（一）课程导入（5分钟）
1. 问题引导：通过展示计算机运行多个程序的场景，提问学生“计算机如何有条不紊地执行这些程序？不同程序之间如何共享硬件资源？”引发学生思考，引出本节课关于操作系统运行环境的主题。
2. 知识回顾：简单回顾操作系统的基本概念和功能，强调操作系统运行依赖特定的硬件环境，为后续讲解做好铺垫。
（二）知识讲解（30分钟）
1. 计算机系统的层次结构（3分钟）
讲解内容：借助PPT展示计算机系统的层次结构示意图，详细介绍硬件系统、软件系统（包括系统软件、支撑软件和应用软件）、中断机制、I/O技术、时钟等子系统在整个计算机系统中的位置和相互关系。强调操作系统处于软件系统的最下层，直接与硬件系统交互，负责管理和调度硬件资源，为上层软件提供运行环境。
举例说明：以Windows操作系统为例，说明其底层依赖硬件系统提供的计算、存储和I/O能力，上层支持各种办公软件、游戏软件等应用软件的运行。
2. 中央处理器（CPU）（7分钟）
CPU的构成与基本工作方式：展示CPU内部结构示意图，讲解运算器、控制器、寄存器和高速缓存的功能及相互协作关系。以工厂生产线为例，运算器如同生产车间负责数据加工，控制器像车间调度员指挥生产流程，寄存器是原料暂存区，高速缓存则是快速取货区，提高数据获取速度。
处理器中的寄存器：介绍用户可见寄存器（数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器）和控制和状态寄存器（程序计数器PC、指令寄存器IR、程序状态字PSW）的作用。用户可见寄存器可类比为工人在生产过程中使用的工具盒，存放常用数据和地址；控制和状态寄存器则像车间的监控设备和调度指令板，记录和控制生产状态和流程。
指令执行的基本过程：结合PPT动画演示，详细讲解指令执行的取指、译码、执行和写回四个阶段，以及指令周期的概念。以一个简单的加法指令为例，说明指令如何在CPU中一步步执行，强调程序执行就是不断重复指令周期的过程。
五类指令：介绍访问存储器指令、I/O指令、算术逻辑指令、控制转移指令和处理器控制指令的功能和用途。以访问存储器指令为例，说明其如何实现CPU与内存之间的数据传输，就像从仓库（内存）中取原料或存放成品。
特权指令和非特权指令：讲解特权指令和非特权指令的区别，特权指令只能由操作系统使用的原因。以设置系统时钟为例，说明普通用户程序执行特权指令可能导致系统混乱，所以需限制使用。
处理器的状态：深入讲解内核态和用户态的概念、区别和转换方式。内核态如同工厂的管理层，拥有最高权限；用户态则像普通工人，权限受限。用户态到内核态通过中断转换，内核态到用户态通过设置PSW指令实现，以工人遇到问题向管理层汇报（中断）为例说明转换过程。
程序状态字的作用：详细讲解PSW中工作状态代码、条件码和中断屏蔽码的含义和作用。工作状态代码指示当前CPU是内核态还是用户态，条件码反映指令执行结果特征，中断屏蔽码控制是否允许中断，如同车间的工作模式指示灯、生产结果记录板和设备运行开关。
3. 存储系统（7分钟）
存储系统的基本概念：介绍存储系统的作用，以及读写型存储器（RAM）和只读型存储器（ROM、PROM、EPROM）的特点和用途。以计算机的内存和BIOS芯片为例，说明RAM用于存放运行中的程序和数据，ROM用于固化一些重要的系统程序。
存储分块与层次结构：讲解存储分块的概念，以及存储器层次结构（寄存器 - 高速缓存 - 主存储器 - 外存储器）的设计原理。结合超市货物存储模式，寄存器和高速缓存像超市收银台附近的临时货架，存放常用物品，主存储器是普通货架，外存储器是仓库，根据物品使用频率不同存放在不同位置，提高存取效率。
存储访问局部性原理：通过分析程序的循环和函数调用等行为，解释存储访问局部性原理，即程序在一段时间内倾向于访问特定的存储区域。以玩游戏时，游戏程序频繁访问特定的代码和数据区域为例说明。
存储保护：介绍界地址寄存器和存储键两种存储保护技术的原理和实现方式。界地址寄存器如同小区的门禁系统，检查访问地址是否越界；存储键则像房间的钥匙，只有拥有匹配钥匙（存储键号）的程序才能访问相应存储块。
4. 中断机制（8分钟）
中断的定义和作用：结合实际生活中的电话铃声（中断信号）打断正在进行的工作（程序执行）的例子，讲解中断的定义和作用。强调中断可以实现主机和外设并行工作，提高系统效率和实时性。
中断系统的相关概念：介绍中断源、中断请求、中断处理程序、中断断点、中断返回、中断字和中断向量表等概念。以学生上课过程中，老师突然宣布重要消息（中断）为例，老师是中断源，宣布消息是中断请求，处理消息的方式是中断处理程序，学生被打断的学习位置是中断断点，处理完消息后继续学习是中断返回，所有可能的消息集合是中断字，查找处理消息方法的目录是中断向量表。
中断的分类：讲解强迫性中断（程序性中断、I/O中断、控制台中断、硬件故障中断）和自愿性中断（由访管指令引起）的区别，以及异步中断和同步中断的分类方式。以程序运行时出现除零错误（程序性中断）和用户主动请求系统服务（自愿性中断）为例进行区分。
中断系统的组成与工作过程：展示中断系统的硬件中断装置和软件中断处理程序的协作示意图，详细讲解中断请求的接收、中断响应（保存现场、切换到内核态、查询中断向量表获取处理程序入口地址）和中断处理（根据中断类型执行相应操作、恢复现场）的过程。以快递送达（中断请求）为例，快递员（硬件中断装置）接收快递后通知收件人（CPU），收件人保存手头工作（保存现场），查看快递信息（查询中断向量表）并处理快递（执行中断处理程序），处理完后继续原来工作（恢复现场）。
中断优先级、屏蔽和嵌套：讲解中断优先级的概念，以及如何通过中断屏蔽码屏蔽某些中断。以医院急诊为例，病情严重的患者（高优先级中断）优先处理，医生可以根据情况暂时忽略一些非紧急的呼叫（中断屏蔽）。介绍中断嵌套的概念和处理方式，如在处理一个中断过程中，又有更高优先级的中断发生，就会进行中断嵌套，如同医生在处理一个急诊患者时，突然来了一个更危急的患者，医生会先处理更危急的患者。
5. I/O技术（3分钟）
I/O结构的发展：介绍早期计算机系统中I/O结构的缺陷（处理器轮询效率低），引出通道、DMA技术和缓冲技术。以早期人工检查货物库存（处理器轮询I/O设备）效率低下，引出使用机器自动检查（通道、DMA技术）和设置临时存放区（缓冲技术）的改进方式。
通道技术：讲解通道的概念和工作原理，通道如何独立于CPU进行数据I/O传输，实现CPU和外部设备并行工作。以物流配送中心（通道）独立于生产车间（CPU）进行货物运输，提高整体效率为例说明。
DMA技术：介绍DMA技术的概念和工作过程，DMA控制器如何自动控制成块数据在内存和I/O单元之间的传送。以快递分拣机器人（DMA控制器）自动将货物（数据）从仓库（内存）搬运到运输车上（I/O设备）为例讲解。
缓冲技术：讲解缓冲技术的概念、应用场景（处理器与主存、处理器与外部设备、设备与设备之间）和作用（解决部件之间速度不匹配问题）。以高速公路收费站的缓冲区（缓存区）为例，车辆（数据）在缓冲区暂时停留，缓解了不同路段车辆通行速度不一致的问题。
6. 时钟（1分钟）
时钟的作用：介绍时钟在计算机系统中的作用，如防止死循环、实现时间片轮转、控制实时任务、定时唤醒外部事件和记录时间等。以学校的作息时间表（时钟）为例，控制课程的开始和结束（任务调度），防止课程无限延长（避免死循环）。
时钟的分类与工作原理：讲解硬件时钟（基于晶体振荡器产生脉冲）和软件时钟（利用内存单元模拟时钟寄存器）的工作原理。硬件时钟如同机械闹钟，依靠内部的机械装置（晶体振荡器）定时发出信号；软件时钟则像手机上的电子时钟，通过程序计算时间。
7. 系统调用（1分钟）
系统调用的概念：讲解系统调用的概念，系统调用是用户程序调用操作系统提供的子功能，通过特殊机器指令实现，是操作系统提供给编程人员的唯一接口。以用户在手机上使用APP（用户程序）时，APP调用手机系统的拍照功能（系统调用）为例说明。
系统调用的分类：介绍系统调用的分类，如进程控制类、文件操作类、进程通信类、设备管理类和信息维护类。以文件操作类系统调用为例，说明其实现文件的创建、打开、读写和关闭等操作。
系统调用的处理过程：结合PPT演示，讲解系统调用的处理过程，包括用户程序发出系统调用指令、陷入处理机构捕获并处理、寻找相应系统子程序入口、传递参数、执行系统子程序、保存和恢复处理机现场等。以用户程序请求读取文件为例，用户程序发出读取文件的系统调用指令，陷入处理机构根据指令找到对应的文件读取子程序入口，传递文件路径等参数，执行子程序完成读取操作，最后恢复现场继续执行用户程序。
（三）课堂讨论（5分钟）
1. 讨论问题：提出“在多道程序运行环境下，如何利用中断机制和系统调用提高系统的并发性能？”“结合存储保护技术，思考如何保障用户程序数据的安全性？”等问题。
2. 组织讨论：将学生分成小组进行讨论，鼓励学生积极发表观点，引导学生结合所学知识进行分析和讨论。教师在各小组间巡视，参与讨论，适时给予指导和启发。
3. 总结点评：各小组代表发言，分享讨论结果。教师对各小组的讨论情况进行总结和点评，强调重点知识点，纠正错误观点，进一步加深学生对知识的理解。
（四）课堂总结（3分钟）
1. 知识回顾：结合PPT，与学生一起回顾本节课所学的重点知识，包括计算机系统层次结构、CPU的工作原理、存储系统、中断机制、I/O技术、时钟和系统调用等方面的内容。
2. 强调重点：强调本节课的重点和难点，如用户态与内核态的转换、中断处理过程、系统调用的实现等，提醒学生在课后复习时重点关注。
（五）课后作业（2分钟）
1. 书面作业：布置书面作业，要求学生完成PPT中的复习题，通过书面作业巩固本节课所学的知识点，加深对操作系统运行环境相关概念和原理的理解。
2. 实践作业：让学生查阅资料，了解某一特定操作系统（如Linux）中系统调用的具体实现方式，并撰写一篇简短的报告。培养学生自主学习和查阅资料的能力，提高学生对知识的应用和拓展能力。
发表于 2025-3-27 11:31:22
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