Linux操作系统实验教学研究.pdf

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1、 2 0 l o 年第8 期信息教育L i n u x 操作系统实验教学研究赵艳红，段汉根，沈峰(安徽科技学院理学院。风阳2 3 31 0 0)摘要：I A n u x 操作系统具有很强的理论性和实践性，针对L i n u x 操作系统实验教学，提出了利用V M w a r e 虚拟机搭建L i n u x 平台的过程，并按照操作系统的功能模块循序渐进地设计了七个实验项目。通过实验使学生深入理解L i n u x 操作系统，提高学生的学习兴趣、自主性及操作能力、编程能力。关键词：L i n u x；操作系统；实验教学中图分类号：G 4 2 0文献标识码：A文章编码：1 6 7 2 6 2 5

2、1(2 0 1 0)0 8-0 1 4 5-0 3R e s e a r c ho nE x p e r i m e n t a lT e a c h i n go fL i n u xO p e r a t i n gS y s t e mZ H A OY a n h o n g，D U A NH a n g e n，S H E NF e n g(C o l l e g eo fS c i e n c e sA n h u iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y，F e n g y a n g2 3 3 1 0 0)

3、A b s t r a c t：T h eL i n u xo p e r a t i n gs y s t e mc o u r s ei ss t r o n gt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l T oe x p e r i m e n to ft h eL i n u xo p e r a t i n gs y s t e m,p r o p o s e db u i l dp r o c e s so fL i n u xp l a t f o r mb a s e do nV M w a r eV i r t u a lM a c

4、 h i n e A c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gs y s t e mf u n c t i o nm o d u l e s,d e s i g ns e v e np i l o tp r o j e c t ss t e pb ys t e p T h r o u g he x p e r i m e n t a lp r o j e c t s，e n a b l es t u d e n t st ou n d e r s t a n dL i n u xo p e r a t i n gs y s t e m,i m p r o

5、 v ei n t e r e s ti nl e a r n i n g，a u t o n o m y，o p e r a t i o n a lc a p a c i t ya n dp r o g r a m m i n gc a p a b i f i t yo fs t u d e n t K e yw o r d s：L i n u x；o p e r a t i n gs y s t e m；e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gl 引言随着开源软件在世界范围内影响力的日益增强。L i n u x 在嵌人式、服务器、桌面、行业定制等领域已经

6、获得了令人瞩目的成就。L i n u x 已成为当今世界主流操作系统之一，特别是在服务器领域，其市场占有率已超过M i c r o s o f tW i n d o w s I l l。L i n u x 是免费使用和自由传播的类U n i x 操作系统。主要用于基于I n t e lx 8 6 系列C P U 的计算机上。L i n u x 系统是由世界各地的成千上万的程序员设计和实现的。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的U n i x 兼容产品。L i n u x 的基本思想有两点：一切都是文件；每个软件都有确定的用途，同时它们都尽可能被编写得更好。其中第一条

7、就是系统中的所有文件都归结为一个文件，包括命令、硬件和软件设备、操作系统、进程等对于操作系统内核而言，都被视为拥有各自特性或类型的文件。作为最具代表性的开源软件，L i n u x 获得了大型跨国公司、行业组织、高校和科研机构等的广泛关注与支持。并被包括我国在内的很多国家和地区作为国家r I 战略发展方向之一闭。为适应L i n u x 快速发展对技术人才的迫切需求很多高校开设L i n u x 相关的课程。但有的学生学完这门课程后，对操作系统的理解、掌握还仅限于用户级的水平，只能将操作系统当作一个资源管理者使用，很难达到把操作系统当作是一个与计算机硬件等价的可扩展、可开发的计算平台来使用闭。

8、如何才能让学生真正学懂、掌握操作系统的体系结构理论。并通过实验教学得以巩固提高，为今后的学习、发展打下坚实的理论基础，针对这个问题对L i n u x 操作系统实验教学进行了认真的研究与实践。取得了较好的效果。2 实验平台的搭建采用虚拟机软件V M w a r e 构建多操作系统实验平台，具体步骤如下：(1)主机操作系统可以根据计算机硬件配置情况及需要安装W i n d o w s2 0 0 3、W i n d o w s X P 或W i n d o w sV i s t a 等，属于宿主操作系统。是虚拟机软件的运行平台：基金项目：安徽科技学院教研项目“面向应用型本科师范生教育的计算机辅助教

9、学的改革与实践”(编号X 2 0 1 1 0 5o作者简介：赵艳红(1 9 8 0-)，女，硕士，研究方向：计算机操作系统、图像处理。收稿日期：2 0 1 0-0 5 0 6-1 4 5-万方数据农业网络信息2 0 l o 年第8 期信息教育(2)安装V M w a r e 虚拟机软件；(3)利用V M w 盯e 虚拟机软件建立如图1 所示的W i n d o w sX P、L i n u x 和U n i x 虚拟机。在W i n d o w sX P、U n i x 上配置应用服务器。可以创建其他的虚拟机，或创建更多的虚拟机，当然，实际能同时运行多少个虚拟机，主要取决于计算机的C P U

10、和物理内存大小。在构建操作系统平台时，根据需要，选择L i n u x虚拟机作为环境时需注意如下事项：安装方式选择：T y p i c a l；选择G u e s tO p e r a t i o nS y s t e m 时。选中L i n u x 对应的V e r s i o n，选中R e dH a tL i n u x；虚拟机内存大小：1 2 8 M B 以上；网络连接方式：B r i d g e d方式；虚拟磁盘：选择“新建”。大小设置：至少2 G B；建立虚拟机完成后，C D R O M 默认值是A u t oD e t e c t 把这个值改为R e dH a tL i n u

11、x 安装光盘将要插入的具体盘符。(4)在L i n u x 虚拟机中安装L i n u x。打开V M w a r e，选择刚才建立的L i n u x 虚拟机插入R e dH a tL i n u x 安装光盘，单击V M w 盯e 工具栏中的P o w e rO n 按钮启动L i n l l x 虚拟机进入L i n u x 安装欢迎界面。在安装过程中注意如下事项：安装类型选择定制；选中W i n d o w s 文件服务器，目的是安装S a m b a 组件；选中开发工具，目的是安装G C C、N A S M 等。图1 虚拟机软件构建L i n u x 实验平台3 实验设计L i n

12、u x 操作系统课程实验与理论课同步进行。使学生加强对理论的理解并加强应用。根据实际情况及现状，可对原有的实验教学模式进行如下改革：实验课教学采用循序渐进的方法以实验项目作为驱动；实验内容涉及L i n u x 命令使用、进程管理、内存管理、设备管理、文件系统管理等方面。使学生对操作系统各方面都能深入学习；每个实验都安排思考总结项目，使学生通过思考总结所学知识并通过实验平台积极主动地实践，提高学生的编程能力、动手能力及创新能力。另外，针对操作系统的主要部分来设计几个阶段项目，按照项目来分组几个学生设计实现各个项目。通过亲自实践。使学生深刻理解L i n u x操作系统的构成及运行。下面就各项目

13、分别介绍：(1)实验项目l：L i n u x 使用基础。包括：实验目的：学习使用L i n u x 文件系统；学习L i n u x 进程的相关操作命令：学习g c c、m a k e 和g d b 等编程工具的使用1 4 1。实验内容：查看L i n u x 操作系统目录结构。特别是源代码所在的目录及文件。使学生了解操作系统的功能模块；练习常用命令。掌握基本的操作方法；启动XW i n d o w，熟悉窗口界面的环境，熟练使用L i n u x 操作系统。(2)实验项目2：进程与子进程。包括：实验目的：研读L i n u x 与进程相关的源程序，理解源程序的设计思想和编程技巧；加深对进程概

14、念的理解，明确进程和程序的区别；学习与掌握进程控制的基本和常用的系统调用，如f o r k()、w a i t()、s l e e p()、e x i t()、e x e c()。实验内容：进程是操作系统中最重要的概念，也是学习现代操作系统的关键。通过本次实验，理解进程的实质和进程管理的机制，在L i n u x 系统下实现进程从创建到终止的全过程。从中体会进程的创建、父进程和子进程的关系、进程状态变化。实验要求父进程创建两个子进程。由子进程各自从控制台接收输入一个字符串，保存在各自的全局字符串变量中，然后正常结束。父进程调用w a i t p i d 等待子进程结束，并分别显示每个子进程的进

15、程标识号和它所接收的字符串。(3)实验项目3：进程间通信。包括：实验目的：学习L i n u x 操作系统用户进程的编程：学习L i n u x操作系统进程通信中信号量、消息队列、共享内存的基本原理和常用的系统调用。实验内容：编写一个生产者一消费者程序组，要求同时支持多个生产者和消费者，生产者与消费者之间使用共享内存进行数据传递，并使用信号量对数据的内容进程保护。(4)实验项目4：内存管理。包括：实验目的：首先，从程序员的角度理解内存的使用。操作系统能够完成大部分内存的管理工作，对于程序员，内存管理的过程是不透明的。在开发程序时，程序员真正要做的是申请内存和使用内存、释放内存。其次，理解内存页

16、面调度的机理，掌握几种页面置换算法的实现过程。实验内容：研读L i n u x 系统目录下内存管理的源程序，理解源程序的设计思想和编程技巧；利用m a l l o c()、r e a l l o c()、f r e e()申请内存及重新申请内存、释放内存；理解页面调度机制，在模拟实现n F O、L R U 和O 门几种经典页面置换算法的基础上。比较各种置换算法的效率及优缺点。从而了解虚拟存储实现的过程阁。(5)实验项目5：模块编程。包括：实验目的：一1 4 6 万方数据农业网络信息2 0 l o 年第8 期信息教育体会用户空间和系统空间：理解操作系统“宏内核”组织方式；学习模块加载、卸载操作。

17、实验内容：通过学习内核模块的编写和运行。了解模块是L i n u x操作系统的一种特有的机制可根据用户的实际情况需要。在不需要对内核进行重新编译的情况下。模块能在内核中动态地加载或卸载。编写一个模块。将其作为L i n u x 操作系统内核空间的扩展来执行并通过i n s m o d 命令手工加载，通过r m m o d 手工卸载旧。(6)实验项目6：设备管理。包括：实验目的：了解L i n u x 操作系统中设备驱动程序的组成，能编写字符设备驱动程序及块设备驱动程序。并进行测试。实验内容：研读L i n u x 系统设备管理的源程序，理解设备驱动程序组成及源程序的设计思想和编程技巧；设备驱动

18、程序一方面控制设备的操作。另一方面为内核提供统一的操作接口。字符设备和块设备是L i n u x 系统两大基本类型的设备，因此在设备管理实验中，通过编写字符设备和块设备的驱动程序。可深人理解L i n u x 操作系统的设备管理机制。(7)实验项目7：文件系统。包括：实验目的：掌握文件系统的工作机理。从程序员的角度掌握打开文件，并向文件中写信息及关闭文件。理解文件系统的主要数据结构，学习较为复杂的L i n u x 下的编程。实验内容：利用o p e n()、c l o s e()来打开文件和关闭文件；L i n u x 使用了虚拟文件系统的技术，E X T 2 是L i n u x 自己的文

19、件系统。在文件系统实验中，设计了一个二级文件系统。保留了V F S 和E X T 2 模型的主要结构与功能，是一个比真正文件系统简单，而又能基本体现文件系统理论的程序。通过该实验，可最终理解一般文件系统的原理和实现机制。在实验课的教学过程中。采用案例教学的方法。首先由教师带领学生阅读代码。解释设计思想：然后由教师演示案例，并解释运行结果；最后由学生阅读程序，运行、测试程序。加深理解，并按照作业要求自己编写程序，进行调试。通过循序渐进的学习，提高学生学习的兴趣、学习自主性、动手能力及编程能力。4L i n u x 操作系统实验课考核方式L i n u x 操作系统是一门实践性较强的专业方向课，考

20、核方式应该采用多样化的考核方法。例如：理论课采用闭卷考试的方法。实验课根据学生做实验作业的情况计分，并作为一部分计入期末总成绩。5 结束语L i n u x 是开源的软件，在嵌入式、网络等方面都有广泛应用。通过循序渐进地对U n 呱进行学习。有助于提高学生实际应用能力和操作技巧水平。增强编程的能力，使学生具有一定的计算机应用基础，为其以后从事专业工作奠定了基础。L i n u x 操作系统实验课如何上得更好。是一个值得长期研究与实践的问题。参考文献【l】8 6 3 一中国高技术研究发展计划 E B O U W W W 8 6 3 o r g c n【2】王立嘉L i n u x 终结微软霸权【

21、N】市场报，2 0 0 8-0 2 2 9【3】李蜀娴L i n u x 操作系统实验教学模式探讨与实践叨甘肃科技，2 0 0 9,2 5(2 3)：1 8 5-1 8 7【4】L i n u x 系列教材编写组L i n u x 操作系统分析与实践【M】北京：清华大学出版社2 0 0 8【5】赵敏哲6 4 位L i n u x 操作系统与应用实例【M】北京：机械工业出版社2 0 0 1【6】徐虹，何嘉，张钟澍操作系统实验指导一基于I A n u x 内核I M 北京：清华大学出版社2 0 0 4-1 4 7-万方数据Linux操作系统实验教学研究Linux操作系统实验教学研究作者：赵艳红，段

22、汉根，沈峰，ZHAO Yanhong，DUAN Hangen，SHEN Feng作者单位：安徽科技学院理学院,凤阳,233100刊名：农业网络信息英文刊名：AGRICULTURE NETWORK INFORMATION年，卷(期)：2010(8)参考文献(6条)参考文献(6条)1.徐虹;何嘉;张钟澍 操作系统实验指导-基于Linux内核 20042.赵敏哲 64位Linux操作系统与应用实例 20013.Linux系列教材编写组 Linux操作系统分析与实践 20084.李蜀娴 Linux操作系统实验教学模式探讨与实践期刊论文-甘肃科技 2009(23)5.王立嘉 Linux终结微软霸权 20086.863-中国高技术研究发展计划 本文链接：http:/