國外操作系統課程分析

引言

“操作系統”是計算機學科一門專業必修課程，課程內容豐富，既要講授關于操作系統的基礎理論，又要讓學生了解實際操作系統的設計與實現。為了進一步加強北航計算機學院“操作系統”課程的建設，提高課程質量，我們對國外40多所高校的“操作系統”的課程設置、教學內容等進行了調研。下面結合調研情況，介紹CC(Computing Curricula) 2001有關操作系統的教學內容和幾所有代表性的國外高校操作系統的課程設置。

1 CC2001

CC2001[1]認為，操作系統是硬件的抽象，人們通過它來控制硬件，進行計算機用戶間的資源分配工作。這門課主要講述影響現代操作系統設計的各種因素及實際操作。

近些年來操作系統和其抽象機制相對于應用軟件變得更加復雜，這就要求學生在系統學習內部算法實現和數據結構之前對操作系統有比較深入的理解。課程設置不僅強調了操作系統的使用，更強調它的設計和實現。操作系統中的許多思想也可用于計算機的其他領域，如并發程序設計、算法設計和實現、虛擬環境的創建、安全系統的創建及網絡管理等。對于計算機科學專業，其核心知識點為：操作系統概述、操作系統原理、并發性、調度與分派、內存管理。可選的知識點為：設備管理、安全與保護、文件系統、實時和嵌入式系統、容錯、系統性能評價和腳本。

另外，新出的CC2005 Overview report[2]中為了適應不同的教學要求，將“操作系統”課程分為了兩門：操作系統原理與設計、操作系統配置與使用。

2 國外操作系統課程設置

2.1Princeton University

課程介紹：該校的“操作系統”教學理念是：掌握操作系統的唯一途徑是構造一個真正的操作系統。因此教學中注重設計和分析操作系統，教學內容包括：進程，互斥，同步，信號量，管程，死鎖預防和檢測，存儲管理，虛擬存儲，進程調度，磁盤管理，文件系統，安全保護，分布式系統。

實習項目：課程所設計的6個項目就是用來構造真正的操作系統。課程結束時，學生將有一個小的、真正操作系統內核。學生2人構成一個小組，3個項目后重組，這樣有機會同他人合作。每個項目分設計和完成兩個階段。項目包括：引導機制、非搶占式調度、搶占式調度、進程間通信與進程調度、虛存和文件系統等六項。

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

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

評分標準：中期測試15%，課程參加 15%，設計項目70%。

特點：采用講課與課堂中討論結合的方式；實習任務必須完成一個操作系統，而且是從引導程序開始。實習要求細致、嚴格，鼓勵合作。

2.2University of California at Berkeley

課程介紹：課程目的是學習設計操作系統，課程內容包括：操作系統和系統設計的基本概念；程序、子系統、多道程序系統、進程、進間通信與同步；存儲分配、分段、分頁、裝入與鏈接；資源分配、調度、性能評價；文件系統，存儲設備、系統；保護、安全。

實習項目：在仿真MIPS平臺構造操作系統。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、多道程序設計、高速緩存和虛擬存儲、網絡和分布式系統。另外有5個家庭作業，但不進入評分標準。

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

評分標準：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：課程內容深入、廣泛；實習內容要求高，學習Java版本的Nachos，最后要構造支持分布式應用的操作系統。

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，調度，存儲管理，信息共享和保護等問題。課程注重操作系統的設計方面。

實習項目：有4個編程項目和4個家庭作業。編程項目分別是：Yalnix shell； Yalnix 終端驅動；Yalnix內核；Yalnix文件系統。

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

評分標準：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包括操作系統的設計與實現，介紹基本的操作系統的結構，并發，調度，同步，存儲管理，文件系統，系統安全，計算機網絡。

COS 415 Practicum in Operating Systems項目：1. 編寫非搶占的用戶層線程包；2.擴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絡服務，能夠在不同的計算機上，實現從一個小線程包向另一個線程包傳送消息；4. 擴展網絡包為可靠的傳送；5. Ad-hoc 網絡服務；6.在線程包上實現虛擬文件系統。

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

2.5Yale University

課程介紹：課程包括基本的操作系統設計和實現。課程內容包含：基本概念，同步，死鎖，進程管理，存儲管理，文件系統，安全和保護，網絡。并且介紹真實的操作系統的操作。最終通過6次實驗實現一個小型的操作系統。

實習項目：1. 啟動和創建引導鏡像；2. 實現進程和線程的模型(無中斷和調度)；3. 實現進程和線程的調度和中斷；4. 進程間通信和設備驅動；5. 虛擬存儲；6. 文件系統。

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設計和實現的基本概念。課程內容包含：基本概念，同步，死鎖，進程管理，存儲管理，文件系統。

實習項目：5個項目分別是：1. 熟悉OS/161以及其運行環境System/161；2. 同步；3. 系統調用和進程；4. 虛擬內存；5. 文件系統。

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：課程內容包含操作系統概要介紹；線程；進程管理；存儲管理；保護與安全；實例研究包括UNIX， Linux， Windows-2000和OS/161。

實習項目：4個項目分別是：1. 熟悉OS/161以及其運行環境System/161；2. 同步；3. 系統調用和進程；4. 虛擬內存。

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

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

3 課程分析

3.1教學內容分析

CC2001教學大綱中操作系統部分內容廣泛，偏重基本原理，但是也缺少部分內容，例如：磁盤管理、分布式系統等。而國外各大學的教學內容一般都介紹當代操作系統動向，分布式、網絡通信、面向對象技術等都有所涉及，既重視原理、概念的講解，也重視具體實現源代碼的分析。

通過知識點總結可以看出，CC2001教學大綱、國內外各大學都強調：操作系統概述、操作系統原理、并發性、調度、內存管理、設備管理、安全與保護和文件系統。但是CC2001的選講內容(實時和嵌入式系統、容錯、腳本)，一般大學很少包含。有一些內容CC2001不包括，但國外大學會教授，例如磁盤管理、分布式系統等。

另外，一些大學還對一些實際的操作系統進行介紹，例如CMU介紹Linux，Cornell介紹Linux和Windows等。

3.2教學內容和方法分析

CC2001大綱和多數國外學校的課堂教學內容較為簡單。一般國外大學授課學時數在30左右，但是要求學生課前必須閱讀教科書和大量的教學參考資料。授課方式采用課堂講授與討論相結合的方式。

3.3教學實驗分析比較

CC2001大綱中沒有規定實驗的內容，而國外大學都對操作系統實驗有著嚴格的要求，有的完成一個小型操作系統，有要求獨立完成的，也有建議合作的，實習基礎有Nachos，也有其他教學操作系統。線程(進程)、線程(進程)調度、虛存和文件系統是實習項目的主要內容。實驗要求具體(報告寫作、代碼風格、執行結果)，管理嚴格，不能正確運行的作業不能得分。

3.4評分標準分析比較

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

3.5教材

根據我們的調研，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

通過上面的分析可以看出，國外“操作系統”教學有如下特點：

重視實驗環節。我們列舉的大學都對操作系統實驗有著嚴格的要求，有的認為掌握操作系統的途徑就是完成一個小型操作系統。在最終的成績中，實驗成績至少在50％以上。

教學內容靈活。從國外大學的教學內容看，他們參考CC2001，但不一定保持一致，他們的教學內容更取決于授課教師對于操作系統的理解。

教學方法多樣。教師講授與學生課堂參與相結合。學生是否參加課堂討論會影響課程的最終成績。不過國內學校學生人數較多，做到這一點很難。

課下閱讀量大，作業多。CC2001大綱中“操作系統”核心知識點課時為18小時，國外大學授課學時數在30左右，低于國內大學的學時數(例如北航操作系統為48學時)。但是國外大學通過大量的課下閱讀、作業，保證了教學質量。很多國內大學都在進行教學改革，減少學時數，這點很值得我們借鑒。

參考文獻

[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.