[논문]CPUSim: CPU 스케줄링 알고리즘 교육을 지원하는 시뮬레이터

고정국

doi:10.6109/jkiice.2012.16.4.835

CPUSim: CPU 스케줄링 알고리즘 교육을 지원하는 시뮬레이터
CPUSim: A Simulator supporting the education of CPU Scheduling Algorithms 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.4, 2012년, pp.835 - 842

고정국 (동명대학교 컴퓨터공학과)

초록
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운영체제는 추상적 개념과 기법들을 다루는 교과목이지만, 대부분 교재 위주의 이론 수업으로 진행되어 왔다. 이론 수업은 강의 내용에 대한 이해와 집중력 저하를 유발하므로 내용의 이해를 돕고 흥미를 유발하는 교육용 도구의 활용이 시도되었다. 본 논문에서는 CPU 스케줄링 알고리즘들의 동작을 시각적으로 보여주는 교육용 시뮬레이터를 설계하고 구현하였다. 구현된 시뮬레이터를 수업에 활용한 후 2010학년도와 2011학년도 수강생들의 학업 성취도를 측정하고 t-검증을 통해 두 집단의 CPU 스케줄링 알고리즘에 대한 시험문제 정답률 차이가 유의함을 밝혔다. 또한 시뮬레이터 활용에 대한 만족도와 관련분야 지식 습득에 대한 기여도 설문조사를 통해 시뮬레이터가 교과목에 대한 흥미를 유발하고 학습 내용에 대한 이해도를 증진시키는 교육용 도구로 유용하며, 이러한 수업 방식이 문제 해결능력 배양에 효과적임을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Operating Systems is a discipline which handles abstract concepts and techniques. However, most of OS courses have been textbook-oriented theoretical classes. Theoretical classes lead to the decline in the understanding of a lecture, and hurt their concentration. Many instructors have tried to make use of educational tools to help students understand lectures and arouse interests. This paper describes the design and implementation of a CPU scheduling simulator which shows the operation of process scheduling algorithms visually. The academic achievement evaluation for 2010's students and 2011's and t-test results show that the differences of the correct answer ratio for the exam about CPU scheduling algorithms are meaningful. The survey shows that the simulator is useful as an educational tool which causes the interests and enhances the understanding of a lecture, this teaching method is effective to develop problem solving skills.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 CPU 스케줄링 알고리즘에 대한 수강생들의 이해도 증진을 위해 처리 과정을 시각적으로 보여주는 교육용 시뮬레이터인 CPUSim을 구현하였다. CPUSim을 수업에 적용한 후 시뮬레이터 활용 이전과 이후의 수강생을 대상으로 학업 성취도를 측정하고 t-검증을 실시하였다.
본 논문에서는 CPUSim의 형태를 단일 용도 시뮬레이터로 선정하고, 이를 활용하여 다양한 상황을 설정하고 알고리즘의 동작을 모의 실험하는 효과적인 교육 환경을 제공하고자 한다. CPUSim은 그림 1과 같이 환경 설정부, 알고리즘부, 결과 출력부의 세 부분으로 구성된다.
본 논문에서는 학부 운영체제 강좌에서 다루는 CPU 스케줄링 알고리즘들에 대한 이해도 증진을 위해 프로세스 스케줄링 과정을 시각적으로 보여주는 시뮬레이터(CPUSim: CPU scheduling Simulator)를 설계하고 구현하였으며, 이를 수업에 활용하여 교육용 도구로 유용함을 확인하였다.

제안 방법

0_23을 사용하였다. 그래픽 사용자 인터페이스의 구현을 위해 Swing을 사용하였고, 프로세스의 CPU 사용 시간은 JCommon과 JFreeChart 클래스 라이브러리를 활용하여 간트 차트로 나타내었다.
다음으로 사후 효과성 분석을 위해 시험문제 정답율을 평가 항목으로 선정하고, 중간고사에 CPU 스케줄링 알고리즘의 동작과정과 성능수치를 기술하는 문제를 3문항 출제하였다. 문제의 난이도 조정을 위해 알고리즘의 특성을 감안하여 종류는 다르게 선정하였다.
우선 CPUSim 활용 이전인 2010학년도 수강생 33명은 비교 집단으로, CPUSim을 활용한 2011학년도 수강생 37명은 실험 집단으로 선정하였다. 두집단의 학습능력에 대한 사전 동질성 검사를 위해 선수 교과목 이수정도, 학습한 프로그래밍 언어수, 프로그래밍 능력을 분석 항목으로 선정하고 5점척도로 측정하였다. 측정결과에 대한t-검증결과는 표 3과 같이 학습능력에 차이가 없는 것으로 나타났다.
CPUSim은 운영체제 교재에 수록되어 있는 대표적인 6가지 알고리즘(FCFS, HRN, SJF, SRT, 우선순위, 라운드 로빈)을 지원한다. 본 논문에서는 우선순위 알고리즘을 새로운 프로세스가 준비 큐가 도착할 때 실행중인 프로세스와 우선순위를 비교하여 새로 도착한 프로세스가 더 높으면 CPU를 선점시키는 방식으로 설계하였다. 사용자가 매개변수의 설정을 마친 후 알고리즘을 선택하고 ‘실행’ 버튼을 누르면 시뮬레이터가 구동된다.
교수자는 CPU 스케줄링에 대한 올바른 이해와 문제 해결능력 배양을 위해 CPUSim을 활용하였다. 우선CPU 스케줄링 알고리즘의 종류와 처리 방식 등을 설명하고 CPUSim을 활용하여 처리 과정을 시연하였다. 이론적 지식을 습득한 학생들은 실습실에서 CPUSim의 사용법을 익힌 후 이를 활용하여 알고리즘의 처리 과정과 결과를 확인하는 조별 활동을 수행하였다.

대상 데이터

우선 CPUSim 활용 이전인 2010학년도 수강생 33명은 비교 집단으로, CPUSim을 활용한 2011학년도 수강생 37명은 실험 집단으로 선정하였다. 두집단의 학습능력에 대한 사전 동질성 검사를 위해 선수 교과목 이수정도, 학습한 프로그래밍 언어수, 프로그래밍 능력을 분석 항목으로 선정하고 5점척도로 측정하였다.

데이터처리

본 논문에서는 CPU 스케줄링 알고리즘에 대한 수강생들의 이해도 증진을 위해 처리 과정을 시각적으로 보여주는 교육용 시뮬레이터인 CPUSim을 구현하였다. CPUSim을 수업에 적용한 후 시뮬레이터 활용 이전과 이후의 수강생을 대상으로 학업 성취도를 측정하고 t-검증을 실시하였다. 학업 성취도 분석 결과는 해당 항목의 차이가 유의한 것으로 나타났다.
본 논문에서는 CPUSim의 활용 효과를 파악하기 위해 동일 교수자가 진행한 학부 운영체제 강좌를 대상으로 활용 이전과 이후의 수강생들의 학습능력 차이를 분석하고 학업 성취도를 측정한후 t-검증을하였다. t-검증은 두 모집단간 평균의 차이 유무를 판단하는 통계적 검증 방법이다[23].
CPU 스케줄러에 대한 이론적 설명을 포함하는 3단계 학습 과정을 제공하며, 알고리즘의 처리 과정을 시각적으로 보여준다. 처리 결과를 DB에 저장하며 결과 값을 이용하여 알고리즘간 성능을 비교한다. DB를 활용하므로 실행환경 구축과 시뮬레이터의 독립적 실행이 어렵다.

성능/효과

학업 성취도 분석 결과는 해당 항목의 차이가 유의한 것으로 나타났다. 또한, 설문조사를 통해 시뮬레이터를 활용하는 수업 방식에 대한 만족도와 지식 습득에 대한 기여도를 파악한 결과 수강생의 86.5%가 만족하고, 78.4%가 도움이 되었다고 응답함에 따라 이러한 수업 방식이 학습 내용에 대한 이해도 증진과 문제 해결능력 배양에 효과적임을 확인할 수 있었다.
학업 성취도 측정과 설문조사를 통해 CPUSim이 수강생들에게 학습 내용을 올바르게 이해시키는 유용한 도구이며, 이러한 수업 방식이 문제 해결능력 배양에 효과적임을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 CPUSim에 웹 기반의 학습 환경을 제공하고, 알고리즘의 처리 과정과 결과를 사용자가 입력한 후 정오를 확인하는 평가 기능을 부가하는 등 지속적으로 기능을 개선하면 활용 효과가 극대화될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강의 시간에 이론 수업과 실습을 병행하면 갖는 이점은 무엇인가?	수업 현장에서도 강의 시간에 이론적인 내용만 설명하는 것보다 관련된 실습이 추가되면 학생들의 이해도가 훨씬 높아진다[1]. 이론 수업은 시간이 경과하면서 집중도가 저하되고 지루함이 증대되지만, 실습을 병행하면 흥미를 잃지 않고 집중도를 유지할 수 있다[2]. IEEE Computer Society 와 ACM의 합동 태스크 포스팀도 “컴퓨터 분야의 교육과정은 이론과 실습을 병행하도록 편성해야 한다”라고 권고하고 있다[3].
	컴퓨터 분야의 교육 활동 중 실습은 왜 필요한가?	컴퓨터 분야의 교육 활동은 이론과 실습을 모두 포함하는데, 실습은 이론 수업에서 학습한 내용에 대한 이해를 돕고 활용능력 배양을 위해 필요하다. 수업 현장에서도 강의 시간에 이론적인 내용만 설명하는 것보다 관련된 실습이 추가되면 학생들의 이해도가 훨씬 높아진다[1].
	운영체제 강좌가 이론 수업 위주로 진행되는 이유는 무엇인가?	한편 운영체제는 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하고 편리한 사용 환경을 제공하는 대표적인 시스템 소프트웨어이다[4,5]. 운영체제 강좌에서는 구성 요소의동작 원리와개념, 기법등을 다루지만운영체제의 동작을 직접 확인하기 어려워 대부분 이론 수업을 진행하고 있다. 새로운 개념이나 내용을 학습할 때 조작 가능한 도구의 활용이 바람직한데[6], 이론 강좌는 강의 내용에 대한 이해도와 집중력 저하를 초래하여 재미없는 과목으로 인식하는 경향이 나타난다.

참고문헌 (24)

김재천, 부재율, 소경희, 채선희, 예비.현직 교사를 위한 교육과정과 교육평가, 3판, 서울: 교육과학사, 2005.
임규혁, 임웅, 학교학습 효과를 위한 교육심리학, 2판, 서울: 도서출판 학지사, 2010.
M. Kifer and S. Smolka, "OSP: An Environment for Operating System Projects," Operating Systems Review, vol. 24, no. 4, pp. 98-100, 1992.
오상엽, 최현섭, 운영체제, 고양: 이한출판사, 2005.
구용완, 운영체제, 고양: 이한출판사, 2002.
안정은, 김영봉, 구성주의 학습이론에 기초한 3차원 자전거 박물관 학습 코스웨어, 한국콘텐츠학회 춘계종합학술대회논문집, 제5권, 제1호, pp. 19-23, 2007.
박성익, 임철일, 이재경, 최정임, 교육방법의 교육 공학적 이해, 서울: 교육과학사, 2007.
A. Downey, "Teaching experimental design in an operating systems class," Proc. of the 30th SIGCSE technical symposium on Computer Science Education, vol. 31, no. 1, pp. 316-320, 1999.
T. Wagner and E. Ressler, "A practical approach to reinforcing concepts systems in introductory operating systems class," Proc. of the 28th SIGCSE technical symposium on Computer Science Education, vol. 29, no. 1, pp. 44-47, 1997.
S. Ramakrishnan and A. M.Lancaster, "Operating Systems Projects: linking theory, practice and use," Proc. of the 24th SIGCSE technical symposium on Computer Science Education, vol. 25, no. 1, pp. 256-260, 1993.
A. Tanenbaum and A. Woodhull, Operating Systems: Design and Implementation, 2nd Ed., NJ: Prentice-Hall, 1997.
D. Comer, Operating system design: The XINU approach, NJ: Prentice-Hall, 1984.
W.Christopher, S.Procter and T.Anderson, "The Nachos Instructional Operating System," Proc. of the Winter 1993 USENIX Conference, pp. 481-489, 1993.
L. Maia and A. Pacheco, "A simulator supporting lectures on operating systems," Proc. of 33rd Annual Frontiers in Education, vol. 2(F2C), pp. 13-17, 2003.
D. Jones and A. Newman, "RCOS.java: A simulated operating system with animations," Proc. of Computer-Based Learning in Science Conference, 2001.
B. Bynum and T.Camp, Alfonse: A Mutual Exclusion Toolkit, http://inside.mines.edu/-tcamp/baci/baci_index.html.
R. Ontko, MOSS Memory Management Simulator User Guide, http://www.ontko. com/moss/memory/user_guide.html.
A. Garmpis, "Design and Development of a Web-based Interactive Software Tool for Teaching Operating Systems," Journal of Information Technology Education, vol. 10, pp. 1-17, 2011.
정성균, 이상곤, "CPU 스케줄링을 학습하는 운영 체제 시뮬레이션 프로그램의 설계 및 구현," 한국멀티미디어학회논문지, 제14권, 제6호, pp. 449-461, 2011.
S. Robbins and K.A. Robbins, "Empirical Exploration in Undergraduate operating systems," Proc. of the 30th SIGCSE technical symposium on Computer Science Education, vol. 30, no. 1, pp. 311-315, 1999.
최현섭, 김성진, 이강성, 김성동, 운영체제론, 고양: 이한출판사, 1997.
M. Ben-Ari, "Constructivism in Computer Science Education," Proc. of the 29th SIGCSE technical symposium on Computer Science Education, vol. 29, no. 1, pp. 257- 261, 1998.
독립표본 T-검정, http://survey.kiet.re.kr/help/TreeHelp/analysis_2page-9.html.
고정국,"디스크 스케줄링 알고리즘을 위한 교육용 시뮬레이터의 설계 및 구현,"한국컴퓨터정보학회 논문지, 제16권, 제12호, pp. 131-137, 2011.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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