面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程優(yōu)化

張為華，李 弋，趙文耘

（復(fù)旦大學(xué) 軟件學(xué)院，上海 201203）

0 引言

系統(tǒng)能力是在掌握計算機系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，熟悉如何進一步開發(fā)構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng) 。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機已成為工作和日常生活的重要工具，逐漸形成支持移動端、PC端、云端等的多種計算模式。日益復(fù)雜的應(yīng)用和計算模式的變化對計算機專業(yè)人才的系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)、大局觀和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，ACM/IEEE 對其課程體系進行了調(diào)整，在CS2013[1]課程體系中新增加了一些課程以強化學(xué)生的系統(tǒng)能力。教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會針對新形勢梳理了計算機培養(yǎng)的各種能力（見表1）[2]，計算機專業(yè)高級人才應(yīng)具有計算思維能力、算法設(shè)計與分析能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力和系統(tǒng)能力，其中系統(tǒng)能力最重要，占總能力的75%。

系統(tǒng)能力是在掌握計算機系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，熟悉如何進一步開發(fā)構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)[3]。在傳統(tǒng)課程體系下，計算系統(tǒng)相關(guān)的基本原理分散在計算機組成、計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程中。在這種體系中，各個知識點獨立，割裂了計算機系統(tǒng)概念之間的聯(lián)系，增加了整體系統(tǒng)認知的難度。卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）的Bryant等人[4]基于程序員的視角設(shè)計了計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）課程，綜合介紹計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念。由于該課程較好地詮釋了計算機系統(tǒng)的相關(guān)知識，突出了各知識點的關(guān)聯(lián)性和知識的整體認知，很多高校都相繼開設(shè)計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程以加強學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力，全球已有近300家機構(gòu)開設(shè)了該課程。

表1 計算機能力構(gòu)成分布

基于學(xué)生的具體情況差異，國內(nèi)的ICS教學(xué)普遍對授課形式和內(nèi)容進行了調(diào)整。課程一般分兩學(xué)期講授，教材也有所不同。隨著ICS課程本地化進程的推進，學(xué)生的系統(tǒng)觀都得到了不同程度的加強，但在ICS的教學(xué)過程中也面臨一些挑戰(zhàn)：首先，學(xué)生的計算機基礎(chǔ)普遍較差，編程能力較弱，有的學(xué)生在進入大學(xué)前從未接觸過計算機，對知識的理解能力較弱；其次，現(xiàn)有教材內(nèi)容的順序沒有考慮知識點的關(guān)聯(lián)性，知識呈現(xiàn)碎片化；最后，沒有結(jié)合學(xué)生的培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)目標調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的深度，學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)缺乏體系。這些因素在一定程度上影響了ICS的整體授課效果，造成很多學(xué)生學(xué)習(xí)ICS課程的困難，不利于學(xué)生對系統(tǒng)的整體理解和后期的培養(yǎng)。

針對這些挑戰(zhàn)，應(yīng)對ICS的授課內(nèi)容進行調(diào)整和優(yōu)化。首先，將課程內(nèi)容按應(yīng)用程序員視角和系統(tǒng)程序員視角進行劃分，應(yīng)用程序員視角內(nèi)容前移，而系統(tǒng)程序員視角內(nèi)容后移。這樣劃分后，前部分內(nèi)容更容易理解，針對學(xué)生的計算機水平梳理ICS的課程內(nèi)容，偏編程的內(nèi)容盡量前提，偏原理性內(nèi)容后移，也更容易被無計算機基礎(chǔ)的學(xué)生掌握，也為理解后部分知識建立基本的概念。其次，根據(jù)各章的關(guān)聯(lián)性重新組織課程內(nèi)容，加強內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性和緊湊性，從而避免相關(guān)內(nèi)容跨度太大造成的理解缺陷。最后，根據(jù)培養(yǎng)目標，對一些內(nèi)容進行細化和加強，避免必要系統(tǒng)知識的缺失，提升學(xué)生的系統(tǒng)觀。

1 計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程體系

ICS已成為國內(nèi)計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心基礎(chǔ)課程，目標是解釋計算機系統(tǒng)的本質(zhì)概念，并展示這些概念對應(yīng)用程序正確性、性能和可用性的影響[5]。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)理解應(yīng)用的運行，并編寫高效的應(yīng)用程序。

ICS教材從程序員的視角出發(fā)，分別從程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行、程序在系統(tǒng)的運行以及程序間的通信和交互3個抽象層面介紹計算機系統(tǒng)相關(guān)概念。在程序結(jié)構(gòu)和執(zhí)行部分，課程介紹程序和信息在硬件上的表示、程序運行的硬件——處理器和存儲系統(tǒng)、程序的優(yōu)化。在程序在系統(tǒng)的運行部分，課程先介紹可執(zhí)行程序的生成，然后講述應(yīng)用程序運行相關(guān)的進程和虛存——操作系統(tǒng)管理處理器和內(nèi)存資源的機制。在程序間的通信和交互部分，課程先介紹基本的交互機制——系統(tǒng)I/O和網(wǎng)絡(luò)通信，再引入并發(fā)更好地支持多種交互模式和提高資源的使用效率。

由于知識點較多，ICS課程一般分兩個學(xué)期講授。課程內(nèi)容通常按表 2組織，第一個學(xué)期主講程序的結(jié)構(gòu)和執(zhí)行，第二個學(xué)期則講授其余的兩個部分。

表2 ICS課程內(nèi)容的劃分

ICS對計算機系統(tǒng)的綜合介紹，能夠為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)，促進系統(tǒng)教學(xué)的改革。由于ICS課程已覆蓋大部分系統(tǒng)概念，一些學(xué)校已用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的系統(tǒng)類課程培養(yǎng)非系統(tǒng)方向的學(xué)生。例如，復(fù)旦大學(xué)軟件工程專業(yè)電子商務(wù)方向的學(xué)生，學(xué)完計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)后，已不要求選修體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯等傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程。

2 問題分析

目前國內(nèi)大學(xué)的計算機專業(yè)面向全國招生，新生的計算機水平參差不齊。雖然少數(shù)學(xué)生有較好的計算機基礎(chǔ)，甚至高中參加過信息競賽，但絕大部分學(xué)生沒有任何編程經(jīng)驗，甚至沒有使用過計算機。

在一年級，學(xué)生一般會系統(tǒng)地學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言課程，大部分學(xué)校也會開設(shè)簡單的應(yīng)用開發(fā)類課程，如Web程序設(shè)計等課程。前者培養(yǎng)學(xué)生高級語言的編程能力；后者則講授HTML、JavaScript和簡單的數(shù)據(jù)庫知識，訓(xùn)練學(xué)生編寫簡單互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的能力。

通過這兩門課的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步具有編寫應(yīng)用程序的能力，但對計算機系統(tǒng)的理解依然有限。ICS課程一般在大學(xué)二年級開設(shè)，現(xiàn)有的內(nèi)容和組織方面存在不足，導(dǎo)致教學(xué)效果不夠理想，學(xué)生對系統(tǒng)知識的理解不夠全面。

（1）學(xué)生能力的適應(yīng)問題。我們對近幾屆學(xué)生做了調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果表明，近60%的學(xué)生在進入大學(xué)前幾乎沒有接觸過計算機或?qū)W習(xí)過相關(guān)知識。Bryant的教材[5]按照程序的表示、組織、運行和相互間交互的自然順序組織。這種方式要求學(xué)生對計算機比較熟悉，然而大部分學(xué)生計算機基礎(chǔ)較弱的現(xiàn)狀造成學(xué)生理解知識的障礙和課程實驗的實現(xiàn)困難。

（2）知識點的關(guān)聯(lián)問題。授課順序沒有考慮知識點之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的強弱，組織相對松散，不利于綜合理解，如存儲系統(tǒng)安排在程序優(yōu)化之后，但程序的執(zhí)行效率與存儲介質(zhì)的特點和程序訪問的局部性緊密相關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)優(yōu)化時，不能理解與存儲相關(guān)的優(yōu)化。兩學(xué)期教學(xué)雖然讓學(xué)生有充裕的時間學(xué)習(xí)和理解，但是破壞了連續(xù)性，妨礙學(xué)生對計算機系統(tǒng)的整體認識，如虛存和存儲系統(tǒng)安排兩個學(xué)期，不利于整體把握。因此，需要結(jié)合學(xué)生的能力以及知識點的順序關(guān)系和相關(guān)性，合理對授課內(nèi)容進行劃分。

（3）部分內(nèi)容的深度問題。在一些學(xué)校現(xiàn)有的學(xué)生培養(yǎng)方案中，非系統(tǒng)方向的學(xué)生學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程后，很少會系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)相關(guān)的知識。從實際需求和能力培養(yǎng)的角度而言，目前對ICS的一些方面介紹得不夠深入，需要進一步強化，如程序員系統(tǒng)地找到程序性能問題的原因，并給出改進性能的方法，是一項很重要的能力，但這部分內(nèi)容在現(xiàn)有ICS教學(xué)中并非重點。

（4）缺乏綜合性。ICS從程序員的視角介紹計算機系統(tǒng)相關(guān)的概念，是第一門學(xué)習(xí)系統(tǒng)概念的課程，內(nèi)容中概念的綜合性相對較低，如Lab中實現(xiàn)HTTP代理涉及比較多的概念，但一些概念就只是簡單的應(yīng)用。

3 內(nèi)容改革

3.1 原 則

為了提升ICS課程的整體授課效果，結(jié)合現(xiàn)有學(xué)生計算機能力的現(xiàn)狀，可以從下列幾個方面著手，提高ICS課程的教學(xué)質(zhì)量。

（1）難度的漸進性。當(dāng)前的授課內(nèi)容應(yīng)該與學(xué)生的能力增長相適應(yīng)，讓學(xué)生逐漸掌握計算機系統(tǒng)的相關(guān)概念。

（2）內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)認知的先后次序和知識點的依賴關(guān)系，對授課內(nèi)容進行組織，逐漸強化學(xué)生對系統(tǒng)基本原理的理解。

（3）內(nèi)容的深度。結(jié)合后續(xù)系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)地增加重要而未覆蓋的論題，并相應(yīng)地適當(dāng)增加課時。

（4）知識體系的綜合性。增加綜合性內(nèi)容，從而提升知識之間的綜合性。

3.2 劃 分

對于計算機的理解，一般可分為應(yīng)用程序員視角和系統(tǒng)程序員視角。應(yīng)用程序員編寫的軟件程序直接面向用戶，利用計算機及支撐的系統(tǒng)軟件解決應(yīng)用問題。系統(tǒng)程序員開發(fā)的軟件程序主要為應(yīng)用軟件提供各種系統(tǒng)層支持，因為需要熟悉底層的硬件和系統(tǒng)軟件。

ICS從程序員的角度介紹計算機系統(tǒng)，內(nèi)容也可以按應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員兩個視角進行劃分[6]。

（1）應(yīng)用程序員視角。內(nèi)容主要涉及編程，多為簡單的基礎(chǔ)知識。為了提升學(xué)生的編程能力，這部分教學(xué)實踐偏多。通過編程練習(xí)，逐漸提高學(xué)生對計算機系統(tǒng)的熟悉程度。

（2）系統(tǒng)程序員視角。內(nèi)容更多偏重原理以及系統(tǒng)底層的概念和知識，主要提升程序員對計算機系統(tǒng)運行的理解。這些內(nèi)容主要覆蓋硬件和操作系統(tǒng)層面的知識，結(jié)合前一視角的知識深化系統(tǒng)觀的培養(yǎng)。

我們根據(jù)這個原則分析了目前國內(nèi)普遍采用的CMU使用的ICS教材[5]內(nèi)容。導(dǎo)論綜合性最強，提綱挈領(lǐng)地介紹簡單程序運行所涉及的系統(tǒng)概念。信息表示及操作介紹計算機如何表示信息并進行運算。程序機器層的表示可以幫助程序員更加準確地把握程序在計算機上的執(zhí)行。程序鏈接讓程序員理解復(fù)雜程序的生成和加載，有助于理解C語言中變量的申明和訪問。網(wǎng)絡(luò)編程和并發(fā)編程，重點是如何利用系統(tǒng)提供的接口編寫程序，但網(wǎng)絡(luò)編程要求運用之前章節(jié)系統(tǒng)概念和工具編寫高效的應(yīng)用。處理器架構(gòu)和內(nèi)存架構(gòu)，基本上都是介紹硬件的工作原理和特點。程序優(yōu)化則需要學(xué)生理解程序在機器上的執(zhí)行，并充分掌握程序運行的硬件，主要指處理器和存儲的工作原理和特點。異常控制流、虛擬內(nèi)存系統(tǒng)和系統(tǒng)I/O，可以分為兩個層次：一部分講這些機制實現(xiàn)的基本原理，另一部分則介紹使用相應(yīng)的編程接口為編程提供支持。

從這兩個視角，計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)的內(nèi)容可以按應(yīng)用程序員視角和系統(tǒng)程序員視角進行重新劃分（見表 3），具體授課內(nèi)容的順序也可以按這個劃分進行排布。第一學(xué)期的的內(nèi)容為應(yīng)用程序員視角的內(nèi)容，知識相對簡單，需要深入理解的內(nèi)容相對較少，并形成第二學(xué)期知識的基礎(chǔ)。第二學(xué)期的內(nèi)容主要為系統(tǒng)程序員視角的內(nèi)容，在掌握第一學(xué)期知識的前提下，學(xué)生理解第二學(xué)期的內(nèi)容會更容易，實現(xiàn)課程實驗也會更輕松。

表3 基于程序員不同視角的教學(xué)內(nèi)容劃分

3.3 組 織

新的課程內(nèi)容組織，把ICS教材中一些章節(jié)的內(nèi)容，根據(jù)認知的層次拆分，分別在不同的階段講授。課程分為兩個學(xué)期講授，各自完成兩個層面的認知目標。第一個學(xué)期，主要培養(yǎng)學(xué)生的一般程序員相關(guān)能力，利用系統(tǒng)提供的編程接口編寫應(yīng)用程序，逐漸培養(yǎng)學(xué)生對計算機系統(tǒng)的認知；第二個學(xué)期，從系統(tǒng)程序員視角培養(yǎng)學(xué)生，提高學(xué)生的理論水平，能夠合理解釋應(yīng)用程序執(zhí)行的基本原理，掌握計算機系統(tǒng)的重要概念。

第一個學(xué)期，課程主要講授應(yīng)用程序員視角需要理解的知識，強化學(xué)生的應(yīng)用編程能力以及對計算機基本概念的理解和強化。課程的內(nèi)容組織如下：①以典型的程序“Hello World!”為例，提綱挈領(lǐng)地介紹應(yīng)用程序生成和運行涉及的系統(tǒng)概念；②從解釋的角度理解不同信息在計算機內(nèi)的表示方式，正確區(qū)分真實世界和計算機內(nèi)部信息之間的聯(lián)系和區(qū)別，并掌握計算機對不同信息的基本操作；③理解可執(zhí)行程序在計算機內(nèi)的表示，掌握計算機典型的指令集，學(xué)習(xí)如何用低級指令實現(xiàn)高級語言中的函數(shù)調(diào)用；④理解可執(zhí)行程序的生成，反之也幫助學(xué)生理解編程時對于變量的申明和訪問；⑤以動態(tài)的角度了解程序的運行，主要講授進程和線程的概念，以及利用進程和線程系統(tǒng)API創(chuàng)建和管理多進程/線程應(yīng)用程序；⑥學(xué)習(xí)I/O的基本原理，掌握用文件的模型來抽象不同的I/O訪問，并學(xué)習(xí)不同I/O訪問接口的優(yōu)缺點；⑦基于進程和線程的概念，學(xué)習(xí)并發(fā)編程。 通過第一個學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生對計算機系統(tǒng)特別是類Unix系統(tǒng)，已經(jīng)有了比較深刻的認識，也可以用C語言編寫各種應(yīng)用程序。

第二個學(xué)期，課程主要在第一學(xué)期一般程序員的視角基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)程序員視角。課程的內(nèi)容組織如下：①學(xué)習(xí)處理器的基本原理，通過構(gòu)造簡單的處理器，了解運行應(yīng)用程序的處理器工作原理，掌握處理器的工作特點；②了解計算機的存儲架構(gòu)，掌握不同存儲的工作特點和用處，特別是cache的工作原理和對應(yīng)用程序性能的影響；③了解性能原理和分析機制，學(xué)習(xí)如何系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序的性能瓶頸，并進一步改善應(yīng)用的性能，特別是如何充分發(fā)揮底層硬件平臺的性能；④學(xué)習(xí)虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，理解計算機系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)臋C制以方便應(yīng)用程序的執(zhí)行；⑤學(xué)習(xí)實現(xiàn)進/線程的原理，并進一步了解進程/線程的創(chuàng)建機制；⑥結(jié)合虛擬內(nèi)存，闡述文件共享和重定向的實現(xiàn)機制；⑦綜合運用多個系統(tǒng)概念，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)原理和編寫高效的網(wǎng)絡(luò)程序。

進行ICS課程內(nèi)容優(yōu)化后，一些章節(jié)的內(nèi)容也需要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。原有的一些章節(jié)內(nèi)容基于之前章節(jié)的知識，如并發(fā)編程的部分內(nèi)容就是基于網(wǎng)絡(luò)編程例子展開講解的，采用新的內(nèi)容組織后，章節(jié)之間的順序改變，套用現(xiàn)有章節(jié)內(nèi)容則無法完成，因此，需要為并發(fā)編程設(shè)計只依賴于獨立知識（不依賴于網(wǎng)絡(luò)編程）的課程示例。

3.4 增 強

在一些學(xué)校現(xiàn)有的學(xué)生培養(yǎng)方案下，非系統(tǒng)方向的學(xué)生在學(xué)習(xí)完計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程后，很少會系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)相關(guān)的知識，但是一些計算機系統(tǒng)概念和方法對程序員編寫程序有很大的幫助。

為了強化學(xué)生的系統(tǒng)能力，增強課程的整體性，在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程中也需要對一些知識點進行強化，主要體現(xiàn)在以下3方面。

（1）細化性能評估。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序規(guī)模的擴大，準確的性能評估是程序員的必備技能之一，然而ICS原有課程體系中對該部分內(nèi)容強調(diào)不夠。為了強化學(xué)生的相關(guān)能力，應(yīng)將原有體系結(jié)構(gòu)等課程的性能評估內(nèi)容移到ICS課程中，并結(jié)合當(dāng)前并行評估環(huán)境的挑戰(zhàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解評估的重要性，同時給部分有能力的學(xué)生增加相關(guān)實驗。

（2）擴展處理器設(shè)計的方法學(xué)。目前ICS課程分別介紹了單周期和基于流水線的多周期處理器的設(shè)計。這種方式只讓學(xué)生建立了處理器的基本概念，錯過了培養(yǎng)分析問題和解決問題能力的機會。實際上，這部分的教學(xué)可結(jié)合處理器的發(fā)展階段——單周期、多周期、流水線和ILP優(yōu)化等，重點講述前一階段引入的問題和后一階段解決的方法，從“問題—解決”的角度引導(dǎo)學(xué)生深入思考。

（3）相關(guān)知識的綜合和遞進。ICS現(xiàn)有知識體系缺乏關(guān)聯(lián)和知識的綜合運用，妨礙學(xué)生建立整體系統(tǒng)觀。現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，也為進一步增強知識的綜合性提供可能。由于并發(fā)內(nèi)容的提前，在新的組織方式下，網(wǎng)絡(luò)編程部分可結(jié)合并發(fā)的知識展開，對應(yīng)Lab的實現(xiàn)也可以改為采用并發(fā)的形式進行設(shè)計。這個調(diào)整增強了網(wǎng)絡(luò)編程部分的綜合性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀。由于存儲架構(gòu)知識提前，講解優(yōu)化部分內(nèi)容時，可結(jié)合存儲架構(gòu)進行存儲系統(tǒng)相關(guān)優(yōu)化知識的講解。

4 結(jié)語

針對學(xué)生的現(xiàn)狀和現(xiàn)有教學(xué)方式的不足，我們對ICS的授課內(nèi)容進行了調(diào)整和優(yōu)化，強化學(xué)期內(nèi)知識點的遞進性和關(guān)聯(lián)性。首先，提高學(xué)生的編程能力，加強對計算機系統(tǒng)的基本認識；其次，從原理上介紹系統(tǒng)如何支撐應(yīng)用程序的運行。課程內(nèi)容的層次化，有助于學(xué)生循序漸進地學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)。針對現(xiàn)有課程培養(yǎng)體系引入的問題，選擇部分知識點強化教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對系統(tǒng)的綜合理解能力和動手能力。