操作系統(tǒng)教學(xué)中整體概念的建立

　　文章編號：1672-5913(2011)21-0068-03 中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　作者簡介：王大玲，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)教學(xué)。
　　
　　摘 要：操作系統(tǒng)作為一個整體，組織和管理計(jì)算機(jī)的軟硬件資源并向用戶提供各種服務(wù)功能，操作系統(tǒng)教學(xué)是將這個整體按照其功能分成不同的章節(jié)進(jìn)行介紹。如果在教學(xué)中不加以“整體”概念的引導(dǎo)，學(xué)生得到的將是一些“零散”的知識。文章結(jié)合筆者在操作系統(tǒng)教學(xué)和課件制作中的一些體會，探討如何為學(xué)生建立操作系統(tǒng)整體的概念問題。
　　關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；整體概念；作業(yè)
　　
　　操作系統(tǒng)是一個重要的系統(tǒng)軟件，它是若干程序模塊的集合，這個集合以盡量有效、合理的方式組織和管理計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，控制程序的執(zhí)行并向用戶提供各種服務(wù)功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計(jì)算機(jī)，使整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能高效地運(yùn)行[1]。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)作為一個整體來完成上述功能。
　　在操作系統(tǒng)教學(xué)中，將操作系統(tǒng)按照其功能分成進(jìn)程管理、調(diào)度管理、存儲管理、文件管理和設(shè)備管理等內(nèi)容，分章節(jié)進(jìn)行講解。在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，盡管在前言部分介紹了操作系統(tǒng)的概念和功能，并且也強(qiáng)調(diào)了操作系統(tǒng)作為一個“整體”的概念，但在其后各章節(jié)的教學(xué)中，如果不能將“整體”的思想貫穿始終，不加以“整體”概念的引導(dǎo)，學(xué)生得到的仍是一些“零散”的知識。基于此，教材[2]以“硬件相關(guān)、應(yīng)用無關(guān)”為主線實(shí)施了整體知識的貫穿。
　　1 “整體”概念的引出
　　在前言部分，我們在介紹操作系統(tǒng)的定義和功能時(shí)，以一道程序的運(yùn)行過程展開，如圖1所示，最后再擴(kuò)展到多道程序，如圖2所示，我們采用PPT的自定義動畫功能制作這部分課件。
　　在圖1中，首先用文字顯示“啟動系統(tǒng)”和“用戶接口”，說明開機(jī)后啟動了操作系統(tǒng)，為用戶提供了操作界面。然后依次顯示“程序進(jìn)入并運(yùn)行”、“存儲管理”、“文件管理”、“設(shè)備管理”、“CPU”、“調(diào)度”等。結(jié)合這個顯示順序，依次講解：用戶通過操作系統(tǒng)提供的接口，輸入并執(zhí)行程序，程序在運(yùn)行過程中，需要占用內(nèi)存空間，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能需要以文件的形式存儲到磁盤或者從磁盤的文件中讀取數(shù)據(jù)，還可能需要從輸入設(shè)備直接讀取數(shù)據(jù)或者向輸出設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，程序運(yùn)行過程中更離不開CPU的控制、計(jì)算和處理，而這些過程的協(xié)調(diào)則需要統(tǒng)一的調(diào)度機(jī)制。
　　在介紹了一道程序的運(yùn)行過程后，再依次顯示多道程序的進(jìn)入和退出(圖2)，說明現(xiàn)代操作系統(tǒng)中同時(shí)有多道程序運(yùn)行，這些程序不斷進(jìn)入、退出，其中某些程序之間還可能存在聯(lián)系，每個程序都可能需要前面介紹的各種資源和管理功能，現(xiàn)代操作系統(tǒng)作為一個整體，將力爭合理地組織這樣多道程序的工作流程，管理相關(guān)的資源。
　　2 “整體”思想的貫穿
　　在前言部分引出操作系統(tǒng)整體概念的基礎(chǔ)上，我們還注意在各章節(jié)講解中貫穿這一思想。在我們的教學(xué)中，第2章的內(nèi)容是用戶接口與作業(yè)管理，我們在這章內(nèi)容講解時(shí)，介紹了作業(yè)的執(zhí)行過程，特別提及了作業(yè)進(jìn)入輸入井、在內(nèi)存中執(zhí)行、再到輸出井的過程(圖3)，學(xué)生通過這一章接收了“作業(yè)”的概念，了解了作業(yè)執(zhí)行過程，這也為我們在后面的教學(xué)內(nèi)容中以“作業(yè)”來貫穿操作系統(tǒng)的整體思想提供了條件。
　　
　　2.1 在“進(jìn)程管理”部分的貫穿
　　講解“進(jìn)程管理”前，在該章首頁首先顯示圖3的內(nèi)容，介紹作業(yè)在進(jìn)入主存執(zhí)行時(shí)，將被創(chuàng)建成進(jìn)程，進(jìn)程在執(zhí)行過程中由于是否能被CPU調(diào)度、是否能獲得所需資源等問題而呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，CPU及各種資源發(fā)生變化時(shí)，將觸發(fā)進(jìn)程從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)，不同進(jìn)程之間可能會因傳遞信息發(fā)生直接的聯(lián)系，也可能因搶占資源發(fā)生間接的聯(lián)系，資源管理不當(dāng)就可能發(fā)生死鎖，對此需要進(jìn)行預(yù)防和解除，這部分功能就是進(jìn)程管理。如圖4所示，顯示時(shí)先將三個狀態(tài)放大再出現(xiàn)“進(jìn)程管理”。
　　
　　2.2 在“處理機(jī)調(diào)度”部分的貫穿
　　講解處理機(jī)調(diào)度前，在該章首頁首先顯示圖3的內(nèi)容，介紹多道作業(yè)進(jìn)入輸入井后，由于內(nèi)存空間所限，只有部分作業(yè)能夠被創(chuàng)建進(jìn)程，以什么順序來完成這一工作，就涉及作業(yè)調(diào)度問題。在內(nèi)存中，處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程可能有多個，但CPU只能選擇一個進(jìn)程執(zhí)行，CPU以什么順序選擇進(jìn)程，又涉及進(jìn)程調(diào)度。同時(shí)，在線程機(jī)制中也涉及CPU對就緒狀態(tài)的線程的選擇問題，進(jìn)程的掛起、激活等又涉及內(nèi)外存調(diào)度(交換調(diào)度)問題，完成這些工作的功能就是處理機(jī)調(diào)度，如圖5所示。
　　
　　2.3 在“存儲管理”部分的貫穿
　　講解“存儲管理”前，在該章首頁首先顯示圖3的內(nèi)容，介紹進(jìn)程的創(chuàng)建和執(zhí)行需要向主存申請空間，存儲其代碼、數(shù)據(jù)、進(jìn)程控制塊等，進(jìn)程結(jié)束后又要釋放其占用的主存空間，這將涉及主存空間的劃分、分配、回收及相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，進(jìn)程的代碼、數(shù)據(jù)在程序空間和主存中的編址方式不同，在裝入主存、鏈接、執(zhí)行等過程中又涉及地址變換問題；由于主存提供的空間有限，為提高系統(tǒng)的并發(fā)度和資源利用率，將采用覆蓋、交換、段式或頁式及段頁式管理、乃至虛擬存儲技術(shù)。完成這些工作的功能就是存儲管理。如圖6所示，顯示時(shí)先將存儲器部分“放大”再出現(xiàn)“存儲管理”。
　　
　　2.4 在“文件系統(tǒng)”部分的貫穿
　　講解“文件系統(tǒng)”前，在該章首頁首先顯示圖3的內(nèi)容，介紹進(jìn)程在執(zhí)行過程中可能會產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要以某種格式永久保存在某個存儲介質(zhì)上，還可能讀取已經(jīng)保存在存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)或?qū)ζ湫薷模@將涉及數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)、存儲的格式、用戶和進(jìn)程操作的方法等。同時(shí)，由于保存數(shù)據(jù)的介質(zhì)主要是磁盤，而且用戶程序本身也要存儲在磁盤上，因此還將涉及磁盤空間的分配和回收問題。完成這些工作的功能就是文件系統(tǒng)(圖7)。
　　
　　2.5 在“設(shè)備管理”部分的貫穿
　　講解“設(shè)備管理”前，該章首頁首先顯示圖3的內(nèi)容，介紹進(jìn)程在執(zhí)行過程中除了占用主存空間、磁盤空間外，還可能直接從外部設(shè)備上(如鼠標(biāo)、鍵盤、攝像機(jī)等)輸入數(shù)據(jù)或者直接向外部設(shè)備(顯示器、打印機(jī)、麥克風(fēng)等)輸出數(shù)據(jù)，與內(nèi)存和磁盤同樣，這些外部設(shè)備也涉及分配、回收、工作方式及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。完成這些工作的功能就是設(shè)備管理(圖8)。
　　
　　以作業(yè)執(zhí)行過程作為主線，在進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理各章的開始，分別采用前述2.1~2.5的方法引出該章的內(nèi)容，從而將各章的內(nèi)容聯(lián)系起來，貫穿操作系統(tǒng)作為一個“整體”的思想。
　　3 “整體”問題的深化
　　我們在教學(xué)中，不僅在前言部分引出操作系統(tǒng)的整體概念、在各章內(nèi)容講解前貫穿操作系統(tǒng)整體這一思想，而且在各章內(nèi)部以及一些章節(jié)之間的聯(lián)系方面也時(shí)時(shí)深化操作系統(tǒng)整體的問題。
　　此外，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排、測驗(yàn)，特別是期末考試等環(huán)節(jié)，我們也盡力安排相關(guān)的內(nèi)容，加深學(xué)生對于操作系統(tǒng)作為一個整體問題的理解。
　　4 結(jié)語
　　我們從操作系統(tǒng)“整體”概念的引出、貫穿及深化幾方面，以作業(yè)執(zhí)行為主線，探討了操作系統(tǒng)教學(xué)中整體概念的建立方法，我們在教學(xué)中應(yīng)用這些方法，已取得了一定的效果。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]