Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Директор ИДО

________________ С.И. Качин

«_____»_____________2010 г.

СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности

230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Института дистанционного образования

Семестр	9	10
Лекции, часов	2	8
Лабораторные занятия, часов		10
Практические занятия, часов		4
Контрольная работа		1
Самостоятельная работа, часов		120
Формы контроля		экзамен

Издательство

Томского политехнического университета

2010

УДК 681.3

Системное программное обеспечение: рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов спец. 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» ИДО./ сост. Ю.Я. Кацман, А.Г. Столяров. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 12с.

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры вычислительной техники – протокол №8 от 12 ноября 2009 г.

Зав. кафедрой, д.т.н., профессор Н.Г. Марков

Аннотация

Рабочая программа учебной дисциплины «Системное программное обеспечение» предназначена для подготовки инженеров по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Содержание программы соответствует ГОС ВПО и предназначено для изучения функций и алгоритмов управления ОС в современных ЭВМ, комплексах и вычислительных системах.

Теоретическая часть изучаемой дисциплины включает следующие разделы: «Классификация системного программного обеспечения», «Управление процессами, потоками и заданиями», «Управление ресурсами», «Файловые системы», «Поддержка сетей», ...

Лабораторный практикум посвящен практическому ознакомлению с функциями и возможностями среды графического программирования LabVIEW 8 для решения задач системного программирования. Лабораторные занятия проводятся на персональных компьютерах с операционной системой Windows.

Разработчики:
доцент кафедры ВТ	Кацман Ю.Я.
старший преподаватель кафедры ВТ	Столяров А.Г.

E–mail: katsman@tpu.ru

E–mail: sta@tpu.ru

^ 1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Цели преподавания дисциплины

Целью преподавания дисциплины «Системное программное обеспечение (СПО)» является изучение организации функционирования (алгоритмов функционирования ОС) вычислительных процессов в современных ЭВМ, комплексах и вычислительных системах.

В результате изучения дисциплины студент должен знать структуру и характеристики системного ПО, проблемы, связанные с функционированием совместно протекающих процессов.

Пользуясь полученными знаниями, студент должен уметь выбирать и использовать алгоритмы планирования задач, использовать конструкции и примитивы, предназначенные для описания и управления вычислениями с различной степенью параллельности, строить корректные схемы вычислений.

Содержание дисциплины «Системное программное обеспечение» по специальности 230101 базируется на материале ряда дисциплин: «Теория автоматов», «Операционные системы», «Программирование на языке высокого уровня», «Организация ЭВМ и систем».

Курс «Системное программное обеспечение» относится к числу общепрофессиональных дисциплин специальности 230101 и занимает в подготовке инженеров важное место. Он является базовым для изучения последующих дисциплин: «Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций», «Микропроцессорные системы», «Методы проектирования систем логического управления». Данный курс определяет профессиональную направленность подготовки специалистов.

Задачи изложения и изучения дисциплины

Преподавание данной дисциплины предусматривает следующие конкретные средства, способы и организационные мероприятия, обеспечивающие достижение целей:

проведение лекций;
проведение лабораторных занятий;
проведение консультаций;
разработка методических указаний к лабораторным работам;
разработка учебных пособий;
текущий и итоговый контроль.

^ 2 СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

2.1 Введение

2.1.1 Вводная информация: предмет курса; содержание теоретического материала курса; содержание цикла лабораторных работ, список литературы для изучения.

2.1.2 Системное программное обеспечение: основные понятия и их определения; расположение СПО в общей структуре ЭВМ, классификация и структура СПО; организация взаимодействия между аппаратурой ЭВМ, СПО и ППО (прикладное программное обеспечение).

2.1.3 Классификация системных программ: ОС, загрузчики, трансляторы, компиляторы и интерпретаторы, отладчики и утилиты.

2.1.4 Интерфейс операционной системы: основные принципы и стандарты; системные вызовы; интерфейсы WinAPI, POSIX API; 32 и 64 разрядные интерфейсы; проблема локализации, стандарты ANSI и UNICODE.

2.1.5 Средства разработки Windows-программ, используемые при изучении дисциплины: LabVIEW 8.

^ 2.2 Особенности выполнения программ

2.2.1 Объекты ядра: создание, уничтожение, таблица описателей, учет пользователей объектов ядра, наследование.

2.2.2 Процесс выполнения программ: создание, завершение процессов и потоков.

2.2.3 Синхронизация потоков: механизмы синхронизации (семафоры, мониторы, сообщения, барьеры).

2.2.4 Решение классических проблем синхронизации: проблема обедающих философов, проблема читателей и писателей, проблема спящего брадобрея.

2.2.5 Реализация синхронизации: синхронизация потоков в пользовательском режиме; синхронизация потоков с использованием объектов ядра

2.2.6 Межпроцессные взаимодействия (IPC): механизмы, каналы, очереди сообщений, разделяемые сегменты памяти, сокеты, вызов удаленных процедур (RPC).

2.3 Ввод-вывод

2.3.1 Аппаратура ввода-вывода: устройства, контроллеры устройств; ввод-вывод, отображаемый на адресное пространство памяти; прямой доступ к памяти (DMA); настройка адресов и защита.

2.3.2 Программное обеспечение ввода-вывода: задачи ПО; управляемый прерываниями ввод-вывод; использование DMA.

2.3.3 Программные уровни ввода-вывода: обработчики прерываний, драйверы устройств, независимое от устройств ПО ввода-вывода; ПО ввода-вывода пространства пользователя.

2.3.4 Подсистема ввода-вывода в MS Windows 2000: компоненты ввода-вывода и их взаимодействие.

^ 2.4 Файловые системы

2.4.1 Файлы: структура и типы файлов; доступ к файлу; атрибуты файла; операции с файлами; файлы, проецируемые в память. Синхронный и асинхронный ввод/вывод.

2.4.2 Каталоги: одноуровневые, двухуровневые и иерархические системы каталогов; операции с каталогами

2.4.3 Реализация файловой системы: структура файловой системы, реализация файлов и каталогов; совместно используемые файлы; надежность и производительность файловой системы

2.4.4 Взаимоблокировки, их обнаружение. Избежание взаимоблокировок; безопасные и небезопасные состояния.

^ 2.5 Драйверы устройств

2.5.1 Драйверы: задачи, классификация и особенности их функционирования, основные свойства и характеристики; драйверы в OC MS Windows и Unix.

2.5.2 Организация работы подсистемы управления внешними устройствами в MS Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003: типы драйверов; стек драйверов; загрузка, инициализация и выгрузка драйверов; инсталляция драйверов; синхронный и асинхронный ввод-вывод; выполнение операций ввода-вывода; Plug and Play.

2.5.3 Унифицированная модель разработки драйверов для Windows платформ (WDM): свойства; структура драйвера и принципы функционирования; интерфейс Native API методы и средства разработки; управление памятью, работа со строками, осуществление операций ввода-вывода; драйвер-фильтр.

2.6 Защита

2.6.1 Классы безопасности. Компоненты системы защиты. Проверка прав доступа; дескрипторы защиты и управления доступом.

2.6.2 Права и привилегии учетных записей, суперпривилегии. Аудит безопасности. Вход в систему; Инициализация Winlogon; этапы входа пользователя. Политика ограниченного использования программ.

^ 2.7 Поддержка сетей

2.7.1 Сетевая архитектура Windows: эталонная модель OSI; сетевые компоненты.

2.7.2 Сетевые API. Разрешение имен (DNS, WINS). Драйверы протоколов; расширения TCP/IP.

^ 3 СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

3.1 Тематика лабораторных работ

Лабораторные работы проводятся на IBM-совместимых компьютерах под управлением MS Windows NT/2000. Среда разработки – LabVIEW 8.

3.1.1 Введение в понятие «виртуальный инструмент», знакомство со средой графического программирования LabVIEW (2 часа).

3.1.2 Исследование особенностей программирования интерфейса RS-232 на примере манипулятора «мышь» в среде графического программирования LabVIEW (4 часа).

3.1.3 Исследование файловой системы Windows с использованием средств LabVIEW (4 часа).

3.1.4 Изучение принципов параллельных вычислений (потоков) в ОС Windows (4 часа).

^ 3.2 Тематика практических занятий

1. Основные принципы эффективного программирования в среде LabVIEW.

2. Интеграция стороннего программного обеспечение в программы, созданные в среде LabVIEW.

^ 4 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

4.1 Общие методические указания

Контрольная работа выполняется в виде написания реферата. Каждый студент получает вариант индивидуального контрольного задания (тему реферата) либо у преподавателя на установочной сессии, либо определяет самостоятельно, как число, составленное из двух последних цифр зачетной книжки.

Тематика рефератов связана с современным состоянием и перспективами развития СПО, поэтому она может ежегодно обновляться. Информационные материалы для реферата необходимо брать из монографий, периодической технической литературы (журналов), а также с Web-серверов сети Internet. Объем реферата – не более 20 страниц машинописного текста, включая рисунки, таблицы и библиографические ссылки.

Реферат можно послать по электронной почте (katsman@tpu.ru, либо sta@tpu.ru). В письме студент должен указать (фамилию, имя, отчество, номер группы), название дисциплины, тему реферата и предоставить сам реферат. При отсутствии электронной почты, реферат необходимо сдать преподавателю на проверку в начале сессии.

Для сдачи экзамена наличие проверенного и принятого преподавателем реферата обязательно!

^ 4.2 Варианты контрольных заданий (темы рефератов)

№ Варианта	Тема реферата
1	Классы программных продуктов (системное ПО, пакеты прикладных программ, инструментарий программирования).
2	Проектирование информационных систем (жизненный цикл ПО, технология «водопада» для построения сложных систем, основные этапы и их характеристика).
3	Проектирование информационных систем (ИС) (этапы проектирования и их характеристика, ограничения, выявление критических участков и уязвимостей ИС).
4	Проектирование информационных систем (ИС) (архитектура и интерфейс ИС, тестирование ИС).
5	Проектирование баз данных (БД) (распределенные БД и хранилища данных).
6	Современные архитектуры построения ИС (технология «клиент-сервер», достоинства и недостатки двухуровневой и трехуровневой модели).
7	CASE-средства автоматизации этапов разработки ИС (основные характеристики и типовые решения).
8	Трехуровневая архитектура современных ИС (достоинства и недостатки расширяемой трехуровневой архитектуры по сравнению с технологией клиент-сервер).
9	ER-диаграммы. Сущности и связи. Диаграммы потоков данных.
10	Диаграммы изменения состояний. Проверка качества и полноты информационной модели.
11	Общие свойства и характеристики архитектуры ОС (масштабируемость, переносимость и распределенность).
12	Общие требования, свойства и характеристики архитектуры ОС (защищенность, надежность и производительность ОС).
13	Компоненты ОС (основные программные интерфейсы ОС, интерфейсы прикладного программирования API).
14	Управление памятью и алгоритмы планирования процессов в ОС.
15	Методы шифрования в современных информационных системах (классификация, симметричные и асимметричные алгоритмы шифрования.)
16	Алгоритмы архивации данных (сжатие способом кодирования серий RLE, алгоритм Хаффмана).
17	Алгоритмы архивации данных (арифметическое кодирование, алгоритм Лемпеля-Зива-Велча).
18	Типовые алгоритмы шифрования (криптосистема RSA. механизм шифрования DES).
19	Типовые алгоритмы шифрования (понятие электронной подписи, методы защищенной аутентификации).
20	Протоколы защищенных каналов передачи данных: SSL, PPTP, IPSec (особенности данных протоколов, спецификация, принцип работы, архитектура).
21	Анализ сетевой архитектуры Windows (защита и анализ сетевого трафика, средства защиты информации на пользовательском уровне и уровне ядра).
22	Анализ сетевой архитектуры Windows (реализация защиты на уровне системных DLL-библиотек, защита на уровне сетевых сервисов).
23	Поддержка сетей в Windows Vista (эталонная модель OSI, реализация защиты на уровне API).
24	Внутреннее устройство ядра Windows Vista (на основе сравнения с архитектурой Windows NT).
25	Внутреннее устройство ядра Windows Vista (новые службы и компоненты, безопасность, надежность и производительность).
26	Библиотеки динамической компоновки DLL (основные типы библиотек DLL, применение библиотек в архитектуре Windows).
27	Организация системы прерываний (характеристика системы прерываний, аппаратные и программные прерывания).
28	Файловые системы Windows 2000.
29	Windows 2000, Windows Vista – диспетчер кэша.
30	Windows Vista – подсистема ввода – вывода.

^ 5 ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ»

5.1 Перечень вопросов для подготовки к экзамену

ОС – как расширенная (виртуальная) машина.
ОС – как менеджер ресурсов.
Что такое СПО (определение)? Место СПО в обеспечении функционирования вычислительной системы.
Расположение СПО в общей структуре ЭВМ. Классификация и структура СПО – основные термины.
Режим ядра и пользовательский режим.
Интерфейс операционной системы: основные принципы и стандарты. Системные вызовы.
Стандарт и функции Win32 API.
Проблема локализации, стандарты ANSI и UNICODE. Стратегии UNICODE.
Сравните системные потоки режима ядра и потоки пользовательского режима.
Объекты ядра: что такое объект ядра, учет пользователей, защита объектов.
Объекты ядра: что такое объект ядра, таблица описателей объектов. Создание и закрытие объектов ядра.
Совместное использование объектов ядра несколькими процессами. Наследование описателя объекта.
Совместное использование объектов ядра несколькими процессами. Именованные объекты.
Ядро различает прерывания и исключения. В чем заключается их сходство и различие?
Обработка аппаратных прерываний: IRQ, IDT?
Совместное использование объектов ядра несколькими процессами. Дублирование описателей объектов.
Состояние состязания. Критические области.
Взаимное исключение с активным ожиданием: запрещение прерываний, строгое чередование.
Проблемы синхронизации в Windows: Interlocked-функции и критические секции.
Синхронизация при помощи объектов ядра: события и ожидаемые таймеры.
Синхронизация при помощи объектов ядра: мьютексы и семафоры.
Проблемы синхронизации в Windows: Waitable-функции.
Межпроцессное взаимодействие: проблема производителя и потребителя.
Межпроцессное взаимодействие: проблема обедающих философов.
Межпроцессное взаимодействие: проблема читателей и писателей.
Межпроцессное взаимодействие: проблема спящего брадобрея.
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: общий обзор.
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: сообщения WM_COPYDATA и память общего доступа (DLL и файловые проекции).
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: анонимные каналы. Переопределение стандартных потоков ввода/вывода при помощи анонимных каналов.
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: именованные каналы.
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: почтовые слоты, сокеты.
Межпроцессное взаимодействие в Windows 2000: RPC, MSMQ.
Устройства ввода-вывода, их классификация. Контроллеры устройств ввода-вывода.
Отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод: использование портов ввода-вывода.
Отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод: отображение управляющих регистров в память.
Прямой доступ к памяти (DMA).
Задачи программного обеспечения ввода-вывода.
Программный ввод-вывод.
Управляемый прерываниями ввод-вывод, ввод-вывод с использованием DMA.
Файловые системы. Файлы, их именование и структура.
Типы файлов, доступ к файлам, файловые атрибуты.
Файлы, отображаемые на адресное пространство памяти.
Каталоги, одноуровневые, двухуровневые и иерархические системы каталогов.
Имя пути к каталогу. Операции с каталогами.
Драйверы Windows, классификация драйверов.
WDM. Требования к WDM-драйверам. Основные процедуры, входящие в состав драйвера.
Стеки драйверов.
Доступ к файлам в среде LabVIEW.
Каким образом обеспечивается доступ к портам персонального компьютера в среде LabVIEW?
Каким образом обеспечивается диспетчеризация потоков под управлением среды программирования LabVIEW?

^ 6 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

6.1 Литература обязательная

1. Таненбаум Э. Современные операционные системы, 2-е изд.: Пер. с англ. – СПб: Питер, 2003. – 1040 с.: ил.

2. Гордеев А. В., Молчанов А. Ю. Системное программное обеспечение: Учебник для вузов – СПб: Питер, 2003. – 736 с.: ил.

3. Вильямс А. Системное программирование в Windows 2000 для профессионалов – СПб: Питер, 2003. – 624 с.: ил.

4. Джонсон М. Системное программирование в среде Win32, 2-е изд.: Пер. с англ. – M.: Издательский дом “Вильямс”, 2001. – 464 с.: ил.

5. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows, 4-е изд.: Пер, англ – СПб: Питер; М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001. - 752 с.; ил.

6. Документация Win32 API (MSDN).

7. Документация по разработке драйверов в MS Windows (DDK).

8. А. Я. Суранов, LabVIEW 8.20., Справочник по функциям, М: «ДМК Пресс», 2007.

9. Дж. Трэвис, Дж. Кринг, LabVIEW для всех, М: «ДМК Пресс», 2008.

10. Питер Блюм, LabVIEW. Стиль программирования, М: «ДМК Пресс», 2008.

^ 6.2.2 Литература дополнительная (Электронная)

Справочник по WinAPI. Режим доступа: http://www.cracklab.ru/pro/api.php, вход свободный.
Programming the Microsoft Windows Driver Model/Walter Oney - Режим доступа: ftp://ftp.vt.tpu.ru/study/Katsman/public/SPO/BOOKS, вход свободный.
Джеффри Рихтер. WINDOWS, Создание эффективных WIN32-приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows. - Режим доступа: ftp://ftp.vt.tpu.ru/study/Katsman/public/SPO/BOOKS, вход свободный.
Таненбаум Э. Современные операционные системы, 2-е изд.:
Пер. с англ. – СПб: Питер, 2003. – 1040 с.: ил. Режим доступа: ftp://ftp.vt.tpu.ru/study/Katsman/public/SPO/BOOKS, вход свободный.
Русинович М. и Соломон Д. Внутреннее устройство Microsoft Windows: Windows Server 2003, Windows XP, Windows 2000. Мастер-класс./ Пер. с англ. – 4-е изд. – М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция»; СПб.: Питер; 2005. – 992 стр. ил. Режим доступа: ftp://ftp.vt.tpu.ru/study/Katsman/public/SPO/BOOKS, вход свободный.

6.3 Перечень используемых информационных продуктов

Среда графического программирования LabVIEW 8.

Учебное издание

^ СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Рабочая программа, методические указания и контрольные задания

Составители	КАЦМАН Юлий Янович СТОЛЯРОВ Андрей Геннадиевич
Рецензент доктор технических наук, профессор кафедры ВТ АВТФ	В.Г. Спицын

Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать Xerox. Усл. печ. л. 0,7. Уч.-изд. л. 0,63. Заказ . Тираж экз.
	Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.