引論：我們?yōu)槟砹?3篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于1946年，在問世將近70年的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)共歷經(jīng)電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代、晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代、中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代和巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代，計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的一個(gè)重要指標(biāo)就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念
1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的概念
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組合而成的一個(gè)有機(jī)整體，如果繼續(xù)細(xì)分可以分成7層。L0：硬聯(lián)邏輯電路；L1：微程序機(jī)器級(jí)；L2：機(jī)器語(yǔ)言級(jí)；L3：操作系統(tǒng)級(jí)；L4：匯編語(yǔ)言級(jí)；L5：高級(jí)語(yǔ)言級(jí)；L6：應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)。其中L0級(jí)由硬件實(shí)現(xiàn)；L1級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是微指令級(jí)，用固件來(lái)實(shí)現(xiàn)；L2級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器指令集，用L1級(jí)的微程序進(jìn)行解釋執(zhí)行；L3級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言由傳統(tǒng)機(jī)器指令集和操作系統(tǒng)級(jí)指令組成，除了操作系統(tǒng)級(jí)指令由操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行外，其余用這一級(jí)語(yǔ)言編寫的程序由L2和L3共同執(zhí)行；L4級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言，該級(jí)語(yǔ)言編寫的程序首先被翻譯成L2或L3級(jí)語(yǔ)言，然后再由相應(yīng)的機(jī)器執(zhí)行；L5級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言，用該級(jí)語(yǔ)言編寫的程序一般被翻譯到L3或L4上，個(gè)別的高級(jí)語(yǔ)言用解釋的方法實(shí)現(xiàn)；L6級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言適應(yīng)用語(yǔ)言，一般被翻譯到L5級(jí)上。
1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為經(jīng)典的定義是Amdahl等人在1964年提出的：由程序設(shè)計(jì)者所看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。由于計(jì)算機(jī)具有不同的層次結(jié)構(gòu)，所以處在不同層次的程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)的屬性顯然不同。
2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展
2.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
當(dāng)Amadahl在1964年提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義時(shí)，也提出了采用系列機(jī)的思想，它的出現(xiàn)被譽(yù)為計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。當(dāng)人們普遍采用系列機(jī)思想后，較好的把硬件技術(shù)飛速發(fā)展與軟件環(huán)境要求相對(duì)穩(wěn)定的矛盾解決了，這就要求系列機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持基本不變。其中，最重要的是保持它的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)以及其他概念性的結(jié)構(gòu)保持不變。
2.2 馮?諾依曼結(jié)構(gòu)
馮?諾依曼結(jié)構(gòu)（也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)）是美國(guó)數(shù)學(xué)家馮?諾依曼在1946年提出的，他將計(jì)算機(jī)分為五大部件：運(yùn)算器；控制器；存儲(chǔ)器；輸入設(shè)備；輸出設(shè)備。其基本思想是存儲(chǔ)程序，主要特點(diǎn)是：（1）單處理機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)器以運(yùn)算器為中心；（2）采用程序存儲(chǔ)思想；（3）指令和數(shù)據(jù)一樣可以參與運(yùn)算；（4）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示；（5）將軟件和硬件完全分離；（6）指令由操作碼和操作數(shù)組成；（7）指令順序執(zhí)行。
2.3 對(duì)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
為了更好的優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，人們不斷對(duì)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，總的來(lái)說(shuō)，共采用兩種方法。一種是在馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行“改良”；另一種是采用“革命”的方法，即脫離馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，和其工作方式完全不同，統(tǒng)成為非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。
2.4 哈佛結(jié)構(gòu)
哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分為三大部件：（1）CPU；（2）程序存儲(chǔ)器；（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它的特點(diǎn)是將程序指令和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器采用不同的總線，因而較大的提高了存儲(chǔ)器的帶寬，使之?dāng)?shù)字信號(hào)處理性能更加優(yōu)越。
2.5 其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
馮?諾依曼結(jié)構(gòu)開啟了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的先河，但是因?yàn)槠浼小㈨樞虻牡目刂贫蔀樾阅芴岣叩钠款i，因此各國(guó)科學(xué)家仍然在探索各種非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，比如，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，函數(shù)式編程語(yǔ)言計(jì)算機(jī)等都是較為著名的非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。
3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法
研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法可以幫助我們加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)以及對(duì)系統(tǒng)工作原理和性能的理解。下面簡(jiǎn)單介紹2種比較常用的分類方法：Flynn分類法；馮氏分類法。
3.1 Flynn分類法
由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由多級(jí)層次構(gòu)成，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)就可以有三種方法：（1）“從下往上”設(shè)計(jì)；（2）“從上往下”設(shè)計(jì)；（3）“從中間開始”設(shè)計(jì)。
4.1 “從下往上”設(shè)計(jì)
首先根據(jù)能夠得到的硬件，參照已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的各種機(jī)器的特點(diǎn)，開發(fā)出將微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)設(shè)計(jì)出來(lái)，然后依次往上設(shè)計(jì)，最后將面向機(jī)器的虛擬機(jī)器級(jí)設(shè)計(jì)出來(lái)。在硬件技術(shù)高速發(fā)展而軟件技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢的今天，如果繼續(xù)采用這種設(shè)計(jì)方法，會(huì)導(dǎo)致軟件和硬件的脫離，因此已經(jīng)很少使用這種方法。
4.2 “從上往下”設(shè)計(jì)
首先根據(jù)應(yīng)用的需求，確定好整個(gè)系統(tǒng)的框架，然后逐層向下進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)可以兼顧到上層的優(yōu)化，最后設(shè)計(jì)出微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)。這種設(shè)計(jì)方法較好。
4.3 “從中間開始”設(shè)計(jì)
大多數(shù)將“中間”取在傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)和微操作級(jí)之間。在設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮軟硬件，定義好分界面，然后由中間點(diǎn)分別往上、往下同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此種方法可以縮短設(shè)計(jì)周期。
5 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，本文對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的介紹，它是計(jì)算機(jī)的靈魂，目前，如何更好地提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能，仍是各國(guó)科學(xué)家不斷研究的課題。
參考文獻(xiàn)
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篇2
Computer Systems Architecture Assisted Teaching
――Database Design and Implementation
Liu Wenjie
(Guangdong Trade&Industry Higher Technical School,Lechang512200,China)
Abstract:This paper introduces how to design and implement a database for computer architecture aided educational system.It introduces how to use Java Server Pages with the character of setting up and running interactive and dynamic web server and other specialties to make up dynamic page and expounds systematically how to design,create,manage and maintain the website’s database by using databases.
Keywords:System architecture;System;Database;Study forum;Dynamic page;
The on-line examination
一、引言
（一）專題輔助教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生可利用遠(yuǎn)程資源在網(wǎng)上完成學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)。但是目前很多專題學(xué)習(xí)輔助教學(xué)系統(tǒng)存在許多不足，主要包括以下幾個(gè)方面：
1.重開發(fā)實(shí)踐，輕理論研究，真正實(shí)用的教學(xué)軟件系統(tǒng)不多
2.專題選擇的范圍不恰當(dāng)
3.專題內(nèi)容多雜，針對(duì)性差，學(xué)科特征有所忽視
4.忽略“師生共建”的原則，建設(shè)主體單一化
5.輔助教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程與應(yīng)用過(guò)程分離
二、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
（一）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案
1.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化
數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)遵循生命周期法等系統(tǒng)方法，強(qiáng)調(diào)分步進(jìn)行和推遲實(shí)現(xiàn)。用戶是系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的提出者和最終使用者，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)必須強(qiáng)調(diào)用戶參與。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)應(yīng)分階段進(jìn)行，前一段的結(jié)果作為后一階段設(shè)計(jì)的依據(jù)，后一階段也可以向前一階段反饋要求。具體設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）需求分析：通過(guò)廣泛、詳細(xì)、深入的調(diào)查，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)的信息需求和處理需求，根據(jù)調(diào)查結(jié)果形成合理的需求分析說(shuō)明書，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。它包括數(shù)據(jù)庫(kù)所涉及的數(shù)據(jù)范圍、各項(xiàng)數(shù)據(jù)的特征描述、數(shù)據(jù)量等。如數(shù)據(jù)名稱、類型、是否主碼等。
（2）概念設(shè)計(jì)：利用數(shù)據(jù)庫(kù)模型表述數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在概念設(shè)計(jì)的時(shí)候先設(shè)計(jì)與具體的用戶應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行視圖集成，經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲、修改，最后得到一個(gè)能正確的反映單位數(shù)據(jù)及其相關(guān)聯(lián)系并能滿足各種處理需求的數(shù)據(jù)模型。
（3）邏輯設(shè)計(jì)：將概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為一DBMS對(duì)應(yīng)的邏輯數(shù)據(jù)模型，同時(shí)也將用戶視圖轉(zhuǎn)換為外模式。
（4）物理設(shè)計(jì)：根據(jù)具體DBMS的特點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)模式，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)并非大型數(shù)據(jù)庫(kù)所以對(duì)系統(tǒng)性能影響不大，但是同樣應(yīng)該根據(jù)處理要求、設(shè)備性能等進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
在分步設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)某一階段的設(shè)計(jì)不理想，可以立即反饋，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，通過(guò)如此反復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化。
2.數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)使用Microsoft Office Access 2003數(shù)據(jù)庫(kù)。為了保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全，限制非授權(quán)的存取，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有一個(gè)安全與授權(quán)子系統(tǒng)。它包括方面的內(nèi)容：第一，為管理員提供建立用戶帳號(hào)和密碼，第二，進(jìn)行安全性檢查。
在本教學(xué)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)安全體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
（1）采用數(shù)據(jù)庫(kù)密碼的登錄。
（2）采用MD5加密算法進(jìn)行加密。防止了SQL的注入，即使數(shù)據(jù)庫(kù)被非法登入也無(wú)法知道用戶的登陸信息，大大提高了用戶信息的安全性。
（二）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
1.學(xué)習(xí)論壇模塊數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的功能
學(xué)習(xí)論壇系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)功能如下所示：
（1）用戶注冊(cè)：以嚴(yán)格的注冊(cè)流程，合理化的動(dòng)態(tài)表單，實(shí)現(xiàn)注冊(cè)人員的信息收集。
（2）用戶登陸：動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)窗口登陸，功能引導(dǎo)，并對(duì)非法登陸給予限制。同時(shí)登陸時(shí)根據(jù)權(quán)限授予相應(yīng)的功能，登陸時(shí)分三種權(quán)限：普通用戶，斑竹，超級(jí)管理員。用戶登陸頁(yè)面。
（3）帖子管理：對(duì)各欄目帖子的管理，可以簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)帖子的回復(fù)，打印，增刪新貼。同時(shí)可以搜索相應(yīng)發(fā)貼人的資料。
（4）公告管理：管理員可隨時(shí)登陸更新公告的信息，修改，添加，刪除已的公告信息。
（5）用戶管理：超級(jí)管理員可以授予用戶不同的權(quán)限，通過(guò)斑竹管理相應(yīng)的論壇，減少超級(jí)管理員的工作量，方便論壇的管理。同時(shí)，管理員也可以啟用禁止用戶，修改，刪除用戶的信息及他所發(fā)的帖子。
（6）搜索功能：可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)帖子及用戶的分類快速搜索。按的時(shí)間和論壇類別進(jìn)行限制性的搜索。
（7）資料顯示：顯示當(dāng)前用戶注冊(cè)的信息及發(fā)，回帖子的情況，同時(shí)也可以對(duì)已添的資料進(jìn)行修改，刪除。
（8）論壇管理：管理員可以整添新的論壇，確定斑竹人選，還可以對(duì)已有的論壇進(jìn)行修改，刪除。
2.新聞公告模塊及在線考試模塊數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的功能
在新聞公告模塊中當(dāng)用戶打開系統(tǒng)首頁(yè)后，首先看到的是新聞動(dòng)態(tài)、站內(nèi)公告兩個(gè)版塊，其中每個(gè)版塊均顯示最新的8條信息，并且提示的標(biāo)題，時(shí)間，作者，瀏覽次數(shù)。大家可以分版塊有選擇的查看最新新聞動(dòng)態(tài)、閱讀本站的最新公告。
新聞動(dòng)態(tài)模塊與站內(nèi)公告模塊類似，點(diǎn)擊相應(yīng)的標(biāo)題就可以直接進(jìn)入相應(yīng)的閱讀，并且可以在百度上搜索與之相關(guān)的信息，如圖1。
在線考試模塊，對(duì)用戶進(jìn)行在線測(cè)試。這里選擇10道有代表性，不同難度的試題對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，目的是驗(yàn)證學(xué)生對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，答題完畢提交后會(huì)自動(dòng)顯示結(jié)果，并且給出正確的結(jié)果。
3.后臺(tái)管理模塊數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的功能
在后臺(tái)管理模塊中當(dāng)用戶打開管理首頁(yè)后，首先看到的是登陸界面，只有在正確登陸的情況下才能對(duì)后臺(tái)的信息進(jìn)行更新。后臺(tái)管理主要包括下面幾項(xiàng)功能：新聞動(dòng)態(tài)文章的管理，站內(nèi)公告文章的管理，用戶管理，站點(diǎn)信息動(dòng)態(tài)管理，頻道欄目的管理。
進(jìn)入后臺(tái)管理模塊，在后臺(tái)登陸界面中輸入相應(yīng)的用戶名和密碼，系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生四位有效驗(yàn)證碼，在上述三項(xiàng)正確填寫后，進(jìn)入后臺(tái)管理的首頁(yè)登陸成功，就可以直接進(jìn)入管理界面，進(jìn)行相應(yīng)信息的管理，如圖2所示。在首頁(yè)中，可以對(duì)用戶，新聞，公告，頻道欄目，站點(diǎn)信息進(jìn)行相應(yīng)的管理。圖3是后臺(tái)管理模塊流程圖。
三、結(jié)論
我們?cè)谘芯繃?guó)內(nèi)外已有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合師生的實(shí)際需要，開發(fā)了新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括課堂教學(xué)、學(xué)習(xí)論壇、在線考試、課件下載，維客天下，教學(xué)大綱，后臺(tái)管理等功能模塊。
本文主要介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先，說(shuō)明了利用JSP創(chuàng)建并運(yùn)行動(dòng)態(tài)交互的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的方法，然后，系統(tǒng)地闡述了使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、管理和安全維護(hù)的方法。最后，介紹了添加數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)，建立數(shù)據(jù)連接，完成數(shù)據(jù)操作，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)連接的實(shí)現(xiàn)方法。本軟件系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能比較全面、運(yùn)行良好，為廣大學(xué)生提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的輔助平臺(tái)。
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篇3
文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 24-0017-03
1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析
隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，如何合理分配計(jì)算機(jī)軟、硬件功能，最大限度地開發(fā)計(jì)算機(jī)的并行性，達(dá)到最佳性價(jià)比，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生而言，不僅要掌握計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)組成及工作原理，具備開發(fā)與應(yīng)用的技能，而且還需要進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是這樣一門面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)與分析的課程。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生開設(shè)的一門系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)綜合的課程，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，學(xué)會(huì)以高層建筑的觀點(diǎn)，以應(yīng)用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；培養(yǎng)學(xué)生以性能價(jià)格比的觀點(diǎn)去分析、評(píng)估、設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；使學(xué)生掌握當(dāng)代迅速發(fā)展的RISC技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思想和技巧；了解高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性、可擴(kuò)展性及可編程性等先進(jìn)技術(shù)思想，掌握最新的計(jì)算機(jī)流水技術(shù)和并行處理技術(shù)。
目前該課程的教學(xué)由于受到課時(shí)的限制，大多采用以教學(xué)為主，輔以適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)、定期答疑的形式進(jìn)行課程的教與學(xué)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學(xué)生感到學(xué)習(xí)這門課程有一定的難度，“只說(shuō)不練”限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，影響了學(xué)習(xí)效果。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程鏈上排在計(jì)算機(jī)組成原理之后，要求學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)有相當(dāng)程度的了解。因此該課程所學(xué)的內(nèi)容，不單是純粹的理論知識(shí)，還構(gòu)建在一定的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上，所以有必要對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)輔以實(shí)踐教學(xué)，不能對(duì)所有內(nèi)容太過(guò)“透明”，這樣才能有助于學(xué)生更深一層掌握這門課程。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通常采用的是虛擬化仿真軟件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，這些仿真軟件都具有一定的典型性，對(duì)問題的考慮較細(xì)致，而且在軟件設(shè)計(jì)上便于觀測(cè)運(yùn)行結(jié)果及進(jìn)行性能分析。但這些軟件只針對(duì)課程某一部分知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，而對(duì)于其他知識(shí)的實(shí)踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個(gè)環(huán)境，較為煩瑣。
為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合目前在北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生教學(xué)實(shí)踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)的方法，并針對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的課程實(shí)踐進(jìn)行了研討。
2EDA平臺(tái)用于課程實(shí)踐
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀的調(diào)查分析研究后，我們對(duì)該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方式，采用EDA平臺(tái)進(jìn)行單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以及最后的課程設(shè)計(jì)。通過(guò)這種實(shí)踐方式避免了以往實(shí)驗(yàn)存在的過(guò)多“驗(yàn)證性”的元素，以及實(shí)驗(yàn)中存在的插線虛接、連線折斷及無(wú)法保存?zhèn)€人電路設(shè)計(jì)造成實(shí)驗(yàn)不能間斷進(jìn)行的問題，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生良好的硬件設(shè)計(jì)思維，建立系統(tǒng)級(jí)的概念有非常重要的意義。
由于EDA平臺(tái)具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實(shí)踐的參與者。教師可以根據(jù)課時(shí)的要求，方便地調(diào)整課程實(shí)踐的方案；學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排課程實(shí)踐。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生可以根據(jù)需要選擇課程實(shí)踐中所需要的器件及芯片，按自己設(shè)計(jì)出的邏輯電路進(jìn)行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔(dān)心連線折斷、導(dǎo)線虛接等問題。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)計(jì)出的部件進(jìn)行模似仿真，測(cè)試驗(yàn)證計(jì)算機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。在課程實(shí)踐測(cè)試完成后，利用存儲(chǔ)的測(cè)試結(jié)果，提交給教師查驗(yàn)。可以看到，采用EDA平臺(tái)，能夠更好地進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的課設(shè)實(shí)驗(yàn)，并提高課設(shè)實(shí)驗(yàn)的水平及效率。
經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐改革，我們認(rèn)為采用EDA平臺(tái)方式來(lái)完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)是可行的，其中硬件設(shè)計(jì)的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學(xué)生所做的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以在課程設(shè)計(jì)中繼續(xù)使用，不同的功能部件設(shè)計(jì)以及不同的模型機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性，學(xué)生的創(chuàng)造性得到了發(fā)揮，這也給我們帶來(lái)了啟示，能否利用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中的一些成果，將EDA平臺(tái)引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中來(lái)，使得學(xué)生在前面課程中的硬件設(shè)計(jì)不會(huì)因?yàn)檎n程的結(jié)束而結(jié)束，這不僅有助于課程的延續(xù)性，也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
為了驗(yàn)證EDA平臺(tái)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐中的可行性，我們針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Cache存儲(chǔ)體系采用EDA平臺(tái)進(jìn)行了有意的探索。此內(nèi)容在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中占據(jù)著很重要的一節(jié)，通過(guò)講述主存與Cache的地址映像方式等內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有更深刻的認(rèn)識(shí)，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。
我們依然采用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中使用的Quartus II平臺(tái)。該平臺(tái)是完全集成化、易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，具有硬件描述語(yǔ)言、電路原理圖、時(shí)序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標(biāo)準(zhǔn)門電路、芯片等邏輯器件，完成數(shù)字電路從設(shè)計(jì)輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過(guò)程。該系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學(xué)生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺(tái)進(jìn)行邏輯電路及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
為了避免在單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)上花費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，且從課程延續(xù)性角度考慮，可以選擇在計(jì)算機(jī)組成原理課程中設(shè)計(jì)的模型機(jī)上構(gòu)建這個(gè)系統(tǒng)，在模型機(jī)總體結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)Cache模塊，如圖1所示。系統(tǒng)總體框圖與模型機(jī)結(jié)構(gòu)類似，除了Cache部件外，只是在控制信號(hào)微命令上有所增加。為了體現(xiàn)Cache的功能，模塊內(nèi)可以包括地址映像，地址轉(zhuǎn)換，替換算法等功能部件，基本上包含了課程中所講授的知識(shí)點(diǎn)。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
以一個(gè)16位模型機(jī)為例，Cache采用了組相聯(lián)的地址映像方式，Cache部件數(shù)據(jù)通路如圖2所示。Cache的主要工作部件有Cache存儲(chǔ)單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設(shè)計(jì)為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)將內(nèi)存地址設(shè)計(jì)為區(qū)號(hào)、組號(hào)、組內(nèi)塊號(hào)和塊內(nèi)地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)分為兩個(gè)區(qū)。塊表存儲(chǔ)器采用按地址訪問和按相聯(lián)訪問兩種方式工作。在塊內(nèi)采用相聯(lián)方式訪問，在塊之間采用按地址方式訪問，塊表的容量與Cache的塊數(shù)相等。替換算法采用FIFO法，完全采用硬件實(shí)現(xiàn)地址的映象及替換算法，每組一個(gè)模4的計(jì)數(shù)器，本組有替換時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器的值就是要被替換出去的塊號(hào)。
圖2 Cache部件數(shù)據(jù)通路
設(shè)計(jì)完成后編制調(diào)試程序，程序以二進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù)的形式存入主存儲(chǔ)器的初始化文件中，在時(shí)序信號(hào)的配合下，對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行調(diào)試。在給定機(jī)器唯一的輸入信號(hào)――時(shí)鐘脈沖信號(hào)CLK后，使機(jī)器自動(dòng)地、連續(xù)地運(yùn)行存儲(chǔ)在主存中的調(diào)試程序。在遇到停機(jī)指令后，則停止機(jī)器運(yùn)行。機(jī)器運(yùn)行結(jié)束后，檢測(cè)機(jī)器運(yùn)行調(diào)試程序的時(shí)序模擬仿真輸出波形圖，以確認(rèn)各條機(jī)器指令運(yùn)行的正確性。
圖3為部分測(cè)試波形圖，圖中IN為Cache部件接收的內(nèi)存地址，IND為要寫入的值，QB為Cache存儲(chǔ)器的輸出端，與數(shù)據(jù)暫存器和內(nèi)存的存儲(chǔ)器相連，QA為內(nèi)存的輸出端，與Cache的存儲(chǔ)器相連，RB為Cache內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址，RA為內(nèi)存的地址。圖中可以看到在08H時(shí)，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設(shè)計(jì)相符。因此通過(guò)波形圖可以很好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
圖3 測(cè)試波形圖
在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)自己掌握理論知識(shí)的深度以及設(shè)計(jì)難度進(jìn)行開發(fā)，教師可根據(jù)實(shí)現(xiàn)程度給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。Cache存儲(chǔ)體系知識(shí)點(diǎn)較多，比如地址映像方式有直接相聯(lián)、全相聯(lián)、組相聯(lián)等方式，替換算法有隨機(jī)法、FIFO、LFU算法等，當(dāng)Cache與主存不一致時(shí)有寫直達(dá)法和寫回法，以及對(duì)Cache性能分析時(shí)加速比的計(jì)算等。選擇采用哪種算法可以由學(xué)生來(lái)選擇，可以根據(jù)模型機(jī)結(jié)構(gòu)，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設(shè)計(jì)可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設(shè)計(jì)方式。這樣通過(guò)EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性。
3結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析和研究，結(jié)合目前在教學(xué)實(shí)踐中已采用的部分措施，提出了在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中采用EDA平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)踐的方案。通過(guò)采用EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能夠在一定程度上提高學(xué)生的實(shí)踐能力。采用EDA平臺(tái)對(duì)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行課程實(shí)踐，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的其他知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐起到了一個(gè)先導(dǎo)的作用。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
魯鵬程(1976-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
易小琳(1959-)，女，高級(jí)工程師、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組主講教授，碩導(dǎo)，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
朱文軍(1974-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
方娟(1973-)，女，副教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)。
毛國(guó)君(1966-)，男，教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系主任，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)挖掘。
聯(lián)系方式：北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京朝陽(yáng)區(qū)平樂園100號(hào)，100022，魯鵬程
篇4
1 引言
“計(jì)算機(jī)組成原理”(CP)是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的一門必修的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它不僅可使學(xué)生剖析和體驗(yàn)計(jì).算機(jī)的基本組成和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)技術(shù)，而且可培養(yǎng)學(xué)生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)實(shí)際問題的能力，同時(shí)也是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成技術(shù)人員的一個(gè)有效的教育環(huán)節(jié)。它在整個(gè)專業(yè)課的教學(xué)中，起到了承上啟下的作用，是“微機(jī)接口技術(shù)”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等后繼課程的基礎(chǔ)。該課程以計(jì)算機(jī)5大部件內(nèi)容為主線，以內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理為重點(diǎn)，介紹計(jì)算機(jī)內(nèi)部各功能部件的結(jié)構(gòu)和工作原理及其構(gòu)成整機(jī)的原理。
“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”(CA)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一門重要學(xué)科，它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。學(xué)習(xí)本課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)地、自上而下地分析和解決問題的能力和抽象思維能力有著非常重要的作用。本課程通過(guò)講解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，把國(guó)內(nèi)外體系結(jié)構(gòu)方面比較成熟的研究成果和關(guān)鍵技術(shù)融入課程當(dāng)中，并把前續(xù)的“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等課程中所需的軟硬件知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。
由此可見CP與CA有著緊密的聯(lián)系，在現(xiàn)有的教材中甚至出現(xiàn)了比較多的重復(fù)，在學(xué)生中引起比較大的反應(yīng)。本文主要針對(duì)這一問題進(jìn)行研究，擬在理順這兩門課的關(guān)系，調(diào)整好兩門課程的教學(xué)內(nèi)容。
2 教學(xué)內(nèi)容的研究
在cP與CA系列教材中，兩門課程出現(xiàn)重復(fù)的內(nèi)容有：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)；浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的表示、尋址技術(shù)、指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜指令系統(tǒng)(CISC)和精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RISC)：高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)和虛擬存儲(chǔ)器工作原理和地址的映像與變換；輸入輸出系統(tǒng)的原理和方式、中斷系統(tǒng)的工作原理：流水線工作原理。重復(fù)的結(jié)果不僅占用了CA課程寶貴的課時(shí)，而且使學(xué)生產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。CP與cA兩門課程究竟如何分工?該不該重復(fù)?又該怎么重復(fù)?是教學(xué)中值得研究的問題，也是亟待解決的問題。
在課程內(nèi)容的選擇上，以教學(xué)大綱為依據(jù)，按照學(xué)科知識(shí)體系的完整性和適時(shí)性原則組織課程內(nèi)容。在內(nèi)容上做到?jīng)]有知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)、沒有重要知識(shí)的缺失，同時(shí)要?jiǎng)h除已過(guò)時(shí)知識(shí)，并補(bǔ)充新知識(shí)，從內(nèi)容方面激發(fā)、吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文重點(diǎn)研究分析重復(fù)內(nèi)容的必要性、可完善性和創(chuàng)新性。
對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，在CP中作為概述來(lái)介紹，以了解微程序在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中的位置，可以更好地理解軟件、硬件、固件的地位和作用；而在CA里則是從概念和功能上將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，這樣有益于理解各種語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑，探索虛擬機(jī)新的實(shí)現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的概念在CP課程和CA課程中是必需的內(nèi)容。
關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，由于在CP中講述的是馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)各組成部分的工作原理，所以了解各組成部分的性能指標(biāo)是必要的；而在CA課程中用性能指標(biāo)來(lái)衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，所以有必要更深入分析CPU時(shí)間、MIPS、MFLOPS和成本指標(biāo)。
對(duì)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的表示，在CP課程中介紹了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的表示格式和表示范圍，在CA課程中不必再重復(fù)，只需介紹浮點(diǎn)數(shù)的基數(shù)的選擇、表數(shù)精度和表數(shù)效率，然后介紹浮點(diǎn)數(shù)的IEEE 754表示；當(dāng)然對(duì)于高級(jí)數(shù)據(jù)的表示，在CA課程中是必需的。
對(duì)于指令系統(tǒng)，在CP中介紹指令的格式、尋址方式和操作碼的擴(kuò)展編碼方式，最后介紹CISC和RISe的概念和示例；在CA課程中主要介紹指令格式的優(yōu)化，CISC和RISC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。
輸入輸出系統(tǒng)的原理和方式、中斷系統(tǒng)的工作原理在兩門課程中是重復(fù)最多的一部分，CA較CP多出了通道處理機(jī)和輸入輸出處理機(jī)簡(jiǎn)介，可以歸入CP課程。但考慮到中大型計(jì)算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是很重要的部分，所以可以將通道處理機(jī)和輸入輸出處理機(jī)在CA中介紹，同時(shí)將CP中的系統(tǒng)總線簡(jiǎn)介也歸于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度去介紹。
高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器工作原理以及地址的映像和變換在兩門課程中也是重復(fù)較多的。在CP中可以僅介紹其工作原理；而在CA課程中重點(diǎn)在于其性能分析，深入學(xué)習(xí)替換算法及其實(shí)現(xiàn)，分析提高存儲(chǔ)器系統(tǒng)命中率和性能的方法。
對(duì)于流水線工作原理，在CP中僅介紹了流水線、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)的概念，但在CA中要學(xué)習(xí)流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)與超流水處理機(jī)，其中包括先行控制技術(shù)、流水線原理、流水線性能分析、非線性流水線的調(diào)度方法、局部數(shù)據(jù)相關(guān)和全局?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)、超標(biāo)量超流水超長(zhǎng)指令字處理機(jī)和向量流水和向量處理機(jī)，其內(nèi)容遠(yuǎn)多于CP，因此這部分內(nèi)容完全歸入CA比較合理的。
在CA與CP中的未重復(fù)的內(nèi)容，比如向量處理、SIMD并行計(jì)算機(jī)、SIMD計(jì)算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)、多處理機(jī)將作為重點(diǎn)內(nèi)容在CA中介紹。而在以上分析中，由于CA課程的內(nèi)容部分歸入了CP，所以可以在CA課程中添入新的內(nèi)容，比如多處理機(jī)算法，包括并行搜索算法、串行算法到并行算法的轉(zhuǎn)換、同步并行算法和異步并行算法，并行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其實(shí)現(xiàn)方法。最后可以介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，包括數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)與知識(shí)庫(kù)機(jī)以及面向函數(shù)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的歸納機(jī)。
以上對(duì)CP與CA兩門課程的重復(fù)內(nèi)容進(jìn)行了分析研究，擬在理清兩門課程的關(guān)系，合理解決兩門課程的內(nèi)容重復(fù)問題。
3 解決方案
解決該兩門課程內(nèi)容重復(fù)的宗旨在于把握CP注重原理介紹，而CA注重高性能設(shè)計(jì)和并行處理。通過(guò)對(duì)兩門課程的內(nèi)容的研究和分析，調(diào)整后的內(nèi)容如表1所示。
篇5
基金項(xiàng)目：本文系上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1K-12-302-001）、上海理工大學(xué)核心課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1K-00-302-010）的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）01-0076-02
面對(duì)國(guó)內(nèi)知名高校計(jì)算機(jī)專業(yè)建設(shè)國(guó)際化教學(xué)的大趨勢(shì)，上海理工大學(xué)加大計(jì)算機(jī)專業(yè)課程國(guó)際化建設(shè)的力度，培養(yǎng)國(guó)際化教學(xué)團(tuán)隊(duì)，開辟國(guó)際化精品課程。從課程設(shè)置、教材選編、師資隊(duì)伍、助教制度、國(guó)際交流等五個(gè)方面建設(shè)一套上海理工大學(xué)獨(dú)特的國(guó)際化教育模式，體現(xiàn)出教育差異化優(yōu)勢(shì)。培養(yǎng)既具有專業(yè)背景又能走向國(guó)際的計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，推進(jìn)上海理工大學(xué)由教學(xué)研究型向研究教學(xué)型大學(xué)轉(zhuǎn)變，把上海理工大學(xué)建設(shè)成“卓越工程教育”的上海市旗艦高校、全國(guó)工程教育的示范高校。
計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的變革日新月異，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，通過(guò)引進(jìn)全英文經(jīng)典教材實(shí)施雙語(yǔ)教學(xué)具有重要的意義。在計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生課程中實(shí)施雙語(yǔ)教學(xué)的前期嘗試，效果不盡如人意。主要原因在于：第一，本科生的英語(yǔ)聽力和閱讀能力欠缺，難以有效地理解課程內(nèi)容；第二，本科生的專業(yè)基礎(chǔ)的知識(shí)結(jié)構(gòu)尚不完整，無(wú)法深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究前沿課題。而針對(duì)研究生的“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程采用雙語(yǔ)教學(xué)，因?yàn)榻^大多數(shù)研究生都具備大學(xué)英語(yǔ)六級(jí)的水平，外國(guó)留學(xué)生也均來(lái)自母語(yǔ)是英語(yǔ)的國(guó)家，英語(yǔ)聽說(shuō)能力基本能滿足教學(xué)的需求；同時(shí)，研究生絕大多數(shù)都是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的本科生，具備計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)。
通過(guò)對(duì)“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的雙語(yǔ)教學(xué)，一方面使得研究生能獲得最新的研究方向和研究熱點(diǎn)，另一方面將進(jìn)一步提升研究生的專業(yè)英語(yǔ)能力，使得研究生在未來(lái)的研究和工作中受益。特別是在2011年計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和軟件工程專業(yè)兩個(gè)一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授予權(quán)的發(fā)展機(jī)遇期，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域內(nèi)的科研力量，擴(kuò)大科研創(chuàng)新增加科技成果，推進(jìn)“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的雙語(yǔ)教學(xué)能力和課程建設(shè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
一、優(yōu)化課程設(shè)置
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)位課，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋了計(jì)算機(jī)組成原理、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字邏輯等計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。因此，國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)計(jì)算機(jī)系對(duì)這門課程非常重視。據(jù)調(diào)查，美國(guó)的MIT、CMU、UIUC、Stanford 等著名大學(xué)都采用最新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威教材，如David A. Patterson等人編寫的《Computer Architecture：A Quantitative Approach》。上海理工大學(xué)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的研究生課程“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”，進(jìn)一步量化分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多年來(lái)一直將該課程列為研究生的學(xué)位專業(yè)課。從前幾年的教學(xué)情況來(lái)看，這門課程在課程設(shè)置上的主要問題體現(xiàn)在：
最近幾年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，如多核處理器、內(nèi)存技術(shù)、總線技術(shù)等都取得了飛躍發(fā)展，而前幾年的課程內(nèi)容知識(shí)陳舊，難以跟上最新技術(shù)的步伐，學(xué)生希望接觸到最前沿的學(xué)科發(fā)展和研究動(dòng)態(tài)。
“高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程，教學(xué)內(nèi)容與本科階段的課程內(nèi)容差別不大，學(xué)生覺得有重復(fù)教授的內(nèi)容出現(xiàn)。
由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)綜合性最強(qiáng)的一門課程，涉及到計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)、編譯系統(tǒng)、硬件設(shè)計(jì)等全面知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力，從而導(dǎo)致愿意從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前沿研究的學(xué)生不多。
學(xué)生反映該課程教學(xué)內(nèi)容多，知識(shí)結(jié)構(gòu)全面，前沿課題突出，學(xué)習(xí)難度大。但是，該課程的學(xué)時(shí)數(shù)和學(xué)分?jǐn)?shù)嚴(yán)重偏少，難以深入理解和講授，不愿意花費(fèi)大量時(shí)間著重學(xué)習(xí)一門學(xué)分偏少的課程。因此，該課程的重要性難以引起學(xué)生的重視。
因此，對(duì)“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程采用雙語(yǔ)教學(xué)，在課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容上非常重視教學(xué)內(nèi)容的更新，堅(jiān)持每年更新的內(nèi)容占15%～20%。因此，本課程決定不選用前幾年教學(xué)中的老教材，而選用最新的、全英文版本的《Computer Architecture：A Quantitative Approach（Edition 5）》作為高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教材，并且跟蹤計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果，組織研究生分組討論和課程報(bào)告。不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論知識(shí)和分析方法，引導(dǎo)學(xué)生提出新的方法和新的解決方案，而且要求學(xué)生采用最新的研究工具，親自動(dòng)手設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成方法的驗(yàn)證，進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力和編程能力。
二、更新教學(xué)內(nèi)容
一方面采用最新版本的、與國(guó)際接軌的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)量化分析教材，由主講教師進(jìn)行課堂教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)；另一方面采用研討式教學(xué)方法，在主講教師對(duì)前沿課題進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，由學(xué)生分組就某個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行專題研究，并由學(xué)生提出新方法或新的解決方案，分享新思想，研討新辦法。如此，采用師生互動(dòng)方法，學(xué)生既學(xué)習(xí)到了基本方法又能體會(huì)到研究最新技術(shù)的樂趣，獲得研究成果的成就感。因此，教學(xué)內(nèi)容主要包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)量化分析課程教學(xué)和前沿課題研討兩個(gè)方面。專題教學(xué)內(nèi)容更新如表1所示。
三、強(qiáng)化師資隊(duì)伍
從事國(guó)際化教學(xué)的教師可以從三個(gè)方面進(jìn)行師資隊(duì)伍建設(shè)：
加快青年教師國(guó)際化交流與培訓(xùn)的力度，培養(yǎng)本校青年教師骨干，建設(shè)一支穩(wěn)定的全英語(yǔ)或雙語(yǔ)教學(xué)隊(duì)伍。近幾年連續(xù)、有序地派出優(yōu)秀青年教師到美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)的著名大學(xué)進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)和合作研究。
引進(jìn)具有國(guó)際教育經(jīng)歷的教師，開設(shè)具有國(guó)際特色的專業(yè)課程。近幾年連續(xù)引進(jìn)了包括來(lái)自德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的教授或博士畢業(yè)生，提升了教師國(guó)際化教學(xué)水平的整體實(shí)力。
邀請(qǐng)國(guó)外專家來(lái)華開展學(xué)術(shù)講座、學(xué)術(shù)論壇等。通過(guò)教師“走出去”、國(guó)外教師“引進(jìn)來(lái)”的戰(zhàn)略，可以有效促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，提高學(xué)校知名度，對(duì)學(xué)校的國(guó)際化招生具有重要的作用，對(duì)推動(dòng)上海理工大學(xué)國(guó)際化教育戰(zhàn)略、促進(jìn)學(xué)校辦學(xué)方向的轉(zhuǎn)移具有重要作用。
四、建設(shè)助教制度
建設(shè)穩(wěn)定的助教制度，形成有效的助教評(píng)估體系。有助于鞏固國(guó)際化教育的成果，提高理論教學(xué)的效果，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外著名高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開展綜合性課程設(shè)計(jì)課程。穩(wěn)定的助教隊(duì)伍對(duì)穩(wěn)定教師的教學(xué)精力、提高教師的教學(xué)水平有重要的促進(jìn)作用。其中，需要涉及以下相關(guān)制度的改進(jìn)工作：改進(jìn)教師教學(xué)工作的評(píng)估體系，進(jìn)一步規(guī)范教師對(duì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)彈性工作的認(rèn)定；設(shè)立穩(wěn)定統(tǒng)一的助教制度，設(shè)置助教專項(xiàng)基金，保證助教的適當(dāng)報(bào)酬，提高助教的責(zé)任心。學(xué)校要有專門的資金和相應(yīng)的崗位安排。無(wú)論是研究生當(dāng)助教還是新招聘的畢業(yè)生當(dāng)助教，都應(yīng)該遵守明確的崗位責(zé)任和職業(yè)規(guī)范。
五、促進(jìn)國(guó)際交流
國(guó)際交流對(duì)提高上海理工大學(xué)的國(guó)際知名度、提高教師的教學(xué)水平、提升教師與學(xué)生的研究能力都具有舉足輕重的作用。從以下方面加強(qiáng)建設(shè)：設(shè)立國(guó)際會(huì)議資助專項(xiàng)資金，資助學(xué)生或青年教師參加高水平的國(guó)際會(huì)議；積極開展與國(guó)外知名大學(xué)、教授的合作，加強(qiáng)對(duì)上海理工大學(xué)專業(yè)的介紹；派遣青年教師訪問國(guó)外知名大學(xué)、研究所等；學(xué)校設(shè)立專項(xiàng)基金，鼓勵(lì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)籌辦高水平的國(guó)際會(huì)議；加強(qiáng)學(xué)校同海外留學(xué)生、各使領(lǐng)館的聯(lián)系，促進(jìn)國(guó)際化教育的順利開展。
六、修訂考核方式
由于這門課程著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力，因此學(xué)校將以前注重考核基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹乜己藢W(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手進(jìn)行研究的能力上。因此，修訂后的考核方式如表2所示。
七、結(jié)論
通過(guò)對(duì)“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的雙語(yǔ)教學(xué)，基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，既鍛煉了學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究能力又提升了教師的教學(xué)水平和教學(xué)效果。計(jì)劃在鞏固當(dāng)前雙語(yǔ)教學(xué)的基礎(chǔ)上，在后續(xù)幾年針對(duì)外國(guó)留學(xué)生開設(shè)“高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的全英語(yǔ)教學(xué)課程，逐步打造計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精品課程，提升課程的教學(xué)品質(zhì)，推進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的國(guó)際化建設(shè)進(jìn)程。
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[3]張晨曦，王志英，劉依，等．“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容體系的研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（20）.
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《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)學(xué)科體系的一門重要課程，它是以算法為核心，語(yǔ)言為描述，硬件和軟件作為實(shí)現(xiàn)工具的互為聯(lián)系又互為制約的結(jié)構(gòu)技術(shù)。課程以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中硬中有軟、軟中有硬、相互轉(zhuǎn)換、彼此滲透的觀點(diǎn)，從原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面系統(tǒng)地對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的并行處理進(jìn)行深入的分析和探討，使學(xué)生建立起“整機(jī)”概念，培養(yǎng)其具有一定體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用能力。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”涉及到多門其他專業(yè)課如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》的知識(shí)，是一門綜合性很強(qiáng)的課程，非常典型地體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)學(xué)科互相融合的特點(diǎn)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生系統(tǒng)思維和綜合分析的能力，努力提高這門課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義。
由于“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”內(nèi)容抽象，不易理解，且目前各高校在該課程的教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都比較薄弱，有的院校甚至沒有安排實(shí)驗(yàn)，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)難度比較大。因此，需要在目前的教學(xué)條件下，綜合應(yīng)用多種教學(xué)方式和手段，引導(dǎo)學(xué)生積極思考和自主學(xué)習(xí)。
二、課程教學(xué)改革總結(jié)
（一）課程教學(xué)改革的基本思路
教學(xué)過(guò)程中教師不單要教會(huì)學(xué)生課程的知識(shí)，更重要的是教會(huì)學(xué)生如何思考，如何進(jìn)行創(chuàng)造性思維。具備了創(chuàng)造性思維能力，學(xué)生不僅可以學(xué)會(huì)教師傳授的知識(shí)，而且能夠觸類旁通，舉一返三，在自身的思維實(shí)踐中獲取更多的知識(shí)。教師為學(xué)生服務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為目標(biāo)。在師生角色上，教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，主要采用“引導(dǎo)”的方式進(jìn)行教學(xué)，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。
（二）課程教學(xué)內(nèi)容的安排
以教學(xué)大綱為根據(jù)安排本課程內(nèi)容，著眼于有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，同時(shí)適當(dāng)介紹近幾年來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要進(jìn)展和今后的發(fā)展方向。課程選擇西安電子科技大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第四版，李學(xué)干編著）作為教材，該書曾獲得國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)和優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，內(nèi)容豐富，配有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和大量習(xí)題。
本課程的主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)體系、重疊與流水和并行處理機(jī)等。以前面五個(gè)部分為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，講解時(shí)注意與先修課《計(jì)算機(jī)組成原理與數(shù)字邏輯》的銜接，特別要體現(xiàn)出“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”側(cè)重于設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想的描述這個(gè)不同點(diǎn)。
（三）課程教學(xué)手段的運(yùn)用
（1）樹立明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)
在課程正式開始之前先對(duì)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的主要內(nèi)容、學(xué)習(xí)重點(diǎn)和基本學(xué)習(xí)方法作一個(gè)總體性介紹，使學(xué)生對(duì)該課程有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)；在課程的每一章開始講解之前，首先也要明確指出這一章的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生把這個(gè)目標(biāo)貫穿在學(xué)習(xí)過(guò)程中。例如，第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論就是要抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的關(guān)系以及軟硬取舍的基本原則、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路；第四章存儲(chǔ)體系的學(xué)習(xí)目標(biāo)就是要理解虛擬存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器的管理方式與原理。如此，學(xué)生學(xué)習(xí)的目的更加明確，更容易抓住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。
（2）多種教學(xué)方式相結(jié)合
課堂教學(xué)宜采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書教學(xué)相結(jié)合的方式。多媒體教學(xué)無(wú)疑是目前高等院校普遍采用的優(yōu)秀教學(xué)手段，以其形象的圖文與特效演示對(duì)于加深學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)很有幫助；而傳統(tǒng)板書教學(xué)也有其適用的場(chǎng)合，比如在介紹指令系統(tǒng)操作碼的哈弗曼編碼、發(fā)生中斷時(shí)程序的運(yùn)行過(guò)程以及流水線時(shí)-空?qǐng)D畫法時(shí)就應(yīng)該采用板書來(lái)演示，這樣不僅能與學(xué)生有良好的互動(dòng)，還能夠更清晰地講解知識(shí)要點(diǎn)。
另外，課外時(shí)間可以充分利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)強(qiáng)化教學(xué)效果，比如，利用論壇教學(xué)課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進(jìn)行答疑輔導(dǎo)，這些對(duì)拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高教學(xué)效率很有好處。
（3）啟發(fā)式教學(xué)，注重能力的培養(yǎng)
“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是一門理論居多的課程，單向灌輸算法思想必然不利于知識(shí)的掌握。授課時(shí)應(yīng)多采用設(shè)計(jì)提問，啟發(fā)思維的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。
在教學(xué)工作中，還要注意培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)方法和自學(xué)能力。引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷總結(jié)自己的學(xué)習(xí)方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用各種手段來(lái)獲取知識(shí)，例如，可以布置學(xué)生課外通過(guò)查找資料完成有關(guān)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”最新發(fā)展的小論文。
三、課程教學(xué)改革實(shí)踐案例
（1）堆棧型替換算法原理的教學(xué)案例
在存儲(chǔ)體系這一章中，虛擬存儲(chǔ)器替換算法的實(shí)現(xiàn)是教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。如果按照教材內(nèi)容編排的順序，直接給出抽象的邏輯表達(dá)式介紹堆棧型替換算法的定義，勢(shì)必不利于學(xué)生對(duì)算法的理解。取而代之，先舉出實(shí)例，比如使用LRU法對(duì)頁(yè)地址流進(jìn)行一次堆棧處理，從處理結(jié)果總結(jié)出主存頁(yè)數(shù)與命中率的關(guān)系，由此來(lái)說(shuō)明命中率隨主存頁(yè)數(shù)的增加而單調(diào)上升，至少不會(huì)下降[1]，具有這種特性的算法就稱為堆棧型替換算法。此時(shí)再引出邏輯表達(dá)式，將表達(dá)式的各個(gè)部分與實(shí)例相對(duì)應(yīng)，進(jìn)行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學(xué)生就順理成章地理解了算法的內(nèi)涵。從教學(xué)效果來(lái)看，絕大部分學(xué)生能夠準(zhǔn)確地掌握該替換算法的涵義和替換過(guò)程。
（2）改進(jìn)指令系統(tǒng)的教學(xué)案例
在數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)這一章中，介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的兩個(gè)主要方向時(shí)，CISC和RISC是一對(duì)需要學(xué)生重點(diǎn)理解的概念。前者是按增強(qiáng)指令功能的方向發(fā)展指令系統(tǒng)，而后者是按簡(jiǎn)化指令功能的方向改進(jìn)指令系統(tǒng)。學(xué)生應(yīng)該了解兩者設(shè)計(jì)思想有哪些不同點(diǎn)，CISC和RISC分別采用哪些基本技術(shù)，有哪些典型的應(yīng)用，它們分別存在哪些不足和問題，為什么說(shuō)今后的發(fā)展應(yīng)是CISC和RISC的結(jié)合。為了說(shuō)明這些問題，可以讓學(xué)生自己去查找實(shí)例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個(gè)處理機(jī)采用的技術(shù)，讓他們自己去分析查找答案。通過(guò)這種教學(xué)方式，不僅加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。
另外，其他章節(jié)也有可以擴(kuò)展的問題，比如，第7章多處理機(jī)的講解可以結(jié)合目前熱門的多核處理器，這兩者的主要問題是一致的；更進(jìn)一步地，可以讓學(xué)生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時(shí)多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用指令級(jí)并行性和線程級(jí)并行性，從而顯著提高性能。
四、結(jié)束語(yǔ)
篇7
1.教學(xué)困境淺析
教學(xué)困境的存在與我國(guó)計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)落后于美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家有很大關(guān)系。雖然現(xiàn)在我國(guó)在超級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)處理器芯片的設(shè)計(jì)上有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但在很多方面還存在差距，有些方面的積累幾乎為零。在這樣的情況下，高校的計(jì)算機(jī)教育更需要正視這個(gè)現(xiàn)狀，并盡力從人才培養(yǎng)這個(gè)層面為改善這種落后面貌而努力。
1.1難教的原因
首先這門課對(duì)授課教師的要求比較高。教師需要對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)有很深的理解，通曉軟、硬件相關(guān)的結(jié)構(gòu)、編譯、操作系統(tǒng)等多方面知識(shí)，并能將它們?nèi)跁?huì)貫通。而實(shí)際上，很少有高校教師真正設(shè)計(jì)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，甚至接觸過(guò)系統(tǒng)級(jí)軟件設(shè)計(jì)的人都比較少。另一方面，找到一本合適的教材也比較困難。最為經(jīng)典的教材是由美國(guó)的Hennessy和Patterson合編的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法》。這是一本非常好的參考書，但作為教材，對(duì)于國(guó)內(nèi)讀者來(lái)說(shuō)，由于語(yǔ)言上的障礙，英文版的教材可能不能盡得其妙；而且由于諸多翻譯上的弊病，中文版的國(guó)外教材也不理想。我國(guó)本土教材可能存在著以下幾種困境：其一，知識(shí)陳舊，系統(tǒng)性不強(qiáng)；其二，近10-20年的技術(shù)在闡述上過(guò)于抽象，不成系統(tǒng)，難于理解；其三，大而全，有些技術(shù)只在特定時(shí)期的特定領(lǐng)域出現(xiàn)過(guò)，過(guò)于冷僻而且復(fù)雜，與其他部分的知識(shí)毫無(wú)聯(lián)系。
教材的困境也反映了難教的現(xiàn)實(shí)。隨著新技術(shù)的涌現(xiàn)，教材總是落后于現(xiàn)狀。并不是說(shuō)，我們將近年來(lái)該領(lǐng)域有影響的論文看一遍，就可將它們拿到課堂上講。一方面，在眾多新技術(shù)中，如何甄別出哪些是有發(fā)展前景？哪些又只是曇花一現(xiàn)？另一方面，如果未在該領(lǐng)域或方向上有較為深入的研究，要透徹理解這些新的技術(shù)也存在困難。如果只是泛泛地講解新的技術(shù)名詞，念念論文的摘要，為的是向?qū)W生或聽課的領(lǐng)導(dǎo)炫耀一下，這可能是一種不負(fù)責(zé)的做法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程需要系統(tǒng)的知識(shí)體系，那些無(wú)法與現(xiàn)有體系相關(guān)聯(lián)的技術(shù)，講起來(lái)益處不大。
1.2枯燥難學(xué)的原因
學(xué)生難學(xué)只能在教師身上找原因。因?yàn)闆]有教不好的學(xué)生，只有不會(huì)教的老師。原因可能有幾個(gè)方面：首先，早先選用的教材，知識(shí)較為陳舊，50年前的技術(shù)離現(xiàn)實(shí)較遠(yuǎn)，學(xué)生不知上課講的東西有什么用，教師講起來(lái)其實(shí)也覺無(wú)味。這方面大家已經(jīng)意識(shí)到并有了很大的改善；其次，有些先進(jìn)的技術(shù)或算法本身不是很好理解，需要學(xué)生集中精力聽，并積極思考才能有所領(lǐng)悟；再者，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所涵蓋的內(nèi)容過(guò)于豐富，教師在講解時(shí)必然會(huì)將其簡(jiǎn)化和抽象，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有時(shí)會(huì)感到枯燥。
1.3解決問題的思路
作為該領(lǐng)域的教師，只有承認(rèn)困境，正視現(xiàn)實(shí)，才有可能找到解決問題的方法。最為重要的是教師要有改善現(xiàn)狀的強(qiáng)烈愿望和責(zé)任感。下面筆者將從內(nèi)容組織、教學(xué)方法以及教與學(xué)互動(dòng)幾個(gè)方面給出自己教學(xué)中的做法與感受。
2.內(nèi)容的組織
內(nèi)容的組織是核心。筆者認(rèn)為教學(xué)過(guò)程中真正吸引學(xué)生的是內(nèi)容，因?yàn)橛幸饬x的教學(xué)內(nèi)容本身就有吸引力。學(xué)生對(duì)有意義的知識(shí)本能地有著較強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣，教師只需要將知識(shí)系統(tǒng)地呈現(xiàn)給他們即可。
2.1教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯性與現(xiàn)實(shí)性
關(guān)鍵是教師如何讓內(nèi)容“有意義”且“系統(tǒng)地呈現(xiàn)”。這兩點(diǎn)是關(guān)聯(lián)的，一方面，知識(shí)與現(xiàn)實(shí)要有關(guān)聯(lián)，這樣就有了意義和價(jià)值；另一方面知識(shí)要體現(xiàn)前后的邏輯性，這就是系統(tǒng)性。
比如，對(duì)于處理器結(jié)構(gòu)，一般會(huì)講解指令流水線的工作原理、性能分析及流水線相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。而有一些教材在講指令流水線時(shí)，只用偽指令（用算術(shù)操作符表示），這部分內(nèi)容本來(lái)就抽象，指令也沒有具體的形式，使學(xué)生很難理解指令流水線的關(guān)鍵思想。因此首先給出一個(gè)精簡(jiǎn)的MIRS指令集是相當(dāng)有益處的，當(dāng)然也可以是任何其他的精簡(jiǎn)指令集。一方面，學(xué)生能夠直觀地體會(huì)前面講解指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)中諸多抽象的原則，同時(shí)也更容易理解在指令流水線中為什么這么設(shè)計(jì)。在講解后續(xù)指令流水的相關(guān)及沖突時(shí)，具體的指令形式也有利于教師講清楚各種沖突問題。只有搞清楚問題是怎么出現(xiàn)的，才可能理解后面的旁路技術(shù)或沖突檢測(cè)方法等；只有對(duì)分支指令在流水線中的沖突有了比較直觀的理解，后續(xù)的靜態(tài)分支預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)、硬件推測(cè)執(zhí)行等才有可能變得有意義。
在講完流水線技術(shù)的原理、性能評(píng)價(jià)和沖突及其解決方法后，這一章似乎可以結(jié)束了。但是如果在最后加上流水線的實(shí)現(xiàn)這一節(jié)，會(huì)是一個(gè)非常好的處理。給出具體的一個(gè)指令流水線的數(shù)據(jù)通路，并給出不同指令在每一流水段的操作，試圖引導(dǎo)學(xué)生給出旁路檢測(cè)及控制的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)多路選擇器的控制信號(hào)來(lái)理解流水線設(shè)計(jì)中的旁路實(shí)現(xiàn)。這部分內(nèi)容引領(lǐng)學(xué)生直觀理解指令流水線的實(shí)現(xiàn)，還將前面學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)組成原理中的控制器設(shè)計(jì)內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，讓設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)更進(jìn)一步接近現(xiàn)實(shí)中使用的機(jī)器結(jié)構(gòu)。
互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)部分內(nèi)容的組織一直是比較令人費(fèi)神的，教學(xué)效果不好。一部分教材只是介紹了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。就算是由美國(guó)的Hennessy和Patterson合編的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法》的第三版，對(duì)這部分的組織也不是很好。最主要的問題就是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的范疇非常廣，關(guān)鍵是如何在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中介紹其中的互聯(lián)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中介紹過(guò)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、報(bào)文格式、包緩沖區(qū)、擁塞控制等知識(shí)，在這里并非用不上，而是在此處大而全地介紹不可能將真正重要的問題講清楚，篇幅也不允許。所以大而全的講計(jì)算機(jī)內(nèi)部、計(jì)算機(jī)之間的各種網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)所涉及的方方面面，教學(xué)效果并不好，而簡(jiǎn)單地介紹網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其性能參數(shù)等又比較抽象，容易讓人不知所云，且與整個(gè)知識(shí)體系關(guān)聯(lián)不大，不能起到將系統(tǒng)的軟硬件知識(shí)貫穿起來(lái)的作用。因此我們可以首先將互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的范圍限定一下，比如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部組件的互聯(lián)，以及小、中規(guī)模的多處理機(jī)系統(tǒng)中的互聯(lián)，然后將并行問題及并行算法、并行編程提供的通信原語(yǔ)與底層的互連結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，講清為什么要這樣互聯(lián)，適合解決什么樣的并行問題；講清當(dāng)前主流的多處理機(jī)系統(tǒng)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)及管理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與軟件使用情況。講清或許存在一點(diǎn)困難，不過(guò)起碼要將這些知識(shí)串起來(lái)，并與操作系統(tǒng)及并行編程的相關(guān)知識(shí)關(guān)聯(lián)起來(lái)，這有很大的好處。
2.2拉近課堂與現(xiàn)實(shí)研究的距離
筆者認(rèn)為對(duì)新技術(shù)的泛泛介紹不是沒有意義，但對(duì)于高年級(jí)的本科生來(lái)說(shuō)，更為重要的是讓他們通過(guò)上這門課，逐步了解現(xiàn)實(shí)科研在哪里，以及與課堂上講的知識(shí)距離有多遠(yuǎn)。通過(guò)教師自身的研究經(jīng)歷，將課堂上講的知識(shí)逐步引到現(xiàn)實(shí)科研或本領(lǐng)域當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問題中，才是真正有用的。中國(guó)科技大學(xué)網(wǎng)站上有唐錫南博士的相關(guān)講座，該講座是針對(duì)體系結(jié)構(gòu)方向的研究生及高年級(jí)本科生而開的，授訓(xùn)對(duì)象都上過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課，教學(xué)目標(biāo)是對(duì)該課程的掌握作進(jìn)一步地提高。該講座在網(wǎng)上反響挺好，筆者比較受啟發(fā)，也許這對(duì)上好計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課也是有幫助的。比如在講多處理機(jī)系統(tǒng)中的Cache一致性的問題時(shí)，他逐步引到具體實(shí)現(xiàn)中的一些困難，問題層層展開，有些問題可能需要一些手段來(lái)解決，有些問題恐怕還是難題。學(xué)生學(xué)習(xí)最重要不是學(xué)到答案，而是學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題在哪兒以及解決問題的思路和方法，當(dāng)他們了解到該領(lǐng)域前沿的研究思路時(shí)，必將增進(jìn)自己未來(lái)解決問題的信心。比如，在講多處理機(jī)系統(tǒng)時(shí)，從相應(yīng)原理開始講解，然后是現(xiàn)實(shí)硬件實(shí)現(xiàn)中可能有的變化及原因、并行軟件運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，最后將硬件追求卓越性能與軟件要求正確性及友好性的沖突展現(xiàn)在學(xué)生面前，再說(shuō)明軟硬件相互依存的道理，這比直接說(shuō)明軟硬件關(guān)系具體而生動(dòng)，聽起來(lái)也有趣。簡(jiǎn)明地講清問題之間的關(guān)系，解決的程度，未解決的問題及難點(diǎn)所在，這對(duì)于開闊學(xué)生思路、增加學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域探索的興趣都比較有效。
3.變化的教學(xué)模式
傳統(tǒng)的教學(xué)模式并沒有過(guò)時(shí)，但有時(shí)新的模式可以發(fā)揮更好的效果。其次，一成不變的講課模式從學(xué)期開始直至學(xué)期末容易令人厭煩，所以探討變化的教學(xué)模式對(duì)于提高教學(xué)效果顯然是有意義的。
3.1實(shí)踐環(huán)節(jié)的介入
實(shí)踐環(huán)節(jié)可以與課堂講授相互穿插，不需要將理論部分全部講完再安排。比如講流水線及指令級(jí)并行時(shí)，適時(shí)地將相應(yīng)的指令流水線的模擬器介紹給學(xué)生，讓他們?nèi)ンw會(huì)指令的時(shí)空概念以及指令問的各種相關(guān)的影響，教師輔導(dǎo)時(shí)多問學(xué)生為什么。再比如講存儲(chǔ)層次時(shí)，Cache優(yōu)化技術(shù)是其中比較重要的內(nèi)容，這時(shí)也最好讓學(xué)生實(shí)際使用相應(yīng)模擬器去測(cè)，通過(guò)改變其參數(shù)來(lái)比較相關(guān)性能，可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析復(fù)雜系統(tǒng)模擬器的結(jié)構(gòu)來(lái)了解相應(yīng)原理，或通過(guò)實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬器來(lái)體會(huì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的細(xì)節(jié)問題，這些都是比原理本身更為有用的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
3.2難一點(diǎn)的議題留給討論課
對(duì)于高年級(jí)的本科生來(lái)說(shuō)，他們的精力相當(dāng)旺盛，自身的學(xué)習(xí)能力也比剛?cè)雽W(xué)時(shí)強(qiáng)很多。此時(shí)將一些需要思考、理解的內(nèi)容交給他們自學(xué)和交流，其效果可能會(huì)令人大吃一驚。通過(guò)自學(xué)，很多學(xué)生在課下花了不少功夫，并在學(xué)生間進(jìn)行了充分的討論和互助。課上討論時(shí)，可以讓學(xué)生主持，這會(huì)讓學(xué)生興奮，而且下面的學(xué)生往往很活躍，想通過(guò)為難一下上面的學(xué)生來(lái)展示一下自己。每一位學(xué)生其實(shí)都有著相當(dāng)強(qiáng)的自尊心，所以這種形式會(huì)促進(jìn)學(xué)生問的討論。經(jīng)驗(yàn)表明，往往平時(shí)表現(xiàn)一般的學(xué)生這時(shí)都有相當(dāng)好的表現(xiàn)，他們自己也比較自信。如果學(xué)生說(shuō)錯(cuò)了，不要馬上說(shuō)出來(lái)，而是將問題解析一下再次拋給大家，看看大家有什么想法，慢慢地大家都比較放松，讓問題在討論中逐步接近解決。
這樣的討論模式有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)教師無(wú)法預(yù)料的情景，比如學(xué)生提出一些教師也未考慮過(guò)的問題，此時(shí)可能會(huì)給教師帶來(lái)一些緊張感。遇到這種狀態(tài)時(shí)，教師首先可以憑借平時(shí)深入的備課，稍作思考（可能5～10秒），問題可能就得到可以解決。這時(shí)討論就變得更為引人入勝，學(xué)生的積極思考實(shí)際影響了討論的導(dǎo)向，這種情況沒什么不好。教師要有承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的勇氣，同時(shí)還可享受到當(dāng)堂弄清某些事情的興奮。另一方面，教師需要逐步積累處置這種情景的經(jīng)驗(yàn)，自己要意識(shí)到，同時(shí)試圖讓學(xué)生也意識(shí)到，有一些問題需要仔細(xì)的考慮，并不能馬上得出結(jié)論，還有一些問題是一些開放的問題，并且承諾關(guān)于此問題教師經(jīng)過(guò)一些時(shí)間的思考（可能一個(gè)課間休息，或下一次課）后，一定會(huì)給大家一個(gè)負(fù)責(zé)任的答復(fù)。這樣學(xué)生會(huì)覺得討論有趣，不會(huì)害怕犯錯(cuò)而拘謹(jǐn)；教師也在這個(gè)過(guò)程中感受到學(xué)生更為積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并因此受到鼓勵(lì)。
4.了解并督促學(xué)生
教學(xué)的過(guò)程是教師與學(xué)生互動(dòng)的過(guò)程。教師的每一次教學(xué)過(guò)程都不會(huì)一模一樣。他要根據(jù)教學(xué)對(duì)象的不同，做出相應(yīng)的內(nèi)容調(diào)整，也要根據(jù)每堂課學(xué)生的狀態(tài)做出相應(yīng)的節(jié)奏調(diào)整。只有學(xué)生能夠接收、愿意接收，教學(xué)才可能有效。
篇8
中國(guó)分類號(hào)：G642
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1兩門課程的開設(shè)情況
“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生必修的重要核心硬件基礎(chǔ)課程之一。計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生都會(huì)開設(shè)該課程。該課程從單處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念出發(fā)介紹硬件和軟件兩部分，其硬件部分主要包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大功能部件，通過(guò)總線構(gòu)成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生能建立清晰的“整機(jī)”概念，能夠掌握計(jì)算機(jī)的一般組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理。
“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方面重要的一門課程。部分應(yīng)用技術(shù)型計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生沒有開設(shè)該課程。我們學(xué)校就沒有開設(shè)。該課程主要研究軟件、硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定，即確定哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)。從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本課程的學(xué)習(xí)目的是建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理。
2國(guó)外相關(guān)教材內(nèi)容
目前國(guó)外有很多類似教材包含了近乎兩門課程的教學(xué)內(nèi)容。美國(guó)計(jì)算機(jī)專家William Stallings編著的世界著名計(jì)算機(jī)教材Computer Organization and Architecture ：Designing for Performance(Seventh Editon)是介紹當(dāng)代計(jì)算機(jī)體系主流技術(shù)的最新技術(shù)的優(yōu)秀教材。該書以Intel Pentium 4和IBM/Motorola PowerPC作為考察實(shí)例，將當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能問題和計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)的基本概念及原理緊密聯(lián)系起來(lái)。主要內(nèi)容有CPU性能設(shè)計(jì)、指令流水線、整數(shù)和浮點(diǎn)算術(shù)、微程序設(shè)計(jì)的控制器；RISC處理器和超標(biāo)量處理器；最新的IA-64體系結(jié)構(gòu)和Itanium處理器；PCI新型系統(tǒng)總線規(guī)范；cache存儲(chǔ)器組織、cache一致性問題和MESI協(xié)議；包括行總線和最近研發(fā)的InfiniBand；最后是多個(gè)處理器的并行組織，包括對(duì)稱多處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)、非均勻存儲(chǔ)器存取(NUMA)系統(tǒng)。
3兩門課程的比較和整合
應(yīng)用技術(shù)型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的設(shè)置應(yīng)做到面向市場(chǎng)、靈活有效，要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選，把體現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展特征、多學(xué)科知識(shí)交叉與滲透的趨勢(shì)和動(dòng)向反映出來(lái)。整合后的內(nèi)容如下表所示。
整合后的實(shí)驗(yàn)主要是運(yùn)算器及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、控制器及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)總線控制實(shí)驗(yàn)、模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)等。
整合后的課程設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本模型計(jì)算機(jī)、基于CPLD的模型計(jì)算機(jī)、基于RISC處理器的模型計(jì)算機(jī)、基于重疊技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)、基于流水線技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)等。注意根據(jù)課程進(jìn)度進(jìn)行相應(yīng)的具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此外還要兼顧先簡(jiǎn)后難。可以先進(jìn)性簡(jiǎn)單的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)，然后稍有難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，最后是較大難度的綜合性實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)
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篇9
1使用應(yīng)用程序完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)用戶成為最終用戶
在最終用戶眼中，早期的計(jì)算機(jī)非常昂貴，只能由少數(shù)專業(yè)化人員使用。但是到了20世紀(jì)80年代個(gè)人計(jì)算機(jī)迅速普及，以及20世紀(jì)90年代初多媒體計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾ぞ摺Ｓ?jì)算機(jī)最終用戶使用鍵盤和鼠標(biāo)等外設(shè)與計(jì)算機(jī)交互，通過(guò)操作系統(tǒng)提供的用戶界面，啟動(dòng)執(zhí)行應(yīng)用程序或系統(tǒng)命令，從而完成用戶任務(wù)。因此，最終用戶能夠感知到的只是系統(tǒng)提供的簡(jiǎn)單人機(jī)交互界面和安裝在計(jì)算機(jī)中的相關(guān)應(yīng)用程序。
2計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)管理員眼中的存在
系統(tǒng)管理員作為管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)人員，相比于普通的計(jì)算機(jī)最終用戶而言，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的了解要深入得多。必須能非常熟悉操作系統(tǒng)提供的有關(guān)系統(tǒng)配置和管理方面的功能、系統(tǒng)管理員必須能夠解決，很多普通用戶解決不了的問題，還要必須能安裝配置、維護(hù)系統(tǒng)的硬件和軟件，能建立和管理用戶賬戶，需要時(shí)能夠升級(jí)硬件和軟件，備份和恢復(fù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等，軟件配置和系統(tǒng)管理層面以及相關(guān)的使用程序，系統(tǒng)管理員能感知到的是系統(tǒng)中部分硬件層面，以及相關(guān)實(shí)用程序和人機(jī)交互界面。在開發(fā)操作系統(tǒng)，編譯器和實(shí)用程序等系統(tǒng)軟件時(shí)、需要能夠熟悉計(jì)算機(jī)底層和相關(guān)硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至還需要直接與指令系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件打交道。比如：“對(duì)各種控制計(jì)算器I/O接個(gè)口、用戶可見集成器直接進(jìn)行編程和控制、所以系統(tǒng)程序員有時(shí)還要直接用匯編語(yǔ)言等低級(jí)程序，設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫程序代碼，必須熟悉指令系統(tǒng)、及其結(jié)構(gòu)和相關(guān)幾期功能特性”。
3計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序員眼中的存在
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)提供的編程接口（API）、相應(yīng)的程序語(yǔ)言處理系統(tǒng)和人機(jī)交互界面、還包括實(shí)用程序，這是應(yīng)用程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（High level programming language）是指面向算法設(shè)計(jì)得較接近于日常所用的英語(yǔ)書面語(yǔ)言的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如BASC、C、FORTRAN、java等，所以大多應(yīng)用程序員使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫程序。
4系統(tǒng)程序員的程序開發(fā)與執(zhí)行過(guò)程
程序的開發(fā)和執(zhí)行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)不同層面，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)層析話結(jié)構(gòu)的思想體現(xiàn)在程序開發(fā)和執(zhí)行過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)中。程序開發(fā)通過(guò)程序編輯軟件得到hello.C文件。Hello.c在計(jì)算機(jī)中以ASCII字符方式存放。然后再將hello.c進(jìn)行預(yù)處理、編譯、匯編和連接，最終生成顆執(zhí)行代碼文件。
計(jì)算機(jī)的控制器自動(dòng)執(zhí)行的是指令，每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼是指出操作類型，地址碼之處操作數(shù)的地址。執(zhí)行程序世紀(jì)上是執(zhí)行一個(gè)指令序列。也就是說(shuō)不管用什么高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序都能夠轉(zhuǎn)換為一個(gè)指令序列才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。任何高級(jí)語(yǔ)言源程序和匯編語(yǔ)言源程序都必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，通常這種進(jìn)行轉(zhuǎn)換的軟件被稱之為“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言處理系統(tǒng)”。應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員都是借助“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言處理系統(tǒng)”來(lái)開發(fā)軟件。任何一個(gè)語(yǔ)言處理系統(tǒng)，都包含一個(gè)翻譯系統(tǒng)，它能夠把一種編程語(yǔ)言表示的程序轉(zhuǎn)換為等價(jià)的另一種編程語(yǔ)言程序。翻譯程序有以下三類。
（1）匯編程序：也稱匯編器，涌來(lái)將匯編語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序。
（2）解釋程序、也稱計(jì)時(shí)器，涌來(lái)將源程序中的語(yǔ)句按其執(zhí)行順序逐條翻譯成機(jī)器指令必過(guò)立即執(zhí)行。例如，BASIC解釋程序直接氣功BASIC源程序執(zhí)行，不生成目標(biāo)程序。
篇10
當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，嵌入式技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、工業(yè)控制和交通系統(tǒng)等領(lǐng)域。資料顯示，在2009年中國(guó)軟件業(yè)收入的9513億元中，嵌入式占了將近20%，而且每年都以近40%的速度增長(zhǎng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的軟硬件混成專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌考慮軟硬件設(shè)計(jì)，以最大限度地適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、成本、體積、功耗、可靠性等方面的要求。傳統(tǒng)的軟件、硬件分別進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法難以滿足嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，而需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行軟硬件的綜合考慮和協(xié)同設(shè)計(jì)。
然而和上述趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的是，目前計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)軟件方面的教學(xué)和實(shí)踐都實(shí)施得較好。學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，還可以利用學(xué)校和自己的計(jì)算機(jī)充分進(jìn)行軟件編程的實(shí)踐和訓(xùn)練。而且軟件類課程C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等相對(duì)直觀和容易理解，容易入門。但對(duì)于硬件類的課程尤其是計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容較為抽象，如果沒有適合的實(shí)踐環(huán)節(jié)將課堂概念和實(shí)際工程聯(lián)系起來(lái)，學(xué)習(xí)效果將難以得到保障。因此，探索適合計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)工具、教學(xué)方法和配套機(jī)制，加強(qiáng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系，建立形象直觀、便于理解的學(xué)習(xí)途徑至關(guān)重要。本文重點(diǎn)討論江南大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)實(shí)施現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方向，為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果作有益探討。
二、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析
當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)硬件主干課程設(shè)置有兩種模式：一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）計(jì)算機(jī)組成原理（專業(yè)基礎(chǔ)課）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)課）。大多數(shù)重點(diǎn)院校采用這種模式。另一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)基礎(chǔ)課）。江南大學(xué)及國(guó)內(nèi)其他許多本科高等學(xué)校采用第二種課程設(shè)置模式。
《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程綜合了《計(jì)算機(jī)組成原理》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》兩門課程的要求，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的組成原理，最終從系統(tǒng)、整機(jī)的角度理解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成，是計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。這門課程的建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到人才培養(yǎng)中計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向教育的成效。尤其是在當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)日益流行，軟硬件一體化設(shè)計(jì)需求不斷擴(kuò)大的背景下，計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程能否達(dá)到預(yù)期效果顯得更為重要。
目前在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生普遍反映該門課程內(nèi)容較為抽象，難以和一個(gè)具體的可見的系統(tǒng)相聯(lián)系理解整個(gè)的運(yùn)行過(guò)程，學(xué)習(xí)效果欠佳，依然停留在為應(yīng)付考試的習(xí)題練習(xí)為主的方式上，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)無(wú)法鍛煉搭建完整電路系統(tǒng)的能力。這些問題急需通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)有針對(duì)性地解決。
傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在開放的電路板上用插線的方式搭建邏輯，學(xué)生通過(guò)將對(duì)應(yīng)的引腳互聯(lián)起來(lái)構(gòu)成特定的數(shù)據(jù)通路。這種方法無(wú)需編寫程序，可以直觀地顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，但對(duì)學(xué)生的影響僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能和企業(yè)的實(shí)際開發(fā)相結(jié)合，沒有更多的實(shí)用價(jià)值。
隨著硬件可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課采用了基于FPGA的實(shí)驗(yàn)裝置。基于FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生可以通過(guò)自己的邏輯設(shè)計(jì)得到專用芯片，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的I/O觀察芯片的運(yùn)行情況，更接近實(shí)際CPU的運(yùn)行狀態(tài)。目前，根據(jù)不同學(xué)校學(xué)生能力的強(qiáng)弱，基于FPGA的組成原理實(shí)驗(yàn)采用了兩種不同的輸入方式。
一種是基于原理圖的設(shè)計(jì)方式。學(xué)生通過(guò)連接原理圖的方式，構(gòu)成自己想要的邏輯電路。將該電路下載到FPGA芯片后構(gòu)成特定的芯片，通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的I/O觀察芯片內(nèi)部的運(yùn)行情況。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是直觀、易于理解。缺點(diǎn)是隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，原理圖輸入的方式耗費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，連線也容易出錯(cuò)，不太可能用于搭建復(fù)雜的系統(tǒng)。
另一種是基于硬件描述語(yǔ)言VHDL/Verilog的設(shè)計(jì)方式。優(yōu)點(diǎn)是可以利用現(xiàn)有的資源搭建較為復(fù)雜的系統(tǒng)，甚至多級(jí)流水線的CPU，可以極大地提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力。缺點(diǎn)是對(duì)學(xué)生的要求比較高，需要有硬件描述語(yǔ)言的基礎(chǔ)。
三、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)工具的選擇
通過(guò)上述分析，可以看出基于硬件描述語(yǔ)言和FPGA的組成原理實(shí)驗(yàn)方式由于可與將來(lái)的企業(yè)實(shí)際開發(fā)相結(jié)合，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。學(xué)生可以通過(guò)VHDL搭建復(fù)雜和完整的硬件系統(tǒng)，對(duì)于理解計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況有非常現(xiàn)實(shí)的意義。關(guān)鍵問題是，應(yīng)該如何選擇適當(dāng)?shù)幕贔PGA的開發(fā)環(huán)境和教學(xué)方法，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生的具體需求。
由于現(xiàn)在基于硬件描述語(yǔ)言已有許多公開源代碼的資源可以加以利用，因此在進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)和實(shí)踐中，可以圍繞某一種有代表性的CPU進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。如國(guó)內(nèi)外有一些學(xué)校選擇以MIPS處理器作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握程度借鑒或自己設(shè)計(jì)某個(gè)模塊，最終形成完整的CPU。同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上通過(guò)匯編程序進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這樣的方式，學(xué)生可以將課堂講解的內(nèi)容完全與實(shí)際的CPU系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而為將來(lái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。而且由于所選用的開發(fā)語(yǔ)言和環(huán)境都和企業(yè)實(shí)際使用的一樣，可以縮短將來(lái)的工作中的學(xué)習(xí)時(shí)間。
四、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)機(jī)制探討
選定了適當(dāng)?shù)膶?shí)踐語(yǔ)言和工具之后，還要有適合的配套管理和運(yùn)作機(jī)制才能保證實(shí)踐教學(xué)的效果。現(xiàn)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室都是學(xué)校購(gòu)買設(shè)備后由實(shí)驗(yàn)室人員管理和維護(hù)，并配合任課老師在上課時(shí)間為學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)服務(wù)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)和上課時(shí)間有限，學(xué)生并不能完全完成和理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，我認(rèn)為可以采取多種方法改善這一狀況。
1.Xilinx/Altera等FPGA提供商建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，隨時(shí)可獲得提供商提供的一些最新資料和技術(shù)服務(wù)，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)室可以在課外對(duì)學(xué)生開放，可以借鑒以往機(jī)房的管理方式，讓感興趣的學(xué)生付費(fèi)使用設(shè)備。
2.為學(xué)生配備或鼓勵(lì)學(xué)生購(gòu)買低價(jià)FPGA設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)室?guī)Щ厮奚幔S時(shí)可以進(jìn)行FPGA系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。
3.企業(yè)建立培訓(xùn)協(xié)議，抽出整段時(shí)間送學(xué)生到專門的FPGA企業(yè)進(jìn)行集中強(qiáng)化訓(xùn)練，積累實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。
將上述幾種方法相結(jié)合，可以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)效果達(dá)到現(xiàn)在軟件開發(fā)的學(xué)習(xí)效果，為嵌入式系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)培養(yǎng)合格的人才。
五、結(jié)語(yǔ)
本文分析了江南大學(xué)《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的一些具體困難，并從幾個(gè)方面提出了應(yīng)對(duì)方案。當(dāng)然，這些方法依賴于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核方式的相應(yīng)改變。只有在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐形式和方法、體制和具體實(shí)施等多方面協(xié)調(diào)一致，整體推動(dòng)，才能取得預(yù)期的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
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篇11
數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其在構(gòu)成上主要以數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及應(yīng)用程序等為主。其中各部分功能的發(fā)揮都可能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)需由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行硬件環(huán)境的提供，而數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。因此，如何做好數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的優(yōu)化成為現(xiàn)行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)完善中需考慮的重要內(nèi)容。
1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)概述
關(guān)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)為系統(tǒng)元素的集合，在集合內(nèi)系統(tǒng)元素能夠協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上，便可根據(jù)預(yù)先定義目標(biāo)完成信息處理過(guò)程。常見的系統(tǒng)元素主要有計(jì)算機(jī)硬件與軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、文檔以及人員等方面。其中硬件負(fù)責(zé)電子設(shè)備或機(jī)械設(shè)備的提供以使得計(jì)算機(jī)能力以及其他外部世界功能得以實(shí)現(xiàn)；而軟件可作為文檔、數(shù)據(jù)庫(kù)與程序的稽核，提供計(jì)算機(jī)運(yùn)行中需要的邏輯方法；數(shù)據(jù)庫(kù)則用于集合所有軟件訪問的信息；文檔用于描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有圖形、表格等信息。現(xiàn)行在Internet網(wǎng)絡(luò)普及的背景下，要求計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在完善過(guò)程中能夠做到對(duì)各類型信息資源進(jìn)行輸入、輸出以及管理，而這些信息資源管理活動(dòng)的開展便需依托于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中發(fā)展極為迅猛的技術(shù)，同時(shí)也是保障計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)作用發(fā)揮的關(guān)鍵部分[1]。
2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的具體體現(xiàn)
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在四種模式，包括分布式服務(wù)器系統(tǒng)、服務(wù)器模式、工作站模式以及終端模式等，各種模式在整個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的效果也存在一定的差異。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，現(xiàn)今計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式又傾向于web服務(wù)器模式。實(shí)際應(yīng)用中，以往四種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式即表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，也存在許多弊端，具體體現(xiàn)在以下幾方面。
2.1 從主機(jī)/終端模式角度
該模式是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的最早結(jié)構(gòu)模式，其結(jié)構(gòu)具有明顯的集中式特征，要求在主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)以及管理系統(tǒng)的設(shè)置，其他相應(yīng)的應(yīng)用程序也需在主機(jī)中體現(xiàn)出來(lái)。但這種模式下，數(shù)據(jù)信息共享性極差，僅用戶終端能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的使用，若需對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問，要求用戶采取撥號(hào)形式或利用本地終端以獲取需要的數(shù)據(jù)。其中的本地終端大多不具備數(shù)據(jù)處理能力，僅以通信軟件、鍵盤與顯示器為主。然而不可否認(rèn)，這種集中式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于存儲(chǔ)設(shè)備中數(shù)據(jù)區(qū)能夠安全處理，不同類型的并發(fā)用戶都可為該結(jié)構(gòu)所支持。從其應(yīng)用的弊端看，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)維護(hù)較難，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)本身在硬件、軟件等耗費(fèi)較多成本，加上數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)中的終端系統(tǒng)成本與維護(hù)費(fèi)用，將使計(jì)算機(jī)應(yīng)用難以獲取應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。另外，該模式應(yīng)用下，網(wǎng)絡(luò)性能完全取決于主機(jī)性能，若有多個(gè)用戶共同聯(lián)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性能將表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)[2]。
2.2 從文件服務(wù)器/工作站模式角度
該模式應(yīng)用下主要需在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中文件服務(wù)器處進(jìn)行管理系統(tǒng)的設(shè)置，在所有PC工作站中都有相應(yīng)的處理程序存在。一般文件服務(wù)器在功能上更側(cè)重于接收與發(fā)送文件，并將共享數(shù)據(jù)向用戶提供，但在協(xié)同處理方面卻較為缺失。事實(shí)上，從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中便可發(fā)現(xiàn)，即使文件服務(wù)器具備較為明顯的運(yùn)行速度優(yōu)勢(shì)，但PC中數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)仍會(huì)限制文件服務(wù)器的性能。而且文件傳輸過(guò)程中多以整個(gè)文件為主，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)訪問用戶數(shù)量增加時(shí)，傳輸量也將隨之上升，系統(tǒng)運(yùn)行因此受到影響[3]。
2.3 從客戶機(jī)/服務(wù)器模模式角度
對(duì)于這種服務(wù)器模式，其主要在服務(wù)器處設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，服務(wù)器端與客戶端都可利用管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。相關(guān)的數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，可在管理系統(tǒng)運(yùn)行于服務(wù)器端時(shí)實(shí)現(xiàn)，而在處理輸入或輸出問題以及屏幕交互時(shí)，要求管理系統(tǒng)運(yùn)行于客戶端。此種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式在優(yōu)勢(shì)上主要表現(xiàn)為能夠利用兩個(gè)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理，無(wú)需考慮系統(tǒng)難以承受過(guò)大信息流量的問題，且在維護(hù)管理或系統(tǒng)升級(jí)中不會(huì)耗費(fèi)過(guò)多的成本。而且使數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在服務(wù)器端或客戶端運(yùn)行時(shí)，也可使計(jì)算機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的性能得以提升。但該模式應(yīng)用過(guò)程中也表現(xiàn)出一定的弊端，如數(shù)據(jù)庫(kù)需保持一定的獨(dú)立性，為用戶使用帶來(lái)較多難題，如企業(yè)中各部門應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)如何做到數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)等。因此，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用需考慮到引入“無(wú)縫隙”訪問技術(shù)，典型的如分布式處理技術(shù)等[4]。
2.4 從分布式系統(tǒng)角度
相比前幾種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用模式，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)強(qiáng)調(diào)同一系統(tǒng)中數(shù)據(jù)保持一定的邏輯關(guān)系，并在整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使數(shù)據(jù)在不同節(jié)點(diǎn)處分布。實(shí)際應(yīng)用中，為保證用戶能夠遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)信息，不同位置服務(wù)器都需將數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)置其中，用戶數(shù)據(jù)獲取時(shí)如從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一般，直接將請(qǐng)求數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中發(fā)送，若服務(wù)器中未尋找到用戶數(shù)據(jù)，可直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將用戶請(qǐng)求向其他數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中發(fā)送，完成信息搜索后會(huì)將相應(yīng)的信息傳輸給用戶，大多情況用戶都難以判斷是哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為其提供的數(shù)據(jù)信息。因此，這種模式的應(yīng)用可滿足現(xiàn)代企業(yè)需求，對(duì)于解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與共享問題可起到明顯的效果[5]。
3 優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的相關(guān)建議
現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展步伐，除采取分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式外，也將Web技術(shù)融入其中，許多數(shù)據(jù)庫(kù)廠家多采取數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與Web技術(shù)相結(jié)合的方式，使數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容檢索僅需通過(guò)Web瀏覽器的訪問便可完成，對(duì)該類型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可稱其為Web數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。為使數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行效率進(jìn)一步提高，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中需做好系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)考慮數(shù)據(jù)對(duì)連接池進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化策略主要表現(xiàn)在以下幾方面。
3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)的思路
系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)過(guò)程中首先考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題，從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)，其中存在弊端不僅制約系統(tǒng)整體性能的提高，而且易產(chǎn)生過(guò)多的成本。對(duì)此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可選取B/S結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：①客戶端負(fù)載問題得以解決。如C/S結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)處理功能、顯示功能都需由客戶端負(fù)責(zé)，承受的負(fù)載較大，特別當(dāng)前客戶端應(yīng)用程序不斷增加的背景下，客戶端的有效運(yùn)行更面臨較多難題。此時(shí)將B/S結(jié)構(gòu)引入其中，服務(wù)端會(huì)承擔(dān)部分客戶端的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，許多數(shù)據(jù)訪問或計(jì)算都可在服務(wù)端完成；②兼容性較高。該結(jié)構(gòu)下主要以JSP為前端界面，將Java語(yǔ)言融入后可使服務(wù)器執(zhí)行壓力得以緩解；③靈活性較強(qiáng)。B/S結(jié)構(gòu)下各層都以獨(dú)立的形式存在，即使其中一層出現(xiàn)異常也不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；④維護(hù)成本較低。由于該結(jié)構(gòu)應(yīng)用下需將瀏覽器安裝于客戶端中，服務(wù)器可完成相關(guān)的系統(tǒng)升級(jí)或維護(hù)工作，不會(huì)對(duì)客戶端產(chǎn)生影響，有利于維護(hù)成本的控制。本文在系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)中考慮在B/S結(jié)構(gòu)應(yīng)用的同時(shí)，使其與傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)以及web技術(shù)相結(jié)合，以此構(gòu)建集數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器以及瀏覽器于一體的結(jié)構(gòu)體系，將其稱為B/S/S結(jié)構(gòu)體系。
框架設(shè)計(jì)中還需做好開發(fā)語(yǔ)言以及數(shù)據(jù)庫(kù)連接的充分考慮。其中在開發(fā)語(yǔ)言選擇方面，現(xiàn)行較為常見的主要以PHP、JSP以及ASP為主。相比之下，為滿足數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化需求，要求開發(fā)語(yǔ)言應(yīng)以簡(jiǎn)潔高效、便于移植等特征為主，所以可將JSP作為系統(tǒng)開發(fā)語(yǔ)言。而從數(shù)據(jù)庫(kù)連接角度，應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)主要以JDBC為主，但需注意的是該技術(shù)應(yīng)用時(shí)要求數(shù)據(jù)庫(kù)使用后保持?jǐn)嚅_，一旦數(shù)據(jù)庫(kù)連接過(guò)多將導(dǎo)致內(nèi)存發(fā)生泄漏，甚至使服務(wù)器癱瘓。這就引入連接池技術(shù)，將JDBC訪問技術(shù)下的弊端進(jìn)行解決[6]。
3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)一步優(yōu)化
為適應(yīng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)要求，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化中首先需考慮數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)問題。以SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化為例，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要需在解決邏輯庫(kù)規(guī)范化弊端的基礎(chǔ)上進(jìn)行物理數(shù)據(jù)庫(kù)的生成。其中邏輯庫(kù)規(guī)范化弊端方面，可采取將重復(fù)屬性、計(jì)算字段等融入數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體內(nèi)。但應(yīng)注意設(shè)計(jì)中往往易出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)歷史記錄保存問題，因歷史記錄使用頻次較少，所以需分離歷史數(shù)據(jù)與其他訪問數(shù)據(jù)。而物理數(shù)據(jù)庫(kù)生成方面，要求對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的硬件資源、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問格式進(jìn)行判斷，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)據(jù)行的設(shè)置使I/O操作得以減少，或直接對(duì)SQLSever利用同一物理設(shè)備存儲(chǔ)圖像或文本數(shù)據(jù)，可使系統(tǒng)性能得以提高。
其次，應(yīng)做好調(diào)整硬件工作。調(diào)整中如在磁盤子系統(tǒng)方面，通常數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中應(yīng)用的磁盤驅(qū)動(dòng)器極易出現(xiàn)超載問題，影響系統(tǒng)性能，對(duì)此可考慮增設(shè)磁盤驅(qū)動(dòng)器，可保證I/O子系統(tǒng)性能問題得以解決。而在內(nèi)存方面，通常提升數(shù)據(jù)庫(kù)性能的方式主要以物理內(nèi)存的增加為主，但這種方式涉及的成本較高，應(yīng)考慮對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際內(nèi)存進(jìn)行優(yōu)化配置，如對(duì)其內(nèi)存數(shù)值的調(diào)整等。
最后，做好SQL語(yǔ)句與查詢計(jì)劃的優(yōu)化。在優(yōu)化SQL語(yǔ)句中，主要要求避免SELECT*語(yǔ)句、DISTINCT的使用，二者都可能使數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用邏輯出現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)對(duì)于其他非操作符聚以及ORDER BY等應(yīng)正確使用。另外，在查詢計(jì)劃優(yōu)化方面，需保證索引、主鍵、連接、臨時(shí)表等能夠正確使用。在SQL語(yǔ)句以及查詢計(jì)劃得以優(yōu)化下，才可使數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)性能得到提升[7]。
3.3 連接池的優(yōu)化
連接池在數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用主要使緩沖池中融入相關(guān)的物理連接，這樣在數(shù)據(jù)庫(kù)訪問過(guò)程中用戶可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接的獲取，且在連接使用結(jié)束后，可將其重新置于連接池中，無(wú)需執(zhí)行關(guān)閉連接操作，這樣數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問效率將得到很大程度的提升。具體構(gòu)建連接池過(guò)程中，可直接由服務(wù)器進(jìn)行連接池的提供，或采取JDBC連接池。實(shí)際上，現(xiàn)行大多服務(wù)軟件中多將連接池直接設(shè)置其中，僅需保證使用效果得以發(fā)揮并做好管理工作既可。另外，連接池在優(yōu)化中還需考慮到參數(shù)設(shè)置問題，如其中最小或最大連接數(shù)，其設(shè)置不合理很可能造成系統(tǒng)資源被過(guò)多占用，訪問效率也因此被降低，連接池整體性能因垃圾信息過(guò)多而受到影響。所以在參數(shù)的設(shè)定是連接池優(yōu)化中需考慮的重要問題，常見的方式主要引入相應(yīng)的測(cè)試工具，通過(guò)反復(fù)測(cè)試以使參數(shù)值更為合理[8]。
4 結(jié)論
數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是完善計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的重要途徑。實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中不同數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與弊端，在此基礎(chǔ)上提出Web數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中要求做到設(shè)計(jì)具體的系統(tǒng)框架，從數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、調(diào)整硬件以及優(yōu)化查詢計(jì)劃以及SQL語(yǔ)句，并注重連接池的構(gòu)建，以此使數(shù)據(jù)庫(kù)整體性能得以提高，發(fā)揮其在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的重要作用。
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篇12
文章編號(hào)：1671-489X（2015）22-0017-04
1 引言
計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（也稱體系結(jié)構(gòu)）是大多數(shù)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)硬件類課程，對(duì)于很多學(xué)生來(lái)說(shuō)，也是兩門比較懼怕的課程。除了課程內(nèi)容包含較多學(xué)生看來(lái)枯燥乏味的概念、電路、算法和原理之外，有些知識(shí)點(diǎn)相對(duì)陳舊，一些描述模糊不清，引起學(xué)習(xí)者概念混亂甚至不明所以，更加打擊了學(xué)習(xí)興趣和熱情。這導(dǎo)致一部分學(xué)生畏懼甚至厭煩這兩門課，連帶懼怕需要?jiǎng)邮趾蛯?shí)踐的其他硬件課程，“欺軟怕硬”成為較為普遍的現(xiàn)象。這對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)性地掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)，畢業(yè)后成為適應(yīng)社會(huì)多方面需要的有用人才無(wú)疑是不利的。
2 關(guān)于組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程安排
這兩門課程，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講述的是概念性的體系和功能，站在軟硬件分界面的角度討論計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)性框架如何搭建；計(jì)算機(jī)組成則從經(jīng)典的馮?諾依曼五大部件入手，分析計(jì)算機(jī)硬件組成的具體內(nèi)容，包括示例性的邏輯電路和二進(jìn)制算法，來(lái)講述計(jì)算機(jī)的基本工作原理。兩者站在不同的視角看待硬件問題，難免會(huì)有重疊。因此，有些學(xué)校兩門課分開上，有些學(xué)校合并成一門課；國(guó)內(nèi)的一些出版單位也順勢(shì)推出一些合并課本，或者干脆直接取名叫做“計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)”，兩門課程各選取了一些核心內(nèi)容組在一起，搞成一個(gè)混合版本。
筆者認(rèn)為這種課程合并適合一些高職高專類的院校，對(duì)于計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)而言還是存在問題的，如學(xué)時(shí)安排方面的問題。組成原理是考研課程，要講述透徹則學(xué)時(shí)數(shù)必須得到保證，加上實(shí)驗(yàn)，總學(xué)時(shí)需要60以上。體系結(jié)構(gòu)重點(diǎn)放到流水線、多級(jí)存儲(chǔ)層次、多處理機(jī)并行計(jì)算等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)廣泛采用的新技術(shù)，要想講解清楚一般也要40學(xué)時(shí)左右。兩者合并，如果學(xué)時(shí)數(shù)不能得到保證，其結(jié)果是兩部分內(nèi)容都講不好；而如果一味擴(kuò)大學(xué)時(shí)數(shù)，如擴(kuò)充到80學(xué)時(shí)以上，又會(huì)給學(xué)生造成相當(dāng)大的心理負(fù)擔(dān)。本來(lái)硬件課程就是攔路虎，這樣一個(gè)超大學(xué)時(shí)的硬件專業(yè)課不會(huì)有良好的教學(xué)效果。
多年前也曾經(jīng)合并做過(guò)，效果并不好，后來(lái)又改回到兩門課程分別開設(shè)，依據(jù)傳統(tǒng)，先講組成原理，緊接著一個(gè)學(xué)期開設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在面臨一個(gè)問題：內(nèi)容的取舍。很多經(jīng)典的組成原理課本不知從什么時(shí)候開始夾雜很多流水線和高速緩沖存儲(chǔ)器的內(nèi)容，部分課本甚至還有多處理機(jī)方面的。這些書的作者可能想適應(yīng)那些合并開課學(xué)校的用書想法，所以開始大幅增加原本屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中的內(nèi)容。
另一個(gè)方面，考研的組成原理大綱確實(shí)包括了流水線、多級(jí)存儲(chǔ)層次和多機(jī)系統(tǒng)，也就是說(shuō)考研課程名雖是組成原理，實(shí)際卻包括了兩門課的知識(shí)點(diǎn)。從這個(gè)角度看，這些組成原理教材增加的篇幅包含這些內(nèi)容也是合理的。問題是，上組成原理課程時(shí)怎么應(yīng)對(duì)這些原本下學(xué)期才要講述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中的內(nèi)容？
武漢工程大學(xué)是多校聯(lián)合的考試聯(lián)盟出題，為了和考研內(nèi)容一致，所以題目中有很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。原本按照課程順序，這些知識(shí)點(diǎn)都是下一學(xué)期才應(yīng)該講述的，但是為了考試，又不得不囫圇吞棗提前講解，導(dǎo)致學(xué)生考試結(jié)果不理想。為了避免這種混亂，能否先講述體系結(jié)構(gòu)課程，然后講述組成原理呢？從內(nèi)在聯(lián)系來(lái)看，組成原理可以看作體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，因此先講“干”再講“枝”應(yīng)該也行得通，涉及器件組成、數(shù)據(jù)通路、指令、二進(jìn)制、中斷機(jī)制等組成原理中詳細(xì)講解的部分，可以講最基本的原理，能輔助課程理解就行。這樣改變傳統(tǒng)排課次序的做法能不能收到更好的效果？準(zhǔn)備進(jìn)行嘗試。
3 CPU部分的討論
CPU的內(nèi)容很多，兩門課都有大量涉及，以下討論不再和課程掛鉤，只說(shuō)明哪些內(nèi)容值得商榷。
CPU的發(fā)展和兼容 第一代電子管計(jì)算機(jī)，第二代晶體管計(jì)算機(jī)，這個(gè)沒什么疑問；第三代、第四代都是對(duì)應(yīng)集成電路，只是規(guī)模不同，量變引起質(zhì)變，劃到下一代也能接受；而關(guān)于第五代計(jì)算機(jī)就值得推敲了，到底第五代計(jì)算機(jī)是什么？一些教材把它劃歸到超大規(guī)模集成電路中去，筆者認(rèn)為不妥，其實(shí)學(xué)術(shù)界從20世紀(jì)90年代就在呼喚第五代計(jì)算機(jī)，但是并沒有明確是什么，而是等待采用全新技術(shù)或者全新材料的計(jì)算機(jī)問世，普遍認(rèn)為光子、量子、超導(dǎo)、生物這幾個(gè)方面有可能誕生出第五代計(jì)算機(jī)出來(lái)，遺憾的是現(xiàn)在仍然都處于研究階段，所以關(guān)于計(jì)算機(jī)的劃代應(yīng)該到四代為止。要讓學(xué)生明白，科學(xué)的發(fā)展有和低谷，過(guò)10～20年強(qiáng)行劃分新一代來(lái)說(shuō)明計(jì)算機(jī)的進(jìn)步?jīng)]有意義，因?yàn)榧呻娐凡荒芤淮未斡闪孔円l(fā)質(zhì)變！
關(guān)于發(fā)展過(guò)程中的兼容，也很難明確，就拿向前和向后兼容來(lái)說(shuō)，站在機(jī)器的角度來(lái)說(shuō)，后面的機(jī)器能運(yùn)行前面機(jī)器的軟件，應(yīng)該叫向前兼容，但是站在軟件的角度來(lái)說(shuō)，前面開發(fā)的軟件要能在后面出現(xiàn)的機(jī)器中運(yùn)行，則又成了向后兼容。兩者實(shí)質(zhì)上是一回事，卻可以有兩種說(shuō)法，如果出題討論兼容性，學(xué)生該怎么給出答案？
運(yùn)算方法 各種碼制、定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)可以詳述，這些是基本的，對(duì)于以后實(shí)際使用和各種編程都有好處；加減法和溢出概念作為了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算原理，也可以讓學(xué)生掌握；但是乘法和除法，特別是兩位乘以及除法的余數(shù)校正這些東西，學(xué)生要費(fèi)很大力才能弄明白，一個(gè)月后就一定會(huì)忘記得干干凈凈。這些屬于技巧類的算法還是不要占那么多篇幅介紹為好。一些課本不再講述各種進(jìn)位制的轉(zhuǎn)換，筆者認(rèn)為不恰當(dāng)，作為初接觸二進(jìn)制的學(xué)生而言，搞清各種進(jìn)位制及其轉(zhuǎn)換是很有必要的，至少比兩位乘法或者加減交替做除法重要得多。
尋址方式 很多學(xué)生一直到畢業(yè)也沒弄清尋址方式，這部分內(nèi)容應(yīng)該把那么多紛繁的名詞簡(jiǎn)化。舉例來(lái)說(shuō)，基址、變址、索引、縮放、偏移、自增、自減，再加上直接、間接、相對(duì)尋址等，這些本來(lái)都是針對(duì)存儲(chǔ)器的尋址方式，弄出這么多名詞來(lái)學(xué)生不頭疼才怪。其實(shí)尋址完全可以簡(jiǎn)單明了做介紹，而不拘泥于這些奇怪的名詞上：數(shù)據(jù)可以在三個(gè)地方出現(xiàn)，分別是指令中、寄存器中、存儲(chǔ)器中；前兩種叫做立即數(shù)和寄存器尋址，第三種則區(qū)分為直接地址和間接地址，只有間接地址可以變化多端，其中基地址加上偏移量組合是最基本的形式。
關(guān)于微程序控制器 當(dāng)今CPU還有多少使用微程序控制器的？即使是CISC也變臉為硬件解碼后送入內(nèi)部長(zhǎng)長(zhǎng)的類似RISC的管線系統(tǒng)。作為訓(xùn)練和實(shí)踐控制器部分的手段可以講述，畢竟一個(gè)硬邏輯的控制器很難實(shí)現(xiàn)，但是關(guān)于水平的、垂直的微程序甚至毫微程序這些概念還是盡量簡(jiǎn)化吧。這里面有很多難題、怪題，各種字段的分解與組合作為考試的手段也應(yīng)該點(diǎn)到即止，畢竟誰(shuí)都不會(huì)去真正設(shè)計(jì)一款復(fù)雜的微程序控制器。
4 存儲(chǔ)器部分的討論
主存典型芯片 還在用2114、4116作為芯片實(shí)例？對(duì)這些舊貨市場(chǎng)都不一定買得到的東西進(jìn)行詳細(xì)分解，其古怪的時(shí)序、簡(jiǎn)陋的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)占據(jù)了大量篇幅，為什么不用現(xiàn)在市場(chǎng)上仍在普遍使用的簡(jiǎn)單8位或者16位存儲(chǔ)芯片舉例呢？如27系列ROM、62系列RAM。而高性能存儲(chǔ)芯片的介紹也停留在20年前的SDRAM、早已淘汰的RDRAM/CDRAM，要知道現(xiàn)在已經(jīng)是DDR4的時(shí)代了。
輔存 還在大力介紹軟盤，甚至是8英寸軟盤，而市場(chǎng)上3.5寸的最后一代軟盤都找不到了，8寸的軟盤估計(jì)博物館里面也難得一見。磁記錄的編碼方式似乎也沒有講解的必要，歸零制、不歸零制的編碼方式過(guò)時(shí)不說(shuō)，實(shí)在和計(jì)算機(jī)的軟硬件組成都沒有太大的關(guān)系。關(guān)于硬盤方面的先進(jìn)技術(shù)介紹，停留在幾個(gè)G的容量、幾十KB的緩存，以及IBM硬盤、昆騰硬盤等這些不知消失多久的產(chǎn)品上，感覺又回到了20世紀(jì)90年代。
Cache和虛存 作為兩個(gè)同等重要的存儲(chǔ)層次，討論卻都主要集中在前者，后者的重要性沒有得到體現(xiàn)。改進(jìn)Cache失效率的措施花了大量篇幅，其中有些措施根本沒有任何實(shí)用價(jià)值。而編譯器優(yōu)化和軟件控制的預(yù)取等內(nèi)容本就不屬于體系結(jié)構(gòu)所要關(guān)心的，其算法和編程原理同樣占用很多寶貴的篇幅。關(guān)于Cache技術(shù)所舉的實(shí)例采用的都是20年前的芯片技術(shù)，雖然相對(duì)簡(jiǎn)單易懂，卻也處于和8086在微機(jī)原理課程中作為示例CPU一樣的尷尬地位。
5 I/O和總線部分的討論
總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn) 單總線、雙總線、三總線甚至四總線結(jié)構(gòu)的討論，繁瑣、過(guò)時(shí)且相互矛盾。就拿三總線來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)、地址、控制總線是三總線，局部、系統(tǒng)、擴(kuò)展總線也是三總線，還有主存、I/O、DMA總線又是一種三總線。介紹過(guò)時(shí)的ISA、EISA、VESA乃至AGP總線有價(jià)值嗎？最關(guān)鍵的一點(diǎn)，很多教材花大篇幅介紹這些淘汰技術(shù)的同時(shí)，不去直面它們的落后和淘汰的現(xiàn)狀。不是說(shuō)淘汰的技術(shù)不能介紹，作為人類曾經(jīng)的技術(shù)結(jié)晶和科技?xì)v史，有必要讓學(xué)生了解，但是應(yīng)該把握兩點(diǎn)：一是篇幅要小；二是明確告訴學(xué)生，這些東西都已經(jīng)成為歷史。
總線判優(yōu)與控制 集中式判優(yōu)中的鏈?zhǔn)讲樵兒陀?jì)數(shù)器定時(shí)查詢究竟在什么時(shí)候什么場(chǎng)合出現(xiàn)過(guò)總應(yīng)該提及一下。說(shuō)獨(dú)立請(qǐng)求方式響應(yīng)最快也沒有說(shuō)服力，和鏈?zhǔn)讲樵兿啾容^都是全硬件信號(hào)，快慢就看誰(shuí)的邏輯復(fù)雜，獨(dú)立請(qǐng)求方式一定最快的根據(jù)并不充分。
同步控制和異步控制以及串行和并行方式是總線控制的兩個(gè)主要內(nèi)容，應(yīng)該針對(duì)具體的總線實(shí)例加以分析。一些習(xí)題或者課本說(shuō)同步比異步方式快，或者并行方式比串行方式快，筆者認(rèn)為這些都是欠妥的，當(dāng)今高速異步串行總線的帶寬有目共睹。總線的快慢，和是否串并行、是否同步異步?jīng)]有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
I/O接口與設(shè)備 很多查詢、中斷、DMA等接口電路的組成都給出實(shí)現(xiàn)的電路圖，這些圖在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)采用，對(duì)學(xué)生而言復(fù)雜晦澀，他們還錯(cuò)覺地認(rèn)為這些電路才是標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口。其實(shí)實(shí)現(xiàn)接口的方式和原理有多種，詳細(xì)介紹接口具備的功能應(yīng)該比介紹這些電路圖有意義得多。
CRT顯示器和CRT控制器，隨機(jī)掃描和光柵掃描，偽彩色、CGA、EGA等，講述的課本不在少數(shù)。筆者20年前的課堂上就講過(guò)這些，現(xiàn)在再講實(shí)在味同嚼蠟。關(guān)于多媒體電腦、多媒體專用芯片甚至多媒體操作系統(tǒng)這些概念，同樣顯得和時(shí)代格格不入，20年前這些說(shuō)法可能代表新技術(shù)，而在全民手機(jī)都能處理多媒體的今天，這些說(shuō)法本身似乎都失去了意義。
中斷向量 本來(lái)向量的含義就是借用物理中定向指向的概念，去說(shuō)明中斷后自動(dòng)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置去實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)，一些教材卻在中斷向量、向量中斷、中斷入口、向量地址等環(huán)節(jié)上反復(fù)糾纏，用一些模棱兩可的用詞去“加深”學(xué)生的理解，實(shí)際的效果卻和“干擾”無(wú)異。類似的還有所謂存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、機(jī)器字長(zhǎng)、讀寫周期、存儲(chǔ)周期、總線周期、機(jī)器周期等，非要讓學(xué)生區(qū)分得清清楚楚，恐怕很難，況且這些概念本身就有相交之處。就拿中斷向量來(lái)說(shuō)，究竟是硬件切換出來(lái)的向量地址，還是向量地址中存放的服務(wù)程序入口，誰(shuí)能說(shuō)得清？還有總線周期和存儲(chǔ)周期，當(dāng)總線上傳遞存儲(chǔ)單元信息時(shí)就是一回事。這些細(xì)微差別的概念即使要作為考題也要慎重，筆者多次碰到引起歧義的答案。
中斷屏蔽和優(yōu)先級(jí) 本來(lái)是兩個(gè)很清楚的概念，各自的用途也非常明確，一旦把所謂的低優(yōu)先級(jí)去中斷高優(yōu)先級(jí)的特例弄進(jìn)去（暫不說(shuō)這種做法有什么實(shí)際意義），一切都變得復(fù)雜起來(lái)。畫中斷響應(yīng)軌跡圖是很多題目最喜歡的，實(shí)際應(yīng)用中若是出現(xiàn)像軌跡圖那樣亂七八糟的中斷嵌套，系統(tǒng)很容易徹底崩潰。這些低優(yōu)先級(jí)中斷去嵌套高優(yōu)先級(jí)中斷的非常規(guī)做法還是不要復(fù)雜化。
6 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與課程設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)課一般以某種實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，把經(jīng)典的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路（總線）、控制器等幾個(gè)大的組成部分作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，去加深課堂相關(guān)內(nèi)容的理解。課程設(shè)計(jì)則是依托實(shí)驗(yàn)箱的硬件構(gòu)造，去設(shè)計(jì)一個(gè)具備更加復(fù)雜功能的部件或者組成一臺(tái)能運(yùn)行簡(jiǎn)單指令集的模擬整機(jī)。這種做法對(duì)于大多數(shù)普通院校的學(xué)生而言沒有什么問題，少數(shù)重點(diǎn)大學(xué)使用FPGA設(shè)計(jì)CPU軟核并在模擬機(jī)中移植某種操作系統(tǒng)作為課程設(shè)計(jì)則屬于高端要求，這里不加分析。
要討論的是這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱做經(jīng)典組成實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，通過(guò)對(duì)幾個(gè)廠家的組成原理實(shí)驗(yàn)箱的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們都有如下特點(diǎn)。
1）采用開放式的面板，把所有部件以及連接線的插孔都安排在這個(gè)面積很大的面板上，所有元件和芯片。
2）運(yùn)算器使用74181或者在可編程邏輯器件中使用該芯片邏輯，以配合教材內(nèi)容。
3）存儲(chǔ)器使用普通SRAM或者雙端口SRAM。
4）控制器以微程序控制方式為主，使用非易失性存儲(chǔ)器構(gòu)成控存單元。少部分也提供硬邏輯控制器，用可編程邏輯器件構(gòu)成。
5）大量使用開關(guān)和LED作為輸入輸出部件，信號(hào)連接使用針孔配合的導(dǎo)線。
6）說(shuō)明書和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書普遍不嚴(yán)謹(jǐn)，文字和圖表錯(cuò)誤很多，印制粗糙，且基本上都不提供電子版。
以上特點(diǎn)的組成原理實(shí)驗(yàn)箱往往還兼顧微機(jī)原理或者體系結(jié)構(gòu)，甚至還有數(shù)字邏輯的課程實(shí)驗(yàn)。總體來(lái)說(shuō)，它們會(huì)導(dǎo)致以下一些問題。
1）很大面積的電路板且，即使上面有分割各個(gè)模塊的線條，仍然覺得龐雜凌亂，想找一個(gè)信號(hào)會(huì)非常不便，令學(xué)生望而生畏。因?yàn)橐疹櫟蕉嚅T課程，所以一些電路單元在某門課程中就會(huì)用不上，還要增加切換電路的模式開關(guān)。這些都使操作復(fù)雜化，容易造成儀器損壞。一般來(lái)說(shuō)，三年左右損壞率可以達(dá)到50%以上。
2）連線普遍采用插頭和插孔的配合形式，差別在于有的型號(hào)粗、有的型號(hào)細(xì)，有的深、有的淺。這種連接方式太緊了插拔不方便容易斷線，太松了接觸不良；而且隨著實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜，面板上的線像一團(tuán)亂麻，什么都看不清楚，即使采用了長(zhǎng)短不一和不同顏色的導(dǎo)線加以區(qū)分，仍然不能解決問題，非常不便于調(diào)試和觀察。
3）輸入和輸出方式操作復(fù)雜，更不直觀。用二進(jìn)制表示的撥動(dòng)開關(guān)和LED管，輸入的每個(gè)數(shù)據(jù)都要撥8次開關(guān)才能完成，輸出的數(shù)據(jù)因?yàn)槭荓ED表示的二進(jìn)制信息，不易于識(shí)別。這兩種形式的I/O還存在占用面積大，故障率高的缺點(diǎn)。
7 總結(jié)
計(jì)算機(jī)是發(fā)展很快的一門實(shí)踐和工程類學(xué)科，不管是軟件還是硬件皆是如此。軟件類的書籍更新很快，當(dāng)下的的開發(fā)工具和語(yǔ)言可能幾年后就沒有了用武之地，除了某些描述算法和原理的理論書籍，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理之類，更新周期可能較長(zhǎng)。
相比軟件類課程而言，硬件課程一個(gè)版本可能堅(jiān)持更長(zhǎng)時(shí)間，有些教材甚至有十年以上的生命周期，如傳統(tǒng)的電路原理、數(shù)字邏輯類的課程。那么，計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為硬件基礎(chǔ)課程，是不是也能多少年不用更新呢？即使一些內(nèi)容已經(jīng)時(shí)過(guò)境遷，仍然堂而皇之地出現(xiàn)在教材里面，導(dǎo)致一部分了解這些內(nèi)容的學(xué)生產(chǎn)生抵觸情緒。不能追蹤新技術(shù)的硬件課程對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果都是有消極影響的。
本文希望能起到拋磚引玉的作用，引起教材作者和實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)人員的重視，對(duì)相關(guān)內(nèi)容及時(shí)更新或者刪除，對(duì)設(shè)備中的不足加以改進(jìn)，更好地促進(jìn)計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩門課程的發(fā)展。■
參考文獻(xiàn)
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篇13
1 水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的分類方式
水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有不同的分類方式。依據(jù)計(jì)算機(jī)在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用大小可分為：計(jì)算機(jī)為輔的監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與常規(guī)設(shè)置雙重控制的監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)為主的監(jiān)控系統(tǒng)。按照系統(tǒng)的控制方式可分為直接控制和分級(jí)控制兩種。按照計(jì)算機(jī)的配置數(shù)量比又可分為單機(jī)系統(tǒng)、雙機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式可以分為集中式、分散式、分布處理式、和全開放、全分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
2 水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)模式
2.1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)
集中式監(jiān)控系統(tǒng)一般只需設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以對(duì)全廠進(jìn)行控制，是基于現(xiàn)場(chǎng)總線連接的實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)。由于這種方式的所有監(jiān)控功能都在一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行，因而，一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)會(huì)全面癱瘓，可靠性較低。另外，所有信息都在一臺(tái)機(jī)子上演示，其監(jiān)控功能也受到局部限制。因此，常常設(shè)置另一臺(tái)備用主控機(jī)，提高其可靠性。水電廠生產(chǎn)過(guò)程中的各運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)可以由主控機(jī)經(jīng)I/O過(guò)程通道采集而成，同樣，控制調(diào)節(jié)任務(wù)由主控機(jī)經(jīng)I/O輸出通道作用到各發(fā)電機(jī)組和相應(yīng)設(shè)備，主控計(jì)算機(jī)集中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低、投資少，適用于容量較小，對(duì)監(jiān)控要求不高的小型水電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
2.2 功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)
這種監(jiān)控系統(tǒng)中不再使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成各項(xiàng)功能，而是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別完成。每臺(tái)計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)完成部分任務(wù)，即單項(xiàng)任務(wù)。如數(shù)據(jù)采集、調(diào)整控制、事件記錄以及通信功能等。由于這是一種形式上的橫向功能的分散，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，只能夠影響某一項(xiàng)的功能，其它作用不受影響，在某種程度上提高了系統(tǒng)的可靠性，功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)負(fù)載相對(duì)減少，可以由微機(jī)來(lái)承擔(dān)。其實(shí)，這種監(jiān)控系統(tǒng)并沒有解決集中式監(jiān)控出現(xiàn)的所有問題，一個(gè)功能的計(jì)算機(jī)裝置產(chǎn)生故障，全廠的這部分功能都會(huì)受影響，依然沒有解決所有信息集中到一起引起的系統(tǒng)問題，可靠性依然不高。目前使用較少。
2.3 分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)
應(yīng)該說(shuō)，分布處理系統(tǒng)是分散式系統(tǒng)的升級(jí)，它克服了功能分散式系統(tǒng)的弱點(diǎn)，以控制對(duì)象的分散性為特征，其指導(dǎo)思想是以數(shù)據(jù)的分層控制方式為基礎(chǔ)，將控制系統(tǒng)按照控制性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)的不同分成不同的管理層，各層之間完成分配給自己的監(jiān)控功能，相互間有一定的制約和協(xié)調(diào)功能。水電廠的控制對(duì)象包括水輪發(fā)電機(jī)組、開關(guān)站、閘門、公用設(shè)施等，可以依據(jù)控制對(duì)象的不同設(shè)置單獨(dú)的控制單元，電廠控制層的計(jì)算機(jī)組負(fù)責(zé)全廠的功能性工作。其控制層自身由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，也是一個(gè)功能分散的控制系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，只對(duì)該單元的設(shè)備造成影響，不會(huì)妨礙到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)由于具有這些特點(diǎn)，近年來(lái)在新建的水電廠中應(yīng)用較多。
分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用也分為幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式：
2.3.1 一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)
通過(guò)上以太網(wǎng)方式，一體化工控機(jī)又分為分層、分布式、全開放式結(jié)構(gòu)，將可編程邏輯控制器、采樣裝置、溫度巡檢、勵(lì)磁等應(yīng)用設(shè)備依靠一體化工作機(jī)和上位機(jī)系統(tǒng)建立通信，工控機(jī)作為系統(tǒng)的核心，具有接口豐富的特性，可以在工控機(jī)上接通其他設(shè)備完成相應(yīng)的操作功能，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)特性。這種結(jié)構(gòu)即使在上位機(jī)出現(xiàn)故障，其它現(xiàn)地工控機(jī)仍然可以獨(dú)立運(yùn)行。其運(yùn)行單元是由工控機(jī)、可編程邏輯控制器等專用設(shè)備構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)作、監(jiān)控，具有功能豐富、人機(jī)界面優(yōu)化、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，其投資成本很高。
2.3.2 工控機(jī)和PLC同時(shí)連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)中，測(cè)溫、采樣、保護(hù)等裝置，以及勵(lì)磁、調(diào)速器都通過(guò)工控機(jī)上的多重接口相連接，利用工控機(jī)的外擴(kuò)串口卡進(jìn)一步完成現(xiàn)地顯示操作功能和現(xiàn)地設(shè)備通訊，利用可編程邏輯控制器的I/O接口與設(shè)備信號(hào)連接實(shí)現(xiàn)其現(xiàn)地設(shè)備的監(jiān)控作用，與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)具有極強(qiáng)的可靠性，響應(yīng)速度也得到提高，由于其應(yīng)用成本比較高，常用于對(duì)監(jiān)控要求很高的中小型水電廠的自動(dòng)化通訊系統(tǒng)。
3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)。
由于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)更看重產(chǎn)品性質(zhì)、軟件功能等特性，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)常常被忽視，實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和響應(yīng)速度的快慢會(huì)影響到水電廠的自動(dòng)化系統(tǒng)水平。一體化工控機(jī)分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，所有設(shè)備和通信必須通過(guò)現(xiàn)地工控機(jī)集中采集，通過(guò)以太網(wǎng)達(dá)到各終端設(shè)備，一旦工控機(jī)發(fā)生意外，則所有監(jiān)測(cè)、控制和相關(guān)功能都難以實(shí)現(xiàn)。同樣，交流采樣設(shè)備和可編程邏輯控制器也需要分別與工控機(jī)通信，此結(jié)構(gòu)中可編程邏輯控制器不能直接讀取數(shù)據(jù)，在機(jī)組流程開機(jī)并網(wǎng)后，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)帶基負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，也不能自動(dòng)減負(fù)荷。在工控機(jī)和PLC同時(shí)連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，雖然增加了系統(tǒng)的可靠性，但一旦工控機(jī)出現(xiàn)問題，相應(yīng)的機(jī)組操作仍然需要在上位機(jī)上進(jìn)行，因此，兩種結(jié)構(gòu)中，工控機(jī)是系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素。水電廠地質(zhì)條件相對(duì)惡劣，振動(dòng)、電磁干擾較多，對(duì)其組件的使用壽命有一定的影響，采用高檔工控機(jī)需增添應(yīng)用成本，因此，當(dāng)前使用帶工控機(jī)結(jié)構(gòu)的逐漸減少。
4 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用已趨于成熟，隨著各類監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的發(fā)展和應(yīng)用，水電技術(shù)人員應(yīng)不斷總結(jié)各類新型監(jiān)控結(jié)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，吸取國(guó)際上先進(jìn)的管理技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加以分析和研究，結(jié)合我國(guó)水電廠的生產(chǎn)管理特點(diǎn)，推出符合我國(guó)國(guó)情的、滿足水電廠監(jiān)控技術(shù)要求的系統(tǒng)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，具有反應(yīng)速度快、維護(hù)手段便捷等基本要求。
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作者簡(jiǎn)介
