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操作系统类硕士学位论文范文 跟电子信息类专业操作系统课程实验教学相关专科毕业论文范文

版权:原创标记原创 主题:操作系统范文 类别:职称论文 2024-02-12

《电子信息类专业操作系统课程实验教学》

该文是操作系统方面有关毕业论文开题报告范文和实验教学和操作系统和探索相关论文范文检索。

摘 要:分析操作系统课程的特点和实验教学现状,针对计算机专业提出该课程实验教学的目标和教学途径,结合清华大学电子工程系操作系统课程的教学实践,从实验教学目的、实验内容、评价体系等方面具体阐述操作系统课程的实验教学过程和方法,并通过学生成绩统计说明教学效果.

关键词:电子信息类专业;操作系统;实验教学

0引言

随着计算机和数字化技术的进步和广泛应用,越来越多的计算机技术,特别是软件技术融入传统的电子信息系统.例如,随着数字化技术的不断发展和成熟,雷达系统逐渐从传统的“以硬件技术为中心,面向专用功能”的开发模式发展到“以软件为中心,面向实际需求”的开发模式,这一发展趋势使得“软件化雷达(softwareradar)”技术应运而生[1].又例如,伴随现代通信方式和需求的飞速发展,以硬件为主的传统通信方式和体制难以适应多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的情况,针对目前多种无线通信标准和体制之间无法相互兼容的问题,人们提出了“软件无线电(software-definedradio,SDR)”的概念[2].在这样的背景之下,在电子信息类专业的课程体系中,计算机系列课程地位的重要性日益凸显,其中“操作系统”成为许多学校电子信息类专业的重要专业基础课.

操作系统作为当今技术含量最高的系统软件,构成了现代计算机的基础运行平台[3].对于电子信息类专业的学生而言,掌握操作系统的工作原理和实现方法,有助于更好地理解计算机系统,有助于更好地在各自专业领域内进行研究和系统开发.

作为实践性很强的一门课程,实验教学环节在操作系统课程中发挥着重要的作用.国内大多数高校十分重视操作系统课程的实验建设,并且在教学内容、实验平台、教学方法等方面进行了许多有益的探索[4-7].然而,由于操作系统课程传统上是为计算机类专业学生开设的,因而在实验的教学目标和教学内容等许多方面并不适用于电子信息类专业.

1电子信息类专业操作系统课程实验教学的目标

操作系统实验教学的目的是通过实验或课程设计来理解操作系统课程的教学内容.对于计算机类专业而言,为达到此目的,通常采用2种途径:

(1)以教学型操作系统(例如Xinu、Nachos、Ucore、Xv6等)为基础,针对教学中的核心知识点,由学生设计算法和数据结构,通过一系列实验可以最终实现一个“麻雀虽小五脏俱全”的小型操作系统.

(2)以现有操作系统(例如Windows和Unix/Linux)为平台,利用高级语言编写程序仿真或者模拟实现操作系统的核心功能.例如编写模拟进程调度程序,使学生理解先来先服务、短进程优先、时间片轮转等算法的具体实现.

然而,这些实验内容并不适用于电子信息类专业的学生,主要原因是电子信息类专业与计算机类专业在培养目标上并不相同.就清华大学电子工程系而言,目前全系本科生按照电子信息科学与技术专业大类进行培养,培养的基本要求是“运用所掌握的理论知识和技能,从事信号获取、处理和应用、通信及系统和网络、模拟及数字集成电路设计和应用、微波及电磁技术理论、信号与信息处理的新型电子材料、器件和系统(包括信息光电子和光子器件、微纳电子器件、微光机电系统、大规模集成电路和电子信息系统芯片)的理论和应用等方面的科研、开发与教育工作”.作为对照,清华大学计算机科学与技术系对计算机科学与技术专业本科生培养的基本要求则是“运用所掌握的理论知识和技能,从事计算机科学理论、计算机系统结构、计算机网络、计算机软件及计算机应用技术等方面的科研、开发与教育工作”.

培养目标和培养要求的不同,决定了电子信息类专业操作系统课程实验教学不能照搬计算机类专业的实验内容.通过几年的教学实践,清华大学电子工程系逐渐把操作系统教学的目标定位为“掌握操作系统的基本理论,为在多种操作系统环境上熟练地开发包括计算机通信、图像语音处理、网络应用在内的应用软件和系统软件打下基础”.也就是说,完成操作系统实验的目的不是为了验证或者设计操作系统内核的算法或数据结构,而是在理解操作系统原理的基础上更好地开发与操作系统内核相关的应用软件.在这样的教学目标指导下,清华大学电子工程系形成了具有电子信息类专业特色的操作系统实验教学.

2实验教学内容

操作系统课程实验按照涉及的核心知识点不同分为5组,每组实验包括若干实验题目,不同实验题目的难度不同,基准分也不同,学生可以根据自己的情况加以选择.实验不限定操作系统平台,学生可以自由选择Windows、Linux或者其他主流操作系统.实验也不限定程序设计语言,学生可以自由选择C、C++、Ja或者自己熟悉的程序设计语言.

5组实验内容如下:

(1)进程间同步/互斥问题;

(2)高级进程间通信问题;

(3)存储管理问题;

(4)文件系统问题;

(5)驱动程序设计问题.

进程间同步/互斥问题的实验目的是通过对进程间通信同步/互斥问题的编程实现,加深理解信号量和P、V操作的原理;对主流操作系统提供的互斥、同步机制有更进一步的了解;熟悉主流操作系统中定义的与互斥、同步有关的API函数.本组实验包括5个实验题目(见表1).

其中,读者—写者问题、生产者—消费者问题、哲学家进餐问题和睡眠理发师问题都是经典的IPC问题,银行柜员服务问题则以一个银行营业部柜员服务的实际问题为背景,涉及顾客取号、排队、柜员服务等过程,要求学生实现多个柜员为多名顾客有序服务的系统.

高级进程间通信问题的实验目的是通过对进程间高级通信问题的编程实现,加深理解进程间高级通信的原理;对主流操作系统提供的各种高级进程间通信机制有更进一步的了解;熟悉主流操作系统中定义的与高级进程间通信有关的API函数.本组实验包括2个实验题目(见表2).

其中,多变量函数计算问题涉及复杂多变量函数的计算,要求学生编程建立多个并发协作进程或线程,共同实现函数计算,在进程或线程之间,通过管道、消息队列、共享内存等高级进程间通信机制实现信息交换.快速排序问题则以大数据量文件排序为背景,每次数据分割后产生2个新的进程(或线程)处理分割后的数据,同时控制产生的进程数量,从而在系统开销和算法速度间取得平衡.

存储管理问题的实验目的是通过对涉及内存分配问题的编程实现,加深理解操作系统内存管理的原理;对主流操作系统提供的内存管理机制有更进一步的了解;熟悉主流操作系统中定义的与内存管理有关的API函数.本组实验包括3个实验题目(见表3).

其中,文件字节倒放问题要求学生用常规的文件访问方法和内存映射文件方法实现,并对2种方法的性能进行比较.虚拟内存分配问题涉及Windows提供的“以页为单位的虚拟内存分配方式”,要求学生通过对内存分配活动的模拟和跟踪的编程实现,从不同侧面认识Windows对用户进程的虚拟内存空间的管理、分配方法.与此同时,针对Linux没有提供“以页为单位的虚拟内存分配方式”,要求学生提供在Linux上实现此功能的解决方案.L树→红黑树问题则是针对Windows采用L树管理虚拟内存而Linux采用红黑树管理虚拟内存的现实,要求学生参考Linux源代码将WRK源代码中的VAD树由L树替换成红黑树,该实验是本课程中唯一涉及操作系统内核源代码修改的题目.

文件系统问题的实验目的是使学生理解低级磁盘IO的细节,了解FAT文件系统的实现细节,从而为今后涉及文件管理的应用开发打下基础.本组实验包括2个实验题目(见表4).

其中,磁盘IO问题实现低级磁盘IO,而FAT文件系统实现则要求学生从底层开设实现FAT文件系统.FAT文件系统虽然是一个DOS时代遗留下来的文件系统,但是直到今天市场上的USB移动设备和SD卡等外置存储器仍然在用着FAT文件格式.在许多涉及嵌入式应用的场合,FAT文件系统也是主流的文件系统.

对于电子信息类专业的学生而言,在涉及硬件开发的工作中,往往要与非通用的硬件设备打交道,因此学会在主流操作系统环境下开发设备驱动程序是一项有必要掌握的技能,驱动程序设计问题这组实验的目的正在于此.

然而,由于操作系统课程是一门系统软件课程,对于设备驱动程序而言,以某种具体的硬件为目标存在着难以克服的困难,因此驱动程序设计问题并不针对硬件设备,而是以虚拟的硬件为目标,使学生掌握驱动程序开发的基本方法.本组实验包括2个实验题目(见表5).

其中,Ramdisk(内存盘)实际上是在系统的内存中划出一块空间当做磁盘使用,在本实验中,学生通过编写设备驱动程序实现Ramdisk,可以在其上创建文件系统,实现常规的文件操作.管道是一种高级进程间通信机制,在本质上就是在进程之间以字节流方式传送信息的通信通道,每种主流的操作系统都会提供管道,本实验则要求学生通过编写设备驱动程序实现自己的管道,并通过该管道实现进程间通信.

3教学效果

自2012年起,清华大学电子工程系按照改革后的课程教学大纲和实验教学大纲进行操作系统课程教学.在实际教学过程中,建立了综合性的考核体系,打破了以期末考试成绩为主的成绩评定方式,考核学生的综合能力,以适应实验教学的发展和变化.最终总评成绩由平时作业成绩、实验成绩和期末考试成绩3部分组成,3部分的成绩占比分别为15%、35%和50%.

由于不同实验题目的基准分不同,选择难度高的题目可以获得更高的实验成绩,从而激励学生挑战自我,提高解决问题的能力.特别需要指出的是,存储管理中的L树→红黑树问题涉及Windows操作系统内核的修改,实验难度非常高,但是每年都有一些学生克服重重困难完成了实验.

与此同时,对于实践动手能力较差的学生,允许选择基准分较低的实验,只要他们在理论考试部分取得好的成绩,仍然可以得到较为理想的分数.

总体而言,课程实验部分对于帮助学生有效地掌握操作系统原理,提升教学质量和教学成效是有帮助的.图1列举了2012学年和2016学年的实验成绩和期末考试成绩(笔试)之间的散点图,可以看出,二者呈现明显的正相关.

4结语

随着计算机和数字化技术在传统电子信息系统(如雷达系统、通信系统)中的广泛应用,对于电子信息类专业而言,操作系统课程的重要性日益凸显.作为一门实践性较强的课程,实验教学发挥着重要的作用.几年来,清华大学电子工程系在设置适合电子信息类专业的操作系统实验内容方面进行了一些探索.几年来的教学实践证明,通过设计面向电子信息类专业的操作系统实验,并且在教学实践中采用理论教学和实验相结合的教学方式,可以有效培养电子信息专业学生的系统开发能力.

今后将进一步探讨综合性的操作系统课程设计,例如,将底层的驱动程序与用户层的应用程序相结合,实现文件系统加密、网络信息截取等功能.与此同时,使数字逻辑与计算机硬件类课程相配合,设计更加综合的实验内容,从而使学生能够更加有效地综合运用操作系统和其他课程的知识,提高综合能力,培养创新意识.

参考文献:

[1]汤俊,吴洪,魏鲲鹏.“软件化雷达”技术研究[J].雷达学报,2015(4):481-489.

[2]王忠思,黄辉,周亚民.软件无线电关键技术分析[J].信息通信,2011(6):57-58.

[3]TanenbaumAS.现代操作系统[M].陈向群,马洪兵,译.4版.北京:机械工业出版社,2017.

[4]张玉宏,张玉,程红霞.操作系统课程设计的实践教学尝试[J].计算机教育,2015(14):79-82.

[5]朱小军,王立松.面向系统能力培养的操作系统课程教学改革探索[J].计算机教育,2018(8):59-61.

[6]翟一鸣,张楠,任满杰,等.基于系统能力培养的《操作系统》课程教学改革实践[J].教育教学论坛,2017(36):128-129.

[7]李涛,李勇,贾琼.操作系统课程核心内容的实验教学探讨[J].信息技术与信息化,2017(12):142-145.

(见习编辑:田原)

操作系统论文参考资料:

此文汇总,这是关于经典操作系统专业范文可作为实验教学和操作系统和探索方面的大学硕士与本科毕业论文操作系统论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献。

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