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>> 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡述 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學探索 論計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu) 高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜述 “計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程改革與探索 “計算機組成原理”與“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學研究 計算機系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試 優(yōu)化計算機系統(tǒng) 面向系統(tǒng)能力的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學內(nèi)容設(shè)計 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng) “任務(wù)驅(qū)動”教學法在《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》教學中的應(yīng)用 試論“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”雙語課程建設(shè)經(jīng)驗 “計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學內(nèi)容研究與實踐 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學中的困境與思考 問題驅(qū)動法在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學中的應(yīng)用探討 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多核綜合實驗的設(shè)計實現(xiàn) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中多核實驗的設(shè)計 基于SOPC計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用型教學探索 基于Learning-by-doing的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程改革 “計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”校級精品課程建設(shè)的探索與實踐 常見問題解答 當前所在位置：

[4]王麗暉. 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢分析，開發(fā)展望. 2005：4-5.

[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價比的容錯計算機結(jié)構(gòu)，第十屆全國容錯計算學術(shù)會議.

[6]曾慶華，陳天麟. 可擴展并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀，計算機科學. 2003：第30卷，第9期. 158-161.

[7]龔明. 后PC時代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計算機工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

[8]范玲玲. 計算機硬件知識體系的結(jié)構(gòu)框架研究，信息產(chǎn)業(yè). 2013：178.

[9]王群. 計算機總線技術(shù)的發(fā)展，煤炭技術(shù). 2013：第32卷，第3期. 81-83.

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計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)試題

課程代碼：02325

請考生按規(guī)定用筆將所有試題的答案涂、寫在答題紙上。

選擇題部分

注意事項：

1.答題前，考生務(wù)必將自己的考試課程名稱、姓名、準考證號用黑色字跡的簽字筆或鋼筆填寫在答題紙規(guī)定的位置上。

2.每小題選出答案后，用2B鉛筆把答題紙上對應(yīng)題目的答案標號涂黑。如需改動，用橡皮擦干凈后，再選涂其他答案標號。不能答在試題卷上。

一、單項選擇題（本大題共10小題，每小題1分，共10分）

在每小題列出的四個備選項中只有一個是符合題目要求的，請將其選出并將“答題紙”的相應(yīng)代碼涂黑。錯涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能夠直接執(zhí)行微指令的是

A.匯編程序 B.編譯程序

C.硬件 D.固件

2.系列機軟件應(yīng)做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力爭向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力爭向下兼容

3.在浮點數(shù)尾數(shù)下溢處理時，誤差，但下溢處理不需要時間，平均誤差又趨于0的方法是

A.截斷法 B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l(fā)”法

4.在IBM370系統(tǒng)中，支持操作系統(tǒng)實現(xiàn)多進程公用區(qū)管理最有效的指令是

A.“測試與置定”指令 B.“比較與交換”指令

C.“執(zhí)行”指令 D.“程序調(diào)用”指令

5.采用組相聯(lián)映像、LRU替換算法的Cache存儲器，不影響Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的塊數(shù) B.增大組的大小

C.增大主存容量 D.增大塊的大小

6.采用組相聯(lián)映像的Cache存儲器，可用于地址變換的方法是

A.目錄表法 B.比較對法

C.頁表法 D.堆棧法

7.ILLIAC-IV陣列處理機中，PE之間所用的互連函數(shù)是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行處理機有16個處理單元，編號為0～l5，采用shuffle單級網(wǎng)絡(luò)互連，與13號處理單元相連的處理單元的編號是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.間接二進制n方體網(wǎng)絡(luò)是一種

A.多級混洗交換網(wǎng)絡(luò) B.單級立方體網(wǎng)絡(luò)

C.多級全排列網(wǎng)絡(luò) D.多級立方體網(wǎng)絡(luò)

10.多處理機程序段的指令之間存在數(shù)據(jù)反相關(guān)時，下列說法正確的是

A.不能并行 B.適當同步控制，可以并行

C.可以交換串行 D.若指令滿換律，可以交換串行

非選擇題部分

注意事項：

用黑色字跡的簽字筆或鋼筆將答案寫在答題紙上，不能答在試題卷上。

二、填空題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

11.從計算機執(zhí)行程序的角度看，并行性等級由低到高可分為________、________、任務(wù)或進程間和作業(yè)或程序間四級。

12.浮點數(shù)尾數(shù)基值增大，可使運算中的精度損失________，可表示數(shù)的精度________。

13.中斷系統(tǒng)軟硬件功能分配實質(zhì)是中斷________軟件和中斷________硬件的功能分配。

14.數(shù)據(jù)寬度是指I/O設(shè)備取得________后所傳送數(shù)據(jù)的總量；數(shù)據(jù)通路寬度是________的物理寬度。

15.虛擬存儲器主要是為解決主存________滿足不了要求發(fā)展出來的；Cache存儲器是為了解主存________滿足不了要求發(fā)展出來的。

16.虛擬存儲器對________程序員是透明的，對________程序員是不透明的。

17.解決重疊相關(guān)處理的兩種基本方法是推后________和設(shè)置________。

18.按多功能流水線的各段能否允許同時用于多種不同功能連接流水，可把流水線分為________流水線和________流水線。

19.N個處理單元的混洗交換網(wǎng)絡(luò)中，最遠的兩個人、出端的二進制編號是________和________，其距離為2log2N—l。

20.松耦合多處理機可以有________型和________型兩種構(gòu)形。

三、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

21.簡述通道的3種類型各適合連接什么類型設(shè)備，說明各種類型通道在滿負荷時的實際流量與所連接設(shè)備的關(guān)系。

22.簡述并行性從計算機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的角度劃分的四個等級，并各舉一例。

23.簡述透明性概念，說明下列哪些對于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是透明的。

浮點數(shù)據(jù)表示；字符串運算指令；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；訪問方式保護；數(shù)據(jù)總線寬度；Cache存儲器；存儲器的最小編址單位；存儲器的模M交叉存取，串行、重疊還是流水控制方式。

24.簡述數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及引入高級數(shù)據(jù)表示的基本原則。

25.簡述實現(xiàn)指令的重疊解釋必須在計算機組成上滿足的要求。

四、簡單應(yīng)用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

26.機器有5級中斷，中斷響應(yīng)次序為12345，現(xiàn)要求實際中斷處理次序為23154。

(1)設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態(tài)，令“0”為開放，“l(fā)”為屏蔽；

(2)若運行用戶程序時，同時發(fā)生1、3級中斷請求，而在l級中斷服務(wù)未完成時，又發(fā)生2、3、4、5級中斷，請畫出處理機執(zhí)行程序全過程的示意圖（標出交換PSW的時間）。

27.求A1、A2、…、A8的累加和，有如下程序。

Sl A1=A1+A2

S2 A3=A3+A4

S3 A5=A5+A6

S4 A7=A7+A8

S5 A1=A1+A3

S6 A5=A5+A7

S7 A1=A1+A5

寫出用FORK、JOIN語句表示其并行任務(wù)的派生和匯合關(guān)系的程序，以假想使此程序能在多處理機上運行。

五、綜合應(yīng)用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

28.有一個4段的單功能非線性流水線，其預(yù)約表如題28表：

題28表

時鐘

時鐘 段號t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分別寫出延遲禁止表F，沖突向量C，并畫出沖突向量的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

(2)寫出其流水線的調(diào)度方案及此時的吞吐率。

29.有一個虛擬存儲器，主存有4個實頁，頁號為0~3，程序有8個虛頁，頁號為0~7，采用全相聯(lián)映像和FIFO替換算法。給出如下程序頁地址流：2、3、5、2、4、0、1、2、4、6。

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關(guān)鍵詞:精品課程;教學模式;創(chuàng)新教育

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

精品課程建設(shè)是教育部啟動的“高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程”中的一項重要內(nèi)容,是提高教學質(zhì)量進而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的奠基性工作。我校2008年開始啟動“校級精品課程建設(shè)計劃”,我院的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程被評為首屆校級精品課程。下面就課程定位、教學體系建設(shè)、知識模塊、教學模式、相關(guān)教學研究等方面介紹對該課程建設(shè)的探索與實踐。

1課程的基本定位和教學目標

在計算機專業(yè)人才需求越來越多的情況下,北京市對計算機硬件相關(guān)的技術(shù)人員也加大了需求量,在這樣的形勢下,我們建立了新的計算機硬件課程體系,對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的定位也越來越明確。我校的計算機專業(yè)主要為北京市培養(yǎng)計算機應(yīng)用型人才,學生的就業(yè)取向大多數(shù)是北京市的高新技術(shù)企業(yè)。因此,我們從教學計劃、教學大綱、教學平臺、實驗設(shè)計平臺和工具等方面均做了改革和調(diào)整,以適應(yīng)形勢發(fā)展的需要。具體措施為:

(1) 通過“數(shù)字邏輯”解決數(shù)字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”等課程讓學生掌握現(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計平臺和工具(EDA、FPGA等),以及簡單電子部件的設(shè)計技術(shù);

(3) 通過“計算機組成原理”解決計算機的基本組成原理與技術(shù)問題;

(4) 通過“計算機接口技術(shù)”、“高檔微機系統(tǒng)”課程使學生掌握微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試基本概念和方法,提高學生工程素質(zhì)和設(shè)計、技術(shù)創(chuàng)新等方面的基本知識。

“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學目標是使學生在計算機應(yīng)用系統(tǒng)和分析設(shè)計中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統(tǒng)的性能價格比方面的知識;“嵌入式系統(tǒng)”等系列課程,讓學生在“嵌入式系統(tǒng)”、“微機系統(tǒng)及接口”等面向應(yīng)用的專業(yè)方向上進行學習和實踐。

在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的教學中,以提高計算機的性能價格比為重點,輔以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中的新技術(shù),如流水線技術(shù)、并行技術(shù)等,最終的目標是提高學生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一層次來研究和分析計算機系統(tǒng)的能力,幫助學生建立整機系統(tǒng)的概念;使學生掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。本課程強調(diào)培養(yǎng)學生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)地分析和解決問題的能力,強調(diào)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2知識模塊順序

本課程在建設(shè)中注重知識更新、創(chuàng)新教育,在2008年5月我校正式獲得批準成為《英特爾“多核技術(shù)課程”大學計劃》合作伙伴,成立了“北京工業(yè)大學――Intel多核技術(shù)實驗室”,并得到Intel公司的多核服務(wù)器及相關(guān)軟件的捐贈,在此基礎(chǔ)上,本課程在授課過程中增加了多核技術(shù)的內(nèi)容,使學生在課堂上能接觸到更多的新知識。具體知識模塊順序如下:

(1) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識:計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識以及與計算機組成、計算機實現(xiàn)之間的關(guān)系,并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展做相應(yīng)的介紹。

(2) 指令系統(tǒng):計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹指令系統(tǒng)及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)表示和尋址技術(shù)等。

(3) 存儲系統(tǒng):計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一是如何以合理的價格、設(shè)計容量和速度滿足計算機系統(tǒng)要求的存儲器系統(tǒng)。本模塊從存儲層次出發(fā),介紹多級存儲體系及各級存儲器。

(4) 流水線處理技術(shù):本章主要介紹流水線技術(shù)的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機中的應(yīng)用。

(5) 并行處理技術(shù):并行處理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念、幾種典型的互連網(wǎng)結(jié)構(gòu)和消息傳遞機制。

(6) 多處理機及新型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu):多處理機模型和基本結(jié)構(gòu),多處理機結(jié)構(gòu)、性能和實例,介紹數(shù)據(jù)流機、歸約機和智能計算機等的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點等。

(7) 多核技術(shù):多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實踐相結(jié)合的教學體系

本課程在近幾年的建設(shè)中,針對原課程計劃中沒有實驗的缺陷,通過加強對國內(nèi)外大學該課程進行調(diào)查和研究,建立了本課程的實驗體系。通過兩部分的實驗來加強學生對計算機流水線技術(shù)的理解。具體實驗內(nèi)容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎(chǔ)上,通過使用WinDLX模擬器對流水線處理和指令調(diào)度進行測試,加深對數(shù)據(jù)相關(guān)、資源相關(guān)的理解,了解這兩類相關(guān)對CPU性能的影響以及如何用定向技術(shù)來解決。

(2) 設(shè)計四個流水線功能段的設(shè)計與實現(xiàn)的實驗,包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫回階段,分析并設(shè)計流水線CPU各功能段的基本硬件結(jié)構(gòu),并用Verilog HDL硬件描述語言加以實現(xiàn),進行實驗結(jié)果分析,最后提交規(guī)范的實驗報告。隨著實驗的不斷完善,未來將增加多核方面的實驗。實驗體系的改革使本課程的教學過程更加完整,學生能夠從實驗中加深對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)的理解,使抽象的內(nèi)容變得具體化。

本課程的實驗為8學時,具體實驗內(nèi)容如表1所示:

由于學時的限制,上述實驗中1、2為必選題目,3～6可以任選一個。

4啟發(fā)式教學模式的建立

新教學模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創(chuàng)新型的教學模式:啟發(fā)式課堂講授、主題討論、自主學習三種方式的結(jié)合。啟發(fā)式教育的核心就是要培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新思維。在課堂中,每章節(jié)均設(shè)置相關(guān)的思考題和與前沿技術(shù)有關(guān)的研究性專題,鼓勵學生自主查閱資料,提出問題,增強師生互動。在此過程中,突出自主學習和研究性學習,全面提高學生的思維能力、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。教學過程模型如圖1所示:

在上述基礎(chǔ)上,還采用了課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學習相結(jié)合的方式,將多種現(xiàn)代教學媒體與自主開發(fā)的多媒體課件、課程教學網(wǎng)站優(yōu)化組合,構(gòu)建課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學習的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學環(huán)境?！坝嬎銠C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學網(wǎng)站為學生提供了豐富的教學資源和良好的交流平臺,如提供教學大綱、教學內(nèi)容、教學團隊、教學錄像、教學課件、參考教材、習題與作業(yè)、自測題等資源;網(wǎng)站除了為課程提供基本的信息外,強調(diào)教師與學生的互動交流,教師可以針對核心問題設(shè)置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,公告,設(shè)置論壇風格等;學生可以針對某個問題發(fā)帖討論,站內(nèi)搜索,收藏帖子等;論壇的數(shù)據(jù)庫進行定期自動備份(如一天一備份),同時可以以一周或幾天為單位,自動刪除前一周或幾天的數(shù)據(jù)庫備份文件,達到既維護數(shù)據(jù)又不使備份數(shù)據(jù)過大的目的,滿足論壇的持續(xù)性和擴展性的要求。

5結(jié)語

隨著精品課程建設(shè)的不斷推進,課程組的教師在教材建設(shè)、教學研究方面都取得了優(yōu)秀的成果,目前由課程組合著的《計算機組成原理與匯編語言》、《高檔微機原理與技術(shù)》等教材均已在清華大學出版社出版,并列入國家“十一五”規(guī)劃教材;《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》一書也于2009年在清華大學出版社出版。由課程組的老師主持的三項教育教學項目現(xiàn)已通過學校中期驗收,相關(guān)老師也在該課程的教學改革中不斷提出新的思路,力爭在不斷的建設(shè)中使該課程達到北京市精品課程的標準。

參考文獻:

[1] 毛國君,方娟. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程群的“1+2+3”模式及其應(yīng)用[J]. 中國大學教學,2008(3):40-42.

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［關(guān)鍵詞］計算機組成；農(nóng)林院校；教學；實驗

0引言

我校在創(chuàng)建世界一流農(nóng)業(yè)大學的進程中，積極營造交流、開放式、國際化辦學的教學氛圍，開展深度科研協(xié)作，努力實現(xiàn)“產(chǎn)學研緊密結(jié)合的世界一流農(nóng)業(yè)大學”。我校自20世紀70年代末開設(shè)計算機應(yīng)用課程以來，曾先后多次調(diào)整教學內(nèi)容，以適應(yīng)時展的需要。正是在此背景下，在當前信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何開展高等農(nóng)林院?！坝嬎銠C組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學，如何改革課程的理論教學、實驗教學及課程授課令人深思。

1課程現(xiàn)狀

“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”（簡稱計算機組原）是我校計算機科學與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)、電子商務(wù)和軟件工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。該門課程呈現(xiàn)出學生難學、教師難教的現(xiàn)象，其原因在于該課程理論性強，概念和知識點繁、雜、抽象。為使學生具備扎實的基礎(chǔ)理論和良好的動手實踐能力，作者自2006年春開始講授本門課程，結(jié)合多年的教學、教改實踐，從以下幾方面對該課程的教學進行了一些嘗試性探索。

2教學優(yōu)化過程及實踐

2．1優(yōu)化教學內(nèi)容，突出重點、難點，補充科技前沿知識由于該課程具有概念繁雜和內(nèi)容抽象的特點，且每節(jié)內(nèi)容都可擴展開獨自形成完整的知識體系，在有限的教學時間內(nèi)不可能對計算機系統(tǒng)的五大部件和實現(xiàn)技術(shù)都進行詳細講解，為此學院及系部每年組織各類教研活動，如集體備課，集體討論教學大綱，研討教材重點、難點和疑點，確定實踐環(huán)節(jié)；組織教師之間互相聽課，取長補短；新任教師試講等。2．2強化實驗教學設(shè)計，提高動手實踐能力實驗教學是本課程的重要實踐環(huán)節(jié)，是抽象理論的科學驗證，有助于提升學生對理論的認知，可激發(fā)學生的學習興趣。我校采用清華大學教學實驗機TEC－XP，以驗證性實驗為主，在實驗過程中增加附加的設(shè)計型教學實驗任務(wù)。在授課過程中講解實驗機中的設(shè)計思想，讓學生清楚了解硬件的連接及程序的實現(xiàn)過程，在實驗過程中，通過實驗內(nèi)容逐級深入的方法，使教學試驗機的設(shè)計思想逐漸滲透，最終實現(xiàn)教學目標。2．3因材施教，運用靈活多變的教學方法及手段為使課堂授課豐富愉悅、內(nèi)容飽滿活潑，為使學生能盡快融會貫通，這就必須對教學內(nèi)容進行精心設(shè)計，多種教學方法相結(jié)合并貫穿授課始終。作者結(jié)合多年的教學經(jīng)驗總結(jié)，極大地提高了學生學習興趣，極大地提升了教學質(zhì)量。2．3．1培養(yǎng)學生學習興趣的互動式板書與PPT教學手段結(jié)合教材內(nèi)容，充分運用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用圖片、動畫、視頻等多媒體素材設(shè)計PPT，幫助學生理解枯燥的計算機組成原理概念，提高學習效果。如第一章計算機系統(tǒng)概論中講授計算機執(zhí)行ax2＋bx＋c，以學生熟悉的C語言知識，板書介紹非常重要的地址概念，引導學生熟悉用戶程序存放的內(nèi)存單元地址、自定義變量地址，PPT動畫展示運算器的加、乘運算的基本過程。2．3．2客觀真實的案例教學法對感性認識不強的計算機組成概念，使用案例教學法可幫助學生消除對計算機的神秘感。如在講解多體（存儲器）交叉存儲系統(tǒng)時，通過下述案例，以科技文獻及圖片素材讓學生逐漸了解并掌握大型機（或巨型機）中多體交叉的知識點，有助于后續(xù)Cache命令率的學習。2．3．3科學地利用教師的主導作用，運用生活化、形象化的類比教學法作為專職專業(yè)課教師，任何時候都可通過課堂中的點滴小事與學生交流，詢問他們是否已理解了授課內(nèi)容和難點、重點知識。作為授課中“人類靈魂的工程師”，真誠關(guān)注、鼓勵、教育學生注重專業(yè)修養(yǎng)，提高綜合素質(zhì)。為避免學生“知其然，不知其所以然”，避免死記硬背，結(jié)合日常生活中的實例，采用類比教學法，形象生動、由淺入深地讓學生理解計算機中艱澀的概念，最后達到深入淺出的教學效果。如存儲器，猶如倉庫，計算機中用于存放指令和數(shù)據(jù)；“按地址尋訪”，是指計算機根據(jù)地址尋找內(nèi)存單元和IO部件，地址的概念正如現(xiàn)實生活中區(qū)別某人的身份證號碼，或現(xiàn)實中的座機號碼，或計算機網(wǎng)絡(luò)中的IP地址?？偩€中的異步串行通信猶如食堂排隊買飯、火車站排隊買票等，逐比特的傳輸；應(yīng)答信號如通信雙方握手一樣，成對出現(xiàn)。Cache與主存地址映射過程是本課程的難點和重點，將Cache與主存的地址映射比作火車座位的對應(yīng)機制，有助于學生對Cache地址映射的理解。講解尋址方式時，以去宿舍找學生作類比，若已知學生的具體宿舍號，則為直接尋址；若詢問宿管辦阿姨，則為寄存器間接尋址。介紹運算器的功能時，指出運算器只做一件事，即算術(shù)邏輯運算，其余均不參與；控制器的功能就是大總管，控制并管理計算機所有的行為和操作等等。2．3．4強化重點，當堂消化難點，采用專項典型習題講解法我校采用的教材是由唐朔飛老師主編的國家“十一五”規(guī)劃教材《計算機組成原理》（第2版）。由于該課程具有很強的理論性以及學生考研的需求，通過對大綱的重點難點知識第四章CPU與存儲器的連接、高速緩沖存儲器，第六章計算機的運算方法及第十章CU的設(shè)計的典型例題、習題進行講解，能有效鞏固、加強學生對所學知識的理解。同時，預(yù)留少且精的課后題，以再次加深對知識點的理解，培養(yǎng)學生的思維能力。

3鼓勵個性化發(fā)展，完善考核方式

課程考核是教學過程的重要組成部分，是實現(xiàn)教學目標和檢測學生學習成果的一種手段，貫穿授課及實驗過程的始終。本門課程考核的主要內(nèi)容是學生對整機的基本組成及工作原理的理解程度，以及對基本概念、基本知識的掌握程度。經(jīng)過多年的教學經(jīng)驗總結(jié)，課程考核基本由以下三部分組成。（1）隨堂測驗（占總成績的10％）。為了督促和鼓勵學生對課程的學習，在重點章節(jié)后進行隨堂測試，主要考核學生對重點難點內(nèi)容的理解及掌握情況，隨時發(fā)現(xiàn)學生在學習過程中存在的各類問題，及時調(diào)整教學方向。（2）驗證實驗及設(shè)計型實驗（占總成績的20％）。規(guī)范實驗教學，嚴格考勤制度，采用單人單機的形式，主要看重實驗過程、實驗結(jié)果，輕實驗報告成績。對學生的實驗驗證報告、設(shè)計型實驗的完成狀態(tài)以實驗截圖的形式提交，實驗完成后當場驗收并給出驗收成績。在所有實驗完成后，提交相關(guān)代碼及實驗文檔，并給出實驗報告成績。實驗成績由三部分構(gòu)成：驗收成績占50％，報告成績占30％，實驗考勤占20％。（3）期末考試（占總成績的70％）。該課程一直沿用閉卷理論考試；課程全部結(jié)束后，進行期末考試，全面考核學生對基礎(chǔ)理論、基本原理的掌握程度與分析水平。

4總結(jié)

鑒于我校地處西北及正處于“創(chuàng)建世界一流農(nóng)業(yè)大學”戰(zhàn)略時期，以及計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的特殊性、重要性，這就決定了該課程的教學改革與實踐是一項大工程，需要從理論授課、實驗驗證、課程考核等多方面同時進行教學優(yōu)化，以上整個教學過程優(yōu)化的思考與實踐，已取得了較好的效果。作為高等農(nóng)業(yè)院校，我院的本科畢業(yè)生受到了國內(nèi)知名IT公司的好評和青睞，在華為、阿里巴巴、百度、迅雷、網(wǎng)易、美團網(wǎng)、去哪網(wǎng)等公司就業(yè)，不少已是部門負責人，連續(xù)四年一次性就業(yè)率達98％，年薪10萬元以上的畢業(yè)生每年在12人次以上。雖然取得了一些成績，但距離世界一流農(nóng)業(yè)大學的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)還有一些距離。“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課程教學優(yōu)化需要做的工作還有很多，各種教學方法、教學手段也并不是一成不變的。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，專業(yè)教師只有不斷進行學習、更新、優(yōu)化、探索、總結(jié)，才能持續(xù)有效地提高教學效果、教學質(zhì)量，持續(xù)有效地滿足新時代下學生不斷增長的求知需求。

作者:黃鋁文 陳 勇 李書琴 張志勇 單位:西北農(nóng)林科技大學

參考文獻:

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［2］劉彬讓．研究型農(nóng)業(yè)大學國際化辦學問題的思考———以西北農(nóng)林科技大學為例［J］．高等農(nóng)業(yè)教育，2013（6）：30－33．

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［4］王革，張景書，楊勝良．對產(chǎn)學研緊密結(jié)合辦學特色的認識與實踐［J］．中國高教研究，2005（1）：14－17．

［5］徐正春．CRAY－1計算機系統(tǒng)簡介［J］．電子計算機動態(tài)，1978（4）：19－33．

篇5

關(guān)鍵詞:組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu);實踐教學;改革

中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-6030-02

The Improvement and Research about Experiment Teaching of the Organization Principle of Computer and System Structure

YANG Hong-jie, YI Ming

(Hunan University of Arts and Science, Department of Computer Science and Technology, Changde 415000, China)

Abstract: This text combine some school " whether computer make up principle and system structure " experimental facilities and experiment current situation of teaching at present, design the experiment content meticulously, put forward some feasible experiment teaching and improve the method, by but assuare the computer makes up the teaching quality of the principle experimenting, improve students' thinking ability and manipulative ability conscientiously.

Key words: organization principle and system structure; practice teaching; educational reform

計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一門重要的核心專業(yè)課程,與之配套的實驗課也是一門重要的實踐課程。它有著邏輯性強、實踐性強、內(nèi)容多難度大的特點。根據(jù)教學大綱的要求,通過該實踐課程,使學生對計算機系統(tǒng)的工作原理、內(nèi)部之間的聯(lián)系、控制信號的作用等有深刻的理解,建立整機的概念,培養(yǎng)分析問題、解決問題和實際動手能力。

我系從1998年起,開設(shè)了計算機組成原理實驗,配置了TEC-2型實驗設(shè)備,2004年,將計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程合并,并為之新增了DVCC系列實驗設(shè)備。通過幾年時間的實踐教學,現(xiàn)就提高計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實踐教學質(zhì)量和學生的綜合技能做一些初步的探討。

新增DVCC系列為學生提供了創(chuàng)造性的設(shè)計平臺,板上擴展了在系統(tǒng)可編程大規(guī)模電路CPLD器件ISP1032E。它的全部引腳對外開放,學生可采用VHDL或ABLE等設(shè)計控制邏輯,且在PC機上有相應(yīng)的可視化的監(jiān)控軟件,PC機由原來的仿真終端變成了監(jiān)測和控制部件,是一種軟硬結(jié)合的實驗方式。鑒于現(xiàn)有設(shè)備特點,我們精心設(shè)計了實驗內(nèi)容。本實驗課程的主要教學方式分為驗證型、設(shè)計型和綜合型。其中設(shè)計、驗證型有運算器實驗、存儲器實驗、FIFO先進先出實驗、總線控制實驗、硬部線控制器的實驗、乘法器實驗和微程序控制器實驗。綜合型實驗作為課程設(shè)計內(nèi)容,如帶移位運算的模型機的設(shè)計與實現(xiàn)、復(fù)雜模型機的設(shè)計與實現(xiàn)、基于流水技術(shù)構(gòu)成模型機實驗、擴展I/O的設(shè)計等。這樣,實驗體系就形成了運算器――存儲器――數(shù)據(jù)通路――微程序控制器――基本模型機――復(fù)雜模型機系統(tǒng)。

1 運算器必做選做并存

DVCC機運算器(74LS181)可實現(xiàn)8位或16位字長16種功能運算,TEC-2機運算器(AM2901)可實現(xiàn)16位字長8種功能運算,并可觀察C、Z、V、S等標志位的狀況態(tài),據(jù)現(xiàn)有設(shè)備,在運算器實驗中選最基本的8位運算器開始,從怎樣加輸入控制信號入手,再逐步增加到各種寄存器,實現(xiàn)多種功能這是必做的內(nèi)容。16位運算器實驗作為選做內(nèi)容,經(jīng)教師指導同意后可開始實驗。通過對比分析可知不論是8位機還是16位機,用什么器件組成的運算器、控制器都與數(shù)據(jù)通路有關(guān),通路越簡單運算器本身越簡單。

2 存儲器實驗驗證與設(shè)計并行

存儲器實驗是對靜態(tài)隨機存儲器6264的讀寫驗證,即用控制信號開關(guān)給定存儲地址通過數(shù)據(jù)開關(guān)將數(shù)據(jù)存入,并讀出(原數(shù)據(jù)在LED上顯示),觀察數(shù)據(jù)是否一致。通過實驗使學生掌握RAM的工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法,這是驗證性實驗內(nèi)容。

TEC-2機主存儲器擴展,TEC-2機主存儲器由4KROM與2KRAM組成,通過未用的信號MCS3-MCS7作為內(nèi)存擴展的片選信號,可采用6116RAM擴展4K內(nèi)存將TEC-2系統(tǒng)內(nèi)存擴展板與TEC-2主機相聯(lián),通過對6116RAM讀寫信號、片選信號及主機AB15-AB11等的使用,掌握正確的主存擴展原理和方法,并進入TEC-2監(jiān)控狀態(tài)讀寫8000H-87FFH地址段的數(shù)據(jù),驗證其擴展電路正確性。

我們還增設(shè)了FIFO先進先出存儲器設(shè)計性的實驗項目。本實驗是通過對CPLD器件ISP1032E編程來實現(xiàn)一個簡單的8位×4位的FIFO。教師通過對CPLD原理、結(jié)構(gòu)功能的講解,學生編寫程序,并將編譯文件(.JED)下載,運行控制實現(xiàn)。通過實驗使學生掌握在系統(tǒng)可編程芯片1032E的使用方法。當系統(tǒng)斷電時,6264RAM、6116RAM存儲信息丟失。通過“軟件化”來設(shè)計,形成“創(chuàng)新性”實驗,通過數(shù)據(jù)寫入方式不同,使學生擴展了存儲器的相關(guān)知識。

3 微程序控制器與硬布線控制器比較

微程序控制器實驗?zāi)康氖鞘箤W生了解微程序控制器的設(shè)計思想和組成原理、掌握微程序控制器的使用方法,掌握微程序的編制、寫入、觀察微程序的運行。實現(xiàn)方法是:

1) 根據(jù)機器指令畫出對應(yīng)的微程序流程圖;

2) 根據(jù)微程序流程圖設(shè)計微指令,并按微指令格式轉(zhuǎn)換成二進制代碼;

3) 通過對以下例子程序的寫入、讀出、單步運行與連續(xù)運行的調(diào)試,初步建立整機工作概念,為下一個模型機設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。例子程序如下:

助記符 機器指令碼說明

IN 0000 0000 ;"外部開關(guān)量輸入確"KD0～KD7的開關(guān)狀態(tài)R0

ADD addr0001 0000 ×××××××× ; R0+[addr]R0

STA addr0010 0000 ×××××××× ; R0[addr]

OUT addr0011 0000 ×××××××× ; [addr]BUS

JMP addr0100 0000 ×××××××× ; [addr]PC

硬布線控制器實驗是設(shè)計一個簡單的硬布線控制器,用開關(guān)置不同的指令,觸發(fā)時序,就可以實現(xiàn)不同的指令操作。如所設(shè)計的三條指令:

指令碼 操作說明

00 INPUT->DR1 將數(shù)據(jù)開關(guān)中的數(shù)送入暫存器DR1中,

INPUT->LED 并由LED數(shù)碼管來顯示

01 INPUT->DR2將數(shù)據(jù)開關(guān)中的數(shù)送入暫存器DR2中,

INPUT->LED 并由LED數(shù)碼管來顯示

10 DR1+DR2->LED將運算單元中DR1加DR2的運算結(jié)果送入LED數(shù)碼管來顯示

11 00->LED LED數(shù)碼管顯示為00

通過實驗更深入理解了硬布線控制器本質(zhì)上就是一個組合電路,它將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成一組輸出邏輯信號(控制信號),即根據(jù)指令系統(tǒng)的操作時間表用組合邏輯線路形成的微命令序列,是所有各部件需要的各種微操作信號。微程序控制器實驗中首先要設(shè)計微指令,微指令的設(shè)計是在硬件形成的基礎(chǔ)上,微指令的格式取決于硬件構(gòu)成,如TEC-2機每條微指令長56位,DVCC機每條微指令長24位。

4 綜合性實驗中教師的引導作用

在整個綜合性實驗過程中,教師原則僅作啟發(fā)引導 ,以達到拋磚引玉之目的。鼓勵學生獨立思考 ,獨立分析故障 ,獨立解決出現(xiàn)的問題 ,利用所學到的各種技術(shù)手段進行調(diào)試 。

首先,教師要利用很少的時間,采取多媒體的教學手段,讓學生對這個實驗的目的、原理、步驟、調(diào)試過程、結(jié)果等有一個明確的認識。由于組成原理實驗儀上配有 CAI 軟件 ,通過CAI介紹實驗的儀器、實驗方法、實驗操作過程等 ,可以很清楚地看到規(guī)范的操作 ,詳細生動的解釋 ,使學生可以感受到實驗的全部過程 ,產(chǎn)生很烈的實驗欲望。然后學生開始進行硬件和軟件的設(shè)計,教師在輔導時,可以有以下幾點教學方法。

1) 保持良好的實驗精神:教師在這一過程中工作量是很大的,要按組驗收、提問,有的還需要幫助排除錯誤,所以教師需要具有較高的思想素質(zhì)、專業(yè)功底,豐富的實踐經(jīng)驗,有些學生在實驗首次失敗的情況下,會有挫折感、心浮氣躁、慌了手腳,而做實驗就必須靜心、踏實,這時教師要安撫他們的情緒,然后讓學生想辦法快速地排除故障。

2) 堅持以學生動手為主原則:若硬件無故障,又連線無誤的話,學生在調(diào)試過程中可通過實驗箱上的LED顯示燈觀察數(shù)據(jù)總線、地址總線數(shù)據(jù)的正確性,或在PC窗口上看到正確的動態(tài)的紅色的指令流和數(shù)據(jù)流,形象直觀,學生可對指令的執(zhí)行過程一目了然,教師自己也感到很欣慰。但第一次實驗成功的學生是少數(shù),在這種情況下,教師就要講究教學策略, 最大限度地調(diào)動學生的積極性和主觀能動性 ,適應(yīng)學生的心理特點,要求學生可借助反復(fù)觀看CAI 軟件的理論講解和實驗演示,以幫助自己解決所遇到的問題,并且教師對一些共性的問題可集中講解。

如果在實驗的過程中遇到問題,教師可對實驗中一些共性的錯誤進行必要的提示,比如:在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合性實驗中,單股線與排線連線有幾十根,教師要提醒學生單股線連接位置要正確,排線引腳的連接要對應(yīng),每根排線引腳的具體數(shù)目只要有細微的錯誤,就可能導致實驗失敗。此時教師要及時提醒學生,但不能動手替學生接線,要斷絕學生的依賴性。

3) 組織討論與總結(jié):在設(shè)計過程中和設(shè)計完成時應(yīng)當盡可能的組織學生參與討論和總結(jié) ,這不僅可以使學生能力的培養(yǎng)更扎實 ,使更多的學生受益 ,也能夠培養(yǎng)他們的成就感和進行科學研究的能力。

如在學生實驗失敗又自己找不出原因的情況下,除了教師對學生要進行耐心引導,幫助分析失敗的原因外,還可以采取組織不同層次的相關(guān)學生進行討論的教學方式,例如在復(fù)雜模型機設(shè)計實驗中如何判斷硬件的故障還是軟件的故障從而找出失敗的原因,最簡單的方法是用基本模型機示例程序運行,示例程序能正常執(zhí)行,就可以確定硬件沒有問題。如果是硬件故障,則應(yīng)確定是芯片的問題還是連接線路的問題,同學之間可以相互檢查連接線路;若是軟件問題,則檢查所設(shè)計的程序,DVCC模型機有16條基本指令,要根據(jù)復(fù)雜模型機的硬件電路設(shè)計機器指令,再根據(jù)機器指令要求微程序流程圖及微程序,最后形成16進制文件,同學們也可一起仔細觀察指令的執(zhí)行情況,確定哪一條指令或微指令的設(shè)計出錯。

在討論中,教師可就理論與實驗相關(guān)問題提問,體現(xiàn)設(shè)計性和啟發(fā)性,例如,如果復(fù)雜模型機設(shè)計實驗中增加一條指令,那這條指令應(yīng)如何設(shè)計;對基礎(chǔ)一般的學生,則要求能說出本實驗中每條指令的執(zhí)行過程,調(diào)試過程中遇到的問題是怎么解決的。通過這種討論教學,能使不同層次學生受益,既保證了教學質(zhì)量,也對學生進行了鍛煉提高。

參考文獻:

[1] 任春明,劉軍.計算機組成原理實驗教學的思考與改進[J].實驗技術(shù)與管理,2006,23(10):110-111.

篇6

關(guān)鍵詞：水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)模式

中圖分類號：X924.3文獻標識碼： A 文章編號：

一、PC+PLC結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)

圖1

在水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，PC+PLC結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)得到了較為廣泛地應(yīng)用，它的技術(shù)也越發(fā)成熟，但是針對它本身賦有的特點以及功能就不在本闡述了。當前，PLC技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，而這種發(fā)展速度是建立在此結(jié)構(gòu)模式技術(shù)的改革上而實現(xiàn)的。在這種控制方案中，Windows NT可以作為系統(tǒng)軟件的平臺，而IO板卡和IO接線端子板是通用的，主要負責與工業(yè)控制現(xiàn)場溝通和聯(lián)系，所采集出來的輸入信號通過Soft PLC運行系統(tǒng)進行處理，在Soft PLC運行系統(tǒng)的前提下，Soft PLC開發(fā)系統(tǒng)所編寫的控制應(yīng)用程序被實施執(zhí)行，最后將處理完成的信號輸出到本地控制現(xiàn)場，從而使相應(yīng)的本地控制功能得以完成。

圖2

1.圖1中取消了硬PLC，它的硬件功能已經(jīng)在圖2IPC的硬件得以最大化實現(xiàn)，相關(guān)的軟件功能也通過IPC上的軟件得以實現(xiàn)。

2.PLC技術(shù)的控制方案在現(xiàn)場總線技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，這樣的話，水電廠現(xiàn)場控制設(shè)備在更新和維護過程中就會更為方便快捷，同時對于智能化、數(shù)字式的儀器、儀表設(shè)備也能夠產(chǎn)生很好的作用，從而使控制現(xiàn)場出現(xiàn)更多的控制系統(tǒng)風險，對于分布式控制的實現(xiàn)也能夠發(fā)揮一定的作用。

除此之外，軟PLC技術(shù)還存在以下幾個優(yōu)點：

1.產(chǎn)品在開發(fā)過程中的時間有所縮短，從而使編程、調(diào)試和維護更為方便。

2.通用性和兼容性都在產(chǎn)品中有所具備，那么即使IPC或者EPC不同，但是在運行中的Soft PLC也是相同的。

3.性價比高,由于Soft PLC共享IPC或EPC上的硬件和軟件資源,從而使Soft PLC的生產(chǎn)成本和運行成本較低。而Hard PLC本身由CPU、Memory、Power和I/O Port等組成,其開發(fā)和生產(chǎn)周期長,生產(chǎn)成本和使用成本高,從而導致了Hard PLC價格昂貴。

值得注意的是,采用軟PLC技術(shù)并不影響硬PLC在水電廠自動化中的應(yīng)用。軟PLC技術(shù)的出現(xiàn)對硬PLC技術(shù)是一個挑戰(zhàn),特別是當軟PLC技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合在一起應(yīng)用在工業(yè)控制現(xiàn)場或其他自動化領(lǐng)域時,則會體現(xiàn)出更強的控制能力和適用性。無論軟PLC是部分變革了硬PLC,還是完全變革了硬PLC,都無疑將給傳統(tǒng)的水電廠現(xiàn)地控制單元結(jié)構(gòu)和功能帶來變革。由于軟PLC技術(shù)是一門新興的技術(shù),就目前而言,它的應(yīng)用并未為大多數(shù)技術(shù)人員所掌握,在國內(nèi)對它的應(yīng)用還只是剛剛起步,處于探討和應(yīng)用可行性論證的階段。

例如，湖北隔河巖水電廠目前的4臺機監(jiān)控系統(tǒng)改造項目,由電力自動化研究院和中國水利水電科學研究院合作,在這個項目中,他們將采取軟PLC技術(shù),采用的產(chǎn)品是法國的Schneider Automation公司的Concept V2.1。

二、分布式控制系統(tǒng)(DCS)

分布式計算機控制系統(tǒng)又名集散型計算機控制系統(tǒng),簡稱分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,即DCS)。分布式控制系統(tǒng)綜合了計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和CRT技術(shù),集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。先進的分散型控制系統(tǒng)將以計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)為目標,以新的控制方法、現(xiàn)場總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),為用戶實現(xiàn)過程控制自動化與信息管理自動化相結(jié)合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。分布式控制系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計原則,系統(tǒng)的安全可靠性、通用靈活性、最優(yōu)控制性能和綜合管理能力,為工業(yè)過程的計算機控制開創(chuàng)了新方法。分布式控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

法國西蓋萊克(CEGELEC)公司開發(fā)的Alspa8000-P320分布式控制系統(tǒng)具有水電站和變電站所需要的各種控制和數(shù)據(jù)處理功能,為電站自動化和管理提供了全面的解決方案。另外,閘門的控制系統(tǒng)也較常采用分布式控制,而且通常是和現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合在一起應(yīng)用。

三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革,形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS (Field bus Control System),它是繼電動單元組合模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網(wǎng)絡(luò),又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶,把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng),實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管控一體化的綜合自動化功能。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術(shù)上有以下優(yōu)點: a.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、簡單,提高了系統(tǒng)的可靠性及可維護性; b.系統(tǒng)實現(xiàn)了負載和風險的完全分散,能夠?qū)崿F(xiàn)徹底地分布式控制。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)還具有下述特點: a.系統(tǒng)的開放性非常好,現(xiàn)場設(shè)備具有互可操作性與互用性; b.系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備采用智能化、數(shù)字式設(shè)備,具有功能自治性; c.系統(tǒng)對控制現(xiàn)場的適應(yīng)性較強; d.系統(tǒng)安裝、維護容易; e.用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。

參考資料：

1.秦小元;水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D];重慶大學;2006年

2.申宏;梯級電站閘門群遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D];西安理工大學;2007年

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[關(guān)鍵詞] 計算機管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)體系

計算機管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于各類計算機商務(wù)領(lǐng)域和計算機實驗室（包括網(wǎng)吧），實現(xiàn)計算機管理的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，為此系統(tǒng)的開發(fā)必須遵循安全可靠、穩(wěn)定、維護性好等原則，以便于系統(tǒng)既能滿足目前的需要，又能適應(yīng)將來擴展的需要。

一、系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

為了使系統(tǒng)能很好地滿足計算機實驗室管理的需要，根據(jù)調(diào)查和分析，系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)必須考慮以下關(guān)鍵問題。

1.安全性

計算機實驗室管理系統(tǒng)不同于一般的管理系統(tǒng)，它是集信息管理、網(wǎng)絡(luò)控制和財務(wù)管理于一體的綜合性管理系統(tǒng)，其中安全性要求最高的還是財務(wù)管理方面。為了提高實驗室的利用效率，為使用者提供優(yōu)質(zhì)學習平臺，各個計算機實驗室都會在業(yè)余時間對外開放，所以在設(shè)計機房管理系統(tǒng)時，我們把安全性作為首要考慮因素。

系統(tǒng)的安全性包括系統(tǒng)本身的安全和數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)必須既能夠防止惡意的攻擊，又能防止因誤操作引起的數(shù)據(jù)錯誤。系統(tǒng)安全主要包括以下幾個方面：

(1)如何防止使用者繞過客戶端的登錄界面。因為使用者一旦繞過登錄界面，就會造成管理失控現(xiàn)象的發(fā)生，這樣就不能有效地對使用者進行正常的控制和管理，整個系統(tǒng)形同虛設(shè)。

(2)如何防止使用者正常登錄以后拔掉網(wǎng)線。若登錄后再拔掉網(wǎng)線，則客戶端和服務(wù)器的信息交流就會中斷，管理人員同樣不能對使用者進行管理，造成和繞過登錄界面同樣的后果。

(3)如何防止對系統(tǒng)的惡意攻擊。如果服務(wù)器在實驗過程中遭到惡意攻擊，造成服務(wù)器數(shù)據(jù)的丟失或系統(tǒng)的癱瘓，就會給實驗帶來災(zāi)難性后果，直接影響到正常的實驗課上課工作，造成教學事故。

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)的安全。由于對計算機和使用者的管理都是通過網(wǎng)絡(luò)來進行的，所以網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩惋@得非常重要。一旦網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)被截或被修改，則整個系統(tǒng)的功能就會紊亂，嚴重的會造成系統(tǒng)的癱瘓，帶來的后果不可預(yù)測。

(5)數(shù)據(jù)庫的安全。數(shù)據(jù)庫中記錄著整個系統(tǒng)正常運行時的所有數(shù)據(jù)，包括使用者的收費信息、上機記錄、機房中每臺計算機的信息、使用者和管理員的信息等。這些信息都是系統(tǒng)正常運行的保證。因此必須要保證這些信息的絕對安全。

2.系統(tǒng)速度

系統(tǒng)速度主要包括使用者登錄的速度、控制消息傳輸?shù)乃俣?、使用者用機的上網(wǎng)速度以及服務(wù)器對各種消息的響應(yīng)速度。系統(tǒng)速度的快慢對系統(tǒng)的性能有很大的影響。如果使用了計算機實驗室管理系統(tǒng)后，造成使用者上機速度緩慢或控制信息響應(yīng)很慢，則系統(tǒng)就失去了它的實用意義。

3.網(wǎng)絡(luò)延時

計算機實驗室管理系統(tǒng)中管理人員對機房的管理是通過遠程控制來實現(xiàn)的。遠程控制就是將被控制對象與控制器在地理位置上進行分離，采用一定的通信手段，來實現(xiàn)控制信息和反饋信息的傳輸。計算機實驗室管理系統(tǒng)是基于Internet的遠程控制系統(tǒng)，而Internet的設(shè)計初衷是為了滿足資源共享，注重信息傳遞的準確性和傳送的信息量，而非信息傳遞的實時性，因此不能保證遠程控制系統(tǒng)中運動信息的實時傳遞。實驗表明，在信息傳遞的過程中將產(chǎn)生較大的延時和一定的延時不確定性。這種情況很容易造成控制信息和數(shù)據(jù)的丟失，對網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)速度都有很大的影響，并嚴重影響基于Internet遠程控制的性能。因此網(wǎng)絡(luò)延時也是系統(tǒng)設(shè)計時不能忽略的一個重要因素。

4.合理設(shè)計數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)開發(fā)時主要涉及兩大問題：網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫。而數(shù)據(jù)庫是所有信息保存的場所，它的設(shè)計是否合理直接影響到系統(tǒng)軟件的質(zhì)量，影響到軟件對數(shù)據(jù)訪問的速度。建立數(shù)據(jù)庫需要考慮以下幾個問題：

(1)數(shù)據(jù)的一致性。由應(yīng)用程序產(chǎn)生工作編碼，要保證不同工作任務(wù)具有不同編碼，工作編碼具有惟一性。

(2)合理冗余。如果數(shù)據(jù)冗余低，數(shù)據(jù)的完整性容易得到保證，但增加了表間連接查詢的操作，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間，合理的數(shù)據(jù)冗余是必要的。

(3)合理選擇數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)類型的合理選擇對于數(shù)據(jù)庫的性能和操作具有很大的影響，因為不同的數(shù)據(jù)類型所占用的存儲空間、運算速度都不一樣，所以對數(shù)據(jù)類型的選擇是否合理對程序性能的優(yōu)劣有很大影響。

(4)數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲。規(guī)范化的數(shù)據(jù)存儲不但有利于我們養(yǎng)成良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計習慣，提高程序的質(zhì)量，而且對日后的數(shù)據(jù)庫維護也有很大的益處。

5.進程同步

保證數(shù)據(jù)能夠被正確使用。系統(tǒng)客戶端登陸到服務(wù)器時，必須使用進程同步技術(shù)保證登錄數(shù)據(jù)能被服務(wù)器正確驗證。

6.合理運用新技術(shù)

圖1C/S模式

在開發(fā)軟件過程中，如何合理運用新技術(shù)應(yīng)該遵循以下三個原則:

(1)創(chuàng)新原則，體現(xiàn)先進性；

(2)經(jīng)濟原則，體現(xiàn)實用性；

(3)前瞻性原則，體現(xiàn)發(fā)展性。

二、C/S （Client/Server）體系結(jié)構(gòu)

C/S模型可分為傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)和三層C/S的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)就是兩層的C/S結(jié)構(gòu)，它的基本思想是把集中在一起的應(yīng)用劃分成功能不同的兩個部分，分別在不同的計算機上運行，通過它們的分工合作來實現(xiàn)一個完整的功能。在這兩部分中，一個為服務(wù)器程序，用來響應(yīng)和提供固定的服務(wù)；另一個為客戶機程序，用來向服務(wù)器提出請求和要求某種服務(wù)。在系統(tǒng)中，服務(wù)器端運行的是服務(wù)器程序，而其他的運行的是客戶機程序如圖1所示。

三層的C/S結(jié)構(gòu)，又稱多層分布式應(yīng)用系統(tǒng)，如圖2所示。就是在客戶層和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層之間添加一個中間層（應(yīng)用程序服務(wù)器），該中間層負責完成C/S模式下的各種業(yè)務(wù)規(guī)則數(shù)據(jù)的處理任務(wù)。客戶端的應(yīng)用程序只需要向應(yīng)用程序服務(wù)器發(fā)送簡單命令，來提交用戶的需求。增加中間層后，系統(tǒng)的性能得到了很大的提高。

圖2三層C/S結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似于三層的C/S結(jié)構(gòu)，其中的服務(wù)器模塊對管理客戶端模塊而言具有中間層的作用。

C/S模型具有以下特點：

首先，性能強，在C/S模式中，客戶端有一套完整的應(yīng)用程序，在出錯提示、在線幫助等方面都有強大的功能，并可以在子程序間切換；

其次，具有強壯的數(shù)據(jù)操縱和事務(wù)處理能力；

再次，具有嚴密的數(shù)據(jù)安全性和完整性約束，提供了更安全的存取模式；

然后，降低網(wǎng)絡(luò)的通信量；

最后，在內(nèi)部局域網(wǎng)小范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高速控制。

三、計算機商務(wù)系統(tǒng)和實驗室管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

經(jīng)反復(fù)研究和論證，結(jié)合機房管理的實際情況，將計算機實驗室管理系統(tǒng)分為4個模塊較為合適，各模塊之間的結(jié)構(gòu)采取C/S模型。各模塊分別是：服務(wù)器模塊、使用者客戶端模塊、售票客戶端模塊和管理客戶端模塊。

1.服務(wù)器模塊

圖3機房管理系統(tǒng)服務(wù)器端功能結(jié)構(gòu)圖

對各客戶端發(fā)來的信息進行響應(yīng)，并通過對客戶端信息的分析，來進行各種事務(wù)處理。服務(wù)器具有直接訪問數(shù)據(jù)庫的功能，各種客戶端對數(shù)據(jù)庫的訪問都是經(jīng)過服務(wù)器來完成的。超級用戶也可以通過對服務(wù)器的操作來完成對各種客戶端的控制。服務(wù)器端功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.使用者客戶端模塊

完成使用者登錄信息的驗證，使得使用者必須通過信息驗證才能正常使用計算機。此外它具有使用者密碼更改、余額查詢、游戲控制等功能，并定時向服務(wù)器發(fā)送在線確認信息，如圖4所示。

圖4機房管理系統(tǒng)使用者端功能結(jié)構(gòu)圖

3.售票客戶端模塊

完成售票員登錄信息的驗證、將使用者購買機票的信息傳送到服務(wù)器中，此外還具有售票員和使用者密碼的更改、機時比率的設(shè)置與更改等功能如圖5所示：

圖5機房管理系統(tǒng)售票端功能結(jié)構(gòu)圖

4.系統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)

圖6機房管理系統(tǒng)管理員端功能結(jié)構(gòu)圖

5.管理客戶端模塊

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關(guān)鍵詞:計算機組成;計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu);課程群建設(shè);教學改革

隨著多核/眾核處理器以及可重構(gòu)計算技術(shù)的出現(xiàn),計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)面臨重大改變,給相關(guān)課程的教學提出了新的問題和新的挑戰(zhàn)。如何在教學內(nèi)容中體現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展?如何利用FPGA技術(shù)提升實驗水平?如何統(tǒng)一規(guī)劃相關(guān)課程的教學?特別是在不久的將來,計算機體系結(jié)構(gòu)可能發(fā)生重大變革的情況下,如何為那些將要在新型體系架構(gòu)下從事計算機科學和技術(shù)研究和開發(fā)的學生打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)?這些都是我們近年來一直考慮的問題。帶著這些問題,我們跟蹤了美國幾個一流大學近幾年來相關(guān)課程的教學內(nèi)容及實驗方法。對照國際一流大學的先進做法,結(jié)合我校計算機人才的培養(yǎng)目標,我們提出了“計算機組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)思路,并根據(jù)實際情況對相關(guān)課程進行了教學改革實踐。

1國外一流大學相關(guān)課程教學情況

通過對UC Berkeley、Stanford和MIT等多個美國一流大學在相關(guān)課程方面教學情況[1-5]的跟蹤,我們發(fā)現(xiàn),這些大學對相關(guān)課程教學都進行了調(diào)整,通過開設(shè)新課程或調(diào)整相關(guān)課程教學內(nèi)容加入了多核/多線程處理器的相關(guān)內(nèi)容,特別強調(diào)學生對HDL、FPGA、SOC、并行體系結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計等技術(shù)的掌握。這些大學在相關(guān)課程教學內(nèi)容和實驗內(nèi)容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水線CPU設(shè)計技術(shù)和存儲器層次化結(jié)構(gòu)為核心內(nèi)容,教學理念和教學思路也非常相似,都是站在計算機系統(tǒng)的高度闡述計算機硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想,強調(diào)軟件與硬件的關(guān)聯(lián),使學生能很好地在高級語言程序、匯編語言程序、機器指令代碼和硬件機器結(jié)構(gòu)之間建立相互的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系,以建立對計算機系統(tǒng)的整體認識。

圖1給出了美國UC Berkeley大學2009年相關(guān)課程的設(shè)置概況,圖中箭頭反映課程開設(shè)先后關(guān)系。

圖1UC Berkeley大學相關(guān)課程設(shè)置[2]

CS61C(Machine Structure)主要包括C語言程序設(shè)計、指令流水線和存儲器層次結(jié)構(gòu)等方面的基礎(chǔ)內(nèi)容,以“C語言MIPS匯編MIPS目標代碼MIPS處理器設(shè)計”為主線組織內(nèi)容,以“高級語言程序設(shè)計”實驗和“模擬器”實驗為手段,使學生建立單處理器計算機系統(tǒng)的整機概念。

CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介紹數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識和EDA設(shè)計技術(shù),2009年以前的實驗主要是在FPGA開發(fā)板上進行視頻解碼及播放電路設(shè)計開發(fā),從2009年開始改為“流水線CPU設(shè)計”,要求學生采用流水線方式設(shè)計實現(xiàn)16條MIPS指令,以串行接口方式從PC上裝入程序到FPGA開發(fā)板,并通過PC調(diào)試程序,最終通過VGA接口,將FPGA板連接到一個顯示器上,在該顯示器上顯示由所設(shè)計的CPU執(zhí)行的一個游戲程序的執(zhí)行結(jié)果,如圖2所示。

圖2UC Berkeley大學CS150課程綜合實驗內(nèi)容[3]

CS 152(Computer Architecture & Engineering)著重介紹多處理器并行計算機體系結(jié)構(gòu),包括多核/眾核處理器、多處理器計算機系統(tǒng)以及各類并行處理機制等。

CS194為新開設(shè)的本科生課程,是一門基于FPGA的以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗為主的課程。在開設(shè)新課程的同時,該校還對相關(guān)課程內(nèi)容進行了調(diào)整,從2009年開始,將CS152中基于FPGA的流水線CPU設(shè)計實驗移到了CS150課程中,把原來研究生課程CS252中的很多內(nèi)容移到了CS152。

由此可見,在這類課程的教學中,UC Berkeley近兩年有一個明顯變化,就是在保留傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時加強了基于FPGA的硬件設(shè)計能力的培養(yǎng)。此外,在本科教學中加深了并行體系結(jié)構(gòu)方面的教學內(nèi)容,而且教學內(nèi)容的調(diào)整是在對相關(guān)幾門課的統(tǒng)籌規(guī)劃下進行的。

2課程群建設(shè)思想

隨著多核/眾核處理器技術(shù)的出現(xiàn),我們意識到,必須對計算機組成與體系結(jié)構(gòu)方面的教學內(nèi)容進行調(diào)整。我們首先對本系開設(shè)的所有課程的教學內(nèi)容進行了梳理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào),教學存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課堂教學和實驗內(nèi)容不匹配、課程之間內(nèi)容脫節(jié)等問題。有必要將相關(guān)課程組成一個課程群,以便在一個完整的框架體系下統(tǒng)一規(guī)劃、相互協(xié)調(diào),構(gòu)建科學合理的計算機組織與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程教學體系。為此,從2007年開始,我們提出并實施了“計算機組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)方案。

2.1課程群教學目標

根據(jù)本課程群在計算機系統(tǒng)中的重要位置,結(jié)合我系的生源情況和培養(yǎng)目標,我們提出課程群的基本教學目標為:提高學生對計算機系統(tǒng)的全面認識水平和系統(tǒng)設(shè)計能力,建立計算機整機概念,全面理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。具體包括以下幾個方面:了解計算機指令集體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和設(shè)計原理;具備使用HDL進行計算機硬件設(shè)計的基本能力;深刻理解OS和硬件之間的分工和銜接關(guān)系;掌握從硬件角度出發(fā)進行編譯優(yōu)化的基本技術(shù);深刻理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理;提高利用硬件知識進行程序調(diào)試的能力。

2.2課程群建設(shè)思路

課程群建設(shè)的總體思路為:1)根據(jù)課程群建設(shè)總體目標,規(guī)劃好課程群涵蓋的知識結(jié)構(gòu)和框架體系,合理定位各門課程的教學目標,把每個知識點落實到具體課程中。2)根據(jù)課程群知識點總體框架,擬定課程之間知識點銜接方案,并在教學過程中明確各知識點在不同課程之間的關(guān)系。3)根據(jù)規(guī)劃分頭編寫或修訂教材及教案,并在統(tǒng)一的框架下建設(shè)相關(guān)課程網(wǎng)站。4)在保留各課程獨立實驗平臺的同時,構(gòu)建一個課程群公共實驗平臺,并使各課程實驗內(nèi)容按照一定的關(guān)系有機聯(lián)系起來。

3課程群教學改革實踐

我們首先對現(xiàn)有課程進行了調(diào)整。將原先模擬電子技術(shù)部分內(nèi)容合并到數(shù)字邏輯電路設(shè)計中,形成數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)課程;將原先的計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容合并,形成計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程;同時建設(shè)一門新課高級并行體系結(jié)構(gòu)。通過對相關(guān)課程的調(diào)整,我們構(gòu)建了以“計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”為核心的課程群,如圖3所示。

圖中箭頭表示課程前后關(guān)系,其中計算機系統(tǒng)概論、數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)、計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為必修課;微機原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)原理、高級并行體系結(jié)構(gòu)為選修課。此外,為了加強對學生FPGA、EDA、數(shù)字系統(tǒng)和流水線CPU等方面設(shè)計和實踐能力的培養(yǎng),課程群教學規(guī)劃中專門設(shè)置了數(shù)字邏輯電路設(shè)計和計算機組成原理必修實驗課。

3.1各課程在課程群教學中的定位

圍繞課程群教學目標,根據(jù)課程之間的相互關(guān)系,我們確立了各課程在課程群教學目標中的定位:1)計算機系統(tǒng)概論從宏觀上介紹計算機系統(tǒng)涉及到的各個層次的內(nèi)容,讓學生從整體上了解計算機系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識體系。2)數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)圍繞組合邏輯設(shè)計和時序邏輯設(shè)計兩大核心內(nèi)容,在邏輯門到功能部件這兩個層次展開。以后續(xù)課程中用到的功能部件作為設(shè)計實例,采用“實例化”教學思路組織教學內(nèi)容。3)計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從寄存器傳送級以上層次介紹單處理器計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本原理,實驗重點在CPU設(shè)計和存儲器方面。該課程處于課程群中核心地位,一方面,先行課程中學生感到似是而非的問題在此要明確;另一方面,需要運用先行課程的基本功能部件構(gòu)建更大規(guī)模和更強功能的部件;此外,本課程中提出的設(shè)計原則和實現(xiàn)原理要在后繼課程的計算機系統(tǒng)實例中得到體現(xiàn)。4)微機原理與接口技術(shù)定位為計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理在PC上的實例化教學課程,主要以目前流行的基于IA-32體系結(jié)構(gòu)的PC為實例,實驗重點內(nèi)容在PC的I/O接口技術(shù)。5)嵌入式系統(tǒng)原理定位為計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理在嵌入式系統(tǒng)方面的實例化教學課程。實驗教學重點是基于ARM處理器和VxWorks及 COS-Ⅱ操作系統(tǒng)的簡單嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)。6)高級并行體系結(jié)構(gòu)主要在更高層次上介紹多核/眾核CPU、多處理機系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的多處理器并行計算機系統(tǒng)的工作原理、實現(xiàn)方式及其應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2各課程教學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和銜接

課程群中的課程之間有很多關(guān)聯(lián),必須合理處理好關(guān)聯(lián)內(nèi)容,使課程之間能有機銜接。對于關(guān)聯(lián)內(nèi)容,我們的主要處理思路如下:

1) 數(shù)據(jù)的表示。

對于進位計數(shù)制及其相互之間的轉(zhuǎn)換、ASCII碼

表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、漢字編碼、無符號數(shù)表示、帶符號數(shù)表示,要求學生在計算機系統(tǒng)概論課程中掌握,而在后繼課程中作為“回顧”內(nèi)容;各種BCD碼的介紹和相關(guān)電路設(shè)計內(nèi)容在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)中講解;補碼特性和浮點數(shù)的表示則在計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細介紹。

2) 功能部件。

邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲器的實現(xiàn)技術(shù)由數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)詳細介紹;計算機系統(tǒng)概論課程僅作概要性的功能說明和解釋;計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程則運用這些基本電路來構(gòu)建更大的功能部件。

3) 外存儲器。

有關(guān)磁盤信息的存儲、磁盤存儲器的構(gòu)造、磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器的接口、磁盤存儲器的性能指標等內(nèi)容主要在計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細介紹;計算機系統(tǒng)概論課程僅作概要性說明;微機原理和接口技術(shù)中不再講解。

4)I/O設(shè)備及其接口。

計算機系統(tǒng)概論課程從計算機硬件系統(tǒng)組成的角度簡單提一下常用的外部設(shè)備的功能;計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要介紹各種外設(shè)抽象出來的一個通用結(jié)構(gòu),以及外設(shè)控制器的通用結(jié)構(gòu),并著重解釋清楚“外設(shè)―I/O接口(外設(shè)控制器)―I/O總線―主機”的連接關(guān)系;微機原理與接口技術(shù)則具體介紹PC機所用的一些接口電路、I/O總線及其互連。

5) 虛擬存儲器。

計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要介紹虛擬存儲器的基本概念和MMU中涉及的地址變換、頁表和段表結(jié)構(gòu)、快表,以及如何發(fā)現(xiàn)“缺頁”和發(fā)生“缺頁”時處理器中進行的一系列處理步驟;微機原理與接口技術(shù)具體介紹Pentium系列處理器對虛擬存儲器的支持,包括段選擇子、段描述符/描述符表、邏輯地址―線性地址―物理地址的轉(zhuǎn)換等。對于“缺頁”處理過程中涉及的問題,操作系統(tǒng)課程將會作詳細介紹。

3.3課程實驗內(nèi)容的規(guī)劃和實施

課程群的實驗教學思路是,將各課程中相關(guān)實驗內(nèi)容規(guī)劃在統(tǒng)一平臺上實現(xiàn),使得實驗內(nèi)容相互依托、避免重復(fù),由低層逐步向高層過渡,最終使學生全面建立計算機系統(tǒng)的整機概念。

統(tǒng)一實驗平臺是Altera DE2/70開發(fā)板,其上擁有70000個邏輯單元的Cyclone® II 系列2C70型FPGA 芯片,并配有軟核處理器NiosII和相應(yīng)的開發(fā)軟件:Quartus II、SOPC Builder、NiosII IDE、DSP Builder等,可以開展以下五個層次的實驗:功能部件CPU+存儲器軟核處理器+存儲器+總線+I/O軟核處理器系統(tǒng)+OS軟核處理器系統(tǒng)+OS+多媒體編碼等應(yīng)用。

在Altera DE2/70統(tǒng)一實驗平臺上開展的實驗主要有以下幾個方面:

1) 數(shù)字邏輯電路實驗。

利用Quartus II實現(xiàn)基于HDL和FPGA的組合電路、時序電路和簡單數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗。

2) 計算機組成原理實驗。

利用Quartus II實現(xiàn)基于HDL和FPGA的ALU、寄存器組、桶型移位器、乘/除法器,單周期CPU、多周期CPU和流水線CPU的設(shè)計實驗。

3) 微機原理與接口實驗。

基于軟核處理器和SOPC開展總線、存儲器和I/O接口實驗。例如,通過總線實現(xiàn)外設(shè)和SRAM相連;利用UART實現(xiàn)輪詢、中斷和DMA方式I/O。

4) 嵌入式系統(tǒng)原理實驗。

主要包括兩類實驗:(1)基于NiosII+μCOS操作系統(tǒng)的實驗,例如七段數(shù)碼管顯示實驗、小型GUI

移植實驗和文件系統(tǒng)讀寫實驗等;(2)基于NiosII IDE的簡單應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實驗,例如簡單C語言編程實驗、簡單DSP處理實驗等。

有些課程除了在以上統(tǒng)一實驗平臺上開展實驗以外,還要求完成其他實驗,如計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的編程實驗,微機原理與接口的匯編程序設(shè)計實驗,嵌入式系統(tǒng)原理的基于ARM處理器的實驗等。

4結(jié)語

經(jīng)過近年來的課程群教學改革實踐,我校相關(guān)課程的教學內(nèi)容在廣度和深度上都有提高;課程間知識點的銜接更加合理,減少了重復(fù),彌補了缺失。通過統(tǒng)一規(guī)劃,課堂教學內(nèi)容和實驗內(nèi)容相得益彰;在對課程群統(tǒng)一的教學實驗平臺和統(tǒng)一實驗內(nèi)容的規(guī)劃下,我們實現(xiàn)了各課程間實驗內(nèi)容的有機銜接。

由于課程群的建設(shè)時間較短,需要開展的工作還有很多,今后幾年,我們主要在以下幾個方面繼續(xù)進行課程群教學改革實踐:編寫相關(guān)課程教材以開展課程群系列化教材建設(shè);加強實驗教學內(nèi)容,增加和完善各類模擬器實驗;開設(shè)計算機系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗課程。

相信通過以上一系列的教學改革措施,一定會改變學生“喜軟怕硬”的心理。學生對計算機組織與體系結(jié)構(gòu)方面知識的掌握水平和運用能力將會有較大提高,為后續(xù)課程的學習打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻:

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[5]MIT. Computation Structures[EB/OL].[2009-05-08]. 6004.csail.mit.edu.

Construction and Reform of “Computer Organization and Architecture” Courses Group

YUAN Chun-feng, HUANG Yi-hua, WU Gang-shan, YU Jian-xin, WU Hai-jun

(Department of Computer Science and Technology, Nanjing University,Nanjing 210093, China)

篇9

關(guān)鍵詞：計算機體系結(jié)構(gòu)；軟件模擬技術(shù)；發(fā)展；措施

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計及信息處理的核心工具。體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)對于計算機系統(tǒng)而言是必不可少的技術(shù)手段，通過體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)能夠不但最大程度的降低系統(tǒng)設(shè)計的費用以及時間，而且也極大提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)說白了就是通過現(xiàn)有的計算機應(yīng)用軟件，對系統(tǒng)硬件在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的使用情況以及性能進行模擬，由于計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，因此，其目前已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的手段。在分析計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)過程中所遇到問題的同時，也提出了解決問題的有效策略。

一.計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬在研發(fā)中存在的問題

計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)m然具有一定的優(yōu)勢，但也有一定的技術(shù)難題制約著其發(fā)展，例如計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開發(fā)難度大、軟件模擬器的處理精度較差等。

（一）計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的研發(fā)具有一定的難度

眾所周知，計算機信息處理系統(tǒng)及其復(fù)雜，如果僅通過軟件模擬器就想體現(xiàn)其在運行過程中，計算機系統(tǒng)內(nèi)部各個部件的工作狀態(tài)，幾乎是不可能的。將復(fù)雜化的計算機系統(tǒng)進行簡單化處理最有效的方式就是對計算機系統(tǒng)進行分層處理。而體系結(jié)構(gòu)就是在這個基礎(chǔ)上簡化了系統(tǒng)，但經(jīng)過分層處理之后的計算機系統(tǒng)，對于人們研究來說還是很復(fù)雜。另外，當前計算機系統(tǒng)的編程語言都是采用串行結(jié)構(gòu)的C語言，利用C語言對系統(tǒng)內(nèi)部元件進行模擬，不但耗時嚴重，而且如果中間一旦出現(xiàn)失誤，那么整個編程語句將無法運行[4]。

（二）模擬器的處理精度較差

軟件模擬器的運行精度較差主要是因為模擬器在研發(fā)過程中的設(shè)計不合理，或者是模擬器沒有應(yīng)用合理的策略。軟件模擬器的開發(fā)主要經(jīng)歷三個步驟，首先是模擬器在理論上的研究及設(shè)計思路，其次是設(shè)計符合計算機系統(tǒng)的模擬器，最后則是實現(xiàn)模擬器的正常功能。軟件在研發(fā)的過程中如果出現(xiàn)失誤，對于第一個步驟而言，很有可能出現(xiàn)不能夠正確分析計算機系統(tǒng)的各種模擬需求。對于第二個步驟而言，所造成的設(shè)計失誤極有可能就是不能夠正切構(gòu)建計算機系統(tǒng)的內(nèi)部，導致模擬器的錯誤設(shè)計。另外，模擬器的運行時間也會影響模擬器的使用精度，運行時間越長，則使用精度就越差。總而言之，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的設(shè)計之所以對軟件模擬技術(shù)很重要，則是因為其還是計算機系統(tǒng)設(shè)計中的重要內(nèi)容。甚至可以說，軟件模擬器的質(zhì)量決定者計算機處理器的設(shè)計質(zhì)量和效率。

二.解決計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)研發(fā)問題的措施

（一）降低計算機系統(tǒng)性能測試程序中的輸入?yún)?shù)

為了縮短對模擬器的性能測試的程序運行時間，首先要在不改變標準化的計算機系統(tǒng)性能測試中的運行指令的前提下，對計算機系統(tǒng)性能檢測程序中的輸入?yún)?shù)進行科學合理的更正，這種方式不僅能夠利用少量的輸入?yún)?shù)使模擬器正常運行，而且還保證了模擬器運行結(jié)構(gòu)準確代表計算機系統(tǒng)各個程序指令的模擬運作結(jié)果，不僅提升了模擬器運行的精度，而且還有效的降低了模擬器在運行性能檢測程序過程中的運作時間[5]。

（二）減少運作模擬程序指令數(shù)量

在對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件的性能進行標準性能檢測程序的過程中，要科學合理的采用正確的模擬程序指令進行操作，并用這些指令運作的結(jié)果代替原有的運作結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，準確的模擬程序指令是提高模擬運作速度和精度的最佳方法。通常情況下，可利用統(tǒng)計方式抽樣選擇運行程序指令和直接性截獲連續(xù)程序指令這兩種方式選擇運作模擬程序指令。其中，直接性截獲連續(xù)程序指令的操作過程與統(tǒng)計方式抽樣選擇運行的程序指令方式相比較為容易，但缺點就是精度低，而統(tǒng)計方式抽樣選擇運行程序指令雖然操作過程較為復(fù)雜，但其模擬精度高。

三.總結(jié)

隨著計算機系統(tǒng)更新頻率的加快，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的重要性日益凸顯，從上述內(nèi)容可得知，計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的工作內(nèi)容主要是針對計算機中央處理器以及計算機系統(tǒng)設(shè)計。模擬技術(shù)水平在很大程度上影響著計算機系統(tǒng)的設(shè)計效果和計算機處理器的制作水平。其次，由于計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，所以其注定將成為信息時代人們關(guān)注和研究的重點問題。而計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)也必將會計算機體系結(jié)構(gòu)的重點技術(shù)。

參考文獻

[1]李振.淺析計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)[J].大科技.2016（3）.

[2]閆雨石.計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)淺析[J].工業(yè).2016（9）：00262-00262.

篇10

本期名師講堂欄目，我們特別介紹身體力行、精益求精、銳意進取、改革創(chuàng)新的張晨曦教授，體味一名老教師“傳道、授業(yè)、解惑”之心路歷程，感悟他那“蠟炬成灰淚始干”的執(zhí)著追求和無私奉獻的教育之魂。

張晨曦，男，1960年9月生于福建龍巖?，F(xiàn)任同濟大學軟件學院教授，博士生導師。1988年獲博士學位，后一直在國防科技大學計算機學院工作，2005年9月調(diào)入同濟大學。國家級“中青年有突出貢獻專家”，國家杰出青年基金獲得者，先后主持了4項國家自然科學基金項目。張老師15歲就當上了中學教師，大學畢業(yè)后繼續(xù)從事教學工作，對教學方法和現(xiàn)代教育技術(shù)有較深入的研究，提出了面向遠程教育和CAI的動畫解析教學法。

張老師主講計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和從事系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究20余年，作為國防科技大學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的負責人，進行了一系列的教學改革和課程建設(shè)，取得了突出的成績。早在20世紀90年代初，他就自籌資金進行CAI課件的開發(fā)。1992年開發(fā)出了國內(nèi)第一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAI課件(含30個動畫)，在清華、北大等全國10多所高校獲得應(yīng)用。2003年完成教育部新世紀網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)工程項目“計算機體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)課程”，在同濟大學負責建設(shè)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程于2008年被評為國家級精品課程，他負責的“嵌入式軟件開發(fā)導論”課程被評為2006年度“教育部-微軟”精品課程。