引入μC/O-Ⅱ的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討

申斌，胡華，陳舉欣

(1.山東建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 實(shí)驗(yàn)與設(shè)備處，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

操作系統(tǒng)(OS)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，也是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。學(xué)好操作系統(tǒng)這門課有助于全面掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，為其它后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。由于操作系統(tǒng)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，學(xué)生必須理論聯(lián)系實(shí)際才能學(xué)好該課程[1]。但目前該課程的教學(xué)內(nèi)容偏重于理論知識(shí)而缺乏實(shí)踐內(nèi)容，在學(xué)完該課程后學(xué)生普遍反映這門課程比較抽象，不能掌握具體OS的實(shí)際知識(shí)，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，給后續(xù)課程的學(xué)習(xí)也帶來了一定的困難，因此必須不斷更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法才能緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐[2]。

1 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高校的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有三種方案:使用操作系統(tǒng)、模擬實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)和設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)[3]。第一種方案中，實(shí)驗(yàn)課僅安排幾個(gè)學(xué)時(shí)的上機(jī)操作，讓學(xué)生了解某種OS的用戶接口和操作方式。第二種方案則是要求學(xué)生剖析某個(gè)具體OS的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，對(duì)OS的某些算法進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬。第三種方案的主要內(nèi)容包括自行設(shè)計(jì)一個(gè)小操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)OS的若干功能。這三種方案中，多數(shù)高校采用第二種方案，有些院校甚至只能采用第一種方案，這在一定程度上制約了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果[3]。

針對(duì)這些現(xiàn)狀，國內(nèi)已經(jīng)有高校開始探索將實(shí)際的操作系統(tǒng)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中。文獻(xiàn)[4]討論了操作系統(tǒng)課程如何針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的需求選取教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]提出一種差異化教學(xué)法，開展了嵌入式操作系統(tǒng)方面的創(chuàng)新探索。文獻(xiàn)[6]分析了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)以及嵌入式技術(shù)給教學(xué)帶來的新啟示。文獻(xiàn)[7]將Linux引入操作系統(tǒng)理論教學(xué)，提出了操作系統(tǒng)課程的教學(xué)改革方法。文獻(xiàn)[8]分析了嵌入式技術(shù)的發(fā)展需要和操作系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀，并從教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考核方式及課程群體系等多個(gè)方面提出了改革的方法。雖然這些方案大多數(shù)采用開源的Linux為實(shí)際案例，但Linux最初不是一個(gè)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的OS，不是微內(nèi)核的，并且實(shí)時(shí)性也不強(qiáng)。目前應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域的Linux是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的、已被裁減過的Linux，最常用的是μClinux。雖然它可移植至ARM芯片中運(yùn)行，但即使是裁剪后的μClinux也很龐大，用它來分析操作系統(tǒng)的原理依然很困難。另外，還有很多大學(xué)都單獨(dú)開設(shè)嵌入式操作系統(tǒng)分析與應(yīng)用這一課程，在教學(xué)中不少高校以μC/OS-Ⅱ?yàn)槔齺斫榻B嵌入式操作系統(tǒng)[9]，這主要是由于 μC/OS-Ⅱ較簡(jiǎn)單，非常適合入門者學(xué)習(xí)。

我校的操作系統(tǒng)從2010級(jí)學(xué)生開始，課時(shí)縮減為64學(xué)時(shí)，其中僅包含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)，學(xué)生接觸實(shí)際操作系統(tǒng)的機(jī)會(huì)很少，這樣在教學(xué)過程中必然出現(xiàn)抽象性原理和實(shí)際系統(tǒng)的脫節(jié)。再加上操作系統(tǒng)某些算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生素質(zhì)的要求比較高，學(xué)生必須具備扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，但由于沒有實(shí)際的OS源代碼作為案例，學(xué)生都反映該課程難學(xué)，編寫復(fù)雜的算法也較困難。而相對(duì)其它的嵌入式操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ比較簡(jiǎn)單易學(xué)，適合本科教學(xué)。在講授理論時(shí)與μC/OS-Ⅱ工作原理分析結(jié)合起來，兩門課程的教學(xué)效果都會(huì)得到提高。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的內(nèi)容與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路

對(duì)操作系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法和考核方法進(jìn)行改革，把嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ納入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。以μC/OS-Ⅱ?yàn)榇淼拈_源軟件，已成為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的首選，為大學(xué)操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的平臺(tái)。這是因?yàn)棣藽/OS-Ⅱ是開放源代碼的操作系統(tǒng)，學(xué)生可以從Internet上免費(fèi)下載該軟件，沒有版權(quán)問題，學(xué)生通過閱讀、修改μC/OS-Ⅱ的源代碼，可以清楚地掌握其基本原理。另外，μC/OS-Ⅱ是有廣泛應(yīng)用的OS，其內(nèi)部資源豐富，對(duì)硬件要求也比較低，可以在以80×86為基礎(chǔ)的PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試。故而以短小精悍的μC/OS-Ⅱ?yàn)榍腥朦c(diǎn)，幫助學(xué)生快速建立起OS的進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、同步和互斥等基本概念，并能在此基礎(chǔ)上掌握μC/OS-Ⅱ的進(jìn)程間通信、同步、互斥及內(nèi)存管理等算法的實(shí)現(xiàn)。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革:

(1)圍繞教學(xué)大綱，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。遵循在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程中適當(dāng)增加嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的方向，緊密結(jié)合μC/OS-Ⅱ的特點(diǎn)，根據(jù)需要調(diào)整所需的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，編寫和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，先解決應(yīng)該做什么實(shí)驗(yàn)的問題[10]。在保證實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱盡量涵蓋了課程教學(xué)大綱中所規(guī)定的知識(shí)點(diǎn)。

(2)根據(jù)所確定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容合理設(shè)置驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。包括每個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的教學(xué)內(nèi)容、通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生熟悉哪方面的基本知識(shí)或基本技能等等，并將這些內(nèi)容體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，解決每個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該怎么做的問題。

(3)合理設(shè)置綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。包括設(shè)置合適的綜合性實(shí)驗(yàn)去實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的多個(gè)功能模塊，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。設(shè)置難度適中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)編寫一個(gè)包含若干功能的小操作系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和獨(dú)立工作的能力?？紤]到學(xué)時(shí)的限制，在課程教學(xué)環(huán)節(jié)開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有一定的困難，故而在隨后的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)安排進(jìn)行小操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求，評(píng)估現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，改進(jìn)和完善基于μC/OS-Ⅱ的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終在該平臺(tái)上能進(jìn)行包括進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、設(shè)備管理、存儲(chǔ)器管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理等模塊的實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)。

(5)科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生是否達(dá)到預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過綜合考核實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，通過實(shí)驗(yàn)操作考試來評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)本課程的掌握程度。

2.2 改革方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)，以及實(shí)驗(yàn)課的管理[2]。改革原有的以虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)方法，引入適合教學(xué)的實(shí)際操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，結(jié)合μC/OS-Ⅱ的工作原理增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，調(diào)整驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在課程設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)也引入μC/OS-Ⅱ，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)在某些方面有別于μC/OS-Ⅱ的小操作系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生深入到OS內(nèi)部理解其工作原理，為學(xué)生全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。具體實(shí)施方案如下:

2.2.1 增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)

原教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)為8個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生的主要任務(wù)是編寫幾個(gè)孤立的算法來模擬OS某一部分的功能，實(shí)踐機(jī)會(huì)不多。本研究將μC/OS-Ⅱ引入操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生先看懂源代碼，再學(xué)習(xí)如何根據(jù)新的算法改寫原先的部分代碼，最后到獨(dú)立編寫一個(gè)小的操作系統(tǒng)。故而原先的8個(gè)學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此必須重新分配實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)，將其擴(kuò)充為16個(gè)學(xué)時(shí)。

2.2.2 調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

將原來的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容全部改為μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)。不僅安排了較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還有綜合性實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行。所安排的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是分析驗(yàn)證μC/OS-Ⅱ的源代碼，例如任務(wù)調(diào)度與任務(wù)切換、任務(wù)間同步與互斥、任務(wù)間通信、存儲(chǔ)管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫和文件系統(tǒng)等。這樣學(xué)生既能熟悉μC/OS-Ⅱ這種具體OS的工作原理，又通過具體OS學(xué)習(xí)了一般OS的理論知識(shí)。與嵌入式操作系統(tǒng)分析與應(yīng)用這門課程相比，嵌入式OS的移植不再作為重點(diǎn)。

改革后開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要包括:任務(wù)的創(chuàng)建與撤銷、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、FAT文件管理系統(tǒng)、內(nèi)存塊管理、網(wǎng)絡(luò)通信及綜合性實(shí)驗(yàn)，如表1所示。其中，任務(wù)的創(chuàng)建是通過分析μC/OS-Ⅱ的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate和函數(shù)OSTaskCreateExt的源代碼來進(jìn)行的，任務(wù)的調(diào)度則以掌握μC/OS-Ⅱ的任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)體OS_TCB、任務(wù)就續(xù)表數(shù)組OSRdyTbl和任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched的源代碼為前提，任務(wù)間同步選擇分析 μC/OS-Ⅱ的創(chuàng)建信號(hào)量函數(shù)OSSemCreate、等待信號(hào)量函數(shù)OSSemPend和釋放信號(hào)量函數(shù)OSSemPost，任務(wù)間互斥則需要學(xué)會(huì)應(yīng)用函數(shù)OSMutexCreate來創(chuàng)建互斥量、應(yīng)用函數(shù)OSMutexPend來等待互斥量和使用OSMutexPost來釋放互斥量函數(shù)。在所有這些實(shí)驗(yàn)中，文件管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)較難解決的問題，因?yàn)棣藽/OS-Ⅱ免費(fèi)開放的源代碼中不包括這兩部分功能，必須單獨(dú)購買，該功能相關(guān)的資料介紹也較少，且和硬件系統(tǒng)聯(lián)系密切，需要下大力氣才能解決。

2.2.3 新增綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在設(shè)置綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，要考慮選取哪些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，包含多少個(gè)知識(shí)點(diǎn)合適的問題。因?yàn)榫C合的知識(shí)點(diǎn)過少，起不到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用能力的目的，而知識(shí)點(diǎn)過多又會(huì)給實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行帶來困難，同樣達(dá)不到綜合性實(shí)驗(yàn)的目的。在設(shè)置設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)也是一樣，需要解決讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)包含多少個(gè)功能的小操作系統(tǒng)合適的問題，這個(gè)小操作系統(tǒng)應(yīng)有創(chuàng)新性，即不一定要面面俱到，但一定要在某個(gè)方面有別于其它的OS。

表1 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分配表

綜合性實(shí)驗(yàn)同時(shí)也作為最終的實(shí)驗(yàn)操作考試，其目的是考察學(xué)生能否綜合掌握μC/OS-Ⅱ的工作原理。一個(gè)完整的OS包括進(jìn)程的管理、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間的通信、文件管理、存儲(chǔ)管理和網(wǎng)絡(luò)通信等若干部分，四個(gè)學(xué)時(shí)的綜合性實(shí)驗(yàn)不可能面面俱到。因此選取其中比較重要而又比較容易考察的進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程間通信等幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，要求學(xué)生來編寫一個(gè)綜合應(yīng)用程序，包含μC/OS-Ⅱ的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù) OSTaskCreate、任務(wù)調(diào)度函數(shù) OS_Sched、信號(hào)量管理函數(shù)、互斥量管理函數(shù)和消息郵箱管理函數(shù)等方面的內(nèi)容。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行的，其目的主要是在μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上用C語言設(shè)計(jì)OS的某些功能。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是模擬實(shí)現(xiàn)OS的幾個(gè)重要部分的功能，不是一個(gè)真正可以工作的OS。在μC/OS-Ⅱ環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)則是對(duì)真實(shí)OS的重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，學(xué)生既可以在內(nèi)核中添加新的算法，也可以直接修改原來的算法，從而可以打造一個(gè)在某些方面有別于μC/OS-Ⅱ的小操作系統(tǒng)。選取一般操作系統(tǒng)中常見的而μC/OS-Ⅱ并未采用的幾個(gè)典型算法，如進(jìn)程調(diào)度算法中除μC/OS-Ⅱ采用的優(yōu)先級(jí)算法外，還有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法、短作業(yè)優(yōu)先算法、先到先服務(wù)算法等，讓學(xué)生在μC/OS-Ⅱ的框架下編程實(shí)現(xiàn)其中的某個(gè)算法并替換原先μC/OS-Ⅱ中所采用的算法，通過實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)在某一方面有別于μC/OS-Ⅱ的小操作系統(tǒng)。例如其中的一個(gè)題目是設(shè)計(jì)采用不可剝奪型內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度算法，學(xué)生要想完成該設(shè)計(jì)，必須首先掌握μC/OS-Ⅱ的可剝奪型內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)原理，然后抓住不可剝奪型內(nèi)核和可剝奪型內(nèi)核的區(qū)別，對(duì)μC/OS-Ⅱ的任務(wù)調(diào)度算法進(jìn)行改寫，最終改寫成功與否則可以通過編寫幾個(gè)任務(wù)來調(diào)試。

2.2.4 改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式

在考核方式上，重視對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，將實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告同時(shí)納入考核范圍，最后也通過實(shí)驗(yàn)考試來考核學(xué)生對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)的掌握程度。其中，平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績各占30%，實(shí)驗(yàn)考試成績占40%。

3 結(jié)語

通過改革操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與方法，將OS的抽象理論與具體的操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ結(jié)合起來，學(xué)生既能熟悉μC/OS-Ⅱ的源代碼和應(yīng)用，又能結(jié)合具體實(shí)例學(xué)習(xí)一般OS的實(shí)現(xiàn)原理，在學(xué)習(xí)中得到更多的鍛煉，其中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生不僅能通過學(xué)習(xí)μC/OS-Ⅱ的源代碼深入到OS的內(nèi)部，了解更多的功能以及這些功能是如何實(shí)現(xiàn)的，并能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成對(duì)OS某些功能和算法的改進(jìn)或設(shè)計(jì)。

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