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标题: 《13015 计算机系统原理》第6章 程序中I/O操作的实现 [打印本页]
作者: chinasll 时间: 7 天前
标题: 《13015 计算机系统原理》第6章 程序中I/O操作的实现
教案设计:《13015 计算机系统原理》第6章 程序中I/O操作的实现一、教学目标- 知识目标:
- 学生能够理解I/O子系统的组成和层次结构,包括用户空间I/O软件、内核空间I/O软件、设备驱动程序及中断服务程序等。
- 学生能够掌握I/O操作的实现机制,包括从高级语言I/O函数到设备响应的完整流程。
- 学生能够了解I/O硬件与软件的接口,包括I/O设备和系统互连、I/O端口及其编址方式、I/O模块中的中断系统等。
- 能力目标:
- 学生能够运用所学知识分析I/O操作的实现过程,解决实际编程中遇到的I/O问题。
- 学生能够编写简单的I/O操作程序,理解并应用系统调用和API函数。
- 学生能够使用调试工具观察I/O操作的执行过程,记录并分析关键信息。
- 培养学生的逻辑思维能力和问题解决能力,特别是在处理复杂I/O操作时。
- 增强学生的实践动手能力和团队协作能力,通过小组合作完成I/O操作实验。
- 激发学生对计算机系统原理的兴趣和探究精神,特别是对底层I/O机制的好奇心。
二、教学内容1. I/O子系统的组成和层次结构- 介绍I/O子系统的基本概念和组成,包括用户空间I/O软件、内核空间I/O软件、设备驱动程序及中断服务程序等。
- 分析I/O子系统的层次结构,从用户层I/O软件到中断服务程序的逐步深入。
2. 用户空间I/O软件- 阐述用户空间I/O软件的作用和功能,包括高级语言中的I/O库函数(如C语言中的printf、scanf等)和API函数(如Windows中的CreateFile、ReadFile等)。
- 分析用户程序中I/O操作的实现过程,包括I/O请求的提出、系统调用的触发及I/O请求指令序列的生成。
3. 内核空间I/O软件- 介绍内核空间I/O软件的作用和组成,包括与设备无关的操作系统I/O软件和设备驱动程序。
- 分析设备驱动程序的工作原理,包括设备初始化、数据传输、错误处理等。
- 讨论中断服务程序的作用和执行流程,包括中断的触发、中断处理程序的执行及中断返回等。
4. I/O硬件与软件的接口- 介绍I/O设备和系统互连的基本概念,包括I/O端口及其编址方式。
- 分析I/O模块中的中断系统,包括中断的优先级、中断向量表及中断服务例程的注册和调用。
- 讨论I/O操作的同步与异步机制,以及它们对程序执行效率的影响。
三、教学方法- 讲授法:通过教师讲解和演示,使学生掌握I/O子系统的基本概念、组成和层次结构。
- 讨论法:组织学生进行小组讨论,探讨I/O操作的实现机制和实际应用中的问题。
- 实验法:安排学生进行实践操作,编写I/O操作程序,并使用调试工具观察其执行过程。
- 案例教学法:选取典型的I/O操作案例进行分析和讨论,帮助学生将理论知识应用于实际问题的解决中。
四、教学步骤1. 导入新课(5分钟)- 通过一个实际的I/O操作场景(如文件读写、网络数据传输等)引出本章的学习内容。
- 简要介绍本章的学习目标和重点难点,激发学生的学习兴趣和探究欲望。
2. 讲授新知(40分钟)
- 介绍I/O子系统的基本概念和组成。
- 分析I/O子系统的层次结构,从用户层到中断服务程序的逐步深入。
- 阐述用户空间I/O软件的作用和功能。
- 分析用户程序中I/O操作的实现过程。
- 介绍内核空间I/O软件的组成和作用。
- 分析设备驱动程序的工作原理和中断服务程序的执行流程。
- 介绍I/O设备和系统互连的基本概念。
- 分析I/O模块中的中断系统及其工作机制。
- 讨论I/O操作的同步与异步机制。
3.实践操作(30分钟)- 分组实验:将学生分为若干小组,每组分配一台计算机或虚拟机环境,并安装必要的编程和调试工具。
- 实验任务:
- 编写I/O操作程序:要求学生编写一个简单的程序,实现文件的打开、读取、写入和关闭操作。程序应使用系统调用或API函数,并考虑错误处理。
- 使用调试工具:指导学生使用调试工具(如GDB、Visual Studio的调试器等)来观察和分析I/O操作的执行过程。特别关注系统调用的触发、中断的发生和响应、以及设备驱动程序的执行细节。
- 记录与分析:要求学生记录实验过程中的关键信息,包括系统调用的返回值、中断号、设备驱动程序的执行流程等,并进行分析和讨论。
4. 讨论与总结(20分钟)- 小组讨论:各小组分享实验成果和遇到的问题,讨论解决方案和改进方法。
- 全班总结:教师总结本章的学习内容和实验情况,强调重点难点和易错点。同时,鼓励学生提出自己的见解和疑问,进行全班范围内的讨论和交流。
- 答疑解惑:针对学生在学习和实验过程中遇到的问题进行解答和释疑,确保学生掌握所学知识。
5. 布置作业(5分钟)- 书面作业:要求学生撰写实验报告,包括实验目的、实验步骤、实验结果和实验分析等内容。同时,布置几道思考题,如“分析不同I/O操作模式(同步/异步)对程序性能的影响”、“探讨I/O设备驱动程序的优化策略”等,要求学生结合所学知识进行回答。
- 预习任务:布置下节课的预习任务,要求学生提前阅读相关章节,了解DMA(直接内存访问)技术、I/O通道和RAID(独立磁盘冗余阵列)等高级I/O技术的基本概念和工作原理。
五、教学评估1. 课堂表现评估- 观察学生在课堂上的参与度,包括听讲、提问、讨论和实验操作的积极性。
- 通过课堂小测验或即时问答,检查学生对知识点的掌握情况。
2. 实验操作评估- 检查学生提交的实验报告和程序代码,评估其实验操作的规范性和准确性。
- 通过实验过程中的观察和记录,评价学生的实践动手能力和问题解决能力。
3. 书面作业评估- 批改学生提交的实验报告和思考题答案,评估其对I/O操作实现机制的理解和掌握程度。
- 关注学生在作业中展现的独立思考和创新能力,给予适当的鼓励和引导。
4. 自我评价与同伴评价- 鼓励学生进行自我评价,反思自己在学习和实验过程中的优点和不足。
- 组织学生进行同伴评价,通过互评促进相互学习和交流,提高评价的客观性和全面性。
通过以上教学评估环节,教师可以全面了解学生的学习情况,及时调整教学策略和方法,确保教学质量和效果。同时,学生也能够通过评估反馈了解自己的学习成果和不足之处,有针对性地进行改进和提高。
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