國外操作系統(tǒng)課程分析

引言

“操作系統(tǒng)”是計算機(jī)學(xué)科一門專業(yè)必修課程，課程內(nèi)容豐富，既要講授關(guān)于操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，又要讓學(xué)生了解實際操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)北航計算機(jī)學(xué)院“操作系統(tǒng)”課程的建設(shè)，提高課程質(zhì)量，我們對國外40多所高校的“操作系統(tǒng)”的課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行了調(diào)研。下面結(jié)合調(diào)研情況，介紹CC(Computing Curricula) 2001有關(guān)操作系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和幾所有代表性的國外高校操作系統(tǒng)的課程設(shè)置。

1 CC2001

CC2001[1]認(rèn)為，操作系統(tǒng)是硬件的抽象，人們通過它來控制硬件，進(jìn)行計算機(jī)用戶間的資源分配工作。這門課主要講述影響現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計的各種因素及實際操作。

近些年來操作系統(tǒng)和其抽象機(jī)制相對于應(yīng)用軟件變得更加復(fù)雜，這就要求學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)部算法實現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前對操作系統(tǒng)有比較深入的理解。課程設(shè)置不僅強(qiáng)調(diào)了操作系統(tǒng)的使用，更強(qiáng)調(diào)它的設(shè)計和實現(xiàn)。操作系統(tǒng)中的許多思想也可用于計算機(jī)的其他領(lǐng)域，如并發(fā)程序設(shè)計、算法設(shè)計和實現(xiàn)、虛擬環(huán)境的創(chuàng)建、安全系統(tǒng)的創(chuàng)建及網(wǎng)絡(luò)管理等。對于計算機(jī)科學(xué)專業(yè)，其核心知識點為：操作系統(tǒng)概述、操作系統(tǒng)原理、并發(fā)性、調(diào)度與分派、內(nèi)存管理?？蛇x的知識點為：設(shè)備管理、安全與保護(hù)、文件系統(tǒng)、實時和嵌入式系統(tǒng)、容錯、系統(tǒng)性能評價和腳本。

另外，新出的CC2005 Overview report[2]中為了適應(yīng)不同的教學(xué)要求，將“操作系統(tǒng)”課程分為了兩門：操作系統(tǒng)原理與設(shè)計、操作系統(tǒng)配置與使用。

2 國外操作系統(tǒng)課程設(shè)置

2.1Princeton University

課程介紹：該校的“操作系統(tǒng)”教學(xué)理念是：掌握操作系統(tǒng)的唯一途徑是構(gòu)造一個真正的操作系統(tǒng)。因此教學(xué)中注重設(shè)計和分析操作系統(tǒng)，教學(xué)內(nèi)容包括：進(jìn)程，互斥，同步，信號量，管程，死鎖預(yù)防和檢測，存儲管理，虛擬存儲，進(jìn)程調(diào)度，磁盤管理，文件系統(tǒng)，安全保護(hù)，分布式系統(tǒng)。

實習(xí)項目：課程所設(shè)計的6個項目就是用來構(gòu)造真正的操作系統(tǒng)。課程結(jié)束時，學(xué)生將有一個小的、真正操作系統(tǒng)內(nèi)核。學(xué)生2人構(gòu)成一個小組，3個項目后重組，這樣有機(jī)會同他人合作。每個項目分設(shè)計和完成兩個階段。項目包括：引導(dǎo)機(jī)制、非搶占式調(diào)度、搶占式調(diào)度、進(jìn)程間通信與進(jìn)程調(diào)度、虛存和文件系統(tǒng)等六項。

教學(xué)方法：采用講課與課堂中討論結(jié)合的方式，教師提前提供閱讀分配材料、討論課題及練習(xí)。學(xué)生在上課之前先行閱讀和思考討論題。相信學(xué)生們可以互相學(xué)習(xí)，鼓勵在項目中互相幫助。為了鼓勵合作，學(xué)生有機(jī)會報告誰對您幫助最大。課程結(jié)束時，幫助別人的學(xué)生可獲額外分?jǐn)?shù)。

教科書：Andrew S. Tanenbaum， Albert S. Woodhull， Operating Systems: Design and Implementation， 2nd edition。

評分標(biāo)準(zhǔn)：中期測試15%，課程參加 15%，設(shè)計項目70%。

特點：采用講課與課堂中討論結(jié)合的方式；實習(xí)任務(wù)必須完成一個操作系統(tǒng)，而且是從引導(dǎo)程序開始。實習(xí)要求細(xì)致、嚴(yán)格，鼓勵合作。

2.2University of California at Berkeley

課程介紹：課程目的是學(xué)習(xí)設(shè)計操作系統(tǒng)，課程內(nèi)容包括：操作系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)計的基本概念；程序、子系統(tǒng)、多道程序系統(tǒng)、進(jìn)程、進(jìn)間通信與同步；存儲分配、分段、分頁、裝入與鏈接；資源分配、調(diào)度、性能評價；文件系統(tǒng)，存儲設(shè)備、系統(tǒng)；保護(hù)、安全。

實習(xí)項目：在仿真MIPS平臺構(gòu)造操作系統(tǒng)。一共有4個項目，每個項目包括文檔和代碼兩部分，文檔占項目成績的40% ，代碼60%。項目包括：線程管理、多道程序設(shè)計、高速緩存和虛擬存儲、網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)。另外有5個家庭作業(yè)，但不進(jìn)入評分標(biāo)準(zhǔn)。

教科書： Silberschatz and Galvin， Operating System Concepts， 7th Edition， John Wiley Sons，ISBN：0-471-41743-2。

評分標(biāo)準(zhǔn)：兩次測試30%(每次15%)；期末考試15%；4個項目50%；班級討論5%。

特點：課程內(nèi)容深入、廣泛；實習(xí)內(nèi)容要求高，學(xué)習(xí)Java版本的Nachos，最后要構(gòu)造支持分布式應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

2.3Carnegie Mellon Unive-rsity

課程介紹：課程引入了多道程序，分時，異步處理的概念，這些概念引出了同步，調(diào)度，存儲管理，信息共享和保護(hù)等問題。課程注重操作系統(tǒng)的設(shè)計方面。

實習(xí)項目：有4個編程項目和4個家庭作業(yè)。編程項目分別是：Yalnix shell； Yalnix 終端驅(qū)動；Yalnix內(nèi)核；Yalnix文件系統(tǒng)。

教科書：Silberschatz， Galvin， and Gagne， Operating System Concepts， sixth edition， published by Wiley， 2002.

評分標(biāo)準(zhǔn)：第1個編程項目5%；第2個編程項目10%；第3個編程項目20%；第4個編程項目15%；中期測試15%；期終測試25%；4個家庭作業(yè)每個2.5%，共10%。

2.4Cornell University

課程名稱：Systems Programming Operating Systems/ Practicum in Operating SystemsCOS 414/415

課程介紹：

COS 414包括操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹基本的操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并發(fā)，調(diào)度，同步，存儲管理，文件系統(tǒng)，系統(tǒng)安全，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

COS 415 Practicum in Operating Systems項目：1. 編寫非搶占的用戶層線程包；2.擴(kuò)展非搶占的用戶層線程包為搶占；3. 在搶先的線程包上添加不可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，能夠在不同的計算機(jī)上，實現(xiàn)從一個小線程包向另一個線程包傳送消息；4. 擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)包為可靠的傳送；5. Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；6.在線程包上實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)。

教科書：Silberschatz， Galvin， and Gagne， Operating System Concepts， sixth edition， published by Wiley， 2002.

評分要求：COS 414：閱讀任務(wù) 10%；中期測試30%；期末測試50%；主觀評測 10%。COS 415：6個項目 100%。

特點：講課內(nèi)容豐富、課程實踐難度大。另外，該校操作系統(tǒng)課程由原理和實踐兩門組成。另外，Brown University、University of New South Wales等很多國外大學(xué)操作系統(tǒng)課程由兩門組成。

2.5Yale University

課程介紹：課程包括基本的操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。課程內(nèi)容包含：基本概念，同步，死鎖，進(jìn)程管理，存儲管理，文件系統(tǒng)，安全和保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)。并且介紹真實的操作系統(tǒng)的操作。最終通過6次實驗實現(xiàn)一個小型的操作系統(tǒng)。

實習(xí)項目：1. 啟動和創(chuàng)建引導(dǎo)鏡像；2. 實現(xiàn)進(jìn)程和線程的模型(無中斷和調(diào)度)；3. 實現(xiàn)進(jìn)程和線程的調(diào)度和中斷；4. 進(jìn)程間通信和設(shè)備驅(qū)動；5. 虛擬存儲；6. 文件系統(tǒng)。

教科書：A. Silberschatz， P. Galvin， and G. Gagne， Operating System Concepts (Seventh Edition) ， John Wiley Sons， Inc.， 2005.

評分要求：作業(yè)75%；期中測試20%；課堂參與5%。

2.6Harvard University

課程介紹：這門課介紹了操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的基本概念。課程內(nèi)容包含：基本概念，同步，死鎖，進(jìn)程管理，存儲管理，文件系統(tǒng)。

實習(xí)項目：5個項目分別是：1. 熟悉OS/161以及其運行環(huán)境System/161；2. 同步；3. 系統(tǒng)調(diào)用和進(jìn)程；4. 虛擬內(nèi)存；5. 文件系統(tǒng)。

教科書：A. Tannenbaum， Modern Operating Systems， 2nd ed.， Prentice Hall， 2001。

評分要求：課程出勤10%；期中測試15%；終期測試25%；5個項目50%。

2.7University of New South Wales

課程名稱：COMP3231/9201 Operating System

課程介紹：課程內(nèi)容包含操作系統(tǒng)概要介紹；線程；進(jìn)程管理；存儲管理；保護(hù)與安全；實例研究包括UNIX， Linux， Windows-2000和OS/161。

實習(xí)項目：4個項目分別是：1. 熟悉OS/161以及其運行環(huán)境System/161；2. 同步；3. 系統(tǒng)調(diào)用和進(jìn)程；4. 虛擬內(nèi)存。

教科書：A. Tannenbaum， Modern Operating Systems， 2nd ed.， Prentice Hall， 2001。

特點：該校對操作系統(tǒng)課程非常重視(John Lions曾經(jīng)是該校教師)，專門設(shè)有OS講座教授。操作系統(tǒng)課程由兩門組成，兩門難度要求不一樣。另外，該校實習(xí)項目采用的是Harvard University編寫的OS/161，所以與Harvard University類似，只是少了文件系統(tǒng)。

3 課程分析

3.1教學(xué)內(nèi)容分析

CC2001教學(xué)大綱中操作系統(tǒng)部分內(nèi)容廣泛，偏重基本原理，但是也缺少部分內(nèi)容，例如：磁盤管理、分布式系統(tǒng)等。而國外各大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容一般都介紹當(dāng)代操作系統(tǒng)動向，分布式、網(wǎng)絡(luò)通信、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等都有所涉及，既重視原理、概念的講解，也重視具體實現(xiàn)源代碼的分析。

通過知識點總結(jié)可以看出，CC2001教學(xué)大綱、國內(nèi)外各大學(xué)都強(qiáng)調(diào)：操作系統(tǒng)概述、操作系統(tǒng)原理、并發(fā)性、調(diào)度、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、安全與保護(hù)和文件系統(tǒng)。但是CC2001的選講內(nèi)容(實時和嵌入式系統(tǒng)、容錯、腳本)，一般大學(xué)很少包含。有一些內(nèi)容CC2001不包括，但國外大學(xué)會教授，例如磁盤管理、分布式系統(tǒng)等。

另外，一些大學(xué)還對一些實際的操作系統(tǒng)進(jìn)行介紹，例如CMU介紹Linux，Cornell介紹Linux和Windows等。

3.2教學(xué)內(nèi)容和方法分析

CC2001大綱和多數(shù)國外學(xué)校的課堂教學(xué)內(nèi)容較為簡單。一般國外大學(xué)授課學(xué)時數(shù)在30左右，但是要求學(xué)生課前必須閱讀教科書和大量的教學(xué)參考資料。授課方式采用課堂講授與討論相結(jié)合的方式。

3.3教學(xué)實驗分析比較

CC2001大綱中沒有規(guī)定實驗的內(nèi)容，而國外大學(xué)都對操作系統(tǒng)實驗有著嚴(yán)格的要求，有的完成一個小型操作系統(tǒng)，有要求獨立完成的，也有建議合作的，實習(xí)基礎(chǔ)有Nachos，也有其他教學(xué)操作系統(tǒng)。線程(進(jìn)程)、線程(進(jìn)程)調(diào)度、虛存和文件系統(tǒng)是實習(xí)項目的主要內(nèi)容。實驗要求具體(報告寫作、代碼風(fēng)格、執(zhí)行結(jié)果)，管理嚴(yán)格，不能正確運行的作業(yè)不能得分。

3.4評分標(biāo)準(zhǔn)分析比較

通過分析國內(nèi)外大學(xué)的評分標(biāo)準(zhǔn)可以看出，他們對實驗成績很重視，有的大學(xué)(如Princeton University)甚至只有實驗成績，而沒有期末考試。

3.5教材

根據(jù)我們的調(diào)研，使用較多的教材有：Andrew S. Tanenbaum的Modern Operating Systems， Second Edition；Silberschatz and Galvin的Operating System Concepts；Andrew S. Tanenbaum的Operating Systems: Design and Implementation等。

4 總結(jié)

通過上面的分析可以看出，國外“操作系統(tǒng)”教學(xué)有如下特點：

重視實驗環(huán)節(jié)。我們列舉的大學(xué)都對操作系統(tǒng)實驗有著嚴(yán)格的要求，有的認(rèn)為掌握操作系統(tǒng)的途徑就是完成一個小型操作系統(tǒng)。在最終的成績中，實驗成績至少在50％以上。

教學(xué)內(nèi)容靈活。從國外大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容看，他們參考CC2001，但不一定保持一致，他們的教學(xué)內(nèi)容更取決于授課教師對于操作系統(tǒng)的理解。

教學(xué)方法多樣。教師講授與學(xué)生課堂參與相結(jié)合。學(xué)生是否參加課堂討論會影響課程的最終成績。不過國內(nèi)學(xué)校學(xué)生人數(shù)較多，做到這一點很難。

課下閱讀量大，作業(yè)多。CC2001大綱中“操作系統(tǒng)”核心知識點課時為18小時，國外大學(xué)授課學(xué)時數(shù)在30左右，低于國內(nèi)大學(xué)的學(xué)時數(shù)(例如北航操作系統(tǒng)為48學(xué)時)。但是國外大學(xué)通過大量的課下閱讀、作業(yè)，保證了教學(xué)質(zhì)量。很多國內(nèi)大學(xué)都在進(jìn)行教學(xué)改革，減少學(xué)時數(shù)，這點很值得我們借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] Computing Curricula 2001 (Computer Science)， IEEE Computer Society and Association for Computing Machinery， December 15， 2001.

[2] Computing Curricula 2005 The Overview Report， The Association for Computing Machinery (ACM)， The Association for Information Systems (AIS)， The Computer Society (IEEE-CS)， September 30， 2005.