《操作系統(tǒng)》的實踐教學(xué)研究

1、?操作系統(tǒng)?的理論教學(xué)研究?操作系統(tǒng)?的理論教學(xué)研究1概述?操作系統(tǒng)?課程是計算機及相關(guān)專業(yè)的核心根底課，該課程不僅要求學(xué)生較好地掌握理論根底，而且要求培養(yǎng)學(xué)生良好的課程理論才能。由于該課程的內(nèi)容比擬抽象、深奧，并且課程實驗難做，實驗效果不明顯，所以，該課程的理論環(huán)節(jié)在很多學(xué)校成為擺設(shè)，有的學(xué)校干脆去掉理論環(huán)節(jié)。然而，理論教學(xué)又是本門課的重要組成局部，理論教學(xué)對于學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)的根本原理和方法，為今后從事系統(tǒng)程序設(shè)計，并發(fā)程序設(shè)計，多用戶環(huán)境應(yīng)用程序設(shè)計打下堅實的基矗所以，本門課不但必須包含理論內(nèi)容，本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理而且還應(yīng)該加強，使之能更好地輔助課堂教學(xué)。12?操作系統(tǒng)

2、?理論環(huán)節(jié)的運作情況當前，國內(nèi)各高校因為自身師資力量、實驗條件、學(xué)生程序編寫才能的不同，對?操作系統(tǒng)?理論環(huán)節(jié)的處理方式不盡一樣，有的要求學(xué)生實現(xiàn)一個比擬完好的小型操作系統(tǒng)，該小型操作系統(tǒng)包含了一般操作系統(tǒng)的主要功能；有的要求師生共同剖析一個開源的操作系統(tǒng)，并試著更換一些功能模塊，以體驗這些模塊的地位和作用；有的要求學(xué)生實現(xiàn)?操作系統(tǒng)?中的一些經(jīng)典算法，如消費者-消費者問題、銀行家算法等，以深化理解?操作系統(tǒng)?的原理。另外，各高校在人才培養(yǎng)方案中，?操作系統(tǒng)?實驗教學(xué)學(xué)時一般占課程總學(xué)時的1/3至1/2，理論課時的多少，取決于高校對該門課的重視程度，以及實際的教學(xué)效果。2經(jīng)過對各高校?操作系統(tǒng)

3、?理論教學(xué)的調(diào)查，?操作系統(tǒng)?理論局部的開設(shè)形式主要有以下四種：2.1驗證操作系統(tǒng)局部功能的實驗這種實驗方式最簡單，主要思路是，以某個實際的商業(yè)操作系統(tǒng)為實驗環(huán)境，學(xué)生可以嘗試執(zhí)行操作系統(tǒng)提供的某些功能，才能更強的學(xué)生還可利用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)編寫、運行程序，以改良功能。通過這兩種方式，學(xué)生可體驗操作系統(tǒng)原理在實際商用操作系統(tǒng)中是如何工作的。這種方式的特點是，學(xué)生不必編寫操作系統(tǒng)功能實現(xiàn)的代碼，對完全理解操作系統(tǒng)的內(nèi)涵意義不大。2.2模擬經(jīng)典算法的實驗這是比擬常見的一種實驗方式。其執(zhí)行過程是，由老師選取操作系統(tǒng)中的一些經(jīng)典算法，如讀者-寫者問題，電梯算法，讓學(xué)生使用其熟悉的編程語言如：

4、語言、+語言來實現(xiàn)算法。該方式與程序設(shè)計課程的上機環(huán)節(jié)相似，這有助于學(xué)生理解?操作系統(tǒng)?的理論和技術(shù)，但是，這種方式由于缺乏訓(xùn)練學(xué)生對操作系統(tǒng)完全性的把握，達不到培養(yǎng)學(xué)生完好掌握操作系統(tǒng)的目的。2.3交換實際操作系統(tǒng)的主要模塊這種方式對學(xué)生的編程才能要求較高。其執(zhí)行過程是，以開源的操作系統(tǒng)為平臺，要求學(xué)生選取其中的主要功能模塊，并對其進展交換及擴展。然而，開源的操作系統(tǒng)一般比擬龐大，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，對師生的要求很高，一般高校施行的效果不好，最終只有小局部學(xué)生到達實驗?zāi)康?，學(xué)生的受益面不大。32.4設(shè)計一個操作系統(tǒng)雛形這種方式的執(zhí)行過程是，教學(xué)中可選取一個包含簡單內(nèi)核的教學(xué)操作系統(tǒng)，讓學(xué)生逐步改良

5、、擴展其功能；或者干脆讓學(xué)生設(shè)計一個全新的操作系統(tǒng)雛形，該雛形包含操作系統(tǒng)的根本內(nèi)核功能，如處理機管理、進程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理功能。該方式與課程實驗教學(xué)目的一致，理論上比擬理想，但在實際的執(zhí)行過程中，由于操作系統(tǒng)是一個大型的系統(tǒng)軟件，其設(shè)計、構(gòu)造相當復(fù)雜，因此這種方式施行起來難度很大。3在教學(xué)操作系統(tǒng)GeekS上完成實驗教學(xué)由于一般的商業(yè)操作系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，構(gòu)造龐大，學(xué)生規(guī)定課時內(nèi)很難全面掌握，同時，這些操作系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，差不多實現(xiàn)了全部功能，學(xué)生沒有多少新的工作可做。所以，設(shè)計一個基于教學(xué)操作系統(tǒng)的理論教學(xué)平臺顯得尤為迫切和必要。3.1教學(xué)操作系統(tǒng)的分類教學(xué)操作系統(tǒng)有兩大類

6、：一類是針對RIS構(gòu)造IPS處理器的，例：Nahs；另一類是針對IS構(gòu)造的X86通用途理器的，例：inix、GeekS。3.2GeekS操作系統(tǒng)概述最通用的處理器是IS構(gòu)造的X86通用途理器。它是一個用語言開發(fā)的操作系統(tǒng)，學(xué)生可以在Linux或UNIX環(huán)境下對其進展功能擴大，也可以在inds下使用ygin工具進展開發(fā)，且其針對進程、文件系統(tǒng)、存儲管理等操作系統(tǒng)核心內(nèi)容分別設(shè)計了7個難度逐漸增加的工程供選擇。3.3GeekS的工程設(shè)計GeekS操作系統(tǒng)源文件geeks-0.3.0.zip可以從網(wǎng)上免費下載。GeekS系統(tǒng)的源文件在sr目錄下，分7個工程：prjet0prjet6。3.3.1工程的

7、構(gòu)造每個工程的文件構(gòu)造都類似，以prjet0為例，主要有四個子文件夾：1build文件夾。包含系統(tǒng)編譯后的可執(zhí)行文件的文件，軟盤鏡像fd.igprjet1等工程中還包含有磁盤鏡像disk.ig，akefile工程管理文件。2Inlude文件夾。包含兩個子目錄，分別是geeks和lib，在geeks子目錄中有kthread.h，keybard.h等頭文件，在lib中包含有GeekS支持的語言標準字符串函數(shù)頭文件string.h。3sripts文件夾。包含工程編譯時用到的一些腳本文件。4sr文件夾。包含系統(tǒng)內(nèi)核源代碼，用戶修改GeekS系統(tǒng)時要修改的源代碼如ain.等都位于這個目錄中，在User子

8、文件夾中一般是用來存放用戶的測試文件，在tls子目錄中的代碼是用來建立pfat測試文件系統(tǒng)的。3.3.2七個工程的功能prjet0：在該工程中，要求學(xué)生實現(xiàn)一個內(nèi)核級的I/進程，該進程能從鍵盤接收一個按鈕，并顯示在顯示屏上。該工程的目的是讓學(xué)生了理解GeekS的編譯、鏈接和運行，明白計算機系統(tǒng)是如何啟動的。prjet1：在該工程中，要求學(xué)生熟悉可執(zhí)行鏈接文件ELF的格式，并通過編程程序來分析該文件，同時將分析結(jié)果送到加載器。該工程的目的是讓學(xué)生理解ELF文件的構(gòu)造，使學(xué)生掌握如何加載和運行可執(zhí)行文件。在提供的GeekS內(nèi)核系統(tǒng)的根底上，為學(xué)生設(shè)計了7個由易到難的設(shè)計工程用于GeekS的改良。這

9、些工程分別涵蓋了操作系統(tǒng)內(nèi)核的各個根本模塊：系統(tǒng)啟動，進程管理，存儲管理，文件系統(tǒng)，訪問控制以及進程間通信。7個工程都規(guī)定了改良的目的，并提供了一些設(shè)計指導(dǎo)性的意見，但沒有提供源代碼，所以學(xué)生首先必須熟悉GeekS的根本工作原理，才能開展各個工程的設(shè)計與實現(xiàn)。prjet2：在該工程中，要求學(xué)生編程來支持用戶態(tài)進程，這種支持包括初始化用戶態(tài)進程空間、初始化用戶進程空間、切換用戶進程、導(dǎo)入用戶程序。該工程中，計算機存儲分配方式還是采用段式分配。該工程實現(xiàn)后，學(xué)生就可以使用GeekS提供的命令行解釋器Shell運行一些命令來執(zhí)行PFAT文件系統(tǒng)內(nèi)的用戶測試程序。prjet3：在該工程中，要求學(xué)生改良

10、GeekS的調(diào)度程序，實現(xiàn)基于4級反應(yīng)隊列的調(diào)度算法初始GeekS系統(tǒng)僅提供了FIF進程調(diào)度算法，并實現(xiàn)信號量，支持進程間通信。prjet4：在該工程中，要求學(xué)生編程實現(xiàn)分頁虛擬存儲管理，以替代前述工程中一直采用的段式存儲管理。學(xué)生實現(xiàn)分頁式虛存管理以后，系統(tǒng)在內(nèi)存缺乏時，就可以將局部內(nèi)存頁面調(diào)出送到硬盤，以緩解內(nèi)容壓力，實現(xiàn)虛擬存儲技術(shù)。prjet5：在該工程中，要求學(xué)生實現(xiàn)GSFS文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)采用虛擬文件系統(tǒng)，可加載不同的文件系統(tǒng)，PFAT只讀文件系統(tǒng)是默認加載的文件系統(tǒng)。該工程的目的是要實現(xiàn)一個多級目錄的、可讀寫的文件系統(tǒng)。prjet6：在該工程中，要求在文件系統(tǒng)中新增一個訪問控

11、制列表，并使用匿名半雙工管道實現(xiàn)進程間通信。以上7個工程，后幾個工程實現(xiàn)難度比擬大，所以在實際的教學(xué)中，可根據(jù)情況，要求學(xué)生必須實現(xiàn)prjet0，prjet1，prjet2，而prjet3至prjet3，對才能強的學(xué)生可以自行完成。4?操作系統(tǒng)?理論環(huán)節(jié)的考核?操作系統(tǒng)?理論環(huán)節(jié)的考核非常重要，好的考核將鼓勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，到達實驗效果，方法如下：1老師制定實驗報告格式和要求，老師對學(xué)生完成的實驗報告的作檢查和評價；2對設(shè)計性實驗，要求學(xué)生答復(fù)并作出評價，答復(fù)的問題主要有：闡述解決該問題的算法思想、所使用的數(shù)據(jù)構(gòu)造是如何設(shè)計的、使用的測試用例是如何選取和設(shè)計的、算法性能怎么樣。3對一些學(xué)生能實現(xiàn)的