О вычислительном обеспечении практикума по программированию на младших курсах

Сутырин П. Г., Курячий Г. В.

АННОТАЦИЯ

В докладе дается обзор методики проведения семинарских занятий по практикуму на первом курсе очного отделения специалистов факультета ВМК МГУ им. М.В. Ломоносова. Основное внимание уделяется принципам и особенностям использования вычислительной техники и программного обеспечения, в том числе свободного.

Проведение семинарских занятий по практикуму

Вначале дадим обзор программистских дисциплин, изучаемых на первом курсе отделения специалистов. В первом семестре это основы теории алгоритмов (машины Тьюринга, нормальные алгоритмы Маркова), основы алгоритмизации с использованием языка программирования Паскаль (стандарт ISO 7185), динамические структуры данных и алгоритмы их обработки.

Во втором семестре изучаются основы архитектуры ЭВМ и язык ассемблера для машины на основе ЦП Intel 8086 (MASM4). Вначале изучается концепция машин фон Неймана (кодирование команд, хранимая программа, последовательность выполнения команд) на примере модельных машин с разной системой команд (одно-, двух- и трехадресные машины, безадресные стековые машины), затем систематически изучается язык ассемблера процессора 8086, а также язык макроассемблра (все это на примере MASM 4.0).

Семинарские занятия проходят частично в аудиториях с решением задач у доски, частично в машинном зале, где каждый студент практикуется в программировании на отдельной машине.

Решение задач в машинном зале в рамках семинарских занятий предполагает определенные требования к соответствующему вычислительному обеспечению.

Требования к обеспечению учебного процесса

На время каждого занятия в машинном зале каждый студент должен работать за своей машиной, в типовом программном рабочем окружении. Его личные файлы должны быть недоступны для других студентов. Кроме этого, преподаватель группы должен иметь доступ в каталоги студентов, чтобы раскладывать им общие или индивидуальные задания, а также просматривать (и даже дополнять своими комментариями) их решения. Каждому студенту должны быть доступны инструменты разработки, отвечающие изучаемым темам.

Требования к программному обеспечению

В случае с первым курсом в настоящее время актуальным является следующий перечень требований и соответствующих программных инструментов:

1. Реализация машины Тьюринга и нормальных алгоритмов Маркова.
   • чаще всего используется студентами самостоятельно в первые недели, когда теоретически изучаются эти формализмы
2. Реализация ISO Pascal (или его расширения, но с возможностью контроля используемого диалекта языка)
   • Варианты:
   • Borland Pascal 7.0 (DOS-окно)
     • интегрированная среда с редактором и отладчиком;
     • библиотеки для построения текстового UI.
   • GNU Pascal
     • хорошо поддерживает ISO Pascal и другие диалекты (BP, Free Pascal, и еще несколько);
     • реализует свое расширение Паскаля, достаточно полезное для практического программирования;
     • увы, последние несколько лет не разрабатывается (есть проблемы с современными версиями GCC).
   • Free Pascal
     • имеет IDE, аналогичный BP;
     • хорошо интегрируется в современные ОС (но это не нужно для первого семестра);
     • увы, компилятор языка содержит грубые расхождения даже с базовым стантдартом;
     • не поддерживается ограничение ISO Pascal.
3. Реализация ассемблера и макроассемблера.
   • MASM 4.0 (DOS-окно)
     • использовался произвольный редактор, не специализированный для текстов программ (чаще всего из Norton Commander, т.к. дело происходило в DOS-окне).
     • отладка программ отягощалась крайне лаконичной и однообразной диагностикой системы на чаще всего допускаемые ошибки (неправильный доступ к памяти).

Опыт использования инструментария, в т.ч. основанного на СПО

В рассматриваемый период времени (с 2000 года) использовались два варианта обеспечения.

• Решение на основе Windows NT4 + Novell Netware, трудоемкое в администрировании и несовместимое с новой аппаратурой. Инструменты разработки запускались в режиме совместимости DOS-приложений для Windows.
• Загрузочный образ на основе FreeBSD, по возможности сохраняющий исходные инструменты (посредством запуска в эмуляторе DOSBox).

В процессе эксплуатации загрузочного образа FreeBSD было выявлено объективных и субъективных недостатков:

• слабая поддержка внешних носителей (не все флешки студентов определялись, и приходилось тратить семинарское время на решение проблем);
• пришлось запретить мультилогин с разных машин, т.к. студенты быстро догадались, что во время решения задач на зачете можно из соседнего машинного зала отредактировать файл в домашнем каталоге у товарища и помочь ему сдать зачет;
• Некоторые примеры из методических разработок при компиляции в Free Pascal дают не соответствующие стандарту (и «правильному ответу») результаты;

• DosBOX «из коробки» не вполне подходит для работы в Borland Pascal (например, по Alt+F9 в BP происходит запуск программы, а в DosBOX — полный останов эмулятора; необходима русификация);

• Некоторое постоянно используемое ПО из комплекта FreeBSD, например, большинство оконных диспетчеров, по умолчанию непригодны для использования в практикуме без предварительной настройки.

Вместе с тем, сама мультизагрузочная среда (вполне стандартно реализованная на базе FreeBSD) позволила:

• синхронизовать управление пользователями с общим реестром;
• существенно упростить профилирование клиентских ОС;
• полностью исключить необходимость администрирования ПО и ОС на клиентских машинах;
• обеспечить загрузку произвольного количества подготовленных загрузочных образов;
• создать базу для перехода учебного процесса на СПО.

Загрузочный образ на основе ALT Linux 6.0

Предлагаемый загрузочный образ (для краткости — «прошивка») сделан на базе LiveCD дистрибутива семейства ALT Linux 6.0 Centaurus. Технология создания описана в статье «Сетевая установка и сетевая загрузка», существенных изменений не претерпела. Особенности прошивок такого типа:

• автоматическая адаптация к широкому спектру аппаратного обеспечения;
• работа без монтирования физической файловой системы на запись (позволяет полностью исключить модификацию со стороны клиента);

• простота модификации и обновления «прошивки» (после chroot <корень_прошивки> на сервере администратор попадает в обычное окружение с работающей сетью, пакетным диспетчером и т. п.)

Эти особенности предопределили особенности поддержки учебного процесса:

• Отказ от персональных аккаунтов в пользу вики-движка с хранением всей необходимой информации, включая персональные странички пользователей и их файлы
  • Унификация рабочего окружения. Зачастую начинающие пользователи настраивают свои рабочие места до полной неработоспособности. Теперь достаточно только перезагрузить компьютер.
  • Хранение постоянно используемых файлов и методических материалов в едином информационном пространстве провоцирует привлечение внимания к методически материалам
• Модификация рабочего окружения в реальном времени. При необходимости что-то изменить в окружении всех рабочих мест (например, положить на рабочий стол файл, донастроить IDE и т. п.) достаточно скопировать нужные файлы на сервер (в домашний каталог пользователя внутри «прошивки») и перезагрузить рабочие места.
• Широта и гибкость применения. Можно подготовить любое количество «прошивок» с любым содержанием, модификация прошивки (при условии заранее сделанной резервной копии) — безопасная операция, допустимая в учебном процессе, в отличие от локальной переустановки ОС и ПО

В частности, последнее свойство позволяет расширить список ПО, устанавливаемого в прошивку, предлагать различные варианты, экспериментировать. Так, помимо «старых» инструментов для DOS, в новом загрузочном образе используются:

• Для обеспечения практикума по машине Тьюринга — разработка с сайта «cmcmsu.info»

• Для обеспечения практикума по нормальным алгорифмам Маркова — ещё одна разработка с сайта «cmcmsu.info» и более сложный вариант с сайта Йорга С. Мейера

• Для обеспечения практикума по Pascal — Free Pascal (планируется GNU Pascal)
• Для обеспечения практикума по Ассемблеру — NASM (планируется также JWASM, имеющий совместимый с MASM синтаксис)

Кроме того, предполагается вынести на суд преподавателей «промежуточный» вариант с использованием DOS-овских компиляторов, запускаемых в режиме командной строки из Linux-IDE (например, Geany).

В обеспечении учебного процесса важную роль предполагается отвести т. н. сайту практикума, на котором будут размещены учебно-методические и справочные материалы (либо ссылки на них), а также заведены персоналдьные страницы учащихся для хранения файлов. Требования к работе этого сайта (например, определение прав доступа преподавателя и студентов к файлам и страничкам, запрет доступа на запись во время зачёта и т. п.) будут определены в дальнейшем, после согласования с преподавателями.

Нелишне заметить, что загружаемый образ на базе ALT Linux третий год используется для проведения практических занятий в Вечерней Математической Школе при ВМиК МГУ (программирование на языке Python, с этого года — также и на C).

Выводы

Технология бездискового клиента, использованная в «прошивке» на базе ALT Linux, позволяет создавать и видоизменять произвольное унифицированное окружение для проведения широкого спектра практических занятий. Для эффективной организации учебного процесса необходимо соблюдение трёх требований:

• наличие актуальных Linux-версий используемого в учебном процессе ПО (добавление и/или удаление работоспособного ПО не составляет даже технической проблемы);
• достаточное информационное наполнение
  • технического обеспечения учебного процесса (сеанс работы пользователя, работа с файлами, запуск компиляторов и т. п.),
  • методического обеспечения (задачи и примеры, работающие в данном окружении);
• готовность учебного персонала к переходу, в немалой степени достигается сохранением «старых» программных средств с использованием и предварительной настройкой эмуляторов.

Список литературы

• ANSI ISO Pascal (http://standardpascal.org/)

• Сайт кафедры алгоритмических языков с некоторыми материалами и комплектами ПО для практикума (http://al.cs.msu.su/classes.html)

• Практикум 1 курса (неофициальный, но весьма полный сборник материалов) (http://cmcmsu.info/1course/)

• Курячий Г. В. «Сетевая установка и сетевая загрузка» (http://uneex.ru/FrBrGeorge/BookP5/NetworkInstall)