秦俊平　壽永熙　馬志強(qiáng)　趙俊生

摘要：本文介紹了作者多年來對操作系統(tǒng)實(shí)例與實(shí)踐教學(xué)的研究與探索的經(jīng)驗(yàn)，提出了在教學(xué)過程中采用工具軟件詮釋實(shí)例的方法。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；工具軟件；鏈接；模塊；虛實(shí)地址空間；地址轉(zhuǎn)換

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1672-5913(2009)04-0030-02

操作系統(tǒng)是用來管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有軟、硬件資源的系統(tǒng)軟件，所有的計(jì)算機(jī)用戶都在使用操作系統(tǒng)，只不過不同層次的用戶在不同層次使用操作系統(tǒng)提供的功能。計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)一直以來將操作系統(tǒng)作為最重要的專業(yè)核心課程，一方面，使學(xué)生通過操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，深入理解計(jì)算機(jī)的軟硬件協(xié)同工作原理；另一方面，有助于加強(qiáng)和培養(yǎng)同學(xué)們的解決實(shí)際問題的綜合能力，加深專業(yè)素養(yǎng)，而這也正是計(jì)算機(jī)專業(yè)與非計(jì)算機(jī)專業(yè)對學(xué)生計(jì)算機(jī)知識培養(yǎng)的區(qū)別所在。

1課題背景

面對這樣的定位，教師如何教、學(xué)生如何學(xué)成為各高校相關(guān)教師不斷研究的方向。教師所講授的內(nèi)容從基本理論知識和典型算法到理論與實(shí)際操作系統(tǒng)相結(jié)合，與此相對應(yīng)，各高校也編寫出版了一些新的將操作系統(tǒng)理論與實(shí)際操作系統(tǒng)結(jié)合在一起的教材。新的教學(xué)內(nèi)容對教師提出了更高的要求，也促使我們探索更有效的教學(xué)方式。以“傳授知識、培養(yǎng)能力”為目標(biāo)，我們將操作系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容分為三部分處理：

(1)對于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)理論和典型算法，既要讓同學(xué)們學(xué)習(xí)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)理論，又要為同學(xué)們參加研究入學(xué)考試奠定基礎(chǔ)。在覆蓋大綱的前提下，講授時(shí)務(wù)求透徹。保證同學(xué)們能夠理解原理。

(2)對于操作系統(tǒng)實(shí)例，講授操作系統(tǒng)功能在具體操作系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)際教學(xué)情況來看，不太易于解釋明白。究其原因，主要有：

①操作系統(tǒng)作為大型系統(tǒng)軟件，規(guī)模龐大，比如較流行的作為實(shí)例的Unix、Linux或Windows系統(tǒng)，規(guī)模都很大；

②操作系統(tǒng)功能都是軟件和硬件配合工作實(shí)現(xiàn)的，其中任一部分功能的實(shí)現(xiàn)，都涉及太多的細(xì)節(jié)問題，比如存儲器管理中進(jìn)程邏輯地址到物理地址的映射，就涉及到了CPU中專用寄存器、內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和硬件的地址轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等知識。

這一部分所涉及知識全部講述，課時(shí)必然不夠用：囫圇吞棗地講，同學(xué)們課堂上聽不懂，下去自學(xué)必定遇到障礙(復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，瑣碎的細(xì)節(jié))，最終極有可能使此一部分內(nèi)容以記住幾個(gè)概念、了解幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)收場，從而失去學(xué)習(xí)實(shí)例的本意。

(3)對于操作系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，要使學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用所學(xué)理論解決問題，以提高能力為目標(biāo)。

操作系統(tǒng)實(shí)例和操作系統(tǒng)的實(shí)踐部分是加強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生的解決實(shí)際問題的綜合能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對加深學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)很有意義，其如何實(shí)施是教學(xué)研究的重點(diǎn)。

2操作系統(tǒng)實(shí)例教學(xué)的研究

我院在教學(xué)過程中，注重實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

具體在操作系統(tǒng)實(shí)例教學(xué)中，我們的目標(biāo)是：

(1)力求從整體上展現(xiàn)操作系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法，避免陷入細(xì)節(jié)。

(2)操作系統(tǒng)作為大型軟件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能完善，操作系統(tǒng)實(shí)例教學(xué)不求面面俱到，而是以其中的幾個(gè)方面作為突破口，詮釋具體操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，從而舉一反三，理解全部。

講授實(shí)例的目的是介紹在具體操作系統(tǒng)中，理論是如何實(shí)現(xiàn)的。新教材有的是以分析開源操作系統(tǒng)的源代碼及操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行解釋的，這是非常好的資料，但往往篇幅較大，作為課堂教學(xué)內(nèi)容有散亂、不易于組織的缺點(diǎn)。鑒于此，如果能將理論知識的實(shí)現(xiàn)方法通過直觀的方法進(jìn)行剖析，從另外一個(gè)角度展現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)、理解是大有幫助的。我們采用一系列工具軟件由外向內(nèi)一步步地展現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

3操作系統(tǒng)實(shí)例教學(xué)的實(shí)踐

下面主要以Windows系統(tǒng)下存儲器管理為例，介紹采用工具軟件進(jìn)行教學(xué)的過程。講授操作系統(tǒng)其他管理功能的思想與此相同，只是所使用工具軟件有所不同。

在介紹存儲器管理部分時(shí)，要介紹程序的鏈接方式。我們用一段源程序作為實(shí)例，分別采用不同的IDE環(huán)境，得到功能完全相同的兩種不同格式(靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接)的可執(zhí)行文件。首先比較兩種格式文件的大小，一般而言，靜態(tài)鏈接可執(zhí)行文件遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)鏈接可執(zhí)行文件，相比而言多了些什么內(nèi)容呢?靜態(tài)鏈接可執(zhí)行文件中包含了該程序運(yùn)行需要的所有內(nèi)容，其中有程序中所調(diào)用的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼，那么動(dòng)態(tài)鏈接可執(zhí)行文件是如何組織的呢?分析動(dòng)態(tài)鏈接所得到可執(zhí)行文件，在Windows下，使用dependences工具，分析PE文件頭部得出了所要?jiǎng)討B(tài)鏈接的庫以及庫中的具體函數(shù)；在Linux下，使用idd工具分析ELF文件頭部得出了所要?jiǎng)討B(tài)鏈接的庫。

接下來，分析動(dòng)態(tài)鏈接庫是如何加載的。對于Windows的虛擬存儲器，在進(jìn)程邏輯地址空間，分段概念如何體現(xiàn)呢?首先運(yùn)行鏈接得到的可執(zhí)行文件，創(chuàng)建進(jìn)程之后使用工具軟件分析進(jìn)程快照(snapshot)，可得該進(jìn)程當(dāng)前加載的模塊的情況，包括每個(gè)模塊的名稱、大小、基地址和共享計(jì)數(shù)等，這就可以看到動(dòng)態(tài)鏈接庫確實(shí)被加載到進(jìn)程邏輯地址空間，而且這些模塊是被整體加載的，它們占用不連續(xù)的邏輯地址，由此可見，動(dòng)態(tài)鏈接庫就是操作系統(tǒng)理論中分段管理的實(shí)際對應(yīng)物，從而段是一個(gè)面向用戶的邏輯單位，段內(nèi)連續(xù)、段間離散，分段引入的是二維地址空間等理論得到了生動(dòng)的詮釋。

再進(jìn)一步，在程序中增加動(dòng)態(tài)加載模塊的語句，并安排到某分支中，重新編譯、鏈接得到可執(zhí)行文件。運(yùn)行并分析其所加載的模塊，執(zhí)行相應(yīng)的包含動(dòng)態(tài)加載模塊的語句分支后，再分析其所加載的模塊，對比分析兩次結(jié)果的不同，闡述動(dòng)態(tài)加載的相應(yīng)內(nèi)容。在程序中加載兩個(gè)占用同一推薦地址的動(dòng)態(tài)鏈接庫模塊，運(yùn)行其并分析其所加載的模塊，可見當(dāng)發(fā)生地址沖突時(shí)系統(tǒng)是如何處理的，借以解釋地址重定位。在兩個(gè)程序中使用同一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，分別編譯、鏈接得到動(dòng)態(tài)鏈接格式的可執(zhí)行文件，先后分別運(yùn)行兩個(gè)程序，并觀察隨著進(jìn)程創(chuàng)建、結(jié)束該模塊引用計(jì)數(shù)的變化情況，闡述以段作為管理單位實(shí)現(xiàn)共享的實(shí)現(xiàn)方法。

進(jìn)程邏輯地址空間涉及內(nèi)容講授完畢之后，虛擬存儲器的另一個(gè)重要問題——虛實(shí)地址空間的地址轉(zhuǎn)換問題，是這樣來解釋的：首先選中程序中某個(gè)變量，運(yùn)行程序并得到具體某時(shí)刻變量值、變量邏輯地址。其次通過工具軟件得到該進(jìn)程對應(yīng)的物理地址空間。再次用工具軟件計(jì)算得該變量對應(yīng)的物理地址，利用工具從該物理地址讀出當(dāng)前值，從變量的數(shù)據(jù)類型、所占用字節(jié)數(shù)和當(dāng)前值等方面分析物理內(nèi)存內(nèi)容與之是否吻合。再次，剖析剛才地址轉(zhuǎn)換所涉及的頁目錄索引、頁表索引和責(zé)表內(nèi)容等具體內(nèi)容，由此闡述具體操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址映射的映射過程及各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織及所起的作用。

總體上講，將軟件工具引入到教學(xué)中，是一種“擺事實(shí)，講道理”的教學(xué)方法，對于每個(gè)知識點(diǎn)，首先結(jié)合實(shí)例通過軟件工具盡可能地將操作系統(tǒng)所做的工作展現(xiàn)出來，在這一過程中結(jié)合操作系統(tǒng)理論和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、硬件知識，剖析這部分功能是如何實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到使同學(xué)們在較短時(shí)間內(nèi)理解的目的。

4操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的研究

操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓同學(xué)們親自動(dòng)手，檢驗(yàn)和應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的知識，完成相應(yīng)題目來提高能力。從面向應(yīng)用的角度，制定恰當(dāng)?shù)念}目與合理的組織形式是實(shí)施的關(guān)鍵。為此，我們進(jìn)行了如下改革：

(1)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

在課堂授課的基礎(chǔ)上，遵循“傳授知識、培養(yǎng)能力”這一思路，我們將以往模擬實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)功能的實(shí)踐環(huán)節(jié)，改為面向應(yīng)用指定題目，大體分為兩個(gè)方向：

①課時(shí)較少的情況下利用系統(tǒng)功能調(diào)用編程，在應(yīng)用層開發(fā)出有特色的功能；

②課時(shí)較多的情況下首先編寫工作于核心層下的驅(qū)動(dòng)程序，獲得訪問核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的權(quán)限后再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給工作于應(yīng)用層的普通程序，兩者結(jié)合完成有特色的功能。前述實(shí)現(xiàn)分析虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換過程的工具軟件就是這樣設(shè)計(jì)的。

(2)實(shí)踐教學(xué)組織形式

如何激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情，是我們一直在探索的內(nèi)容。具體到實(shí)踐教學(xué)組織上，積極鼓勵(lì)優(yōu)秀的同學(xué)提出自己的創(chuàng)意及想法。這些創(chuàng)意及想法經(jīng)教師審閱后可作為實(shí)踐題目。在此基礎(chǔ)上，較大題目組織為項(xiàng)目組，目標(biāo)是在有限的時(shí)間內(nèi)完成較完整的項(xiàng)目，之后項(xiàng)目組成員共同總結(jié)，完成實(shí)踐報(bào)告；較小題目個(gè)人完成并提交實(shí)踐報(bào)告。

(3)實(shí)踐教學(xué)平臺

我們在虛擬機(jī)上配置操作系統(tǒng)，再配置開發(fā)環(huán)境來搭建實(shí)踐教學(xué)平臺，這樣從高級語言編程到系統(tǒng)功能調(diào)用，以及直接的硬件編程全部可以實(shí)施，而且可以根據(jù)同學(xué)們的熟悉情況選擇相應(yīng)的系統(tǒng)及編程環(huán)境，自由度較大。

經(jīng)過幾年的摸索與積累，我們已收集和自己開發(fā)了一部分用于操作系統(tǒng)教學(xué)的工具軟件，其中有的是教師開發(fā)的，也有的是師生共同努力開發(fā)的，之中的許多工作得到了學(xué)校、學(xué)院的立項(xiàng)支持；同時(shí)教師申請的科研項(xiàng)目積極吸收感興趣的同學(xué)參加，搭建起一個(gè)開放的平臺推動(dòng)教學(xué)水平和科研能力的發(fā)展。我們也積極借鑒國內(nèi)外同行的有益經(jīng)驗(yàn)，為提升操作系統(tǒng)的教學(xué)水平不斷努力。