一种用于操作系统实验教学的智能教具技术方案

技术编号:6381708 阅读:243 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术属于教具,特别涉及演示操作系统中进程调度、进程同步、死锁等知识点的操作系统教学的智能教具。其结构主要包括转盘、伸缩臂、方台、数码管、发光二极管和光电传感器。作为一种智能教具,将嵌入式系统的优点与传统形象化教具创造性地结合起来,因此模型也兼具可由用户自行编程和直观呈现的两大优点。该教具结构简单清晰,演示直观,成本低适合在教学中推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种应用于操作系统进程相关内容演示、实验的教具。具体来说,是 一种将操作系统中进程有关概念具象化,直观呈现操作系统中进程执行过程中的进程调 度、进程同步、死锁等状态的教具。作为一种形象化教具,本专利技术直观地呈现多进程在 算法的指导下协调执行的场景。
技术介绍
操作系统是计算机配备的最基本、最重要的系统软件。它不仅是硬件与所有其 他软件之间的接口,而且任何数字电子计算机都必须在其硬件平台上加载相应的操作系 统之后,才能构成一个可以协调运转的计算机系统。只有在操作系统的指挥控制下,各 种计算机资源才能被分配给用户使用。也只有在操作系统的支撑下,其他系统软件如各 类编译系统、程序库和运行支持环境才得以取得运行条件。没有操作系统,任何应用软 件都无法运行。由于操作系统在计算机系统所处的位置决定了操作系统课程的重要性,操作系 统课程是计算机类专业、通信类专业、自动化类专业的专业主干课程。学好操作系统不 仅能较全面地掌握计算机软硬件知识,而且为以后学习数据库系统、计算机网络、分布 式系统等课程打下良好的基础。当前的操作系统课堂教学以及操作系统上机实验普遍存在一些问题,导致学生 无法深入理解操作系统内部运行机制,无法达到既定的教学目标。这些问题包括(1) 操作系统中概念、内部机制过于抽象化、专业化,难以通过类比的方法,获得感性的、 直观的理解。(2)在操作系统教学中,为了对操作系统有更加深入的、直观的理解,该课 程一般都会安排与相应章节内容相关的上机实验。然而这些实验多是通过系统调用的方 式获取进程信息、资源信息,通过输出的数据分析操作系统执行状态。这就导致了操作 系统实验缺乏直观性、趣味性。(3)由于在课上学习的过程中对操作系统相关知识的学 习、理解过程中本身存在问题,导致实验难以开展,又因实验单调枯燥,很多时候学生 实验课都在应付了事。为了解决操作系统教学中存在的这些问题,该专利技术提出一种应用于操作系统进 程相关内容演示、实验的教具。首先,该教具是一种演示教具,它对操作系统中进程相 关的概念提供了一组形象化模型表示,可在预先写好的程序的控制下在课上演示操作系 统进程执行过程。另外,作为一种智能教具,它允许用户自行编写程序来控制模型教具 中各部件的运转情况,达到直观的观察、验证操作系统在不同的算法指导的情况之下的 运行的情况。操作系统相关知识操作系统从用户交互性的角度主要可以分为三种类型批处理系统、分时操作 系统、实时操作系统。批处理系统分为单批处理系统、多批处理系统。与单批处理系统 相比,多批处理系统内存同时驻留多个要执行的程序,当正在执行的程序进行I/O操作时,系统会通过调度策略选择下一个程序交付给此时处于空闲的处理机。在多批处理操 作系统中,程序执行的顺序是严格按照它们被载入内存的先后顺序依次执行的,在执行 的过程中不受用户干预。与多批处理操作系统相同,分时系统中内存中也同时驻留多个 待执行程序,但是多个程序不再是依次执行而是在逻辑上同时执行。分时系统有更好的 交互性,这主要表现在分时系统同时可以对多个终端用户服务,对每个用户的输入都能 做出及时的响应,使每个用户在感觉上是独占一台机器的。在分时操作系统中处理机的运行时间被分割成很短的时间段,每个时间段称为 一个时间片。通过一个调度策略,在某一时刻将一个时间片分给某一个程序,即这个程 序在这个时间片上得到处理。当时间片用尽,这个程序的执行结果暂时保存起来,然后 系统依照某一调度策略去选择下一个程序执行。这样虽然某一时刻只有一个程序被处 理,但在一个较长的时间段上每个程序都得到了处理。处理机处理的速度很快,划分的 时间片很小,所以给用户的感觉是多个程序在同时被处理。这样一组逻辑上同时执行的 程序被认为是并发的。与并行不同,并发不能做到在某一个时刻同时执行多个程序,而 是通过处理机运行时间的划分给用户带来感觉上几个程序同时执行。在分时操作系统中,由于每个程序都以走走停停的方式轮流执行,为了更好描 述某个一个时刻某一个程序执行状态而引入进程的概念。进程是程序在某一个数据集上 一次执行过程,也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。一个进程从创建到消亡 的整个生命周期,可用一组状态加以刻画。按照程序执行过程中的状态可以定义三种不 同的进程状态运行态、就绪态、等待态。运行态的进程占有处理机,并且正在执行; 就绪态的进程已经具备运行条件但是由于并不占有处理机,暂时不能运行;等待态的进 程因为等待某种条件的发生,例如等待输入输出接口空闲,而暂时不能运行。在分时操作系统中,某一时刻最多有一个进程处于运行态,多个进程处于就绪 态和等待态。在一定条件下进程的状态发生相互转化,从运行态到就绪态的转化的条件 是当前处于运行态的进程时间片用尽;从就绪态到运行态的转化条件是某一个处于就绪 态的进程在某一选择策略条件下被系统选中执行;从运行态到等待态的转换条件是进程 在执行过程中,由于发现某个执行条件不满足而主动放弃处理机进入等待状态;在事件 满足的条件时,进程会从等待态转化到就绪态。处于就绪状态的几个进程以先进先出的原则构成的一个逻辑上的集合,称为就 绪队列。处于等待状态的几个进程以先进先出的原则构成的一个逻辑上的集合,称为等 待队列。操作系统调度问题的关键知识点,是在操作系统中同时存在多个进程的情况 下,按一定策略为处于就绪态的进程分配处理机,以避免因进程相互争夺处理机而导致 的处理机利用率下降以及某些进程长期得不到执行等问题。在分时操作系统中,进程执行过程中会访问共享的资源。这些资源包括硬件资 源和软件资源统称为临界资源。部分临界资源的访问是互斥的,即在某个进程提出申请 资源之后,不允许其它进程访问。进程同步描述的是一组同时执行的进程,在都要访问共享的临界资源而相互制 约的条件下,进行互相合作、互相等待,使得各进程按一定的速度执行的场景。几个进程互斥访问的临界资源时,由于资源分配策略不合理,导致在极端的情 况下,几个进程都在占有某资源的同时等待其它进程占有的资源,这可能导致几个进程 一直处在等待态,等待其他进程释放资源,这一现象称为死锁。死锁问题的关键知识 点,是如何发现死锁并避免死锁。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种演示操作系统中进程调度、进程同步、死锁等知识点 的教具。该教具的主要部件及结构如下(1)动作执行部件转盘、伸缩臂,提供动力的部件直流电机、步进电机,以及连 接在动作执行部件和提供动力的部件之间的动力传动部件包括齿轮、连接管、支撑平台 等;(2)用来控制系统运转的核心控制部件单片机以及其外围电路其中包括直流电机 驱动、步进电机驱动、数码管驱动、多路选通芯片;(3)为完整描述操作系统必要的部件,其中包括用于表示操作系统进程的小物 块,用来描述进程状态的方台,用来表示操作系统资源的数码管;(4)用于表示操作系统执行状况的部件发光二极管;(5)用于检测表示进程的小物块位置以及伸缩臂凹槽位置的部件光电传感器;(6)黑盒处于教具结构中最底部,为整个系统部件的支撑。黑盒是一个中空、顶部为正方形的盒子,黑盒内部用来装载单片机、驱动芯 片、电机搭建的电路,黑盒处于模型最底部,黑盒的顶部为方台、光电传感器支撑面;转盘处于黑盒的正上方,是一个厚度L< 4mm的圆本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于操作系统实验教学的智能教具,其特征是该教具的主要部件及结构如下:(1)动作执行部件转盘、伸缩臂,提供动力的部件直流电机、步进电机,以及连接在动作执行部件和提供动力的部件之间的动力传动部件包括齿轮、连接管、支撑平台等;(2)用来控制系统运转的核心控制部件单片机以及其外围电路其中包括直流电机驱动、步进电机驱动、数码管驱动、多路选通芯片;(3)为完整描述操作系统必要的部件,其中包括用于表示操作系统进程的小物块,用来描述进程状态的方台,用来表示操作系统资源的数码管;(4)用于表示操作系统执行状况的部件发光二极管;(5)用于检测表示进程的小物块位置以及伸缩臂凹槽位置的部件光电传感器;(6)黑盒处于教具结构中最底部,为整个系统部件的支撑。黑盒是一个中空、顶部为正方形的盒子,黑盒内部用来装载单片机、驱动芯片、电机搭建的电路,黑盒处于模型最底部,黑盒的顶部为方台、光电传感器支撑面;转盘处于黑盒的正上方,是一个厚度L<4mm的圆形转盘,转盘的圆心与黑盒的中心重合,直径小于黑盒顶部正方形的边长,并在竖直方向上与黑盒顶部保持一定距离d.转盘通过齿轮与直流电机连接,在直流电机旋转时转盘在齿轮的推动下一同旋转,黑盒顶部中心处、转盘的圆心各有一个半径为R的小孔,一个半径为r<R的连接管,从转盘中心黑盒顶部穿过与内部步进电机粘合在一起;支撑平台为一多边形平板处于转盘的上方,与连接管的一端粘合。步进电机旋转时,会带动连接管、支撑平台会与步进电机一起旋转,支撑平台为伸缩臂以及另一个步进电机的支撑面;伸缩臂从顶部看是为长方形,其一段有一个凹槽,凹槽开口方向竖直向下,另一端末尾有一段齿痕粘合在臂上。伸缩臂处于支撑平台的上方,并固定于支撑平台上。伸缩臂在一端的齿痕和固定于另一步进电机的齿轮的作用下,在另一步进电机旋转时沿径向推拉伸缩臂。伸缩臂也可在支撑平台的带动下与支撑平台一同旋转,伸缩臂有凹槽的一侧可以包住处于转盘上的小物快,并在沿径向运动的过程中,推拉小物块沿径向运动相应位移,而当伸缩臂随支撑平台旋转时,即伸缩臂沿转盘切线方向运动时,并不会触碰小物块;用于描述进程就绪态和等待态的多个方台与转盘竖直方向上同高分布在转盘周围。方台的边缘与转盘外边缘相切、径向距离n<2mm。这些方台逻辑上可分为两组,一组构成了一个就绪队列,另一组构成等待队列。当表示进程的小物块处于构成就绪队列的方台上时,此时表示进程的小物块进入了就绪状态,当表示进程的小物块处于构成等待队列的方台上时,表示进程的小物块进入了等待状态;一组光电传感器用来检测旋转过程中表示进程的小物块的位置和伸缩臂凹槽的位置。光电传感器安置在每个方台的其中一侧与方台紧邻的位置,竖直方向高度略高于方台的高度,用来检测小物块当前移动到哪一个方台对应的位置,除此之外空闲的一个光电传感器用来全局记录表示进程的小物块随转盘一同旋转转过的圈数;单片机为整个系统的核心控制部件,它通过驱动芯片与步进电机,直流电机,数码管,发光二极管连接,输出信号控制步进电机的正向旋转反向或旋转以及旋转的角度,控制直流电机旋转还是停止,控制数码管亮灭以及显示数字,控制发光二极管亮灭,另一方面,它通过多路选择芯片轮询一组光电传感器的电位改变,获得小物块随转盘旋转过程中的位置以及小物块随转盘转过的圈数,此外,单片机还要记录就绪队列、等待队列的状态,记录处于逻辑上对首的位置的方台的编号,处于队尾位置的方台的编号;记录小物块在随转盘旋转的圈数以判断表示进程的小物块时间片是否用尽;记录表示资源的数码管的状态,即该资源类型访问是否为互斥的、资源个数、资源是否处于被访问状态。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:马志强陈文瀚杨贵福王建一刘先毅关怡然李家魁
申请(专利权)人:东北师范大学
类型:发明
国别省市:82

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