摘要：著眼嵌入式技術的快速發(fā)展，分析嵌入式系統(tǒng)的特點以及嵌入式技術給操作系統(tǒng)課程帶來的新啟示，從操作系統(tǒng)課程的教學目標、教學方法、教學內(nèi)容3個方面探討操作系統(tǒng)課程教學組織方式和方法。
　　關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；計算機科學與技術專業(yè)；操作系統(tǒng)；教學
　　
　　
　　1背景
　　在《高等學校計算機科學與技術專業(yè)核心課程教學實施方案》里，操作系統(tǒng)的課程性質定義為：本課程是計算機科學與技術專業(yè)學生必須學習和掌握的一門理論性和實踐性并重的核心主干課程和專業(yè)基礎課程[1]273。
　　在嵌入式系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)有一個被普遍接受的定義：嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[2]1。在經(jīng)濟發(fā)達國家，每個家庭平均擁有255個嵌入式系統(tǒng)，如每輛汽車平均裝有35個嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應用廣泛進入到工業(yè)、軍事、宇宙、通信、運輸、金融、醫(yī)療、氣象、農(nóng)業(yè)等眾多領域[2]1。在上海雙實科技公司及中國計算機學會微機專業(yè)委員會等單位聯(lián)合舉辦的首屆上?！皩崟r實用嵌入式技術論壇”上，中國工程院院士許居衍表示，嵌入式技術是中國廠商從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉變的最佳契機。嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，使得嵌入式人才十分匱乏。2009年，信息產(chǎn)業(yè)部國家信息技術緊缺人才培養(yǎng)工程(NITE)嵌入式方向培訓認證項目在京全面啟動。
　　嵌入式技術與應用領域關系密切，不能獨立成為一個本科專業(yè)[3]，從事嵌入式工程相關的人才必然有一大部分來自于計算機科學與技術專業(yè)；再者，嵌入
　　
　　式系統(tǒng)與操作系統(tǒng)緊密聯(lián)系，勢必要求我們思考計算機科學與技術專業(yè)的操作系統(tǒng)課程教學方法，以便更好地培養(yǎng)適應社會需要的人才。
　　為了避免歧義，我們先作說明。這里分析嵌入式技術與操作系統(tǒng)課程的關系，不只是因為操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)相關課程的先修課，更是因為嵌入式技術是正在興起的產(chǎn)業(yè)；同時，與操作系統(tǒng)的其他后續(xù)課程(如數(shù)據(jù)庫原理、計算機網(wǎng)絡)相比，嵌入式系統(tǒng)最大的特殊性體現(xiàn)在它本身就是一個特殊的計算機系統(tǒng)，是學生用來理解通用計算機系統(tǒng)的一個視角。
　　2嵌入式技術帶來的啟示
　　嵌入式系統(tǒng)是一類特殊的計算機系統(tǒng)[2]1。計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中操作系統(tǒng)是最重要的軟件。分析嵌入式系統(tǒng)和嵌入式開發(fā)過程的特點有助于我們更好地思考操作系統(tǒng)課程教學。
　　2.1嵌入式系統(tǒng)
　　嵌入式系統(tǒng)通常具有功耗低、體積小、集成度高等特點，對軟件代碼尤其要求高質量、高可靠性。嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有普通操作系統(tǒng)的一般功能，同時，它還在系統(tǒng)實時性、硬件依賴性、軟件固化性以及應用專用性等方面，具有更加鮮明的特點[2]2。
　　在計算機系統(tǒng)上配置操作系統(tǒng)的主要目標，與計算機系統(tǒng)的規(guī)模有關[4]。因此，在操作系統(tǒng)教學組織
　　
　　上，針對大、中型計算機系統(tǒng)和微機系統(tǒng)分析操作系統(tǒng)的目標和作用時，也有必要針對嵌入式系統(tǒng)的特點分析操作系統(tǒng)的目標和作用。
　　2.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程
　　由嵌入式系統(tǒng)本身的性質所影響，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程與通用系統(tǒng)的開發(fā)有很大的區(qū)別。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要分為系統(tǒng)總體開發(fā)、嵌入式硬件開發(fā)和嵌入式軟件開發(fā)3大部分。在系統(tǒng)總體開發(fā)中，開發(fā)環(huán)境的選擇對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)有很大的影響。這里的開發(fā)環(huán)境包括嵌入式操作系統(tǒng)的選擇以及開發(fā)工具的選擇等[5]13-14。
　　隨著嵌入式相關概念為大家所接受，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程特點的分析，給了我們思考操作系統(tǒng)的新角度。比如，嵌入式工程師會根據(jù)開發(fā)成本或進度限制而選擇不同的操作系統(tǒng)，也會因為開發(fā)工具方便使用而選擇某個操作系統(tǒng)。因此，教學過程中，不同操作系統(tǒng)之間的對比多了一些評價標準。
　　2.3嵌入式系統(tǒng)相關課程的教學實踐
　　我院目前開設了嵌入式Linux和嵌入式系統(tǒng)兩門選修課，操作系統(tǒng)是它們的先修課之一。圍繞操作系統(tǒng)關系密切的問題，接下來從教師的教學難點、學生的選課目的和學習難點3個方面對嵌入式Linux和嵌入式系統(tǒng)教學實踐進行總結分析。
　　開發(fā)環(huán)境的搭建與Linux內(nèi)核的移植是教學中的一個難點。原因是在這個過程中，操作系統(tǒng)既是完成項目的支持工具(在宿主機上的操作系統(tǒng))，也是項目的最終模塊之一(在目標機上的操作系統(tǒng))。
　　選修這些課程的學生具有濃厚的學習興趣，因為他們意識到嵌入式人才緊缺，掌握嵌入式技術將為他們拓寬就業(yè)渠道。操作系統(tǒng)作為嵌入式課程的先修課，應該更多地從培養(yǎng)應用型人才的角度來組織教學。
　　嵌入式應用軟件開發(fā)是學習的一個難點。難度主要來自于：操作系統(tǒng)的實踐教學內(nèi)容與嵌入式課程的實踐教學內(nèi)容跨度太大。
　　3操作系統(tǒng)課程教學探討
　　操作系統(tǒng)課程具有理論與實踐并重、系統(tǒng)與模塊并重、設計與應用并重和內(nèi)容廣泛且知識更新快等特點[1]273。操作系統(tǒng)課程教學方法有多種。常見的有，研究型和啟發(fā)式課堂教學，閱讀與剖析源程序片段，開展課外研究與創(chuàng)新型實驗等。教學實施方案和教學內(nèi)容組織要根據(jù)人才培養(yǎng)目標而制定。計算機專業(yè)規(guī)范提出3種類型：科學型、工程型和應用型。在操作系統(tǒng)領域，對科學型、工程型和應用型3個認知層次有不同要求[1]273-277。當著眼于嵌入式發(fā)展時，對操作系統(tǒng)課程的教學目標、教學方法和教學內(nèi)容有了新的思考。
　　3.1本文探討的出發(fā)點
　　有兩個原因，使我們覺得有必要進行操作系統(tǒng)課程教學反思。
　　首先，立足于嵌入式技術的特點，可以更好地理解操作系統(tǒng)課程的知識點。嵌入式系統(tǒng)種類繁多、形態(tài)各異，嵌入式產(chǎn)品隨處可見。借助于嵌入式產(chǎn)品來講解操作系統(tǒng)抽象的概念，可以更好地開展教學工作。
　　其次，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與通用計算機軟件開發(fā)需要的知識結構不一樣——這里主要針對操作系統(tǒng)課程里的知識點。一般來說，在計算機軟件工程師眼里，操作系統(tǒng)是一個提供一系列系統(tǒng)調(diào)用(或API)的基礎性軟件；然而，在嵌入式工程師看來，操作系統(tǒng)不僅僅有這個特點，它更是一個需要根據(jù)具體硬件平臺和應用需求來進行剪裁的軟件。
　　3.2教學目標
　　操作系統(tǒng)課程是培養(yǎng)學生的計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實踐能力，以及計算機軟硬件系統(tǒng)的認知、分析、設計與應用能力的重要課程[1]274。不同的培養(yǎng)目標，對同一門課程的學習重點不一樣。
　　表1是教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會在操作系統(tǒng)領域，對科學型、工程型和應用型認知層次的不同要求[1]273。嵌入式技術的快速發(fā)展，使得應用型人才顯得十分欠缺；這就要求在教學過程中，得更多地側重應用型人才的培養(yǎng)，并根據(jù)這個目標進行教學實踐。
　　3.3教學方法
　　隨著計算機在眾多領域得到廣泛應用，操作系統(tǒng)也正在以驚人的速度發(fā)展。然而，操作系統(tǒng)的基本概念仍然是比較清晰的。這是本文討論操作系統(tǒng)教學內(nèi)容的基礎。本文的探討不是對操作系統(tǒng)教學內(nèi)容進行大幅度的增加或減少，而是仍然圍繞操作系統(tǒng)的基本概念，根據(jù)教學的需要，對教學內(nèi)容的側重稍作變化。
　　操作系統(tǒng)的基本知識塊一般包括以下幾點：操作系統(tǒng)運行環(huán)境、處理器管理、進程同步與死鎖、存儲器管理、設備管理、文件管理、安全與保護、實例研究。
　　教師在指導學生理清以上知識點，掌握知識點間的內(nèi)在聯(lián)系的同時，可側重講解以下內(nèi)容，讓學生明白：操作系統(tǒng)(比如說處理器管理) 中提到的方法，并不是一成不變的——它有應用前提、它的參數(shù)可變化(增加參數(shù)、或者改變對參數(shù)訪問的權限等)：
　　
　　1) 嵌入式操作系統(tǒng)使用的是任務控制塊(簡稱TCB)，通用操作系統(tǒng)使用的是進程控制塊(簡稱PCB)，TCB對比PCB增加了時間控制參數(shù)。
　　2) 在進程調(diào)度上，嵌入式操作系統(tǒng)一般用的是靜態(tài)調(diào)度表，它的優(yōu)先級可以是固定的，也可以是動態(tài)的，而且原則上用戶不能改變優(yōu)先級。通用操作系統(tǒng)中基于優(yōu)先級的調(diào)度，用戶可以改變優(yōu)先級；除此之外，還有先來先服務、時間片輪轉等多種調(diào)度方式。
　　3) 嵌入式操作系統(tǒng)多數(shù)中斷處理轉化為周期性查詢?nèi)蝿?；?zhí)行次序由統(tǒng)一考慮的優(yōu)先級決定。通用操作系統(tǒng)的中斷處理優(yōu)先于任務執(zhí)行。
　　對操作系統(tǒng) 5 大功能模塊的講解，是操作系統(tǒng)課程的重要內(nèi)容。在理清各功能模塊的關系方面，需要把通用操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)的區(qū)別講解清楚：與通用操作系統(tǒng)對比，嵌入式操作系統(tǒng)中與硬件相關的驅動部分由用戶開發(fā)；嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理、電源管理、網(wǎng)絡等是作為嵌入式操作系統(tǒng)的擴展組件，不是必須的；嵌入式操作系統(tǒng)強調(diào)的是內(nèi)核。
　　由此可見，嵌入式操作系統(tǒng)從另一個視角來理解操作系統(tǒng)的作用和意義。
　　進一步地，在操作系統(tǒng)課程教學上，我們也在嘗試作如下調(diào)整：
　　1) 突出“操作系統(tǒng)運行環(huán)境”內(nèi)容，尤其是中斷、時鐘管理；
　　2) 不僅從“照顧短作業(yè)或長作業(yè)”、“提高系統(tǒng)吞吐率”和“合理的響應時間”角度來考察“進程調(diào)度算法”的優(yōu)劣，也需要從“實時性”角度來考察；
　　3) 將“設備驅動程序編寫”作為“設備管理”的課外作業(yè)；
　　4) “實例研究”適當介紹常見的嵌入式操作系統(tǒng)。
　　在教學上，我們更多地采用Linux作為實例(主要由于Linux是個開源軟件、參考書也多，學生容易自學)，偶爾也與Windows系列作對比。操作系統(tǒng)課程的實驗平臺是Linux(Redflag 6.0)，各個知識點的授課中也適當提到Linux系統(tǒng)中各個功能的實現(xiàn)，鼓勵學生自學相關內(nèi)容。另外，我院的嵌入式實驗室、基于嵌入式開發(fā)平臺的大學生創(chuàng)新型項目也可以為學生的課外學習、實踐提供一定的條件。
　　課堂布置的作業(yè)，有兩種形式，一種是需要學生提交學習報告，另外一種是提交代碼。在這里，以兩個與嵌入式操作系統(tǒng)相關的作業(yè)為例，以便拋磚引玉。
　　了解“嵌入式操作系統(tǒng)定制”，并完成相應的學習報告；針對班級學生的總體情況，如果整體基礎較好可以在授課初布置，否則可以在課程快結束時布置。
　　可移植嵌入式文件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，或者了解嵌入式文件系統(tǒng)的移植過程；針對班級學生能力水平而定，在文件系統(tǒng)這個章節(jié)授課結束后布置。
　　4結語
　　操作系統(tǒng)是計算機科學與技術專業(yè)核心課程，充分重視操作系統(tǒng)課程教學毋庸置疑，但我們也認識
　　
　　到：操作系統(tǒng)的應用領域不斷擴大，操作系統(tǒng)課程在不斷發(fā)展；另外，社會在不斷發(fā)展，人才需求情況也是不斷變化，這對這門課程的教學也提出新的要求。因此，操作系統(tǒng)課程的教學改革需要不斷進行。著眼嵌入式發(fā)展，是對操作系統(tǒng)教學方法進行探索的一個視角。教學是一個實踐的過程，面對的情況，采取的方法也不完全一樣。不妥之處，懇請指正。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業(yè)核心課程教學實施方案[M]. 北京:高等教育