南京大學(xué)實(shí)施計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)情況介紹

南京大學(xué)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的

思考與改革舉措

南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系

袁春風(fēng)

email:cfyuan@

2016.05主要內(nèi)容對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程從“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)開(kāi)始（做一點(diǎn)）到“偏硬件類(lèi)課程群”建設(shè)（做一些）最終建立“分流培養(yǎng)體系下的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式”

（全面做，但是還在路上）南京大學(xué)的初步探索與改革2013年前的改革探索：局部課程內(nèi)容調(diào)整2013年后的改革思路：課程體系全面調(diào)整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程情況介紹從企業(yè)招聘題目開(kāi)始說(shuō)起阿里筆試中有這樣一道題目：在一臺(tái)主流配置的PC上，調(diào)用f(35)所需要的時(shí)間大概是（

）。intf(intx){ints=0;while(x++>0)s+=f(x);returnmax(s,1);}A．幾毫秒

B．幾秒

C．幾分鐘

D．幾小時(shí)顯然，考的不僅僅是程序設(shè)計(jì)！學(xué)生的答案PPT計(jì)算時(shí)間PPT從企業(yè)招聘題目開(kāi)始說(shuō)起大眾點(diǎn)評(píng)

筆試中的一道題（也是全國(guó)考研題）：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，采用小端方式存放數(shù)據(jù)。假定int型和short型長(zhǎng)度分別為32位和16位，并且數(shù)據(jù)按邊界對(duì)齊存儲(chǔ)。某C語(yǔ)言程序段如下：

struct{

int

a;

char

b;

short

c;}

record;record.a=273;若record首地址為0xC008，則地址0xC008中內(nèi)容及record.c的地址是0x00、0xC00D

B．0x11、0xC00E

C．0x11、0xC00D

D．0x00、0xC00E顯然，考的也不僅僅是程序設(shè)計(jì)！中興筆試題：寫(xiě)程序判斷當(dāng)前CPU是大端CPU還是小端CPU，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。從企業(yè)招聘題目開(kāi)始說(shuō)起有學(xué)生告訴我，他的同學(xué)寫(xiě)了一下程序，判斷出他的PC是大端！uniontest{inta;charb;}main(){test.a=0xff;if(test.b==0xff)printf(“Littleendian);elseprintf(“Bigendian);}該同學(xué)的程序錯(cuò)在哪里呢？顯然，考的也不僅僅是程序設(shè)計(jì)！中興筆試題：寫(xiě)程序判斷當(dāng)前CPU是大端CPU還是小端CPU，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。FF000000000000FF大地址小地址小端大端理解程序的行為須有“系統(tǒng)思維”程序執(zhí)行結(jié)果不僅取決于算法、程序的編寫(xiě)（編程語(yǔ)言）

而且取決于語(yǔ)言處理系統(tǒng)操作系統(tǒng)ISA微體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換

這一點(diǎn)認(rèn)識(shí)是經(jīng)過(guò)了20多年的不斷摸索才明白的！對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程1989-2002年講授“組原”課程，用過(guò)若干本教材，每個(gè)內(nèi)容作為孤立的點(diǎn)講授，不知道該課程內(nèi)容有何用，學(xué)生不喜歡（老師發(fā)了一本“天書(shū)”，學(xué)生原話），很苦惱2003年赴英UMIT（先合并到曼大）交流，發(fā)現(xiàn)情況一樣（看來(lái)這門(mén)課只能這么教）期間，遠(yuǎn)程登錄到UCB的CS61C，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算與高級(jí)語(yǔ)言的變量有關(guān)，Cache和程序中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)有關(guān)（看來(lái)這門(mén)課還有些用處）2004-2007年采用P&H《ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface》和傳統(tǒng)教材（另一個(gè)班）同時(shí)上，考試統(tǒng)一為傳統(tǒng)教材，效果很差2007-2008年采用P&H《ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface》，同時(shí)改革實(shí)驗(yàn)方式和內(nèi)容：FPGA+CPU設(shè)計(jì)，效果很好改革后第一年（06級(jí)學(xué)生）就完成了MIPS32五級(jí)流水線CPU規(guī)劃自編一套教材：組原、數(shù)邏實(shí)驗(yàn)教材、組原實(shí)驗(yàn)教材等SKIP課程實(shí)驗(yàn)大作業(yè)代表作品06級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)的MIPS32頂層結(jié)構(gòu)圖07級(jí)學(xué)生在此基礎(chǔ)上又加入了PS2接口和VGA接口統(tǒng)一編址方式課程實(shí)驗(yàn)大作業(yè)代表作品06級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)的MIPS32處理器（除浮點(diǎn)和除法指令外的所有指令）精確中斷、軟件查詢(xún)方式；延遲槽為1BACK對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程2009-2012年采用自編教材《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，F(xiàn)PGA+CPU設(shè)計(jì)2009年立項(xiàng)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程群建設(shè)項(xiàng)目

數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等成立課程群建設(shè)小組，

經(jīng)費(fèi)35萬(wàn)，用于培訓(xùn)老師和研究生助教費(fèi)編譯原理實(shí)驗(yàn)結(jié)合MIPS指令系統(tǒng)增加了后端設(shè)計(jì),并部分課程局部改革不僅僅在偏硬件課程群，而是認(rèn)識(shí)到需要軟硬件融合、分流培養(yǎng)YalePatt以及教材《IntroductiontoComputingSystemsfromBitsandGatestoCandBeyond》RandalBryant以及教材《ComputerSystems:AProgrammer’sPerspective》美國(guó)一流大學(xué)的課程體系CS2013和CE2016規(guī)范的指導(dǎo)2013年開(kāi)始（分方向培養(yǎng)，強(qiáng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)）結(jié)論：強(qiáng)化系統(tǒng)（軟硬件融合）、分流培養(yǎng)對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程YalePatt在密西根大學(xué)時(shí)教組原課時(shí)，也按傳統(tǒng)的內(nèi)容，就硬件講硬件，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不喜歡深入調(diào)研后認(rèn)識(shí)到：要改變教學(xué)內(nèi)容，要把硬件和軟件結(jié)合起來(lái)講解，使學(xué)生具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念于是，編寫(xiě)并出版了：《IntroductiontoComputingSystems

fromBitsandGatestoCandBeyond》

描述了一個(gè)“小而完整”的系統(tǒng)書(shū)中描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)抽象層他在UTAustin一直開(kāi)設(shè)該課程（報(bào)告）

“Javaisnothing!”

算法功能部件/寄存器傳送級(jí)

應(yīng)用問(wèn)題指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)操作系統(tǒng)/虛擬機(jī)微體系結(jié)構(gòu)器件編程(語(yǔ)言處理系統(tǒng))電路BACK對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程YalePatt:曾任美國(guó)密歇根大學(xué)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室主任多年，鑒于他在計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中的貢獻(xiàn)及對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的深刻理解和傾心投入，被IEEESpectrum評(píng)為美國(guó)計(jì)算機(jī)界的卓越泰斗（與《計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)藝術(shù)》的作者，圖靈獎(jiǎng)獲得者DonaldKnuth齊名，全球只有他們倆人享此殊榮），在美國(guó)乃至世界計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有著廣泛的影響力。多年來(lái)，從計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程院系的教學(xué)實(shí)踐中，我們認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程體系中缺少幫助本科生建立軟件與硬件聯(lián)系的課程，使得他們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一些非常重要的基本概念缺乏深入理解。例如，學(xué)生們無(wú)法清楚地解釋指針變量的硬件實(shí)現(xiàn)；而棧、遞歸概念更像是在“變魔術(shù)”，難以理解。BACK對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程（來(lái)自CMUSCS的R.E.Bryant院長(zhǎng)）深有感觸CarnegieMellonRolewithinCS/ECECurriculumCS410OperatingSystemsCS411CompilersProcessesMem.MgmtCS441NetworksNetworkProtocolsECE447ArchitectureECE349EmbeddedSystemsCS412OSPracticumCS122ImperativeProgrammingCS415DatabasesDataReps.MemoryModelECE340DigitalComputationMachineCodeArithmeticECE348EmbeddedSystemEng.FoundationofComputerSystems

Underlyingprinciplesforhardware,

software,andnetworkingExecutionModelMemorySystem213ECE545/549Capstone來(lái)源：CMUCS213對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程BACK對(duì)系統(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程CS2013（計(jì)算機(jī)科學(xué)）對(duì)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述：[16corehours]計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員不應(yīng)該將計(jì)算機(jī)看成是一個(gè)執(zhí)行程序的不可思議的黑箱子?；赟F（系統(tǒng)基礎(chǔ)）的AR的目標(biāo)是對(duì)支撐各種計(jì)算的硬件環(huán)境以及與高層軟件之間的接口的深刻理解。學(xué)生應(yīng)該獲得對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能部件及其特征、性能、接口，特別是對(duì)為提高性能在現(xiàn)在或?qū)?lái)所采用的各種并行技術(shù)的深刻理解。為了使學(xué)生能夠開(kāi)發(fā)出更高性能的程序，學(xué)生應(yīng)該能從程序員的角度理解并行和延遲，因而學(xué)生必須理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在選擇所使用的一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生應(yīng)該能夠理解如何對(duì)各種部件的特性（如CPU時(shí)鐘速度、CPI、存儲(chǔ)器容量、平均訪存時(shí)間等）進(jìn)行權(quán)衡。加入了分布和并行計(jì)算、信息安全、系統(tǒng)基礎(chǔ)、基于平臺(tái)的編程系統(tǒng)基礎(chǔ)將跨系統(tǒng)地綜合介紹緩存、延時(shí)、并行等核心概念，涉及操作系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)能力培養(yǎng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程CE2016（計(jì)算機(jī)工程）對(duì)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述：[60corehours]第67頁(yè)Theknowledgeunitsinthisareacollectivelyencompassthefollowing:1.Historyofcomputerarchitecture,organization,anditsroleincomputerengineering.2.Standardsanddesigntoolsusedincomputerarchitectureandorganization.3.Instructionsetarchitectures,includingmachineandassemblylevelrepresentationsandassemblylanguageprogramming.4.Computerperformancemeasurement,includingperformancemetricsandbenchmarksandtheirstrengthsandweaknesses.5.Numberrepresentationandarithmeticalgorithmsformanipulatingnumbersinvariousnumbersystems.6.Computerprocessororganizationandtradeoffs,includingdatapath,controlunit,andperformanceenhancements.7.Memorytechnologiesandmemorysystemsdesign,includingmainmemory,cachememory,andvirtualmemory.8.Input/outputsystemtechnologies,systeminterfaces,programmingmethods,andperformanceissues.9.Multi/many-corearchitectures,includinginterconnectionandcontrolstrategies,programmingtechniques,andperformance.10.Distributedsystemarchitectures,levelsofparallelism,anddistributedalgorithmsforvariousarchitectures.BACK主要參考的美國(guó)名校相關(guān)課程網(wǎng)站美國(guó)UCBerkeley大學(xué)“MachineStructure”2012年課程網(wǎng)站：/~cs61c/sp12/美國(guó)UCBerkeley大學(xué)“ComponentsandDesignTechniquesforDigitalSystem”2012年課程網(wǎng)站：/~cs150/sp12/美國(guó)UCBerkeley大學(xué)“ComputerArchitectureandEngineering”2012課程網(wǎng)站：/~cs152/sp12/美國(guó)Stanford大學(xué)“ComputerOrganizationandSystems”2012年課程網(wǎng)站：/pg/courses/281000/cs107-spring-2012美國(guó)Stanford大學(xué)“DigitalSystemsII”課程網(wǎng)站：/class/ee108b/美國(guó)Stanford大學(xué)“DigitalSystemsII”課程網(wǎng)站：/class/cs110/美國(guó)CarnegieMellon大學(xué)“IntroductiontoComputerArchitecture”課程網(wǎng)站：/~213/美國(guó)CarnegieMellon大學(xué)“IntroductiontoComputerArchitecture”課程網(wǎng)站：/~ece447/美國(guó)Univ.IllinoisatUrbana-Champaign“ComputerArchitectureII”課程網(wǎng)站：/class/sp11/cs232/美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)“ComputationStructures”課程網(wǎng)站：http://6004.MIT專(zhuān)業(yè)設(shè)置和相關(guān)課程簡(jiǎn)介EECS核心課程是6.004UCBerkeley專(zhuān)業(yè)方向設(shè)置ECE：ElectricalandComputerEngineeringElectronics(OptionI)Communications,NetworksandSystems(OptionII)ComputerSystems(OptionIII)CSE：ComputerScienceandEngineeringComputerScience(OptionIV)Others：flexibleprogramGeneralCourseofStudy(OptionV)EECSHonorsDegreeProgramDoubleMajorsProgramsEECS/MaterialsScienceandEngineeringEECS/NuclearEngineeringBachelorofScience(B.S.)學(xué)位提供一個(gè)major（EECS），分兩個(gè)program（ECE和CSE），此外，還有HonorsProgram和DoubleMajors。每個(gè)Program又可選擇不同的option，分配相應(yīng)的advisor。UC-Berkeley相關(guān)課程設(shè)置EECS152IntroductiontoMicroelectronicCircuits

ComponentsandDesignTechniquesforDigitalSystem

MachineStructures

ComputerArchitectureandEngineering

DataStructures

StructureandInterpretationofComputerPrograms核心課程是CS61CStanford專(zhuān)業(yè)方向設(shè)置Stanford相關(guān)課程介紹

計(jì)算機(jī)工程方向必須選修數(shù)字系統(tǒng)1（數(shù)字邏輯電路）和數(shù)字系統(tǒng)2（計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）Stanford相關(guān)課程介紹SystemTrack

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向必須選修操作系統(tǒng)和編譯或數(shù)字系統(tǒng)2（計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）Stanford相關(guān)課程介紹所有專(zhuān)業(yè)核心課程除程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析外，就是CS107計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)（從程序員角度看計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）和CS110計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理（相當(dāng)于CS2013的SF）CMUSCS的相關(guān)課程介紹一個(gè)CS專(zhuān)業(yè)，提供5個(gè)可選方向?qū)I(yè)核心課如下：SCS所有專(zhuān)業(yè)核心課程主要是程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析與15-213計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論（從程序員角度看計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）CarnegieMellonRolewithinCS/ECECurriculumCS410OperatingSystemsCS411CompilersProcessesMem.MgmtCS441NetworksNetworkProtocolsECE447ArchitectureECE349EmbeddedSystemsCS412OSPracticumCS122ImperativeProgrammingCS415DatabasesDataReps.MemoryModelECE340DigitalComputationMachineCodeArithmeticECE348EmbeddedSystemEng.FoundationofComputerSystems

Underlyingprinciplesforhardware,

software,andnetworkingExecutionModelMemorySystem213ECE545/549CapstoneCMUSCS的相關(guān)課程介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)涉及到計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方面的內(nèi)容，包括數(shù)字邏輯電路、組成與體系結(jié)構(gòu)、OS和編譯、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。ECE（18）和SCS（15）各自開(kāi)設(shè)一部分課程。美國(guó)一流大學(xué)相關(guān)必修課情況偏硬BottomUp以匯編為中心強(qiáng)調(diào)底層設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)硬件與OS的接口TOPDOWN以不同粒度的并行為線索涉及各個(gè)層次實(shí)驗(yàn)跨度大MIXED強(qiáng)調(diào)從程序員角度看到的底層內(nèi)容重點(diǎn)為C語(yǔ)言的底層支持、程序優(yōu)化、存儲(chǔ)器分配管理，而不介紹底層數(shù)據(jù)通路等的具體實(shí)現(xiàn)MIT6.004USB61CStanfordCS107CMU15-213偏軟總結(jié)：美國(guó)一流大學(xué)相關(guān)課程情況都是EE和CS分別開(kāi)課，互選共享EECS：MIT、UCBerkeleyEE(ECE)/CS：Stanford、CMU都采用分流培養(yǎng)模式MIT：EE、EECS、CS三種學(xué)位（不同學(xué)位還分若干方向）UCB：ECE（E、CNS、CSys）、CSE（CSci）、Mix、HonorStanford：AI、BioCo、CE、Graph、HCI、Info、CSys、Theory、Unspecialized、IndividuallyDesignedCMUSCS：AI、CognitiveModeling、CSys、Graph、Theory偏硬件的方向有：EE、ECE、CE、Csys都有一門(mén)所有專(zhuān)業(yè)必修的介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的入門(mén)課（相當(dāng)于組原？）MIT6.004、UCBCS61C、StanfordCS107、CMUCS213教材有P&P、P&H、B&O，配合K&R強(qiáng)調(diào)C語(yǔ)言數(shù)組和指針、過(guò)程調(diào)用的底層實(shí)現(xiàn)、堆的分配、中斷、異常、…計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的課程（相當(dāng)于組原？）都在EE開(kāi)設(shè)，偏硬件方向?qū)W生必選，Csys以上方向可以不選（教材有P&H、H&H）關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更高級(jí)的內(nèi)容在EECS或Csys及其以上方向開(kāi)設(shè)例如，MIT6.033、StanfordCS110（相當(dāng)于CS2013的SF）

教材：PrinciplesofComputerSystemDesign:AnIntroductionbyJeromeH.SaltzerandM.FransKaashoek（MIT）BACK中美大學(xué)相關(guān)課程教學(xué)情況對(duì)比1.U：EE和CS共享

C：EE和CS各自為陣2.U：先建立系統(tǒng)概念后分流培養(yǎng)

C：沒(méi)有有機(jī)貫穿系統(tǒng)的前導(dǎo)課程，沒(méi)有體現(xiàn)分流U：課程內(nèi)容縱向關(guān)聯(lián)

C：課程內(nèi)容橫切、關(guān)聯(lián)弱U：先系統(tǒng)概念后細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)

C：先數(shù)字電路后組成原理5.U：4-5門(mén)/學(xué)期，學(xué)得深入

C：7-8門(mén)/學(xué)期，精力不足I/OsystemProcessorCompilerOperatingSystemApplication(ex:browser)DigitalDesignCircuitDesignInstructionSetArchitectureDatapath&Control

transistorsMemoryAssembler國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面進(jìn)行改進(jìn)！2013年前相關(guān)課程設(shè)置Intro.toComputerSystem（ICS）HardwareSoftwareApplicationTheory1st2nd3rd4th5th6th7th8thProgrammingFunda.(C/C++)DigitalDesignAdvancedProgrammingDataStructureDSPComputerOrg.&Arch.DatecommunicationOSCompilerJavaImageGraphicsAIParallelcomputingCom.NetworkingDatabaseEmbeddingSys.Networkingprog.……………………LinuxHadoop&MapReduceIA32&I/O2013年前采用的改進(jìn)模式AlgorithmGates/Register-Transfer

Level

Application(Problem)Instruction

Set

Architecture(ISA)OperatingSystem/VirtualMachinesMicroArchitectureDevicesProgramming(Language)CircuitsAbstractionLayersofCSUser’sView(ICS)generalpictureofCSProgrammer’sView(PF&AP)HLL&PG.LogicDesigner’sView(DD)BooleanLogic&ComponentsFromTop&BottomtoMiddleFromOutsidetoInsideArchitect’sView(CO&CA)ISA及其與以下內(nèi)容的關(guān)系OS\Compiler\ProgrammingCPUDesign、Performance(OS、Compiler)通過(guò)“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”將系統(tǒng)各個(gè)層次的概念聯(lián)系起來(lái)！學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果演示DE2-70實(shí)驗(yàn)板（DE2實(shí)驗(yàn)板）FPGA芯片處理器+CP0(五級(jí)流水線)超級(jí)終端總線存儲(chǔ)器芯片UART總線接口部件VGA圖形輸出PS-2USBMIPS：俄羅斯方塊游戲(加載在SSRAM芯片)ARM：跳球游戲(加載在SDRAM芯片)程序包括：自檢、初始化后在LCD上顯示一串字符；引導(dǎo)加載程序；轉(zhuǎn)游戲程序執(zhí)行；不同按鍵以不同“中斷”類(lèi)型區(qū)分，由相應(yīng)中斷服務(wù)程序處理。游戲程序用C實(shí)現(xiàn)，gcc編譯后，用程序?qū)lf轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件。OperatingSystemLabs2012:labsbasedonNanosOperatingSystemLabsOperatingSystemLabs編譯原理實(shí)驗(yàn)BACK2013年前課程體系存在的問(wèn)題AlgorithmGates/Register-Transfer

Level

Application(Problem)Instruction

Set

Architecture(ISA)OperatingSystem/VirtualMachinesMicroArchitectureDevicesProgramming(Language)CircuitsAbstractionLayersofCSUser’sView(ICS)generalpictureofCSProgrammer’sView(PF&AP)HLL&PG.LogicDesigner’sView(DD)BooleanLogic&ComponentsArchitect’sView(CO&CA)ISA、relationshipwithOS\Compiler\ProgrammingCPUDesign、Performance(OS、Compiler)問(wèn)題：ICS內(nèi)容太散，系統(tǒng)性不強(qiáng)；CO&CA內(nèi)容多，前導(dǎo)課基礎(chǔ)不夠，學(xué)生難掌握；OS實(shí)驗(yàn)量大而深入，IA-32基礎(chǔ)不夠；編譯技術(shù)（目標(biāo)代碼：MIPS，用SPIM驗(yàn)證），但有關(guān)鏈接器的部分沒(méi)有，而這對(duì)理解VM、機(jī)器代碼的生成等概念重要；未體現(xiàn)分流培養(yǎng)2013版新教學(xué)計(jì)劃框架分流培養(yǎng)：5個(gè)方向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的兩個(gè)重要建設(shè)點(diǎn)與系統(tǒng)能力培養(yǎng)關(guān)聯(lián)密切的課程先系統(tǒng)概述后具體實(shí)現(xiàn)新課：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)改變較大的課程：計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)編譯原理調(diào)整后相關(guān)課程設(shè)置（CSys方向）HardwareSoftwareApplicationTheory1st2nd3rd4th5th6th7th8thProgrammingFunda.(C/C++)DigitalDesignProgrammingFunda.LabDataStructure計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)OSCompilerJavaImageGraphicsAIParallelcomputingCom.NetworkingDatabaseEmbeddingSys.Networkingprog.……………………LinuxComputerArch.Hadoop&MapReduceGPU&CUDAIA32&I/O計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”CSlab課程：對(duì)硬件、匯編器、編譯器、OS進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)CS-lab算法功能部件/寄存器傳送級(jí)

應(yīng)用問(wèn)題指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)操作系統(tǒng)/虛擬機(jī)微體系結(jié)構(gòu)器件編程(語(yǔ)言處理系統(tǒng))電路“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容概要使學(xué)生清楚理解：

計(jì)算機(jī)是如何生成和運(yùn)行可執(zhí)行文件的！重點(diǎn)在高級(jí)語(yǔ)言以下各抽象層C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)層數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示、運(yùn)算語(yǔ)句和過(guò)程調(diào)用的機(jī)器級(jí)表示指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）和匯編層指令系統(tǒng)、機(jī)器代碼、匯編語(yǔ)言微體系結(jié)構(gòu)及硬件層CPU的通用結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)操作系統(tǒng)、編譯和鏈接的部分內(nèi)容“問(wèn)題求解”解決應(yīng)用→算法（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）→編程層課程內(nèi)容概要/*sum.c*/intsum(inta[],unsignedlen){ int i，sum=0; for (i=0;i<=len–1;i++) sum+=a[i]; returnsum;}/*main.c*/intmain(){ int a[1]={100}; ints;s=sum(a,0);printf(“%d”,s);}數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)的運(yùn)算各類(lèi)語(yǔ)句的轉(zhuǎn)換與表示(指令)各類(lèi)復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換表示過(guò)程（函數(shù)）調(diào)用的轉(zhuǎn)換表示鏈接（linker）和加載程序執(zhí)行（存儲(chǔ)器訪問(wèn)）異常和中斷處理輸入輸出(I/O)第二章：數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示和處理數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)的運(yùn)算基本運(yùn)算及其電路

-2147483648<2147483647結(jié)果為false（與事實(shí)不符）C99標(biāo)準(zhǔn)中則是true

inti=-2147483648;

i<2147483647

結(jié)果為trueSum加法器nnnAZFCinCout4Bn01MUXSubBOF整數(shù)加/減運(yùn)算部件SFCFB＇A:100???0B:011???1Sub:1做減法進(jìn)行比較ZF=0CF=0SF=0,OF=1無(wú)符號(hào)整數(shù)帶符號(hào)整數(shù)第三章：程序的轉(zhuǎn)換及機(jī)器級(jí)表示intsum(inta[],unsignedlen){inti，sum=0;for(i=0;i<=len–1;i++) sum+=a[i];returnsum;}sum:….L3:…movl-4(%ebp),%eaxmovl12(%ebp),%edxsubl$1,%edxcmpl%edx,%eaxjbe .L3…IA-32指令系統(tǒng)、x86-64指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介過(guò)程調(diào)用、循環(huán)和選擇結(jié)構(gòu)的機(jī)器級(jí)表示數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合類(lèi)型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)緩沖區(qū)溢出漏洞的產(chǎn)生和防止IA-32中P調(diào)用caller，caller調(diào)用addintadd(intx,inty){ returnx+y;}intcaller(){ int temp1=125; int temp2=80; int sum;sum=add(temp1,temp2); returnsum}棧和棧幀的概念變量的作用域嵌套和遞歸的本質(zhì)第四章：程序的鏈接目標(biāo)文件格式符號(hào)表及符號(hào)解析重定位過(guò)程可執(zhí)行文件的加載可執(zhí)行文件的加載第五章：程序的執(zhí)行指令執(zhí)行過(guò)程CPU的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路基本原理流水線基本原理第六章：層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬地址空間第六章：層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器分層結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器組織Cache、虛擬存儲(chǔ)器、TLB*IA-32/Linux中的地址轉(zhuǎn)換：分段（GDT/LDT/IDT）+分頁(yè)CPUTLBCacheMainMemoryVAPAmiss3hit3頁(yè)表hit1miss1miss2Pagefaulthit2“movl(%ebx,%eax,4),%esi”操作數(shù)訪存過(guò)程

第七章：異?？刂屏鱥ntsum(inta[],unsignedlen){ int i，sum=0; for (i=0;i<=len–1;i++)

sum+=a[i]; returnsum;}當(dāng)參數(shù)len為0時(shí)，返回值應(yīng)該是0，但是在機(jī)器上執(zhí)行時(shí)，卻發(fā)生訪存異常。但當(dāng)len為int型時(shí)則正常Why?a[0]用戶(hù)進(jìn)程O(píng)S頁(yè)故障處理程序頁(yè)故障訪問(wèn)越權(quán)

發(fā)SIGSEGV信號(hào)給用戶(hù)進(jìn)程

……movl(%ebx,%eax,4)………a[i]：(%ebx,%eax,4)LA=0x0040xxxx&a[0]

→%ebxi→

%eax進(jìn)程的邏輯控制流進(jìn)程的上下文切換進(jìn)程的私有地址空間程序的加載和運(yùn)行異常和中斷的響應(yīng)過(guò)程IA-32/Linux的異常/中斷處理IA-32/Linux的系統(tǒng)調(diào)用第八章：I/O操作的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)空間I/O軟件I/O庫(kù)函數(shù)、文件的基本概念、系統(tǒng)級(jí)I/O函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用（自陷）內(nèi)核空間I/O軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序I/O硬件與I/O軟件的接口：I/O設(shè)備及其控制器、I/O端口、I/O控制方式stdout和stderr的差別猜一下在Linux中以下程序輸出什么？#include<stdio.h>

int

main()

{

fprintf(stdout,

“hello");

fprintf(stderr,

“world!");

return

0;

}

輸出結(jié)果為：world!hello#include<stdio.h>

int

main()

{

fprintf(stdout,

“hello");

fprintf(stderr,

“world!\n");

return

0;

}

輸出結(jié)果為：world!hello#include<stdio.h>

int

main()

{

fprintf(stdout,

“hello\n");

fprintf(stderr,

“world!");

return

0;

}

輸出結(jié)果為：helloworld!stdout和stderr都用于標(biāo)準(zhǔn)輸出，但是，stderr為_(kāi)WRITE|_UNBUFstdout為_(kāi)WRITE有緩沖：遇到換行符\n或緩沖滿（BUFSIZE=1024）才寫(xiě)文件！舉例：文件復(fù)制功能的實(shí)現(xiàn)/*方式一:getc/putc版本*/voidfilecopy(FILE*infp,FILE*outfp){ intc; while((c=getc(infp))!=EOF) putc(c,outfp);}/*方式二:read/write版本*/voidfilecopy(int*infp,int*outfp){ charc; while(read(infp,&c,1)!=0) write(outfp,&c,1);}哪種方式更好？方式一更好！Why？因其系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)少！對(duì)于方式二，若文件長(zhǎng)度為n，則需執(zhí)行2n次系統(tǒng)調(diào)用；對(duì)于方式一，若文件長(zhǎng)度為n，則執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)約為n/512。還有其他的實(shí)現(xiàn)方式嗎？使用fread()和fwrite()使用fgetc()和fputc()使用WindowsAPI函數(shù)CopyFile()

為何要盡量減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)？系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)有多大？實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能有多種方式，但開(kāi)銷(xiāo)和性能不同，需要權(quán)衡！相當(dāng)大！SKIP回顧：軟中斷指令int$0x80的執(zhí)行過(guò)程

它是陷阱類(lèi)（編程異常）事件，因此它與異常響應(yīng)過(guò)程一樣。將IDTi（i=128）中段選擇符（0x60）所指GDT中的內(nèi)核代碼段描述符取出，其DPL=0，此時(shí)CPL=3（因?yàn)閕nt$0x80指令在用戶(hù)進(jìn)程中執(zhí)行），因而CPL>DPL且IDTi的DPL=CPL，故未發(fā)生13號(hào)異常。讀TR寄存器，以訪問(wèn)TSS，從TSS中將內(nèi)核棧的段寄存器內(nèi)容和棧指針裝入SS和ESP；依次將執(zhí)行完指令int$0x80時(shí)的SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP的內(nèi)容（即斷點(diǎn)和程序狀態(tài)）保存到內(nèi)核棧中，即當(dāng)前SS∶ESP所指之處；將IDTi（i=128）中段選擇符（0x60）裝入CS，偏移地址裝入EIP。這里，CS:EIP即是系統(tǒng)調(diào)用處理程序system_call（所有系統(tǒng)調(diào)用的入口程序）第一條指令的邏輯地址。執(zhí)行int$0x80需一連串的一致性和安全性檢查，因而速度較慢。從PentiumII開(kāi)始，Intel引入了指令sysenter和sysexit，分別用于從用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)、從用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的快速切換。BACK課程開(kāi)設(shè)情況教學(xué)對(duì)象大二（上）、全體學(xué)生前導(dǎo)課程程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯電路學(xué)時(shí)數(shù)18周x5學(xué)時(shí)/周教學(xué)形式大班(3學(xué)時(shí)/周)，小班（2學(xué)時(shí)/周，50人左右）教學(xué)計(jì)劃完成情況除第5章（程序的執(zhí)行）以外的所有內(nèi)容南大課程網(wǎng)站/ics/index.php/Ics:Main_page

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)施情況實(shí)驗(yàn)類(lèi)型Homework小規(guī)模編程練習(xí)、運(yùn)行結(jié)果分析Lab

數(shù)據(jù)表示（位操作）、二進(jìn)制炸彈、緩沖區(qū)溢出、逆向工程Project一個(gè)小型項(xiàng)目(ProgrammingAssignment,PA)實(shí)現(xiàn)功能完備但簡(jiǎn)化的x86模擬器NEMU及一個(gè)簡(jiǎn)易調(diào)試器

涵蓋教材中約95%的內(nèi)容（動(dòng)態(tài)鏈接在Lab中）

覺(jué)得自己上課聽(tīng)懂了？做做PA就知道了！http://nju-ics.gitbooks.io/ics2015-programming-assignment/content/實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與工具IA-32+GNU/Linux+gcc+C其它工具:gdb,make,gitProject（PA）的主要內(nèi)容PA實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)施情況監(jiān)控程序/小內(nèi)核+x86模擬器（保護(hù)模式）TimerI8259PICSerialportIDEMemoryEXUIFURegisterFileControllerCachemainCPUmemorymanagementSimplifieddebuggerIDUMMUKeyboardVGAdeviceCommondataflowInterruptPortI/OMemorymappedI/ODebuginformationPA1PA2PA3PA4acomputersystemProject（PA）的主要內(nèi)容簡(jiǎn)易調(diào)試器（PA1）單步執(zhí)行,打印寄存器/內(nèi)存,斷點(diǎn),表達(dá)式求值,監(jiān)視點(diǎn)CPU核心、簡(jiǎn)易調(diào)試器高級(jí)功能（PA2）支持x86保護(hù)模式下大部分常用指令（不支持x87指令）符號(hào)表,調(diào)用函數(shù)鏈、ELF格式和加載存儲(chǔ)管理（PA3）MMU：分段(GDT/LDT),分頁(yè),TLB（不支持保護(hù)機(jī)制）兩級(jí)聯(lián)合cache（L1、L2）DRAM（包含rowbuffer和burst的物理特性）中斷/異常/I/O（PA4)IA-32中斷機(jī)制(IDT)（不支持保護(hù)機(jī)制）時(shí)鐘,鍵盤(pán),VGA,串口,IDE,i8259PIC的簡(jiǎn)單模擬獨(dú)立編址I/O,內(nèi)存映射I/O（VGA）文件操作、系統(tǒng)調(diào)用（write）、鍵盤(pán)中斷模擬器實(shí)現(xiàn)的功能幾乎涵蓋“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”教材中的所有內(nèi)容例如，定點(diǎn)加減指令需考慮所有情況，并生成各標(biāo)志，因而需理解教材中關(guān)于整數(shù)加減運(yùn)算公式的含義。PA4會(huì)結(jié)合kernel進(jìn)行一個(gè)單核單任務(wù)微型操作系統(tǒng)內(nèi)核ELF32加載器1個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)(IDE)分頁(yè)存儲(chǔ)管理6個(gè)系統(tǒng)調(diào)用open,read,write,lseek,close,brk簡(jiǎn)易文件系統(tǒng)文件數(shù)量和文件大小皆固定,沒(méi)有目錄通過(guò)軟(kernel)和硬(NEMU)的結(jié)合來(lái)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Project（PA）的主要內(nèi)容簡(jiǎn)易調(diào)試器（PA1）學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果CPU核心（PA2）學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)管理（PA3）學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中斷/異常/I/O（PA4)執(zhí)行hello程序，顯示“Helloworld!”學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中斷/異常/I/O（PA4)移植打字小游戲?qū)W生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中斷/異常/I/O（PA4)移植仙劍奇?zhèn)b傳學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果PA實(shí)驗(yàn)（第一版）規(guī)模

預(yù)計(jì)耗時(shí)/小時(shí) 代碼量/行PA0–開(kāi)發(fā)環(huán)境配置 20 無(wú)PA1–簡(jiǎn)易調(diào)試器 50 500+PA2–指令系統(tǒng) 60 4000+PA3–存儲(chǔ)管理 50 500+PA4–中斷與I/O 30 300+PA1實(shí)驗(yàn)的反饋課程教學(xué)的反饋第一屆PA成績(jī)學(xué)生實(shí)際所用時(shí)間可能比預(yù)計(jì)耗時(shí)還要多得多。困難來(lái)自：對(duì)Linux+GCC+gdb編程環(huán)境不熟悉大規(guī)模程序設(shè)計(jì)和調(diào)試等能力不足二（上）課業(yè)太重，沒(méi)時(shí)間消化課程內(nèi)容ICS課程對(duì)PA實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)不夠加基礎(chǔ)框架達(dá)7000多行體會(huì)、困惑和反思比較有效的做法理論結(jié)合實(shí)例前后內(nèi)容關(guān)聯(lián)多用圖解釋概念多用匯編講高級(jí)語(yǔ)言程序小班化教學(xué)，多互動(dòng)先問(wèn)問(wèn)題，再給出答案并討論多進(jìn)行隨堂小測(cè)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生查資料、多動(dòng)手不要學(xué)生死記硬背，強(qiáng)調(diào)理解開(kāi)卷考試?yán)Щ髮W(xué)生受應(yīng)試教育毒害之深，遠(yuǎn)超想象學(xué)生的兩級(jí)分化，越來(lái)越嚴(yán)重反思：一門(mén)課解決不了所有問(wèn)題，需要相關(guān)課程一起協(xié)作用大量例子，不斷讓學(xué)生體會(huì)高級(jí)語(yǔ)言、編譯器、操作系統(tǒng)、ISA以及微架構(gòu)之間的關(guān)系?！癐CS（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程）為目前來(lái)看最不水的專(zhuān)業(yè)課，沒(méi)有之一”“真的學(xué)到了非常多的東西，比如Linux系統(tǒng)/Vim/Git的基本使用方法、Makefile文件的編寫(xiě)、基本的匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)原理、基本的操作系統(tǒng)知識(shí)，以及如何RTFM和RTFSC等等等等。程序設(shè)計(jì)的本領(lǐng)也得到了充足的鍛煉?！?/p>

PA實(shí)驗(yàn)（第二版）規(guī)模第二屆PA成績(jī)學(xué)生反饋1學(xué)生反饋2第一屆（2013級(jí)）平均分:23.07/40完成PA3的僅有29人第二屆（不包括PA4）平均分:27.60/34.6完成PA3的有96人在一（下）增加了“程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程（2013級(jí)學(xué)生沒(méi)開(kāi)設(shè)）用時(shí)反饋開(kāi)設(shè)課程建議（1）對(duì)于軟件工程等不需要深入掌握底層硬件細(xì)節(jié)的專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)一學(xué)年“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程第一學(xué)期：附錄A和第1~4章第二學(xué)期：第5~8章每學(xué)期的總學(xué)時(shí)數(shù)為60左右無(wú)需開(kāi)設(shè)以下課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論”“數(shù)字邏輯電路”、“匯編程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”好處強(qiáng)化了系統(tǒng)能力培養(yǎng)縮減了大量課時(shí)使用本教材開(kāi)設(shè)的課程建議（2）對(duì)于計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等偏系統(tǒng)或硬件的專(zhuān)業(yè)方案一（國(guó)外大學(xué)）先開(kāi)設(shè)該課程（80～100學(xué)時(shí)）再開(kāi)設(shè)一門(mén)將“數(shù)字邏輯電路”和“計(jì)算機(jī)組成”合并的課程，介紹數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案二（南大）先開(kāi)設(shè)數(shù)字邏輯電路再開(kāi)設(shè)該課程（80～100學(xué)時(shí)）

（包含IA-32的存儲(chǔ)管理，為OS實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)）然后開(kāi)設(shè)“計(jì)算機(jī)組成及設(shè)計(jì)”課程使用本教材開(kāi)設(shè)的課程建議（3）其他方案學(xué)時(shí)受限情況下，可選擇一些基本內(nèi)容進(jìn)行講授建議開(kāi)設(shè)為一學(xué)期課程，總學(xué)時(shí)在60~100左右

帶*號(hào)內(nèi)容不講可能的組合方案第1、2、3章，（附錄A）第1、2、3、5章，（附錄A）第1、2、3、4、5章，（附錄A）第1、2、3、5、6章，（附錄A）第1、2、5、6章，（附錄A）第1、2、3、6、7章，（附錄A）第1、2、3、6、7、8章，（附錄A）“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程推廣工作MOOC課程在Coursera平臺(tái)上開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（一）程序的表示、轉(zhuǎn)換和鏈接圍繞“可執(zhí)行文件的生成”來(lái)介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（二）程序的執(zhí)行、異常和I/O處理圍繞“可執(zhí)行文件的執(zhí)行”來(lái)介紹其他多個(gè)平臺(tái)都將陸續(xù)開(kāi)設(shè)教學(xué)研討班2013（黃山）、2014（成都）、2015（大連）出版社組織的短期教學(xué)研討班隨堂聽(tīng)課并研討教學(xué)研討會(huì)報(bào)告“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”課程建設(shè)目標(biāo)提高對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)強(qiáng)化計(jì)算機(jī)整機(jī)