《操作系統(tǒng)》與《計算機(jī)組成原理》課程關(guān)系分析

龍陳鋒，傅卓軍，何軼

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128；2.湖南省農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，長沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長沙 410128）

0 引言

國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃（國發(fā)[2017]4號）中要求深化本科教育教學(xué)改革。實行產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同育人，探索通識教育和專業(yè)教育相結(jié)合的人才培養(yǎng)方式，推行模塊化通識教育，促進(jìn)文理交融。改進(jìn)專業(yè)培養(yǎng)方案，構(gòu)建科學(xué)的課程體系和學(xué)習(xí)支持體系。強(qiáng)化課程研發(fā)、教材編寫、教學(xué)成果推廣。加大對課程建設(shè)、教學(xué)改革的常態(tài)化投入，全面提升高等學(xué)校教學(xué)水平。

《計算機(jī)組成原理》作為一門計算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程，介紹了計算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、組成和工作原理，側(cè)重闡述處理器、存儲器、地址空間、指令系統(tǒng)、程序控制、指令周期、寄存器、I/O系統(tǒng)、外圍設(shè)備等計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識，在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下的作用[1]?！恫僮飨到y(tǒng)》課程系統(tǒng)地講述了操作系統(tǒng)的基本概念、原理和方法，主要介紹了操作系統(tǒng)中有關(guān)處理器管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理、用戶接口等計算機(jī)操作系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)知識[2]。這兩門課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是計算機(jī)領(lǐng)域最為活躍的課程，具有理論性、技術(shù)性和實踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 問題提出

《操作系統(tǒng)》和《計算機(jī)組成原理》是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)專業(yè)課程，各學(xué)校非常重視這兩門課程教學(xué)和建設(shè)工作。這兩門課程之間有著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系，前者從硬件的角度描述了計算機(jī)系統(tǒng)，后者從系統(tǒng)軟件的角度描述了如何管理計算機(jī)硬件系統(tǒng)和支撐應(yīng)用程序運(yùn)行。兩者都是概念多、原理和方法抽象、內(nèi)容涉及面廣，使得學(xué)生難學(xué)、教師難教，而且目前這兩門課程分開獨(dú)立授課，授課教師很少針對課程內(nèi)容進(jìn)行交流。因此，長期以來，這兩門課的教學(xué)和建設(shè)依然存在以下幾個方面的問題：

（1）授課限于授課內(nèi)容、方式和方法探討。近三年，針對這兩門課程的教學(xué)改革研究的文獻(xiàn)都是集中在授課內(nèi)容、授課方式和方法等內(nèi)容[3-6]，而且是單獨(dú)對各門課程進(jìn)行研究，更加側(cè)重于理論探討，都只限定在各自局部層次中進(jìn)行教學(xué)和教學(xué)改革。因此，形成了授課教師重理論輕實踐，學(xué)生重技術(shù)輕理論的教與學(xué)的局面，構(gòu)成了教與學(xué)之間的主要矛盾，從而使教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期目的，甚至引起部分學(xué)生失去專業(yè)興趣。

（2）嚴(yán)重忽視了課程知識的整合與銜接。現(xiàn)有課程內(nèi)容是按照計算機(jī)整體系統(tǒng)進(jìn)行橫向劃分而設(shè)置，開展的課程建設(shè)研究都是針對本門課程進(jìn)行[7-8]，分割了這兩門課程內(nèi)容上的緊密聯(lián)系，忽視了兩者知識鏈的銜接性，從而造成了課程教學(xué)方式上并未對課程之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容進(jìn)行整合和銜接，關(guān)聯(lián)知識碎片長期沒有得到有效擬合。

（3）課程關(guān)聯(lián)知識教學(xué)連貫性和支撐性缺乏。實際教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生在修習(xí)這兩門課程時，覺得盲目，無法將先修課程《計算機(jī)組成原理》的知識延續(xù)到《操作系統(tǒng)》課程中，使得《操作系統(tǒng)》授課教師難度增大，學(xué)生學(xué)習(xí)脫節(jié)而跟不上課程進(jìn)度。《操作系統(tǒng)》和《計算機(jī)組成原理》兩門課程的各個章節(jié)內(nèi)容之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，而學(xué)生在學(xué)習(xí)時都是孤立地識記這些知識點(diǎn)，無法對兩者相關(guān)知識體系做到真正的理解和運(yùn)用。

針對這些問題，本文以這兩門課程知識的深度開發(fā)挖掘和展現(xiàn)來研究這兩門課程之間的內(nèi)在關(guān)系，并高度融合兩者知識的連貫性，從而推動這兩門課程知識縱向深入挖掘和橫向拓展延伸，提升課程內(nèi)容內(nèi)在品質(zhì)，提高課程學(xué)習(xí)效果。

2 基于計算思維的課程內(nèi)在關(guān)系

計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[9]?！队嬎銠C(jī)組成原理》到《操作系統(tǒng)》的課程學(xué)習(xí)是從計算機(jī)硬件資源學(xué)習(xí)到如何進(jìn)行系統(tǒng)資源管理的學(xué)習(xí)，不但是躍進(jìn)式的課程內(nèi)容跨越，而且是學(xué)生一次跳躍式思維的跨越。這種從硬件資源過渡到對硬件資源的軟件管理思維是一次硬件到軟件的大跨越思維活動，而操作系統(tǒng)恰好實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象，包括計算機(jī)硬件資源，因此這兩門課程之間存在一種基于計算思維的內(nèi)在關(guān)系。

2.1 知識的依賴關(guān)系

計算機(jī)系統(tǒng)由硬件、固化軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件等組成，它們結(jié)合在一起，相互依存、相互配合為用戶提供了解決問題的工具和環(huán)境。計算機(jī)硬件由中央處理器（Central Processor Unit，CPU）、存儲器和輸入/輸出（Input/Output，I/O）等部件組成，部件之間經(jīng)系統(tǒng)總線相連來實現(xiàn)相互之間的通信。操作系統(tǒng)是一套非常重要的系統(tǒng)軟件，是利用一個或多個處理器的硬件資源，為用戶提供程序開發(fā)和運(yùn)行、I/O設(shè)備訪問、文件訪問控制、系統(tǒng)訪問以及錯誤檢測和響應(yīng)等服務(wù)，并代表用戶來管理輔助存儲器和輸入/輸出等相關(guān)設(shè)備。

（1）CPU支撐了操作系統(tǒng)指令的執(zhí)行。CPU包括時鐘、控制器、運(yùn)算器、指令計數(shù)器、指令寄存器、累加器、高速緩存等。CPU運(yùn)行是靠時鐘產(chǎn)生精確的脈沖來驅(qū)動，當(dāng)需要執(zhí)行一條操作系統(tǒng)指令時，時鐘產(chǎn)生一個脈沖激活控制器，啟動CPU開始工作?？刂破鲝膬?nèi)存中取得了要執(zhí)行的指令并確定了下一條將要執(zhí)行指令的地址，然后激活運(yùn)算器開始執(zhí)行指令。運(yùn)算器根據(jù)指令將數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀入累加器進(jìn)行計算，計算指令是由一些加、減、乘等邏輯電路來實現(xiàn)。計算出來的中間結(jié)果、控制信息、關(guān)鍵數(shù)據(jù)等存儲在寄存器中。每一次計算完成后，時鐘會再次產(chǎn)生一個新脈沖，開始一個新的機(jī)器周期，如此重復(fù)直到程序結(jié)束。因此，操作系統(tǒng)指令的執(zhí)行及相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸、計算等需要CPU提供支撐環(huán)境。

（2）中斷硬件機(jī)制支撐了操作系統(tǒng)的中斷處理程序運(yùn)行。時鐘部件一般以中斷方式對外提供服務(wù)，由CPU內(nèi)部的計時器產(chǎn)生，允許操作系統(tǒng)以一定規(guī)律執(zhí)行函數(shù)?，F(xiàn)代計算機(jī)都提供了中斷機(jī)制，中斷作為一種提高CPU效率的機(jī)制，一是可以使CPU在I/O操作的執(zhí)行過程中能夠執(zhí)行其他指令，二是允許I/O、存儲器等中斷處理器正常的處理過程中，轉(zhuǎn)去處理中斷請求。操作系統(tǒng)的中斷處理程序位于I/O系統(tǒng)的底層，直接與I/O硬件進(jìn)行交互，當(dāng)I/O設(shè)備發(fā)出中斷請求信號時，中斷硬件完成初步處理后便會轉(zhuǎn)向中斷處理程序，由中斷處理程序?qū)χ袛嗾埱笮盘栠M(jìn)行處理。中斷硬件機(jī)制有力地支撐了操作系統(tǒng)的高效、安全、可靠運(yùn)行和資源管理。

（3）I/O設(shè)備支撐了操作系統(tǒng)與用戶的交互。I/O設(shè)備一般由執(zhí)行I/O操作的機(jī)械部分和執(zhí)行控制I/O的電子部件組成，實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)與外部進(jìn)行信息交換，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、顯示器、繪圖儀、磁盤驅(qū)動器、傳感器、數(shù)字線路驅(qū)動器等。用戶程序及其所要處理的數(shù)據(jù)均需通過I/O設(shè)備在設(shè)備驅(qū)動程序的控制下完成輸入和輸出，設(shè)備驅(qū)動程序接收操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)來的抽象I/O請求，再把它轉(zhuǎn)換為具體要求發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動設(shè)備去執(zhí)行；反過來，也能將設(shè)備控制器發(fā)送過來的信號傳送給相應(yīng)的請求程序。I/O系統(tǒng)隱藏了I/O物理設(shè)備實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，僅向用戶層提供了少量、抽象的讀寫命令。

（4）存儲器為操作系統(tǒng)運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)存儲環(huán)境。CPU需要的程序和數(shù)據(jù)以及操作系統(tǒng)組織、協(xié)調(diào)和控制應(yīng)用程序運(yùn)行的指令代碼和數(shù)據(jù)均存放在存儲器中。CPU在執(zhí)行這些指令周期的過程中，取指令時至少需要訪問一次存儲器，而取操作數(shù)或保存結(jié)果則會多次訪問存儲器。為了支持操作系統(tǒng)有效運(yùn)行，計算機(jī)硬件系統(tǒng)提供了多級的存儲體系、地址變換機(jī)制、請求頁表機(jī)制、缺頁中斷機(jī)構(gòu)等功能。

硬件是保障操作系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，而操作系統(tǒng)通過對計算機(jī)資源的抽象來實現(xiàn)軟硬件資源管理。操作系統(tǒng)硬件抽象層將操作系統(tǒng)從平臺相關(guān)的硬件差異中隔離出來，使得每臺機(jī)器的系統(tǒng)總線、直接存儲器訪問控制器、中斷控制器、系統(tǒng)計時器和存儲控制器對用戶來說看上去是相同的，通用的硬件命令和響應(yīng)與操作系統(tǒng)中某一特定專用的命令和響應(yīng)之間進(jìn)行映射。也就是說，操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要計算機(jī)硬件為其提供支撐環(huán)境，即操作系統(tǒng)運(yùn)行依賴于計算機(jī)系統(tǒng)硬件組成的平臺，操作系統(tǒng)作為直接覆蓋在硬件之上的第一層軟件，不但依靠計算機(jī)硬件并在其基礎(chǔ)上提供很多新的服務(wù)和功能，而且使用戶方便、安全、可靠和高效地操縱計算機(jī)軟硬件資源，從而保障軟件和硬件能相互協(xié)調(diào)地作為一個整體運(yùn)行。

因此，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)之前，必須掌握一些底層的計算機(jī)系統(tǒng)硬件知識?！队嬎銠C(jī)組成原理》和《操作系統(tǒng)》作為專業(yè)核心的兩門基礎(chǔ)課程，需要根據(jù)各自的課程信息及課程之間的關(guān)系，理順兩者先修、后修關(guān)系，將《計算機(jī)組成原理》課程安排《操作系統(tǒng)》課程之前開設(shè)是非常必要的。只有學(xué)習(xí)了《計算機(jī)組成原理》課程的相關(guān)知識之后，才能直接支持《操作系統(tǒng)》的相關(guān)知識學(xué)習(xí)，這種知識的依賴關(guān)系直接反映了課程的先修后修關(guān)系。

2.2 知識的關(guān)聯(lián)關(guān)系

雖然《計算機(jī)組成原理》與《操作系統(tǒng)》分別從硬件和系統(tǒng)軟件的角度分別對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了講解，但是它們所涉及的知識具有高度關(guān)聯(lián)性，甚至部分內(nèi)容重疊。圖1僅從兩者關(guān)聯(lián)的知識進(jìn)行思維導(dǎo)圖設(shè)計，沒有展示它們之間更加詳細(xì)的關(guān)聯(lián)知識內(nèi)容，例如地址轉(zhuǎn)換從邏輯要求變成了具體的物理操作是如何體現(xiàn)硬件和操作系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)完成的。

計算機(jī)系統(tǒng)所有的行為都離不開中斷，中斷機(jī)制作為主線，貫穿這兩門課程所有的關(guān)鍵知識點(diǎn)。因此，《計算機(jī)組成原理》課程側(cè)重于中斷的識別檢測及響應(yīng)介紹，《操作系統(tǒng)》課程側(cè)重于中斷處理介紹。從表面上兩者雖然有不同之處，完全是兩門獨(dú)立課程，但是通過課程相應(yīng)的內(nèi)在知識建立了軟硬件知識的映襯聯(lián)系，形成了一種不可分割的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.3 學(xué)習(xí)的融合關(guān)系

基于這兩門課程知識的依賴性和關(guān)聯(lián)性，想要獲得好的學(xué)習(xí)效果，課程教學(xué)安排上需要緊密銜接，完成《計算機(jī)組成原理》課程學(xué)習(xí)之后，馬上開始《操作系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)，這樣保證了知識在學(xué)習(xí)過程中得到融合，從而將計算機(jī)系統(tǒng)的硬件知識和操作系統(tǒng)知識緊密得聯(lián)系在一起，形成一個統(tǒng)一的軟、硬件知識體系，并以此基礎(chǔ)擴(kuò)展和深化其他專業(yè)課程知識，如圖2所示。以這兩門課程知識的深度開發(fā)挖掘和利用來促進(jìn)它們的建設(shè)，高度融合課程知識，推動課程知識向縱向深入挖掘（與編譯原理、體系結(jié)構(gòu)等課程的融合關(guān)系）和橫向拓展延伸（拓展延伸到微機(jī)接口、Linux系統(tǒng)管理、Android編程等課程），進(jìn)一步完善和優(yōu)化課程知識內(nèi)容之間的高度無縫銜接，進(jìn)一步提升兩門課程建設(shè)上的資源整合。在整個知識體系形成過程中，以堅持計算思維能力的培養(yǎng)貫穿始終，不但依靠自我感知和經(jīng)驗歸納獲取課程知識，而且從計算機(jī)硬件知識到操作系統(tǒng)知識獲取是一次完整的知識邏輯推演和實證分析，完成了知識梳理和知識再造，尤其是將硬件操作的抽象模型以形式化的方式展現(xiàn)出來，使學(xué)生的抽象思維與邏輯思維能力進(jìn)一步得到鍛煉和培養(yǎng)。

圖1 課程知識的關(guān)聯(lián)思維導(dǎo)圖

圖2 基于計算思維的學(xué)習(xí)融合模式

這兩門課程學(xué)習(xí)的融合是關(guān)于計算機(jī)硬件知識到系統(tǒng)軟件知識一次大遷移，知識一旦遷移，就能促使我們在不同的情景和問題面前創(chuàng)造性地、靈活地、流暢地應(yīng)用專業(yè)常規(guī)知識并擴(kuò)展專業(yè)關(guān)鍵知識。即一旦掌握了計算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)的能力及相關(guān)底層知識，就意味著增強(qiáng)了專業(yè)的軟硬件知識“內(nèi)涵”，打通了專業(yè)軟硬件知識“脈絡(luò)”，獲得更好的專業(yè)培養(yǎng)和能力成長。

2.4 授課的協(xié)同關(guān)系

作為獨(dú)立開設(shè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，彼此之間的依賴、關(guān)聯(lián)、思維拓展以及學(xué)習(xí)上要求知識融合給教師授課帶來了一定難度。操作系統(tǒng)教師擔(dān)心計算機(jī)組成原理教師講授過的相關(guān)硬件知識不夠深而未達(dá)到自己所授內(nèi)容的要求，而且自己又重新介紹的相關(guān)硬件知識讓學(xué)生覺得在學(xué)習(xí)舊知識，從而喪失學(xué)習(xí)的動力。同時，兩門課程知識重疊給學(xué)生學(xué)習(xí)也帶來了一定的困惑，尤其是具體課程知識細(xì)節(jié)上有所差別時，學(xué)生往往不會意識到如何選擇而陷入到較長時間的對比中，嚴(yán)重影響了他們的學(xué)習(xí)效果。

為了解決這兩門課程的教與學(xué)帶來這些問題，需要圍繞這兩門課程的教學(xué)內(nèi)容，立足提高課程教學(xué)質(zhì)量和計算思維能力培養(yǎng)，以它們的內(nèi)在聯(lián)系為導(dǎo)向，以課程建設(shè)和改革為動力，匯聚各種有利資源，系統(tǒng)思考與科學(xué)統(tǒng)籌，打破課程界限，改變課程結(jié)構(gòu)過于強(qiáng)調(diào)課程本位、缺乏知識融合的現(xiàn)狀，有效融合這兩門課程的關(guān)聯(lián)知識，做到教與學(xué)的良性互動，從授課教師備課、教學(xué)組織到教學(xué)方法和教學(xué)方式進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，構(gòu)建一種基于計算思維的協(xié)同創(chuàng)新教學(xué)模式，如圖3所示。通過協(xié)同教學(xué)，將課程教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新、教學(xué)方法創(chuàng)新、教學(xué)策略創(chuàng)新以及其他相關(guān)方面創(chuàng)新有機(jī)銜接起來，形成這兩門課程教與學(xué)的計算思維，使硬件知識和操作系統(tǒng)理論知識得到更深層次的理解和領(lǐng)悟，進(jìn)一步加深學(xué)生對各硬件之間協(xié)同工作原理的認(rèn)識。例如，《操作系統(tǒng)》課程中的進(jìn)程控制涉及CPU、內(nèi)存、緩存、中斷以及相互協(xié)同工作等硬件知識，需要兩門課的授課教師在一起進(jìn)行深入探討和分析，有機(jī)的將知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合，才能使學(xué)生掌握一個進(jìn)程在其生命周期中是如何通過硬件實現(xiàn)創(chuàng)建、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、撤銷等操作。

圖3 基于計算思維的協(xié)同教學(xué)模式

隨著計算機(jī)硬件不斷改進(jìn)和發(fā)展，硬件功能得到進(jìn)一步充實。同時，作為構(gòu)建在計算機(jī)硬件之上的第一層軟件，操作系統(tǒng)的功能和性能也得到顯著的增強(qiáng)和提高。通過隱藏對硬件操作的具體細(xì)節(jié)，操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對計算機(jī)硬件操作的多層次抽象，即對用戶屏蔽了硬件具體操作，實際上將用戶對硬件的請求轉(zhuǎn)換為具體的物理操作。計算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系更加緊密，更多以前由軟件實現(xiàn)的功能改為硬件實現(xiàn)，向用戶提供對硬件操作的抽象模型越來越豐富。

3 結(jié)語

本文深入分析了這兩門課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)出了兩者之間的相互內(nèi)在關(guān)系，以便將這兩門課程的知識更好地融合在一起，尤其是將操作系統(tǒng)的抽象性知識與具體硬件知識結(jié)合起來，教與學(xué)更加通俗易懂。兩門課程關(guān)聯(lián)越強(qiáng)的知識點(diǎn)，越易講透，分析更加清楚。教學(xué)實踐證明理清、理順這兩門課程的內(nèi)在聯(lián)系，為授課教師提供一種新的課程教學(xué)思路和探索新式的教學(xué)方法開辟了新途徑，為學(xué)生提供一種新的視野角度去學(xué)習(xí)計算機(jī)組成原理和操作系統(tǒng)，更好地構(gòu)建計算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件相融合的知識體系，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，提高課程教與學(xué)的效果，促進(jìn)了學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。