電子信息類專業(yè)操作系統(tǒng)課程實驗教學(xué)探索

馬洪兵

（清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084）

0 引 言

隨著計算機和數(shù)字化技術(shù)的進步和廣泛應(yīng)用，越來越多的計算機技術(shù)，特別是軟件技術(shù)融入傳統(tǒng)的電子信息系統(tǒng)。例如，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，雷達系統(tǒng)逐漸從傳統(tǒng)的“以硬件技術(shù)為中心，面向?qū)Ｓ霉δ堋钡拈_發(fā)模式發(fā)展到“以軟件為中心，面向?qū)嶋H需求”的開發(fā)模式，這一發(fā)展趨勢使得“軟件化雷達（software radar）”技術(shù)應(yīng)運而生[1]。又例如，伴隨現(xiàn)代通信方式和需求的飛速發(fā)展，以硬件為主的傳統(tǒng)通信方式和體制難以適應(yīng)多種通信體制并存、各種標準層出不窮和頻率資源缺乏的情況，針對目前多種無線通信標準和體制之間無法相互兼容的問題，人們提出了“軟件無線電（software-def i ned radio，SDR）”的概念[2]。在這樣的背景之下，在電子信息類專業(yè)的課程體系中，計算機系列課程地位的重要性日益凸顯，其中“操作系統(tǒng)”成為許多學(xué)校電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。

操作系統(tǒng)作為當(dāng)今技術(shù)含量最高的系統(tǒng)軟件，構(gòu)成了現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)運行平臺[3]。對于電子信息類專業(yè)的學(xué)生而言，掌握操作系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法，有助于更好地理解計算機系統(tǒng)，有助于更好地在各自專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進行研究和系統(tǒng)開發(fā)。

作為實踐性很強的一門課程，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在操作系統(tǒng)課程中發(fā)揮著重要的作用。國內(nèi)大多數(shù)高校十分重視操作系統(tǒng)課程的實驗建設(shè)，并且在教學(xué)內(nèi)容、實驗平臺、教學(xué)方法等方面進行了許多有益的探索[4-7]。然而，由于操作系統(tǒng)課程傳統(tǒng)上是為計算機類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的，因而在實驗的教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容等許多方面并不適用于電子信息類專業(yè)。

1 電子信息類專業(yè)操作系統(tǒng)課程實驗教學(xué)的目標

操作系統(tǒng)實驗教學(xué)的目的是通過實驗或課程設(shè)計來理解操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容。對于計算機類專業(yè)而言，為達到此目的，通常采用2種途徑：

（1）以教學(xué)型操作系統(tǒng)（例如Xinu、Nachos、Ucore、Xv6等）為基礎(chǔ)，針對教學(xué)中的核心知識點，由學(xué)生設(shè)計算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過一系列實驗可以最終實現(xiàn)一個“麻雀雖小五臟俱全”的小型操作系統(tǒng)。

（2）以現(xiàn)有操作系統(tǒng)（例如Windows 和Unix/Linux）為平臺，利用高級語言編寫程序仿真或者模擬實現(xiàn)操作系統(tǒng)的核心功能。例如編寫模擬進程調(diào)度程序，使學(xué)生理解先來先服務(wù)、短進程優(yōu)先、時間片輪轉(zhuǎn)等算法的具體實現(xiàn)。

然而，這些實驗內(nèi)容并不適用于電子信息類專業(yè)的學(xué)生，主要原因是電子信息類專業(yè)與計算機類專業(yè)在培養(yǎng)目標上并不相同。就清華大學(xué)電子工程系而言，目前全系本科生按照電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大類進行培養(yǎng)，培養(yǎng)的基本要求是“運用所掌握的理論知識和技能，從事信號獲取、處理和應(yīng)用、通信及系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)、模擬及數(shù)字集成電路設(shè)計和應(yīng)用、微波及電磁技術(shù)理論、信號與信息處理的新型電子材料、器件和系統(tǒng)（包括信息光電子和光子器件、微納電子器件、微光機電系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路和電子信息系統(tǒng)芯片）的理論和應(yīng)用等方面的科研、開發(fā)與教育工作”。作為對照，清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生培養(yǎng)的基本要求則是“運用所掌握的理論知識和技能，從事計算機科學(xué)理論、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機軟件及計算機應(yīng)用技術(shù)等方面的科研、開發(fā)與教育工作”。

培養(yǎng)目標和培養(yǎng)要求的不同，決定了電子信息類專業(yè)操作系統(tǒng)課程實驗教學(xué)不能照搬計算機類專業(yè)的實驗內(nèi)容。通過幾年的教學(xué)實踐，清華大學(xué)電子工程系逐漸把操作系統(tǒng)教學(xué)的目標定位為“掌握操作系統(tǒng)的基本理論，為在多種操作系統(tǒng)環(huán)境上熟練地開發(fā)包括計算機通信、圖像語音處理、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在內(nèi)的應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件打下基礎(chǔ)”。也就是說，完成操作系統(tǒng)實驗的目的不是為了驗證或者設(shè)計操作系統(tǒng)內(nèi)核的算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是在理解操作系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上更好地開發(fā)與操作系統(tǒng)內(nèi)核相關(guān)的應(yīng)用軟件。在這樣的教學(xué)目標指導(dǎo)下，清華大學(xué)電子工程系形成了具有電子信息類專業(yè)特色的操作系統(tǒng)實驗教學(xué)。

2 實驗教學(xué)內(nèi)容

操作系統(tǒng)課程實驗按照涉及的核心知識點不同分為5組，每組實驗包括若干實驗題目，不同實驗題目的難度不同，基準分也不同，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況加以選擇。實驗不限定操作系統(tǒng)平臺，學(xué)生可以自由選擇Windows、Linux或者其他主流操作系統(tǒng)。實驗也不限定程序設(shè)計語言，學(xué)生可以自由選擇C、C++、Java或者自己熟悉的程序設(shè)計語言。

5組實驗內(nèi)容如下：

（1）進程間同步/互斥問題；

（2）高級進程間通信問題；

（3）存儲管理問題；

（4）文件系統(tǒng)問題；

（5）驅(qū)動程序設(shè)計問題。

進程間同步/互斥問題的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對進程間通信同步/互斥問題的編程實現(xiàn)，加深理解信號量和P、V操作的原理；對主流操作系統(tǒng)提供的互斥、同步機制有更進一步的了解；熟悉主流操作系統(tǒng)中定義的與互斥、同步有關(guān)的API函數(shù)。本組實驗包括5個實驗題目（見表1）。

表1 進程間同步/互斥問題

其中，讀者—寫者問題、生產(chǎn)者—消費者問題、哲學(xué)家進餐問題和睡眠理發(fā)師問題都是經(jīng)典的IPC問題，銀行柜員服務(wù)問題則以一個銀行營業(yè)部柜員服務(wù)的實際問題為背景，涉及顧客取號、排隊、柜員服務(wù)等過程，要求學(xué)生實現(xiàn)多個柜員為多名顧客有序服務(wù)的系統(tǒng)。

高級進程間通信問題的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對進程間高級通信問題的編程實現(xiàn)，加深理解進程間高級通信的原理；對主流操作系統(tǒng)提供的各種高級進程間通信機制有更進一步的了解；熟悉主流操作系統(tǒng)中定義的與高級進程間通信有關(guān)的API函數(shù)。本組實驗包括2個實驗題目（見表2）。

表2 高級進程間通信問題

其中，多變量函數(shù)計算問題涉及復(fù)雜多變量函數(shù)的計算，要求學(xué)生編程建立多個并發(fā)協(xié)作進程或線程，共同實現(xiàn)函數(shù)計算，在進程或線程之間，通過管道、消息隊列、共享內(nèi)存等高級進程間通信機制實現(xiàn)信息交換?？焖倥判騿栴}則以大數(shù)據(jù)量文件排序為背景，每次數(shù)據(jù)分割后產(chǎn)生2個新的進程（或線程）處理分割后的數(shù)據(jù)，同時控制產(chǎn)生的進程數(shù)量，從而在系統(tǒng)開銷和算法速度間取得平衡。

存儲管理問題的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對涉及內(nèi)存分配問題的編程實現(xiàn)，加深理解操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的原理；對主流操作系統(tǒng)提供的內(nèi)存管理機制有更進一步的了解；熟悉主流操作系統(tǒng)中定義的與內(nèi)存管理有關(guān)的API函數(shù)。本組實驗包括3個實驗題目（見表3）。

表3 存儲管理問題

其中，文件字節(jié)倒放問題要求學(xué)生用常規(guī)的文件訪問方法和內(nèi)存映射文件方法實現(xiàn)，并對2種方法的性能進行比較。虛擬內(nèi)存分配問題涉及Windows提供的“以頁為單位的虛擬內(nèi)存分配方式”，要求學(xué)生通過對內(nèi)存分配活動的模擬和跟蹤的編程實現(xiàn)，從不同側(cè)面認識Windows對用戶進程的虛擬內(nèi)存空間的管理、分配方法。與此同時，針對Linux沒有提供“以頁為單位的虛擬內(nèi)存分配方式”，要求學(xué)生提供在Linux上實現(xiàn)此功能的解決方案。AVL樹→紅黑樹問題則是針對Windows采用AVL樹管理虛擬內(nèi)存而Linux采用紅黑樹管理虛擬內(nèi)存的現(xiàn)實，要求學(xué)生參考Linux源代碼將WRK源代碼中的VAD樹由AVL樹替換成紅黑樹，該實驗是本課程中唯一涉及操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼修改的題目。

文件系統(tǒng)問題的實驗?zāi)康氖鞘箤W(xué)生理解低級磁盤IO的細節(jié)，了解FAT文件系統(tǒng)的實現(xiàn)細節(jié)，從而為今后涉及文件管理的應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)。本組實驗包括2個實驗題目（見表4）。

表4 文件系統(tǒng)問題

其中，磁盤IO問題實現(xiàn)低級磁盤IO，而FAT文件系統(tǒng)實現(xiàn)則要求學(xué)生從底層開設(shè)實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。FAT文件系統(tǒng)雖然是一個DOS時代遺留下來的文件系統(tǒng)，但是直到今天市場上的USB移動設(shè)備和SD卡等外置存儲器仍然在用著FAT文件格式。在許多涉及嵌入式應(yīng)用的場合，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)也是主流的文件系統(tǒng)。

對于電子信息類專業(yè)的學(xué)生而言，在涉及硬件開發(fā)的工作中，往往要與非通用的硬件設(shè)備打交道，因此學(xué)會在主流操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序是一項有必要掌握的技能，驅(qū)動程序設(shè)計問題這組實驗的目的正在于此。

然而，由于操作系統(tǒng)課程是一門系統(tǒng)軟件課程，對于設(shè)備驅(qū)動程序而言，以某種具體的硬件為目標存在著難以克服的困難，因此驅(qū)動程序設(shè)計問題并不針對硬件設(shè)備，而是以虛擬的硬件為目標，使學(xué)生掌握驅(qū)動程序開發(fā)的基本方法。本組實驗包括2個實驗題目（見表5）。

其中，Ramdisk（內(nèi)存盤）實際上是在系統(tǒng)的內(nèi)存中劃出一塊空間當(dāng)做磁盤使用，在本實驗中，學(xué)生通過編寫設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)Ramdisk，可以在其上創(chuàng)建文件系統(tǒng)，實現(xiàn)常規(guī)的文件操作。管道是一種高級進程間通信機制，在本質(zhì)上就是在進程之間以字節(jié)流方式傳送信息的通信通道，每種主流的操作系統(tǒng)都會提供管道，本實驗則要求學(xué)生通過編寫設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)自己的管道，并通過該管道實現(xiàn)進程間通信。

3 教學(xué)效果

自2012年起，清華大學(xué)電子工程系按照改革后的課程教學(xué)大綱和實驗教學(xué)大綱進行操作系統(tǒng)課程教學(xué)。在實際教學(xué)過程中，建立了綜合性的考核體系，打破了以期末考試成績?yōu)橹鞯某煽冊u定方式，考核學(xué)生的綜合能力，以適應(yīng)實驗教學(xué)的發(fā)展和變化。最終總評成績由平時作業(yè)成績、實驗成績和期末考試成績3部分組成，3部分的成績占比分別為15%、35%和50%。

由于不同實驗題目的基準分不同，選擇難度高的題目可以獲得更高的實驗成績，從而激勵學(xué)生挑戰(zhàn)自我，提高解決問題的能力。特別需要指出的是，存儲管理中的AVL樹→紅黑樹問題涉及Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核的修改，實驗難度非常高，但是每年都有一些學(xué)生克服重重困難完成了實驗。

與此同時，對于實踐動手能力較差的學(xué)生，允許選擇基準分較低的實驗，只要他們在理論考試部分取得好的成績，仍然可以得到較為理想的分數(shù)。

總體而言，課程實驗部分對于幫助學(xué)生有效地掌握操作系統(tǒng)原理，提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)成效是有幫助的。圖1列舉了2012學(xué)年和2016學(xué)年的實驗成績和期末考試成績（筆試）之間的散點圖，可以看出，二者呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。

4 結(jié) 語

隨著計算機和數(shù)字化技術(shù)在傳統(tǒng)電子信息系統(tǒng)（如雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)）中的廣泛應(yīng)用，對于電子信息類專業(yè)而言，操作系統(tǒng)課程的重要性日益凸顯。作為一門實踐性較強的課程，實驗教學(xué)發(fā)揮著重要的作用。幾年來，清華大學(xué)電子工程系在設(shè)置適合電子信息類專業(yè)的操作系統(tǒng)實驗內(nèi)容方面進行了一些探索。幾年來的教學(xué)實踐證明，通過設(shè)計面向電子信息類專業(yè)的操作系統(tǒng)實驗，并且在教學(xué)實踐中采用理論教學(xué)和實驗相結(jié)合的教學(xué)方式，可以有效培養(yǎng)電子信息專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力。

今后將進一步探討綜合性的操作系統(tǒng)課程設(shè)計，例如，將底層的驅(qū)動程序與用戶層的應(yīng)用程序相結(jié)合，實現(xiàn)文件系統(tǒng)加密、網(wǎng)絡(luò)信息截取等功能。與此同時，使數(shù)字邏輯與計算機硬件類課程相配合，設(shè)計更加綜合的實驗內(nèi)容，從而使學(xué)生能夠更加有效地綜合運用操作系統(tǒng)和其他課程的知識，提高綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。