操作系统实践教学改革探索

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1、操作系统实践教学改革探索　　摘要：针对操作系统的课程特点和实践教学现状，进行了深入的实践教学改革，尤其是针对操作系统实验课程的教学内容和实施方案进行逐步探索和精心设计，并在教学实践中进行了具体实施，取得了理想的教学效果。　　关键词：操作系统；实践教学；课程内容；实施方案　　中图分类号：G424文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）18-0101-03　　操作系统是高等学校计算机类专业的一门核心专业基础课程，其在计算机课程体系中处于重中之重的地位。学习本课程有助于学生对前期的专业基础知识进行整合、应用与提升

2、，形成对计算机系统的整体认识。设计好该课程的实验课有助于学生形象和深刻地理解理论课中讲述的概念、原理和技术，提升学习兴趣，提高理论水平和大型软件的开发能力。　　1操作系统实践教学现状8　　操作系统实践教学一直是操作系统课程中的重点和难点。因重视程度、师资水平、学生基础等种种因素的影响，各高校对实验内容的选取不一，难度也有差异。目前，国内外高校操作系统实践教学主要采用四种模式[1][2]：1）模拟性实验是针对操作系统中一些典型功能或算法，如进程调度、内存分配、页面置换、文件系统、死锁检测、磁盘调度等进行编程实现，这种模式并

3、不对真实的系统资源进行访问和修改；2）源代码阅读实验是通过阅读并理解具体操作系统的源代码以达到理解操作系统原理和技术的目的；3）操作系统内核扩展实验是选择一个内核简单的教学用操作系统，对基础系统进行完善和扩展。根据内核提供的接口，对相关模块如进程管理、进程调度、进程同步、虚拟存储以及文件系统功能进行设计实现，通过实验学生可以对操作系统有一个相对完善的整体认识；4）独立设计实现内核实验。国内部分一流研究型大学要求学生独立或合作实现一个结构相对简单但功能较完备的小型操作系统。通过构造真正的操作系统来建立操作系统原理的整体概念

4、，实验难度较大。　　2河北地质大学操作系统实践教学内容探索　　为了配合河北地质大学计算机科学与技术专业“试点班”的教学改革，我院在操作系统课程实践教学上进行了深入的研究和探讨，实践教学内容经历了难度逐步加大的过程。第一阶段，即在2010级和2011级学生中，借鉴了北京大学操作系统课程实践教学模式，使用Nachos作为操作系统的实践教学平台，要求学生对Nachos操作系统进行改进和完善；第二阶段，即在2012级和2013级学生中，借鉴了南京大学操作系统实践课程教学模式，要求学生设计并实现一个微型操作系统内核。　　2.1基于

5、Nachos操作系统的实践教学内容设计　　Nachos是美国加州大学伯克莱分校在操作系统课程中已多次使用的操作系统课程设计平台，在美国很多大学中得到了应用。Nachos（C++语言版）建立在一个软件模拟的虚拟机之上，模拟了MIPS8R2/3000的指令集、主存、中断系统、网络以及磁盘系统等操作系统所必须的硬件系统，源码有一万多行。Nachos不是向学生展示一个成功的操作系统，而是让学生在一个框架下发挥自己的创造性进行扩展[3-4]。　　该实验主要是要求学生在阅读和分析Nachos操作系统源码的基础上，掌握该操作系统框架，

6、对线程管理模块、内存管理模块和文件管理模块进行扩展。具体如下：　　1）线程管理模块扩展　　在阅读Nachos线程管理模块源码的基础上，对线程管理模块进行扩充。具体包括：扩展线程的数据结构，增加“用户ID、线程ID”两个数据成员，同时在Nachos现有的线程管理机制中增加对这两个数据成员的维护机制；增加全局性线程管理机制，在Nachos中增加对线程数量的限制，使得Nachos中最多能够同时存在128个用户线程；扩展同步机制，实现锁和条件变量，并应用Nachos中的信号量、锁和条件变量，实现“生产者―消费者问题”；扩展线程调

7、度算法，实现基于优先级的抢占式调度算法。　　2）存储管理模块扩充　　在阅读Nachos存储管理部分源码的基础上，对存储管理模块进行扩展。具体包括：扩展TLB管理机制，增加异常处理功能，并为TLB机制实现一种合适的页面替换算法，以尽可能避免系统颠簸的产生；设计并实现一个全局性的数据结构（如空闲链表、位图等）来进行内存的分配和回收，并记录当前内存的使用状态；打破Nachos的单线程限制，使得Nachos系统支持多个线程同时存在于内存中；基于TLB机制的异常处理和页面替换算法的实践，实现缺页中断处理。　　3）文件管理模块扩充8

8、　　在阅读Nachos文件系统相关源码的基础上，理解Nachos文件系统的工作原理，对文件管理模块进行扩充。具体包括：扩展文件属性，增加文件描述信息，尝试突破文件名长度的限制；扩展文件长度，改直接索引为间接索引，以突破文件长度不得超过4KB的限制，并可以动态调整文件长度；对文件的创建操作和写入操作进行适当的修改，以使