《操作系統》與《計算機組成原理》課程關系分析

龍陳鋒，傅卓軍，何軼

（1.湖南農業大學信息科學技術學院，長沙 410128；2.湖南省農村農業信息化工程技術研究中心，長沙 410128；3.湖南農業大學東方科技學院，長沙 410128）

0 引言

國家教育事業發展“十三五”規劃（國發[2017]4號）中要求深化本科教育教學改革。實行產學研用協同育人，探索通識教育和專業教育相結合的人才培養方式，推行模塊化通識教育，促進文理交融。改進專業培養方案，構建科學的課程體系和學習支持體系。強化課程研發、教材編寫、教學成果推廣。加大對課程建設、教學改革的常態化投入，全面提升高等學校教學水平。

《計算機組成原理》作為一門計算機硬件基礎課程，介紹了計算機單處理機系統的基本結構、組成和工作原理，側重闡述處理器、存儲器、地址空間、指令系統、程序控制、指令周期、寄存器、I/O系統、外圍設備等計算機硬件基礎知識，在先導課程和后續課程之間起著承上啟下的作用[1]。《操作系統》課程系統地講述了操作系統的基本概念、原理和方法，主要介紹了操作系統中有關處理器管理、存儲管理、文件管理、設備管理、用戶接口等計算機操作系統原理的基礎知識[2]。這兩門課程是計算機科學與技術、電子信息工程等專業的核心專業基礎課程，也是計算機領域最為活躍的課程，具有理論性、技術性和實踐性都很強的特點。

1 問題提出

《操作系統》和《計算機組成原理》是計算機科學與技術、物聯網工程、電子信息工程等專業的核心基礎專業課程，各學校非常重視這兩門課程教學和建設工作。這兩門課程之間有著不可分割的內在聯系，前者從硬件的角度描述了計算機系統，后者從系統軟件的角度描述了如何管理計算機硬件系統和支撐應用程序運行。兩者都是概念多、原理和方法抽象、內容涉及面廣，使得學生難學、教師難教，而且目前這兩門課程分開獨立授課，授課教師很少針對課程內容進行交流。因此，長期以來，這兩門課的教學和建設依然存在以下幾個方面的問題：

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

（2）嚴重忽視了課程知識的整合與銜接。現有課程內容是按照計算機整體系統進行橫向劃分而設置，開展的課程建設研究都是針對本門課程進行[7-8]，分割了這兩門課程內容上的緊密聯系，忽視了兩者知識鏈的銜接性，從而造成了課程教學方式上并未對課程之間的關聯內容進行整合和銜接，關聯知識碎片長期沒有得到有效擬合。

（3）課程關聯知識教學連貫性和支撐性缺乏。實際教學過程中，大多數學生在修習這兩門課程時，覺得盲目，無法將先修課程《計算機組成原理》的知識延續到《操作系統》課程中，使得《操作系統》授課教師難度增大，學生學習脫節而跟不上課程進度。《操作系統》和《計算機組成原理》兩門課程的各個章節內容之間存在著千絲萬縷的聯系，而學生在學習時都是孤立地識記這些知識點，無法對兩者相關知識體系做到真正的理解和運用。

針對這些問題，本文以這兩門課程知識的深度開發挖掘和展現來研究這兩門課程之間的內在關系，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，提升課程內容內在品質，提高課程學習效果。

2 基于計算思維的課程內在關系

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[9]。《計算機組成原理》到《操作系統》的課程學習是從計算機硬件資源學習到如何進行系統資源管理的學習，不但是躍進式的課程內容跨越，而且是學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，而操作系統恰好實現了對計算機資源的抽象，包括計算機硬件資源，因此這兩門課程之間存在一種基于計算思維的內在關系。

2.1 知識的依賴關系

計算機系統由硬件、固化軟件、系統軟件、應用軟件等組成，它們結合在一起，相互依存、相互配合為用戶提供了解決問題的工具和環境。計算機硬件由中央處理器（Central Processor Unit，CPU）、存儲器和輸入/輸出（Input/Output，I/O）等部件組成，部件之間經系統總線相連來實現相互之間的通信。操作系統是一套非常重要的系統軟件，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和運行、I/O設備訪問、文件訪問控制、系統訪問以及錯誤檢測和響應等服務，并代表用戶來管理輔助存儲器和輸入/輸出等相關設備。

（1）CPU支撐了操作系統指令的執行。CPU包括時鐘、控制器、運算器、指令計數器、指令寄存器、累加器、高速緩存等。CPU運行是靠時鐘產生精確的脈沖來驅動，當需要執行一條操作系統指令時，時鐘產生一個脈沖激活控制器，啟動CPU開始工作。控制器從內存中取得了要執行的指令并確定了下一條將要執行指令的地址，然后激活運算器開始執行指令。運算器根據指令將數據從內存中讀入累加器進行計算，計算指令是由一些加、減、乘等邏輯電路來實現。計算出來的中間結果、控制信息、關鍵數據等存儲在寄存器中。每一次計算完成后，時鐘會再次產生一個新脈沖，開始一個新的機器周期，如此重復直到程序結束。因此，操作系統指令的執行及相關數據的傳輸、計算等需要CPU提供支撐環境。

（2）中斷硬件機制支撐了操作系統的中斷處理程序運行。時鐘部件一般以中斷方式對外提供服務，由CPU內部的計時器產生，允許操作系統以一定規律執行函數。現代計算機都提供了中斷機制，中斷作為一種提高CPU效率的機制，一是可以使CPU在I/O操作的執行過程中能夠執行其他指令，二是允許I/O、存儲器等中斷處理器正常的處理過程中，轉去處理中斷請求。操作系統的中斷處理程序位于I/O系統的底層，直接與I/O硬件進行交互，當I/O設備發出中斷請求信號時，中斷硬件完成初步處理后便會轉向中斷處理程序，由中斷處理程序對中斷請求信號進行處理。中斷硬件機制有力地支撐了操作系統的高效、安全、可靠運行和資源管理。

（3）I/O設備支撐了操作系統與用戶的交互。I/O設備一般由執行I/O操作的機械部分和執行控制I/O的電子部件組成，實現計算機系統與外部進行信息交換，例如鍵盤、鼠標、打印機、顯示器、繪圖儀、磁盤驅動器、傳感器、數字線路驅動器等。用戶程序及其所要處理的數據均需通過I/O設備在設備驅動程序的控制下完成輸入和輸出，設備驅動程序接收操作系統轉來的抽象I/O請求，再把它轉換為具體要求發送給設備控制器，啟動設備去執行；反過來，也能將設備控制器發送過來的信號傳送給相應的請求程序。I/O系統隱藏了I/O物理設備實現的細節，僅向用戶層提供了少量、抽象的讀寫命令。

（4）存儲器為操作系統運行提供了數據存儲環境。CPU需要的程序和數據以及操作系統組織、協調和控制應用程序運行的指令代碼和數據均存放在存儲器中。CPU在執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，而取操作數或保存結果則會多次訪問存儲器。為了支持操作系統有效運行，計算機硬件系統提供了多級的存儲體系、地址變換機制、請求頁表機制、缺頁中斷機構等功能。

硬件是保障操作系統正常運行的前提，而操作系統通過對計算機資源的抽象來實現軟硬件資源管理。操作系統硬件抽象層將操作系統從平臺相關的硬件差異中隔離出來，使得每臺機器的系統總線、直接存儲器訪問控制器、中斷控制器、系統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與操作系統中某一特定專用的命令和響應之間進行映射。也就是說，操作系統的運行需要計算機硬件為其提供支撐環境，即操作系統運行依賴于計算機系統硬件組成的平臺，操作系統作為直接覆蓋在硬件之上的第一層軟件，不但依靠計算機硬件并在其基礎上提供很多新的服務和功能，而且使用戶方便、安全、可靠和高效地操縱計算機軟硬件資源，從而保障軟件和硬件能相互協調地作為一個整體運行。

因此，學習操作系統之前，必須掌握一些底層的計算機系統硬件知識。《計算機組成原理》和《操作系統》作為專業核心的兩門基礎課程，需要根據各自的課程信息及課程之間的關系，理順兩者先修、后修關系，將《計算機組成原理》課程安排《操作系統》課程之前開設是非常必要的。只有學習了《計算機組成原理》課程的相關知識之后，才能直接支持《操作系統》的相關知識學習，這種知識的依賴關系直接反映了課程的先修后修關系。

2.2 知識的關聯關系

雖然《計算機組成原理》與《操作系統》分別從硬件和系統軟件的角度分別對計算機系統進行了講解，但是它們所涉及的知識具有高度關聯性，甚至部分內容重疊。圖1僅從兩者關聯的知識進行思維導圖設計，沒有展示它們之間更加詳細的關聯知識內容，例如地址轉換從邏輯要求變成了具體的物理操作是如何體現硬件和操作系統之間協調完成的。

計算機系統所有的行為都離不開中斷，中斷機制作為主線，貫穿這兩門課程所有的關鍵知識點。因此，《計算機組成原理》課程側重于中斷的識別檢測及響應介紹，《操作系統》課程側重于中斷處理介紹。從表面上兩者雖然有不同之處，完全是兩門獨立課程，但是通過課程相應的內在知識建立了軟硬件知識的映襯聯系，形成了一種不可分割的關聯關系。

2.3 學習的融合關系

基于這兩門課程知識的依賴性和關聯性，想要獲得好的學習效果，課程教學安排上需要緊密銜接，完成《計算機組成原理》課程學習之后，馬上開始《操作系統》課程學習，這樣保證了知識在學習過程中得到融合，從而將計算機系統的硬件知識和操作系統知識緊密得聯系在一起，形成一個統一的軟、硬件知識體系，并以此基礎擴展和深化其他專業課程知識，如圖2所示。以這兩門課程知識的深度開發挖掘和利用來促進它們的建設，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、體系結構等課程的融合關系）和橫向拓展延伸（拓展延伸到微機接口、Linux系統管理、Android編程等課程），進一步完善和優化課程知識內容之間的高度無縫銜接，進一步提升兩門課程建設上的資源整合。在整個知識體系形成過程中，以堅持計算思維能力的培養貫穿始終，不但依靠自我感知和經驗歸納獲取課程知識，而且從計算機硬件知識到操作系統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出來，使學生的抽象思維與邏輯思維能力進一步得到鍛煉和培養。

圖1 課程知識的關聯思維導圖

圖2 基于計算思維的學習融合模式

這兩門課程學習的融合是關于計算機硬件知識到系統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造性地、靈活地、流暢地應用專業常規知識并擴展專業關鍵知識。即一旦掌握了計算機硬件和操作系統的能力及相關底層知識，就意味著增強了專業的軟硬件知識“內涵”，打通了專業軟硬件知識“脈絡”，獲得更好的專業培養和能力成長。

2.4 授課的協同關系

作為獨立開設的專業核心基礎課程，彼此之間的依賴、關聯、思維拓展以及學習上要求知識融合給教師授課帶來了一定難度。操作系統教師擔心計算機組成原理教師講授過的相關硬件知識不夠深而未達到自己所授內容的要求，而且自己又重新介紹的相關硬件知識讓學生覺得在學習舊知識，從而喪失學習的動力。同時，兩門課程知識重疊給學生學習也帶來了一定的困惑，尤其是具體課程知識細節上有所差別時，學生往往不會意識到如何選擇而陷入到較長時間的對比中，嚴重影響了他們的學習效果。

為了解決這兩門課程的教與學帶來這些問題，需要圍繞這兩門課程的教學內容，立足提高課程教學質量和計算思維能力培養，以它們的內在聯系為導向，以課程建設和改革為動力，匯聚各種有利資源，系統思考與科學統籌，打破課程界限，改變課程結構過于強調課程本位、缺乏知識融合的現狀，有效融合這兩門課程的關聯知識，做到教與學的良性互動，從授課教師備課、教學組織到教學方法和教學方式進行協同設計，構建一種基于計算思維的協同創新教學模式，如圖3所示。通過協同教學，將課程教學內容創新、教學方法創新、教學策略創新以及其他相關方面創新有機銜接起來，形成這兩門課程教與學的計算思維，使硬件知識和操作系統理論知識得到更深層次的理解和領悟，進一步加深學生對各硬件之間協同工作原理的認識。例如，《操作系統》課程中的進程控制涉及CPU、內存、緩存、中斷以及相互協同工作等硬件知識，需要兩門課的授課教師在一起進行深入探討和分析，有機的將知識進行關聯和融合，才能使學生掌握一個進程在其生命周期中是如何通過硬件實現創建、狀態轉換、撤銷等操作。

圖3 基于計算思維的協同教學模式

隨著計算機硬件不斷改進和發展，硬件功能得到進一步充實。同時，作為構建在計算機硬件之上的第一層軟件，操作系統的功能和性能也得到顯著的增強和提高。通過隱藏對硬件操作的具體細節，操作系統實現了對計算機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換為具體的物理操作。計算機硬件和操作系統之間的內在聯系更加緊密，更多以前由軟件實現的功能改為硬件實現，向用戶提供對硬件操作的抽象模型越來越豐富。

3 結語

本文深入分析了這兩門課程之間的內在聯系，總結出了兩者之間的相互內在關系，以便將這兩門課程的知識更好地融合在一起，尤其是將操作系統的抽象性知識與具體硬件知識結合起來，教與學更加通俗易懂。兩門課程關聯越強的知識點，越易講透，分析更加清楚。教學實踐證明理清、理順這兩門課程的內在聯系，為授課教師提供一種新的課程教學思路和探索新式的教學方法開辟了新途徑，為學生提供一種新的視野角度去學習計算機組成原理和操作系統，更好地構建計算機硬件和系統軟件相融合的知識體系，進一步激發學生專業學習的興趣，提高課程教與學的效果，促進了學生計算思維能力的培養。