提高《操作系統(tǒng)》教學(xué)質(zhì)量的方法探討

李暢

摘要：本文講述了操作系統(tǒng)教學(xué)過程中，如何做到概念的抽象類比教學(xué)，算法的理論具體結(jié)合教學(xué)以及如何設(shè)計實驗內(nèi)容達(dá)到教材和實踐結(jié)合的教學(xué)，通過這些方法的運(yùn)用，在保證操作系統(tǒng)理論知識教學(xué)基礎(chǔ)上，調(diào)動課堂氛圍，提高學(xué)生動手實踐能力。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);進(jìn)程;調(diào)度;FAT32

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0172-02

Abstract： This paper describes how to achieve Abstract Analogy Teaching of concepts in the process of operating system teaching， how to combine the theory of algorithm with teaching， and how to design experimental content to achieve the teaching method of combining textbooks with practice. Through the application of these methods， on the basis of ensuring the teaching of operating system theory knowledge， the course is mobilized. The atmosphere of the hall improves students' practical ability.

Key words： operating system; process; scheduling; FAT32

1 引言

計算機(jī)作為一門當(dāng)代學(xué)科——計算機(jī)科學(xué)正在快速地發(fā)展，而操作系統(tǒng)在計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展過程中發(fā)揮了極其重要的作用。沒有它，就沒有計算機(jī)科學(xué)的普及和發(fā)展?！?】操作系統(tǒng)課程作為計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，理解操作系統(tǒng)的基本原理，對學(xué)生后續(xù)軟件設(shè)計和開發(fā)具有引導(dǎo)啟示作用。雖然操作系統(tǒng)如此重要，但是在教學(xué)過程中，操作系統(tǒng)原理課程對學(xué)生來說意味著難懂，枯燥。如何讓學(xué)生認(rèn)識到操作系統(tǒng)的重要性以及能夠更好地理解和學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)是老師教學(xué)中要不斷思考和調(diào)整的方向。經(jīng)過多年教學(xué)積累，探索出抽象類比相對應(yīng)，理論具體相結(jié)合，教材實踐相補(bǔ)充的教學(xué)模式。

2 抽象類比相對應(yīng)

類比是把不同的兩個對象進(jìn)行比較，根據(jù)兩個對象在一系列屬性上的相似，而且已知其中一個對象還具有其他的屬性，由此推出另一個對象也具有相似的其他屬性的結(jié)論。操作系統(tǒng)的概念比較抽象，教學(xué)過程中用淺顯易見的事物對抽象的概念進(jìn)行對比，幫助學(xué)生深入的理解。這里列出兩個具體概念的類別。

2.1 操作系統(tǒng)概念

把操作系統(tǒng)類比成政府職能部門。操作系統(tǒng)很重要的功能是管理功能，管理計算機(jī)的軟件和硬件資源。這一點(diǎn)與政府管理職能部門的作用非常一致。就管理職能部分來說，操作系統(tǒng)不能像應(yīng)用軟件那樣產(chǎn)生開發(fā)后的產(chǎn)品和成果。操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)資源的分配，以更好地組織計算機(jī)的流程。顯然，政府職能部門不能夠直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但是，通過職能部門的管理，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的效率大大提高了。

2.2 進(jìn)程的概念

進(jìn)程最難理解的是它的動態(tài)性以及資源占有情況。用做蛋糕的過程來類比進(jìn)程。為了做蛋糕，首先操作者要找到一份菜譜，菜譜上列明所需材料及制作過程。菜譜對應(yīng)了計算機(jī)中的程序，程序是一個順序書寫的代碼集合，告訴計算機(jī)要做什么。制作蛋糕的過程中，操作者首先需要準(zhǔn)備材料，這些材料對應(yīng)了程序運(yùn)行中的輸入數(shù)據(jù)。在制作過程中，除了材料，還需要烤箱等工具。在程序運(yùn)行過程中，除了輸入數(shù)據(jù)還需要內(nèi)存、寄存器等系統(tǒng)資源。做蛋糕是由操作者來按照菜譜完成整個工作的。程序的運(yùn)行是由CPU控制完成整個工作的。所以，做蛋糕除了需要原料還需要工具和人員，這是一個完整的做蛋糕的過程，這個過程結(jié)束了，這次蛋糕就做完了。進(jìn)程也是如此，當(dāng)需要運(yùn)行一個程序的時候，系統(tǒng)為了運(yùn)行該程序，建立一個進(jìn)程。CPU按照程序的說明，進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的處理，處理過程中需要用到很多其他資源，最后輸出運(yùn)行結(jié)果。一旦輸出結(jié)果，該進(jìn)程就完成了，并且釋放了所占有的系統(tǒng)資源。

3 理論具體相結(jié)合

操作系統(tǒng)的理論雖然難懂，但是實實在在地支持著現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。在講授具體理論的時候，能夠結(jié)合當(dāng)前操作系統(tǒng)，做到理論聯(lián)系實際，更容易調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。這里討論一下操作系統(tǒng)調(diào)度算法和文件管理系統(tǒng)如何結(jié)合實際的操作系統(tǒng)。

3.1 進(jìn)程調(diào)度算法

目前主流教材中，介紹操作系統(tǒng)調(diào)度算法通常介紹先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級法、輪轉(zhuǎn)法等。Linux系統(tǒng)中將優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)法調(diào)度、先進(jìn)先出調(diào)度綜合起來形成了獨(dú)特的負(fù)反饋調(diào)度算法。在Linux中，每個進(jìn)程用task-struct 結(jié)構(gòu)來描述，進(jìn)程調(diào)度的依據(jù)是task-struct結(jié)構(gòu)中的policy、priority、counter和rt-priority。Policy的值用于反映針對不同類型的進(jìn)程而采用的調(diào)度策略。當(dāng)Policy取值為SCHED-RR和SCHED-FIFO時用于實時進(jìn)程，按照輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略和先進(jìn)先出調(diào)度策略處理;當(dāng)Policy取值為SCHED-OTHER表示普通進(jìn)程，按照輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略處理。這三種調(diào)度策略均基于優(yōu)先級。PCB中設(shè)置Priority，其值為普通進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級。普通進(jìn)程的可用時間片的初始值即為該值，該值通過系統(tǒng)調(diào)用是可以改變的。PCB 中設(shè)置rt-p riority，其值是實時進(jìn)程專用的調(diào)度優(yōu)先級，實時進(jìn)程的可用時間片的初始值即為該值，該優(yōu)先級也可以由系統(tǒng)調(diào)用來修改。PCB 中設(shè)置counter，用于進(jìn)程可用時間片時值的計數(shù)。每次調(diào)度程序都對就緒隊列中所有的進(jìn)程依次比較，選擇counter值最大的也就是優(yōu)先級最高的進(jìn)程執(zhí)行。當(dāng)就緒隊列中沒有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程時，內(nèi)核統(tǒng)一對所有進(jìn)程counter重新賦值：

處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程counter不會改變，所以相對變大，于是，優(yōu)先級更高，獲得調(diào)度的機(jī)會也更大。這就是Linux的負(fù)反饋綜合調(diào)度算法。

3.2 文件管理系統(tǒng)

文件在磁盤上的物理結(jié)構(gòu)主要有順序文件組織形式、鏈接文件組織形式和索引文件組織形式。在講述這一部分的時候集合Window的FAT32來講述。順序文件組織形式的優(yōu)勢是讀取速度快，不足時增加和刪除處理復(fù)雜，鏈接文件的優(yōu)勢是增加和刪除操作簡單，但是查找速度慢。Windows的FAT32結(jié)合了這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，形成了高效的文件組織形式。在進(jìn)行windows操作系統(tǒng)安裝的時候，需要選擇格式化磁盤格式，其中有FAT32選項，學(xué)生們大部分在安裝操作系統(tǒng)的時候并不是很清楚FAT32是什么，在講授文件組織形式時，提到FAT32，學(xué)生們的興趣被調(diào)動起來。FAT32是分區(qū)格式的一種。這種格式采用32位的文件分配表，是一種顯式鏈接文件組織形式。通俗講，就是把鏈接結(jié)構(gòu)中的鏈接指針單獨(dú)提取出來形成一個文件。在Window系統(tǒng)中，磁盤分配的基本單位是簇，F(xiàn)AT中的每一項存放了一個指針，指向一個文件的下一簇的地址。在每個文件的FCB中，只需要存放首簇的地址，其余的地址從文件分配表中得到。

4 教材實踐相補(bǔ)充

在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中有8個課時的實踐教學(xué)，實驗采用的是Linux系統(tǒng)。實驗內(nèi)容設(shè)置為進(jìn)程主題，包括進(jìn)程的創(chuàng)建，進(jìn)程間的通信，以及進(jìn)程動態(tài)資源申請的銀行家算法實現(xiàn)。在進(jìn)程創(chuàng)建部分，學(xué)生通過程序的多次運(yùn)行，體驗進(jìn)程運(yùn)行順序的隨機(jī)性和進(jìn)程的動態(tài)性;在進(jìn)程通信部分，學(xué)生可以感受進(jìn)程間的同步現(xiàn)象;在銀行家算法部分，更清楚了解操作系統(tǒng)資源分配的算法?？吹綄W(xué)過的理論和自己的實驗?zāi)軌虻玫揭恢碌慕Y(jié)果，毫無疑問可以大大增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

5 結(jié)束語

上面列舉的幾種方法都是在上課過程中不斷調(diào)整改進(jìn)總結(jié)得來。隨著新技術(shù)的發(fā)展，我們要不斷調(diào)整教學(xué)思路和方法，結(jié)合新技術(shù)來講解操作系統(tǒng)課程，使得這門“古老”的課程不斷融合吸收“新鮮”的知識。

參考文獻(xiàn)：

[1]范策，許憲成，黃紅桃，等. 計算機(jī)操作系統(tǒng)教程——核心與設(shè)計原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.

[2]仇陽.Linux內(nèi)核進(jìn)程調(diào)度算法發(fā)展[J]. 北京電子世界，2017（4）.

【通聯(lián)編輯：王力】