王敏 劉紅日 梁永先 孫艷霞

【摘要】針對現(xiàn)有操作系統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的不足之處，基于前沿領(lǐng)域和社會的需求，建立了以Linux實驗平臺為基礎(chǔ)，TinyOS系統(tǒng)為補充的操作系統(tǒng)實踐教學(xué)方法，這種基于多平臺多層次的實驗具有多樣性和靈活性，為學(xué)生提供了選擇的余地，激勵了個性化學(xué)習(xí)，有利于多專業(yè)方向?qū)W生的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】操作系統(tǒng) TinyOS 多層次

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0246-01

一、操作系統(tǒng)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀與問題

操作系統(tǒng)一直是計算機專業(yè)的必修課程，在培養(yǎng)計劃和教學(xué)工作中備受重視。作為計算機系統(tǒng)上的最核心的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)本身一直與時俱進，不斷發(fā)展。國外的學(xué)校如Princeton University的操作系統(tǒng)實驗課程在于構(gòu)造一個真正的操作系統(tǒng)。另一部分國外的學(xué)校，采用了模擬仿真平臺，如University of California at Berkeley在仿真MIPS平臺構(gòu)造操作系統(tǒng)。國內(nèi)的部分學(xué)校采用如WRK等模擬平臺，但其實際應(yīng)用價值較低?？紤]操作系統(tǒng)的實踐教學(xué)過程中既要有實用價值又要兼顧知識先進性的特點，在Linux應(yīng)用性實驗的基礎(chǔ)上，增加基于TinyOS的簡單的分析性實驗，以及具有梯度難度的設(shè)計創(chuàng)新實驗，在操作系統(tǒng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景和潛在的實用價值。

二、構(gòu)建實踐教學(xué)體系

1.知識體系的構(gòu)建

對于操作系統(tǒng)教學(xué)大綱中前導(dǎo)課程，如C或者VC程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理等課程要有一定的掌握，此外，本校將Linux操作系統(tǒng)課程和操作系統(tǒng)原理同時開課，有助于實踐課程的開展。

2.實驗環(huán)境的構(gòu)建

基于多平臺的實驗環(huán)境搭建比較復(fù)雜，環(huán)境主要分為軟件和硬件兩個部分。軟件方面：在win7系統(tǒng)下安裝了WMWare10軟件，在WMWare10的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)建了CentOS5.5虛擬機和TOS虛擬機，并安裝gcc用于程序編譯和運行。TOS是集成了UBUNTU和TinyOS2.x的系統(tǒng)，用于TinyOS的分析和開發(fā)實驗平臺。硬件方面主要有MSP430微處理器和溫濕度傳感器等。

3.基于TinyOS的分析性設(shè)計

第一層TinyOS內(nèi)核分析與改寫實驗，實驗?zāi)康脑谟谏钊胝莆詹僮飨到y(tǒng)原理，培養(yǎng)初步的系統(tǒng)分析與設(shè)計能力。實驗一是TinyOS內(nèi)核分析階段，通過閱讀TinyOS內(nèi)核源代碼，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)各個組成部分的實現(xiàn)機理，鞏固操作系統(tǒng)原理知識。實驗過程中，首先對TinyOS系統(tǒng)的應(yīng)用范圍、文件夾的功能和Nesc語言做簡單的講解，在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生分析TOS/system文件夾的內(nèi)核文件，并生成相應(yīng)的分析報告。實驗二是通過Blink應(yīng)用來看組件、接口、command和event在實際應(yīng)用中的作用，來理解TinyOS的簡單編程模式。

4.基于Linux的應(yīng)用性實驗設(shè)計

第二層實驗是基于Linux內(nèi)核的綜合性實驗，難度適中。TinyOS內(nèi)核雖然簡單，易于理解，但是只基于TinyOS的實驗并不完整，還要借助于Linux實驗平臺。因此基于Linux平臺設(shè)計了3個實驗。

實驗一為通過分析代碼，學(xué)習(xí)Linux 模塊機制的實現(xiàn)過程。通過該實例掌握如何編寫模塊程序，并進一步掌握內(nèi)核模塊的機理。實驗二是統(tǒng)計操作系統(tǒng)缺頁次數(shù)，以及總運行時間，來學(xué)習(xí)虛擬內(nèi)存的基本原理和Linux虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，并深入理解和掌握Linux 的按需調(diào)頁過程。實驗三是使用共享內(nèi)存來完成進程間通信。要求建立一個利用共享內(nèi)存機制的，關(guān)于經(jīng)典同步問題readers/writers 的解決方案。writer 從用戶處獲得輸入，然后將其寫入共享內(nèi)存，reader 從共享內(nèi)存獲取信息，然后再在屏幕上打印出來。通過該實驗理解 Linux 關(guān)于共享內(nèi)存的概念，掌握Linux支持進程間內(nèi)存共享的系統(tǒng)調(diào)用，進一步鞏固掌握進程同步的概念。

5.基于TinyOS的設(shè)計創(chuàng)新性實驗設(shè)計

第三層實驗是基于TinyOS的設(shè)計創(chuàng)新性實驗，該類實驗以TinyOS提供的一系列的組件為基礎(chǔ)，通過驅(qū)動的編寫和協(xié)議的實現(xiàn)，實現(xiàn)具有應(yīng)用價值和參賽價值的實驗。第一個實驗是任務(wù)調(diào)度算法改進實驗，通過改變部分內(nèi)核源程序，改變系統(tǒng)行。TinyOS系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度非常簡單，只使用了事件驅(qū)動的單線程任務(wù)調(diào)度機制，和傳統(tǒng)OS的多線程調(diào)度機制截然不同，因此，通過編寫部分調(diào)度算法的代碼，來理解任務(wù)調(diào)度的理論和算法。第二個實驗是TinyOS下大棚溫濕度感知，通過該應(yīng)用程序的設(shè)計和實現(xiàn)，來學(xué)習(xí)設(shè)備驅(qū)動程序的編寫，理解I/O設(shè)備的層次，設(shè)備控制和中斷等概念。

三、效果分析

通過以上三層實驗，使學(xué)生能夠在有限的時間內(nèi)系統(tǒng)地掌握操作系統(tǒng)基本概念、主要功能、工作原理和實現(xiàn)技術(shù)；能夠熟練使用至少一種操作系統(tǒng)操作環(huán)境；能夠在熟練操作的基礎(chǔ)上進行嵌入式開發(fā)；能夠設(shè)計簡單的操作系統(tǒng)組成模塊；能夠引導(dǎo)本科生，深入理解計算機五大功能的實現(xiàn)機理和過程，創(chuàng)造性地構(gòu)造新算法、添加新功能，提高創(chuàng)新和參賽能力；基于團隊的多平臺的實驗?zāi)Ｊ?，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣和主動性，訓(xùn)練其分析問題、解決問題的綜合能力，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。

四、結(jié)束語

操作系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和包含學(xué)科知識的多樣性，給操作系統(tǒng)的實踐教學(xué)帶來了高難度，因此，采用不拘形式的實踐教學(xué)方法和手段，為學(xué)生提供多樣化的靈活的實驗平臺和實驗方法，不僅可以鼓勵學(xué)生根據(jù)自身水平，選擇適合學(xué)習(xí)方式、數(shù)量和難度的實驗，而且有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的能力得到充分的發(fā)展和提高。

參考文獻：

[1]http：//www.tinyos.net/tinyos-2.x/doc/html/.

[2]ArieiT，AltunbasakY.Adap tiveSensingforEnvironmentMoni toringUsingWirelessSensorNetworks[J].IEEEWCNC，2004，5（I）.

[3]李紅衛(wèi)，殷常鴻.構(gòu)建操作系統(tǒng)實踐教學(xué)體系.計算機教育.2008（6）.

[4]劉文峰，李程遠，李善平.嵌入式LINUX操作系統(tǒng)的研究。浙江大學(xué)學(xué)報.2004（4）.