時間：2022-07-25 07:42:41
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，指令系統(tǒng)
1流水線技術(shù)
1.1 流水線的基本概念
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的國際權(quán)威美國Stanford大學(xué)的John L.Hennessy和UC Berkely大學(xué)的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一書別指出：“流水線過去是，而且將來也很有可能還是提高計算機性能的最有效技術(shù)之一”[1]
流水線技術(shù)（Pipeline technology）是將一個重復(fù)的時序過程分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。流水線中的每個子過程及其功能部件稱為流水線的級或段（pipeline stage），流水線的段數(shù)稱為流水線的深度（pipeline depth），段與段相互連接形成流水線。
1.2 流水線的分
從不同的角度和觀點，可以把流水線分成多種不同的種類：
1.單功能流水線（single-function pipeline）：只能完成一種固定功能的流水線
2.多功能流水線（multi-function pipeline ）：流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。
3.靜態(tài)流水線（static pipeline）：在同一時間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。
4.動態(tài)流水線（dynamic pipeline）：在同一時間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。
5.部件級流水線（component level pipeline）：把處理機的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。
6.處理機級流水線（processor level pipeline）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。
7.處宏流水線（macro pipeline）：由兩個以上的處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個處理機完成一項任務(wù)。
8.標(biāo)量流水處理機（Scalar pipeline processor）：處理機不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。
9.向量流水處理機（vector pipeline processor）：處理機具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進(jìn)行處理。
10.線性流水線（linear pipeline）：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。
11.非線性流水線（non-linear pipeline）：流水線中除有串行連接的通路
外，還有反饋回路。
12.順序流水線（order pipeline）：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。每一個任務(wù)在流水線的各段中是一個跟著一個順序流動的。
13.亂序流水線（out-order pipeline）：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成（從輸出端流出）。
1.3流水線的相關(guān)與沖突
相關(guān)（correlation）是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。如果兩條指令相關(guān)，則他們就有可能不能在流水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重疊執(zhí)行，
1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)（structure correlation）：當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”；
2. 數(shù)據(jù)相關(guān)（data correlation）：當(dāng)一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時，就可能引起“數(shù)據(jù)相關(guān)”；
3. 控制相關(guān)（control correlation）：當(dāng)流水線遇到分支指令或其他會改變PC值的指令時就會發(fā)生“控制相關(guān)”。
流水線沖突（pipeline conflict）是指對于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時鐘周期執(zhí)行。流水線沖突有三種類型：
1.結(jié)構(gòu)沖突（structure conflict）：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。解決方法：流水化功能單元；資源重復(fù)；暫停流水線。
2.數(shù)據(jù)沖突（data conflict）：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。
3.控制沖突（control conflict）：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。
2.指令系統(tǒng)
2.1 指令系統(tǒng)的基本概念
[2]指令系統(tǒng)（instruction system）是指機器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計算機所擁有的基本功能。在計算機系統(tǒng)的設(shè)計和使用過程中 ，硬件設(shè)計人員采用各種手段實現(xiàn)指令系統(tǒng) ，而軟件設(shè)計人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件 ，用這些軟件來填補硬件的指令系統(tǒng)與人們習(xí)慣的使用方式之間的語義差距。計算機指令系統(tǒng)分為兩類：復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）和精簡指令系統(tǒng)（RISC）
2.2 復(fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）
2.2.1CISC的產(chǎn)生
早期的計算機 ，存儲器是一個很昂貴的資源 ，因此希望指令系統(tǒng)能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執(zhí)行時所需訪問的程序和數(shù)據(jù)位的總數(shù)越少越好。在微程序出現(xiàn)后 ，將以前由一串指令所完成的功能移到了微代碼中 ，從而改進(jìn)了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動作 ，從而提高執(zhí)行效率。在微代碼中實現(xiàn)功能的另一論點是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級語言的語句能被轉(zhuǎn)換成一條機器語言指令 ，這可使編譯軟件的編寫變得非常容易。此外 ，在機器語言中含有類似高級語言的語句指令 ，便能使機器語言與高級語言的間隙減少。這種發(fā)展趨向?qū)е铝藦?fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）設(shè)計風(fēng)格的形成 ，即認(rèn)為計算機性能的提高主要依靠增加指令復(fù)雜性及其功能來獲取。
2.2.2 CISC 的主要特點
CISC指令系統(tǒng)的主要特點是：
（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
①指令數(shù)多 ，一般大于 100條。
② 尋址方式多 ，一般大于 4種。
③ 指令格式多 ，一般大于 4種。
（2）絕大多數(shù)指令需要多個機器時鐘周期方可執(zhí)行完畢。
（3）各種指令都可以訪問存儲器。
2.3 精簡指令系統(tǒng) （RISC）
2.3.1RISC的產(chǎn)生
由于CISC技術(shù)在發(fā)展中出現(xiàn)了問題 ，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的先驅(qū)者們嘗試從另一條途徑來支持高級語言及適應(yīng) VLSI技術(shù)特點。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統(tǒng)（RISC）的設(shè)想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學(xué)由 Patterson 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組，首先提出了RISC這一術(shù)語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計算機。1981年美國的Stanford大學(xué)在Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組研制了MIPSRISC計算機 ，強調(diào)高效的流水和采用編譯方法進(jìn)行流水調(diào)度，使得RISC技術(shù)設(shè)計風(fēng)格得到很大補充和發(fā)展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設(shè)計的指令系統(tǒng)應(yīng)使流水線處理能高效率執(zhí)行 ，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。
2.3.2 RISC 的主要特點
RISC為使流水線高效率執(zhí)行 ，應(yīng)具有下述特征：
（1）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；
（2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成；
（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲器；
（4）簡單的尋址方式 ；
（5）采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) ；
（6）采用 LOAD 延遲技術(shù)。
RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼 ，應(yīng)具有下述特征：
（1）三地址指令格式 ；
（2）較多的寄存器 ；
（3）對稱的指令格式。
2.4 RISC和CISC 的比較
2.4.1不同的實現(xiàn)方式
兩者的實現(xiàn)方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲結(jié)構(gòu)是比較易于實現(xiàn)的數(shù)據(jù)和指令合一的方式。采用這種存儲結(jié)構(gòu)的原因是CISC具有比較高級的指令語義，同時具有比較長的執(zhí)行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)和指令相互分離的結(jié)構(gòu)，這是因為其采取了邏輯的硬布線方式，同時對于指令的讀取比較頻繁。
2.4.2不同的編譯器要求
如果時鐘頻率相同，同時失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結(jié)構(gòu)的計算機的效率其實并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結(jié)構(gòu)更加需要編譯器對指令的優(yōu)化。CISC具有很大的市場，同時技術(shù)的發(fā)展也已經(jīng)相當(dāng)成熟。RISC體系結(jié)構(gòu)并不能夠直接取代CISC的體系結(jié)構(gòu)。固然，RISC體系結(jié)構(gòu)具有很強的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。RISC也并不是傳統(tǒng)意義上的概念，現(xiàn)代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現(xiàn)在：具有分支預(yù)測的功能、能夠超標(biāo)量執(zhí)行，同時還能夠亂序執(zhí)行指令。
3.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展勢
3.1多線程體系
所謂的多線程技術(shù)（multithreading technology）[5]，是一種結(jié)合了馮諾依曼的控制流模型以及數(shù)據(jù)流模型的新興技術(shù)。它能夠進(jìn)行現(xiàn)場的指令級交換以及順序調(diào)度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執(zhí)行，那么相應(yīng)后面的指令都會相繼執(zhí)行。線程可以成為計算機中調(diào)度執(zhí)行的基本步驟，同時計算機中可以同時并發(fā)運行許多個線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優(yōu)點，同時也有一些不足之處。它的優(yōu)點是能夠在很大程度上提高整個處理器的利用效率，在整體上使計算機的性能提高到一個新的檔次。多線程技術(shù)能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預(yù)測錯誤延遲技術(shù)等其它技術(shù)所不具備的。因此，多線程技術(shù)能夠在計算機微處理器的結(jié)構(gòu)中具有很高的應(yīng)用價值。
3.2 高性能計算
[6]高性能計算（high performance computer，HPC）是計算機集群系統(tǒng)，它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個計算機系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計算能力來處理大型計算問題。高性能計算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個問題的計算時間。解決大型計算問題需要功能強大的計算機系統(tǒng)，隨著高性能計算的出現(xiàn)，使這一類應(yīng)用從昂貴的大型外部計算機系統(tǒng)演變?yōu)椴捎蒙逃梅?wù)器產(chǎn)品和軟件的高性能計算機集群體。因此，高性能計算系統(tǒng)已經(jīng)成為解決大型問題計算機系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，混合體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已成為HPC發(fā)展趨勢。
4.結(jié)束語
目前計算機的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)在各個方面徹底改變了現(xiàn)代人們的生活方式和工作方式，人們的溝通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本論文簡要介紹了計算機流水線技術(shù)，指令系統(tǒng) ，然后提出了兩種指令系統(tǒng)（RISC和CISC）并對比了兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，比較了這兩種體系結(jié)構(gòu)中存在的問題，進(jìn)而提出計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學(xué)出版社，2002
[2] 談懷江 計算機指令系統(tǒng)的變化及發(fā)展 孝感學(xué)院計算機科學(xué)系 [J]，2014
[3] 李成錚，魏立津 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展及技術(shù)問題探討 華中科技大學(xué)文華學(xué)院 [J]，2008
[4] 劉超.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu).[M]中國水利水電出版社，2005.
關(guān)鍵詞：高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；雙語教學(xué)；課程建設(shè)；
作者簡介：裴頌文（1981-），男，湖南邵東人，上海理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程系，講師。（上海 200093）
基金項目：本文系上海市教育委員會重點課程建設(shè)項目（項目編號：1K-12-302-001）、上海理工大學(xué)核心課程建設(shè)項目（項目編號：1K-00-302-010）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0076-02
面對國內(nèi)知名高校計算機專業(yè)建設(shè)國際化教學(xué)的大趨勢，上海理工大學(xué)加大計算機專業(yè)課程國際化建設(shè)的力度，培養(yǎng)國際化教學(xué)團(tuán)隊，開辟國際化精品課程。從課程設(shè)置、教材選編、師資隊伍、助教制度、國際交流等五個方面建設(shè)一套上海理工大學(xué)獨特的國際化教育模式，體現(xiàn)出教育差異化優(yōu)勢。培養(yǎng)既具有專業(yè)背景又能走向國際的計算機專業(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、全國工程教育的示范高校。
計算機科學(xué)技術(shù)的變革日新月異，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，通過引進(jìn)全英文經(jīng)典教材實施雙語教學(xué)具有重要的意義。在計算機專業(yè)本科生課程中實施雙語教學(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)的知識結(jié)構(gòu)尚不完整，無法深入理解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究前沿課題。而針對研究生的“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程采用雙語教學(xué)，因為絕大多數(shù)研究生都具備大學(xué)英語六級的水平，外國留學(xué)生也均來自母語是英語的國家，英語聽說能力基本能滿足教學(xué)的需求；同時，研究生絕大多數(shù)都是計算機相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的本科生，具備計算機相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識。
通過對“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的雙語教學(xué)，一方面使得研究生能獲得最新的研究方向和研究熱點，另一方面將進(jìn)一步提升研究生的專業(yè)英語能力，使得研究生在未來的研究和工作中受益。特別是在2011年計算機科學(xué)與工程系獲得計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和軟件工程專業(yè)兩個一級學(xué)科碩士學(xué)位授予權(quán)的發(fā)展機遇期，增強計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域內(nèi)的科研力量，擴大科研創(chuàng)新增加科技成果，推進(jìn)“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的雙語教學(xué)能力和課程建設(shè)，具有重要的現(xiàn)實意義。
一、優(yōu)化課程設(shè)置
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)位課，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋了計算機組成原理、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字邏輯等計算機專業(yè)的基礎(chǔ)課程。因此，國內(nèi)外著名大學(xué)計算機系對這門課程非常重視。據(jù)調(diào)查，美國的MIT、CMU、UIUC、Stanford 等著名大學(xué)都采用最新的計算機系統(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)計算機相關(guān)專業(yè)的研究生課程“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”，進(jìn)一步量化分析和設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多年來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：
最近幾年計算機系統(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)展和研究動態(tài)。
“高級計算機體系結(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)。
由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機專業(yè)綜合性最強的一門課程，涉及到計算機軟件設(shè)計、編譯系統(tǒng)、硬件設(shè)計等全面知識，學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)起來比較吃力，從而導(dǎo)致愿意從事計算機系統(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，不愿意花費大量時間著重學(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“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程采用雙語教學(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）》作為高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教材，并且跟蹤計算機系統(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告。不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論知識和分析方法，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，親自動手設(shè)計設(shè)計實驗，完成方法的驗證，進(jìn)一步提高學(xué)生的動手能力和編程能力。
二、更新教學(xué)內(nèi)容
一方面采用最新版本的、與國際接軌的計算機系統(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，在主講教師對前沿課題進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，由學(xué)生分組就某個領(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，采用師生互動方法，學(xué)生既學(xué)習(xí)到了基本方法又能體會到研究最新技術(shù)的樂趣，獲得研究成果的成就感。因此，教學(xué)內(nèi)容主要包含計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)量化分析課程教學(xué)和前沿課題研討兩個方面。專題教學(xué)內(nèi)容更新如表1所示。
三、強化師資隊伍
從事國際化教學(xué)的教師可以從三個方面進(jìn)行師資隊伍建設(shè)：
加快青年教師國際化交流與培訓(xùn)的力度，培養(yǎng)本校青年教師骨干，建設(shè)一支穩(wěn)定的全英語或雙語教學(xué)隊伍。近幾年連續(xù)、有序地派出優(yōu)秀青年教師到美國、加拿大、澳大利亞等國的著名大學(xué)進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)和合作研究。
引進(jìn)具有國際教育經(jīng)歷的教師，開設(shè)具有國際特色的專業(yè)課程。近幾年連續(xù)引進(jìn)了包括來自德國、日本、美國等國著名大學(xué)和研究機構(gòu)的教授或博士畢業(yè)生，提升了教師國際化教學(xué)水平的整體實力。
邀請國外專家來華開展學(xué)術(shù)講座、學(xué)術(shù)論壇等。通過教師“走出去”、國外教師“引進(jìn)來”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，對學(xué)校的國際化招生具有重要的作用，對推動上海理工大學(xué)國際化教育戰(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，形成有效的助教評估體系。有助于鞏固國際化教育的成果，提高理論教學(xué)的效果，學(xué)習(xí)國內(nèi)外著名高校計算機專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗，開展綜合性課程設(shè)計課程。穩(wěn)定的助教隊伍對穩(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)工作的評估體系，進(jìn)一步規(guī)范教師對課程設(shè)計教學(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)置助教專項基金，保證助教的適當(dāng)報酬，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)國際交流
國際交流對提高上海理工大學(xué)的國際知名度、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。從以下方面加強建設(shè)：設(shè)立國際會議資助專項資金，資助學(xué)生或青年教師參加高水平的國際會議；積極開展與國外知名大學(xué)、教授的合作，加強對上海理工大學(xué)專業(yè)的介紹；派遣青年教師訪問國外知名大學(xué)、研究所等；學(xué)校設(shè)立專項基金，鼓勵計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)籌辦高水平的國際會議；加強學(xué)校同海外留學(xué)生、各使領(lǐng)館的聯(lián)系，促進(jìn)國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)新能力和實際動手能力，因此學(xué)校將以前注重考核基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹乜己藢W(xué)生創(chuàng)新能力和實際動手進(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
通過對“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的雙語教學(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。計劃在鞏固當(dāng)前雙語教學(xué)的基礎(chǔ)上，在后續(xù)幾年針對外國留學(xué)生開設(shè)“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的全英語教學(xué)課程，逐步打造計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精品課程，提升課程的教學(xué)品質(zhì)，推進(jìn)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的國際化建設(shè)進(jìn)程。
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關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；教學(xué)困境；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)模式；討論課
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在高校計算機專業(yè)培養(yǎng)中是一門重要的本科高年級基礎(chǔ)課，一直占有很重要的位置。它主要圍繞計算機結(jié)構(gòu)中整體及各個部分的優(yōu)化技術(shù)以及量化分析方法，將計算機組成原理、編譯技術(shù)、操作系統(tǒng)、高級語言以及匯編語言等軟硬件知識相互貫穿，幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的完整概念，其重要性是不言而喻的。無論以后從事的是硬件還是軟件設(shè)計，這門課都能幫助學(xué)生理解軟硬件的關(guān)系，在軟件設(shè)計中理解硬件的結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢，同時設(shè)計硬件時了解軟件的能力與缺陷。這樣的一門課如果真正發(fā)揮作用，對計算機專業(yè)學(xué)生日后盡早適應(yīng)本領(lǐng)域工作有很大的幫助。而現(xiàn)實情況是，這門課一直以來都是公認(rèn)的難教、難學(xué)、枯燥無趣，真正將其講好講透并不容易。隨著近十年國內(nèi)廣大教師的努力，這一現(xiàn)象有所改善，但還是存在不少困惑，并未完全體現(xiàn)出該課程的作用。
1.教學(xué)困境淺析
教學(xué)困境的存在與我國計算機軟、硬件技術(shù)落后于美國等先進(jìn)國家有很大關(guān)系。雖然現(xiàn)在我國在超級計算機的設(shè)計以及自主知識產(chǎn)權(quán)處理器芯片的設(shè)計上有了長足進(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，高校的計算機教育更需要正視這個現(xiàn)狀，并盡力從人才培養(yǎng)這個層面為改善這種落后面貌而努力。
1.1難教的原因
首先這門課對授課教師的要求比較高。教師需要對計算機系統(tǒng)整體設(shè)計有很深的理解，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，并能將它們?nèi)跁炌ā６鴮嶋H上，很少有高校教師真正設(shè)計過計算機系統(tǒng)，甚至接觸過系統(tǒng)級軟件設(shè)計的人都比較少。另一方面，找到一本合適的教材也比較困難。最為經(jīng)典的教材是由美國的Hennessy和Patterson合編的《計算機系統(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，對于國內(nèi)讀者來說，由于語言上的障礙，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，中文版的國外教材也不理想。我國本土教材可能存在著以下幾種困境：其一，知識陳舊，系統(tǒng)性不強；其二，近10-20年的技術(shù)在闡述上過于抽象，不成系統(tǒng)，難于理解；其三，大而全，有些技術(shù)只在特定時期的特定領(lǐng)域出現(xiàn)過，過于冷僻而且復(fù)雜，與其他部分的知識毫無聯(lián)系。
教材的困境也反映了難教的現(xiàn)實。隨著新技術(shù)的涌現(xiàn)，教材總是落后于現(xiàn)狀。并不是說，我們將近年來該領(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。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程需要系統(tǒng)的知識體系，那些無法與現(xiàn)有體系相關(guān)聯(lián)的技術(shù)，講起來益處不大。
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。因為沒有教不好的學(xué)生，只有不會教的老師。原因可能有幾個方面：首先，早先選用的教材，知識較為陳舊，50年前的技術(shù)離現(xiàn)實較遠(yuǎn)，學(xué)生不知上課講的東西有什么用，教師講起來其實也覺無味。這方面大家已經(jīng)意識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，由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所涵蓋的內(nèi)容過于豐富，教師在講解時必然會將其簡化和抽象，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時有時會感到枯燥。
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，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)互動幾個方面給出自己教學(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)過程中真正吸引學(xué)生的是內(nèi)容，因為有意義的教學(xué)內(nèi)容本身就有吸引力。學(xué)生對有意義的知識本能地有著較強的學(xué)習(xí)興趣，教師只需要將知識系統(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)”。這兩點是關(guān)聯(lián)的，一方面，知識與現(xiàn)實要有關(guān)聯(lián)，這樣就有了意義和價值；另一方面知識要體現(xiàn)前后的邏輯性，這就是系統(tǒng)性。
比如，對于處理器結(jié)構(gòu)，一般會講解指令流水線的工作原理、性能分析及流水線相關(guān)知識點。而有一些教材在講指令流水線時，只用偽指令（用算術(shù)操作符表示），這部分內(nèi)容本來就抽象，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。因此首先給出一個精簡的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指令集。一方面，學(xué)生能夠直觀地體會前面講解指令系統(tǒng)設(shè)計中諸多抽象的原則，同時也更容易理解在指令流水線中為什么這么設(shè)計。在講解后續(xù)指令流水的相關(guān)及沖突時，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)或沖突檢測方法等；只有對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、動態(tài)分支預(yù)測、硬件推測執(zhí)行等才有可能變得有意義。
在講完流水線技術(shù)的原理、性能評價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現(xiàn)這一節(jié)，會是一個非常好的處理。給出具體的一個指令流水線的數(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)生給出旁路檢測及控制的方法，通過設(shè)計多路選擇器的控制信號來理解流水線設(shè)計中的旁路實現(xiàn)。這部分內(nèi)容引領(lǐng)學(xué)生直觀理解指令流水線的實現(xiàn)，還將前面學(xué)習(xí)的計算機組成原理中的控制器設(shè)計內(nèi)容聯(lián)系起來，讓設(shè)計的計算機更進(jìn)一步接近現(xiàn)實中使用的機器結(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。就算是由美國的Hennessy和Patterson合編的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法》的第三版，對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)鍵是如何在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中介紹其中的互聯(lián)。計算機網(wǎng)絡(luò)課程中介紹過的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、報文格式、包緩沖區(qū)、擁塞控制等知識，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。所以大而全的講計算機內(nèi)部、計算機之間的各種網(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，且與整個知識體系關(guān)聯(lián)不大，不能起到將系統(tǒng)的軟硬件知識貫穿起來的作用。因此我們可以首先將互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的范圍限定一下，比如在計算機系統(tǒng)內(nèi)部組件的互聯(lián)，以及小、中規(guī)模的多處理機系統(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。講清或許存在一點困難，不過起碼要將這些知識串起來，并與操作系統(tǒng)及并行編程的相關(guān)知識關(guān)聯(lián)起來，這有很大的好處。
2.2拉近課堂與現(xiàn)實研究的距離
筆者認(rèn)為對新技術(shù)的泛泛介紹不是沒有意義，但對于高年級的本科生來說，更為重要的是讓他們通過上這門課，逐步了解現(xiàn)實科研在哪里，以及與課堂上講的知識距離有多遠(yuǎn)。通過教師自身的研究經(jīng)歷，將課堂上講的知識逐步引到現(xiàn)實科研或本領(lǐng)域當(dāng)下研究的熱點問題中，才是真正有用的。中國科技大學(xué)網(wǎng)站上有唐錫南博士的相關(guān)講座，該講座是針對體系結(jié)構(gòu)方向的研究生及高年級本科生而開的，授訓(xùn)對象都上過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課，教學(xué)目標(biāo)是對該課程的掌握作進(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)，也許這對上好計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課也是有幫助的。比如在講多處理機系統(tǒng)中的Cache一致性的問題時，他逐步引到具體實現(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，必將增進(jìn)自己未來解決問題的信心。比如，在講多處理機系統(tǒng)時，從相應(yīng)原理開始講解，然后是現(xiàn)實硬件實現(xiàn)中可能有的變化及原因、并行軟件運行中出現(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，再說明軟硬件相互依存的道理，這比直接說明軟硬件關(guān)系具體而生動，聽起來也有趣。簡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所在，這對于開闊學(xué)生思路、增加學(xué)生對該領(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)模式并沒有過時，但有時新的模式可以發(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)模式對于提高教學(xué)效果顯然是有意義的。
3.1實踐環(huán)節(jié)的介入
實踐環(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并行時，適時地將相應(yīng)的指令流水線的模擬器介紹給學(xué)生，讓他們?nèi)ンw會指令的時空概念以及指令問的各種相關(guān)的影響，教師輔導(dǎo)時多問學(xué)生為什么。再比如講存儲層次時，Cache優(yōu)化技術(shù)是其中比較重要的內(nèi)容，這時也最好讓學(xué)生實際使用相應(yīng)模擬器去測，通過改變其參數(shù)來比較相關(guān)性能，可以引導(dǎo)學(xué)生通過分析復(fù)雜系統(tǒng)模擬器的結(jié)構(gòu)來了解相應(yīng)原理，或通過實現(xiàn)過程相對簡單的模擬器來體會實現(xiàn)過程中的細(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。
3.2難一點的議題留給討論課
對于高年級的本科生來說，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)時強很多。此時將一些需要思考、理解的內(nèi)容交給他們自學(xué)和交流，其效果可能會令人大吃一驚。通過自學(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，可以讓學(xué)生主持，這會讓學(xué)生興奮，而且下面的學(xué)生往往很活躍，想通過為難一下上面的學(xué)生來展示一下自己。每一位學(xué)生其實都有著相當(dāng)強的自尊心，所以這種形式會促進(jìn)學(xué)生問的討論。經(jīng)驗表明，往往平時表現(xiàn)一般的學(xué)生這時都有相當(dāng)好的表現(xiàn)，他們自己也比較自信。如果學(xué)生說錯了，不要馬上說出來，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也會出現(xiàn)教師無法預(yù)料的情景，比如學(xué)生提出一些教師也未考慮過的問題，此時可能會給教師帶來一些緊張感。遇到這種狀態(tài)時，教師首先可以憑借平時深入的備課，稍作思考（可能5～10秒），問題可能就得到可以解決。這時討論就變得更為引人入勝，學(xué)生的積極思考實際影響了討論的導(dǎo)向，這種情況沒什么不好。教師要有承擔(dān)風(fēng)險的勇氣，同時還可享受到當(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，自己要意識到，同時試圖讓學(xué)生也意識到，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)過一些時間的思考（可能一個課間休息，或下一次課）后，一定會給大家一個負(fù)責(zé)任的答復(fù)。這樣學(xué)生會覺得討論有趣，不會害怕犯錯而拘謹(jǐn)；教師也在這個過程中感受到學(xué)生更為積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并因此受到鼓勵。
4.了解并督促學(xué)生
教學(xué)的過程是教師與學(xué)生互動的過程。教師的每一次教學(xué)過程都不會一模一樣。他要根據(jù)教學(xué)對象的不同，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。
適時的提問可以讓學(xué)生適當(dāng)?shù)鼐o張起來，但對于答錯或說不出結(jié)果的學(xué)生，不要批評，讓其周圍的學(xué)生代為回答，然后一起坐下。對于講解中的一些重要部分也可以通過提問來引起注意，經(jīng)常的提問讓教師更了解每個學(xué)生，同時學(xué)生與教師之間的關(guān)系更加緊密。作業(yè)的及時檢查也是必要的，每次課前可以在黑板上將一些普遍性的問題進(jìn)行分析、講解。教師對作業(yè)的及時反饋可以提高學(xué)生的積極性，另一方面對于知識的復(fù)習(xí)與融會貫通都有幫助，學(xué)生從中可以體會到—個教師的責(zé)任心，這是非常重要的。教師的工作態(tài)度會影響學(xué)生，特別是有影響的、有一定聲望的教師，他們的教學(xué)態(tài)度對學(xué)生的影響可能持續(xù)一生。
集成電路技術(shù)的發(fā)展，使集成電路和處理器的關(guān)系密不可分。隨著多核技術(shù)的出現(xiàn)，處理器已經(jīng)變成構(gòu)成系統(tǒng)級芯片（SoC）的基本單元，因此，從集成電路的功能級設(shè)計層面講，計算機系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)采用的方法就是大規(guī)模集成電路（VLSI）系統(tǒng)的設(shè)計方法。從卓越人才培養(yǎng)的角度，VLSI系統(tǒng)設(shè)計是微處理器的邏輯實現(xiàn)手段，而數(shù)字邏輯是計算機組成的物理實現(xiàn)基礎(chǔ)。學(xué)生的數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計能力和VLSI系統(tǒng)設(shè)計能力直接決定了其計算機系統(tǒng)設(shè)計能力。因此提升學(xué)生計算機系統(tǒng)設(shè)計能力的關(guān)鍵是提升學(xué)生的數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計能力和VLSI系統(tǒng)設(shè)計能力。為了切實提高計算機工程專業(yè)方向本科學(xué)生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力，教學(xué)改革研究工作的目標(biāo)確定為：以數(shù)字邏輯設(shè)計方法為設(shè)計基礎(chǔ)、以硬件描述語言為設(shè)計工具、以硬件仿真系統(tǒng)為設(shè)計環(huán)境、以FPGA為系統(tǒng)實現(xiàn)手段、以計算機系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)為目標(biāo)和主線，將計算機系統(tǒng)設(shè)計實踐完整地貫穿于專業(yè)核心課程之中；教學(xué)改革研究思路確定為：系統(tǒng)視角、整體優(yōu)先、設(shè)計牽引、講做結(jié)合、注重能力。該研究思路不同于一般的課程群，不是簡單的知識點的審視，是“自頂向下”的觀點和“自底向上”的實現(xiàn)的一種結(jié)合方法，最終目標(biāo)是提升計算機工程專業(yè)方向本科學(xué)生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力。
2研究內(nèi)容
計算機工程專業(yè)方向的主干課程包括數(shù)字邏輯、計算機組成原理、匯編語言、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、計算機設(shè)計與調(diào)試、計算機系統(tǒng)設(shè)計、VLSI系統(tǒng)設(shè)計等。課程各有目標(biāo)，課程之間有宏觀上的先后順序，有微觀上的相互穿插，有內(nèi)容上的重疊。經(jīng)過近幾年的教學(xué)研究和改革，各門課程都發(fā)生了非常大的變化[1]：VLSI課程中會涉及算術(shù)邏輯單元的設(shè)計甚至處理器設(shè)計方面的內(nèi)容；匯編語言的作用已經(jīng)從編程工具轉(zhuǎn)變?yōu)槊枋龊屠斫庥嬎銠C系統(tǒng)工作原理的有效工具；HDL語言和仿真工具不再專屬于數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域，已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)設(shè)計的通用語言和工具。但是，由于總目標(biāo)不明確，導(dǎo)致課程分頭講，實驗分頭做，總體學(xué)時不少，最終效果欠佳。筆者的主要研究內(nèi)容以計算機系統(tǒng)設(shè)計為目標(biāo)，從能力培養(yǎng)的視角看待和理解數(shù)字邏輯、計算機組成原理、匯編語言、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、計算機設(shè)計與調(diào)試、VLSI、計算機系統(tǒng)設(shè)計等課程，借鑒CDIO的思想，將系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計實踐貫穿整個計算機工程專業(yè)方向人才培養(yǎng)過程。
2.1重新審視和修訂教學(xué)計劃
在研究過程中，我們首先整理涉及的各門課程的全部知識點，對相互影響的重要知識點整體排序，整合相近和相似的知識點，歸并出一些重要的專題，提出有利于培養(yǎng)計算機系統(tǒng)設(shè)計能力的完整實踐教學(xué)體系，全線引入HDL語言，全線引入基于FPGA開發(fā)板的設(shè)計實驗，緊密配合理論課、設(shè)計方法課、實踐課，形成“學(xué)習(xí)—構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)”的完整過程。
2.2數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程內(nèi)容的改革
數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程改革的研究重點是設(shè)法強化和提升學(xué)生使用硬件描述語言說明硬件系統(tǒng)的能力，將硬件設(shè)計語言的介紹提前到課程的開始部分，使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路設(shè)計過程中就開始使用硬件設(shè)計語言，相當(dāng)于使學(xué)生掌握了一個設(shè)計工具，為計算機組成原理課程和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程提供支持，另外，從教學(xué)上形成學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路設(shè)計就是學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計的理念。數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程的實驗既有使用邏輯電路器件搭建實驗電路的傳統(tǒng)型實驗，又有使用FPGA開發(fā)板的設(shè)計實驗。
2.3計算機組成原理課程的教學(xué)改革
計算機組成原理課程借鑒“深入理解計算機系統(tǒng)”教材中的思想，調(diào)整了部分課程內(nèi)容和授課重點，比如，在數(shù)據(jù)表示部分增加了C語言的整數(shù)表示以及比較運算的示例，在存儲器部分增加了程序訪問局部性原理的C語言示例，在指令系統(tǒng)部分增加了尋址方式的C語言示例等。增加C語言的示例是進(jìn)行教學(xué)視角調(diào)整的一種嘗試，由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言，已經(jīng)初步掌握了編程方法，但是并不清楚程序在計算機內(nèi)部，特別是在計算機系統(tǒng)底層硬件中是如何表示、如何執(zhí)行的。通過在計算機組成原理課程中增加一些C語言的示例，讓學(xué)生真正理解程序的執(zhí)行過程。
2.4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容的調(diào)整
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在課程內(nèi)容方面進(jìn)行了一些調(diào)整，主要為了更好地與計算機組成原理和計算機設(shè)計與調(diào)試等課程銜接。增加多核處理器和多線程調(diào)度等方面的內(nèi)容；對教材中給出的一些具體處理器實例給予更多關(guān)注，比如Pentium、PowerPC和MIPS處理器實例等；重視向量運算和向量處理器部分的內(nèi)容。
2.5計算機設(shè)計與調(diào)試課程實踐教學(xué)改革
計算機設(shè)計與調(diào)試課程把以往讓學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)一個有十幾條基本指令的微程序控制器改變?yōu)樵O(shè)計實現(xiàn)向量協(xié)處理器；以PowerPCRISC處理器的指令系統(tǒng)為參考，把設(shè)計PowerPC擴展指令協(xié)處理器AltiVec模塊中的VSFX指令部分作為教學(xué)內(nèi)容。整個設(shè)計任務(wù)分為8個相互聯(lián)系、難度逐步增加的子任務(wù)，通過教師引導(dǎo)、分組討論、學(xué)生實踐、實現(xiàn)設(shè)計、完成測試等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生完成協(xié)處理器中的部分設(shè)計工作并熟悉完整的協(xié)處理器的設(shè)計與調(diào)試方法。
2.6嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程實踐教學(xué)改革
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程開發(fā)出嵌入式系統(tǒng)計算機結(jié)構(gòu)及相關(guān)軟件的綜合實驗，使硬件與軟件相結(jié)合，強化對學(xué)生計算機綜合開發(fā)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的實踐能力。綜合實驗要求學(xué)生完成一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)的全過程，包括完成硬件、軟件的功能分配，進(jìn)行主控數(shù)字系統(tǒng)硬件的設(shè)計和制作，設(shè)計驅(qū)動和功能軟件，硬件、軟件的分別測試與綜合測試等。
2.7VSLI系統(tǒng)設(shè)計課程實踐教學(xué)改革
VSLI系統(tǒng)設(shè)計課程的實踐教學(xué)改革，把實踐分為3種類型：課程實驗、自主實驗和課程設(shè)計，3種類型的實驗全部基于Nexys3FPGA開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計。課程實驗包括XilinxFPGA設(shè)計流程、Nexys3FPGA開發(fā)板主要模塊接口設(shè)計和基于IP的數(shù)字電路設(shè)計等。自主實驗部分的題目類型包括：串—并轉(zhuǎn)換電路、FIFO存儲器設(shè)計、大數(shù)加法器設(shè)計和FIR數(shù)字濾波器設(shè)計等。課程設(shè)計部分的題目類型包括密碼協(xié)處理器設(shè)計、數(shù)字信號協(xié)處理器設(shè)計和圖像處理協(xié)處理器設(shè)計等。
3實驗室建設(shè)
天津大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2006年建立了數(shù)字邏輯電路設(shè)計實驗室、計算機組成實驗室、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗室、嵌入式系統(tǒng)實驗室，建立了超大規(guī)模集成電路設(shè)計與應(yīng)用研究所。實驗室配備了數(shù)字邏輯實驗臺、計算機組成原理實驗臺、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗臺（帶有FPGA模塊）、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實驗臺等教學(xué)實驗設(shè)備。這些實驗室和實驗設(shè)備能夠滿足常規(guī)的計算機系統(tǒng)實驗，但對計算機系統(tǒng)設(shè)計能力培養(yǎng)的支持還不夠。為此，學(xué)院2013年與美國Xilinx公司合作，建立了天津大學(xué)—美國Xilinx公司計算機系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)合實驗室，實驗室配備了50多塊Nexys3FPGA開發(fā)板，實驗時可以滿足每人一塊開發(fā)板的要求。超大規(guī)模集成電路設(shè)計與應(yīng)用研究所于2012年引進(jìn)BEECube公司先進(jìn)的BEE3系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于計算機系統(tǒng)的第三代商用FPGA系統(tǒng)，包括4個Virtex5FXTFPGA芯片，以及高達(dá)64GB的DDR2ECCDRAM和8個用于模塊間通信的10GigE接口。有了Nexys3FPGA開發(fā)板和BEE3系統(tǒng)，我們具備了實現(xiàn)學(xué)生設(shè)計的各種計算機系統(tǒng)的設(shè)備平臺，為培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)設(shè)計能力提供了強有力的支撐。
4結(jié)語
關(guān)鍵詞：計算機組成與結(jié)構(gòu) 課程構(gòu)建 教學(xué)創(chuàng)新
中圖分類號：G202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0158-01
《計算機組成與結(jié)構(gòu)》課程是計算機本科專業(yè)基礎(chǔ)課之一，在整個計算機專業(yè)課程體系中，具有承前啟后的作用。同時，該課程涉及的內(nèi)容位于硬、軟件的結(jié)合處，不僅與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的底層數(shù)字電路設(shè)計密切相關(guān)，還與頂層的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等軟件技術(shù)緊密相連。該課程對于學(xué)生全面理解計算機硬、軟件之間的關(guān)系，培養(yǎng)對計算機系統(tǒng)的分析、設(shè)計、應(yīng)用及開發(fā)能力都起著不可替代的重要作用。
《計算機組成與結(jié)構(gòu)》課程包括計算機的組成原理以及體系結(jié)構(gòu)兩大部分內(nèi)容[1]。計算機組成原理是計算機通用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用的一般性的邏輯實現(xiàn)方法；計算機的體系結(jié)構(gòu)介紹了計算機的概念性結(jié)構(gòu)以及功能特點，明確了計算機軟件和硬件的界面。計算機的組成原理和體系結(jié)構(gòu)既有內(nèi)在的相互聯(lián)系，又有外在區(qū)別，所以將其綜合到一起，成為一門基礎(chǔ)專業(yè)課。
1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題
很久以來，《計算機組成以結(jié)構(gòu)》成了公認(rèn)的難教又難學(xué)的課程，很多專業(yè)人士不斷努力嘗試不同的方式想要提高該課程的教學(xué)質(zhì)量[2～4]。該課程到現(xiàn)在存在的一些主要問題是：（1）學(xué)生覺得課程難學(xué)，不容易學(xué)會：由于該課程學(xué)習(xí)難度大、內(nèi)容相對抽象、學(xué)習(xí)效果難以立即實踐檢驗，從而對部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生消極影響；（2）教材內(nèi)容無法全面反映該學(xué)科最新發(fā)展動態(tài)：由于計算機學(xué)科的高速發(fā)展特性，許多新概念、新技術(shù)、新知識無法反映在當(dāng)前教材中；（3）課堂教學(xué)對多媒體課件的過度依賴。多媒體課件雖然具有直觀、表現(xiàn)能力強的特點，但是在邏輯性強的定量分析教學(xué)中，比起板書等教學(xué)方式所具有的細(xì)致性和深入性還顯現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟蛔悖唬?）實驗設(shè)計和安排還不夠完善：很多學(xué)生完全按照本課程實驗指導(dǎo)書的步驟完成實驗，并沒有真正理解實驗的目的和意圖；（5）教師和學(xué)生自己對學(xué)生能力的培養(yǎng)的認(rèn)識還不完全到位。
基于以上對《計算機組成與結(jié)構(gòu)課程》的教學(xué)過程中存在問題的分析，結(jié)合我校人才培養(yǎng)目標(biāo)。我們從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、理論教學(xué)方法、實踐教學(xué)規(guī)劃、課程考核制度四個方面具體提出本課程的建設(shè)方案。
2 課程構(gòu)建
2.1 現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容增補與教學(xué)計劃的安排
教學(xué)內(nèi)容的增補主要集中在三個方面：（1）本課程的基礎(chǔ)知識的補充，包括邏輯代數(shù)基礎(chǔ)和邏輯電路的設(shè)計方法；（2）《計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》教材內(nèi)容的補充，包括指令級并行軟硬件設(shè)計方法、超線程技術(shù)、多處理機同步與通信機制、Cache失效性分析以及計算機體系結(jié)構(gòu)的量化分析方法和設(shè)計原理；（3）最新技術(shù)成果的補充，包括多核處理器技術(shù)、多線程技術(shù)的最新設(shè)計方法和工作機制。
在課程安排上，要確保實驗教學(xué)內(nèi)容和理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)度保持一致，其中實驗教學(xué)和理論教學(xué)的可是比為1∶3.5，所以安排56課時理論教學(xué)就要相對應(yīng)安排16課時實驗教學(xué)。除此之外，有經(jīng)歷的學(xué)生可以組織參加其他大學(xué)生創(chuàng)新實驗等，這樣可以把實驗教學(xué)和理論教學(xué)相呼應(yīng)，加深印象，還可以使學(xué)生具有一定的實踐能力以及創(chuàng)新設(shè)計。理論教學(xué)計劃如下。
（1）計算機系統(tǒng)概論（講授1學(xué)時）；（2）計算機的邏輯部件（講授3學(xué)時）；（3）運算方法和運算部件（講授10學(xué)時，課堂討論1學(xué)時，實驗4學(xué)時）；（4）主存儲器（講授3學(xué)時）；（5）指令系統(tǒng)（講授4學(xué)時，實驗4學(xué)時）；（6）中央處理器（講授10學(xué)時，實驗4學(xué)時）；（7）存儲系統(tǒng)（講授時，課堂討論1學(xué)時）；（8）輔助存儲器（講授4學(xué)時）；（9）I/O設(shè)備（講授2學(xué)時）；（10）I/O系統(tǒng)（講授6學(xué)時，實驗4學(xué)時）；（11）計算機系統(tǒng)（講授2學(xué)時）。
2.2 理論教學(xué)方法的改進(jìn)
在理論知識教學(xué)過程中，將近年來計算機硬件發(fā)展的新技術(shù)并作為學(xué)生課后自學(xué)的內(nèi)容，注重基礎(chǔ)理論與最新技術(shù)的融合。另外在教學(xué)過程中，注重與學(xué)生的交流互動，并向?qū)W生提出啟發(fā)式和開放式的問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。最大限度地克服該課程知識比較抽象，理論學(xué)習(xí)比較枯燥的不足。
理論課程全部采用課堂教學(xué)方式，以多媒體課件和板書相結(jié)合的方式。在充分發(fā)揮多媒體教學(xué)動畫技術(shù)或Flash技術(shù)的直觀性和生動性優(yōu)勢，充分展現(xiàn)基礎(chǔ)性方法和原理的動態(tài)執(zhí)行過程的同時，又保留了板書在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定量分析時的細(xì)致性和嚴(yán)謹(jǐn)特點。
2.3 實踐教學(xué)規(guī)劃
在實踐教學(xué)方面，我們在實驗內(nèi)容和實驗方式上進(jìn)行教學(xué)改革。在實驗內(nèi)容上，分別針對基礎(chǔ)性原理、綜合性知識和創(chuàng)新實驗有針對性的開展實踐教學(xué)。
對于實驗方式，我們的教改措施主要有：（1）理論教學(xué)的老師親自指導(dǎo)實驗，避免理論教學(xué)和實驗教學(xué)的脫節(jié)，導(dǎo)致實驗課馬虎過關(guān)的現(xiàn)象；（2）具體實驗前，由老師講解實驗步驟和注意事項。同時鼓勵學(xué)生在課后通過即時通訊工具或教學(xué)平臺提供的學(xué)生論壇相互交流實驗經(jīng)驗和提出問題；（3）實驗的教學(xué)檢查采用分組答辯的形式，由學(xué)生團(tuán)隊自由組織并分工，撰寫實驗報告、答辯PPT及回答提問。
2.4 課程考核制度
理論教學(xué)和實驗教學(xué)單獨考核并采用量化考核措施。主要的考核項目為：學(xué)生的出勤率（10%）、作業(yè)完成情況（10%）、實驗環(huán)節(jié)（10%）、期末考試成績（70%）。
3 結(jié)語
近幾年來，針對《計算機組成與結(jié)構(gòu)》教與學(xué)的困難，以及教學(xué)效果的不完善之處，我們對該課程進(jìn)行深入的探討，并在教學(xué)中進(jìn)行大膽的改革嘗試，使得理論教學(xué)效果和實驗教學(xué)質(zhì)量得以明顯提高。很多同學(xué)由以前害怕學(xué)習(xí)《計算機組成與結(jié)構(gòu)》課程轉(zhuǎn)變?yōu)閷Α队嬎銠C組成與結(jié)構(gòu)》的懷有強烈興趣，并獲得了更多直觀的體會，進(jìn)一步正確理解了計算機組成和計算機體系結(jié)構(gòu)的作用和意義，達(dá)到了我們課程建設(shè)的預(yù)期目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭麗萍，秦杰，王獻(xiàn)榮.計算機組成原理與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容銜接[J].計算機教育，2010（11）：52-55.
[2] 何會民，潘雪增.“計算機組成與設(shè)計”課程教學(xué)創(chuàng)新改革[J].高等理科教育， 2007（4）：74-77.
智能終端是過程層的關(guān)鍵設(shè)備，智能終端是一類嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)備，因此其體系結(jié)構(gòu)框架與嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是一致的。
智能終端作為嵌入式系統(tǒng)的一個應(yīng)用方向，其應(yīng)用場景設(shè)定較為明確，因此，其體系結(jié)構(gòu)比普通嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加明確，粒度更細(xì)，且擁有一些自身的特點。從硬件上看，智能終端普遍采用的還是計算機經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)——馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即由運算器（Calculator，也叫算術(shù)邏輯部件ALU）、控制器（Controller）、存儲器（Memory）、輸入設(shè)備（InputDevice）和輸出設(shè)備（OutputDevice）5大部件組成，其中的運算器和控制器構(gòu)成了計算機的核心部件—中央處理器（CenterProcessUnit，簡稱CPU）。一般而言，由于目前通信協(xié)議棧不斷增多，多媒體與信息處理也越來越復(fù)雜，往往將某些通用的應(yīng)用放在獨立的處理單元中去處理，因而形成一種松耦合的主從式多計算機系統(tǒng)。每一個處理單元都可以看作一個單獨的計算機系統(tǒng)，運行著不同的程序。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
計算機的總線分為:控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線。
總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束，按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。在計算機系統(tǒng)中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個功能部件的。總線是一種共享型的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備。雖然總線上可聯(lián)接多個設(shè)備，但任一時刻通常只能有一對設(shè)備參與數(shù)據(jù)傳輸。按信息傳輸?shù)男问剑偩€可分為并行總線和串行總線兩種。并行總線對n位二進(jìn)制信息用n條傳輸線同時傳送，其特點是傳輸速度快，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它用于計算機系統(tǒng)內(nèi)的各部件之間的連接；串行總線對多位二進(jìn)制信息共用一條傳輸線，多位二進(jìn)制信息按時間先后順序通過總線，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，但其傳輸速度較慢。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
(1)計算機軟件開發(fā)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀。
我們知道對計算機軟件的開發(fā)是一件技術(shù)工作,計算機系統(tǒng)是很復(fù)雜的處理信息系統(tǒng),要通過軟件倆統(tǒng)一各個部件使其工作狀態(tài)都能夠和諧有效體現(xiàn)是不太現(xiàn)實的。經(jīng)常來說,計算機體系結(jié)構(gòu)是利用這種思想對系統(tǒng)進(jìn)行層次上的簡化,但是層次簡化后的系統(tǒng)對目前的研究水平來說,還是難以突破的。目前流行的編程語言C語言來說,由于這些語言都是串行結(jié)構(gòu)的,所以利用這個對系統(tǒng)內(nèi)部模擬也是很耗時的,一旦中間環(huán)節(jié)有某些失誤,也會導(dǎo)致整個編程系統(tǒng)癱瘓。
(2)系統(tǒng)軟件模擬運行器運行精度現(xiàn)狀。
當(dāng)前,計算機系統(tǒng)軟件模擬運行器運行精度低。究其主要原因是自身開發(fā)中不合理設(shè)計或者操作不合理。目前的軟件模擬運行器研發(fā)主要有三個步驟,第一是理論研究思路,第二是按照理論進(jìn)行設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的模擬器,第三是實現(xiàn)模擬器的功能正常運行。而這三個步驟中由于失誤會造成研發(fā)的失敗,比如,在第一步中,由于對計算機系統(tǒng)的各種需求沒有做到正確分析,導(dǎo)致研發(fā)失敗,對第二個步驟來說,失誤是因為沒有正確構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以導(dǎo)致模擬器的錯誤設(shè)計,模擬器精度差的原因是因為模擬器運行時間較長。
2對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的未來探析
(1)計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展需要高水平的研發(fā)人員。
隨著人類經(jīng)濟(jì)社會的不斷向前發(fā)展,對計算機技術(shù)使用的不斷深入,那么對計算機相關(guān)的信息處理系統(tǒng)工具要求也是越來越高。所以,作為計算機技術(shù)的研發(fā)工作人員,一定在順應(yīng)時代需求的基礎(chǔ)上,不斷加強對自己自身素質(zhì)水平的提高,掌握豐富的計算機體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)知識,學(xué)習(xí)以往經(jīng)驗,根據(jù)需要不斷創(chuàng)新技術(shù),為計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研發(fā)做不斷地努力,來滿足社會的需求,促進(jìn)計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的不斷發(fā)展。
(2)計算機模擬器新技術(shù)。
采取多種形式研究模式,需要我們基于現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上,吸收國外先進(jìn)的經(jīng)驗同時,不斷創(chuàng)新開發(fā)模擬器新技術(shù),并將不斷優(yōu)化模擬器的總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)來作為研發(fā)總要課題。模擬器其本身的運行速度是制約模擬器和計算機體系結(jié)構(gòu)軟件技術(shù)開發(fā)的重要條件,所以未來對計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研應(yīng)該將重點放在便捷式且開放式的體系研究中去。就目前來說,模擬器的開發(fā)已經(jīng)深入到跟蹤技術(shù)和驅(qū)動模擬技術(shù)領(lǐng)域,但這些都是在靜態(tài)的驅(qū)動模型上完成的,即使這種執(zhí)行的靜態(tài)驅(qū)動模型比較普遍,但是隨著用戶要求提高,技術(shù)要求提高,對其的研究不能只停留在這個階段。
(3)計算機結(jié)構(gòu)的仿真和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型模擬技術(shù)。
這兩種模擬技術(shù)也是最近幾十年來發(fā)展中最為突出的新型模擬技術(shù),仿真系統(tǒng)模型是指用計算機的軟件或硬件對計算機某種模型結(jié)果進(jìn)行仿真模擬,目的是利用在一個機體上實現(xiàn)對另一計算機的已知功能,使二者出現(xiàn)相同的計算結(jié)果。計算機模型的模擬是指利用計算機工作的硬件或軟件簡單的模擬計算過程,只是常用來對計算機的性能與功能的預(yù)測及開發(fā)。也是主要注重研究計算過程,對結(jié)果時不太重視的。所以,我國的計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)應(yīng)該不斷在這兩種代表性技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷研發(fā)新型的模擬技術(shù)。來促近我國計算機體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,為經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供更好的服務(wù)。
3結(jié)語
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力培養(yǎng)；應(yīng)用型計算機專業(yè)；教學(xué)改革
1概述
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的興起，大量智能硬件如智能手機、傳感器、電子標(biāo)簽、可穿戴設(shè)備等進(jìn)入到人們?nèi)粘Ｉ钪校嬎銠C科學(xué)與計算機產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，需要一大批“綜合應(yīng)用硬件和軟件進(jìn)行計算機系統(tǒng)設(shè)計”的卓越工程師。因此，對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求正在由“程序”設(shè)計向“系統(tǒng)”設(shè)計層面轉(zhuǎn)移。ACM和IEEE聯(lián)合公布的CS2013計算機科學(xué)課程指南特別強調(diào)加強系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會提出：計算機專業(yè)人才應(yīng)具備四大專業(yè)能力，包括計算思維能力、算法設(shè)計與分析能力、程序設(shè)計與實現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力，其中系統(tǒng)能力占總能力點的75%。因此，在移動互聯(lián)時代，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機專業(yè)人才已成為國內(nèi)外教育專家的普遍共識。吉林大學(xué)珠海學(xué)院是廣東省普通本科高校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)變的試點單位，順應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展需求，圍繞區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略重點，實施了面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，糾正學(xué)生“欺軟怕硬”的學(xué)習(xí)觀念，提高學(xué)生軟硬件協(xié)同設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生成為一名具有系統(tǒng)能力的“軟硬件貫通”的計算機專業(yè)創(chuàng)新人才。
2課程體系的構(gòu)建
計算機專業(yè)傳統(tǒng)課程體系是按照層次結(jié)構(gòu)劃分各門課程，無意中割裂了計算機系統(tǒng)各個層次之間的關(guān)聯(lián)，客觀上導(dǎo)致了每門課程只是關(guān)注各自的知識體系的完整性，課程講授內(nèi)容是相互獨立的。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了各門課程中計算機系統(tǒng)的相關(guān)知識，但是就如“盲人摸象”一樣，很難形成一個對計算機系統(tǒng)的整體認(rèn)識。所以面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系需要重構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生對計算機系統(tǒng)認(rèn)知、分析、設(shè)計和應(yīng)用能力的教學(xué)模塊，其中最關(guān)鍵就是要求學(xué)生能以程序員的視角理解計算機硬件設(shè)計，從硬件設(shè)計者的角度理解程序的執(zhí)行，掌握計算機系統(tǒng)各抽象層的實現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換機制、計算機軟硬件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相互影響。我們分析了應(yīng)用型計算機專業(yè)學(xué)生所需知識結(jié)構(gòu)，堅持“因材施教，分類指導(dǎo)”的指導(dǎo)方針，制訂了注重系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系：一是專業(yè)基礎(chǔ)課程，如數(shù)字邏輯設(shè)計、程序設(shè)計基礎(chǔ)等；二是專業(yè)核心課程，如計算機組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計等；三是專業(yè)應(yīng)用課程，如嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)、智能手機軟件設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)等。作為一所應(yīng)用型本科高校，考慮學(xué)生實際情況和培養(yǎng)目標(biāo)，沒有設(shè)置編譯原理、形式語言與自動機等理論性較強的課程。
3課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整
計算機系統(tǒng)由于涉及多門計算機專業(yè)的軟、硬件課程，知識體系龐大，各門課程的教學(xué)內(nèi)容交叉多。所以計算機系統(tǒng)能力建設(shè)需要多門課程之間的銜接與聯(lián)動，僅僅對某一門課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整并不能取得良好效果，我們確定要以數(shù)字邏輯設(shè)計、計算機組成與結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程作為主線，將所有與計算機系統(tǒng)密切相關(guān)的課程都有機串聯(lián)融合起來，構(gòu)建基于課程群的系統(tǒng)能力建設(shè)模式。課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整思路是：從程序設(shè)計視角出發(fā)，改變傳統(tǒng)軟硬件分離的教學(xué)方法，理順各層次課程之間的銜接關(guān)系，改變各門課程知識結(jié)構(gòu)離散、部分內(nèi)容重疊的現(xiàn)象，給學(xué)生提供了一個完整而清晰的學(xué)習(xí)路線。數(shù)字邏輯設(shè)計課程的教學(xué)重點在邏輯器件應(yīng)用和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力。因此，以組合邏輯與時序邏輯作為基礎(chǔ)，加入FP⁃GA設(shè)計知識，引入EDA設(shè)計工具和Verilog硬件描述語言，加強以計算機功能部件作為設(shè)計實例的教學(xué)，能設(shè)計基本邏輯部件與組件如編碼器、譯碼器、計數(shù)器、寄存器、多路選擇器、算術(shù)邏輯運算單元等，掌握復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)機設(shè)計能力和時序分析能力，為計算機系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。計算機組成與結(jié)構(gòu)課程重點解析計算機硬件系統(tǒng)基本組成、運行原理和協(xié)同工作機制，分析計算機組成對系統(tǒng)性能的影響，闡述計算機系統(tǒng)的基本設(shè)計方法，幫助學(xué)生建立計算機整機系統(tǒng)的概念。課程教學(xué)需增加有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)如何協(xié)同工作的知識點，例如將指令執(zhí)行過程和異常、中斷、存儲訪問、I/O訪問等重要概念和技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行介紹；講述與程序設(shè)計有密切關(guān)系的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過程調(diào)用、程序訪問局部性等。操作系統(tǒng)課程的理論教學(xué)定位于操作系統(tǒng)的組成及運行機理，側(cè)重從系統(tǒng)軟件角度管理計算機軟硬件資源，以Linux為例講述操作系統(tǒng)的基本概念和方法、設(shè)計原理和實現(xiàn)技術(shù)，主要內(nèi)容包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理、任務(wù)調(diào)度和切換等知識點，特別需強調(diào)軟硬件依賴關(guān)系和協(xié)同工作機制，即操作系統(tǒng)與CPU之間在中斷、同步等方面的銜接關(guān)系。
4課程教學(xué)方式的改革
計算機系統(tǒng)課程如果按照傳統(tǒng)教學(xué)方式，一般是先在課堂講授相關(guān)理論知識，再到實驗室做實驗。由于計算機系統(tǒng)各層次課程涉及的知識點十分繁雜而抽象，學(xué)生只會越學(xué)越覺得計算機系統(tǒng)高深莫測，既枯燥無味又不容易掌握，久而久之就會產(chǎn)生對硬件的畏難情緒，而且在實驗之前還需要花費時間進(jìn)行復(fù)習(xí)。計算機系統(tǒng)課程教學(xué)借鑒CDIO工程教育模式，以解決“教師本位”向“學(xué)生本位”轉(zhuǎn)變的問題，將課堂教學(xué)與實驗教學(xué)融為一體，采用“做中學(xué)”和“按需教”的教學(xué)組織模式。其目的就是通過對計算機系統(tǒng)課程的教學(xué)與實驗環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計，綜合設(shè)計教學(xué)與實驗內(nèi)容，使學(xué)生在“做”的過程中，通過自己的動手體驗，通過自己對知識的獲取、歸納與總結(jié)，能夠深刻理解計算機系統(tǒng)整體概念，獲得遠(yuǎn)超課堂教學(xué)的教學(xué)效果。計算機系統(tǒng)課程將采用“項目驅(qū)動、案例導(dǎo)向”的教學(xué)模式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，以計算機系統(tǒng)設(shè)計項目為手段，采用FPGA+ARM+Linux作為統(tǒng)一實驗平臺，按照“基本邏輯部件、計算機功能部件、計算機綜合系統(tǒng)”的思想逐層開展，將計算機系統(tǒng)設(shè)計實踐完整地貫穿于各層次課程之中，構(gòu)建了一個階段化、層次化、系統(tǒng)化的教學(xué)實驗體系，形成“學(xué)習(xí)、構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)”的CDIO工程教育完整過程。首先，數(shù)字邏輯設(shè)計課程需要從門電路開始來設(shè)計基本邏輯部件如譯碼器、選擇器、寄存器等，使學(xué)生能熟悉EDA設(shè)計的全過程；然后，計算機組成與結(jié)構(gòu)課程通過計算機功能部件如運算器、控制器、存儲器和I/O接口的設(shè)計，鍛煉學(xué)生的工程實踐能力；最終，計算機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計則增加指令系統(tǒng)、中斷、數(shù)據(jù)通路的設(shè)計，并將計算機各功能部件通過總線互聯(lián)為一個完整的計算機系統(tǒng)，使學(xué)生全面理解計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，理清軟硬件之間的聯(lián)系，加深對計算機整個系統(tǒng)的理解。
5結(jié)論
在移動互聯(lián)時代，計算機專業(yè)人才培養(yǎng)由強調(diào)程序設(shè)計變?yōu)閺娬{(diào)系統(tǒng)設(shè)計，學(xué)生是否能夠建立計算機系統(tǒng)觀、具備計算機系統(tǒng)設(shè)計能力是計算機專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)關(guān)鍵標(biāo)志。我們根據(jù)學(xué)校發(fā)展定位、師資學(xué)生情況和課程建設(shè)現(xiàn)狀，重新規(guī)劃計算機系統(tǒng)課程體系，調(diào)整優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，將系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實到計算機專業(yè)教學(xué)實踐中。計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革仍需要在實施過程中不斷進(jìn)行完善。
參考文獻(xiàn)：
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[關(guān)鍵詞]計算機系統(tǒng);電力營銷;工作內(nèi)容;應(yīng)用
中圖分類號：TP 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0070-01
一、電力營銷中計算機系統(tǒng)分析的基本原則
電力營銷中計算機系統(tǒng)的建立需要遵循哪些原則呢？具體來廛，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。
（一）遵循客戶至上原則，客戶的需求是電力企業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動力，在市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，競爭越來越激烈，為了提高電力企業(yè)的競爭力，電力營銷中必須在更大程度上滿足客戶的需求。
（二）遵循以效益為核心的原則。在我國，雖然很多電力企業(yè)都是國有企業(yè)，在運行過程中需要兼顧社會效益。但是，作為一個企業(yè)，獲取經(jīng)濟(jì)利益是它的最終目的。在激烈的市場競爭中立于不敗之地，簡而言之，在電力營銷中建設(shè)計算機系統(tǒng)需要遵循以利益為核心的基本原則。
二、計算機系統(tǒng)在電力營銷中的工作內(nèi)涵
計算機系統(tǒng)在電力營銷中的所建立起的電力營銷信息管理系統(tǒng)工作內(nèi)容大致包括五個方面：
（一）系統(tǒng)規(guī)則。（1）確定電力營銷目標(biāo)與電力營銷管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)規(guī)劃主要是用于確定計算機系統(tǒng)在電力營銷中的功能與結(jié)構(gòu)，還有系統(tǒng)的目標(biāo)。
（2）了解新形勢的需要。因社會不斷在發(fā)展變化，因此電力營銷必須改變現(xiàn)有的營銷機制，結(jié)合社會發(fā)展的需要轉(zhuǎn)變自身觀念，分析存在的問題，現(xiàn)在企業(yè)管理流程存在許多問題，這些問題需要及時的發(fā)現(xiàn)與處理。
（二）系統(tǒng)分析。基于計算機系統(tǒng)的電力營銷信息管理系統(tǒng)分析主要是對現(xiàn)有的信息乾地調(diào)研，而后通過不同的方式來對這些信息進(jìn)行描述和處理，并且分析這些信息的合理性，最后為新系統(tǒng)提出更合理的方案。
（三）系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)分析所得出的各種系統(tǒng)功能信息的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來對新系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。確定新系統(tǒng)的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)。在設(shè)計時應(yīng)采用模塊化的設(shè)計，并且采用流程化的管理機制，從而才能夠適應(yīng)不同崗位的工作。開發(fā)Client/Service程序。與其它的Windows 應(yīng)用程序相互作用。
（四）系統(tǒng)實施。系統(tǒng)實施的任務(wù)包括有硬件設(shè)備的招標(biāo)與購置，已經(jīng)后期的安裝調(diào)試。
（五）系統(tǒng)運行與評價。系統(tǒng)運行于評價的主要任務(wù)是要維護(hù)新系統(tǒng)的運行，對運行過程進(jìn)行管理，同時對新系統(tǒng)從各個綜合方面進(jìn)行評價。
三、電力營銷系統(tǒng)的軟件與硬件的構(gòu)成
（一）硬件要求
由于計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機速度越來越快，windows操作系統(tǒng)已成為計算機的主流操作系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的正常運行，要求計算機最少要能運行Windows 98，64M以上內(nèi)存，具有500M以上的硬盤剩余空間，另外還要有寬行針打印機輸出票據(jù)和各種報表。
（二）軟件構(gòu)成
在Windows 98或Windows 2000下，利用計算機可視化編程語言VFP6.0對從基本用戶電表抄得的表碼進(jìn)行錄入，然后以供電所、用電線路等為基本單位進(jìn)行統(tǒng)計、分析、綜合、核算、開票等處理，生成所需要的各類數(shù)據(jù)。
（三）票據(jù)形成
在主管稅局的監(jiān)理下，根據(jù)電力行業(yè)的要求，使用定制的蓋有稅務(wù)局印章的各種發(fā)票、以及各種發(fā)票打印出各類用戶電費發(fā)票、以及變電所，用電線路等各種。
四、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
（一）編程語言的選擇
（1）兼容性好。
（2）創(chuàng)建應(yīng)用程序快速、方便。
（3）開發(fā)能力更強大。
（二）模塊設(shè)計
系統(tǒng)主要有以下模塊組成。
變更信息、抄表管理、單據(jù)發(fā)票、電費報表管理、電費基礎(chǔ)信息、電費計算、歷史查詢、系統(tǒng)維護(hù)、異常查詢等。
（三）系統(tǒng)特點
（1）系統(tǒng)使用方便，數(shù)據(jù)處理快速、準(zhǔn)確，票據(jù)和報表內(nèi)容詳細(xì)、直觀、全面，可使用戶或領(lǐng)導(dǎo)對所需內(nèi)容一目了然。
（2）界面友好，操作靈活。
（3）使用完善的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，保證用戶在使用中不會因為突然的停電等原因而引起數(shù)據(jù)丟失或混亂的現(xiàn)象。
五、計算機系統(tǒng)在電力營銷中的建設(shè)總體要求
（一）客戶至上的服務(wù)體系，在市場經(jīng)濟(jì)大背景之下，企業(yè)應(yīng)重視客戶的要求，因為電力營銷是電力企業(yè)的對外窗口，所有的業(yè)務(wù)都必須以滿足客戶的需求來作為驅(qū)動。
（二）以效益為核心的管理體系
為了在如今的買方市場中得到更大的利益，電力企業(yè)必須擴大客戶群體，提高電力產(chǎn)品的銷售量，同時在內(nèi)部做好成本管理控制，將企業(yè)效益放在第一位。
六、計算機系統(tǒng)在電力營銷中的運用
（一）電能量計量系統(tǒng)。客戶系統(tǒng)是一個包括了計量檔案管理子系統(tǒng)、報表管理子系統(tǒng)，報警管理子系統(tǒng)等多個關(guān)系到電力營銷方面的系統(tǒng)。
（二）客戶服務(wù)系統(tǒng)。客戶服務(wù)系統(tǒng)是電力營銷對外的業(yè)務(wù)窗口，任務(wù)是受理各種業(yè)務(wù)和查詢各種業(yè)務(wù)還有專門用于發(fā)送業(yè)務(wù)通知的子系統(tǒng)，以及各種供用戶使用和查詢的綜合服務(wù)系統(tǒng)。
（三）電力營銷系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)在電力營銷中的應(yīng)用便是電力營銷系統(tǒng)。電力營銷系統(tǒng)主要任務(wù)是處理供電公司給客戶提供的電力數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)包括了業(yè)擴子系統(tǒng)、電費計量系統(tǒng)、用電監(jiān)察系統(tǒng)，綜合查詢子系統(tǒng)等各種與企業(yè)電力營銷息息相關(guān)的子系統(tǒng)。
（四）地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)狀態(tài)估計、負(fù)荷預(yù)報等工作，常用軟件有SCADA和PAS應(yīng)用，這些軟件都是用于采集和監(jiān)控事實電網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時分析電網(wǎng)穩(wěn)定性。
（五）配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主要提供了配網(wǎng)SCADA/DMS 和配網(wǎng)實時狀態(tài)監(jiān)控還有數(shù)據(jù)維護(hù)，查詢統(tǒng)計等基本功能，這些功能都是基于企業(yè)配電工作管理的。
（六）在線管理系統(tǒng)。在線管理系統(tǒng)主要是針對地區(qū)電廠的系統(tǒng)，用于實施采集和監(jiān)控變電站的計量信息，對主網(wǎng)線損進(jìn)行監(jiān)測和分析。
（七）MIS信息管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成的信息管理系統(tǒng)，如：調(diào)度管理子系統(tǒng)，變電管理子系統(tǒng)，安全監(jiān)察管理子系統(tǒng)，科技管理子系統(tǒng)等。
（八）財務(wù)管理系統(tǒng)。財務(wù)管理系統(tǒng)是對電力企業(yè)的賬單和財務(wù)指標(biāo)還有財務(wù)報表等進(jìn)行管理和分析，處理各種財務(wù)信息。
結(jié)束語
電力營銷是電力企業(yè)取得經(jīng)濟(jì)效益的主要模塊，因此必須重視提高電力營銷的質(zhì)量和能力，通過將計算機系統(tǒng)運用在電力營銷之中，不但能夠為電力營銷提供先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還能夠?qū)﹄娏I銷業(yè)務(wù)進(jìn)行更好的管理，擺脫傳統(tǒng)陳舊的管理模式。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】軌道交通；AFC系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)通信
如今，全自動收費系統(tǒng)（AFC）得到了廣泛應(yīng)用，它集中了很多種先進(jìn)技術(shù)，如計算機技術(shù)、信息收集和處理技術(shù)、機械制造技術(shù)等，促使自動化售票和檢票得到了實現(xiàn)，智能化程度較高。相較于傳統(tǒng)的紙票售票方式，自動售檢票系統(tǒng)更加的便捷和準(zhǔn)確，可以將人工售檢票模式中的各種缺點給有效克服掉，如較多的財務(wù)漏洞、較高的出錯率、較大的勞動強度等，可以避免有假票或者人情票問題的出現(xiàn)，促使管理水平得到了提高。
1 軌道交通AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能
一是軌道交通AFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：軌道交通AFC系統(tǒng)有效集中了多項高新技術(shù)，如計算機、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，促使軌道交通售票、檢票、清分、管理以及統(tǒng)計等各項功能得以自動化實現(xiàn)。軌道交通AFC系統(tǒng)的架構(gòu)體系一共有4層，分別是車站終端設(shè)備、車站計算機系統(tǒng)、線路中央計算機系統(tǒng)、清分系統(tǒng)等；通過通信接口有效連接了系統(tǒng)的各個層次，數(shù)據(jù)的傳輸是利用通信模塊來實現(xiàn)的。為了促使軌道交通網(wǎng)絡(luò)化要求得到滿足，就需要對通信接口和通信方式進(jìn)行統(tǒng)一制定。
二是AFC系統(tǒng)各層功能概述：車站終端設(shè)備包括自動售票機、半自動售票機、自動檢票機等，發(fā)售車票、進(jìn)出站檢票以及票卡充值是它的主要功能；車站計算機下發(fā)的命令、參數(shù)和文件等可以被終端設(shè)備所接收到，對交易數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并且向上層系統(tǒng)上傳交易數(shù)據(jù)、審計數(shù)據(jù)以及設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。
車站計算機系統(tǒng)主要是對車站各個終端設(shè)備上傳的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲，處理之后，向上層系統(tǒng)上傳。對上層系統(tǒng)的各類系統(tǒng)運行參數(shù)、命令等進(jìn)行接收，處理過之后，向車站終端設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；對車站終端設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，將各個設(shè)備的運行狀態(tài)以及故障等信息給顯示出來。
線路中央計算機系統(tǒng)主要是對清分系統(tǒng)下傳的運行參數(shù)、命令、票價表等數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，進(jìn)行處理過之后，下發(fā)出去。對下層系統(tǒng)上傳的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，處理過之后向上級系統(tǒng)上傳。
清分系統(tǒng)主要是對運行參數(shù)、命令以及票價表等進(jìn)行設(shè)置和下發(fā)，對線路中央計算機系統(tǒng)上傳的各種原始交易數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理，并且將各種統(tǒng)計分析報告給生成出來，對報表進(jìn)行打印。
2 軌道交通AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程
一是終端設(shè)備數(shù)據(jù)上傳：通常情況下，可以將車站設(shè)備的數(shù)據(jù)劃分為多種類型，如交易數(shù)據(jù)；寄存器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、維護(hù)管理數(shù)據(jù)、收益管理數(shù)據(jù)等，由設(shè)備產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)，然后向上層系統(tǒng)進(jìn)行上傳。設(shè)備生成數(shù)據(jù)之后，設(shè)備需要檢查數(shù)據(jù)的合法性，然后結(jié)合數(shù)據(jù)的類別，來分別進(jìn)行傳送；車站計算機系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，之后歸入數(shù)據(jù)庫，向線路中央計算機系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；這些數(shù)據(jù)被線路中央計算機系統(tǒng)接收到之后，會向軌道交通清分系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
二是線路中央計算機數(shù)據(jù)下傳：RTCHS的參數(shù)可以被中央計算機所接收，并且對本線路的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。要結(jié)合參數(shù)的特性，來啟用或者保存中央計算機自身使用的參數(shù)，如果參數(shù)需要下載，中央計算機需要向相關(guān)的車站計算機及時下發(fā)參數(shù)；車站計算機對中央計算機的參數(shù)進(jìn)行接收。如果參數(shù)需要下載，車站計算機需要向相關(guān)的車站終端設(shè)備中主動下發(fā)參數(shù)，車站終端設(shè)備對車站計算機的參數(shù)進(jìn)行接收。
3 軌道交通AFC系統(tǒng)通信方式
一是通信協(xié)議的選擇：其中，CORBA、Socket接口等是如今經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)傳輸方式，在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，最為常用的API應(yīng)用程序接口就是Socket接口技術(shù)；將面向連接協(xié)議的Socket模型應(yīng)用到實時數(shù)據(jù)傳輸中，因為一系列的數(shù)據(jù)糾錯功能可以由本協(xié)議所提供，以便能夠通過網(wǎng)絡(luò)來向?qū)皶r準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。可以利用TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)軌道交通AFC系統(tǒng)各個層之間的通信。
二是基于TCP/IP協(xié)議的四種通信方式：首先是兩節(jié)點同步短連接，客戶端和服務(wù)器之間的一種重要同步通信方式就是兩節(jié)點同步短連接，客戶端指的是主動發(fā)起連接的一方，而服務(wù)器對數(shù)據(jù)接收之后，需要做出應(yīng)答。采用這種通信方式，客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃涂梢缘玫綄崿F(xiàn)。
其次是兩節(jié)點異步短連接，相較于同步短連接來講，這種通信方式有著最大的差異就是服務(wù)器不會做出應(yīng)答，那么就無法保證可以成功的向服務(wù)器傳輸客戶端的數(shù)據(jù)。
然后是兩節(jié)點異步長連接，在客戶端和服務(wù)器之間的異步通信方式中，非常重要的一種就是兩節(jié)點異步長連接，數(shù)據(jù)被客戶端和服務(wù)器所接收到之后，不會做出應(yīng)答，因此，將這種通信方式應(yīng)用過來，客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸矡o法得到保證。
最后是多節(jié)點同步短連接，多節(jié)點之間要想實現(xiàn)同步通信，非常重要的一種方式就是多節(jié)點同步短連接，采用這種通信方式，客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃涂梢缘玫接行ПＷC。
4 利用多線程技術(shù)和同步短連接通信方式設(shè)計AFC系統(tǒng)通信模型
AFC系統(tǒng)具有較多的任務(wù)，在任何一個時刻，本系統(tǒng)任意兩層之間都可能在對不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，因此，就需要在獨立的線程中去處理每一個業(yè)務(wù)。具體來講，從服務(wù)器的角度上理解，本系統(tǒng)可以對來自終端設(shè)備的連接請求進(jìn)行實時監(jiān)聽，并且生成Socket，通過Socket的句柄值，來對線程進(jìn)行創(chuàng)建，以便收發(fā)數(shù)據(jù)；從客戶端的角度上來講，如果需要與某個終端設(shè)備進(jìn)行通信，它可以對線程進(jìn)行創(chuàng)建，并且將Socket生成于線程中，然后連接客戶端，來收發(fā)數(shù)據(jù)。
5 結(jié)語
通過上文的敘述分析我們可以得知，軌道交通AFC系統(tǒng)綜合了多項先進(jìn)技術(shù)，具備較多的功能；而其功能的實現(xiàn)，會直接受到通信方式的影響。因此，就需要對軌道交通AFC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計產(chǎn)生足夠的重視，對比各種通信方式，對AFC系統(tǒng)通信模塊的功能需求充分考慮，將整個系統(tǒng)的通信框架給科學(xué)設(shè)計出來。
參考文獻(xiàn)：
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摘要：本文介紹了我校對計算機硬件實驗課程體系及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行的改革，建立了“基礎(chǔ)層－應(yīng)用層－提高層”三層體系結(jié)構(gòu)的硬件課程群實驗體系，并對多層次、系列化的硬件實踐教學(xué)模式及訓(xùn)練模式進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：硬件課程群；實驗體系；實驗內(nèi)容；實踐能力
中圖分類號：G642
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
我校計算機專業(yè)自99級開始進(jìn)行了較大規(guī)模的擴招，但由于師資力量跟不上、實驗條件和實驗內(nèi)容相對落后等原因，造成計算機硬件教育存在層次單一、教學(xué)內(nèi)容滯后、理論與實踐脫節(jié)等問題，學(xué)生普遍存在著“重軟怕硬”的現(xiàn)象，畢業(yè)后硬件設(shè)計能力差，軟件開發(fā)缺少后勁。為提高學(xué)生的硬件動手能力，增強畢業(yè)生的社會適應(yīng)性，學(xué)院自2002年開始進(jìn)行計算機硬件課程群建設(shè)及相應(yīng)的硬件課程群實驗體系建設(shè)，包括“計算機組成原理”等九門硬件課程及5門相關(guān)的實踐課程。本文對我院計算機硬件課程群實驗體系建設(shè)及硬件實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革進(jìn)行了探討與總結(jié)。
1構(gòu)建科學(xué)完整的硬件課程群實驗體系
在原有的課程體系下，我院為本科生開設(shè)的硬件實驗教學(xué)課程有“數(shù)字邏輯實驗”、“計算機組成實驗”、“微機接口實驗”、“單片機實驗”。由于實驗條件的限制，各課程實驗內(nèi)容相對獨立，綜合性、系統(tǒng)性較差；尚有部分硬件主干課程沒有對應(yīng)的實驗課程，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實驗課程體系存在諸多問題。
(1) 缺乏對學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計相分離的設(shè)計方法成為阻礙設(shè)計和實現(xiàn)復(fù)雜、大規(guī)模系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)平臺的搭建、軟硬件的協(xié)同設(shè)計驗證和軟硬件功能模塊的可重用性已成為現(xiàn)階段設(shè)計方法的熱點。培養(yǎng)學(xué)生具有系統(tǒng)設(shè)計的思想成為當(dāng)務(wù)之急。
(2) 缺乏對學(xué)生可編程芯片設(shè)計能力及EDA技術(shù)的培養(yǎng)。可編程芯片與EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計的發(fā)展趨勢，將可編程芯片設(shè)計及EDA技術(shù)引入實驗教學(xué)中是時展的需要。
(3) 缺乏綜合性的實踐課程，學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)揮受限。由于實驗條件限制，原有的多數(shù)實驗是基于純硬件邏輯設(shè)計的，只是在面包板上用器件構(gòu)建小系統(tǒng)，功能擴展性差；并且只能開設(shè)數(shù)量有限、技術(shù)含量較低的實驗，學(xué)生無法開展自主的綜合性設(shè)計，無法進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
為此，經(jīng)過充分調(diào)研和論證，我院首先從修改03級教學(xué)計劃入手，對課程體系中的多門課程進(jìn)行了調(diào)整，同時理順各門課程間的關(guān)系，構(gòu)建起了新的硬件課程體系。該課程體系由必修課程、選修課程及配套實踐三部分組成。必修課包括“組成原理”、“接口技術(shù)”、“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等基礎(chǔ)課程。為適應(yīng)社會需求，在選修課中刪去原有的“診斷與容錯”等一些過時的課程，增加“數(shù)據(jù)采集”、“計算機控制技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”等社會需求較強、實用價值高的應(yīng)用性課程，同時新開了“模型機設(shè)計與組裝”、“硬件綜合實踐”等實踐課程。在07版教學(xué)計劃中，又新增了“DSP原理與應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)實踐”等新課程，保證課程體系的實用性與先進(jìn)性。
硬件系列課程從體系結(jié)構(gòu)上劃分為三個層次：基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和提高層，其課程間的關(guān)系如圖1所示。基礎(chǔ)層為“數(shù)字電路”與“組成原理”。“數(shù)字電路”課程雖然在教學(xué)體系上不屬于計算機硬件系列課程，但它是計算機硬件系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，是必修的前續(xù)課；“組成原理”介紹計算機的基本組成和工作原理，解決整機概念；通過“電工電子實習(xí)”與“模型機設(shè)計與組裝”兩門實踐課程，強化學(xué)生的硬件動手能力。在應(yīng)用層中，通過“接口技術(shù)”介紹應(yīng)用層的接口和相關(guān)外設(shè)，以“嵌入式系統(tǒng)”等四門實用性強的課程作為選修課，每門課程都配有相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)，并通過“硬件綜合實踐”、“嵌入式系統(tǒng)實踐”強化學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握和綜合應(yīng)用。提高層為“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”及“性能測試與分析”實踐課程，通過學(xué)習(xí)和實踐，能夠使學(xué)生比較全面地掌握計算機系統(tǒng)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本分析方法、基本設(shè)計方法和性能評價方法，并建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。
在硬件課程群實驗體系建設(shè)過程中，突出強調(diào)課程體系的系統(tǒng)性和完備性。從第1學(xué)期到第7學(xué)期硬件實驗不斷線，層次逐步提高，實驗內(nèi)容銜接連貫。注意各硬件實踐的相互次序和互補，使硬件實踐訓(xùn)練層次化、系列化，以此來系統(tǒng)強化學(xué)生的硬件動手能力。同時調(diào)整各課程的開設(shè)順序，理順每門課與前導(dǎo)課和后續(xù)課之間的關(guān)系，從而保證硬件課程體系的系統(tǒng)性和完備性。
注：所有必修課程與選修課程均開設(shè)課內(nèi)實驗，包括驗證實驗(20%)、設(shè)計實驗(80%)；實踐課程單獨開設(shè)，包括綜合實驗(80%)、探索實驗(20%)。
2改革實驗教學(xué)內(nèi)容與模式
計算機硬件系列課程的重要特點之一是工程性、實踐性強。為了使學(xué)生在學(xué)過該系列課程后具備較強的實際動手能力和計算機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力，應(yīng)在實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上體現(xiàn)出基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、實用性和先進(jìn)性，既要重視計算機硬件的基礎(chǔ)內(nèi)容，又要結(jié)合當(dāng)今電子與計算機的最新發(fā)展。為此，我們對該硬件系列課程的實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了改革創(chuàng)新。
2.1優(yōu)化實驗內(nèi)容，引進(jìn)實驗新技術(shù)，提高硬件設(shè)計的效率和興趣
隨著計算機硬件技術(shù)的日益發(fā)展，各種各樣的微處理器不斷更新，功能不斷增強，以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計也逐步成為主流。為了使學(xué)生跟上時代潮流，了解最新技術(shù)，需要不斷引入新設(shè)備、新技術(shù)，提高硬件設(shè)計的效率和興趣。如更新的“組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實驗臺，通過RS232串口與PC機相連，可在PC機上編程并向系統(tǒng)裝載實驗程序，還可在PC機的圖形界面下進(jìn)行動態(tài)調(diào)試并觀察實驗的運行，使學(xué)生像設(shè)計軟件一樣來設(shè)計硬件，做到了硬件設(shè)計軟件化，大大提高了硬件設(shè)計的效率和興趣。“模型機設(shè)計與組裝”，將CPLD和FPGA等技術(shù)引入，用CPLD來設(shè)計復(fù)雜模型機。“匯編語言”和“接口技術(shù)”補充Windows下設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)，增加PCI、USB的應(yīng)用等內(nèi)容。“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”通過局域網(wǎng)組建小型的微機機群，研究探索多處理機操作系統(tǒng)，試驗并行程序的運行與任務(wù)分配調(diào)控等功能。為適應(yīng)當(dāng)前嵌入式芯片的迅速普及應(yīng)用，新開設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計”課程設(shè)計。針對學(xué)生已學(xué)過多門硬件課程，但仍不能完成一個完整的、可獨立工作的計算機系統(tǒng)設(shè)計問題，新開設(shè)了“硬件綜合實踐”，使同學(xué)親自體會設(shè)計一臺微型計算機系統(tǒng)的全過程。
2.2建立“驗證型－設(shè)計型－綜合型－探索型”的多層次實踐教學(xué)模式
在實驗教學(xué)內(nèi)容的改革上，本著“加強基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、注重實踐、提高素質(zhì)”的方針，將實驗項目分為4類，即驗證型、設(shè)計型、綜合型、探索型,實驗項目由淺入深，循序漸進(jìn)。在所有硬件必修和選修課程中，全部開設(shè)課內(nèi)實驗。課內(nèi)實驗由驗證實驗(20%)、設(shè)計實驗(80%)組成。所有實踐課程都單獨開設(shè)實驗，包括綜合實驗(80%)、探索實驗(20%)。這樣，課內(nèi)課程中開設(shè)“驗證型”和“設(shè)計型”的實驗，在后續(xù)課程設(shè)計中，開設(shè)“綜合型”和“探索型”的實驗，形成“驗證型－設(shè)計型－綜合型－探索型”的多層次實踐教學(xué)模式，系統(tǒng)強化學(xué)生的綜合設(shè)計和硬件動手能力。
在驗證型實驗中，注重使學(xué)生鞏固基本理論，進(jìn)一步掌握基本概念和基本技能。在設(shè)計型的實驗中，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、設(shè)計能力和動手實踐能力。在這一類實驗中，以學(xué)生動手為主，教師輔導(dǎo)為輔，只給定實驗的課題及達(dá)到的目的，中間過程需學(xué)生自己去查閱資料和設(shè)計方案，直至最后調(diào)試完成。在綜合型實驗中，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，使學(xué)生受到更為實際、更加全面的科學(xué)研究的訓(xùn)練。綜合實驗的特點是沒有現(xiàn)成的模式可循，學(xué)生需要獨立完成硬、軟件設(shè)計和調(diào)試。在調(diào)試過程中，學(xué)生自己動手分析解決實驗中出現(xiàn)的問題，雖然有一定的難度和深度，但對學(xué)生很有吸引力，能使學(xué)生從應(yīng)付實驗變?yōu)橹鲃訉嶒灒粌H提高了基本操作技能，也發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。課程設(shè)計的部分內(nèi)容屬于探索型實驗，學(xué)生可以自主選擇感興趣的課題及相關(guān)開發(fā)工具，寫出設(shè)計書，交給指導(dǎo)教師審核后實施。在這一過程中，學(xué)生需要查閱大量的資料，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、研究設(shè)計能力、獨立分析問題及解決問題的能力和創(chuàng)新能力。
2.3確立“系列化硬件實踐訓(xùn)練”方案
硬件實踐訓(xùn)練由“課程實驗－課程設(shè)計－綜合訓(xùn)練－畢業(yè)設(shè)計”四個系列組成。課程實驗――所有硬件課程都開設(shè)。課程設(shè)計――在“嵌入式系統(tǒng)”、“組成原理”等重點課程中開設(shè)，在這些課程的課內(nèi)實驗中進(jìn)行部件或模塊實驗，在課程設(shè)計中進(jìn)行綜合性、創(chuàng)新性設(shè)計。綜合訓(xùn)練――通過“硬件綜合實踐”展開。該課程安排在大四開設(shè)，是一門綜合性設(shè)計實踐課程，也是對前面所學(xué)課程的一個全面應(yīng)用和總結(jié)，在硬件課程群建設(shè)中起著“總練兵”的作用。通過讓學(xué)生親自設(shè)計一臺小型計算機控制系統(tǒng)，包括計算機的各個部件和功能，“麻雀雖小，五臟俱全”，旨在讓學(xué)生真真切切感受到如何設(shè)計一個可獨立工作的計算機系統(tǒng)，強化和提高學(xué)生的綜合實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。畢業(yè)設(shè)計――每年精選一定數(shù)量的硬件畢業(yè)設(shè)計題目，提供實驗場所、設(shè)備及材料，讓對硬件感興趣的同學(xué)去實現(xiàn)自己的設(shè)計，放飛自己的理想。學(xué)生以接近于實際應(yīng)用環(huán)境，完成高質(zhì)量綜合設(shè)計為訓(xùn)練手段，以掌握計算機硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計作為主要訓(xùn)練目的，使學(xué)生對計算機的整個硬件系統(tǒng)有較全面、較系統(tǒng)的掌握。要求學(xué)生能夠根據(jù)需要設(shè)計出一定規(guī)模的計算機硬件應(yīng)用系統(tǒng)實例，從模板設(shè)計、制作、總線的走向、計算機部件選取、工作原理的分析、部件在模板上的部局、部件的焊接、運算能力的調(diào)試、結(jié)果正誤的判斷分析等流程的設(shè)計到具體的制作，直至最后寫出畢業(yè)論文，使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念與工程的概念。
3結(jié)束語
上述改革取得了令人滿意的效果。大學(xué)生對計算機硬件實驗課程學(xué)習(xí)的興趣增強了，實驗室開放期間，有更多的學(xué)生走進(jìn)了硬件實驗室。在畢業(yè)設(shè)計時，有更多的學(xué)生選擇了與計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)相關(guān)的課題。學(xué)生做完硬件綜合實習(xí)和硬件畢業(yè)設(shè)計課題后，普遍充滿自豪感和成就感，感到硬件設(shè)計及底層軟件開發(fā)不再可怕。通過這樣的訓(xùn)練，提高了其綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，同時也鍛煉了他們的團(tuán)隊合作精神，步入單位就能直接勝任計算機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)的工作，實現(xiàn)高校、學(xué)生、用人單位等各方面的多贏。同時我們也應(yīng)該看到，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機硬件系列課程及其實驗體系的建設(shè)和實驗內(nèi)容的改革是一項長期不懈的工作，需要不斷完善。
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