淺談?dòng)嬎銠C操作系統課程知識體系設計

摘要: 操作系統課程理論性強且內容繁雜,本文設計了基于資源管理功能和技術(shù)實(shí)現縱橫兩條線(xiàn)設計的課程知識體系,呈現給學(xué)生比較清晰的知識結構,為培養學(xué)生從離散到系統性的學(xué)習和思維習慣創(chuàng )造了條件。

操作系統是計算機系統的核心組成部分,是計算機系統硬件平臺中的第一層系統軟件,也是計算機及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎理論課,這既使這門(mén)課程的教學(xué)學(xué)習存在非常大的困難和困惑,又使其無(wú)論在教學(xué)、科學(xué)研究和項目開(kāi)發(fā)中都處于非常重要的地位。

一、課程教學(xué)難點(diǎn)

1.理論性強

該課程教學(xué)內容理論性強、概念抽象、涉及知識面廣,學(xué)生時(shí)其整體實(shí)現思想和技術(shù)往往難以理解,學(xué)習時(shí)有較大難度,大部分學(xué)生有一種畏難情緒。因此學(xué)生很容易陷入疲于記憶的狀態(tài),忽略了對課程各部分間關(guān)系和課程教學(xué)目標的把握。因而該課程是計算機專(zhuān)業(yè)中教師“最難教”,學(xué)生“最難學(xué)”的課程之一。

2.學(xué)習效果見(jiàn)效不快

很多學(xué)生對學(xué)后有立竿見(jiàn)影效果的課程興趣較大,如程序設計語(yǔ)言,學(xué)生學(xué)會(huì )了便很快可以就某個(gè)問(wèn)題編寫(xiě)程序上機運行,頗有成就感;而對諸如操作系統這樣原理性強,實(shí)驗要求高,設計一個(gè)操作系統又不現實(shí)的課程,一些學(xué)生因感覺(jué)學(xué)習后效應不會(huì )立即顯現而對課程重視度較低。

二、教學(xué)目標

操作系統是目前最復雜、技術(shù)含量最高的軟件,在計算機專(zhuān)業(yè)軟、硬件課程的設置上起著(zhù)承上啟下的作用,其中的許多設計思想、技術(shù)和算法都可以推廣和應用到大型的、復雜的系統設計,以及其他領(lǐng)域。因此,其教學(xué)目標應重在培養學(xué)生理解和掌握計算機操作系統的基本工作原理、設計技術(shù)及設計方法,培養學(xué)生開(kāi)發(fā)系統軟件和大型應用軟件的意識和能力,同時(shí)還要讓學(xué)生了解現代操作系統的新思想、新技術(shù)和發(fā)展研究動(dòng)向。

三、課程知識體系設計

鑒于以上課程教學(xué)難點(diǎn),教師若能從繁雜抽象的理論中理出一個(gè)脈絡(luò )清晰的課程知識體系呈現給學(xué)生,將為有效達到教學(xué)目標要求起到事半功倍的作用。該課程教學(xué)內容有縱、橫兩條主線(xiàn),縱線(xiàn)主要指操作系統各功能的設計思想、處理機制,橫線(xiàn)主要指功能實(shí)現的具體技術(shù)方法、不同環(huán)境下的實(shí)現差異。因此,整個(gè)課程知識體系可按縱、橫兩條線(xiàn)展開(kāi),遵循知識、能力、素質(zhì)協(xié)調發(fā)展的原則,從知識模塊、知識單元和知識點(diǎn)3個(gè)層次來(lái)設計。其中知識模塊代表特定學(xué)科子領(lǐng)域,可包括若干知識單元;知識單元代表知識模塊中的不同方向,可包括若干知識點(diǎn);知識點(diǎn)代表知識模塊中單獨的主題,是教學(xué)活動(dòng)中傳遞教學(xué)信息的基本單元。

1.縱向功能線(xiàn)

本文的縱向功能線(xiàn)是從資源管理功能出發(fā)來(lái)設計,通過(guò)基于操作資源管理功能的知識建構,學(xué)生能明確所學(xué)內容在知識體系中的層次、位置、關(guān)系。此處為使結構更清晰,按操作系統資源管理功能出發(fā)的縱向功能線(xiàn)細化為進(jìn)程管理、處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理和用戶(hù)接口六個(gè)知識模塊,由此設計的縱向功能線(xiàn)知識結構如下:

(1)進(jìn)程管理知識模塊包括進(jìn)程概念、進(jìn)程調度、進(jìn)程互斥、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、進(jìn)程死鎖各知識單元。進(jìn)程概念包含進(jìn)程特征、進(jìn)程狀態(tài)與轉換、進(jìn)程控制各知識點(diǎn);進(jìn)程調度包含調度時(shí)機、調度算法、調度過(guò)程各知識點(diǎn);進(jìn)程互斥包含與時(shí)間有關(guān)的錯誤、臨界資源與臨界區、臨界區使用原則、臨界區互斥訪(fǎng)問(wèn)的解決途徑、臨界區互斥訪(fǎng)問(wèn)的解決途徑各知識點(diǎn);進(jìn)程同步包含信號量同步機制、生產(chǎn)者與消費者問(wèn)題、讀者與寫(xiě)者問(wèn)題、哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題各知識點(diǎn);進(jìn)程通信包含忙等待策略、睡眠和喚醒策略、消息傳遞策略各知識點(diǎn);進(jìn)程死鎖包含產(chǎn)生原因、必要條件、解決途徑各知識點(diǎn)。

(2)處理機管理知識模塊包括分級調度、調度算法、算法評價(jià)各知識單元。分級調度包含作業(yè)調度、交換調度、進(jìn)程調度各知識點(diǎn);調度算法包含作業(yè)調度算法、進(jìn)程調度算法各知識點(diǎn);算法評價(jià)包含作業(yè)調度算法評價(jià)、進(jìn)程調度算法評價(jià)各知識點(diǎn)。

(3)存儲器管理知識模塊包括存儲管理功能、存儲管理方案各知識單元。存儲管理功能包含內存分配與回收、地址映射、內存共享、內存保護、內存擴充各知識點(diǎn);存儲管理方案包含分區存儲管理、頁(yè)式存儲管理、段式存儲管理、段頁(yè)式存儲管理各知識點(diǎn)。

(4)設備管理知識模塊包括數據傳送控制方式、并行技術(shù)各知識單元。數據傳送控制方式包含程序直接控制方式、中斷方式、DMA方式、通道控制方式各知識點(diǎn);并行技術(shù)包含通道技術(shù)、中斷技術(shù)、緩沖技術(shù)、分配技術(shù)、虛擬技術(shù)各知識點(diǎn)。

(5)文件管理知識模塊包括文件結構、文件存儲空間管理、文件目錄管理、文件存取控制各知識單元。文件結構包含文件邏輯結構與文件存取、文件物理結構與存儲設備各知識點(diǎn);文件存儲空間管理包含空閑文件目錄、空閑塊鏈、位示圖各知識點(diǎn);文件目錄管理包含文件目錄形式、文件共享與保護、目錄檢索各知識點(diǎn);文件存取控制包含文件存取控制方法。

(6)用戶(hù)管理知識模塊包括命令接口和系統調用知識單元。命令接口包含脫機控制命令、聯(lián)機控制命令知識點(diǎn);系統調用包含設備管理類(lèi)命令、文件管理類(lèi)命令、進(jìn)程管理類(lèi)命令、存儲管理類(lèi)命令、線(xiàn)程管理類(lèi)命令各知識點(diǎn)。

2.橫向技術(shù)線(xiàn)

操作系統知識點(diǎn)看似繁雜,但究其原理,在對不同系統資源功能進(jìn)行管理時(shí),所采取的策略和方法有很多是相同的。因此通過(guò)對重要方法和機制進(jìn)行貫穿式的橫向技術(shù)線(xiàn),可使被條塊分割的教學(xué)內容有效關(guān)聯(lián)起來(lái);通過(guò)橫縱交錯的連接,可使看似離散的知識有穩固而緊密銜接的結構。從操作系統四種重要實(shí)現技術(shù)出發(fā)的橫向技術(shù)線(xiàn)包括中斷技術(shù)、共享技術(shù)、虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。當然,有些技術(shù)在其它相關(guān)課程中已有介紹,也可看出其在整個(gè)計算機系統中的重要程度,由此設計橫向技術(shù)線(xiàn)知識結構如下:

(1)中斷技術(shù)知識模塊是實(shí)現程序并發(fā)執行與設備并行操作的基礎,它包括中斷類(lèi)型、中斷優(yōu)先級、中斷事件各知識單元。中斷類(lèi)型知識單元包括外中斷、內中斷知識點(diǎn);中斷優(yōu)先級知識點(diǎn)在不同的系統中有不同的規定;中斷事件知識單元包括進(jìn)程創(chuàng )建與撤消、進(jìn)程阻塞與喚醒、分時(shí)時(shí)間片、缺頁(yè)中斷與缺段中斷、I/O操作、文件操作各知識點(diǎn)。

(2)共享技術(shù)知識模塊是提高資源利用率的必然途徑,它包括處理機共享、存儲共享、設備共享、文件共享各知識單元。處理機共享包含進(jìn)程的并發(fā)執行;存儲共享包含外存儲器共享、內存儲器共享知識點(diǎn);設備共享包含SPOOLing系統;文件共享包含便于共享的文件目錄。