淺談計算機操作系統(tǒng)課程知識體系設計

摘要: 操作系統(tǒng)課程理論性強且內(nèi)容繁雜,本文設計了基于資源管理功能和技術(shù)實現(xiàn)縱橫兩條線設計的課程知識體系,呈現(xiàn)給學生比較清晰的知識結(jié)構(gòu),為培養(yǎng)學生從離散到系統(tǒng)性的學習和思維習慣創(chuàng)造了條件。

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組成部分,是計算機系統(tǒng)硬件平臺中的第一層系統(tǒng)軟件,也是計算機及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎理論課,這既使這門課程的教學學習存在非常大的困難和困惑,又使其無論在教學、科學研究和項目開發(fā)中都處于非常重要的地位。

一、課程教學難點

1.理論性強

該課程教學內(nèi)容理論性強、概念抽象、涉及知識面廣,學生時其整體實現(xiàn)思想和技術(shù)往往難以理解,學習時有較大難度,大部分學生有一種畏難情緒。因此學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)系和課程教學目標的把握。因而該課程是計算機專業(yè)中教師“最難教”,學生“最難學”的課程之一。

2.學習效果見效不快

很多學生對學后有立竿見影效果的課程興趣較大,如程序設計語言,學生學會了便很快可以就某個問題編寫程序上機運行,頗有成就感;而對諸如操作系統(tǒng)這樣原理性強,實驗要求高,設計一個操作系統(tǒng)又不現(xiàn)實的課程,一些學生因感覺學習后效應不會立即顯現(xiàn)而對課程重視度較低。

二、教學目標

操作系統(tǒng)是目前最復雜、技術(shù)含量最高的軟件,在計算機專業(yè)軟、硬件課程的設置上起著承上啟下的作用,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(tǒng)設計,以及其他領域。因此,其教學目標應重在培養(yǎng)學生理解和掌握計算機操作系統(tǒng)的基本工作原理、設計技術(shù)及設計方法,培養(yǎng)學生開發(fā)系統(tǒng)軟件和大型應用軟件的意識和能力,同時還要讓學生了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新思想、新技術(shù)和發(fā)展研究動向。

三、課程知識體系設計

鑒于以上課程教學難點,教師若能從繁雜抽象的理論中理出一個脈絡清晰的課程知識體系呈現(xiàn)給學生,將為有效達到教學目標要求起到事半功倍的作用。該課程教學內(nèi)容有縱、橫兩條主線,縱線主要指操作系統(tǒng)各功能的設計思想、處理機制,橫線主要指功能實現(xiàn)的具體技術(shù)方法、不同環(huán)境下的實現(xiàn)差異。因此,整個課程知識體系可按縱、橫兩條線展開,遵循知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則,從知識模塊、知識單元和知識點3個層次來設計。其中知識模塊代表特定學科子領域,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;知識點代表知識模塊中單獨的主題,是教學活動中傳遞教學信息的基本單元。

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)來設計,通過基于操作資源管理功能的知識建構(gòu),學生能明確所學內(nèi)容在知識體系中的層次、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)的縱向功能線細化為進程管理、處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理和用戶接口六個知識模塊,由此設計的縱向功能線知識結(jié)構(gòu)如下:

(1)進程管理知識模塊包括進程概念、進程調(diào)度、進程互斥、進程同步、進程通信、進程死鎖各知識單元。進程概念包含進程特征、進程狀態(tài)與轉(zhuǎn)換、進程控制各知識點;進程調(diào)度包含調(diào)度時機、調(diào)度算法、調(diào)度過程各知識點;進程互斥包含與時間有關(guān)的錯誤、臨界資源與臨界區(qū)、臨界區(qū)使用原則、臨界區(qū)互斥訪問的解決途徑、臨界區(qū)互斥訪問的解決途徑各知識點;進程同步包含信號量同步機制、生產(chǎn)者與消費者問題、讀者與寫者問題、哲學家進餐問題各知識點;進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;進程死鎖包含產(chǎn)生原因、必要條件、解決途徑各知識點。

(2)處理機管理知識模塊包括分級調(diào)度、調(diào)度算法、算法評價各知識單元。分級調(diào)度包含作業(yè)調(diào)度、交換調(diào)度、進程調(diào)度各知識點;調(diào)度算法包含作業(yè)調(diào)度算法、進程調(diào)度算法各知識點;算法評價包含作業(yè)調(diào)度算法評價、進程調(diào)度算法評價各知識點。

(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(nèi)存分配與回收、地址映射、內(nèi)存共享、內(nèi)存保護、內(nèi)存擴充各知識點;存儲管理方案包含分區(qū)存儲管理、頁式存儲管理、段式存儲管理、段頁式存儲管理各知識點。

(4)設備管理知識模塊包括數(shù)據(jù)傳送控制方式、并行技術(shù)各知識單元。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點;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。

(5)文件管理知識模塊包括文件結(jié)構(gòu)、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(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)與存儲設備各知識點;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;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;文件存取控制包含文件存取控制方法。

(6)用戶管理知識模塊包括命令接口和系統(tǒng)調(diào)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;系統(tǒng)調(diào)用包含設備管理類命令、文件管理類命令、進程管理類命令、存儲管理類命令、線程管理類命令各知識點。

2.橫向技術(shù)線

操作系統(tǒng)知識點看似繁雜,但究其原理,在對不同系統(tǒng)資源功能進行管理時,所采取的策略和方法有很多是相同的。因此通過對重要方法和機制進行貫穿式的橫向技術(shù)線,可使被條塊分割的教學內(nèi)容有效關(guān)聯(lián)起來;通過橫縱交錯的連接,可使看似離散的知識有穩(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,也可看出其在整個計算機系統(tǒng)中的重要程度,由此設計橫向技術(shù)線知識結(jié)構(gòu)如下:

(1)中斷技術(shù)知識模塊是實現(xiàn)程序并發(fā)執(zhí)行與設備并行操作的基礎,它包括中斷類型、中斷優(yōu)先級、中斷事件各知識單元。中斷類型知識單元包括外中斷、內(nèi)中斷知識點;中斷優(yōu)先級知識點在不同的系統(tǒng)中有不同的規(guī)定;中斷事件知識單元包括進程創(chuàng)建與撤消、進程阻塞與喚醒、分時時間片、缺頁中斷與缺段中斷、I/O操作、文件操作各知識點。

(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。處理機共享包含進程的并發(fā)執(zhí)行;存儲共享包含外存儲器共享、內(nèi)存儲器共享知識點;設備共享包含SPOOLing系統(tǒng);文件共享包含便于共享的文件目錄。