摘要：針對(duì)操作系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)上存在效果不明顯、形式難把握的現(xiàn)象，本文在分析了現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，探討了若干個(gè)國(guó)外流行的教學(xué)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，對(duì)廣大教師選擇教學(xué)用操作系統(tǒng)可起到參考作用。
　　關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；操作系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)
　　文章編號(hào)：1672-5913(2010)08-0146-03
　　中圖分類(lèi)號(hào)：G642
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　
　　1　背景
　　
　　操作系統(tǒng)課程教學(xué)中普遍存在教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)的問(wèn)題。該課程的理論性和綜合性比較強(qiáng)，教師在講解基本原理的時(shí)候，往往忽略了實(shí)踐。學(xué)生在學(xué)完課程后，很難自己設(shè)計(jì)一個(gè)小型的操作系統(tǒng)。對(duì)于國(guó)內(nèi)的普通高校，對(duì)實(shí)踐的要求大都還處于模擬相關(guān)算法的層面上。只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行算法仿真，無(wú)法使學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)的整個(gè)工作機(jī)制有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。要提高操作系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，關(guān)鍵是要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的力度。
　　本文首先對(duì)現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了分析，然后重點(diǎn)探討了一些現(xiàn)有的教學(xué)用操作系統(tǒng)，對(duì)廣大教師選擇教學(xué)用操作系統(tǒng)時(shí)起到引薦作用。
　　
　　2　現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式分析
　　
　　國(guó)內(nèi)本科高校由低到高大致可以分為三個(gè)層次：教學(xué)型大學(xué)、教學(xué)研究型大學(xué)和研究型大學(xué)。由于師資力量、硬件環(huán)境以及學(xué)生素質(zhì)的差異，目前操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)主要采取以下4種模式。
　　
　　2，1功能模擬
　　針對(duì)操作系統(tǒng)中一些典型功能或算法，如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存分配、頁(yè)面置換、文件系統(tǒng)、死鎖檢測(cè)、磁盤(pán)調(diào)度等進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)操作界面運(yùn)行程序?qū)δ芗右则?yàn)證。這種模式所涉及的軟硬件資源和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是自建的，并不對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)資源進(jìn)行訪問(wèn)和修改，因此可以擺脫具體操作系統(tǒng)的限制和軟硬件細(xì)節(jié)。獨(dú)立實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的某一模塊，所需學(xué)時(shí)較少，但這并不是設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)。
　　
　　2，2代碼閱讀
　　閱讀并理解具體操作系統(tǒng)的源代碼也是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種重要方法。開(kāi)放的Linux操作系統(tǒng)凝聚了眾多軟件高手的智慧，因此目前主要分析的是Linux源代碼。很多學(xué)校選取的是Linux早期版本，如Linux0.11，因?yàn)槠湓创a量較少，可讀性好，適合學(xué)生在較短學(xué)時(shí)內(nèi)閱讀理解。計(jì)算機(jī)大師Tanenbaum設(shè)計(jì)的Minix也是一個(gè)選擇，閱讀時(shí)參照其編寫(xiě)的經(jīng)典教材《操作系統(tǒng)：設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》。
　　
　　2，3內(nèi)核擴(kuò)展
　　首先選擇一個(gè)內(nèi)核簡(jiǎn)單的教學(xué)用操作系統(tǒng)，如Nachos，它提供了對(duì)時(shí)鐘和鍵盤(pán)中斷、多線(xiàn)程、虛擬存儲(chǔ)等的底層支持，代碼是開(kāi)放的。使用內(nèi)核提供的接口，對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)的相關(guān)模塊進(jìn)行完善和擴(kuò)充，例如shell、用戶(hù)管理、CPU調(diào)度、進(jìn)程同步、虛擬存儲(chǔ)以及文件系統(tǒng)功能。
　　
　　2，4獨(dú)立設(shè)計(jì)
　　構(gòu)造一個(gè)真正的操作系統(tǒng)是理解操作系統(tǒng)的最佳方法，但難度也最大。國(guó)內(nèi)部分一流研究型大學(xué)要求學(xué)生獨(dú)立或合作實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單但功能較完備的小型操作系統(tǒng)。隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，且鑒于Intel指令系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)一個(gè)基于精簡(jiǎn)指令集處理器的嵌入式操作系統(tǒng)是個(gè)不錯(cuò)的方案。這種模式對(duì)學(xué)生個(gè)人能力要求較高。
　　一般教學(xué)型大學(xué)的本科生實(shí)踐教學(xué)大都采用第1、2種模式：教學(xué)研究型大學(xué)以211高校為主，主要采用第2、3種模式；第3、4種模式是研究型大學(xué)的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的主要模式，主要以985高校為主。
　　以地方高校為主的教學(xué)型大學(xué)，是國(guó)內(nèi)本科教育的主要組成部分，承擔(dān)著大眾化教育的使命。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)高校開(kāi)辦計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)的院校達(dá)700多所，本科生的在校生數(shù)量達(dá)到90萬(wàn)人，我國(guó)雖是一個(gè)教育大國(guó)，但不是教育強(qiáng)國(guó)。國(guó)內(nèi)IT企業(yè)普遍缺乏核心技術(shù)，是我國(guó)軟件業(yè)發(fā)展的軟肋，高校作為教育的實(shí)施者，不能回避自己的責(zé)任。加強(qiáng)操作系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)，是提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)級(jí)編程能力的有效途徑?？v觀國(guó)外大學(xué)的操作系統(tǒng)教學(xué)，大都采用第3、4種模式進(jìn)行，而且使用的操作系統(tǒng)內(nèi)核也各有特色。
　　
　　3　教學(xué)用操作系統(tǒng)內(nèi)核比較分析
　　
　　加強(qiáng)對(duì)國(guó)外高校實(shí)踐教學(xué)的學(xué)習(xí)，是提高國(guó)內(nèi)高校操作系統(tǒng)教學(xué)的可行之道。本文下面對(duì)常見(jiàn)的教學(xué)用操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行分析。
　　
　　3，1Minix
　　Minix是荷蘭著名的計(jì)算機(jī)專(zhuān)家A.S.Tanenbaum主持設(shè)計(jì)的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，目前最新版本是Minix3.1.3a，內(nèi)核只有4000行代碼，存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件系統(tǒng)等功能以用戶(hù)進(jìn)程模式工作，系統(tǒng)具備很強(qiáng)的靈活性和安全性。Minix3與以往兩個(gè)版本有較大改進(jìn)，功能更加完整，安裝更加方便，也可在多種虛擬機(jī)上安裝。目前加州大學(xué)圣克魯斯分校將Minix3作為教學(xué)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，安排有4個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目：一個(gè)簡(jiǎn)單的Shell、進(jìn)程調(diào)度器、內(nèi)存分配和文件系統(tǒng)。
　　
　　3，2Linux
　　Linux是由芬蘭赫爾辛基大學(xué)的一名叫做LinusTorovalds的大學(xué)生于1991年首先開(kāi)發(fā)，后經(jīng)眾多軟件高手參與共同開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。Linux是一個(gè)自由軟件，它的源代碼是開(kāi)放的。Linux經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，內(nèi)核不斷升級(jí)，形成了一個(gè)龐大的代碼庫(kù)，短時(shí)間內(nèi)讀完最新版本的內(nèi)核源代碼是不現(xiàn)實(shí)的。在教學(xué)上，一般選擇低版本的內(nèi)核如Linux0.12，有人用C語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行了改寫(xiě)，減少了匯編語(yǔ)句的數(shù)量，更加便于閱讀。
　　
　　3，3Nachos
　　Nachos的全稱(chēng)是“Not Another CompletelyHeuristic Operating System”，它是一個(gè)可修改和跟蹤的操作系統(tǒng)教學(xué)軟件。它給出了一個(gè)支持多線(xiàn)程和虛擬存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)框架，可讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)操作系統(tǒng)中的基本原理和核心算法有一個(gè)全面和完整的了解。Nachos是美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校在操作系統(tǒng)課程中已多次使用的操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)平臺(tái)，在美國(guó)很多大學(xué)中得到了應(yīng)用。Nachos需要運(yùn)行在一個(gè)模擬MIPS R2／3000的指令集的虛擬機(jī)上，移植方便。
　　
　　3，4JOS
　　JOS是美國(guó)麻省理工學(xué)院的操作系統(tǒng)課程的一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的微型操作系統(tǒng)，基于Exo-Kemel理念。它提供了一個(gè)操作系統(tǒng)的框架，使得學(xué)生可以不必花費(fèi)時(shí)間用于太底層的東西，如讀寫(xiě)硬盤(pán)數(shù)據(jù)等，而是將時(shí)間精力集中于OS的核心部分。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)和北京大學(xué)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用的也是JOS。
　　
　　3，5GeekOS
　　GeekOS是一個(gè)基于X86架構(gòu)的微型操作系統(tǒng)內(nèi)核，由美國(guó)馬里蘭大學(xué)的教師開(kāi)發(fā)，主要用于操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，目的是使學(xué)生能夠?qū)嶋H動(dòng)手參與到一個(gè)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作中，代碼有5000多行。作為一個(gè)課程設(shè)計(jì)平臺(tái)，GeekOS由一個(gè)基本的操作系統(tǒng)內(nèi)核作為基礎(chǔ)，提供了操作系統(tǒng)與硬件之間的所有必備接口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)引導(dǎo)、實(shí)模式到保護(hù)模式的轉(zhuǎn)換、中斷調(diào)用及異常處理、FIFO進(jìn)程調(diào)度算法、基本的輸入輸出以及一個(gè)用于存放用戶(hù)程序的只讀文件系統(tǒng)PFAT等。GeekOS中包含7個(gè)難度逐漸增加的擴(kuò)展項(xiàng)目，有詳細(xì)的幫助文檔。
　　
　　3，6其他教學(xué)用操作系統(tǒng)
　　(1)OS／161由美國(guó)哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)，基于MIPS指令集，與Nachos相似，但兩者是獨(dú)立的，沒(méi)有聯(lián)系。
　　(2)Pintos由美國(guó)斯坦福大學(xué)的Ben Pfaff設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是在借鑒Nachos的基礎(chǔ)上，為面向X86架構(gòu)而重新編寫(xiě)的。
　　(3)OSKIT由美國(guó)猶他大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系FLUX研究組編寫(xiě)的一套用于架構(gòu)操作系統(tǒng)內(nèi)核、服務(wù)器和其他操作系統(tǒng)級(jí)軟件的框架及模塊化的部件和庫(kù)程序，基于COM思想而設(shè)計(jì)的。
　　(4)PortOS由美國(guó)康奈爾大學(xué)的教師設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)提供一個(gè)運(yùn)行于Windows上仿真環(huán)境，可用于普適計(jì)算。
　　(5)LittleOS是一個(gè)基于Intel32位體系結(jié)構(gòu)保護(hù)模式的微型操作系統(tǒng)，LittleOS僅僅初始化了一些必要的硬件，是一個(gè)僅提供了鍵盤(pán)中斷和時(shí)鐘中斷的框架。
　　
　　4　實(shí)施教學(xué)應(yīng)注意的問(wèn)題
　　
　　在借鑒國(guó)外的教學(xué)用操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)，必須看到國(guó)內(nèi)實(shí)際情況與國(guó)外的差別。首先國(guó)內(nèi)的教學(xué)模式與國(guó)外都有較大區(qū)別，另外由于語(yǔ)言背景不同，學(xué)生閱讀英文技術(shù)文檔較為吃力。在實(shí)施教學(xué)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
　　(1)最好能提供中文版本的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，降低學(xué)生切入課題的難度；
　　(2)對(duì)于開(kāi)發(fā)平臺(tái)中涉及的編譯器和模擬器，應(yīng)該給出確定的版本號(hào)和詳細(xì)的使用指導(dǎo)；
　　(3)課題的難度應(yīng)根據(jù)學(xué)生具體情況進(jìn)行調(diào)整。
　　
　　5　結(jié)語(yǔ)
　　
　　操作系統(tǒng)課程中的原理和實(shí)踐是密不可分的，在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展，在實(shí)際教學(xué)中便于操作。強(qiáng)調(diào)實(shí)踐是教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)。相信隨著實(shí)踐教學(xué)的加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)值得推廣的教學(xué)用操作系統(tǒng)內(nèi)