基于教學(xué)操作系統(tǒng)的課程設(shè)計分析與探討

王亞 ，李歡 ，晁妍 ，王先傳

(1.阜陽師范大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037；2.阜陽師范大學(xué)教務(wù)處，安徽 阜陽 236037)

操作系統(tǒng)課程教學(xué)普遍存在注重對理論基礎(chǔ)知識和經(jīng)典算法分析，學(xué)生缺少機會學(xué)習(xí)實例操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行機制。而真正學(xué)好操作系統(tǒng)這些基礎(chǔ)理論知識，最有效的學(xué)習(xí)途徑就是動手實踐操作系統(tǒng)的開發(fā)過程。操作系統(tǒng)實踐課程具有較強的工程特征，教學(xué)過程中應(yīng)注重實踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生完成大量實驗，以理解操作系統(tǒng)的運行機制。

根據(jù)教育部 《高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系與規(guī)范》的要求，操作系統(tǒng)課程不僅要開設(shè)實驗課程，而且要開設(shè)課程設(shè)計。操作系統(tǒng)實驗教學(xué)是課程教學(xué)中薄弱的環(huán)節(jié)，缺少實例分析，學(xué)生動手實踐的機會也很少，致使學(xué)生無法深入理解操作系統(tǒng)的運行機制，這種理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象嚴重影響操作系統(tǒng)教學(xué)效果[1-3]。綜合國內(nèi)外高校操作系統(tǒng)課程建設(shè)以及相關(guān)實驗課程情況，本文將重點分析國內(nèi)外高校使用的教學(xué)操作系統(tǒng)特點，以及在這些平臺之上開設(shè)課程設(shè)計的情況。從中汲取成功經(jīng)驗，選擇合適的教學(xué)操作系統(tǒng)，設(shè)計適合本校學(xué)生特點的課程設(shè)計內(nèi)容，為推進本校的操作系統(tǒng)實踐教學(xué)改革做指導(dǎo)。

1 教學(xué)操作系統(tǒng)的分類

以教學(xué)為目的教學(xué)操作系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，國外有 Minix、XV6、GeekOS、Nachos、OS/161 等，國內(nèi)有uCore、Tinix、MOS等。雖然設(shè)計方法和主要功能各有差別，但都有共同特點：以教學(xué)為目的、開源、開放和易擴展，所以能很好地滿足操作系統(tǒng)實驗教學(xué)需求。教學(xué)操作系統(tǒng)的運行要依賴于重要的硬件資源——處理器，根據(jù)處理器類型可分為兩大類：一個基于復(fù)雜指令集CISC(Complex Instruction Set Computing)結(jié)構(gòu)的X86(或Intel IA32)通用處理器的，另一是基于精簡指令集RISC(Reduced Instruction Set Computing)結(jié)構(gòu)的MIPS處理器的。

1.1 基于X86(或 Intel IA32)通用處理器

1.1.1 Minix

Minix(Mini-Unix)由荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)Andrew S.Tanenbaum 開發(fā)設(shè)計[4]。 具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)啟動、進程管理、存儲管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)和Shell等比較完整的內(nèi)容。系統(tǒng)由一萬多行代碼組成，五千多行代碼運行在內(nèi)核模式下，其它代碼運行在用戶模式下。該系統(tǒng)已基本實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的主要功能，適合學(xué)生練習(xí)的空間已很小。系統(tǒng)功能較完整，結(jié)構(gòu)過于龐雜，用于集中式教學(xué)過程中，比較難以理解和掌握，特別對專業(yè)基礎(chǔ)不是扎實的學(xué)生，更難掌握。所以國內(nèi)選擇該系統(tǒng)作為課程設(shè)計平臺的高校都是一些知名重點高校，如：上海交大、南京大學(xué)、南開大學(xué)等。雖然設(shè)計的最初目的是為了教學(xué)，但是在實際的教學(xué)過程使用還是有些困難。

1.1.2 XV6

基于Unix系統(tǒng)的第6版用ANSI標準的C語言編寫，在X86處理器上運行的微內(nèi)核系統(tǒng)，所以命名為XV6。它是由麻省理工大學(xué)(MIT)為操作系統(tǒng)工程課程教學(xué)而設(shè)計的[5]，XV6是一個供學(xué)生閱讀的學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，除了XV6外還有一個供學(xué)生實驗JOS微內(nèi)核系統(tǒng)，避免了學(xué)生花太多的精力在底層設(shè)計，讓學(xué)生集中精力在操作系統(tǒng)核心設(shè)計。國內(nèi)外也有很多大學(xué)使用該系統(tǒng)，如：耶魯大學(xué)(Yale University)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、東北大學(xué)等。

1.1.3 GeekOS

由美國馬里蘭大學(xué)老師開發(fā)設(shè)計，其設(shè)計目標是在一個真實的X86硬件平臺上實現(xiàn)簡潔版操作系統(tǒng)[6]。雖然整個系統(tǒng)只設(shè)計了七個項目，但卻覆蓋了操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容，并且項目與項目之間難度逐漸遞增，給學(xué)生提供一個循序漸進的學(xué)習(xí)環(huán)境。以該系統(tǒng)為學(xué)習(xí)內(nèi)核的工具，學(xué)生動手參與到一個操作系統(tǒng)的開發(fā)中，更適合學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。GeekOS基于C語言，可以在Linux環(huán)境下編程，對其功能進行擴充，也可以在Windows下使用Cygwin工具進行開發(fā)。該平臺的使用對學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和能力的要求，相對較弱一些，所以國內(nèi)選擇使用該平臺作為課程設(shè)計的高校，普通本科院校占據(jù)多數(shù)，如：桂林電子科技大學(xué)、山東科技大學(xué)等，當然也有少數(shù)重點高校使用，如西北工業(yè)大學(xué)等。

1.1.4 其他

(1)Linux

芬蘭赫爾辛基大學(xué) (Helsinki University)的Linus Torvalds，以Minix-386硬盤鏡像為最初環(huán)境開發(fā)了Linux-0.01。它的源代碼開放，經(jīng)過眾多優(yōu)秀程序員共同開發(fā)完善，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為功能強大的Linux操作系統(tǒng)。用于教學(xué)時一般選擇低版本內(nèi)核，但其內(nèi)核用于教學(xué)還是過于龐大。目前有哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)、國防科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)等大學(xué)使用該系統(tǒng)。

(2)uCore

清華大學(xué)計算機系陳渝團隊為本科生而設(shè)計的教學(xué)操作系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)基于 XV86、參考了麻省理工(MIT)的JOS、哈佛(Harvard University)的OS/161和Linux系統(tǒng)，采用C語言和X86匯編語言，以增量方式完成uCore OS的設(shè)計，代碼在五千行以內(nèi)非常適合教學(xué)為目的。

(3)Pintos

Pintos是Nachos系統(tǒng)的改版，由于Nachos依賴于MIPS匯編代碼，不便于在X86硬件平臺運行。斯坦福大學(xué)(Stanford University)用C語言編寫了，可以運行在X86實際硬件平臺上的Pintos[8]。目前國內(nèi)高校有解放軍理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等在使用該系統(tǒng)。

1.2 基于MIPS處理器

1.2.1 Nachos

Nachos(Not Another Completely Heuristic Operating System)由Thomas Anderson設(shè)計，在美國加州大學(xué)伯克利分校 (University of California，Berkeley)發(fā)展起來操作系統(tǒng)課程設(shè)計平臺[9]。 它是一個運行過程可以被跟蹤的教學(xué)操作系統(tǒng)，作為一個用戶進程運行在主操作系統(tǒng)之上，同時還需要運行在一個模擬MIPSR2/3000指令集虛擬機上。Nachos建立在軟件模擬的虛擬機上，避免了編寫復(fù)雜的硬件控制程序，用C++和JAVA語言中的類來表示各個機器模擬對象。與GeekOS相比，只能運行在MIPS處理器的模擬器上，若移植到實際硬件機器行，需要使用交叉編譯器才能把代碼編譯成MIPS相應(yīng)的機器代碼。但是該系統(tǒng)存在和實際操作系統(tǒng)不相符合的設(shè)計，比如：內(nèi)核設(shè)計不受內(nèi)存容量限制，這樣會對實際操作系統(tǒng)運行機制會造成誤解。由C++對象設(shè)計與底層硬件隔離模擬器接口，學(xué)生無法了解真正硬件的工作過程。國內(nèi)使用該系統(tǒng)的高校有山東大學(xué)、四川大學(xué)、北京大學(xué)等。

1.2.2 OS/161

由美國哈佛大學(xué)(Harvard University)設(shè)計，運行在與操作系統(tǒng)無關(guān)的System/161模擬器上[10]。它只包括一個便攜系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，與處理器和平臺相關(guān)的代碼分開維護，用C語言編寫、GCC編譯。系統(tǒng)提供了基本的核心功能，其它功能不包括在內(nèi)，設(shè)計成任務(wù)由學(xué)生編程完成，給學(xué)生提供了充分的學(xué)習(xí)空間。與Nachos有很多相似之處，需要使用交叉編譯器才能把代碼編譯成MIPS相應(yīng)的機器代碼。

2 基于部分教學(xué)操作系統(tǒng)開設(shè)的課程設(shè)計

由于基于CISC結(jié)構(gòu)的X86或IA32處理器是最通用的處理器，下面重點介紹該結(jié)構(gòu)下的幾個教學(xué)操作系統(tǒng)的課程設(shè)計項目。

2.1 XV6

國外知名高校MIT開設(shè)了6.828：Operating System Engineering[11]，在 XV6 和 JOS 的基礎(chǔ)上開設(shè)了七個實驗，課程設(shè)計內(nèi)容如表1所示。

表1 MIT 6.828基于XV6課程設(shè)計項目

2.2 uCore

清華大學(xué)計算機系教師開發(fā)設(shè)計的uCore OS，2015年春季在專業(yè)IT在線實訓(xùn)平臺 “實驗樓”上開設(shè)了“操作系統(tǒng)實驗-基于uCore OS”的實驗課程[12]，課程設(shè)計內(nèi)容如表2所示。

2.3 GeekOS

該教學(xué)操作系統(tǒng)一般在普通本科院校中使用較廣泛，以桂林電子科技大學(xué)為例，詳細課程設(shè)計內(nèi)容如表3所示。

表2 清華大學(xué)基于uCore OS的課程設(shè)計項目

表3 桂林電子科技大學(xué)基于GeekOS的課程設(shè)計項目

3 結(jié)束語

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，在操作系統(tǒng)課程最有效的學(xué)習(xí)方法是動手實踐。國內(nèi)外高校也在操作系統(tǒng)實踐教學(xué)上進行了堅持不懈的改革，逐步開發(fā)設(shè)計出以教學(xué)為目的教學(xué)操作系統(tǒng)。本文介紹了幾種類型的教學(xué)操作系統(tǒng)，如何選擇一種合適的教學(xué)操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)課程設(shè)計的平臺，是要解決的首要問題。良好的課程設(shè)計平臺不需要規(guī)模龐大、功能非常完善的大型操作系統(tǒng)，而應(yīng)該為開源與實際操作系統(tǒng)運行工作機制接近的微型操作系統(tǒng)。作為開源的教學(xué)操作系統(tǒng)其功能相對完善、代碼應(yīng)該短小精簡、便于學(xué)習(xí)擴展。各學(xué)校可結(jié)合學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力，設(shè)計不同層次的課程設(shè)計內(nèi)容，以不斷擴充學(xué)生知識面、提升動手實踐能力。