操作系統原理實驗教學環境建設的探討

王曉東

摘 要：實驗教學是操作系統原理課程教學的一項重要內容，重點之一是實驗教學環境的建設。本文簡述了在實驗教學環節中引入EOS的經驗和方法，并且解釋了在建設實驗環境時可能遇到的一些問題。

關鍵詞：操作系統;實驗;EOS;建設

一、引言

操作系統原理是計算機相關專業很重要的一門專業理論課程，做好操作系統實驗，對學生理解并掌握操作系統的基本理論和算法有很大的幫助。如果建設了一個完善的操作系統原理實驗環境，再以此為基礎設計具體的操作系統原理實驗項目，會顯得事半功倍，也有利于學生全面了解操作系統編程的方法。經過考察調研，結合學校實際情況，選擇了EOS教學軟件來構建操作系統原理實驗環境。

EOS由國內的一家科技公司開發，是一個可以在Intel X86平臺上運行的、面向教學的開源操作系統。為了讓EOS適合于教學，EOS被設計得十分小巧，并且盡量保持架構簡單，但是EOS仍然涵蓋了系統引導、進程管理、內存管理、設備管理、文件系統等重要的操作系統概念。EOS完全由匯編語言和C語言編寫，開放了全部源代碼，同時在源代碼中添加了大量的注釋，讓閱讀和理解源代碼更加容易。EOS操作系統提供的API（應用編程接口）與Windows基本一致，在編寫EOS應用程序時可以直接調用這些API函數，使得EOS系統編程可以和Windows系統編程較好地銜接與融合。

二、集成實驗環境

EOS有配套的IDE（Integrated Development Environment）實驗環境。該IDE環境可以直接在Windows操作系統上安裝和卸載，用戶界面和操作習慣與Visual Studio完全類似，而學生C語言編程就是在Visual Studio環境下完成的，所以可以迅速上手。這樣就避免了由于手工構建實驗環境所帶來的學習成本，從而可以將主要精力放在對操作系統原理和EOS源代碼的分析與理解上。使用該IDE環境提供的強大功能可以方便、迅速地編輯、編譯和調試EOS源代碼，編輯功能可以用來閱讀和修改EOS源代碼;編譯功能可以將EOS源代碼編譯為二進制文件（包括引導程序和內核）;調試功能可以將編譯好的二進制文件寫入一個軟盤鏡像（或軟盤），然后讓虛擬機（或裸機）運行此軟盤中的EOS，并對其進行遠程調試。IDE環境提供的調試功能十分強大，包括設置斷點、單步調試，以及在中斷發生時顯示對應位置的C語言源代碼、查看或修改表達式的值、顯示調用堆棧和指令對應的匯編代碼等功能。靈活運用各種調試功能，這對學生分析EOS的源代碼有很大幫助。

IDE環境除了提供以上的主要功能外，還提供了一些工具軟件。使用Floppy Image Editor工具提供的可視化用戶界面，學生可以像編輯軟盤驅動器中的軟盤一樣來編輯軟盤鏡像文件，從而可以在Windows操作系統中直接觀察到EOS操作系統對軟盤的修改。IDE環境與多種免費的第三方虛擬機軟件進行了無縫融合，主要的虛擬機包括Bochs和Virtual PC，學生在調試時可以使用這些虛擬機來運行EOS操作系統。

EOS操作系統與IDE環境共同組成了操作系統原理集成實驗環境，學生在做操作系統實驗時，通過使用IDE環境編輯、編譯和調試EOS源代碼，從而觀察操作系統的運行過程，理解操作系統的一些常用算法。

三、從源代碼到可運行的操作系統

無論是EOS操作系統內核還是EOS應用程序，開始時它們都只是一些源代碼文件，當編譯器、鏈接器、軟盤鏡像編輯器等工具對這些源代碼文件進行逐步轉化后，就變成了可以在虛擬機上運行的EOS操作系統內核與EOS應用程序。雖然IDE環境可以使用以上的各種工具自動地完成上述轉化過程，但是學生還是應該弄清楚上述過程內部的細節，這對于他們理解操作系統原理是有很大幫助的。操作系統和應用程序之間一個重要的紐帶就是API，操作系統通過開放API為應用程序提供服務，應用程序通過使用這些API實現其功能。在操作系統和應用程序運行時，API可能只是一個簡單的調用和被調用的關系，但是在編寫操作系統的源代碼時，必須要解決如何才能開放API的問題。在編寫應用程序的源代碼時，又必須要解決如何才能使用API的問題。SDK是Software Development Kit的縮寫，即軟件開發工具包。操作系統通過向程序員提供SDK來開放其API，開發者在為操作系統編寫應用程序時，通過使用SDK來調用API。所以如果學生要為操作系統開發應用程序，就需要首先獲得操作系統的SDK。

SDK一般采用文件的形式并結合特定的編程語言，向程序員提供系統的API，有些SDK還會提供相關的文檔、編程范例和工具軟件等。SDK為了向程序員提供系統API，往往會包含頭文件、導入庫文件和動態鏈接庫文件。頭文件一般會被放在SDK中的Include文件夾中，它的主要作用是導出系統使用的一些數據類型（例如系統中使用的結構體類型）和API函數的聲明，在為系統開發應用程序時，往往需要使用和頭文件相同或兼容的編程語言來編寫源代碼文件。并且只有在源代碼文件中包含了這些頭文件后，才能使用系統提供的數據類型和API函數。在IDE環境將EOS操作系統內核源代碼文件生成二進制文件時，會將boot.asm文件生成為boot.bin文件（軟盤引導程序），將loader.asm文件生成為loader.bin文件（加載程序），將其它的源代碼文件生成為kernel.dll文件和libkernel.a文件。其中kernel.dll文件是EOS操作系統的內核，EOS操作系統的API函數就是從此文件導出的，所以在生成此文件的同時還要生成導入庫文件libkernel.a，當EOS應用程序的可執行文件與此導入庫文件鏈接后，就可以調用kernel.dll文件導出的API函數了。在IDE環境啟動執行EOS操作系統時，會將boot.bin、loader.bin和kernel.dll三個二進制文件寫入軟盤鏡像文件中，然后讓虛擬機來執行軟盤中的EOS操作系統。

在編寫EOS應用程序的源代碼之前，必須首先獲得EOS SDK文件夾。然后在EOS應用程序的頭文件eosapp.h中，包含SDK/INC文件夾中的三個頭文件。實際上eosapp.h只需要包含eos.h文件即可，因為在eos.h文件中已經包含了eosdef.h和error.h文件。在IDE環境將EOS應用源代碼文件生成二進制文件時，鏈接器會將由eosapp.c文件和C運行時庫源代碼文件生成的目標文件與SDK/BIN文件夾中的導入庫文件libkernel.a一同鏈接，生成EOS應用程序的可執行文件eosapp.exe。在IDE環境運行EOS應用程序時，會將SDK/BIN文件夾中的boot.bin、loader.bin和kernel.dll寫入軟盤鏡像，這樣EOS操作系統才能夠啟動運行。同時會將EOS應用程序的可執行文件eosapp.exe和一個內容為“eosapp.exe”的文本文件autorun.txt寫入軟盤鏡像，這樣在EOS操作系統成功啟動后，操作系統會自動運行autorun.txt文件中記錄的應用程序可執行文件eosapp.exe。

四、結語

以上主要介紹了EOS操作系統和與其配套的集成實驗環境，引入EOS建設操作系統原理課程的實驗環境，實踐證明其效果還是較為理想的。教師可以精心設計基于EOS環境的操作系統實驗，提高操作系統原理課程的教學質量。

參考文獻：

[1] 龐麗萍. 操作系統原理（第四版）[M].武漢： 華中科技大學出版社， 2008.