《操作系统》的实践教学研究

《操作系统》的实践教学研究

1 概述

《操作系统》课程是计算机及相关专业的核心基础课，该课程不仅要求学生较好地掌握理论基础，而且要求培养学生良好的课程实践能力。由于该课程的内容比较抽象、深奥，并且课程实验难做，实验效果不明显，所以，该课程的实践环节在很多学校成为摆设，有的学校干脆去掉实践环节。然而，实践教学又是本门课的重要组成部分，实践教学对于学生理解和掌握操作系统的基本原理和方法，为今后从事系统程序设计，并发程序设计，多用户环境应用程序设计打下坚实的基础。所以，本门课不但必须包含实践内容， 而且还应该加强，使之能更好地辅助课堂教学。[1]

2 《操作系统》实践环节的运作情况

经过对各高校《操作系统》实践教学的调查，《操作系统》实践部分的开设形式主要有以下四种：

2.1 验证操作系统部分功能的实验

这种实验方式最简单，主要思路是，以某个实际的商业操作系统为实验环境，学生可以尝试执行操作系统提供的某些功能，能力更强的学生还可利用操作系统提供的系统调用函数编写、运行程序，以改进功能。通过这两种方式，学生可体验操作系统原理在实际商用操作系统中是如何工作的。

这种方式的特点是，学生不必编写操作系统功能实现的代码，对完全理解操作系统的内涵意义不大。

2.2 模拟经典算法的实验

这是比较常见的一种实验方式。其执行过程是，由教师选取操作系统中的一些经典算法，如读者-写者问题，电梯算法，让学生使用其熟悉的编程语言（如：C语言、C++语言）来实现算法。

该方式与程序设计课程的上机环节相似，这有助于学生理解《操作系统》的理论和技术，但是，这种方式由于缺乏训练学生对操作系统完全性的把握，达不到培养学生完整掌握操作系统的目的。

2.3 替换实际操作系统的主要模块

这种方式对学生的编程能力要求较高。其执行过程是，以开源的操作系统为平台，要求学生选取其中的主要功能模块，并对其进行替换及扩展。然而，开源的操作系统一般比较庞大，结构环境复杂，对师生的要求很高，一般高校实施的效果不好，最终只有小部分学生达到实验目的，学生的受益面不大。[3]

2.4 设计一个操作系统雏形

这种方式的执行过程是，教学中可选取一个包含简单内核的教学操作系统，让学生逐步改进、扩展其功能；或者干脆让学生设计一个全新的操作系统雏形，该雏形包含操作系统的基本内核功能，如处理机管理、进程管理、内存管理、设备管理、文件管理功能。

该方式与课程实验教学目标一致，理论上比较理想，但在实际的执行过程中，由于操作系统是一个大型的系统软件，其设计、结构相当复杂，因此这种方式实施起来难度很大。

3 在教学操作系统GeekOS上完成实验教学

由于一般的商业操作系统设计复杂，结构庞大，学生规定课时内很难全面掌握，同时，这些操作系统已经非常成熟，差不多实现了全部功能，学生没有多少新的工作可做。所以，设计一个基于教学操作系统的实践教学平台显得尤为迫切和必要。

3.1 教学操作系统的分类

教学操作系统有两大类：一类是针对RISC结构MIPS处理器的，例：Nachos；另一类是针对CISC结构的X86通用处理器的，例：Minix、 GeekOS。

3.2 GeekOS操作系统概述

最通用的处理器是CISC结构的X86通用处理器。它是一个用C语言开发的操作系统，学生可以在Linux或UNIX环境下对其进行功能扩充，也可以在g（project1等项目中还包含有磁盘镜像diskc.img），makefile项目管理文件。

2） Include文件夹。包含两个子目录，分别是geekos和libc，在geekos子目录中有kthread.h，keyboard.h等头文件，在libc中包含有GeekOS支持的C语言标准字符串函数头文件string.h。

3） scripts文件夹。包含项目编译时用到的一些脚本文件。

4） src文件夹。包含系统内核源代码，用户修改GeekOS系统时要修改的源代码如main.c等都位于这个目录中，在User子文件夹中一般是用来存放用户的测试文件，在tools子目录中的代码是用来建立pfat测试文件系统的。

3.3.2七个项目的功能

project0：在该项目中，要求学生实现一个内核级的I/O进程，该进程能从键盘接收一个按钮，并显示在显示屏上。该项目的目的是让学生了理解GeekOS的编译、链接和运行，明白计算机系统是如何启动的。

project1：在该项目中，要求学生熟悉可执行链接文件（ELF）的格式，并通过编程程序来分析该文件，同时将分析结果送到加载器。该项目的目的是让学生理解ELF文件的结构，使学生掌握如何加载和运行可执行文件。

在提供的GeekOS内核系统的基础上，为学生设计了7个由易到难的设计项目用于GeekOS的改进。这些项目分别涵盖了操作系统内核的各个基本模块：系统启动，进程管理，存储管理，文件系统，访问控制以及进程间通信。7个项目都规定了改进的目标，并提供了一些设计指导性的意见，但没有提供源代码，所以学生首先必须熟悉GeekOS的基本工作原理，才能开展各个项目的设计与实现。

project2：在该项目中，要求学生编程来支持用户态进程，这种支持包括初始化用户态进程空间、初始化用户进程空间、切换用户进程、导入用户程序。该项目中，计算机存储分配方式还是采用段式分配。该项目实现后，学生就可以使用GeekOS提供的命令行解释器Shell运行一些命令来执行PFAT文件系统内的用户测试程序。

project3：在该项目中，要求学生改进GeekOS的调度程序，实现基于4级反馈队列的调度算法（初始GeekOS系统仅提供了FIFO进程调度算法），并实现信号量，支持进程间通信。

project4：在该项目中，要求学生编程实现分页虚拟存储管理，以替代前述项目中一直采用的段式存储管理。学生实现分页式虚存管理以后，系统在内存不足时，就可以将部分内存页面调出送到硬盘，以缓解内容压力，实现虚拟存储技术。

project5：在该项目中，要求学生实现GOSFS文件系统，该文件系统采用虚拟文件系统，可加载不同的文件系统，PFAT只读文件系统是默认加载的文件系统。该项目的目的是要实现一个多级目录的、可读写的文件系统。

project6：在该项目中，要求在文件系统中新增一个访问控制列表，并使用匿名半双工管道实现进程间通信。

4 《操作系统》实践环节的考核

《操作系统》实践环节的考核非常重要，好的考核将激励学生努力学习，达到实验效果，办法如下：

1）教师制定实验报告格式和要求，教师对学生完成的实验报告的作检查和评价；

2）对设计性实验，要求学生回答并作出评价，回答的问题主要有：阐述解决该问题的算法思想、所使用的数据结构是如何设计的、使用的测试用例是如何选取和设计的、算法性能怎么样。

3）对一些学生能实现的算法，要求学生上机演示，教师在其演示期间可提问并作评价：主要程序代码的含义，分析及解释运行结果。[4]

5 结束语

本文讨论了《操作系统》课程实践环节的主要动作方式，并分析其利弊，然后提出了选用GeekOS教学操作系统作为实践平台来开展实践教学工作。在实际运作过程中，为达到较好的学习效果，可对学生实施分组，每组6个学生（好中差搭配），灵活调整学生要完成的任务。