陸松年，潘 理，訾小超

（1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.上海交通大學 信息安全工程學院，上海 200240）

電子信息類專業(yè)的學生學習“操作系統(tǒng)”課程的目的不是設計通用的操作系統(tǒng)，在多種操作系統(tǒng)的環(huán)境上開發(fā)與專業(yè)相關的系統(tǒng)軟件和應用軟件，安全有效地管理計算機系統(tǒng)和網絡系統(tǒng)。因此，電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”教學和實驗的改革應當以理論為基礎，應用和開發(fā)并重。學生在掌握理論和深入地理解系統(tǒng)后，才能逐步提高設計新的計算機控制和處理系統(tǒng)的能力。要開發(fā)計算機通信等大型軟件，一定要理解操作系統(tǒng)的基本原理。

1 操作系統(tǒng)教學內容

國內出版的面向計算機專業(yè)的“操作系統(tǒng)”教材并不適合電子信息類專業(yè)學生的需要。我們編寫的本教材具有計算機通信、嵌入式系統(tǒng)和操作系統(tǒng)安全的特色［1］。教學內容除了包括一些操作系統(tǒng)的基本原理外，盡可能多地滲入專業(yè)所必須學的內容。

1）進程是操作系統(tǒng)中最基本的概念，進程管理是操作系統(tǒng)中最重要和最活躍的部分，其中包含操作系統(tǒng)中重要的管理思想，如進程控制塊、調度策略、進程創(chuàng)建、控制和線程等概念。

2）對于通信專業(yè)，編寫與通信協(xié)議有關的程序和各種應用之間的通信程序的能力是非常重要的，因此教學內容突出進程的通信部分理論、進程之間的互斥和同步、信號量和信號量的應用、管程、信號機構、Solairs門以及管道通信等［1］。

3）分布式和網絡系統(tǒng)也與通信專業(yè)密切相關，故教學內容也要包括分布式和網絡操作系統(tǒng)中的網絡通信機制、網絡同步和負載分配。在分布式和網絡系統(tǒng)中也要涉及同步與互斥、調度算法、分布式文件系統(tǒng)和文件共享等。

4）通信專業(yè)還要掌握計算機通信技術和基本程序，突出與計算機通信相關的原理和應用。教學內容包括基本的遠程用戶間通信、遠程登錄和執(zhí)行和遠程文件傳輸?shù)?。在編程方面要掌握消息通信、共享內存、信息量、最典型的兩個通信協(xié)議：TCP和UDP套接字編程，以及Solaris門通信和遠程過程調用RPC。

5）學習文件系統(tǒng)的管理思想和技術對于用戶實現(xiàn)信息的存儲、處理和設計自己的信息存儲和管理系統(tǒng)十分重要。電子信息專業(yè)學生也要重點學習文件的基本概念、文件的系統(tǒng)調用、文件的標準子例程、文件系統(tǒng)的內部結構（如索引結構、目錄結構、打開文件結構等）、文件系統(tǒng)存儲資源管理、Linux和Solaris虛擬文件系統(tǒng)（VFS）以及文件系統(tǒng)安全等。

6）Windows系統(tǒng)是當前使用最廣泛發(fā)展最快的操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)中要學習Windows 2000／XP的網絡體系架構、Windows Server 2008、Windows 7和操作系統(tǒng)虛擬化技術等。

7）計算機系統(tǒng)安全是當前十分緊迫的問題，操作系統(tǒng)安全對于信息安全專業(yè)來說是一個核心研究方向。如系統(tǒng)安全的評估與標準、操作系統(tǒng)安全機制、訪問控制、安全審計、操作系統(tǒng)安全設計原理和安全體系結構等。對應用人員，也要掌握系統(tǒng)保護、用戶身份驗證以及各種程序威脅。此外還要學習與操作系統(tǒng)安全密切相關的拒絕服務攻擊、入侵檢測、SSL和安全審計等。

8）掌握操作系統(tǒng)向用戶提供的主要的實用程序、庫函數(shù)、系統(tǒng)接口以及軟件開發(fā)工具，對于熟練地在操作系統(tǒng)的環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)軟件和應用軟件是十分重要的。因此，電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”的教學內容包括有關的實用程序和軟件開發(fā)工具，如庫的生成、維護程序的程序Make、調試排錯程序和源代碼控制系統(tǒng)等。

9）Shell是UNIX系統(tǒng)最強而有力的系統(tǒng)開發(fā)工具，是在UNIX系統(tǒng)中提高工作效率的關鍵。掌握Shell是從UNIX系統(tǒng)的新手到資深用戶或系統(tǒng)管理員的必經之路。因此電子信息類專業(yè)的學生必須學習Shell程序設計，包括Shell變量、Shell命令、控制結構、Shell函數(shù)和過程等。

10）對于電子和自動化專業(yè)，掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術是必需的。在嵌入式系統(tǒng)中要學習嵌入式系統(tǒng)分類、特點、應用領域和發(fā)展趨勢，嵌入式Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)方法、任務管理與調度算法，嵌入式操作系統(tǒng)構建、裁剪和編譯內核，嵌入式Linux操作系統(tǒng)安裝、軟件開發(fā)與調試等。

11）電子信息類專業(yè)“操作系統(tǒng)”課程要突出系統(tǒng)管理、網絡管理和連網技術。包括UNIX系統(tǒng)管理、網絡配置和網絡服務、網絡服務監(jiān)控進程、FTP服務器、域名系統(tǒng)、網絡文件系統(tǒng)、Web服務器配置與管理。還要學習常用網絡管理命令。

2 實驗教學內容的設計

“操作系統(tǒng)”不僅是理論性很強的課程，而且也是實踐性和技術性很強的課程，學習操作系統(tǒng)不能輕視實踐［2］。

實驗教學內容除了操作系統(tǒng)基本實驗部分，如存儲管理、請求分頁系統(tǒng)、進程調度和控制、并發(fā)線程、死鎖、文件系統(tǒng)的用戶界面、文件系統(tǒng)設計實驗、Shell程序設計、系統(tǒng)管理和網絡管理等實驗外，對于電子信息類專業(yè)還要注重以下幾方面實驗［3］。

每一個實險，課時是2～4個學時，每學期可以選做其中的5個實驗。

1）操作系統(tǒng)與計算機通信相結合

與通信有關的協(xié)議較復雜，程序一般也很大。應當加強進程通信有關部分的原理教學和實驗，且在每一階段理論學習后接著安排實驗課。如要求學生編制進程控制、進程間數(shù)據通信的程序和遠程進程通信程序以及Linux消息隊列的實現(xiàn)、遠程進程TCP和UDP通信、Solaris門函數(shù)進程通信和遠程過程調用，并完成遠程計算機之間的文件傳送FTP程序等功能。

2）嵌入式操作系統(tǒng)部分

嵌入式Linux系統(tǒng)的內核裁減、文件系統(tǒng)構建和系統(tǒng)引導是構成嵌入式Linux系統(tǒng)部分最重要的幾個環(huán)節(jié)。具體實驗內容包括嵌入式操作系統(tǒng)基本的軟件開發(fā)和調試技術，嵌入式Linux安裝與引導實驗、嵌入式操作系統(tǒng)的構建和內核裁減、嵌入式操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)技術。

3）操作系統(tǒng)安全性部分

標識鑒別、訪問控制、安全審計、隱蔽信道檢測等是操作系統(tǒng)安全性中幾個重要的技術。在教學中，我們應結合分析當前桌面操作系統(tǒng)的安全機制，穿插操作系統(tǒng)安全性原理介紹。安排學生對Linux系統(tǒng)中的安全增強模塊進行代碼分析和配置應用，并促進學生進行安全性增強方面的探索，如開展操作系統(tǒng)登錄的可信路徑、基于硬件標識的程序權限控制和Linux的安全訪問控制等實驗。

4）課程設計部分

為了培養(yǎng)和提高學生的大型系統(tǒng)程序設計能力，可以在36學時的課程設計中讓學生分組設計以下實驗：操作系統(tǒng)進程管理和調度實現(xiàn)、虛擬存儲器原理及其實現(xiàn)、Linux的系統(tǒng)調用擴展、Linux的內核模塊擴展、系統(tǒng)調用層次上的程序狀態(tài)監(jiān)視和基于B／S結構的Linux管理系統(tǒng)等［4］。

3 教學實驗平臺的選擇

由于Linux和OpenSolaris具有開放源碼的特性，現(xiàn)在很多公司已經把它們作為其正式的工作平臺和服務平臺。因此，課程組就選擇Linux和OpenSolaris作為學生實驗的主要平臺，并設計了多層次組合式的實驗，以提高學生實際編程能力以及使用和管理系統(tǒng)的能力。

我們已經以Linux系統(tǒng)為平臺開設了操作系統(tǒng)模塊設計、系統(tǒng)程序設計、應用開發(fā)、系統(tǒng)管理和網絡管理等十幾個實驗。從已完成的實驗看來，Linux操作系統(tǒng)符合POSIX.1標準，與其他種類的UNIX系統(tǒng)兼容性好，在其上開發(fā)的程序可移植性強。

Solaris是Unix類操作系統(tǒng)的典范，是最成功的商業(yè)實現(xiàn)版本，也是最安全和最穩(wěn)定的操作系統(tǒng)之一。為了適應操作系統(tǒng)開源項目的最新發(fā)展，在教材中在存儲管理、進程管理、進程通信、設備管理和文件系統(tǒng)各章分別對Solaris操作系統(tǒng)中最有特色的相關的原理進行了介紹外，還給出了Solaris門和RPC程序設計示例。

為了將OpenSolaris用于實驗教學，除了集中實驗外，課后學生可以登錄課程組的OpenSolaris服務器，獨立設計自己的創(chuàng)新性和綜合性實驗。

［1］陸松年等.操作系統(tǒng)教程（第3版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010

［2］陸松年，龔玲.課堂教學、網絡教室和課程實驗三結合的教學方法［J］.南京：電氣電子教學學報，2009.2，88／89，94

［3］陸松年等.操作系統(tǒng)實驗教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010

［4］龔玲，陸松年，薛質."操作系統(tǒng)"課程教學探索［J］.南京：電氣電子教學學報，2007.10，1－3