虚拟机技术在《计算机系统与维护》教学中的应用
中图分类号：TP305-4；TP307-4；G652.4
计算机系统与维护是一门以动手实践为主的专业基础课程，学好该课程可以了解计算机软硬件的系统构成、掌握磁盘分区、系统安装、性能测试与优化，系统备份与还原，计算机软硬件故障诊断与排除等系统维护能力，对于信息时代的今天，这是广大用户必须具备的应用技能。可是，计算机系统维护的实验环境有其特殊性，相关实验项目要求进行硬件装卸、参数配置、程序安装等等，这些反复操作会对系统造成破坏性的影响，导致计算机无法启动。如果每次实验后都需要重新安装或配置系统，这也将成为实验室管理与维护工作的一个难题。因此，如何搭建一个方便实用的实验环境，一直是计算机系统维护实验开设亟需解决的问题，本文就虚拟机技术在计算机系统与维护教学中的应用展开探讨。
1 虚拟机技术及其特点
虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。通过虚拟机软件，在已有的系统内部，利用软件虚拟出另外的计算机，包括虚拟的硬件环境（CPU、内存、硬盘、网卡等），并在此环境下和真实的计算机一样，真实的安装操作系统、真实的运行软件及各种应用。对于用户而言，它只是运行在物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就是一台真正的计算机。
图1 虚拟计算机的体系结构
虚拟机具有如下特点：
（1）不需要分区或重开机就能在同一台PC上使用两种以上的操作系统，操作方便、快捷。
（2）完全隔离并且保护不同OS的操作环境以及所有安装在OS上面的应用软件和资料，即使某个系统出现故障，也不会对其它虚拟系统和物理主机系统造成影响，维护方便。
（3）不同的OS之间还能互动操作，包括网络、周边、文件分享以及复制粘贴功能。
（4）虚拟设备不存在兼容性问题，实验中造成硬件损坏率低，安全可靠。
（5）能够自由设定并且随时修改操作系统的硬件环境，如：内存、磁盘空间、周边设备等。
（6）热迁移，高可用性，具有快照（snapshot）功能。
2 虚拟机实验环境的构建
目前常用的虚拟机软件有两个，一个是VMWare Workstation（VMWare公司开发，简称VM），另一个Virtual PC（Microsoft开发）。这两款软件由不同的公司开发，但设置和使用都不复杂，非常容易上手，下面以VM为例简述虚拟机实验环境的构建。
首先需要从网上下载虚拟机安装程序及汉化补丁；其次安装虚拟机软件；然后根据需安装汉化补丁；再进行配置及安装需要的虚拟操作系统（winxp/win7/win8/linux）；最后可以安装VMware-tools。其中VMware-tools是Vmware提供的增强虚拟显卡和硬盘性能、以及同步虚拟机与主机时钟的驱动程序，安装完成后虚拟机的鼠标指针就可以和物理机的鼠标指针统一，不需要使用组合键Ctrl+Alt来进行切换，还可以实现物理机的文件直接拖到虚拟机上去使用。这样一个虚拟机实验环境就搭建好了，只需要根据实验任务准备相关资源就可以进行实践操作。
3 虚拟机技术在系统维护教学中的应用
虚拟机在实践操作方面能够发挥很大的作用，可以在一台电脑上练习组网技术、学习操作不同的操作系统、测试开发的软件在各个操作系统平台下的效果和可靠性、安装不可靠的软件、测试病毒等。在虚拟系统崩溃之后可直接删除不影响本机系统，同样，本机系统崩溃后也不影响虚拟系统，重装后可再加入以前的虚拟系统。
图2 基于虚拟机技术的系统维护实践项目
3.1 BIOS参数设置
在所有实践操作项目中，BIOS的设置最为抽象，同时还具有一定的危险性，如果操作不当就会破坏BIOS参数的设置，导致计算机无法正常启动。并且BIOS的设置界面一般是英文标识，初学者会感到枯燥，存在一定的难度，利用虚拟机模拟的硬件系统可以较为真实地反映系统的引导顺序、CPU频率、端口设置、主从硬盘等BIOS设置情况，一般开机按下F2后即可进入BIOS，使用方向键移动并选择菜单进行相关设置。
3.2 硬盘分区与格式化
分区即将硬盘划分为若干个逻辑区域，格式化即为硬盘分别建立引导区（BOOT）、文件分配表（FAT）和数据存储区（DATA），新配置的硬盘如果没有进行格式化和分区，可能无法正常使用，也可能影响用户数据的管理，并且不同类型的操作系统要求相对应的硬盘格式，各种分区工具的操作方法也不尽相同。如果在真实PC上练习硬盘分区及格式化，会对硬盘造成损伤，大大缩短硬盘的使用寿命。而在虚拟机环境下，硬盘的分区操作不会有任何损伤，只是类似一个文件的读写操作，却能达到和物理机一样的操作效果。
3.3 安装操作系统
操作系统的安装是学生最感兴趣的内容，但在实际操作过程中受到诸多硬件的限制，比如需要光驱和启动盘，要配置一个机房的光驱和几十张系统盘，这也是不常见的。在虚拟机环境下，可以较好地解决这些硬件需求问题，先使用虚拟机软件在宿主机（物理机）中划分一部分硬件资源，虚拟出一台计算机，然后利用UltraISO（软碟通）将操作系统的安装光盘制作成一个ISO镜像文件，在虚拟机中将ISO镜像文件导入光驱中，就可以直接安装操作系统了，其安装步骤和过程跟物理机完全一样。
3.4 系统配置 对操作系统的使用有时需要进行必要的设置，比如网络IP地址和安全策略的的配置，如果在物理机的环境下操作实践，重启后会受到机房安全还原保护限制，相关的配置不能生效。在虚拟机环境中，可以避免这种机房系统还原保护的限制，更不会损坏物理机的软件和硬件系统。
3.5 系统备份与还原
操作系统的使用时间越长其运行速度会越慢，如果系统感染了病毒，破坏了系统文件还会导致系统崩溃，重装系统又很耗时，这些都是电脑用户最头痛的，却又是不可避免的。使用Ghost技术实现系统备份和还原是目前快速解决这一问题的有效途径，但是Ghost的操作具有一定的难度和复杂性，一不小心就可能将硬盘的所有数据清零，损失惨重。在虚拟机环境中，可以反复应用Ghost工具进行备份还原系统，而不用担心物理机的数据受损。
3.6 系统优化及病毒查杀
对于系统优化及病毒排杀等操作需要重新启动系统才能生效，而且有的相关设置会影响系统的启动和正常运行，严重的还会导致操作系统崩溃，但在虚拟机环境中可以大胆操作，无需担心设置影响物理机的正常运行，同时，虚拟机还可以通过复制、覆盖虚拟硬盘的方式快速解决问题。
4 虚拟机技术在系统维护实践中的不足
引入虚拟机技术可以弥补大部分系统维护实验在实际操作过程中的问题，但也存在一些不足。
（1）模拟环境中虚拟机的硬件均来自宿主机，因此要求物理机的硬件配置较高，特别是对处理器和内存的配置要求很高，不然，虚拟机的启动和运行会很慢。
（2）在虚拟机模拟的环境下，虚拟硬件一般不会发生故障，不能较好模拟真实硬件环境中可能出现的问题，因此对电脑硬件故障诊断与排除的相关操作不多，不能动手练习装卸硬件。
（3）对于驱动程序的安装、系统性能测试与优化等项目，在虚拟机模拟环境中实践效果不理想，因为虚拟机基于宿主机，相关驱动程序均已自动安装，不能很好地模拟物理机驱动的安装和更新，与真实过程的差别较大。
5 结束语
在计算机系统与维护的教学过程中，灵活运用虚拟机技术，能有效缓解计算机实验设备以及各类硬件设施不足的问题。在虚拟机环境下进行的所有实验操作均不会对计算机硬盘的数据产生任何影响，从而降低了机房的维护难度，同时，又增加了学生的动手实践机会，极大地丰富了学生计算机软硬件系统维护的实战经验，锻炼与提高了学生解决各类计算机实际问题的能力。
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