操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐

趙艷紅,沈 峰,段漢根

(安徽科技學(xué)院理學(xué)院,安徽鳳陽233100)

1 引 言

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科中一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)課程,在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中扮演著重要角色.操作系統(tǒng)的內(nèi)容涉及理論、算法、技術(shù)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用,知識體系繁雜,概念和原理抽象,是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程.目前,國內(nèi)操作系統(tǒng)課程設(shè)置多偏重于理論學(xué)習(xí),對課程實(shí)踐重視不夠.學(xué)生普遍反映,不實(shí)際動手參與操作系統(tǒng)內(nèi)核的開發(fā),只能掌握一些抽象概念,不能深刻理解操作系統(tǒng)的核心,更不能解決實(shí)際問題.中國與國外教學(xué)工作的差距體現(xiàn)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上,重視實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教育是各國高等教育的發(fā)展潮流[1].安徽科技學(xué)院獲批為省級示范應(yīng)用型本科高校立項(xiàng)建設(shè)單位,結(jié)合本院應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)際情況,完善實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課與實(shí)踐課的教學(xué)效果,培養(yǎng)具有高質(zhì)量、高素質(zhì)、高實(shí)踐能力和高創(chuàng)新能力的人才成為一種必然.安徽科技學(xué)院將計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)作為重點(diǎn)建設(shè)課程,計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程分成兩門課：一門講授“操作系統(tǒng)”原理,安排72學(xué)時講授理論,12學(xué)時進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);一門“操作系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”,安排20學(xué)時專門進(jìn)行操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).本文將介紹操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中,實(shí)驗(yàn)平臺的選擇、虛擬技術(shù)的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)架及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)[2,3].

2 實(shí)驗(yàn)平臺

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺的選擇

____Linux是一套______類Unix操作系統(tǒng),它主要用于基于Intel x86系列CPU的計(jì)算機(jī)上.Linux之所以受到廣大計(jì)算機(jī)愛好者的喜愛,主要原因有兩個,一是它屬于自由軟件,用戶不用支付任何費(fèi)用就可以獲得它和它的源代碼,并且可以根據(jù)自己的需要對它進(jìn)行必要的修改,無償對它使用,無約束地繼續(xù)傳播.另一個原因是,它具有Unix的全部功能,任何使用Unix操作系統(tǒng)或想要學(xué)習(xí)Unix操作系統(tǒng)的人都可以從Linux中獲益[4].

個人計(jì)算機(jī)的不斷普及開源代碼的快速發(fā)展極大改善了操作系統(tǒng)課程教學(xué)的資源環(huán)境,為實(shí)驗(yàn)課程改革提供了機(jī)遇.大部分院校采用的都是Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺.由于Linux操作系統(tǒng)是為實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的,主要的操作系統(tǒng)功能已經(jīng)很完善,結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜,沒有專門為學(xué)生練習(xí)而設(shè)計(jì)的項(xiàng)目,所以學(xué)生在實(shí)踐時會遇到很多困難,實(shí)踐效果也不理想.我們借鑒了美國馬里蘭大學(xué)在操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐方面的方法及經(jīng)驗(yàn),使用由美國馬理蘭大學(xué)教師開發(fā),基于X86的 GeekOS教學(xué)型類Linux操作系統(tǒng).Geek OS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動手參與到一個操作系統(tǒng)的開發(fā)工作中.學(xué)生可以在Linux或Unix環(huán)境或/windows下使用Bochs PC模擬器進(jìn)行開發(fā),且其針對進(jìn)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(jì)了7個難度逐漸增加的項(xiàng)目供教師選擇.出于教學(xué)目的,這個系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)簡單,讓學(xué)生易于閱讀、設(shè)計(jì)和添加代碼,但它又涵蓋了操作系統(tǒng)課程的核心內(nèi)容,能夠滿足操作系統(tǒng)課程教學(xué)的需求,卻又兼?zhèn)鋵?shí)用性,它可以運(yùn)行在真正的X86PC硬件平臺.GeekOS由一個基本的操作系統(tǒng)內(nèi)核作為基礎(chǔ),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)操作系統(tǒng)與硬件之間的所有必備接口.

(2)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.

(3)基于段式的內(nèi)存管理.

(4)內(nèi)核進(jìn)程以及FIFO進(jìn)程調(diào)度算法.

(5)基本的輸入輸出：鍵盤作為輸入設(shè)備,顯示器作為輸出設(shè)備.

(6)只讀文件系統(tǒng)PFA T：用于存放用戶程序.

2.2 虛擬機(jī) (virtual machine)技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前,隨著高校學(xué)生數(shù)量的不斷增加,而資金投入有限,所以實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場地不能及時得到擴(kuò)充,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源非常緊張.采用虛擬機(jī)構(gòu)建的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺既能節(jié)省資金投入、挖掘設(shè)備潛力,又可緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重不足、實(shí)驗(yàn)管理員工作量過大等問題,為教師教學(xué)提供了極大的便利,同時也給學(xué)生進(jìn)行課內(nèi)外的自主學(xué)習(xí)提供了可能.

虛擬機(jī)是一個抽象的計(jì)算機(jī),和實(shí)際的計(jì)算機(jī)一樣,具有一個指令集并使用不同的存儲區(qū)域.它負(fù)責(zé)執(zhí)行指令,還要管理數(shù)據(jù)、內(nèi)存和寄存器.通過虛擬機(jī)軟件,用戶可以安裝操作系統(tǒng)、安裝應(yīng)用程序、訪問網(wǎng)絡(luò)資源等.虛擬機(jī)具有以下特點(diǎn)[5]：(1)擁有獨(dú)立的虛擬硬件設(shè)備,并且這些設(shè)備及I/O端口等都受到保護(hù),每個虛擬機(jī)都可以擁有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源.(2)系統(tǒng)分配給每個虛擬機(jī)的虛擬內(nèi)存都采用了獨(dú)立的地址空間,互相之間沒有任何聯(lián)系.(3)每個虛擬機(jī)都有一個VM控制塊,它包括有關(guān)VM當(dāng)前狀態(tài)方面的信息.(4)同一臺主機(jī)上可以運(yùn)行多個虛擬機(jī),每個虛擬機(jī)都可安裝不同的操作系統(tǒng),就如同一臺獨(dú)立的PC,各虛擬機(jī)與主機(jī)之間可以進(jìn)行對話、共享文件和網(wǎng)絡(luò)資源.(5)在虛擬機(jī)中,把操作系統(tǒng)安裝在主機(jī)硬盤中虛擬出來的一個特定文件中,并不需要對物理硬盤進(jìn)行分區(qū)操作,虛擬機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)有良好的隔離性,在虛擬機(jī)上進(jìn)行的操作對主機(jī)現(xiàn)有的硬盤分區(qū)和數(shù)據(jù)都不會造成任何破壞.(6)具有硬件無關(guān)性,在主機(jī)系統(tǒng)上虛擬出的硬件都是相同的,可以簡單地在不同的主機(jī)之間復(fù)制后直接使用,不必考慮硬件差異,因此在實(shí)驗(yàn)中對虛擬機(jī)系統(tǒng)造成的任何損壞不會涉及到物理設(shè)備且可以得到快速修復(fù).(7)能夠設(shè)置和修改虛擬機(jī)系統(tǒng)的各種配置參數(shù).因此,在虛擬機(jī)中進(jìn)行軟件調(diào)試,系統(tǒng)可能一樣會崩潰,但是,崩潰的只是虛擬機(jī)上的操作系統(tǒng),而不是物理計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng),使用虛擬機(jī)的恢復(fù)功能,就馬上可以恢復(fù).虛擬機(jī)技術(shù)為教學(xué)、實(shí)驗(yàn)提供了一個近似于真實(shí)的環(huán)境,完全能夠滿足教學(xué)實(shí)踐的要求[6].

PC虛擬機(jī)有VMware、Virtual PC和Bochs三種開源軟件.我們選擇VMware軟件來安裝Linux操作系統(tǒng),在Linux環(huán)境下使用Bochs虛擬機(jī)運(yùn)行 GeekOS操作系統(tǒng).

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

采用虛擬機(jī)軟件構(gòu)建多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,方法如圖1所示：

(1)主機(jī)操作系統(tǒng)可以根計(jì)算機(jī)硬件配置情況及需要安裝Windows 2003、Window s XP或Window s Vista等,屬于宿主操作系統(tǒng),是虛擬機(jī)軟件的運(yùn)行平臺.

(2)安裝VMware虛擬機(jī)軟件.

(3)利用VMware虛擬機(jī)軟件建立如圖1所示的 Windows XP、Linux和 Unix虛擬機(jī).在 WindowsXP、Unix上配置應(yīng)用服務(wù)器,可以創(chuàng)建其它的虛擬機(jī),或創(chuàng)建更多的虛擬機(jī),當(dāng)然,實(shí)際能同時運(yùn)行多少個虛擬機(jī),主要取決于計(jì)算機(jī)的CPU和物理內(nèi)存大小.在構(gòu)建操作系統(tǒng)平臺時,根據(jù)需要,我們選擇Linux虛擬機(jī)作為環(huán)境.注意如下事項(xiàng)：

①安裝方式選擇：Typical.

②選擇 GuestOperationSystem時,選中：Linux,對應(yīng)的Version選中：Red HatLinux.

③虛擬機(jī)內(nèi)存大?。?28MB以上.

④網(wǎng)絡(luò)連接方式：Bridged方式.

⑤虛擬磁盤：選擇“新建”,大小設(shè)置：至少2GB.

⑥建立虛擬機(jī)完成后,CD-ROM默認(rèn)值是：Auto Detect,把這個值改為Red Hat Linux安裝光盤將要插入的具體盤符.

(4)在Linux虛擬機(jī)中安裝Linux.打開VMware,選擇剛才建立的Linux虛擬機(jī),插入Red Hat Linux安裝光盤,單擊VMware工具欄中的 Power On按鈕,啟動Linux虛擬機(jī)進(jìn)入Linux安裝歡迎界面.在安裝過程中注意如下事項(xiàng)：

①安裝類型選擇：定制.

②選中：Windows文件服務(wù)器.目的是安裝Samba組件.

③選中：開發(fā)工具.目的是安裝 GCC、NASM等.

(5)在Linux下安裝Bochs.bochs使用./configure make make install命令之后直接在終端輸入bochs即可啟動.

(6)安裝geekos-0.3.0.假設(shè)工作目錄為/root/work,geekos的源文件路徑/root/geekos-0.3.0,安裝步驟如下：

①復(fù)制：“/root/geekos-0.3.0/scripts/start Project”文件至工作目錄/root/work.

②在終端輸入命令：cd/root/work

./start Projectproject0/root/geekos-0.3.0/src.

圖1 虛擬機(jī)軟件構(gòu)建 GeekOS實(shí)驗(yàn)平臺

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

GeekOS作為一個教學(xué)型操作系統(tǒng),設(shè)計(jì)盡可能簡單,讓學(xué)生易于閱讀、設(shè)計(jì)和添加代碼,但它涵蓋了操作系統(tǒng)課程的核心內(nèi)容,能滿足操作系統(tǒng)課程教學(xué)的需求.圍繞操作系統(tǒng)原理中的重要概念與方法,精心為學(xué)生設(shè)計(jì)了7個由易到難的設(shè)計(jì)項(xiàng)目,每個項(xiàng)目都對應(yīng)操作系統(tǒng)的一大管理功能,學(xué)生每實(shí)現(xiàn)一個項(xiàng)目就相當(dāng)于完成了操作系統(tǒng)的一個功能,如果完成全部7個項(xiàng)目,就實(shí)現(xiàn)了一個具備基本功能的實(shí)用操作系統(tǒng)[7][8].教師還可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況和學(xué)生接受能力調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

基于GeekOS教學(xué)操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容如下：

(1)熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境：熟悉Linux操作系統(tǒng)環(huán)境,學(xué)習(xí)X Window系統(tǒng)的使用;學(xué)習(xí)shell及常用命令、基本的編程與調(diào)試方法,能夠執(zhí)行一些簡單的命令,會編譯、調(diào)試和執(zhí)行程序.

(2)PC啟動原理及 GeekOS啟動程序：主要是讓學(xué)生熟悉 GeekOS的編譯、運(yùn)行過程,了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動原理.要求實(shí)現(xiàn)一個內(nèi)核進(jìn)程,功能是實(shí)現(xiàn)從鍵盤接收一個按鍵,并在屏幕上顯示.

(3)ELF文件：主要讓學(xué)生熟悉可執(zhí)行鏈接文件 (ELF文件)的結(jié)構(gòu),并學(xué)會加載和運(yùn)行可執(zhí)行文件.項(xiàng)目要求學(xué)生熟悉ELF文件格式,并編寫代碼對ELF文件進(jìn)行分析,并將分析結(jié)果傳送給加載器.

(4)進(jìn)程管理：通過設(shè)置進(jìn)程控制塊和編寫進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程中止和進(jìn)程調(diào)度程序,實(shí)現(xiàn)進(jìn)程管理;編寫通用中斷分派程序和時鐘中斷例程,實(shí)現(xiàn)中斷管理.

(5)調(diào)度算法編程：要求學(xué)生改進(jìn) GeekOS的調(diào)度程序,實(shí)現(xiàn)基于4級反饋隊(duì)列的調(diào)度算法 (初始Geek OS系統(tǒng)僅提供了FIFO進(jìn)程調(diào)度算法),并實(shí)現(xiàn)信號量,支持進(jìn)程間通信.

(6)內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)分頁虛存管理,實(shí)現(xiàn)分頁虛存管理后,系統(tǒng)在內(nèi)存不夠的情況下就可以將部分頁調(diào)到硬盤,以釋放內(nèi)存實(shí)現(xiàn)虛擬存儲技術(shù).

(7)文件系統(tǒng)：要求實(shí)現(xiàn)GOSFS文件系統(tǒng).由于 GeekOS使用了虛擬文件系統(tǒng),可以加載不同的文件系統(tǒng),而系統(tǒng)默認(rèn)加載的是PFA T只讀文件系統(tǒng).在這個項(xiàng)目中,需要實(shí)現(xiàn)一個多極目錄的,可讀寫的文件系統(tǒng).

4 結(jié)束語

采用GeekOS作為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)三年,實(shí)踐證明學(xué)生能夠利用實(shí)驗(yàn)平臺循序漸進(jìn)的完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,很好地幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的原理,提高了學(xué)生對操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)了編程的能力,教學(xué)效果顯著提高.安徽科技學(xué)院獲批為省級示范應(yīng)用型本科高校立項(xiàng)建設(shè)單位,我們應(yīng)對實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課提高重視程度,積極探索更好的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課教學(xué)方法,培養(yǎng)具有高質(zhì)量、高素質(zhì)、高實(shí)踐能力和高創(chuàng)新能力的人才.

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