可视化技术在操作系统教学中的应用

摘要

操作系统是计算机领域中最重要的软件之一,它不仅是计算机系统的管理者,同时还是用户和计算机硬件间沟通的桥梁,为使用者提供了方便、有效的操作平台,目前它已成为计算机领域里最为活跃的学科之一。研究操作系统对计算机科学发展和技术应用已产生重要影响。但由于操作系统功能复杂,规模庞大,致使研究学习操作系统原理知识困难重重,例如在学习操作系统的过程中,因其工作原理具有很多动态而抽象的概念和机制,传统的理论学习仅能获得空洞的知识,使得对操作系统的理解容易产生偏差并缺乏整体性。
　　 近几年来,随着计算机技术的不断发展可视化技术也有了十足的进步,由于它可以极大地改善人们的认知能力,因而可以考虑在操作系统教学中采用可视化技术,以便直观动态地展示其工作机制和过程,会使学生和科研工作者对操作系统原理有更快捷、准确且全面的掌握。
　　 可视化技术与操作系统教研相结合的范例已有不少,大多是使用仿真器模拟操作系统的工作过程并输出结果,这种方法没有真实的数据来源,缺乏真实性。以真实操作系统为基础的研究又多以Linux为主如LTT,而日常广泛使用的Windows由于其不开源,使人无法对其深入研究,而且也鲜有针对于Windows便捷的可视化研究工具。
　　 目前,微软公司向科研机构和高等院校提供了真实操作系统的研究素材--WRK(Windows Research Kernel),这为操作系统教学带来一片曙光。本文以WRK为平台,深入源代码进行修改,重编译内核,提取出操作系统运行时内核的关键信息,并对其进行可视化处理,以图形图像的方式直观动态的展示Windows的运行过程。
　　 本文就操作系统教研方法进行调研,分析了其可视化技术应用的现状、特点及不足,提出了对真实Windows运行可视化的设计方案及具体实现方法,所作主要工作有:
　　 1.修改Windows内核源码,重新编译内核,采集指定时间段内内核运行的关键信息,并将采集的信息进行预处理,作为内核分析的原始数据。
　　 2.主要以线程调度为例,利用可视化技术将采集的数据以图形图像的方式表现出来,直观动态的演示Windows内核的工作过程。
　　 实验表明,本文所探讨的Windows运行过程的可视化方法,结果真实可信,可以帮助学生更直观、更全面的了解Windows内核的工作机制,对操作系统教学有积极影响,具有进一步研究和开发的意义。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第一章 引言

1.1 课题研究背景及意义

1.2 操作系统教学现状

1.3 论文的章节安排

第二章 操作系统可视化的设计思路

2.1 可视化简介

2.1.1 可视化的分类

2.1.2 软件可视化的概念及应用

2.2 可视化与操作系统教学

2.2.1 可视化教学的特点

2.2.2 可视化在操作系统教学中的应用现状

2.3 Windows运行过程可视化的总体设计

2.3.1 设计目标

2.3.2 关键问题

2.3.2 总体设计

2.4 本章小结

第3章 内核关键信息的提取

3.1 实验工具和运行环境

3.2 Windows的内核管理

3.2.1 CPU调度概述

3.2.2 线程状态及转换

3.3 内核信息描述及提取

3.3.1 Windows内核关键信息的表示

3.3.2 信息采集原则

3.3.3 信息采集方法

3.4 数据预处理和数据分析

3.4.1 数据预处理

3.4.2 关键信息验证

3.5 本章小节

第四章 内核信息的可视化处理

4.1 内核运行可视化的主要内容和图形表示

4.2 相关数据结构

4.3 可视化效果展示

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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