馮紅偉，趙一鳴

摘要：針對(duì)軟件工程專業(yè)不同方向?qū)W生對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的需求，分析了操作系統(tǒng)教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，闡述了多課程協(xié)作的操作系統(tǒng)教學(xué)改革和課程實(shí)踐設(shè)計(jì)，教學(xué)實(shí)踐表明取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；課程體系；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0？搖 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）13-0037-02

在傳統(tǒng)的教學(xué)體系下，操作系統(tǒng)教學(xué)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一是缺乏高質(zhì)量的實(shí)踐環(huán)節(jié)支持，學(xué)生不能透徹理解操作系統(tǒng)的具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)制；二是缺乏針對(duì)不同培養(yǎng)方向教學(xué)方案，系統(tǒng)方向需要的是和操作系統(tǒng)有關(guān)的所有底層硬件及內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的深入理解，而非系統(tǒng)方向需要知道如何利用操作系統(tǒng)機(jī)制來(lái)支持上層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)；三是操作系統(tǒng)課程知識(shí)點(diǎn)過(guò)于集中在一門(mén)課當(dāng)中，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)不同課程中有關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系和呼應(yīng)。復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院一直嘗試進(jìn)行改革和探索，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)理念和課程設(shè)計(jì)，在課程設(shè)置上不僅涵蓋了計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的知識(shí)點(diǎn)，更重要的是這些課程在內(nèi)容上互相呼應(yīng)、前后關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生從低年級(jí)開(kāi)始先樹(shù)立整體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，然后在后續(xù)的課程中不斷深化某一方面知識(shí)的學(xué)習(xí)[1]。論文以操作系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，來(lái)說(shuō)明操作系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)如何分布在多門(mén)課程中，并針對(duì)不同方向的學(xué)生有針對(duì)性地完成課程內(nèi)容和課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓系統(tǒng)方向和非系統(tǒng)方向的學(xué)生都獲得相應(yīng)操作系統(tǒng)知識(shí)，滿足今后工作或深造的知識(shí)需求。

一、知識(shí)點(diǎn)的分布

軟件學(xué)院引進(jìn)了CMU和MIT知名高校的計(jì)算機(jī)課程，并且對(duì)這些課程進(jìn)行了合理的改造。在操作系統(tǒng)課程方面，考慮到操作系統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的難度，將操作系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)合理分布到了不同課程中，組成有機(jī)的知識(shí)系列，前期的知識(shí)儲(chǔ)備為學(xué)生完成操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)打下了很好的基礎(chǔ)。在課程體系設(shè)計(jì)中，和操作系統(tǒng)有關(guān)的課程包括從CMU引進(jìn)的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》，從MIT引進(jìn)的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程》，從MIT引進(jìn)的《操作系統(tǒng)》，以及參考CMU的《系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)》?！队?jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》的主要內(nèi)容包括信息的表示和處理、程序的機(jī)器級(jí)表示、處理器體系結(jié)構(gòu)、優(yōu)化程序性能、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)、異?？刂屏?、網(wǎng)絡(luò)編程、并發(fā)編程等。課程從程序運(yùn)行的角度介紹了程序的內(nèi)存布局、虛擬內(nèi)存的管理，以及系統(tǒng)級(jí)IO編程方法等和操作系統(tǒng)有關(guān)的重要概念，通過(guò)該課程學(xué)生已經(jīng)完全能夠從概念上理解基于頁(yè)面機(jī)制的虛擬內(nèi)存的轉(zhuǎn)換方法，以及程序的內(nèi)存布局等知識(shí)?！队?jì)算機(jī)系統(tǒng)工程》深入而廣泛地介紹了構(gòu)造計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要原理和概念，包括系統(tǒng)和復(fù)雜性，命名機(jī)制以及系統(tǒng)模塊之間的引用和訪問(wèn)；從虛擬化的角度來(lái)講解線程、內(nèi)存以及進(jìn)程間的通信；在性能設(shè)計(jì)方面討論了CPU的調(diào)度、內(nèi)存的替換策略、磁盤(pán)調(diào)度；討論了系統(tǒng)容錯(cuò)的原理和方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)原子性進(jìn)行了討論，說(shuō)明了如何實(shí)現(xiàn)線程之間的一致性數(shù)據(jù)保護(hù)。通過(guò)該課程，學(xué)生建立了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，同時(shí)也掌握了操作系統(tǒng)必要的調(diào)度、內(nèi)存、文件系統(tǒng)等概念。系統(tǒng)方向的《操作系統(tǒng)》是完成操作系統(tǒng)教學(xué)的核心課程，該課程從理論上涵蓋了所有操作系統(tǒng)的概念和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。由于在前期的課程中虛擬內(nèi)存、IO和進(jìn)程的概念已經(jīng)涉及過(guò)，在溫習(xí)這些知識(shí)的基礎(chǔ)上，主要講解如何實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，比如在x86架構(gòu)下的段頁(yè)內(nèi)存管理機(jī)制，Linux的內(nèi)存管理方式，虛擬內(nèi)存管理，為學(xué)生的實(shí)踐項(xiàng)目（project）中的進(jìn)程控制開(kāi)發(fā)提供支持。正是因?yàn)橛辛酥啊队?jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》和《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程》的知識(shí)準(zhǔn)備，學(xué)生才能在操作系統(tǒng)課程中完成高質(zhì)量的實(shí)踐項(xiàng)目[2]。非系統(tǒng)方向的操作系統(tǒng)課程是《系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)》，將系統(tǒng)方向和非系統(tǒng)方向的學(xué)習(xí)內(nèi)容有所區(qū)分，一方面保證系統(tǒng)方向的內(nèi)容和MIT的實(shí)踐項(xiàng)目保持一致，另一方面滿足非系統(tǒng)方向?qū)W生的對(duì)操作系統(tǒng)的知識(shí)需求?！断到y(tǒng)程序設(shè)計(jì)》課程是針對(duì)非系統(tǒng)方向?qū)W生開(kāi)設(shè)的課程，該課程通過(guò)對(duì)UNIX系統(tǒng)的底層編程細(xì)節(jié)討論來(lái)認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)概念在UNIX系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)。主要內(nèi)容包括文件系統(tǒng)和IO的性能，緩沖區(qū)對(duì)IO性能的提升，進(jìn)程的控制方法，過(guò)fork以及內(nèi)存頁(yè)面的優(yōu)化策略，信號(hào)機(jī)制，多線程編程方法，高級(jí)IO的一些方法和終端設(shè)備IO進(jìn)行了討論。通過(guò)這些知識(shí)及補(bǔ)充材料，非系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生可以掌握在開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用時(shí)，如何利用操作系統(tǒng)提供的機(jī)制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了解UNIX操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)理，提高應(yīng)用程序性能。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》和《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程》中關(guān)于虛擬內(nèi)存、IO和CPU調(diào)度雖然沒(méi)有編程的實(shí)驗(yàn)，但是通過(guò)手工計(jì)算、畫(huà)結(jié)構(gòu)圖等幫助學(xué)生建立了知識(shí)的框架，為后續(xù)的課程打下了理論基礎(chǔ)。引進(jìn)國(guó)外大學(xué)的操作系統(tǒng)課程后，特別是實(shí)踐部分和MIT同步之后，學(xué)生有機(jī)會(huì)通過(guò)完成操作系統(tǒng)中的主要模塊來(lái)深入理解如何通過(guò)硬件的支持完成操作系統(tǒng)的功能。《操作系統(tǒng)》的實(shí)踐項(xiàng)目將要完成一個(gè)基本的操作系統(tǒng)內(nèi)核，整個(gè)項(xiàng)目被分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，首先完成進(jìn)程的創(chuàng)建，主要完成內(nèi)核和用戶進(jìn)程空間的內(nèi)存分配，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)fork和exec系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換以及CPU調(diào)度，完成基本的文件系統(tǒng)。通過(guò)完成這個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目能夠幫助學(xué)生徹底理解實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)核心功能的軟硬件機(jī)制[2]?！断到y(tǒng)程序設(shè)計(jì)》課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括：（1）IO性能對(duì)比，了解不同的IO的方式在讀寫(xiě)性能，了解操作系統(tǒng)中IO和文件系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)策略對(duì)性能的影響。（2）信號(hào)機(jī)制：通過(guò)信號(hào)機(jī)制來(lái)控制進(jìn)程。（3）并行程序設(shè)計(jì)，通過(guò)多線程和openMP實(shí)現(xiàn)并行程序設(shè)計(jì)；（4）實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠支持流媒體服務(wù)器。（5）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的Linux驅(qū)動(dòng)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，非系統(tǒng)方向的學(xué)生能夠掌握系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)方法，掌握操作系統(tǒng)對(duì)上層應(yīng)用性能的影響和系統(tǒng)優(yōu)化方法。

三、教學(xué)方法改革

除了課程體系的改進(jìn)之外，軟件學(xué)院在教學(xué)方法上也進(jìn)行了改革，將不同課程中有關(guān)操作系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)的串聯(lián)，在不同課程中進(jìn)行合理的分工，既要避免重復(fù)又相互支持和呼應(yīng)。在具體的知識(shí)講解方面，各個(gè)課程都能根據(jù)課程分工抓住重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行透徹分析，而對(duì)于一般性的問(wèn)題只是將問(wèn)題提出，讓學(xué)生通過(guò)課后學(xué)習(xí)，通過(guò)作業(yè)等方式來(lái)檢查學(xué)生的掌握情況。為了擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，加深對(duì)書(shū)本上概念的理解，針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)安排相應(yīng)的課后閱讀材料，并提交相應(yīng)的作業(yè)或設(shè)計(jì)。在《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程中》設(shè)計(jì)了一系列的課后閱讀的論文，包括：《Worse Is Better》討論了兩種設(shè)計(jì)哲學(xué)的優(yōu)劣，引導(dǎo)如何找到適合的設(shè)計(jì)方法；《Fast File System》對(duì)現(xiàn)有文件系統(tǒng)的各種缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化；《Map Reduce Google》幫助學(xué)生了解目前最重要的關(guān)于大數(shù)據(jù)處理的方案；《RAID》講解關(guān)于RAID磁盤(pán)陣列的原理與簡(jiǎn)單的性能比較；《End To End control in network》講解網(wǎng)絡(luò)中端對(duì)端層的設(shè)計(jì)原理，并針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。在《操作系統(tǒng)》課程中則要求學(xué)生閱讀x86 CPU的白皮書(shū)中細(xì)節(jié)，閱讀《深入理解Linux內(nèi)核》的對(duì)應(yīng)章節(jié)了解Linux在x86架構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)大量補(bǔ)充相關(guān)閱讀材料，學(xué)生加深了對(duì)課程內(nèi)容的理解。為了保證實(shí)踐項(xiàng)目的順利完成，各個(gè)課程都增加了教師助教和學(xué)生助教，幫助學(xué)生理解實(shí)踐項(xiàng)目的目的、要求、知識(shí)需求等，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試環(huán)境，保證了課程體系改革的成功。

通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的課程，并合理組織操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)在不同課程中的分布，改革教學(xué)方法加強(qiáng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)，針對(duì)不同方向的學(xué)生設(shè)計(jì)不同的實(shí)踐項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的輔導(dǎo)，幾年的實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)有助于學(xué)生加深對(duì)操作系統(tǒng)概念的深入理解，學(xué)生能夠完成世界一流大學(xué)的實(shí)踐項(xiàng)目，使軟件學(xué)院的操作系統(tǒng)教學(xué)接近國(guó)際水平，為培養(yǎng)國(guó)際化的合格人才做出了貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧斌宇，朱東來(lái).借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向基礎(chǔ)教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（16）：147-150.

[2]馮紅偉，王鵬.操作系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，（2）：251-253.

作者簡(jiǎn)介：馮紅偉，男，講師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與分布式系統(tǒng)；趙一鳴，男，副教授，研究方向?yàn)樾畔踩c密碼學(xué)。