王亞 ，李歡 ，晁妍 ，王先傳

(1.阜陽師范大學(xué)計(jì)算機(jī)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(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)典算法分析，學(xué)生缺少機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)實(shí)例操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。而真正學(xué)好操作系統(tǒng)這些基礎(chǔ)理論知識(shí)，最有效的學(xué)習(xí)途徑就是動(dòng)手實(shí)踐操作系統(tǒng)的開發(fā)過程。操作系統(tǒng)實(shí)踐課程具有較強(qiáng)的工程特征，教學(xué)過程中應(yīng)注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生完成大量實(shí)驗(yàn)，以理解操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。

根據(jù)教育部 《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)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(shí)驗(yàn)課程，而且要開設(shè)課程設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)中薄弱的環(huán)節(jié)，缺少實(shí)例分析，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)也很少，致使學(xué)生無法深入理解操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，這種理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象嚴(yán)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(shí)驗(yàn)課程情況，本文將重點(diǎn)分析國內(nèi)外高校使用的教學(xué)操作系統(tǒng)特點(diǎn)，以及在這些平臺(tái)之上開設(shè)課程設(shè)計(jì)的情況。從中汲取成功經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的教學(xué)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)適合本校學(xué)生特點(diǎn)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，為推進(jìn)本校的操作系統(tǒng)實(shí)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(jì)方法和主要功能各有差別，但都有共同特點(diǎn)：以教學(xué)為目的、開源、開放和易擴(kuò)展，所以能很好地滿足操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。教學(xué)操作系統(tǒng)的運(yùn)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(gè)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(jì)[4]。 具有微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)啟動(dòng)、進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(yùn)行在內(nèi)核模式下，其它代碼運(yùn)行在用戶模式下。該系統(tǒng)已基本實(shí)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(duì)專業(yè)基礎(chǔ)不是扎實(shí)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(jì)平臺(tái)的高校都是一些知名重點(diǎn)高校，如：上海交大、南京大學(xué)、南開大學(xué)等。雖然設(shè)計(jì)的最初目的是為了教學(xué)，但是在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫，在X86處理器上運(yùn)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(jì)的[5]，XV6是一個(gè)供學(xué)生閱讀的學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，除了XV6外還有一個(gè)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(jì)，讓學(xué)生集中精力在操作系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)。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(jì)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在一個(gè)真實(shí)的X86硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)簡潔版操作系統(tǒng)[6]。雖然整個(gè)系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了七個(gè)項(xiàng)目，但卻覆蓋了操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容，并且項(xiàng)目與項(xiàng)目之間難度逐漸遞增，給學(xué)生提供一個(gè)循序漸進(jìn)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(dòng)手參與到一個(gè)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(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)充，也可以在Windows下使用Cygwin工具進(jìn)行開發(fā)。該平臺(tái)的使用對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和能力的要求，相對(duì)較弱一些，所以國內(nèi)選擇使用該平臺(tái)作為課程設(shè)計(jì)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(dāng)然也有少數(shù)重點(diǎn)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(qiáng)大的Linux操作系統(tǒng)。用于教學(xué)時(shí)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(jì)算機(jī)系陳渝團(tuán)隊(duì)為本科生而設(shè)計(jì)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(jì)，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(tái)運(yùn)行。斯坦福大學(xué)(Stanford University)用C語言編寫了，可以運(yùn)行在X86實(shí)際硬件平臺(tái)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(jì)，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(jì)平臺(tái)[9]。 它是一個(gè)運(yùn)行過程可以被跟蹤的教學(xué)操作系統(tǒng)，作為一個(gè)用戶進(jìn)程運(yùn)行在主操作系統(tǒng)之上，同時(shí)還需要運(yùn)行在一個(gè)模擬MIPSR2/3000指令集虛擬機(jī)上。Nachos建立在軟件模擬的虛擬機(jī)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(gè)機(jī)器模擬對(duì)象。與GeekOS相比，只能運(yùn)行在MIPS處理器的模擬器上，若移植到實(shí)際硬件機(jī)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(jī)器代碼。但是該系統(tǒng)存在和實(shí)際操作系統(tǒng)不相符合的設(shè)計(jì)，比如：內(nèi)核設(shè)計(jì)不受內(nèi)存容量限制，這樣會(huì)對(duì)實(shí)際操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制會(huì)造成誤解。由C++對(duì)象設(shè)計(jì)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(jì)，運(yùn)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(gè)便攜系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，與處理器和平臺(tái)相關(guān)的代碼分開維護(hù)，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(jì)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(jī)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(jì)

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(diǎn)介紹該結(jié)構(gòu)下的幾個(gè)教學(xué)操作系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)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(gè)實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容如表1所示。

表1 MIT 6.828基于XV6課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目

2.2 uCore

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系教師開發(fā)設(shè)計(jì)的uCore OS，2015年春季在專業(yè)IT在線實(shí)訓(xùn)平臺(tái) “實(shí)驗(yàn)樓”上開設(shè)了“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)-基于uCore OS”的實(shí)驗(yàn)課程[12]，課程設(shè)計(jì)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(xì)課程設(shè)計(jì)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(jì)項(xiàng)目

表3 桂林電子科技大學(xué)基于GeekOS的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)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(dòng)手實(shí)踐。國內(nèi)外高校也在操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)上進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的改革，逐步開發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)的平臺(tái)，是要解決的首要問題。良好的課程設(shè)計(jì)平臺(tái)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(shí)際操作系統(tǒng)運(yùn)行工作機(jī)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(duì)完善、代碼應(yīng)該短小精簡、便于學(xué)習(xí)擴(kuò)展。各學(xué)?？山Y(jié)合學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)不同層次的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，以不斷擴(kuò)充學(xué)生知識(shí)面、提升動(dòng)手實(shí)踐能力。