Сегодня видел план вводного курса, написанный начинающей американской преподавательницей. План иллюстрирует распостраненную ошибку — неправильный порядок подачи материала:
Операционная система.
Кэшы и виртуальная память.
Архитектура набора команд и ассемблер.
Ввод‑вывод и прерывания.
Что не так с этим планом? На четыре пункта пять нарушений зависимостей:
Две ключевые функции ядра операционной системы — это многозадачность и изоляция пользовательских программ от ввода‑вывода. Многозадачность строится на переключении контекста во время прерывания, например прерывания от таймера. При этом происходит сохрание регистров одной задачи в памяти, восстановление регистров другой задачи и переход на адрес другой задачи при выходе из прерывания.
Таким образом (1) зависит от объяснения что такое прерывание в (4), а также объяснения что такое регистр в (3).
Изоляция пользовательских программ от ввода‑вывода требует объяснения, что ввод‑вывод делается через выделенную область адресов (memory‑mapped I/O), доступ к которым пользовательских программ ограничивается с помощью трансляции виртуального адреса в физический.
Таким образом (1) зависит еще и от объяснения что такое ввод‑вывод в (4) и что такое виртуальная память в (2).
Вводить кэши без понимания архитектуры набора команд (Instruction Set Architecture (ISA), 3) как‑бы и можно, особенно если студент уже знает о разности латентности доступа к регистровому файлу из D‑триггеров, SRAM и DRAM. Но это все равно странно — желательно чтобы студент знал и что транзакция к кэшу начинается с инструкции загрузки или сохранения регистра в execution unit, откуда через load/store unit она попадает в кэш.
В принципе, делать лабы с кэшем как со сферическим конем в вакууме можно, но для виртуальной памяти это было бы совсем безблагодатно. Для таких лаб было бы желательно немного писать на ассемблере и быть в курсе, что при доступе к странице, с которой чего‑то не то — может произойти исключение, то бишь exception / page fault. То есть (2) зависит от (3) и (4).
Что происходит когда глава учебника не может опираться на пререквизиты? Автору главы приходится объяснять то, что происходит — на пальцах. И учебник превращается в научпоп. Как в печени при циррозе работающие клетки замещаются соединительной тканью, то же происходит с представлением о предмете у студентов. Материал, который мог бы опереться на практические лабы, превращается в ИИ‑шную муть, в которой умозрительные процессы как‑то магически преключаются.
Практической лабой мог бы быть простой ассемблерный код на 300 строк, который переключает контексты по прерыванию. С простым API и вызовами из bare metal программы на Си. Но так как у студента нет пререквизитов, такая лаба невозможна. Студент может поговорить, но ничего не может сделать. Для промышленности он бесполезен, хотя в академии может вырости и стать следующим поколением таких же учителей.
Для стран такой дефект становится фатальным: в одной стране происходит засилье импорта и студенты превращаются в продавцов в компьютерных магазинах, а в другой стране происходит массовый завоз инженеров из других стран, и местное население вытесняется работать в макдональдс.