電子信息類專業(yè)的“操作系統(tǒng)”教學內容設計

陸松年，潘 理，訾小超

（1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.上海交通大學 信息安全工程學院，上海 200240）

電子信息類專業(yè)的學生學習“操作系統(tǒng)”課程的目的不是設計通用的操作系統(tǒng)，在多種操作系統(tǒng)的環(huán)境上開發(fā)與專業(yè)相關的系統(tǒng)軟件和應用軟件，安全有效地管理計算機系統(tǒng)和網絡系統(tǒng)。因此，電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”教學和實驗的改革應當以理論為基礎，應用和開發(fā)并重。學生在掌握理論和深入地理解系統(tǒng)后，才能逐步提高設計新的計算機控制和處理系統(tǒng)的能力。要開發(fā)計算機通信等大型軟件，一定要理解操作系統(tǒng)的基本原理。

1 操作系統(tǒng)教學內容

國內出版的面向計算機專業(yè)的“操作系統(tǒng)”教材并不適合電子信息類專業(yè)學生的需要。我們編寫的本教材具有計算機通信、嵌入式系統(tǒng)和操作系統(tǒng)安全的特色［1］。教學內容除了包括一些操作系統(tǒng)的基本原理外，盡可能多地滲入專業(yè)所必須學的內容。

1）進程是操作系統(tǒng)中最基本的概念，進程管理是操作系統(tǒng)中最重要和最活躍的部分，其中包含操作系統(tǒng)中重要的管理思想，如進程控制塊、調度策略、進程創(chuàng)建、控制和線程等概念。

2）對于通信專業(yè)，編寫與通信協議有關的程序和各種應用之間的通信程序的能力是非常重要的，因此教學內容突出進程的通信部分理論、進程之間的互斥和同步、信號量和信號量的應用、管程、信號機構、Solairs門以及管道通信等［1］。

3）分布式和網絡系統(tǒng)也與通信專業(yè)密切相關，故教學內容也要包括分布式和網絡操作系統(tǒng)中的網絡通信機制、網絡同步和負載分配。在分布式和網絡系統(tǒng)中也要涉及同步與互斥、調度算法、分布式文件系統(tǒng)和文件共享等。

4）通信專業(yè)還要掌握計算機通信技術和基本程序，突出與計算機通信相關的原理和應用。教學內容包括基本的遠程用戶間通信、遠程登錄和執(zhí)行和遠程文件傳輸等。在編程方面要掌握消息通信、共享內存、信息量、最典型的兩個通信協議：TCP和UDP套接字編程，以及Solaris門通信和遠程過程調用RPC。

5）學習文件系統(tǒng)的管理思想和技術對于用戶實現信息的存儲、處理和設計自己的信息存儲和管理系統(tǒng)十分重要。電子信息專業(yè)學生也要重點學習文件的基本概念、文件的系統(tǒng)調用、文件的標準子例程、文件系統(tǒng)的內部結構（如索引結構、目錄結構、打開文件結構等）、文件系統(tǒng)存儲資源管理、Linux和Solaris虛擬文件系統(tǒng)（VFS）以及文件系統(tǒng)安全等。

6）Windows系統(tǒng)是當前使用最廣泛發(fā)展最快的操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)中要學習Windows 2000／XP的網絡體系架構、Windows Server 2008、Windows 7和操作系統(tǒng)虛擬化技術等。

7）計算機系統(tǒng)安全是當前十分緊迫的問題，操作系統(tǒng)安全對于信息安全專業(yè)來說是一個核心研究方向。如系統(tǒng)安全的評估與標準、操作系統(tǒng)安全機制、訪問控制、安全審計、操作系統(tǒng)安全設計原理和安全體系結構等。對應用人員，也要掌握系統(tǒng)保護、用戶身份驗證以及各種程序威脅。此外還要學習與操作系統(tǒng)安全密切相關的拒絕服務攻擊、入侵檢測、SSL和安全審計等。

8）掌握操作系統(tǒng)向用戶提供的主要的實用程序、庫函數、系統(tǒng)接口以及軟件開發(fā)工具，對于熟練地在操作系統(tǒng)的環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)軟件和應用軟件是十分重要的。因此，電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”的教學內容包括有關的實用程序和軟件開發(fā)工具，如庫的生成、維護程序的程序Make、調試排錯程序和源代碼控制系統(tǒng)等。

9）Shell是UNIX系統(tǒng)最強而有力的系統(tǒng)開發(fā)工具，是在UNIX系統(tǒng)中提高工作效率的關鍵。掌握Shell是從UNIX系統(tǒng)的新手到資深用戶或系統(tǒng)管理員的必經之路。因此電子信息類專業(yè)的學生必須學習Shell程序設計，包括Shell變量、Shell命令、控制結構、Shell函數和過程等。

10）對于電子和自動化專業(yè)，掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術是必需的。在嵌入式系統(tǒng)中要學習嵌入式系統(tǒng)分類、特點、應用領域和發(fā)展趨勢，嵌入式Linux操作系統(tǒng)實現方法、任務管理與調度算法，嵌入式操作系統(tǒng)構建、裁剪和編譯內核，嵌入式Linux操作系統(tǒng)安裝、軟件開發(fā)與調試等。

11）電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”課程要突出系統(tǒng)管理、網絡管理和連網技術。包括UNIX系統(tǒng)管理、網絡配置和網絡服務、網絡服務監(jiān)控進程、FTP服務器、域名系統(tǒng)、網絡文件系統(tǒng)、Web服務器配置與管理。還要學習常用網絡管理命令。

2 實驗教學內容的設計

“操作系統(tǒng)”不僅是理論性很強的課程，而且也是實踐性和技術性很強的課程，學習操作系統(tǒng)不能輕視實踐［2］。

實驗教學內容除了操作系統(tǒng)基本實驗部分，如存儲管理、請求分頁系統(tǒng)、進程調度和控制、并發(fā)線程、死鎖、文件系統(tǒng)的用戶界面、文件系統(tǒng)設計實驗、Shell程序設計、系統(tǒng)管理和網絡管理等實驗外，對于電子信息類專業(yè)還要注重以下幾方面實驗［3］。

每一個實險，課時是2～4個學時，每學期可以選做其中的5個實驗。

1）操作系統(tǒng)與計算機通信相結合

與通信有關的協議較復雜，程序一般也很大。應當加強進程通信有關部分的原理教學和實驗，且在每一階段理論學習后接著安排實驗課。如要求學生編制進程控制、進程間數據通信的程序和遠程進程通信程序以及Linux消息隊列的實現、遠程進程TCP和UDP通信、Solaris門函數進程通信和遠程過程調用，并完成遠程計算機之間的文件傳送FTP程序等功能。

2）嵌入式操作系統(tǒng)部分

嵌入式Linux系統(tǒng)的內核裁減、文件系統(tǒng)構建和系統(tǒng)引導是構成嵌入式Linux系統(tǒng)部分最重要的幾個環(huán)節(jié)。具體實驗內容包括嵌入式操作系統(tǒng)基本的軟件開發(fā)和調試技術，嵌入式Linux安裝與引導實驗、嵌入式操作系統(tǒng)的構建和內核裁減、嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術。

3）操作系統(tǒng)安全性部分

標識鑒別、訪問控制、安全審計、隱蔽信道檢測等是操作系統(tǒng)安全性中幾個重要的技術。在教學中，我們應結合分析當前桌面操作系統(tǒng)的安全機制，穿插操作系統(tǒng)安全性原理介紹。安排學生對Linux系統(tǒng)中的安全增強模塊進行代碼分析和配置應用，并促進學生進行安全性增強方面的探索，如開展操作系統(tǒng)登錄的可信路徑、基于硬件標識的程序權限控制和Linux的安全訪問控制等實驗。

4）課程設計部分

為了培養(yǎng)和提高學生的大型系統(tǒng)程序設計能力，可以在36學時的課程設計中讓學生分組設計以下實驗：操作系統(tǒng)進程管理和調度實現、虛擬存儲器原理及其實現、Linux的系統(tǒng)調用擴展、Linux的內核模塊擴展、系統(tǒng)調用層次上的程序狀態(tài)監(jiān)視和基于B／S結構的Linux管理系統(tǒng)等［4］。

3 教學實驗平臺的選擇

由于Linux和OpenSolaris具有開放源碼的特性，現在很多公司已經把它們作為其正式的工作平臺和服務平臺。因此，課程組就選擇Linux和OpenSolaris作為學生實驗的主要平臺，并設計了多層次組合式的實驗，以提高學生實際編程能力以及使用和管理系統(tǒng)的能力。

我們已經以Linux系統(tǒng)為平臺開設了操作系統(tǒng)模塊設計、系統(tǒng)程序設計、應用開發(fā)、系統(tǒng)管理和網絡管理等十幾個實驗。從已完成的實驗看來，Linux操作系統(tǒng)符合POSIX.1標準，與其他種類的UNIX系統(tǒng)兼容性好，在其上開發(fā)的程序可移植性強。

Solaris是Unix類操作系統(tǒng)的典范，是最成功的商業(yè)實現版本，也是最安全和最穩(wěn)定的操作系統(tǒng)之一。為了適應操作系統(tǒng)開源項目的最新發(fā)展，在教材中在存儲管理、進程管理、進程通信、設備管理和文件系統(tǒng)各章分別對Solaris操作系統(tǒng)中最有特色的相關的原理進行了介紹外，還給出了Solaris門和RPC程序設計示例。

為了將OpenSolaris用于實驗教學，除了集中實驗外，課后學生可以登錄課程組的OpenSolaris服務器，獨立設計自己的創(chuàng)新性和綜合性實驗。

［1］陸松年等.操作系統(tǒng)教程（第3版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010

［2］陸松年，龔玲.課堂教學、網絡教室和課程實驗三結合的教學方法［J］.南京：電氣電子教學學報，2009.2，88／89，94

［3］陸松年等.操作系統(tǒng)實驗教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010

［4］龔玲，陸松年，薛質."操作系統(tǒng)"課程教學探索［J］.南京：電氣電子教學學報，2007.10，1－3