《13015 计算机系统原理》第6章 程序中I/O操作的实现

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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。
  

• 素质目标：
  

• 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）

• I/O子系统的组成和层次结构（10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。
  

• 用户空间I/O软件（10分钟）：
  

• 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。
  

• 内核空间I/O软件（10分钟）：
  

• 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。
  

• I/O硬件与软件的接口（10分钟）：
  

• 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。