馬立肖　張翠軍

摘要：針對操作系統(tǒng)的課程特點和實踐教學現(xiàn)狀，進行了深入的實踐教學改革，尤其是針對操作系統(tǒng)實驗課程的教學內(nèi)容和實施方案進行逐步探索和精心設(shè)計，并在教學實踐中進行了具體實施，取得了理想的教學效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；實踐教學；課程內(nèi)容；實施方案

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）18-0101-03

操作系統(tǒng)是高等學校計算機類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，其在計算機課程體系中處于重中之重的地位。學習本課程有助于學生對前期的專業(yè)基礎(chǔ)知識進行整合、應用與提升，形成對計算機系統(tǒng)的整體認識。設(shè)計好該課程的實驗課有助于學生形象和深刻地理解理論課中講述的概念、原理和技術(shù)，提升學習興趣，提高理論水平和大型軟件的開發(fā)能力。

1操作系統(tǒng)實踐教學現(xiàn)狀

操作系統(tǒng)實踐教學一直是操作系統(tǒng)課程中的重點和難點。因重視程度、師資水平、學生基礎(chǔ)等種種因素的影響，各高校對實驗內(nèi)容的選取不一，難度也有差異。目前，國內(nèi)外高校操作系統(tǒng)實踐教學主要采用四種模式[1][2]：1）模擬性實驗是針對操作系統(tǒng)中一些典型功能或算法，如進程調(diào)度、內(nèi)存分配、頁面置換、文件系統(tǒng)、死鎖檢測、磁盤調(diào)度等進行編程實現(xiàn)，這種模式并不對真實的系統(tǒng)資源進行訪問和修改；2）源代碼閱讀實驗是通過閱讀并理解具體操作系統(tǒng)的源代碼以達到理解操作系統(tǒng)原理和技術(shù)的目的；3）操作系統(tǒng)內(nèi)核擴展實驗是選擇一個內(nèi)核簡單的教學用操作系統(tǒng)，對基礎(chǔ)系統(tǒng)進行完善和擴展。根據(jù)內(nèi)核提供的接口，對相關(guān)模塊如進程管理、進程調(diào)度、進程同步、虛擬存儲以及文件系統(tǒng)功能進行設(shè)計實現(xiàn)，通過實驗學生可以對操作系統(tǒng)有一個相對完善的整體認識；4）獨立設(shè)計實現(xiàn)內(nèi)核實驗。國內(nèi)部分一流研究型大學要求學生獨立或合作實現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)相對簡單但功能較完備的小型操作系統(tǒng)。通過構(gòu)造真正的操作系統(tǒng)來建立操作系統(tǒng)原理的整體概念，實驗難度較大。

2河北地質(zhì)大學操作系統(tǒng)實踐教學內(nèi)容探索

為了配合河北地質(zhì)大學計算機科學與技術(shù)專業(yè)“試點班”的教學改革，我院在操作系統(tǒng)課程實踐教學上進行了深入的研究和探討，實踐教學內(nèi)容經(jīng)歷了難度逐步加大的過程。第一階段，即在2010級和2011級學生中，借鑒了北京大學操作系統(tǒng)課程實踐教學模式，使用Nachos作為操作系統(tǒng)的實踐教學平臺，要求學生對Nachos操作系統(tǒng)進行改進和完善；第二階段，即在2012級和2013級學生中，借鑒了南京大學操作系統(tǒng)實踐課程教學模式，要求學生設(shè)計并實現(xiàn)一個微型操作系統(tǒng)內(nèi)核。

2.1 基于Nachos操作系統(tǒng)的實踐教學內(nèi)容設(shè)計

Nachos是美國加州大學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)計平臺，在美國很多大學中得到了應用。Nachos（C++語言版）建立在一個軟件模擬的虛擬機之上，模擬了MIPS R2/3000的指令集、主存、中斷系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)以及磁盤系統(tǒng)等操作系統(tǒng)所必須的硬件系統(tǒng)，源碼有一萬多行。Nachos不是向?qū)W生展示一個成功的操作系統(tǒng)，而是讓學生在一個框架下發(fā)揮自己的創(chuàng)造性進行擴展[3-4]。

該實驗主要是要求學生在閱讀和分析Nachos操作系統(tǒng)源碼的基礎(chǔ)上，掌握該操作系統(tǒng)框架，對線程管理模塊、內(nèi)存管理模塊和文件管理模塊進行擴展。具體如下：

1）線程管理模塊擴展

在閱讀Nachos線程管理模塊源碼的基礎(chǔ)上，對線程管理模塊進行擴充。具體包括：擴展線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，增加“用戶ID、線程ID”兩個數(shù)據(jù)成員，同時在Nachos現(xiàn)有的線程管理機制中增加對這兩個數(shù)據(jù)成員的維護機制；增加全局性線程管理機制，在Nachos中增加對線程數(shù)量的限制，使得Nachos中最多能夠同時存在128個用戶線程；擴展同步機制，實現(xiàn)鎖和條件變量，并應用Nachos中的信號量、鎖和條件變量，實現(xiàn)“生產(chǎn)者—消費者問題”；擴展線程調(diào)度算法，實現(xiàn)基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法。

2）存儲管理模塊擴充

在閱讀Nachos存儲管理部分源碼的基礎(chǔ)上，對存儲管理模塊進行擴展。具體包括：擴展TLB管理機制，增加異常處理功能，并為TLB機制實現(xiàn)一種合適的頁面替換算法，以盡可能避免系統(tǒng)顛簸的產(chǎn)生；設(shè)計并實現(xiàn)一個全局性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如空閑鏈表、位圖等）來進行內(nèi)存的分配和回收，并記錄當前內(nèi)存的使用狀態(tài)；打破Nachos的單線程限制，使得Nachos系統(tǒng)支持多個線程同時存在于內(nèi)存中；基于TLB機制的異常處理和頁面替換算法的實踐，實現(xiàn)缺頁中斷處理。

3）文件管理模塊擴充

在閱讀Nachos文件系統(tǒng)相關(guān)源碼的基礎(chǔ)上，理解Nachos文件系統(tǒng)的工作原理，對文件管理模塊進行擴充。具體包括：擴展文件屬性，增加文件描述信息，嘗試突破文件名長度的限制；擴展文件長度，改直接索引為間接索引，以突破文件長度不得超過4KB的限制，并可以動態(tài)調(diào)整文件長度；對文件的創(chuàng)建操作和寫入操作進行適當?shù)男薷?，以使其符合實踐要求。

2.2 基于微型操作系統(tǒng)內(nèi)核的實踐教學內(nèi)容設(shè)計

微型操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計是從建立操作系統(tǒng)整體概念的思想出發(fā)，選擇最能反映操作系統(tǒng)核心技術(shù)的實驗內(nèi)容，像“搭積木”一樣逐步構(gòu)建操作系統(tǒng)[5-6]?；赨buntu操作系統(tǒng)上搭建的Bochs虛擬環(huán)境作為微型操作系統(tǒng)的硬件平臺，設(shè)計下述幾個循序漸進的實驗單元[7-8]。

1）引導程序

引導程序的本質(zhì)是將位于外存上的應用程序或系統(tǒng)加載到內(nèi)存指定位置，并為其準備好運行環(huán)境。本實驗單元分層次、循序漸進展開以下實驗內(nèi)容：在引導程序中實現(xiàn)實模式到保護模式的切換；加載程序到內(nèi)存指定位置，并進行實驗測試。該實驗階段，學生利用匯編語言搭建引導程序，深刻理解計算機啟動之后至操作系統(tǒng)工作之前，計算機內(nèi)部的工作情況，為理解操作系統(tǒng)工作原理和操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計和開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2）進程管理

在實驗（1）基礎(chǔ)之上實現(xiàn)微內(nèi)核操作系統(tǒng)的進程管理功能。該實驗單元依次展開以下實驗環(huán)節(jié)：進程創(chuàng)建、進程調(diào)度、進程同步機制、進程通信機制。

學生在完成理論課學習及部分Linux相關(guān)源碼閱讀的基礎(chǔ)上，完成該部分實驗。其中進程創(chuàng)建實驗內(nèi)容包括進程PCB定義、內(nèi)核初始化、idel進程創(chuàng)建、內(nèi)核進程創(chuàng)建等；進程調(diào)度實驗需要進行系統(tǒng)中斷設(shè)置、進程隊列管理、調(diào)度算法設(shè)計等；進程同步機制實驗主要實現(xiàn)PV操作，并通過生產(chǎn)者消費者問題進行驗證。進程通信實驗主要實現(xiàn)基于消息的進程通信機制，保證內(nèi)核進程之間的正確通信。通過該實驗單元，學生可站在內(nèi)核角度，深刻理解進程實體、調(diào)度機制；掌握進程同步及通信原理，為深刻理解操作系統(tǒng)并發(fā)的概念奠定基礎(chǔ)。

3）內(nèi)存管理

在實驗（2）基礎(chǔ)之上進行微內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)存管理模塊的設(shè)計和開發(fā)。該實驗單元主要包括物理內(nèi)存管理、分頁機制及地址映射、用戶進程創(chuàng)建等內(nèi)容。在實現(xiàn)內(nèi)存管理基礎(chǔ)之上，構(gòu)建用戶進程。通過該實驗單元，學生可站在內(nèi)核角度，深刻理解分頁機制、地址映射等概念，把握操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的本質(zhì)。

4）系統(tǒng)調(diào)用

在實驗（3）基礎(chǔ)之上實現(xiàn)簡單的系統(tǒng)調(diào)用fork（）、exit（）等。通過該實驗單元，幫助學生理解操作系統(tǒng)為用戶提供服務的方式，體會系統(tǒng)調(diào)用的本質(zhì)。

3 操作系統(tǒng)實踐教學的實施方案

為了保質(zhì)保量地完成操作系統(tǒng)實踐教學內(nèi)容，獲得理想的教學效果，在實施過程中采取了下述措施。

1）本著“理論和實踐兩手都要硬”的原則，對操作系統(tǒng)的實驗課程實行單列，即脫離其理論課程母體，獨立作為一門課程設(shè)置。

2）在操作系統(tǒng)理論教學過程中滲入linux源代碼分析環(huán)節(jié)。例如，對進程控制部分原理講解后，對 Linux0.11版本中相應的代碼片段進行分析，以達到原理與實現(xiàn)相結(jié)合的目的，從而給實踐教學中相應實驗單元的代碼實現(xiàn)提供參考。

3）為了協(xié)調(diào)理論講解和實驗項目的進度，在時間安排上進行了跨學期設(shè)計。例如，基于Nachos操作系統(tǒng)的前兩個實驗與理論課同學期安排；因操作系統(tǒng)理論課中的文件管理部分內(nèi)容在學期末講解，則將第三個實驗即文件管理模塊擴充實驗安排在暑假，利用兩周時間集中完成，第二學期再進行項目驗收；因為基于微型操作系統(tǒng)的引導實驗跟操作系統(tǒng)的先修課程結(jié)合緊密，并且可以打破一個實用操作系統(tǒng)裝載運行的神秘感，為此安排在操作系統(tǒng)開課前的寒假集中完成，其他實驗與理論課同學期進行。

4）UNIX程序設(shè)計課程與操作系統(tǒng)實踐教學協(xié)調(diào)安排。首先讓學生通過UNIX程序設(shè)計課程掌握系統(tǒng)調(diào)用的功能及應用，產(chǎn)生感性認識，使得其在完成操作系統(tǒng)實驗單元的某些系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)時目標明確，思路清晰。

5）加強實驗過程管理，弱化對實驗結(jié)果的評判。教師嚴格把控實驗進度，每個實驗單元完成后，教師逐一嚴格驗收程序，認真批改實驗報告，并進行總結(jié)和講評，幫助學生在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，從感性認識上升為理性認識。

4 操作系統(tǒng)實踐教學效果

2010、2011級計算機科學技術(shù)“試點班”所有學生都能讀懂Nachos操作系統(tǒng)給的源碼并進行改進和功能擴充，大大提高了其開發(fā)和調(diào)試底層軟件的能力、開發(fā)大型復雜軟件的能力和獨立解決實際問題的能力，部分學生的軟件開發(fā)能力達到甚至超過國內(nèi)著名重點大學學生的水平。國防科大計算機學院的教師來我院訪問交流，對學生的操作系統(tǒng)的設(shè)計成果進行了觀摩，給予了充分肯定。2010級秦棟同學在求職面試時講述了自己完成Nachos操作系統(tǒng)的項目經(jīng)歷，收到面試官的認可；2010級劉歡、2011級石雯、2012級楊超杰等同學在中科院軟件所研究生復試時匯報了自己的操作系統(tǒng)設(shè)計作品，均獲得了較高的復試成績。2011級田天和陳瑞同學在中科大選擇跟操作系統(tǒng)相關(guān)的研究題目并能順利完成畢業(yè)設(shè)計，這跟他們在操作系統(tǒng)實驗中動手能力的提高不無關(guān)系。學生們的種種表現(xiàn)說明這些學生的實踐動手能力不遜于重點大學的學生，也是對我們實踐教學改革的極大肯定。

5 結(jié)束語

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組成部分，課程的實踐教學內(nèi)容也隨著教學改革的進展進行合理調(diào)整和更新。該課程實踐教學內(nèi)容的設(shè)計使學生在復雜軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面得到一次十分重要的工程訓練，在專業(yè)能力方面獲得顯著提升。而這一訓練與能力的提升是其他任何課程不可替代的。該課程的教學改革仍在探索之中，提高操作系統(tǒng)實踐教學的質(zhì)量，需要從課程實踐的內(nèi)容設(shè)置、實施等方面進行思考、探索、實踐和總結(jié)，結(jié)合每一學年具體的教學進度和學生實際能力的差異進行調(diào)整，由淺入深、循序漸進地展開，以達到培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合能力，激發(fā)學生的學習興趣，提升教學質(zhì)量的目的，為學生未來從事高性能應用軟件的開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

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