計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的實驗設(shè)計與分析

汪 亮，袁春風(fēng)，蘇 豐，唐 杰，路 通，陶先平

（南京大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)與軟件工程實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210023）

0 引 言

隨著后PC時代的到來，對于計算機行業(yè)相關(guān)人員的需求也從頂層軟件開發(fā)人員轉(zhuǎn)向需要更全面系統(tǒng)知識的系統(tǒng)性人才，而傳統(tǒng)的培養(yǎng)體系在這方面仍存在不足[1]。在此大背景下，對于在高校中開展計算機系統(tǒng)教育的需求也顯得愈發(fā)迫切，涌現(xiàn)出了一系列相關(guān)的教學(xué)研究工作[1-12]。其中，計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)作為整個課程體系中的入門課，在整個課程鏈中起到重要的引領(lǐng)性作用。作為一門面向?qū)嶋H系統(tǒng)的課程，要引導(dǎo)學(xué)生將理論和實際相結(jié)合深入理解計算機系統(tǒng)，一個有效的方法就是通過實驗手段來實踐所學(xué)到的知識。因此，實驗在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)教育中占有重要地位。

作為一門面向整個計算機系統(tǒng)的實驗課程，如何在有限的教學(xué)時間、可控的學(xué)生精力投入范圍內(nèi)做到既重點突出又體現(xiàn)系統(tǒng)性和完整性，是實驗設(shè)計和教學(xué)過程中面臨的主要挑戰(zhàn)?？v觀現(xiàn)有計算機系統(tǒng)實驗課程設(shè)計方案，比較典型的是卡耐基梅隆大學(xué)所設(shè)計的Lab實驗方案[13]。該方案通過9個獨立的小實驗，重點突出了對學(xué)生數(shù)據(jù)操作、機器指令理解、體系結(jié)構(gòu)等方面的鍛煉。然而該實驗方案在體現(xiàn)系統(tǒng)的完整性方面仍存在不足，對于引導(dǎo)學(xué)生全面系統(tǒng)地理解程序從生成、載入到執(zhí)行各個階段所涉及的具體內(nèi)容無法做到無縫銜接。

1 相關(guān)工作

計算機系統(tǒng)實驗的相關(guān)設(shè)計方案可大致分為面向硬件的實驗設(shè)計和面向程序的實驗設(shè)計兩類。面向硬件的實驗設(shè)計方案中較為典型的是采用FPGA作為實驗平臺，通過構(gòu)建以類MIPS指令集CPU為核心的計算機系統(tǒng)，來引導(dǎo)學(xué)生通過實驗掌握計算機系統(tǒng)的各個組成成分，實踐相關(guān)的理論知識[14-15]。這一類面向硬件的實驗設(shè)計方案有利于引導(dǎo)學(xué)生從底層細節(jié)入手深入把握計算機系統(tǒng)的各個部件設(shè)計與實現(xiàn)原理，在實踐過程中取得了很好的教學(xué)效果。然而此類面向硬件的實驗設(shè)計方案對學(xué)生前期知識的掌握要求較高。本文所關(guān)注的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程是系統(tǒng)方向的入門課程，其授課時間為本科二年級第一學(xué)期，作為一門平臺課向所有信息類的學(xué)生開設(shè)。因此，學(xué)生在計算機相關(guān)知識的掌握和動手能力方面尚需培養(yǎng)。同時，由于面向硬件的實驗設(shè)計方案受其實現(xiàn)難度的限制，能夠覆蓋的主題數(shù)量和深度有限，在實驗的針對性和系統(tǒng)性之間需要進行仔細權(quán)衡。

與我們的工作同屬一類的典型實驗設(shè)計方案是卡耐基梅隆大學(xué)所設(shè)計的Lab實驗方案[13]。該方案的9個小實驗中，包括數(shù)據(jù)實驗、二進制炸彈、緩沖區(qū)溢出和cache實驗都是面向程序執(zhí)行的，針對性較強。該實驗方案的優(yōu)勢在于通過一系列獨立的小實驗，有針對性地引導(dǎo)學(xué)生深入實踐相關(guān)課題。然而其不足之處在于，對于完整的計算機系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性的實驗，從而導(dǎo)致各主題之間的關(guān)聯(lián)不緊密，無法做到程序從生成、裝載、執(zhí)行和輸入輸出在內(nèi)完整過程的無縫銜接。

在以上相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，本文提出了一種面向程序的計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗設(shè)計方案，即PA實驗。該實驗方案以構(gòu)建完整的計算機模擬器為主線，通過各個階段的逐步展開，以連續(xù)、系統(tǒng)的方式，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)創(chuàng)造良好的配套實驗過程。

2 PA實驗的設(shè)計原則

（1）實驗設(shè)計的系統(tǒng)性和簡潔性。實驗的各個階段應(yīng)當(dāng)主題突出，同時緊密結(jié)合構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)；實驗框架應(yīng)盡可能簡潔，屏蔽無關(guān)細節(jié)并采用簡單、直接、易懂的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

（2）與理論課程的同步配合。與理論課講授內(nèi)容和次序的同步配合也是設(shè)計課程實驗時必須重點考慮的問題。

（3）對于項目開發(fā)的實踐教育。計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗體現(xiàn)為一個小規(guī)模的軟件項目。對于學(xué)生而言，在實驗的過程中掌握項目管理、開發(fā)和測試相關(guān)的技術(shù)，也是在設(shè)計實驗時需要體現(xiàn)的內(nèi)容。

（4）與后續(xù)課程的銜接。計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)作為整個系統(tǒng)培養(yǎng)課程體系中的一環(huán)，其配套的實驗也應(yīng)該兼顧與后續(xù)課程及其實驗的銜接。

3 PA實驗設(shè)計

3.1 PA實驗設(shè)計

3.1.1 實驗總覽

PA實驗的整體目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)建一個簡化的x86模擬器并實現(xiàn)相應(yīng)的上層軟件，從而實現(xiàn)對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)相關(guān)知識的系統(tǒng)性實踐教育。圖1展示了PA的整體架構(gòu)。PA項目主要由NEMU（NJU Emulator）、Kernel、用戶程序以及內(nèi)嵌于NEMU中的Monitor四大組件構(gòu)成。其中，實驗的核心內(nèi)容圍繞NEMU展開，可大致分為針對CPU功能、存儲管理、異?？刂屏?、I/O外設(shè)的模擬四大部分。Kernel為一個精簡的操作系統(tǒng)，主要提供包括程序裝載、虛存管理、系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理相應(yīng)的功能。在Kernel的支撐之上，PA能夠運行各類測試用例以及樣例游戲程序。

圖1 PA整體架構(gòu)圖

PA作為一個x86指令集體系結(jié)構(gòu)的軟件模擬器，在運行時表現(xiàn)為一個用戶程序。通過模擬實現(xiàn)x86系統(tǒng)的各條指令，實現(xiàn)運行x86程序的功能。PA由C語言編寫，其目標(biāo)平臺為32位i386平臺，目標(biāo)操作系統(tǒng)位GNU/Linux系統(tǒng)。圖2展示了PA實驗運行時的系統(tǒng)棧。

本課程選用的教材為袁春風(fēng)老師的《計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)》。PA實驗與理論課的講授次序緊密配合，分4個階段：①數(shù)據(jù)的表示、存取和運算；②指令的譯碼和執(zhí)行；③存儲管理；④異?？刂屏骱虸/O。

圖2 PA運行時系統(tǒng)棧

3.1.2 PA 1：數(shù)據(jù)的表示、存取和運算

以數(shù)據(jù)的表示、存取和運算為切入點，介紹計算機系統(tǒng)中整數(shù)和浮點數(shù)這兩種重要類型數(shù)據(jù)的表示和運算規(guī)則。配合理論課第二章的內(nèi)容，無符號整數(shù)采用原碼表示，帶符號整數(shù)采用補碼表示，浮點數(shù)采用IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)表示的基礎(chǔ)上，通過實現(xiàn)ALU和FPU的運算功能，引導(dǎo)學(xué)生熟悉掌握數(shù)據(jù)在計算機中的表示和運算方式；通過設(shè)置EFLAGS標(biāo)志位的練習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生掌握整數(shù)運算中可能出現(xiàn)的各種情況。

IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較多，學(xué)生不容易理解和掌握。PA通過實現(xiàn)軟件模擬浮點數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生動手實現(xiàn)包括對階、規(guī)格化、舍入等運算操作，幫助學(xué)生深入理解掌握浮點數(shù)的表示和運算規(guī)則。通過閱讀和編寫代碼，生動地理解包括浮點數(shù)階碼溢出、邊界值的處理、精度問題等單憑理論課講授難以切實體會的內(nèi)容。

在數(shù)據(jù)表示和運算的基礎(chǔ)上，PA 1自然引出計算機存儲數(shù)據(jù)的需求，進而介紹寄存器和主存這兩大數(shù)據(jù)存儲部件，引導(dǎo)學(xué)生理解其結(jié)構(gòu)和對外提供的存取接口。

3.1.3 PA 2：指令的譯碼和執(zhí)行

強調(diào)計算機執(zhí)行程序的能力。配合理論課第三章的內(nèi)容，介紹x86指令的譯碼和執(zhí)行相關(guān)內(nèi)容。在本階段，我們只關(guān)心指令的順序執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)，不涉及異?？刂屏鞯膱?zhí)行。

該階段首先從宏觀角度介紹指令執(zhí)行的一般過程，通過一個while循環(huán)語句，指導(dǎo)學(xué)生理解指令循環(huán)的實際含義。在譯碼階段，通過函數(shù)指針數(shù)組模擬操作碼譯碼功能；通過實現(xiàn)包括ModR/M、SIB、立即數(shù)、寄存器和內(nèi)存地址尋址等具體的功能性代碼，引導(dǎo)學(xué)生深入理解指令操作數(shù)的編碼方式和各類操作數(shù)尋址方式；通過實現(xiàn)不同指令的實現(xiàn)函數(shù)，幫助學(xué)生深入理解并掌握指令功能及其必要的實現(xiàn)細節(jié)。

在PA的框架代碼中通過提供大量的測試用例來幫助發(fā)現(xiàn)指令實現(xiàn)中可能存在的bug。從測試用例程序的裝載方式來分，PA 2又可以分為兩個小階段。第一個小階段中測試用例程序通過內(nèi)存鏡像直接拷貝的方式來加載；第二小階段則引入Kernel，要求實現(xiàn)ELF文件的解析來裝載測試用例程序的代碼和數(shù)據(jù)段。其中第二小階段配合理論課的授課進度，從測試用例從硬盤文件裝載到模擬內(nèi)存這一需求出發(fā)，自然從第三章過渡到第四章的內(nèi)容。最后作為一個可選任務(wù)，通過實現(xiàn)程序調(diào)試器的功能，簡要介紹表達式求值方法并實現(xiàn)對符號表的解析，對應(yīng)理論課第四章的內(nèi)容。

3.1.4 PA 3：存儲管理

探討程序執(zhí)行過程中的訪存效率、安全性和并行性，引出理論課第六章的內(nèi)容并展開相應(yīng)的實現(xiàn)。

首先從訪存效率的角度出發(fā)，介紹cache的組織和替換策略。要求學(xué)生通過實現(xiàn)一個簡單的模擬cache，深入理解cache的組織方式、結(jié)構(gòu)和替換算法的實現(xiàn)方式；通過引入模擬時鐘，來引導(dǎo)學(xué)生通過實際運行體會cache的增加對于執(zhí)行效率的影響，體會訪存局部性原理。第二，從存儲保護的角度，來引出x86的保護模式和分段機制。通過實現(xiàn)CR0寄存器和lgdt等指令，深入理解機器從實模式到保護模式的切換過程；通過實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換函數(shù)，理解段表的構(gòu)造和從邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換過程。最后，從支持程序并行執(zhí)行的角度，引入虛擬地址空間的概念，通過在Kernel中實現(xiàn)對頁表的初始化和管理，并在NEMU中增加從線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程，引導(dǎo)學(xué)生理解機器和操作系統(tǒng)如何配合完成存儲管理的功能。

3.1.5 PA 4：異?？刂屏骱虸/O

以時鐘中斷為切入點，要求學(xué)生實現(xiàn)包括int在內(nèi)的相關(guān)指令以及操作系統(tǒng)的中斷描述符表和處理函數(shù)，深入掌握從硬件到操作系統(tǒng)配合響應(yīng)異常和中斷的過程。

在基本的異常和中斷響應(yīng)功能的基礎(chǔ)上，通過提供相應(yīng)的設(shè)備模擬代碼并要求學(xué)生實現(xiàn)包括端口映射的I/O和內(nèi)存映射的I/O這兩種I/O方式，幫助學(xué)生構(gòu)建一臺具備基本I/O功能的計算機，完成按鍵響應(yīng)等基本功能，深入理解I/O的基本原理。

在基本測試用例以外，PA還提供了包括打字小游戲和仙劍奇?zhèn)b傳在內(nèi)的兩款小游戲作為最后的測試用例，使得學(xué)生在理解計算機運行程序基本原理的基礎(chǔ)上獲得較高的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

第四階段的內(nèi)容對應(yīng)理論課的第七和第八兩章的內(nèi)容。

3.1.6 與理論課的同步配合

綜上所述，整個計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)PA實驗的設(shè)計涵蓋了計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程所涉及的絕大部分理論內(nèi)容。通過構(gòu)建一個完整的模擬計算機系統(tǒng)，在幫助學(xué)生掌握各項知識的同時，由簡單到復(fù)雜，階段性、系統(tǒng)性地完成一個功能相對完備的機器，兼顧了對獨立知識點和整體系統(tǒng)性這兩個方面的訓(xùn)練。整個實驗過程緊扣理論課各個章節(jié)的授課次序，能夠做到與理論課的同步配合，在可控的學(xué)習(xí)負荷的情況下，做到實驗與理論的互相促進和增強效果。表1梳理了PA實驗各階段和理論課的同步對應(yīng)情況。

表1 PA各實驗階段與計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)理論課的對應(yīng)關(guān)系

3.2 項目管理、測試與調(diào)試訓(xùn)練

作為一個小規(guī)模的軟件項目，PA實驗采用git來進行項目版本管理。通過實際的操作，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)版本控制的重要性以及掌握git工具的基本使用方式，為未來的項目開發(fā)打下基礎(chǔ)。

為了有效提高所編寫代碼的正確性，PA還引入了大量的測試方法并鼓勵學(xué)生編寫測試用例。在PA 1的過程中，展現(xiàn)了所實現(xiàn)程序和內(nèi)聯(lián)匯編執(zhí)行結(jié)果的交叉驗證技術(shù)，屬于將實現(xiàn)代碼與一個“黃金版本”進行比較的測試方式。在后續(xù)的實驗過程中，則通過構(gòu)建測試I/O形式的測試用例方式，來測試代碼中可能包含的bug。通過展現(xiàn)兩種不同的測試技術(shù)，并強調(diào)單元測試的重要性，來引導(dǎo)學(xué)生了解測試的方法；通過讓學(xué)生在實現(xiàn)過程中因為測試不充分而導(dǎo)致的各種程序bug，來生動展現(xiàn)測試的重要性。

最后，通過簡要介紹gdb和引入monitor調(diào)試器，來幫助學(xué)生理解使用調(diào)試工具的必要性，掌握程序調(diào)試的基本技巧。

在上述過程中，我們的設(shè)計原則是允許學(xué)生犯錯，并深刻體會到因各種錯誤所導(dǎo)致的程序異常行為，通過付出一定的努力進行測試和調(diào)試，鍛煉相應(yīng)的能力和技巧。

3.3 與后續(xù)課程的銜接

作為計算機系統(tǒng)方向課程鏈中的一個環(huán)節(jié)，計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程是一門重要的入門性的課程，與后續(xù)包括操作系統(tǒng)、編譯原理在內(nèi)的課程具有很強的關(guān)聯(lián)性。在PA實驗的設(shè)計中也體現(xiàn)了這一點。

首先，作為一個功能完整的計算機系統(tǒng)，要實現(xiàn)對用戶程序的執(zhí)行設(shè)計到機器和操作系統(tǒng)的協(xié)作。從PA 2第二小階段開始，實驗引入Kernel并在后續(xù)的實驗中不斷增強Kernel的功能，引導(dǎo)學(xué)生初步理解和掌握操作系統(tǒng)的基本功能和實現(xiàn)方式，為后續(xù)操作系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和實驗打下基礎(chǔ)。

第二，作為PA 2第三階段的一個可選功能，實驗在monitor組件中實現(xiàn)了表達式求值功能，包含了基本的詞法、語法分析功能，為后續(xù)編譯原理的學(xué)習(xí)做鋪墊。

4 教學(xué)實踐結(jié)果分析與討論

我們首先分析歷年來PA的完成情況來獲取學(xué)生對PA實驗的接受程度；以2016學(xué)年秋季學(xué)期的成績數(shù)據(jù)為樣本，通過對比PA實驗成績和期末考試成績，來分析PA實驗與課程成績之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并結(jié)合當(dāng)年期末展開的開放式問卷和訪談的反饋結(jié)果，來直接獲取學(xué)生對于PA實驗有效性的反饋意見。同時，在學(xué)習(xí)負荷方面，由于PA實驗對學(xué)生的動手能力和知識掌握程度都提出了較高的要求，因此通過開放式問卷和訪談的方式，就學(xué)生的學(xué)習(xí)負荷展開了調(diào)研。調(diào)研工作的執(zhí)行時間為2016學(xué)年秋季學(xué)期期末開始，為期約兩周，共收到反饋74份，其中有效反饋67份。

4.1 歷年完成情況統(tǒng)計

在2014年未設(shè)置專門的實驗輔導(dǎo)課的情況下，PA完成情況并不理想，極少有同學(xué)能夠完成整個PA實驗，有部分同學(xué)甚至無法完成第一階段的實驗。自2015年開始設(shè)置專門的輔導(dǎo)課程后，完成情況得到大幅改觀，在2015年和2016年，絕大多數(shù)的同學(xué)都完成到了PA的后期，有許多同學(xué)能夠完成最終階段，從而實現(xiàn)運行小游戲的目標(biāo)。

可以看出，除理論課之外開設(shè)專門的實驗輔導(dǎo)課效果明顯。在有專門輔導(dǎo)的情況下，大多數(shù)同學(xué)通過付出一定的努力，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗所要求的基本任務(wù)。能力較強的學(xué)生可以實現(xiàn)運行游戲等附加任務(wù)。

4.2 PA實驗設(shè)計的有效性

圖3展示了2016年P(guān)A成績和期末考試成績的分布情況，對兩項成績計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)，其結(jié)果為0.76。該結(jié)果顯示PA成績和期末考試成績有較強的正相關(guān)性，反映出PA成績能夠較大程度反應(yīng)學(xué)生對理論知識掌握情況，同時也從側(cè)面反映出PA實驗設(shè)計的有效性。

圖3 2016學(xué)年秋季學(xué)期得分統(tǒng)計

除量化的成績以外，我們還通過開放式調(diào)查問卷和訪談的方式獲得了學(xué)生的相關(guān)反饋。在收到的67份有效反饋中，有43人明確表示PA實驗對計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)有積極意義，9人表示沒有意義，15人未表態(tài)。其中比較典型的反饋包括：

“PA對于理解計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)，真的幫助很大，比做習(xí)題、做lab的幫助都要大的多，不去動手實現(xiàn)，也許我永遠都不會明白一個程序是怎么走完的，訪問地址的流程又是怎樣的。在調(diào)BUG、看匯編代碼時，我才能明白程序的調(diào)用、棧幀的變化等。”

“寫PA的過程極大地加深了我對課本上理論知識的理解和掌握，尤其是：FLOAT部分加深了我對課本第二章的理解， PA2階段二、階段五加深了我對課本第三章和第四章的理解，cache部分加深了我對cache的理解?！?/p>

總體而言，對于PA實驗在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)課程中的作用，絕大多數(shù)同學(xué)持肯定的態(tài)度?；谝陨戏治?，我們認(rèn)為PA實驗的設(shè)計完成了其預(yù)期目標(biāo)，是有效的。同時，通過訪談，我們也意識到PA對于學(xué)生而言是較有挑戰(zhàn)的一個項目，具有較高的學(xué)習(xí)負荷。

4.3 學(xué)生的學(xué)習(xí)負荷

4.3.1 時間負荷

通過授課期間的觀察和訪談結(jié)果，不同學(xué)生在完成PA時所體驗到的時間負荷因人而異。在收到的67份有效反饋中，50人表示PA實驗時間負荷較高，8人表示時間負擔(dān)不重，9人未表態(tài)。其中，最快的學(xué)生在2個月的時間內(nèi)就能夠自主完成PA。對于某些能力較強的同學(xué)而言，PA平均每周花費的時間在5～6小時，短的只有2小時。因此可以說對于這些同學(xué)而言，學(xué)習(xí)的時間負荷不是很高。而對于其他學(xué)生而言，時間負荷是一個不容忽視的因素。在反饋意見中，有部分同學(xué)表示PA占據(jù)了本學(xué)期大多數(shù)時間。

從教學(xué)實踐過程來看，除了平時授課時間以外，經(jīng)常會遇到學(xué)生深夜在線要求答疑的情況，因此如何降低學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的時間負荷，是PA實驗設(shè)計中應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

針對該問題，我們在2017年對PA設(shè)計做了較大的調(diào)整，把部分與課程主線關(guān)聯(lián)不夠緊密的部分獨立為可選任務(wù)，保證了主線任務(wù)的簡潔性，降低學(xué)生在實驗過程中的時間開銷。

4.3.2 認(rèn)知負荷

在PA實驗過程中，認(rèn)知負荷表現(xiàn)為實現(xiàn)各階段實驗?zāi)繕?biāo)所要付出的對理論知識理解以及代碼理解相關(guān)的努力。通過分析調(diào)研反饋發(fā)現(xiàn)，PA實驗的認(rèn)知負荷主要源自兩個方面：第一是與理論課程的時間失配問題；第二是框架代碼本身的復(fù)雜性問題。

針對與理論課的時間失配問題，在收到的67份有效反饋意見中，有24人表示時間失配增加了PA實驗的難度，1人表示時間失配沒有造成困難，其余42人未明確表態(tài)。比較典型的反饋意見是理論課與PA課節(jié)奏不搭、不同老師的授課進度匹配不是很好等。

而針對框架代碼本身的復(fù)雜性問題，43人明確表示框架代碼的編碼復(fù)雜性導(dǎo)致了實驗困難，其余24人未明確表態(tài)，典型的反饋包括：“指令的編寫花了很多時間，涉及許多宏定義，打亂了程序的理解，整體性沒把握?！?/p>

針對上述調(diào)研發(fā)現(xiàn)的問題，我們2017年關(guān)注并調(diào)整了PA實驗和理論課的時間同步問題。同時和理論課老師共同研討規(guī)劃，整個授課團隊在時間安排上已達成一致，避免時間失配。針對框架代碼本身的復(fù)雜性問題，我們對以往暴露出的復(fù)雜難理解的部分作了重構(gòu)，經(jīng)過往年學(xué)生和助教的審核，均表示代碼的可讀性有了較大提升，其復(fù)雜性得到了控制。

5 總結(jié)與展望

通過近3年的教學(xué)實踐，南京大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系在計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)教育以及其配套的PA實驗部分作了較為深入的創(chuàng)新和探討。本文通過介紹和分析實驗設(shè)計，給出了PA實驗的整體設(shè)計思路和各階段設(shè)計方案。對歷年的成績和訪談結(jié)果進行分析后，可以得出PA實驗的有效性和對于計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)的積極意義。對于在教學(xué)實踐過程中所暴露出的學(xué)生學(xué)習(xí)負荷較大的問題，在新版的PA實驗設(shè)計中作了相應(yīng)的改進。

后續(xù)將在持續(xù)改進PA實驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展通過標(biāo)準(zhǔn)化量表來對學(xué)生在PA實驗過程中的壓力和工作負荷進行量化評估的工作。我們希望能夠?qū)W(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的收獲和體驗進行更為深入的分析，從而推動PA實驗的不斷演進。