操作系統(tǒng)原理實驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)的探討

王曉東

摘 要：實驗教學(xué)是操作系統(tǒng)原理課程教學(xué)的一項重要內(nèi)容，重點之一是實驗教學(xué)環(huán)境的建設(shè)。本文簡述了在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入EOS的經(jīng)驗和方法，并且解釋了在建設(shè)實驗環(huán)境時可能遇到的一些問題。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);實驗;EOS;建設(shè)

一、引言

操作系統(tǒng)原理是計算機相關(guān)專業(yè)很重要的一門專業(yè)理論課程，做好操作系統(tǒng)實驗，對學(xué)生理解并掌握操作系統(tǒng)的基本理論和算法有很大的幫助。如果建設(shè)了一個完善的操作系統(tǒng)原理實驗環(huán)境，再以此為基礎(chǔ)設(shè)計具體的操作系統(tǒng)原理實驗項目，會顯得事半功倍，也有利于學(xué)生全面了解操作系統(tǒng)編程的方法。經(jīng)過考察調(diào)研，結(jié)合學(xué)校實際情況，選擇了EOS教學(xué)軟件來構(gòu)建操作系統(tǒng)原理實驗環(huán)境。

EOS由國內(nèi)的一家科技公司開發(fā)，是一個可以在Intel X86平臺上運行的、面向教學(xué)的開源操作系統(tǒng)。為了讓EOS適合于教學(xué)，EOS被設(shè)計得十分小巧，并且盡量保持架構(gòu)簡單，但是EOS仍然涵蓋了系統(tǒng)引導(dǎo)、進程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)等重要的操作系統(tǒng)概念。EOS完全由匯編語言和C語言編寫，開放了全部源代碼，同時在源代碼中添加了大量的注釋，讓閱讀和理解源代碼更加容易。EOS操作系統(tǒng)提供的API（應(yīng)用編程接口）與Windows基本一致，在編寫EOS應(yīng)用程序時可以直接調(diào)用這些API函數(shù)，使得EOS系統(tǒng)編程可以和Windows系統(tǒng)編程較好地銜接與融合。

二、集成實驗環(huán)境

EOS有配套的IDE（Integrated Development Environment）實驗環(huán)境。該IDE環(huán)境可以直接在Windows操作系統(tǒng)上安裝和卸載，用戶界面和操作習(xí)慣與Visual Studio完全類似，而學(xué)生C語言編程就是在Visual Studio環(huán)境下完成的，所以可以迅速上手。這樣就避免了由于手工構(gòu)建實驗環(huán)境所帶來的學(xué)習(xí)成本，從而可以將主要精力放在對操作系統(tǒng)原理和EOS源代碼的分析與理解上。使用該IDE環(huán)境提供的強大功能可以方便、迅速地編輯、編譯和調(diào)試EOS源代碼，編輯功能可以用來閱讀和修改EOS源代碼;編譯功能可以將EOS源代碼編譯為二進制文件（包括引導(dǎo)程序和內(nèi)核）;調(diào)試功能可以將編譯好的二進制文件寫入一個軟盤鏡像（或軟盤），然后讓虛擬機（或裸機）運行此軟盤中的EOS，并對其進行遠程調(diào)試。IDE環(huán)境提供的調(diào)試功能十分強大，包括設(shè)置斷點、單步調(diào)試，以及在中斷發(fā)生時顯示對應(yīng)位置的C語言源代碼、查看或修改表達式的值、顯示調(diào)用堆棧和指令對應(yīng)的匯編代碼等功能。靈活運用各種調(diào)試功能，這對學(xué)生分析EOS的源代碼有很大幫助。

IDE環(huán)境除了提供以上的主要功能外，還提供了一些工具軟件。使用Floppy Image Editor工具提供的可視化用戶界面，學(xué)生可以像編輯軟盤驅(qū)動器中的軟盤一樣來編輯軟盤鏡像文件，從而可以在Windows操作系統(tǒng)中直接觀察到EOS操作系統(tǒng)對軟盤的修改。IDE環(huán)境與多種免費的第三方虛擬機軟件進行了無縫融合，主要的虛擬機包括Bochs和Virtual PC，學(xué)生在調(diào)試時可以使用這些虛擬機來運行EOS操作系統(tǒng)。

EOS操作系統(tǒng)與IDE環(huán)境共同組成了操作系統(tǒng)原理集成實驗環(huán)境，學(xué)生在做操作系統(tǒng)實驗時，通過使用IDE環(huán)境編輯、編譯和調(diào)試EOS源代碼，從而觀察操作系統(tǒng)的運行過程，理解操作系統(tǒng)的一些常用算法。

三、從源代碼到可運行的操作系統(tǒng)

無論是EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核還是EOS應(yīng)用程序，開始時它們都只是一些源代碼文件，當編譯器、鏈接器、軟盤鏡像編輯器等工具對這些源代碼文件進行逐步轉(zhuǎn)化后，就變成了可以在虛擬機上運行的EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核與EOS應(yīng)用程序。雖然IDE環(huán)境可以使用以上的各種工具自動地完成上述轉(zhuǎn)化過程，但是學(xué)生還是應(yīng)該弄清楚上述過程內(nèi)部的細節(jié)，這對于他們理解操作系統(tǒng)原理是有很大幫助的。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間一個重要的紐帶就是API，操作系統(tǒng)通過開放API為應(yīng)用程序提供服務(wù)，應(yīng)用程序通過使用這些API實現(xiàn)其功能。在操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行時，API可能只是一個簡單的調(diào)用和被調(diào)用的關(guān)系，但是在編寫操作系統(tǒng)的源代碼時，必須要解決如何才能開放API的問題。在編寫應(yīng)用程序的源代碼時，又必須要解決如何才能使用API的問題。SDK是Software Development Kit的縮寫，即軟件開發(fā)工具包。操作系統(tǒng)通過向程序員提供SDK來開放其API，開發(fā)者在為操作系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序時，通過使用SDK來調(diào)用API。所以如果學(xué)生要為操作系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序，就需要首先獲得操作系統(tǒng)的SDK。

SDK一般采用文件的形式并結(jié)合特定的編程語言，向程序員提供系統(tǒng)的API，有些SDK還會提供相關(guān)的文檔、編程范例和工具軟件等。SDK為了向程序員提供系統(tǒng)API，往往會包含頭文件、導(dǎo)入庫文件和動態(tài)鏈接庫文件。頭文件一般會被放在SDK中的Include文件夾中，它的主要作用是導(dǎo)出系統(tǒng)使用的一些數(shù)據(jù)類型（例如系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)體類型）和API函數(shù)的聲明，在為系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序時，往往需要使用和頭文件相同或兼容的編程語言來編寫源代碼文件。并且只有在源代碼文件中包含了這些頭文件后，才能使用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)類型和API函數(shù)。在IDE環(huán)境將EOS操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼文件生成二進制文件時，會將boot.asm文件生成為boot.bin文件（軟盤引導(dǎo)程序），將loader.asm文件生成為loader.bin文件（加載程序），將其它的源代碼文件生成為kernel.dll文件和libkernel.a文件。其中kernel.dll文件是EOS操作系統(tǒng)的內(nèi)核，EOS操作系統(tǒng)的API函數(shù)就是從此文件導(dǎo)出的，所以在生成此文件的同時還要生成導(dǎo)入庫文件libkernel.a，當EOS應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件與此導(dǎo)入庫文件鏈接后，就可以調(diào)用kernel.dll文件導(dǎo)出的API函數(shù)了。在IDE環(huán)境啟動執(zhí)行EOS操作系統(tǒng)時，會將boot.bin、loader.bin和kernel.dll三個二進制文件寫入軟盤鏡像文件中，然后讓虛擬機來執(zhí)行軟盤中的EOS操作系統(tǒng)。

在編寫EOS應(yīng)用程序的源代碼之前，必須首先獲得EOS SDK文件夾。然后在EOS應(yīng)用程序的頭文件eosapp.h中，包含SDK/INC文件夾中的三個頭文件。實際上eosapp.h只需要包含eos.h文件即可，因為在eos.h文件中已經(jīng)包含了eosdef.h和error.h文件。在IDE環(huán)境將EOS應(yīng)用源代碼文件生成二進制文件時，鏈接器會將由eosapp.c文件和C運行時庫源代碼文件生成的目標文件與SDK/BIN文件夾中的導(dǎo)入庫文件libkernel.a一同鏈接，生成EOS應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件eosapp.exe。在IDE環(huán)境運行EOS應(yīng)用程序時，會將SDK/BIN文件夾中的boot.bin、loader.bin和kernel.dll寫入軟盤鏡像，這樣EOS操作系統(tǒng)才能夠啟動運行。同時會將EOS應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件eosapp.exe和一個內(nèi)容為“eosapp.exe”的文本文件autorun.txt寫入軟盤鏡像，這樣在EOS操作系統(tǒng)成功啟動后，操作系統(tǒng)會自動運行autorun.txt文件中記錄的應(yīng)用程序可執(zhí)行文件eosapp.exe。

四、結(jié)語

以上主要介紹了EOS操作系統(tǒng)和與其配套的集成實驗環(huán)境，引入EOS建設(shè)操作系統(tǒng)原理課程的實驗環(huán)境，實踐證明其效果還是較為理想的。教師可以精心設(shè)計基于EOS環(huán)境的操作系統(tǒng)實驗，提高操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 龐麗萍. 操作系統(tǒng)原理（第四版）[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2008.