“操作系統”課程實踐教學的研究與實踐

摘要：本文提出了以教學操作系統GeekOS為教學平臺構建課程設計環境，利用Bochs PC模擬器調試和編譯，逐步擴充GeekOS系統的方法，讓學生實際參與操作系統功能的設計，使學生能更好的理解操作系統的理論，達到更好的教學效果。

關鍵詞：操作系統；實踐教學；教學操作系統；GeekOS

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0018-03

1操作系統課程實踐現狀

國外大學的實踐性環節多數是要求學生獨立或合作完成一個簡單的操作系統內核設計或者完成部分功能模塊，即實現級。他們主要使用的教學操作系統有OSP、OS/161、NACHOS、MINIX、XINIX、TOYOS。而國內高校因為師資力量、實驗環境及學生自身程序設計能力等因素的不同，對操作系統課程實踐環節的要求層次不一：有的要求學生合作完成一個小型操作系統的設計的；有的要求學生剖析具體操作系統(如DOS、UNIX等)的實現機理，替換一些功能模塊；有的要求對操作系統的一些算法進行模擬實現，以加深對操作系統原理的理解。各高校在講授操作系統課程時，一般都會設置有16~24個學時同步進行的實驗。部分對操作系統實踐環節比較重視的高校，還增加開設操作系統課程設計環節，時間為30~40個學時。經過對國內外高校的調研總結，操作系統課程的實踐方式目前主要分為以下幾種類型：

(1) 觀察與體驗

這是最簡單的實踐方式。即選擇某個實際的操作系統作為實驗環境，學生通過觀察操作系統的具體運行過程來體會操作系統原理的內涵，通過其提供的系統調用來觀察和驗證操作系統中一些技術。這種方法不需要編寫操作系統功能實現的代碼，對真正理解操作系統內在功能的具體實現意義不大。

(2) 算法仿真

這是一般院校最常見的實踐方式。老師選取操作系統中的一些典型技術，如內存分配算法、生產者/消費者同步問題，讓學生編寫程序來模擬實現操作系統的功能。此種方式與程序設計課程的上機作業基本類似，有利于加深學生對操作系統理論和技術的理解，但達不到培養學生掌握操作系統的整體設計思想的目的。

(3) 替換功能模塊

這是較流行的實踐方式。一般是以開放源代碼的Linux為平臺，讓學生首先閱讀系統代碼，在理解部分操作系統功能的實現原理后，再要求學生用自己設計的功能模塊替換其中相應的功能或為其擴展功能。浙江大學在這方面做得比較成功。但Linux是一個商業操作系統，系統龐大，結構復雜，對學校的師資和學生的能力要求都較高，一般院校實施的效果不是很好，也達不到培養學生掌握操作系統的整體設計思想的目的。

(4) 擴展設計操作系統

這是對操作系統教學比較理想的實踐方式。由任課教師提供一個只具有簡單內核的教學操作系統的基本雛形，讓學生對其功能進行完善和擴充。學生在一個虛擬或者真實的操作系統環境中進行動手實踐，直接操作修改操作系統內核，從而達到掌握操作系統設計策略和技術方法的目的。當然也有學校要求學生獨立設計一個結構相對簡單但功能基本完備的小型操作系統。例如上海交通大學在操作系統實驗中曾要求學生獨立設計一個稱為MOS的操作系統。由于與操作系統課程實驗的教學目標相一致，這可能是最理想的實驗方案。不過由于操作系統是一個大型的系統軟件，其設計過于復雜，因此在實施起來有一定難度。

3GeekOS教學操作系統

教學實踐證明，最好的“操作系統”課程實踐平臺并不是實用的商業操作系統，因為它過于龐大，設計復雜，短時間內難于掌握。而應該是一種與實際使用的操作系統比較接近，但規模又較小、易理解、便于調試的系統，即面向教學的操作系統。最重要的是系統要符合課程的需要――可留出一些作為學生作業的練習，幫助學生熟悉實際操作系統的結構和設計。

美國馬里蘭大學教師最新開發的GeekOS，就是一個專門為滿足操作系統課程教學要求設計的實踐平臺，它具有以下優點：

(1) GeekOS是一個基于通用x86架構的PC機上運行的微操作系統內核，作為一個GPL開源軟件，任何人都可以在GPL下修改和免費使用， 由于其簡單、實用、易懂，使得學生更易于理解操作系統的設計思想和實現過程。

(2) GeekOS是一個用C語言開發的操作系統，某種程度而言，GeekOS操作系統就是一個C語言程序，實踐開發環境易于實現。學生可以在Linux或Unix環境下編程，對其進行功能擴充，也可以在Windows下使用Cygwin工具進行開發。

(3) 作為一個教學使用的操作系統，GeekOS圍繞現代操作系統原理中的重要概念與方法，按照教學循序漸進的進度為學生設計了7個項目。這些項目由淺入深，對激發學生學習操作系統的興趣和主動性，訓練學生分析問題、解決問題的綜合能力，起到了非常好的效果。

在國內外的操作系統教學中，目前采用比較多的教學操作系統是NACHOS。和GeekOS相比，NACHOS只能運行在特定的MIPS機型的模擬器上，同時也存在一些其它缺點。首先，因為它的內核不是保存在模擬器的RAM中，這樣，它不會受到內存容量的限制。這意味著內核數據結構的大小不是影響系統性能的重要因素，使得數據結構大小和空間容量的權衡不用考慮，這在一個實際操作系統設計中是不現實的。其次，NACHOS是與底層硬件相隔離的，所有機器模擬器和被模擬的硬件之間的接口由C++對象設計。這意味著學生不需要了解要訪問的真正硬件是如何工作，而這些技術對于編寫核心程序的程序員來說是很重要的。再有就是NACHOS這種特殊結構很難移植到實際硬件機器上直接執行。

4GeekOS開發環境

選用GeekOS作為操作系統實踐平臺，還因為它的開發環境易于搭建。GeekOS大部分代碼是用C語言編寫的，它所需要的開發工具在Linux操作系統中幾乎都已具備，只需簡單配置。GeekOS系統的開發與調試環境有多種選擇：在Windows下使用Cygwin和Bochs PC模擬器；在PC機上安裝Linux和Bochs PC模擬器進行開發調試；在PC機上安裝虛擬機，如VMware和Virtual PC，然后在虛擬機上安裝Linux和Bochs PC模擬器進行開發調試。在課程實踐環境選擇時，學生可以自由選擇，推薦采用最后一種方式，它會為你減少很多不必要的麻煩。Linux是大多學生所熟悉的，也有很多參考書可供學生選擇。

在物理計算機上調試操作系統內核代碼會給用戶帶來很大的不便。Bochs是一個通用的x86 PC機硬件平臺模擬器。它是一個開源的軟件，對系統程序開發，具有很多的優點，是開發和調試操作系統核心代碼最有效的工具。例如：對新加入的代碼行進行測試不用頻繁重新啟動用于開發的機器；不易引起主機系統崩潰；不需要使用軟盤和硬盤作為操作系統的存儲介質。GeekOS最初開發設計的調試運行平臺就是基于Bochs進行的。

5GeekOS項目設計

作為一個教學操作系統內核，保持系統的簡單易實現是非常重要的。為了實現這一目的，在GeekOS設計時，僅保留操作系統最基本的功能，同時圍繞現代操作系統原理中的重要概念與方法，按照教學循序漸進的進度精心設計了7個項目。這些項目由淺入深，既有Linux使用環境與使用技能方面培養的項目，又有重點圍繞深入理解操作系統內核實現機制的項目。

GeekOS教學操作系統為學生設計的項目內容具體如下：

項目0：主要是讓學生熟悉GeekOS的編譯、運行過程，了解計算機系統的啟動原理。項目0要求學生實現一個簡單內核進程，功能是實現從鍵盤接收一個按鍵，并在屏幕上顯示。

項目1：主要讓學生熟悉可執行鏈接文件(ELF文件)的結構，并學會加載和運行可執行文件。項目要求學生編寫代碼對ELF文件進行分析，并將分析結果傳送給加載器，掌握操作系統靜態建立進程運行用戶程序的實現技術。

項目2：要求學生掌握操作系統動態建立用戶態進程來運行用戶程序的原理。在項目2實現之前，GeekOS運行的是內核級進程。對用戶態進程執行的支持包括用戶態進程結構的初始化、用戶進程空間的初始化、用戶進程切換和用戶程序導入等。

項目3：要求學生改進GeekOS的調度程序，實現基于4級反饋隊列的調度算法(GeekOS初始系統僅提供了FIFO進程調度算法)，并實現信號量，支持進程間通信，掌握進程調度和進程通信的實現原理。

項目4：要求學生實現分頁虛存管理，替代在項目1和項目2中采用的分段存儲管理，掌握虛擬存儲技術的實現原理。

項目5：要求實現GOSFS文件系統。由于GeekOS使用了虛擬文件系統，可以加載不同的文件系統，而系統默認加載的是PFAT只讀文件系統。在這個項目中，需要實現一個多級目錄的、可讀寫的文件系統，掌握文件系統的實現技術。

項目6：要求為文件系統增加訪問控制列表，并使用匿名半雙工管道實現進程間通信，掌握網絡功能的實現原理。

6結束語

采用GeekOS作為操作系統課程設計實踐平臺已經有兩個學期。結果證明大部分認真完成作業的學生認為GeekOS對理解操作系統功能的設計與實現有很好的幫助，可以激發學習操作系統的興趣，提高編寫系統程序的能力。高校計算機相關專業的操作系統課程教學不僅要設置實踐環節，還必須根據培養目標和學生自身的特點來選擇合適的實踐教學內容。在選用GeekOS作為操作系統實踐平臺時，集中在短時間內完成項目設計的教學效果不好，最好為一個學期的時間。教師最好能根據學生的能力，以3到4個學生為一個小組，靈活調整學生要具體完成的任務，以致于取得更好的教學效果。

The Research and Practice on the teaching of Operating System Course Practice

Huang Tinghui

(School of Computer and Control. Guilin University of Electronic Technology guilin， guangxi， china 541004)

Abstract: Practice teaching is absolutely necessarily in operating system teaching. After explorer and practice of high school operating system course teaching， one method is put forward， that is， students take GeekOS as teaching platform， Bochs PC simulator as debug and compile tool， program to expand the function of GeekOS. In this way， students can participate in design of operating system. The practice in teaching has proved to be good understanding the theory of operating system ， resulting a better teaching effect.

Keywords: operating system， practice teaching， teaching operating system， GeekOS

參考文獻

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作者地址：桂林電子科技大學計算機與控制學院 黃廷輝 541004

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