淺談?dòng)?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)

摘要: 操作系統(tǒng)課程理論性強(qiáng)且內(nèi)容繁雜,本文設(shè)計(jì)了基于資源管理功能和技術(shù)實(shí)現(xiàn)縱橫兩條線設(shè)計(jì)的課程知識(shí)體系,呈現(xiàn)給學(xué)生比較清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu),為培養(yǎng)學(xué)生從離散到系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)和思維習(xí)慣創(chuàng)造了條件。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)中的第一層系統(tǒng)軟件,也是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)理論課,這既使這門課程的教學(xué)學(xué)習(xí)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(xiàng)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(qiáng)

該課程教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念抽象、涉及知識(shí)面廣,學(xué)生時(shí)其整體實(shí)現(xiàn)思想和技術(shù)往往難以理解,學(xué)習(xí)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(duì)課程各部分間關(guān)系和課程教學(xué)目標(biāo)的把握。因而該課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)中教師“最難教”,學(xué)生“最難學(xué)”的課程之一。

2.學(xué)習(xí)效果見(jiàn)效不快

很多學(xué)生對(duì)學(xué)后有立竿見(jiàn)影效果的課程興趣較大,如程序設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)行,頗有成就感;而對(duì)諸如操作系統(tǒng)這樣原理性強(qiáng),實(shí)驗(yàn)要求高,設(shè)計(jì)一個(gè)操作系統(tǒng)又不現(xiàn)實(shí)的課程,一些學(xué)生因感覺(jué)學(xué)習(xí)后效應(yīng)不會(huì)立即顯現(xiàn)而對(duì)課程重視度較低。

二、教學(xué)目標(biāo)

操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的軟件,在計(jì)算機(jī)專業(yè)軟、硬件課程的設(shè)置上起著承上啟下的作用,其中的許多設(shè)計(jì)思想、技術(shù)和算法都可以推廣和應(yīng)用到大型的、復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及其他領(lǐng)域。因此,其教學(xué)目標(biāo)應(yīng)重在培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法,培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件和大型應(yīng)用軟件的意識(shí)和能力,同時(shí)還要讓學(xué)生了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新思想、新技術(shù)和發(fā)展研究動(dòng)向。

三、課程知識(shí)體系設(shè)計(jì)

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(shí)體系呈現(xiàn)給學(xué)生,將為有效達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求起到事半功倍的作用。該課程教學(xué)內(nèi)容有縱、橫兩條主線,縱線主要指操作系統(tǒng)各功能的設(shè)計(jì)思想、處理機(jī)制,橫線主要指功能實(shí)現(xiàn)的具體技術(shù)方法、不同環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)差異。因此,整個(gè)課程知識(shí)體系可按縱、橫兩條線展開(kāi),遵循知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則,從知識(shí)模塊、知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)3個(gè)層次來(lái)設(shè)計(jì)。其中知識(shí)模塊代表特定學(xué)科子領(lǐng)域,可包括若干知識(shí)單元;知識(shí)單元代表知識(shí)模塊中的不同方向,可包括若干知識(shí)點(diǎn);知識(shí)點(diǎn)代表知識(shí)模塊中單獨(dú)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

本文的縱向功能線是從資源管理功能出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì),通過(guò)基于操作資源管理功能的知識(shí)建構(gòu),學(xué)生能明確所學(xué)內(nèi)容在知識(shí)體系中的層次、位置、關(guān)系。此處為使結(jié)構(gòu)更清晰,按操作系統(tǒng)資源管理功能出發(fā)的縱向功能線細(xì)化為進(jìn)程管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口六個(gè)知識(shí)模塊,由此設(shè)計(jì)的縱向功能線知識(shí)結(jié)構(gòu)如下:

(1)進(jìn)程管理知識(shí)模塊包括進(jìn)程概念、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程互斥、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、進(jìn)程死鎖各知識(shí)單元。進(jìn)程概念包含進(jìn)程特征、進(jìn)程狀態(tài)與轉(zhuǎn)換、進(jìn)程控制各知識(shí)點(diǎn);進(jìn)程調(diào)度包含調(diào)度時(shí)機(jī)、調(diào)度算法、調(diào)度過(guò)程各知識(shí)點(diǎn);進(jìn)程互斥包含與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤、臨界資源與臨界區(qū)、臨界區(qū)使用原則、臨界區(qū)互斥訪問(wèn)的解決途徑、臨界區(qū)互斥訪問(wèn)的解決途徑各知識(shí)點(diǎn);進(jìn)程同步包含信號(hào)量同步機(jī)制、生產(chǎn)者與消費(fèi)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(shí)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(shí)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(shí)點(diǎn)。

(2)處理機(jī)管理知識(shí)模塊包括分級(jí)調(diào)度、調(diào)度算法、算法評(píng)價(jià)各知識(shí)單元。分級(jí)調(diào)度包含作業(yè)調(diào)度、交換調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度各知識(shí)點(diǎn);調(diào)度算法包含作業(yè)調(diào)度算法、進(jìn)程調(diào)度算法各知識(shí)點(diǎn);算法評(píng)價(jià)包含作業(yè)調(diào)度算法評(píng)價(jià)、進(jìn)程調(diào)度算法評(píng)價(jià)各知識(shí)點(diǎn)。

(3)存儲(chǔ)器管理知識(shí)模塊包括存儲(chǔ)管理功能、存儲(chǔ)管理方案各知識(shí)單元。存儲(chǔ)管理功能包含內(nèi)存分配與回收、地址映射、內(nèi)存共享、內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存擴(kuò)充各知識(shí)點(diǎn);存儲(chǔ)管理方案包含分區(qū)存儲(chǔ)管理、頁(yè)式存儲(chǔ)管理、段式存儲(chǔ)管理、段頁(yè)式存儲(chǔ)管理各知識(shí)點(diǎn)。

(4)設(shè)備管理知識(shí)模塊包括數(shù)據(jù)傳送控制方式、并行技術(shù)各知識(shí)單元。數(shù)據(jù)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(shí)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(shí)點(diǎn)。

(5)文件管理知識(shí)模塊包括文件結(jié)構(gòu)、文件存儲(chǔ)空間管理、文件目錄管理、文件存取控制各知識(shí)單元。文件結(jié)構(gòu)包含文件邏輯結(jié)構(gòu)與文件存取、文件物理結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)設(shè)備各知識(shí)點(diǎn);文件存儲(chǔ)空間管理包含空閑文件目錄、空閑塊鏈、位示圖各知識(shí)點(diǎn);文件目錄管理包含文件目錄形式、文件共享與保護(hù)、目錄檢索各知識(shí)點(diǎn);文件存取控制包含文件存取控制方法。

(6)用戶管理知識(shí)模塊包括命令接口和系統(tǒng)調(diào)用知識(shí)單元。命令接口包含脫機(jī)控制命令、聯(lián)機(jī)控制命令知識(shí)點(diǎn);系統(tǒng)調(diào)用包含設(shè)備管理類命令、文件管理類命令、進(jìn)程管理類命令、存儲(chǔ)管理類命令、線程管理類命令各知識(shí)點(diǎn)。

2.橫向技術(shù)線

操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)看似繁雜,但究其原理,在對(duì)不同系統(tǒng)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(duì)重要方法和機(jī)制進(jìn)行貫穿式的橫向技術(shù)線,可使被條塊分割的教學(xué)內(nèi)容有效關(guān)聯(lián)起來(lái);通過(guò)橫縱交錯(cuò)的連接,可使看似離散的知識(shí)有穩(wěn)固而緊密銜接的結(jié)構(gòu)。從操作系統(tǒng)四種重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)出發(fā)的橫向技術(shù)線包括中斷技術(shù)、共享技術(shù)、虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。當(dāng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要程度,由此設(shè)計(jì)橫向技術(shù)線知識(shí)結(jié)構(gòu)如下:

(1)中斷技術(shù)知識(shí)模塊是實(shí)現(xiàn)程序并發(fā)執(zhí)行與設(shè)備并行操作的基礎(chǔ),它包括中斷類型、中斷優(yōu)先級(jí)、中斷事件各知識(shí)單元。中斷類型知識(shí)單元包括外中斷、內(nèi)中斷知識(shí)點(diǎn);中斷優(yōu)先級(jí)知識(shí)點(diǎn)在不同的系統(tǒng)中有不同的規(guī)定;中斷事件知識(shí)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(shí)點(diǎn)。

(2)共享技術(shù)知識(shí)模塊是提高資源利用率的必然途徑,它包括處理機(jī)共享、存儲(chǔ)共享、設(shè)備共享、文件共享各知識(shí)單元。處理機(jī)共享包含進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行;存儲(chǔ)共享包含外存儲(chǔ)器共享、內(nèi)存儲(chǔ)器共享知識(shí)點(diǎn);設(shè)備共享包含SPOOLing系統(tǒng);文件共享包含便于共享的文件目錄。