作業系統

臺北科技大學 115-1 學期課程，課號 366596。

課程大綱

本課程以 Windows 11 原機作為主要實作平台，使用 Rust 程式語言帶領學生理解作業系統的核心概念與實務運作方式。課程內容涵蓋 Windows 11 系統架構、user mode 與 kernel mode、process、thread、CPU scheduling、memory management、virtual memory、file system、disk management、registry、Windows service、event log、network stack、security、UAC、Device Manager、Plug and Play 與 driver model 等主題。 不同於傳統以理論講授為主的作業系統課程，本課程強調「以系統工具實作理解作業系統」。學生將使用 Rust 撰寫 Windows 系統監控與管理工具，例如 process viewer、memory monitor、disk information tool、network communication tool、event log tool、service monitor、device information viewer 或 GUI dashboard。透過這些實作，學生能觀察 Windows 如何管理行程、執行緒、記憶體、檔案、磁碟、服務、網路、權限與裝置，並理解應用程式如何透過 Windows API 與作業系統互動。 本課程期中作品要求學生完成 Rust Windows System Monitor CLI，期末作品則要求學生完成 Rust Windows OS Utility，整合至少三項 Windows 作業系統機制，並能說明作品背後對應的作業系統原理。課程最後兩週配合學校自主學習安排，不安排新進度，學生可延伸、修正與補強期末作品。

課程進度

第1週：課程導入：Windows 11 作業系統架構與課程定位。說明本課程以 Windows 11 原機作為主要實作平台，使用 Rust 撰寫系統工具，從實作理解作業系統如何管理行程、執行緒、記憶體、檔案、磁碟、服務、網路、權限與裝置。介紹 user mode、kernel mode、Windows API、system call、Windows kernel architecture 與本課程期中、期末作品要求。 第2週：Windows 系統觀察工具與作業系統基本資源。介紹 Task Manager、Resource Monitor、Event Viewer、Device Manager、Services、Performance Monitor 與 Sysinternals 工具。實作內容為觀察 Windows process、thread、memory、disk、network、service 與 device 狀態，建立學生對 Windows 系統內部運作的初步觀察能力。 第3週：Process、Thread 與 Scheduler。介紹 process、PID、thread、handle、context switch、priority、scheduler、foreground/background process 與 multitasking 概念。實作內容為使用 Rust 撰寫 process viewer，列出目前執行中的 process，顯示 PID、process name、thread count 與基本狀態。 第4週：CPU Scheduling 與多執行緒程式設計。介紹 CPU scheduling、time slice、concurrency、parallelism、race condition、mutex 與同步概念。實作內容為使用 Rust 建立多執行緒工作負載，觀察 CPU 使用率、thread 數量與系統反應變化，理解 OS 如何分配 CPU 資源。 第5週：Windows 記憶體管理。介紹 virtual memory、physical memory、working set、private bytes、commit charge、page file、heap、stack 與 process address space。實作內容為撰寫 Rust memory monitor，顯示系統記憶體與指定 process 的記憶體使用狀態。 第6週：檔案系統、磁碟與 NTFS。介紹 file system、path、metadata、permission、ACL、file handle、file cache、disk volume、partition 與 NTFS 基本概念。實作內容為撰寫檔案掃描器與磁碟空間查詢工具，顯示檔案資訊、磁碟容量、可用空間與使用比例。 第7週：Windows API、Handle、User Mode / Kernel Mode 邊界與期中作品規格說明。介紹 Windows API、handle table、system call boundary、user mode 與 kernel mode 的分工。實作內容為使用 Rust 呼叫 Windows API 取得系統資訊。課堂後段說明期中作品規格、繳交格式與評分標準。 第8週：期中作品製作週。本週不安排正式授課，保留時間讓學生完成期中作品。學生需完成一個 Rust Windows System Monitor CLI，功能至少包含 process list、memory usage、disk information 與 basic system information，並準備簡短作品說明。 第9週：期中作品繳交、展示與評分。學生於當週課堂繳交期中作品，由教師現場檢查程式執行結果、原始碼、功能完成度與系統概念說明。學生需能說明作品如何對應 process、thread、memory、file system、disk management 與 Windows API 等作業系統概念。 第10週：Registry、系統設定與權限管理。介紹 Windows Registry、key/value、系統設定、應用程式設定、系統組態與存取權限。實作內容為使用 Rust 讀取指定 registry key，並觀察不同權限下可存取的系統設定範圍，理解 registry 在 Windows OS 中的角色。 第11週：Windows Service 與 Service Control Manager。介紹 service、daemon、background process、Service Control Manager、啟動類型、service lifecycle、service permission 與 background monitoring 概念。實作內容為建立簡易 Rust background service 或 service simulator，理解 Windows 服務如何由作業系統管理。 第12週：Event Log 與系統診斷。介紹 Event Viewer、event log、log level、system log、application log、security log、故障診斷與維運觀念。實作內容為撰寫 log 工具，記錄程式執行狀態與錯誤訊息，並觀察 Windows 事件紀錄與系統診斷流程。 第13週：Network Stack 與 Socket Programming。介紹 TCP、UDP、IP、port、socket、client/server、connection state、firewall 與 Windows network stack。實作內容為使用 Rust 撰寫 TCP client/server 或 UDP broadcast 工具，理解應用程式如何透過作業系統進行網路通訊。 第14週：Device Manager、PnP、Driver Model、Security 與 UAC。介紹 Device Manager、Plug and Play、driver stack、kernel driver、user-mode driver、HID、USB serial、device abstraction、administrator privilege、ACL、UAC、process token 與基本安全模型。實作內容為觀察裝置與驅動程式資訊，並建立簡易 user-mode device interaction demo 或 device information viewer。 第15週：期末作品製作週。本週不安排正式授課，保留時間讓學生完成期末作品。學生需完成一個 Rust Windows OS Utility，可選擇 system monitor、memory monitor、service monitor、network tool、event log tool、device information viewer、GUI dashboard、input helper 或 user-mode device simula

評量方式

期中繳交企劃即可 50%，期末則必須有完整的作品展示或錄影、詳細設計內容 50%

教材

【遵守智慧財產權觀念，請使用正版教科書，不得使用非法影印教科書】 使用外文原文書：否 第一次上課由我提供自製講義