大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)案例三則

摘要：介紹了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中操作系統(tǒng)功能這一章節(jié)的三個教學(xué)案例。在進(jìn)程管理的教學(xué)中，借用醫(yī)生給病人看病的例子介紹為何引入進(jìn)程、進(jìn)程的概念以及進(jìn)程調(diào)度是如何進(jìn)行的。在文件系統(tǒng)管理中，澄清了一些容易混淆的概念，對分區(qū)、分區(qū)格式化、文件系統(tǒng)及簇的概念作了介紹，并介紹了如何設(shè)定簇的大小。最后介紹了虛擬存儲器的概念及虛擬存儲器太小時的解決辦法。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；教學(xué)案例；進(jìn)程調(diào)度；文件系統(tǒng)；虛擬存儲器

引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為大學(xué)的第一門計(jì)算機(jī)課程，在指導(dǎo)和規(guī)劃學(xué)生在大學(xué)期間學(xué)習(xí)一系列計(jì)算機(jī)課程具有重要作用。對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教學(xué)應(yīng)該：在課程內(nèi)容的選擇上強(qiáng)調(diào)在廣度優(yōu)先的基礎(chǔ)上增加深度，讓學(xué)生不僅知其然而且知其所以然。要讓學(xué)生不僅掌握基本的操作技能，而且有一定的理論基礎(chǔ)。課程的講授要有別于計(jì)算機(jī)專業(yè)，尤其對于理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，例如在講解操作系統(tǒng)這一章時，多道程序設(shè)計(jì)概念、進(jìn)程概念、文件系統(tǒng)的概念及虛擬內(nèi)存的概念，這些對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說都是很抽象的。應(yīng)更多地從應(yīng)用的角度，用學(xué)生更能理解的方法和手段深入淺出地講解。下面就是筆者在講解操作系統(tǒng)功能時的三個教學(xué)案例。

1 案例一：進(jìn)程及進(jìn)程調(diào)度

首先，我們知道計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，而軟件系統(tǒng)中最重要和最基礎(chǔ)的就是操作系統(tǒng)，它是對計(jì)算機(jī)硬件第一層次的擴(kuò)充，是用戶與計(jì)算機(jī)的接口，也是其它應(yīng)用軟件與計(jì)算機(jī)硬件的接口。假如把CPU比喻為人的心臟，那么操作系統(tǒng)就是人的大腦，計(jì)算機(jī)的一切操作都是由操作系統(tǒng)在指揮、控制和調(diào)度的。課堂講授中可由此引入操作系統(tǒng)的定義：操作系統(tǒng)(c)perating System)是管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)的軟硬件各個資源，合理組織計(jì)算機(jī)工作流程和為用戶提供一個方便、有效、良好的使用環(huán)境的一種系統(tǒng)軟件。

定義中說管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，那么計(jì)算機(jī)的軟硬件資源有哪些呢?我們可把它一一羅列出來。硬件資源有CPU(中央處理器)、存儲器、外部設(shè)備；軟件資源有程序、數(shù)據(jù)、文本等。與之相應(yīng)的，管理CPU資源就是處理機(jī)管理，管理內(nèi)存資源就是存儲管理，管理外設(shè)資源就是外設(shè)管理，管理軟件資源即信息管理，這就是操作系統(tǒng)的四大功能。接下去就分別介紹這四大功能。

講解處理機(jī)管理從講解單道程序設(shè)計(jì)入手。單道程序設(shè)計(jì)的意思是：任一時刻只允許一個程序在系統(tǒng)中執(zhí)行，一個程序執(zhí)行結(jié)束后才能執(zhí)行下一個程序。我們舉一個現(xiàn)實(shí)的例子：醫(yī)院里醫(yī)生給人看病，若這家醫(yī)院只有一個醫(yī)生，醫(yī)生看病的流程是從病人掛號、排隊(duì)進(jìn)入候診區(qū)開始，醫(yī)生始終是一個一個接診，其間病人驗(yàn)血、x光檢查等，醫(yī)生都要等待，只有當(dāng)醫(yī)生為這個病人開完處方，病人離開，醫(yī)生才能接診下一個病人。這就是單道程序設(shè)計(jì)原理，這里的醫(yī)生就相當(dāng)于處理機(jī)。顯然這個過程中醫(yī)生這個資源利用率非常低，經(jīng)常處于空等狀態(tài)。

隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展，后來出現(xiàn)了多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。所謂多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是指：計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時存放了幾道相互獨(dú)立的程序，這幾個程序在宏觀上并行，即同時在執(zhí)行；而在微觀上是串行的，即各程序輪流地占有CPU，交替執(zhí)行。還是拿上面的醫(yī)生看病為例，這時當(dāng)醫(yī)生當(dāng)前接診的病人A去驗(yàn)血或作其它檢查時，醫(yī)生就接診下一位病人B，若病人B需要作進(jìn)一步的x光檢查時，醫(yī)生就再接診下一位病人c，這時宏觀上這三個病人A，B，C都處于就診狀態(tài)，這就是多道程序設(shè)計(jì)的原理。為了描述程序的動態(tài)執(zhí)行過程，引入了一個叫進(jìn)程的概念。進(jìn)程是程序在數(shù)據(jù)集上的一次動態(tài)執(zhí)行過程，它動態(tài)地創(chuàng)建。動態(tài)地消亡，而且在生存期間有三個不同狀態(tài)：就緒、執(zhí)行、等待。這就象是在醫(yī)生的工作臺上通常有二個排序的醫(yī)療本隊(duì)列，一個隊(duì)列是等待叫號的候診病人，他們處于就緒狀態(tài)，還有一個隊(duì)列是去驗(yàn)血或做其它檢查末完成的病人，他們處于等待狀態(tài)。當(dāng)前正在診療的病人則處于執(zhí)行狀態(tài)。病人在這三種狀態(tài)問不斷地切換，而醫(yī)生從末停止忙碌，這就是系統(tǒng)的目標(biāo)：讓處理機(jī)資源充分地忙碌，充分地發(fā)揮效率。由此看出多道程度設(shè)計(jì)在很大程度上提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

對于單CPU的計(jì)算機(jī)而言，處于執(zhí)行態(tài)的進(jìn)程只有一個，當(dāng)這個進(jìn)程因等待某個事件發(fā)生(如申請某個外部設(shè)備資源)時放棄處理機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)；一個處于等待狀態(tài)的進(jìn)程因所等待事件的發(fā)生而被喚醒，又因不可能立即得到處理機(jī)而進(jìn)入就緒狀態(tài)；處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程已經(jīng)得到除CPU之外的其他資源，只要一旦由調(diào)度得到處理機(jī)，便可立即投入執(zhí)行狀態(tài)。

這里處理機(jī)始終只有一個。隨著硬件設(shè)計(jì)能力的提高，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了多盒處理器，相當(dāng)于醫(yī)院里同時接診的有多個醫(yī)生，這樣可以真正實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在微觀上也能并發(fā)，整機(jī)性能得到了更大的提高。

2 案例二：文件系統(tǒng)

對于文件系統(tǒng)，經(jīng)常有同學(xué)這樣說：“我的硬盤是FAT32格式的”，“c盤是NTFS格式”等，這樣的說法是錯誤的。錯在NTFS或是FAT32并不是格式，而是管理文件的系統(tǒng)。其次剛買回來的硬盤并沒有文件系統(tǒng)，必須使用FDISK或Windows2000／XP的分區(qū)工具對其進(jìn)行分區(qū)并格式化后才會有管理文件的系統(tǒng)，因此文件系統(tǒng)是對應(yīng)分區(qū)的，而不對應(yīng)硬盤，不管是將硬盤分成一個分區(qū)，還是幾個分區(qū)。舉個通俗的比喻，一塊硬盤就像一塊空地，文件就像不同的材料，我們首先得在空地上建起倉庫(分區(qū))，并且指定好(格式化)倉庫對材料的管理規(guī)范(文件系統(tǒng))，這樣才能將材料運(yùn)進(jìn)倉庫保管。文件不會受所在分區(qū)的文件系統(tǒng)影響，就像同樣是汽車輪胎在A倉庫可能直接堆在地上，而B倉庫則會掛在墻上，僅僅是放置和管理方法不同而已。因此，在NTFS分區(qū)和FAT32分區(qū)的文件可以隨意在分區(qū)間移動，內(nèi)容不會因此產(chǎn)生任何不同。NTFS隨著1996年7月的Windows NT 4.0誕生，但直到Windows 2000，它才開始在個人用戶中間得以推廣，跨入了主力分區(qū)文件系統(tǒng)的行列。今天，Windows XP／2003和NTFS早已是“如膠似漆”了。我們知道，當(dāng)初FAT32文件系統(tǒng)的出現(xiàn)對于FAT16而言，可以說是有了比較明顯的改善，但NTFS對FAT32的改進(jìn)，就必須得用“卓越”來形容了。NTFS最大分區(qū)上限已達(dá)到了2TB(1TB=1024GB)，從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了多個版本，Windows NT4.0中的版本為1.2，Windows 2000為3.0，Windows XP為3.1。

另外，文件存儲時以簇為單位，那么簇又是什么呢?簇是文件系統(tǒng)中基本的儲存單位。在Windows對分區(qū)進(jìn)行格式化時，會有簇大小的選擇，如果設(shè)置的值比較大，那么文件保存時占用的簇就會少，從而文件讀取性能就越高。打個比方，簇就像倉庫中的柜子，如果你選擇的是小號柜子，那么一批材料可能一個柜子裝不滿，還得用三到四個，如果是大號柜子，那么可能只用一個或兩個就裝下了。這樣裝和取材料時，柜子越少效率就越高。但是，不少批次的材料可能一個大柜子都裝不滿，這樣柜子就只能空著許多空間，積少成多，會浪費(fèi)不少空間。簇到底應(yīng)該選擇多少更合適呢?一個簡單的辦法就是，首先確定分區(qū)主要用來保存什么樣的文件，如果是體積很大的視頻和多媒體文件，那么最好將簇設(shè)置得大一些，這樣可以提高性能。如果分區(qū)主要存儲網(wǎng)頁或文本等文件，建議簇小一些，推薦使用Windows的“默認(rèn)值”，這樣會減少空間浪費(fèi)。如果想更改當(dāng)前分區(qū)的簇的大小，同時又不想重新格式化，可以使用PQMagic工具來完成(“高級一調(diào)整簇的大小”)。

3 案例三：虛擬存儲器

電腦中所有運(yùn)行的程序都需要在內(nèi)存中執(zhí)行，如果執(zhí)行的程序很大或很多，就會導(dǎo)致內(nèi)存的不足。為了解決這個問題，操作系統(tǒng)運(yùn)用了虛擬內(nèi)存技術(shù)。關(guān)于虛擬內(nèi)存，書上是這樣說的：虛擬內(nèi)存就是指從硬盤劃分一部分空間來從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存，但物理上，這部分空間仍然是屬于硬盤的。我們說得通俗一點(diǎn)，物理內(nèi)存就是插在主板上的那個內(nèi)存條的內(nèi)存。物理內(nèi)存是相對于虛擬內(nèi)存來說的，因?yàn)橐恍┏绦蛐枰褂么罅績?nèi)存，而電腦配置的物理內(nèi)存往往滿足不了要求，于是系統(tǒng)就在硬盤上劃定一定的區(qū)域來作為備用的內(nèi)存，這就是虛擬內(nèi)存。

當(dāng)物理內(nèi)存不夠用時，系統(tǒng)便會將當(dāng)前暫時不執(zhí)行的程序段存儲到虛擬內(nèi)存里，當(dāng)需要運(yùn)行時再調(diào)入內(nèi)存，這個過程由系統(tǒng)自動完成，對用戶來說對程序的調(diào)入調(diào)出毫不知情，用戶只是感覺可用的內(nèi)存很大，比實(shí)際內(nèi)存大了很多。舉例來說，如果電腦只有128MB物理內(nèi)存的話，當(dāng)讀取一個容量為200MB的文件時，就必須要用到比較大的虛擬內(nèi)存，文件被讀取之后就會先儲存到虛擬內(nèi)存，當(dāng)文件全部儲存到虛擬內(nèi)存之后，虛擬內(nèi)存里儲存的文件會釋放到原來的安裝目錄里。

Windows操作系統(tǒng)用交換文件模擬虛擬內(nèi)存。所以，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存大小等于實(shí)際物理內(nèi)存容量加上“分頁文件”(就是交換文件pagefde.sys)的大小。如果系統(tǒng)虛擬內(nèi)存太低，可以鼠標(biāo)右擊“我的電腦”選擇“屬性→高級→性能下設(shè)置→高級→打開虛擬內(nèi)存設(shè)置”，重新設(shè)置最大值和最小值，按物理內(nèi)存的1.5—2倍來設(shè)置值。用戶也可以更改虛擬內(nèi)存的存放位置，可以設(shè)置到其他容量較大的硬盤分區(qū)，讓系統(tǒng)虛擬內(nèi)存有充分的空間，讓系統(tǒng)運(yùn)行更快。

若感覺虛擬內(nèi)存太低，有以下三種解決辦法：

(1)自定義的虛擬內(nèi)存的容量(系統(tǒng)默認(rèn)是自動)太小，可以重新劃分大小。

(2)系統(tǒng)所在的盤(一般是c盤)空余的容量太小而運(yùn)行的程序卻很大，并且虛擬內(nèi)存通常被默認(rèn)創(chuàng)建在系統(tǒng)盤目錄下，我們通常可以刪除一些不用的程序，并把文檔圖片以及下載的資料等有用文件移動到其他盤中，并清理“回收站”，使系統(tǒng)盤保持1GB以上的空間，或者將虛擬內(nèi)存定義到其他剩余空間多的盤符下。

(3)系統(tǒng)盤空余的容量并不小，但因?yàn)榻?jīng)常安裝、下載軟件，并反復(fù)刪除造成文件碎片太多，也是容易造成虛擬內(nèi)存不足的原因之一。虛擬內(nèi)存需要一片連續(xù)的空間，盡管磁盤空余容量大，但沒有連續(xù)的空間，也無法建立虛擬內(nèi)存區(qū)。可以用磁盤工具整理碎片。

4 結(jié)束語

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為大學(xué)的第一門計(jì)算機(jī)課程，應(yīng)該有別于中學(xué)的信息技術(shù)課，無論在內(nèi)容的深度還是在內(nèi)容的廣度上都應(yīng)該體現(xiàn)大學(xué)課程的特點(diǎn)。教學(xué)中要使學(xué)生不僅學(xué)會基本的操作技能，而且要有一定的理論基礎(chǔ)；不僅要掌握教材上的內(nèi)容更要擴(kuò)大知識面，掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法。大學(xué)第一門計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)對學(xué)生有一個方向標(biāo)的作用，把握得好，對學(xué)生大學(xué)期間相關(guān)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)都將起到一個很好的示范和促進(jìn)作用。