 |
8 | Организация файловых систем используемых в ОС Unix/Linux | 12 | 2 | 2 | 6 | 10 | 2 | 0-2 |
Всего | 10 | 10 | 24 | 44 | 8 | 0-26 | ||
Модуль 3 | ||||||||
9 | Архитектура ОС Windows XP, Seven, Windows 2003/2008. | 13-14 | 4 | 4 | 8 | 16 | 2 | 0-10 |
10 | Архитектура ОС семейства Unix | 15-16 | 4 | 4 | 8 | 16 | 2 | 0-10 |
11 | Архитектура ОС Linux. Дистрибутивы Linux | 17 | 2 | 4 | 8 | 14 | 2 | 0-10 |
Всего | 10 | 12 | 24 | 46 | 6 | 0-30 | ||
Итого (часов, баллов): | 34 | 34 | 76 | 144 | 0-100 | |||
Из них в интерактивной форме | 22 | |||||||
Таблица 3.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№ темы | Письменные работы | Итого количество баллов | |
Модуль 1 | |||
1. | 0-2 | - | 0-2 |
2. | 0-2 | - | 0-2 |
3. | 0-20 | 0-10 | 0-30 |
4. | 0-10 | - | 0-10 |
Всего | 0-34 | 0-10 | 0-44 |
Модуль 2 | |||
1. | 0-2 | - | 0-2 |
2. | 0-2 | - | 0-2 |
3. | 0-10 | 0-10 | 0-20 |
4. | 0-2 | - | 0-2 |
Всего | 0-16 | 0-10 | 0-26 |
Модуль 3 | |||
1. | 0-10 | - | 0-10 |
2. | 0-10 | - | 0-10 |
3. | 0-10 | - | 0-10 |
Всего | 0-30 | - | 0-30 |
Итого | 0-20 | 0-20 | 0-100 |
Таблица 4.
Планирование самостоятельной работы студентов
№ | Модули и темы | Виды СРС | Неделя семестра | Объем часов | Кол-во баллов | |
обязательные | дополнитель-ные | |||||
Модуль 1 | ||||||
1.1 | История развития операционных систем. | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 1 | 4 | 0-2 |
1.2 | Основные понятия и концепции ОС. Функции ОС. Архитектурные особенности ОС. | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 2 | 4 | 0-2 |
1.3 | Управление процессами. Гонки, синхронизация процессов. Тупики и методы борьбы с ними. | Конспектирование материала на лекционных занятиях. Выполнение контрольной работы. | Работа с учебной литературой | 3-5 | 32 | 0-30 |
1.4 | Управление памятью. | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 6-7 | 14 | 0-10 |
Всего по модулю 1: | 54 | 0-44 | ||||
Модуль 2 | ||||||
2.1 | Управление вводом-выводом | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 8 | 8 | 0-2 |
2.2 | Файловые системы | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 9 | 8 | 0-2 |
2.3 | Организация файловой системы FAT, NTFS | Конспектирование материала на лекционных занятиях. Выполнение контрольной работы. | Работа с учебной литературой | 10-11 | 18 | 0-20 |
2.4 | Организация файловых систем используемых в ОС Unix/Linux | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 12 | 10 | 0-2 |
Всего по модулю 2: | 44 | 0-26 | ||||
Модуль 3 | ||||||
2.1 | Архитектура ОС Windows XP, Seven, Windows 2003/2008. | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 13-14 | 16 | 0-10 |
2.2 | Архитектура ОС семейства Unix | Конспектирование материала на лекционных занятиях. | Работа с учебной литературой | 15-16 | 16 | 0-10 |
2.3 | Архитектура ОС Linux. Дистрибутивы Linux | Конспектирование материала на лекционных занятиях. Выполнение контрольной работы. | Работа с учебной литературой | 17 | 14 | 0-10 |
Всего по модулю 3: | 46 | 0-30 | ||||
ИТОГО: | 144 | 0-100 | ||||
5. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | Семестр 4 | ||||||||||
1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 | 3.1 | 3.2 | 3.3 | ||
1. | Администрирование информационных систем | + | + | + | + | + | + | + |
6. Содержание разделов дисциплины
Модуль 1.
Тема 1.1. История развития операционных систем.
Эволюция ОС. История развития Unix.
Тема 1.2. Основные понятия и концепции ОС. Функции ОС.
Архитектурные особенности ОС. Функции, принципы построения, функциональные компоненты и архитектурные особенности и классификация ОС.
Тема 1.3. Управление процессами. Гонки, синхронизация процессов. Тупики и методы борьбы с ними.
Определение процесса и понятий с ним связанных. Планирование процессов. Гонки. Синхронизация процессов. Тупики и методы борьбы с ними.
Тема 1.4. Управление памятью
Типы адресов. Методы распределения памяти. Иерархия запоминающих устройств. Принцип кэширования данных.
Модуль 2.
Тема 2.1. Управление вводом-выводом
Физическая организация устройств ввода-вывода. Организация программного обеспечения ввода-вывода
Тема 2.2. Файловые системы
Основные понятия. Логическая организация файла. Операции над файлами и каталогами. Защита файлов. Реализация файловой системы. Общая модель файловой системы. Управление свободным и занятым дисковым пространством. Структура файловой системы на диске
Тема 2.3. Организация файловой системы FAT, NTFS
Логическая организация файловых систем FAT, NTFS.
Тема 2.4. Организация файловых систем используемых в ОС Unix/Linux
Логическая организация файловых систем : S5, UFS, Ext2FS, ReiserFS, Ext3fs, XFS, JFS.
Модуль 3.
Тема 3.1. Архитектура ОС Windows XP, Seven, Windows 2003/2008.
Тема 3.2. Архитектура ОС семейст ва Unix
Тема 3.3. Архитектура ОС Linux. Дистрибутивы Linux
7. Планы семинарских занятий
Не планируется.
8. Темы практических работ
1. Создание и управление процессами с использованием средств Win API, конструкция языков программирования.
2. Разработка многопоточного приложения с использованием средств Win API, конструкция языков программирования.
3. Синхронизация процессов. Функции ожидания. Объекты ожидания: события.
4. Синхронизация процессов. Объекты ожидания: ожидаемые таймеры, семафоры
5. Синхронизация процессов. Объекты ожидания: мьютексы, критичесие секции
6. Разработка приложения моделирующего один из классических алгоритмов управления процессами в операционных системах
7. Разработка приложения для получения системной информации ОС Windows: список процессов и потоков, объем и распределение памяти.
8. Исследование распределения виртуальной памяти процесса в Windows. Разработка приложения для получения карты виртуального адресного пространства процессов.
9. Использование виртуальной памяти. Выделение регионов, передача физической памяти страницам региона в Windows. Разработка приложения для использующего виртуальную память для работы с большими структурами данных.
10. Отображаемые в память файлы. Разработка приложения для копирования файлов больших размеров с использованием механизма отображаемых в память файлов.
11. Разработка приложения моделирующего один из классических алгоритмов управления памятью в операционных системах
12. Изучение структуры файловых систем FAT с использованием редактора диска
13. Изучение структуры файловых систем NTFS с использованием редактора диска
14. Установка и конфигурирование ОС FreeBSD.
15. Работа с пользователями в ОС FreeBSD. Управление учетными записями, группами, ограничение пользователей. Выполнения команд от имени других пользователей: утилиты SU, SUDO.
16. Файловые системы в ОС FreeBSD. Управление разделами, монтирование, настройка прав доступа.
17. Сетевые настройки в ОС FreeBSD.
18. Сборка и конфигурирование ядра ОС FreeBSD.
9. Примерная тематика курсовых работ
Курсовая работа по дисциплине не предусмотрена.
10. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
Контроль качества подготовки осуществляется путем проверки теоретических знаний и практических навыков с использованием:
a) Текущей аттестации:
проверка промежуточных контрольных работ и прием лабораторных работ,
b) Промежуточной аттестации:
экзамен в конце 4 семестра (к экзамену допускаются студенты после сдачи всех лабораторных работ, решения всех задач контрольных работ).
Текущий и промежуточный контроль освоения и усвоения материала дисциплины осуществляется в рамках рейтинговой (100-бальной) системы оценок.
Пример лабораторного задания
Лабораторная работа. Конфигурирование ядра ОС FreeBSD. Установка ПО.
Задание 1. Сборка ядра.
1. Собрать свое ядро, исходя из следующих требований:
- имя ядра выбрать по своему усмотрению;
- отключить поддержку неиспользуемого оборудования;
- включить опцию запрещающую перезагружать систему с помощью сочетания клавиш ctrl-alt-del.
2. Установить ядро.
Задание 2. Установка ПО из пакетов
1. Установить любой текстовый редактор, используя утилиту sysinstall.
2. Установите текстовый редактор vim из пакета.
Задание 3. Установка ПО из портов
1. Установите файловый менеджер MC (порт: ../misc/mc).
Пример контрольной работы
Реализовать схему «оповещения» трех ожидающих потоков о помещении в очередь (произвольного формата) некоторого сообщения на основе объекта синхронизации «событие». Генерируют события в очередь два потока, которые имеют приоритет на уровень ниже, чем ожидающие. Посчитать среднее число обработанных каждым потоком сообщений. Очередь должна быть защищена критической секцией.
Вопросы к экзамену
Понятие операционной системы. Операционная система как виртуальная машина. Операционная система как система управления ресурсами. Операционная система как постоянно функционирующее ядро. Понятие операционной среды. Программная среда. Основная и дополнительная программная среда. Эволюция ОС. Основные функции операционных систем Основные принципы построения ОС Архитектура операционной системы. Общий подход. Привилегированный и пользовательский режимы работы. Архитектурные особенности современных операционных систем. Монолитное ядро. Слоеные системы. Виртуальные машины. Микроядерная архитектура. Смешанные системы. Классификация операционных систем. Особенности областей применения. Классификация операционных систем. Поддержка многозадачности. Классификация операционных систем. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Классификация операционных систем. Поддержка многонитевости. Классификация операционных систем по способу взаимодействия с компьютером. Классификация операционных систем по типу централизации. Классификация операционных систем. Многопроцессорная обработка. Классификация операционных систем. Поддержка многопользовательского режима. Классификация операционных систем по типу аппаратуры. Классификация операционных систем. Особенности областей использования Классификация операционных систем. Особенности методов построения. Понятие процесса. Состояния процесса. Информационные структуры процесса. Планирование процессов. Уровни планирования. Основные цели планирования. Алгоритмы планирования процессов. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность Синхронизация процессов. Критические ресурсы. Гонки. Критические секции. Программные алгоритмы организации взаимодействия процессов. Запрет прерываний. Блокирующие переменные. Программные алгоритмы организации взаимодействия процессов. Семафоры. Монитор. Сообщения Понятие тупика. Условия возникновения тупиков. Основные направления борьбы с тупиками. Средства синхронизации потоков в ОС Windows. Функции и объекты ожидания. Основные функции ОС по управлению памятью. Типы адресов. Методы распределения памяти без использования дискового пространства. Распределение памяти фиксированными разделами. Распределение памяти разделами переменной величины. Распределение памяти перемещаемыми разделами Понятие виртуальной памяти Методы распределения памяти с использованием дискового пространства. Страничное распределение памяти Сегментное распределение памяти Странично-сегментное распределение памяти Своппинг Понятие файловой системы. Файл. Типы и атрибуты файлов. Логическая организация файла. Операции над файлами и каталогами. Защита файлов. Общая модель файловой системы. Методы выделения дискового пространства. Управление свободным и занятым дисковым пространством. Отображаемые в память файлы Производительность файловой системы Современные архитектуры файловых систем Файловая система FAT 12/16/32 – логическая и физическая организация Файловая система NTFS – логическая и физическая организация. Файловая система NTFS – журналирование, безопасность, сжатие, шифрование. Устройство файловых систем Unix-семейства Защищенный режим работы процессора11. Образовательные технологии.
Сочетание традиционных образовательных технологий в форме лекций, компьютерных лабораторных работ и проведение контрольных мероприятий (контрольных работ).
Аудиторные занятия:
- лекционные и компьютерные лабораторные занятия; на лабораторных занятиях контроль осуществляется при сдаче лабораторного задания. В течение семестров студенты выполняют задачи, указанные преподавателем к каждому занятию.
Активные и интерактивные формы
- компьютерное моделирование и анализ результатов при выполнении лабораторных работ
Внеаудиторные занятия:
- выполнение дополнительных заданий разного типа и уровня сложности при выполнении лабораторных работ, подготовка к аудиторным занятиям, изучение отдельных тем и вопросов учебной дисциплины в соответствии с учебно-тематическим планом, составлении конспектов. Подготовка индивидуальных заданий: контрольных работ, подготовка ко всем видам контрольных испытаний: текущему контролю успеваемости и промежуточной аттестации; индивидуальные консультации.
12. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
12.1. Основная литература:
1. Э. Таненбаум. Современные операционные системы. - СПб.: Питер, 2011
12.2. Дополнительная литература:
1. , . Сетевые операционные системы. - СПб.: Питер, 2005
2. Операционные системы. М.: Вильямс, 2004
3. FreeBSD. Администрирование: искусство достижения равновесия. - СПб.: ДиаСофтЮП, 2003
4. , FreeBSD: установка, настройка, использование. -СПб.: БХВ-Петербург, 2003
5. Гордеев системы. - СПб.: Питер, 2004
6. Криминалистический анализ файловых систем. - СПб.: Питер, 2007
7. Э. Таненбаум. Архитектура компьютера. - СПб.: Питер, 2010
8. Э. Таненбаум. Операционные системы: разработка и реализация. - СПб.: Питер, 2006
12.3. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы.
- вузовские электронно-библиотечные системы учебной литературы;
- база научно-технической информации ВИНИТИ РАН;
- доступ к открытым базам цитирования, в т. ч. , scholar. , math-net. ru;
-среды разработки на языках C#, C++, Pascal;
- программы для виртуализации систем: VMWare Workstation, Virtual PC.
13. Технические средства и материально-техническое оснащение.
Для организации самостоятельной работы студентов необходим компьютерный класс c установленной средой разработки на языке C#, C++, Pascal и одной из программ для виртуализации систем: VMWare Workstation, Virtual PC, с возможность запуска образов виртуальных машин под управлением ОС Windows NT, FreeBSD.
