引論：我們?yōu)槟砹?3篇計算機系統(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
世界上第一臺電子計算機ENIAC誕生于1946年，在問世將近70年的時間里，計算機共歷經(jīng)電子管計算機時代、晶體管計算機時代、中小規(guī)模集成電路計算機時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機時代和巨大規(guī)模集成電路計算機時代，計算機更新?lián)Q代的一個重要指標就是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
1 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念
1.1 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的概念
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組合而成的一個有機整體，如果繼續(xù)細分可以分成7層。L0：硬聯(lián)邏輯電路；L1：微程序機器級；L2：機器語言級；L3：操作系統(tǒng)級；L4：匯編語言級；L5：高級語言級；L6：應用語言級。其中L0級由硬件實現(xiàn)；L1級的機器語言是微指令級，用固件來實現(xiàn)；L2級的機器語言是機器指令集，用L1級的微程序進行解釋執(zhí)行；L3級的機器語言由傳統(tǒng)機器指令集和操作系統(tǒng)級指令組成，除了操作系統(tǒng)級指令由操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行外，其余用這一級語言編寫的程序由L2和L3共同執(zhí)行；L4級的機器語言是匯編語言，該級語言編寫的程序首先被翻譯成L2或L3級語言，然后再由相應的機器執(zhí)行；L5級的機器語言是高級語言，用該級語言編寫的程序一般被翻譯到L3或L4上，個別的高級語言用解釋的方法實現(xiàn)；L6級的機器語言適應用語言，一般被翻譯到L5級上。
1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為經(jīng)典的定義是Amdahl等人在1964年提出的：由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。由于計算機具有不同的層次結(jié)構(gòu)，所以處在不同層次的程序設計者所看到的計算機的屬性顯然不同。
2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展
2.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
當Amadahl在1964年提出計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義時，也提出了采用系列機的思想，它的出現(xiàn)被譽為計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑。當人們普遍采用系列機思想后，較好的把硬件技術(shù)飛速發(fā)展與軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定的矛盾解決了，這就要求系列機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要在相當長的時間內(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)）是美國數(shù)學家馮?諾依曼在1946年提出的，他將計算機分為五大部件：運算器；控制器；存儲器；輸入設備；輸出設備。其基本思想是存儲程序，主要特點是：（1）單處理機結(jié)構(gòu)，機器以運算器為中心；（2）采用程序存儲思想；（3）指令和數(shù)據(jù)一樣可以參與運算；（4）數(shù)據(jù)以二進制表示；（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 對馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的改進
為了更好的優(yōu)化計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，人們不斷對馮?諾依曼結(jié)構(gòu)進行改進，總的來說，共采用兩種方法。一種是在馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的基礎上進行“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)的計算機分為三大部件：（1）CPU；（2）程序存儲器；（3）數(shù)據(jù)存儲器。它的特點是將程序指令和數(shù)據(jù)分開存儲，由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器采用不同的總線，因而較大的提高了存儲器的帶寬，使之數(shù)字信號處理性能更加優(yōu)越。
2.5 其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
馮?諾依曼結(jié)構(gòu)開啟了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的先河，但是因為其集中、順序的的控制而成為性能提高的瓶頸，因此各國科學家仍然在探索各種非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，比如，數(shù)據(jù)流計算機，函數(shù)式編程語言計算機等都是較為著名的非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。
3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法
研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法可以幫助我們加深對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成特點的認識以及對系統(tǒng)工作原理和性能的理解。下面簡單介紹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
由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由多級層次構(gòu)成，因此在設計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時就可以有三種方法：（1）“從下往上”設計；（2）“從上往下”設計；（3）“從中間開始”設計。
4.1 “從下往上”設計
首先根據(jù)能夠得到的硬件，參照已經(jīng)生產(chǎn)出來的各種機器的特點，開發(fā)出將微程序機器級和傳統(tǒng)機器級設計出來，然后依次往上設計，最后將面向機器的虛擬機器級設計出來。在硬件技術(shù)高速發(fā)展而軟件技術(shù)發(fā)展相對較慢的今天，如果繼續(xù)采用這種設計方法，會導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”設計
首先根據(jù)應用的需求，確定好整個系統(tǒng)的框架，然后逐層向下進行設計，同時可以兼顧到上層的優(yōu)化，最后設計出微程序機器級和傳統(tǒng)機器級。這種設計方法較好。
4.3 “從中間開始”設計
大多數(shù)將“中間”取在傳統(tǒng)機器級和微操作級之間。在設計時，綜合考慮軟硬件，定義好分界面，然后由中間點分別往上、往下同時進行設計。此種方法可以縮短設計周期。
5 結(jié)束語
綜上所述，本文對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了一些簡單的介紹，它是計算機的靈魂，目前，如何更好地提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能，仍是各國科學家不斷研究的課題。
參考文獻
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[3]鄭緯民，湯志忠.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學出版社，1998.
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）專題輔助教學系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
通過互聯(lián)網(wǎng)，學生可利用遠程資源在網(wǎng)上完成學習的各個環(huán)節(jié)。但是目前很多專題學習輔助教學系統(tǒng)存在許多不足，主要包括以下幾個方面：
1.重開發(fā)實踐，輕理論研究，真正實用的教學軟件系統(tǒng)不多
2.專題選擇的范圍不恰當
3.專題內(nèi)容多雜，針對性差，學科特征有所忽視
4.忽略“師生共建”的原則，建設主體單一化
5.輔助教學系統(tǒng)建設過程與應用過程分離
二、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能設計
（一）數(shù)據(jù)庫設計方案
1.數(shù)據(jù)庫設計原則及優(yōu)化
數(shù)據(jù)庫設計遵循生命周期法等系統(tǒng)方法，強調(diào)分步進行和推遲實現(xiàn)。用戶是系統(tǒng)開發(fā)設計的提出者和最終使用者，因此在進行數(shù)據(jù)庫設計時必須強調(diào)用戶參與。數(shù)據(jù)庫的設計應分階段進行，前一段的結(jié)果作為后一階段設計的依據(jù)，后一階段也可以向前一階段反饋要求。具體設計步驟如下：
（1）需求分析：通過廣泛、詳細、深入的調(diào)查，了解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(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明書，作為設計的依據(jù)。它包括數(shù)據(jù)庫所涉及的數(shù)據(jù)范圍、各項數(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）概念設計：利用數(shù)據(jù)庫模型表述數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。在概念設計的時候先設計與具體的用戶應用相關(guān)的設計結(jié)構(gòu)，然后進行視圖集成，經(jīng)過反復推敲、修改，最后得到一個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）邏輯設計：將概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為一DBMS對應的邏輯數(shù)據(jù)模型，同時也將用戶視圖轉(zhuǎn)換為外模式。
（4）物理設計：根據(jù)具體DBMS的特點設計數(shù)據(jù)庫內(nèi)模式，由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫并非大型數(shù)據(jù)庫所以對系統(tǒng)性能影響不大，但是同樣應該根據(jù)處理要求、設備性能等進行精心的設計優(yōu)化。
在分步設計的過程中，如果發(fā)現(xiàn)某一階段的設計不理想，可以立即反饋，對原設計進行修改，通過如此反復進行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化。
2.數(shù)據(jù)庫的安全性
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng)使用Microsoft Office Access 2003數(shù)據(jù)庫。為了保證數(shù)據(jù)庫的安全，限制非授權(quán)的存取，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有一個安全與授權(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和密碼，第二，進行安全性檢查。
在本教學系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫安全體現(xiàn)在以下兩個方面：
（1）采用數(shù)據(jù)庫密碼的登錄。
（2）采用MD5加密算法進行加密。防止了SQL的注入，即使數(shù)據(jù)庫被非法登入也無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)庫系統(tǒng)的功能設計
1.學習論壇模塊數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的功能
學習論壇系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)功能如下所示：
（1）用戶注冊：以嚴格的注冊流程，合理化的動態(tài)表單，實現(xiàn)注冊人員的信息收集。
（2）用戶登陸：動態(tài)實現(xiàn)窗口登陸，功能引導，并對非法登陸給予限制。同時登陸時根據(jù)權(quán)限授予相應的功能，登陸時分三種權(quán)限：普通用戶，斑竹，超級管理員。用戶登陸頁面。
（3）帖子管理：對各欄目帖子的管理，可以簡便實現(xiàn)帖子的回復，打印，增刪新貼。同時可以搜索相應發(fā)貼人的資料。
（4）公告管理：管理員可隨時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：超級管理員可以授予用戶不同的權(quán)限，通過斑竹管理相應的論壇，減少超級管理員的工作量，方便論壇的管理。同時，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：可以實現(xiàn)用戶對帖子及用戶的分類快速搜索。按的時間和論壇類別進行限制性的搜索。
（7）資料顯示：顯示當前用戶注冊的信息及發(fā)，回帖子的情況，同時也可以對已添的資料進行修改，刪除。
（8）論壇管理：管理員可以整添新的論壇，確定斑竹人選，還可以對已有的論壇進行修改，刪除。
2.新聞公告模塊及在線考試模塊數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的功能
在新聞公告模塊中當用戶打開系統(tǒng)首頁后，首先看到的是新聞動態(tài)、站內(nèi)公告兩個版塊，其中每個版塊均顯示最新的8條信息，并且提示的標題，時間，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態(tài)、閱讀本站的最新公告。
新聞動態(tài)模塊與站內(nèi)公告模塊類似，點擊相應的標題就可以直接進入相應的閱讀，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，對用戶進行在線測試。這里選擇10道有代表性，不同難度的試題對學生進行測試，目的是驗證學生對這個知識點的掌握程度，答題完畢提交后會自動顯示結(jié)果，并且給出正確的結(jié)果。
3.后臺管理模塊數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的功能
在后臺管理模塊中當用戶打開管理首頁后，首先看到的是登陸界面，只有在正確登陸的情況下才能對后臺的信息進行更新。后臺管理主要包括下面幾項功能：新聞動態(tài)文章的管理，站內(nèi)公告文章的管理，用戶管理，站點信息動態(tài)管理，頻道欄目的管理。
進入后臺管理模塊，在后臺登陸界面中輸入相應的用戶名和密碼，系統(tǒng)隨機產(chǎn)生四位有效驗證碼，在上述三項正確填寫后，進入后臺管理的首頁登陸成功，就可以直接進入管理界面，進行相應信息的管理，如圖2所示。在首頁中，可以對用戶，新聞，公告，頻道欄目，站點信息進行相應的管理。圖3是后臺管理模塊流程圖。
三、結(jié)論
我們在研究國內(nèi)外已有的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng)的基礎上，結(jié)合師生的實際需要，開發(fā)了新的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括課堂教學、學習論壇、在線考試、課件下載，維客天下，教學大綱，后臺管理等功能模塊。
本文主要介紹了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輔助教學系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)過程。首先，說明了利用JSP創(chuàng)建并運行動態(tài)交互的網(wǎng)絡服務器應用程序生成動態(tài)網(wǎng)頁的方法，然后，系統(tǒng)地闡述了使用數(shù)據(jù)庫進行網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫的設計、創(chuàng)建、管理和安全維護的方法。最后，介紹了添加數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，建立數(shù)據(jù)連接，完成數(shù)據(jù)操作，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接的實現(xiàn)方法。本軟件系統(tǒng)測試結(jié)果表明系統(tǒng)的學習功能比較全面、運行良好，為廣大學生提供了一個很好的學習計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的輔助平臺。
參考文獻：
[1]彭林,余艷.Access 2003金典教程.北京:人民郵電出版社,2001
[2]廖彬山,高峰霞.Web數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù).西安:電子工業(yè)出版社,2001
篇3
文章編號：1672-5913 (2007) 24-0017-03
1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學現(xiàn)狀分析
隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，如何合理分配計算機軟、硬件功能，最大限度地開發(fā)計算機的并行性，達到最佳性價比，是計算機系統(tǒng)設計人員最關(guān)心的問題。對計算機專業(yè)本科生而言，不僅要掌握計算機的軟、硬件系統(tǒng)組成及工作原理，具備開發(fā)與應用的技能，而且還需要進一步掌握計算機系統(tǒng)設計的基本原理和方法。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是這樣一門面向計算機系統(tǒng)設計、性能評價與分析的課程。
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是為計算機專業(yè)本科生開設的一門系統(tǒng)分析與設計綜合的課程，也是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心課程。通過本課程的學習，能夠使學生掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，學會以高層建筑的觀點，以應用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；培養(yǎng)學生以性能價格比的觀點去分析、評估、設計一個計算機應用系統(tǒng)；使學生掌握當代迅速發(fā)展的RISC技術(shù)的主要設計思想和技巧；了解高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性、可擴展性及可編程性等先進技術(shù)思想，掌握最新的計算機流水技術(shù)和并行處理技術(shù)。
目前該課程的教學由于受到課時的限制，大多采用以教學為主，輔以適當?shù)淖鳂I(yè)、定期答疑的形式進行課程的教與學。由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學生感到學習這門課程有一定的難度，“只說不練”限制了學生自主學習的動力，只能被動地接受知識，影響了學習效果。由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計算機專業(yè)課程鏈上排在計算機組成原理之后，要求學生對計算機的組成與設計有相當程度的了解。因此該課程所學的內(nèi)容，不單是純粹的理論知識，還構(gòu)建在一定的計算機硬件結(jié)構(gòu)上，所以有必要對相關(guān)知識點輔以實踐教學，不能對所有內(nèi)容太過“透明”，這樣才能有助于學生更深一層掌握這門課程。
在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實踐教學環(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，對問題的考慮較細致，而且在軟件設計上便于觀測運行結(jié)果及進行性能分析。但這些軟件只針對課程某一部分知識進行實踐，而對于其他知識的實踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個環(huán)境，較為煩瑣。
為了提高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學質(zhì)量，結(jié)合目前在北京工業(yè)大學計算機專業(yè)本科生教學實踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實踐教學的方法，并針對存儲系統(tǒng)的課程實踐進行了研討。
2EDA平臺用于課程實踐
通過對國內(nèi)外課程實驗現(xiàn)狀的調(diào)查分析研究后，我們對該課程實踐環(huán)節(jié)進行了相應的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進行硬件設計的實驗方式，采用EDA平臺進行單項實驗以及最后的課程設計。通過這種實踐方式避免了以往實驗存在的過多“驗證性”的元素，以及實驗中存在的插線虛接、連線折斷及無法保存?zhèn)€人電路設計造成實驗不能間斷進行的問題，這對于培養(yǎng)學生良好的硬件設計思維，建立系統(tǒng)級的概念有非常重要的意義。
由于EDA平臺具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實踐的參與者。教師可以根據(jù)課時的要求，方便地調(diào)整課程實踐的方案；學生可以根據(jù)自己的時間安排課程實踐。在設計過程中，每個學生可以根據(jù)需要選擇課程實踐中所需要的器件及芯片，按自己設計出的邏輯電路進行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔心連線折斷、導線虛接等問題。在此基礎上，針對設計出的部件進行模似仿真，測試驗證計算機整機設計結(jié)果的正確性。在課程實踐測試完成后，利用存儲的測試結(jié)果，提交給教師查驗。可以看到，采用EDA平臺，能夠更好地進行計算機系統(tǒng)硬件的課設實驗，并提高課設實驗的水平及效率。
經(jīng)過計算機組成原理課程實踐改革，我們認為采用EDA平臺方式來完成計算機系統(tǒng)硬件課程設計是可行的，其中硬件設計的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學生所做的單項實驗可以在課程設計中繼續(xù)使用，不同的功能部件設計以及不同的模型機結(jié)構(gòu)帶來了設計結(jié)果的多樣性，學生的創(chuàng)造性得到了發(fā)揮，這也給我們帶來了啟示，能否利用計算機組成原理課程實踐中的一些成果，將EDA平臺引入計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中來，使得學生在前面課程中的硬件設計不會因為課程的結(jié)束而結(jié)束，這不僅有助于課程的延續(xù)性，也有助于提高學生學習的興趣。
為了驗證EDA平臺在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實踐中的可行性，我們針對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Cache存儲體系采用EDA平臺進行了有意的探索。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)，通過講述主存與Cache的地址映像方式等內(nèi)容，使學生對存儲系統(tǒng)的優(yōu)化設計有更深刻的認識，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設計方法對提高計算機系統(tǒng)性能的影響。
我們依然采用計算機組成原理課程實踐中使用的Quartus II平臺。該平臺是完全集成化、易學易用的可編程邏輯設計環(huán)境，具有硬件描述語言、電路原理圖、時序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標準門電路、芯片等邏輯器件，完成數(shù)字電路從設計輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過程。該系統(tǒng)強大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺進行邏輯電路及相關(guān)系統(tǒng)的設計。
為了避免在單項實驗上花費大量的實驗學時，且從課程延續(xù)性角度考慮，可以選擇在計算機組成原理課程中設計的模型機上構(gòu)建這個系統(tǒng)，在模型機總體結(jié)構(gòu)上增加一個Cache模塊，如圖1所示。系統(tǒng)總體框圖與模型機結(jié)構(gòu)類似，除了Cache部件外，只是在控制信號微命令上有所增加。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點。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
以一個16位模型機為例，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存儲單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設計為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時將內(nèi)存地址設計為區(qū)號、組號、組內(nèi)塊號和塊內(nèi)地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時分為兩個區(qū)。塊表存儲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，完全采用硬件實現(xiàn)地址的映象及替換算法，每組一個模4的計數(shù)器，本組有替換時，計數(shù)器加1，計數(shù)器的值就是要被替換出去的塊號。
圖2 Cache部件數(shù)據(jù)通路
設計完成后編制調(diào)試程序，程序以二進制或十六進制數(shù)的形式存入主存儲器的初始化文件中，在時序信號的配合下，對主機系統(tǒng)的整體運行進行調(diào)試。在給定機器唯一的輸入信號――時鐘脈沖信號CLK后，使機器自動地、連續(xù)地運行存儲在主存中的調(diào)試程序。在遇到停機指令后，則停止機器運行。機器運行結(jié)束后，檢測機器運行調(diào)試程序的時序模擬仿真輸出波形圖，以確認各條機器指令運行的正確性。
圖3為部分測試波形圖，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存儲器的輸出端，與數(shù)據(jù)暫存器和內(nèi)存的存儲器相連，QA為內(nèi)存的輸出端，與Cache的存儲器相連，RB為Cache內(nèi)部存儲器的地址，RA為內(nèi)存的地址。圖中可以看到在08H時，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設計相符。因此通過波形圖可以很好地驗證設計的正確性。
圖3 測試波形圖
在設計實現(xiàn)過程中，學生可以根據(jù)自己掌握理論知識的深度以及設計難度進行開發(fā)，教師可根據(jù)實現(xiàn)程度給出評分標準。Cache存儲體系知識點較多，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，替換算法有隨機法、FIFO、LFU算法等，當Cache與主存不一致時有寫直達法和寫回法，以及對Cache性能分析時加速比的計算等。選擇采用哪種算法可以由學生來選擇，可以根據(jù)模型機結(jié)構(gòu)，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設計可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設計方式。這樣通過EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現(xiàn)出來，加強了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動性。
3結(jié)論
本文通過對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學現(xiàn)狀的分析和研究，結(jié)合目前在教學實踐中已采用的部分措施，提出了在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中采用EDA平臺進行相關(guān)課程實踐的方案。通過采用EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現(xiàn)出來，加強了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動性，有助于提高學生學習的興趣，還能夠在一定程度上提高學生的實踐能力。采用EDA平臺對Cache存儲系統(tǒng)進行課程實踐，對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的其他知識點的實踐起到了一個先導的作用。
參考文獻
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作者簡介
魯鵬程(1976-)，男，講師，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
易小琳(1959-)，女，高級工程師、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組主講教授，碩導，目前研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
朱文軍(1974-)，男，講師，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。
方娟(1973-)，女，副教授，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡。
毛國君(1966-)，男，教授，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系主任，博士，目前研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)挖掘。
聯(lián)系方式：北京工業(yè)大學計算機學院，北京朝陽區(qū)平樂園100號，100022，魯鵬程
篇4
1 引言
“計算機組成原理”(CP)是高校計算機專業(yè)學生的一門必修的專業(yè)技術(shù)基礎課，它不僅可使學生剖析和體驗計.算機的基本組成和工作原理，掌握計算機系統(tǒng)的基本設計技術(shù)，而且可培養(yǎng)學生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)實際問題的能力，同時也是培養(yǎng)計算機系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計和系統(tǒng)集成技術(shù)人員的一個有效的教育環(huán)節(jié)。它在整個專業(yè)課的教學中，起到了承上啟下的作用，是“微機接口技術(shù)”、“匯編語言程序設計”、“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等后繼課程的基礎。該課程以計算機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，介紹計算機內(nèi)部各功能部件的結(jié)構(gòu)和工作原理及其構(gòu)成整機的原理。
“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”(CA)是計算機領域中的一門重要學科，它強調(diào)從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng)。學習本課程，對于培養(yǎng)學生系統(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。本課程通過講解計算機體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，把國內(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)融入課程當中，并把前續(xù)的“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設計”等課程中所需的軟硬件知識有機地結(jié)合起來，從而建立起計算機系統(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，在學生中引起比較大的反應。本文主要針對這一問題進行研究，擬在理順這兩門課的關(guān)系，調(diào)整好兩門課程的教學內(nèi)容。
2 教學內(nèi)容的研究
在cP與CA系列教材中，兩門課程出現(xiàn)重復的內(nèi)容有：計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和計算機系統(tǒng)的性能指標；浮點數(shù)據(jù)的表示、尋址技術(shù)、指令格式的優(yōu)化設計、復雜指令系統(tǒng)(CISC)和精簡指令系統(tǒng)(RISC)：高速緩沖存儲器(Cache)和虛擬存儲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。重復的結(jié)果不僅占用了CA課程寶貴的課時，而且使學生產(chǎn)生了厭學情緒。CP與cA兩門課程究竟如何分工?該不該重復?又該怎么重復?是教學中值得研究的問題，也是亟待解決的問題。
在課程內(nèi)容的選擇上，以教學大綱為依據(jù)，按照學科知識體系的完整性和適時性原則組織課程內(nèi)容。在內(nèi)容上做到?jīng)]有知識的簡單重復、沒有重要知識的缺失，同時要刪除已過時知識，并補充新知識，從內(nèi)容方面激發(fā)、吸引學生的學習興趣。本文重點研究分析重復內(nèi)容的必要性、可完善性和創(chuàng)新性。
對于計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，在CP中作為概述來介紹，以了解微程序在計算機系統(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算機系統(tǒng)看成多級層次結(jié)構(gòu)，這樣有益于理解各種語言的實質(zhì)和實現(xiàn)途徑，探索虛擬機新的實現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設計。所以計算機系統(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)于計算機系統(tǒng)的性能指標，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是必要的；而在CA課程中用性能指標來衡量計算機系統(tǒng)的標準，所以有必要更深入分析CPU時間、MIPS、MFLOPS和成本指標。
對浮點數(shù)據(jù)的表示，在CP課程中介紹了浮點數(shù)據(jù)的表示格式和表示范圍，在CA課程中不必再重復，只需介紹浮點數(shù)的基數(shù)的選擇、表數(shù)精度和表數(shù)效率，然后介紹浮點數(shù)的IEEE 754表示；當然對于高級數(shù)據(jù)的表示，在CA課程中是必需的。
對于指令系統(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設計的關(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最多的一部分，CA較CP多出了通道處理機和輸入輸出處理機簡介，可以歸入CP課程。但考慮到中大型計算機的輸入輸出系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是很重要的部分，所以可以將通道處理機和輸入輸出處理機在CA中介紹，同時將CP中的系統(tǒng)總線簡介也歸于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)設計的角度去介紹。
高速緩沖存儲器和虛擬存儲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較多的。在CP中可以僅介紹其工作原理；而在CA課程中重點在于其性能分析，深入學習替換算法及其實現(xiàn)，分析提高存儲器系統(tǒng)命中率和性能的方法。
對于流水線工作原理，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中要學習流水線處理機、超標量處理機與超流水處理機，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)和全局數(shù)據(jù)相關(guān)、超標量超流水超長指令字處理機和向量流水和向量處理機，其內(nèi)容遠多于CP，因此這部分內(nèi)容完全歸入CA比較合理的。
在CA與CP中的未重復的內(nèi)容，比如向量處理、SIMD并行計算機、SIMD計算機的互連網(wǎng)絡、多處理機將作為重點內(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，并行程序設計語言及其實現(xiàn)方法。最后可以介紹計算機體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，包括數(shù)據(jù)流計算機、數(shù)據(jù)庫機與知識庫機以及面向函數(shù)程序設計語言的歸納機。
以上對CP與CA兩門課程的重復內(nèi)容進行了分析研究，擬在理清兩門課程的關(guān)系，合理解決兩門課程的內(nèi)容重復問題。
3 解決方案
解決該兩門課程內(nèi)容重復的宗旨在于把握CP注重原理介紹，而CA注重高性能設計和并行處理。通過對兩門課程的內(nèi)容的研究和分析，調(diào)整后的內(nèi)容如表1所示。
篇5
基金項目：本文系上海市教育委員會重點課程建設項目（項目編號：1K-12-302-001）、上海理工大學核心課程建設項目（項目編號：1K-00-302-010）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：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)建設國際化教學的大趨勢，上海理工大學加大計算機專業(yè)課程國際化建設的力度，培養(yǎng)國際化教學團隊，開辟國際化精品課程。從課程設置、教材選編、師資隊伍、助教制度、國際交流等五個方面建設一套上海理工大學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)學生，推進上海理工大學由教學研究型向研究教學型大學轉(zhuǎn)變，把上海理工大學建設成“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，通過引進全英文經(jīng)典教材實施雙語教學具有重要的意義。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，因為絕大多數(shù)研究生都具備大學英語六級的水平，外國留學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)的基礎知識。
通過對“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的雙語教學，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年計算機科學與工程系獲得計算機科學與技術(shù)專業(yè)和軟件工程專業(yè)兩個一級學科碩士學位授予權(quán)的發(fā)展機遇期，增強計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究領域內(nèi)的科研力量，擴大科研創(chuàng)新增加科技成果，推進“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的雙語教學能力和課程建設，具有重要的現(xiàn)實意義。
一、優(yōu)化課程設置
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機科學與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的學位課，其教學內(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)的基礎課程。因此，國內(nèi)外著名大學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 等著名大學都采用最新的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領域內(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)”，進一步量化分析和設計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多年來一直將該課程列為研究生的學位專業(yè)課。從前幾年的教學情況來看，這門課程在課程設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，學生希望接觸到最前沿的學科發(fā)展和研究動態(tài)。
“高級計算機體系結(jié)構(gòu)”課程，教學內(nèi)容與本科階段的課程內(nèi)容差別不大，學生覺得有重復教授的內(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計、編譯系統(tǒng)、硬件設計等全面知識，學生學習基礎薄弱，學習起來比較吃力，從而導致愿意從事計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前沿研究的學生不多。
學生反映該課程教學內(nèi)容多，知識結(jié)構(gòu)全面，前沿課題突出，學習難度大。但是，該課程的學時數(shù)和學分數(shù)嚴重偏少，難以深入理解和講授，不愿意花費大量時間著重學習一門學分偏少的課程。因此，該課程的重要性難以引起學生的重視。
因此，對“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程采用雙語教學，在課程設置和教學內(nèi)容上非常重視教學內(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。不僅讓學生學習計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論知識和分析方法，引導學生提出新的方法和新的解決方案，而且要求學生采用最新的研究工具，親自動手設計設計實驗，完成方法的驗證，進一步提高學生的動手能力和編程能力。
二、更新教學內(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，由主講教師進行課堂教學，學生學習；另一方面采用研討式教學方法，在主講教師對前沿課題進行介紹的基礎上，由學生分組就某個領域進行專題研究，并由學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，學生既學習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)量化分析課程教學和前沿課題研討兩個方面。專題教學內(nèi)容更新如表1所示。
三、強化師資隊伍
從事國際化教學的教師可以從三個方面進行師資隊伍建設：
加快青年教師國際化交流與培訓的力度，培養(yǎng)本校青年教師骨干，建設一支穩(wěn)定的全英語或雙語教學隊伍。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進行教學培訓和合作研究。
引進具有國際教育經(jīng)歷的教師，開設具有國際特色的專業(yè)課程。近幾年連續(xù)引進了包括來自德國、日本、美國等國著名大學和研究機構(gòu)的教授或博士畢業(yè)生，提升了教師國際化教學水平的整體實力。
邀請國外專家來華開展學術(shù)講座、學術(shù)論壇等。通過教師“走出去”、國外教師“引進來”的戰(zhàn)略，可以有效促進學術(shù)交流，提高學校知名度，對學校的國際化招生具有重要的作用，對推動上海理工大學國際化教育戰(zhàn)略、促進學校辦學方向的轉(zhuǎn)移具有重要作用。
四、建設助教制度
建設穩(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，提高理論教學的效果，學習國內(nèi)外著名高校計算機專業(yè)的教學經(jīng)驗，開展綜合性課程設計課程。穩(wěn)定的助教隊伍對穩(wěn)定教師的教學精力、提高教師的教學水平有重要的促進作用。其中，需要涉及以下相關(guān)制度的改進工作：改進教師教學工作的評估體系，進一步規(guī)范教師對課程設計教學彈性工作的認定；設立穩(wěn)定統(tǒng)一的助教制度，設置助教專項基金，保證助教的適當報酬，提高助教的責任心。學校要有專門的資金和相應的崗位安排。無論是研究生當助教還是新招聘的畢業(yè)生當助教，都應該遵守明確的崗位責任和職業(yè)規(guī)范。
五、促進國際交流
國際交流對提高上海理工大學的國際知名度、提高教師的教學水平、提升教師與學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：設立國際會議資助專項資金，資助學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、教授的合作，加強對上海理工大學專業(yè)的介紹；派遣青年教師訪問國外知名大學、研究所等；學校設立專項基金，鼓勵計算機科學與技術(shù)等專業(yè)籌辦高水平的國際會議；加強學校同海外留學生、各使領館的聯(lián)系，促進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)學生的創(chuàng)新能力和實際動手能力，因此學校將以前注重考核基礎知識的學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹乜己藢W生創(chuàng)新能力和實際動手進行研究的能力上。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，基本達到了預期的目標，既鍛煉了學生的學習和研究能力又提升了教師的教學水平和教學效果。計劃在鞏固當前雙語教學的基礎上，在后續(xù)幾年針對外國留學生開設“高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的全英語教學課程，逐步打造計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精品課程，提升課程的教學品質(zhì)，推進計算機科學與技術(shù)專業(yè)的國際化建設進程。
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篇6
《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計算機學科體系的一門重要課程，它是以算法為核心，語言為描述，硬件和軟件作為實現(xiàn)工具的互為聯(lián)系又互為制約的結(jié)構(gòu)技術(shù)。課程以計算機系統(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，從原理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)等方面系統(tǒng)地對現(xiàn)代計算機的并行處理進行深入的分析和探討，使學生建立起“整機”概念，培養(yǎng)其具有一定體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的應用能力。“計算機系統(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)》、《計算機組成原理》、《操作系統(tǒng)》的知識，是一門綜合性很強的課程，非常典型地體現(xiàn)出計算機學科互相融合的特點。通過該課程的學習能夠提高學生系統(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中實踐環(huán)節(jié)的設計都比較薄弱，有的院校甚至沒有安排實驗，因此難以激發(fā)學生的學習興趣，教學難度比較大。因此，需要在目前的教學條件下，綜合應用多種教學方式和手段，引導學生積極思考和自主學習。
二、課程教學改革總結(jié)
（一）課程教學改革的基本思路
教學過程中教師不單要教會學生課程的知識，更重要的是教會學生如何思考，如何進行創(chuàng)造性思維。具備了創(chuàng)造性思維能力，學生不僅可以學會教師傳授的知識，而且能夠觸類旁通，舉一返三，在自身的思維實踐中獲取更多的知識。教師為學生服務，以培養(yǎng)學生的能力為目標。在師生角色上，教師是主導，學生是主體，主要采用“引導”的方式進行教學，把學習的主動權(quán)交給學生。
（二）課程教學內(nèi)容的安排
以教學大綱為根據(jù)安排本課程內(nèi)容，著眼于有關(guān)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，同時適當介紹近幾年來系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要進展和今后的發(fā)展方向。課程選擇西安電子科技大學出版社出版的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第四版，李學干編著）作為教材，該書曾獲得國家級優(yōu)秀教材一等獎和優(yōu)秀教學成果二等獎，內(nèi)容豐富，配有學習指導和大量習題。
本課程的主要內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎理論、數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、存儲體系、重疊與流水和并行處理機等。以前面五個部分為重點教學內(nèi)容，講解時注意與先修課《計算機組成原理與數(shù)字邏輯》的銜接，特別要體現(xiàn)出“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”側(cè)重于設計方法和設計思想的描述這個不同點。
（三）課程教學手段的運用
（1）樹立明確的學習目標
在課程正式開始之前先對“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的主要內(nèi)容、學習重點和基本學習方法作一個總體性介紹，使學生對該課程有一個大致的認識；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習目標，讓學生把這個目標貫穿在學習過程中。例如，第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎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)、組成與實現(xiàn)的關(guān)系以及軟硬取舍的基本原則、計算機系統(tǒng)的設計思路；第四章存儲體系的學習目標就是要理解虛擬存儲器和高速緩沖存儲器的管理方式與原理。如此，學生學習的目的更加明確，更容易抓住學習的重點。
（2）多種教學方式相結(jié)合
課堂教學宜采用多媒體教學與傳統(tǒng)板書教學相結(jié)合的方式。多媒體教學無疑是目前高等院校普遍采用的優(yōu)秀教學手段，以其形象的圖文與特效演示對于加深學生理解知識點很有幫助；而傳統(tǒng)板書教學也有其適用的場合，比如在介紹指令系統(tǒng)操作碼的哈弗曼編碼、發(fā)生中斷時程序的運行過程以及流水線時-空圖畫法時就應該采用板書來演示，這樣不僅能與學生有良好的互動，還能夠更清晰地講解知識要點。
另外，課外時間可以充分利用網(wǎng)絡來強化教學效果，比如，利用論壇教學課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進行答疑輔導，這些對拓展學生的知識面、提高教學效率很有好處。
（3）啟發(fā)式教學，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的掌握。授課時應多采用設計提問，啟發(fā)思維的教學方法，引導學生自己去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。
在教學工作中，還要注意培養(yǎng)學生良好的學習方法和自學能力。引導學生在學習過程中不斷總結(jié)自己的學習方法，學會運用各種手段來獲取知識，例如，可以布置學生課外通過查找資料完成有關(guān)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”最新發(fā)展的小論文。
三、課程教學改革實踐案例
（1）堆棧型替換算法原理的教學案例
在存儲體系這一章中，虛擬存儲器替換算法的實現(xiàn)是教學的重點，同時也是難點。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式介紹堆棧型替換算法的定義，勢必不利于學生對算法的理解。取而代之，先舉出實例，比如使用LRU法對頁地址流進行一次堆棧處理，從處理結(jié)果總結(jié)出主存頁數(shù)與命中率的關(guān)系，由此來說明命中率隨主存頁數(shù)的增加而單調(diào)上升，至少不會下降[1]，具有這種特性的算法就稱為堆棧型替換算法。此時再引出邏輯表達式，將表達式的各個部分與實例相對應，進行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學生就順理成章地理解了算法的內(nèi)涵。從教學效果來看，絕大部分學生能夠準確地掌握該替換算法的涵義和替換過程。
（2）改進指令系統(tǒng)的教學案例
在數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)這一章中，介紹指令系統(tǒng)設計和改進的兩個主要方向時，CISC和RISC是一對需要學生重點理解的概念。前者是按增強指令功能的方向發(fā)展指令系統(tǒng)，而后者是按簡化指令功能的方向改進指令系統(tǒng)。學生應該了解兩者設計思想有哪些不同點，CISC和RISC分別采用哪些基本技術(shù)，有哪些典型的應用，它們分別存在哪些不足和問題，為什么說今后的發(fā)展應是CISC和RISC的結(jié)合。為了說明這些問題，可以讓學生自己去查找實例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個處理機采用的技術(shù)，讓他們自己去分析查找答案。通過這種教學方式，不僅加深了學生對知識的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。
另外，其他章節(jié)也有可以擴展的問題，比如，第7章多處理機的講解可以結(jié)合目前熱門的多核處理器，這兩者的主要問題是一致的；更進一步地，可以讓學生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高性能。
四、結(jié)束語
篇7
1.教學困境淺析
教學困境的存在與我國計算機軟、硬件技術(shù)落后于美國等先進國家有很大關(guān)系。雖然現(xiàn)在我國在超級計算機的設計以及自主知識產(chǎn)權(quán)處理器芯片的設計上有了長足進步，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計過計算機系統(tǒng)，甚至接觸過系統(tǒng)級軟件設計的人都比較少。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域出現(xiàn)過，過于冷僻而且復雜，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生或聽課的領導炫耀一下，這可能是一種不負責的做法。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枯燥難學的原因
學生難學只能在教師身上找原因。因為沒有教不好的學生，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，學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，有些先進的技術(shù)或算法本身不是很好理解，需要學生集中精力聽，并積極思考才能有所領悟；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，這使得學生在學習時有時會感到枯燥。
1.3解決問題的思路
作為該領域的教師，只有承認困境，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)狀的強烈愿望和責任感。下面筆者將從內(nèi)容組織、教學方法以及教與學互動幾個方面給出自己教學中的做法與感受。
2.內(nèi)容的組織
內(nèi)容的組織是核心。筆者認為教學過程中真正吸引學生的是內(nèi)容，因為有意義的教學內(nèi)容本身就有吸引力。學生對有意義的知識本能地有著較強的學習興趣，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指令集是相當有益處的，當然也可以是任何其他的精簡指令集。一方面，學生能夠直觀地體會前面講解指令系統(tǒng)設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)分支預測、動態(tài)分支預測、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，試圖引導學生給出旁路檢測及控制的方法，通過設計多路選擇器的控制信號來理解流水線設計中的旁路實現(xiàn)。這部分內(nèi)容引領學生直觀理解指令流水線的實現(xiàn)，還將前面學習的計算機組成原理中的控制器設計內(nèi)容聯(lián)系起來，讓設計的計算機更進一步接近現(xiàn)實中使用的機器結(jié)構(gòu)。
互聯(lián)網(wǎng)絡部分內(nèi)容的組織一直是比較令人費神的，教學效果不好。一部分教材只是介紹了互聯(lián)網(wǎng)絡的基本概念及互聯(lián)網(wǎng)絡的經(jīng)典拓撲結(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)絡課程中介紹過的網(wǎng)絡介質(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)絡以及網(wǎng)絡所涉及的方方面面，教學效果并不好，而簡單地介紹網(wǎng)絡的拓撲結(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；講清當前主流的多處理機系統(tǒng)中相應的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡及管理網(wǎng)絡的結(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。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)實科研或本領域當下研究的熱點問題中，才是真正有用的。中國科技大學網(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，授訓對象都上過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課，教學目標是對該課程的掌握作進一步地提高。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。學生學習最重要不是學到答案，而是學會發(fā)現(xiàn)問題在哪兒以及解決問題的思路和方法，當他們了解到該領域前沿的研究思路時，必將增進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，這對于開闊學生思路、增加學生對該領域探索的興趣都比較有效。
3.變化的教學模式
傳統(tǒng)的教學模式并沒有過時，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期開始直至學期末容易令人厭煩，所以探討變化的教學模式對于提高教學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，適時地將相應的指令流水線的模擬器介紹給學生，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，教師輔導時多問學生為什么。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，這時也最好讓學生實際使用相應模擬器去測，通過改變其參數(shù)來比較相關(guān)性能，可以引導學生通過分析復雜系統(tǒng)模擬器的結(jié)構(gòu)來了解相應原理，或通過實現(xiàn)過程相對簡單的模擬器來體會實現(xiàn)過程中的細節(jié)問題，這些都是比原理本身更為有用的學習體驗。
3.2難一點的議題留給討論課
對于高年級的本科生來說，他們的精力相當旺盛，自身的學習能力也比剛?cè)雽W時強很多。此時將一些需要思考、理解的內(nèi)容交給他們自學和交流，其效果可能會令人大吃一驚。通過自學，很多學生在課下花了不少功夫，并在學生間進行了充分的討論和互助。課上討論時，可以讓學生主持，這會讓學生興奮，而且下面的學生往往很活躍，想通過為難一下上面的學生來展示一下自己。每一位學生其實都有著相當強的自尊心，所以這種形式會促進學生問的討論。經(jīng)驗表明，往往平時表現(xiàn)一般的學生這時都有相當好的表現(xiàn)，他們自己也比較自信。如果學生說錯了，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)教師無法預料的情景，比如學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，學生的積極思考實際影響了討論的導向，這種情況沒什么不好。教師要有承擔風險的勇氣，同時還可享受到當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，同時試圖讓學生也意識到，有一些問題需要仔細的考慮，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責任的答復。這樣學生會覺得討論有趣，不會害怕犯錯而拘謹；教師也在這個過程中感受到學生更為積極的學習狀態(tài)，并因此受到鼓勵。
4.了解并督促學生
教學的過程是教師與學生互動的過程。教師的每一次教學過程都不會一模一樣。他要根據(jù)教學對象的不同，做出相應的內(nèi)容調(diào)整，也要根據(jù)每堂課學生的狀態(tài)做出相應的節(jié)奏調(diào)整。只有學生能夠接收、愿意接收，教學才可能有效。
篇8
中國分類號：G642
文獻標識碼：B
1兩門課程的開設情況
“計算機組成原理”是計算機專業(yè)本科生必修的重要核心硬件基礎課程之一。計算機專業(yè)本科生都會開設該課程。該課程從單處理計算機系統(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算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大功能部件，通過總線構(gòu)成一個完整的硬件系統(tǒng)。通過學習本課程，學生能建立清晰的“整機”概念，能夠掌握計算機的一般組成原理和內(nèi)部運行機理。
“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計算機及相關(guān)學科的專業(yè)基礎課程，是計算機硬件與結(jié)構(gòu)方面重要的一門課程。部分應用技術(shù)型計算機專業(yè)本科生沒有開設該課程。我們學校就沒有開設。該課程主要研究軟件、硬件功能分配和對軟件、硬件界面的確定，即確定哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件實現(xiàn)。從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng)。本課程的學習目的是建立計算機系統(tǒng)的完整概念，學習計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法，掌握新型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理。
2國外相關(guān)教材內(nèi)容
目前國外有很多類似教材包含了近乎兩門課程的教學內(nèi)容。美國計算機專家William Stallings編著的世界著名計算機教材Computer Organization and Architecture ：Designing for Performance(Seventh Editon)是介紹當代計算機體系主流技術(shù)的最新技術(shù)的優(yōu)秀教材。該書以Intel Pentium 4和IBM/Motorola PowerPC作為考察實例，將當代計算機系統(tǒng)性能問題和計算機組織與體系結(jié)構(gòu)的基本概念及原理緊密聯(lián)系起來。主要內(nèi)容有CPU性能設計、指令流水線、整數(shù)和浮點算術(shù)、微程序設計的控制器；RISC處理器和超標量處理器；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；最后是多個處理器的并行組織，包括對稱多處理機、機群系統(tǒng)、非均勻存儲器存取(NUMA)系統(tǒng)。
3兩門課程的比較和整合
應用技術(shù)型本科計算機專業(yè)課程的設置應做到面向市場、靈活有效，要對教學內(nèi)容進行精選，把體現(xiàn)當代科學技術(shù)發(fā)展特征、多學科知識交叉與滲透的趨勢和動向反映出來。整合后的內(nèi)容如下表所示。
整合后的實驗主要是運算器及設計實驗、存儲器及設計實驗、控制器及設計實驗、系統(tǒng)總線控制實驗、模型計算機實驗等。
整合后的課程設計主要是設計指令系統(tǒng)實現(xiàn)基本模型計算機、基于CPLD的模型計算機、基于RISC處理器的模型計算機、基于重疊技術(shù)的模型計算機、基于流水線技術(shù)的模型計算機等。注意根據(jù)課程進度進行相應的具體的實驗項目，此外還要兼顧先簡后難。可以先進性簡單的驗證式實驗，然后稍有難度的設計性實驗，最后是較大難度的綜合性實踐。
參考文獻
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篇9
1使用應用程序完成特定任務的計算機用戶成為最終用戶
在最終用戶眼中，早期的計算機非常昂貴，只能由少數(shù)專業(yè)化人員使用。但是到了20世紀80年代個人計算機迅速普及，以及20世紀90年代初多媒體計算機的廣泛應用，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計算機已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾ぞ摺Ｓ嬎銠C最終用戶使用鍵盤和鼠標等外設與計算機交互，通過操作系統(tǒng)提供的用戶界面，啟動執(zhí)行應用程序或系統(tǒng)命令，從而完成用戶任務。因此，最終用戶能夠感知到的只是系統(tǒng)提供的簡單人機交互界面和安裝在計算機中的相關(guān)應用程序。
2計算機在系統(tǒng)管理員眼中的存在
系統(tǒng)管理員作為管理和維護計算機系統(tǒng)的專業(yè)人員，相比于普通的計算機最終用戶而言，對計算機系統(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、維護系統(tǒng)的硬件和軟件，能建立和管理用戶賬戶，需要時能夠升級硬件和軟件，備份和恢復業(yè)務系統(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)實用程序和人機交互界面。在開發(fā)操作系統(tǒng)，編譯器和實用程序等系統(tǒng)軟件時、需要能夠熟悉計算機底層和相關(guān)硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至還需要直接與指令系統(tǒng)和計算機硬件打交道。比如：“對各種控制計算器I/O接個口、用戶可見集成器直接進行編程和控制、所以系統(tǒng)程序員有時還要直接用匯編語言等低級程序，設計語言編寫程序代碼，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計算機在應用程序員眼中的存在
計算機系統(tǒng)除了計算機硬件、操作系統(tǒng)提供的編程接口（API）、相應的程序語言處理系統(tǒng)和人機交互界面、還包括實用程序，這是應用程序員所看到的計算機系統(tǒng)。高級程序設計語言（High level programming language）是指面向算法設計得較接近于日常所用的英語書面語言的設計語言，例如BASC、C、FORTRAN、java等，所以大多應用程序員使用高級程序設計語言編寫程序。
4系統(tǒng)程序員的程序開發(fā)與執(zhí)行過程
程序的開發(fā)和執(zhí)行設計計算機系統(tǒng)的各個不同層面，因為計算機系統(tǒng)層析話結(jié)構(gòu)的思想體現(xiàn)在程序開發(fā)和執(zhí)行過程的各個環(huán)節(jié)中。程序開發(fā)通過程序編輯軟件得到hello.C文件。Hello.c在計算機中以ASCII字符方式存放。然后再將hello.c進行預處理、編譯、匯編和連接，最終生成顆執(zhí)行代碼文件。
計算機的控制器自動執(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)行程序世紀上是執(zhí)行一個指令序列。也就是說不管用什么高級語言編寫的程序都能夠轉(zhuǎn)換為一個指令序列才能在計算機上執(zhí)行。任何高級語言源程序和匯編語言源程序都必須轉(zhuǎn)換為機器語言程序才能被計算機執(zhí)行，通常這種進行轉(zhuǎn)換的軟件被稱之為“程序設計語言處理系統(tǒng)”。應用程序員和系統(tǒng)程序員都是借助“程序設計語言處理系統(tǒng)”來開發(fā)軟件。任何一個語言處理系統(tǒng)，都包含一個翻譯系統(tǒng)，它能夠把一種編程語言表示的程序轉(zhuǎn)換為等價的另一種編程語言程序。翻譯程序有以下三類。
（1）匯編程序：也稱匯編器，涌來將匯編語言源程序翻譯成機器語言目標程序。
（2）解釋程序、也稱計時器，涌來將源程序中的語句按其執(zhí)行順序逐條翻譯成機器指令必過立即執(zhí)行。例如，BASIC解釋程序直接氣功BASIC源程序執(zhí)行，不生成目標程序。
篇10
當前，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、應用最廣的計算機技術(shù)之一，被廣泛應用于網(wǎng)絡通信、消費電子、醫(yī)療電子、工業(yè)控制和交通系統(tǒng)等領域。資料顯示，在2009年中國軟件業(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。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心的軟硬件混成專用計算機系統(tǒng)，需要設計人員統(tǒng)籌考慮軟硬件設計，以最大限度地適應應用系統(tǒng)對功能、成本、體積、功耗、可靠性等方面的要求。傳統(tǒng)的軟件、硬件分別進行的設計方法難以滿足嵌入式系統(tǒng)的設計需求，而需要設計人員進行軟硬件的綜合考慮和協(xié)同設計。
然而和上述趨勢對應的是，目前計算機類本科專業(yè)軟件方面的教學和實踐都實施得較好。學生除了課堂學習外，還可以利用學校和自己的計算機充分進行軟件編程的實踐和訓練。而且軟件類課程C語言、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等相對直觀和容易理解，容易入門。但對于硬件類的課程尤其是計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，學生普遍反映內(nèi)容較為抽象，如果沒有適合的實踐環(huán)節(jié)將課堂概念和實際工程聯(lián)系起來，學習效果將難以得到保障。因此，探索適合計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實踐教學工具、教學方法和配套機制，加強學生理論學習和實踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系，建立形象直觀、便于理解的學習途徑至關(guān)重要。本文重點討論江南大學計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實踐教學實施現(xiàn)狀，在此基礎上提出改進方向，為增強計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學效果作有益探討。
二、《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學現(xiàn)狀分析
當前國內(nèi)計算機類本科專業(yè)硬件主干課程設置有兩種模式：一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎課）計算機組成原理（專業(yè)基礎課）計算機體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)課）。大多數(shù)重點院校采用這種模式。另一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎課）計算機組成與體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)基礎課）。江南大學及國內(nèi)其他許多本科高等學校采用第二種課程設置模式。
《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程綜合了《計算機組成原理》和《計算機體系結(jié)構(gòu)》兩門課程的要求，要求學生掌握計算機系統(tǒng)各個部件的組成原理，最終從系統(tǒng)、整機的角度理解計算機的結(jié)構(gòu)與組成，是計算機類本科專業(yè)的專業(yè)基礎課程，以及計算機硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。這門課程的建設與教學質(zhì)量直接關(guān)系到人才培養(yǎng)中計算機硬件與結(jié)構(gòu)方向教育的成效。尤其是在當前嵌入式系統(tǒng)日益流行，軟硬件一體化設計需求不斷擴大的背景下，計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程能否達到預期效果顯得更為重要。
目前在教學實施過程中，學生普遍反映該門課程內(nèi)容較為抽象，難以和一個具體的可見的系統(tǒng)相聯(lián)系理解整個的運行過程，學習效果欠佳，依然停留在為應付考試的習題練習為主的方式上，通過課程的學習無法鍛煉搭建完整電路系統(tǒng)的能力。這些問題急需通過實踐環(huán)節(jié)有針對性地解決。
傳統(tǒng)的計算機組成原理采用的實驗設備是在開放的電路板上用插線的方式搭建邏輯，學生通過將對應的引腳互聯(lián)起來構(gòu)成特定的數(shù)據(jù)通路。這種方法無需編寫程序，可以直觀地顯示計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行情況，但對學生的影響僅僅停留在實驗室階段，不能和企業(yè)的實際開發(fā)相結(jié)合，沒有更多的實用價值。
隨著硬件可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的計算機組成原理實驗課采用了基于FPGA的實驗裝置。基于FPGA的優(yōu)點在于學生可以通過自己的邏輯設計得到專用芯片，并通過實驗板上的I/O觀察芯片的運行情況，更接近實際CPU的運行狀態(tài)。目前，根據(jù)不同學校學生能力的強弱，基于FPGA的組成原理實驗采用了兩種不同的輸入方式。
一種是基于原理圖的設計方式。學生通過連接原理圖的方式，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，通過實驗板上的I/O觀察芯片內(nèi)部的運行情況。這種方式的優(yōu)點是直觀、易于理解。缺點是隨著系統(tǒng)變得更加復雜，原理圖輸入的方式耗費時間太長，連線也容易出錯，不太可能用于搭建復雜的系統(tǒng)。
另一種是基于硬件描述語言VHDL/Verilog的設計方式。優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有的資源搭建較為復雜的系統(tǒng)，甚至多級流水線的CPU，可以極大地提高學生的硬件設計能力。缺點是對學生的要求比較高，需要有硬件描述語言的基礎。
三、《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學工具的選擇
通過上述分析，可以看出基于硬件描述語言和FPGA的組成原理實驗方式由于可與將來的企業(yè)實際開發(fā)相結(jié)合，具有較強的實際意義。學生可以通過VHDL搭建復雜和完整的硬件系統(tǒng)，對于理解計算機組成原理和計算機的運行情況有非常現(xiàn)實的意義。關(guān)鍵問題是，應該如何選擇適當?shù)幕贔PGA的開發(fā)環(huán)境和教學方法，以適應不同水平的學生的具體需求。
由于現(xiàn)在基于硬件描述語言已有許多公開源代碼的資源可以加以利用，因此在進行計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學和實踐中，可以圍繞某一種有代表性的CPU進行學習和實驗。如國內(nèi)外有一些學校選擇以MIPS處理器作為教學和實驗的對象。學生可以根據(jù)自己的掌握程度借鑒或自己設計某個模塊，最終形成完整的CPU。同時還可以在此基礎上通過匯編程序進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗。通過這樣的方式，學生可以將課堂講解的內(nèi)容完全與實際的CPU系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，從而為將來的硬件系統(tǒng)設計奠定良好的基礎。而且由于所選用的開發(fā)語言和環(huán)境都和企業(yè)實際使用的一樣，可以縮短將來的工作中的學習時間。
四、《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學機制探討
選定了適當?shù)膶嵺`語言和工具之后，還要有適合的配套管理和運作機制才能保證實踐教學的效果。現(xiàn)在傳統(tǒng)的實驗室都是學校購買設備后由實驗室人員管理和維護，并配合任課老師在上課時間為學生提供實踐教學服務。由于實驗設備數(shù)和上課時間有限，學生并不能完全完成和理解實驗內(nèi)容。因此，我認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)合實驗室，隨時可獲得提供商提供的一些最新資料和技術(shù)服務，同時確保實驗室可以在課外對學生開放，可以借鑒以往機房的管理方式，讓感興趣的學生付費使用設備。
2.為學生配備或鼓勵學生購買低價FPGA設備，將實驗室?guī)Щ厮奚幔S時可以進行FPGA系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。
3.企業(yè)建立培訓協(xié)議，抽出整段時間送學生到專門的FPGA企業(yè)進行集中強化訓練，積累實際項目經(jīng)驗。
將上述幾種方法相結(jié)合，可以使計算機系統(tǒng)設計課程的學習效果達到現(xiàn)在軟件開發(fā)的學習效果，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
本文分析了江南大學《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實踐環(huán)節(jié)教學的現(xiàn)狀和存在的一些具體困難，并從幾個方面提出了應對方案。當然，這些方法依賴于計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核方式的相應改變。只有在教學內(nèi)容、實踐形式和方法、體制和具體實施等多方面協(xié)調(diào)一致，整體推動，才能取得預期的結(jié)果。
參考文獻：
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篇11
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為計算機體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其在構(gòu)成上主要以數(shù)據(jù)庫、計算機系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及應用程序等為主。其中各部分功能的發(fā)揮都可能對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需由計算機系統(tǒng)進行硬件環(huán)境的提供，而數(shù)據(jù)庫負責數(shù)據(jù)的存儲等。因此，如何做好數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)化成為現(xiàn)行計算機體系結(jié)構(gòu)完善中需考慮的重要內(nèi)容。
1 計算機體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)概述
關(guān)于計算機體系結(jié)構(gòu)，其實質(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)配合的基礎上，便可根據(jù)預先定義目標完成信息處理過程。常見的系統(tǒng)元素主要有計算機硬件與軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、文檔以及人員等方面。其中硬件負責電子設備或機械設備的提供以使得計算機能力以及其他外部世界功能得以實現(xiàn)；而軟件可作為文檔、數(shù)據(jù)庫與程序的稽核，提供計算機運行中需要的邏輯方法；數(shù)據(jù)庫則用于集合所有軟件訪問的信息；文檔用于描述計算機系統(tǒng)中的所有圖形、表格等信息。現(xiàn)行在Internet網(wǎng)絡普及的背景下，要求計算機體系結(jié)構(gòu)在完善過程中能夠做到對各類型信息資源進行輸入、輸出以及管理，而這些信息資源管理活動的開展便需依托于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其是計算機領域中發(fā)展極為迅猛的技術(shù)，同時也是保障計算機體系結(jié)構(gòu)作用發(fā)揮的關(guān)鍵部分[1]。
2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在計算機體系結(jié)構(gòu)中的具體體現(xiàn)
計算機體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用主要體現(xiàn)在四種模式，包括分布式服務器系統(tǒng)、服務器模式、工作站模式以及終端模式等，各種模式在整個計算機體系結(jié)構(gòu)中應用的效果也存在一定的差異。在網(wǎng)絡技術(shù)快速發(fā)展的背景下，現(xiàn)今計算機體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式又傾向于web服務器模式。實際應用中，以往四種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式即表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，也存在許多弊端，具體體現(xiàn)在以下幾方面。
2.1 從主機/終端模式角度
該模式是計算機體系結(jié)構(gòu)中應用的最早結(jié)構(gòu)模式，其結(jié)構(gòu)具有明顯的集中式特征，要求在主機上進行數(shù)據(jù)庫以及管理系統(tǒng)的設置，其他相應的應用程序也需在主機中體現(xiàn)出來。但這種模式下，數(shù)據(jù)信息共享性極差，僅用戶終端能夠進行數(shù)據(jù)的使用，若需對數(shù)據(jù)庫進行訪問，要求用戶采取撥號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，這種集中式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于存儲設備中數(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。從其應用的弊端看，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)維護較難，計算機體系結(jié)構(gòu)本身在硬件、軟件等耗費較多成本，加上數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)中的終端系統(tǒng)成本與維護費用，將使計算機應用難以獲取應用的經(jīng)濟效益。另外，該模式應用下，網(wǎng)絡性能完全取決于主機性能，若有多個用戶共同聯(lián)網(wǎng)，計算機系統(tǒng)的整體性能將表現(xiàn)出明顯的下降趨勢[2]。
2.2 從文件服務器/工作站模式角度
該模式應用下主要需在計算機體系結(jié)構(gòu)中文件服務器處進行管理系統(tǒng)的設置，在所有PC工作站中都有相應的處理程序存在。一般文件服務器在功能上更側(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。事實上，從計算機系統(tǒng)運行中便可發(fā)現(xiàn)，即使文件服務器具備較為明顯的運行速度優(yōu)勢，但PC中數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時仍會限制文件服務器的性能。而且文件傳輸過程中多以整個文件為主，一旦數(shù)據(jù)庫訪問用戶數(shù)量增加時，傳輸量也將隨之上升，系統(tǒng)運行因此受到影響[3]。
2.3 從客戶機/服務器模模式角度
對于這種服務器模式，其主要在服務器處設置數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，服務器端與客戶端都可利用管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。相關(guān)的數(shù)據(jù)處理或數(shù)據(jù)存儲等，可在管理系統(tǒng)運行于服務器端時實現(xiàn)，而在處理輸入或輸出問題以及屏幕交互時，要求管理系統(tǒng)運行于客戶端。此種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式在優(yōu)勢上主要表現(xiàn)為能夠利用兩個系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理，無需考慮系統(tǒng)難以承受過大信息流量的問題，且在維護管理或系統(tǒng)升級中不會耗費過多的成本。而且使數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在服務器端或客戶端運行時，也可使計算機整個系統(tǒng)的性能得以提升。但該模式應用過程中也表現(xiàn)出一定的弊端，如數(shù)據(jù)庫需保持一定的獨立性，為用戶使用帶來較多難題，如企業(yè)中各部門應用數(shù)據(jù)庫時如何做到數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)等。因此，計算機體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用需考慮到引入“無縫隙”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)庫系統(tǒng)應用模式，分布式數(shù)據(jù)庫強調(diào)同一系統(tǒng)中數(shù)據(jù)保持一定的邏輯關(guān)系，并在整個計算機網(wǎng)絡中使數(shù)據(jù)在不同節(jié)點處分布。實際應用中，為保證用戶能夠遠程獲取數(shù)據(jù)信息，不同位置服務器都需將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設置其中，用戶數(shù)據(jù)獲取時如從本地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般，直接將請求數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫服務器中發(fā)送，若服務器中未尋找到用戶數(shù)據(jù)，可直接通過網(wǎng)絡將用戶請求向其他數(shù)據(jù)庫服務器中發(fā)送，完成信息搜索后會將相應的信息傳輸給用戶，大多情況用戶都難以判斷是哪個數(shù)據(jù)庫服務器為其提供的數(shù)據(jù)信息。因此，這種模式的應用可滿足現(xiàn)代企業(yè)需求，對于解決遠程數(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)庫系統(tǒng)的相關(guān)建議
現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為適應計算機技術(shù)快速發(fā)展步伐，除采取分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式外，也將Web技術(shù)融入其中，許多數(shù)據(jù)庫廠家多采取數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與Web技術(shù)相結(jié)合的方式，使數(shù)據(jù)庫內(nèi)容檢索僅需通過Web瀏覽器的訪問便可完成，對該類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可稱其為Web數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。為使數(shù)據(jù)庫運行效率進一步提高，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)優(yōu)化過程中需做好系統(tǒng)框架的設計，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的同時考慮數(shù)據(jù)對連接池進行優(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)框架設計的思路
系統(tǒng)框架設計過程中首先考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題，從計算機體系結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應用現(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)生過多的成本。對此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計上可選取B/S結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：①客戶端負載問題得以解決。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責，承受的負載較大，特別當前客戶端應用程序不斷增加的背景下，客戶端的有效運行更面臨較多難題。此時將B/S結(jié)構(gòu)引入其中，服務端會承擔部分客戶端的數(shù)據(jù)處理任務，許多數(shù)據(jù)訪問或計算都可在服務端完成；②兼容性較高。該結(jié)構(gòu)下主要以JSP為前端界面，將Java語言融入后可使服務器執(zhí)行壓力得以緩解；③靈活性較強。B/S結(jié)構(gòu)下各層都以獨立的形式存在，即使其中一層出現(xiàn)異常也不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響；④維護成本較低。由于該結(jié)構(gòu)應用下需將瀏覽器安裝于客戶端中，服務器可完成相關(guān)的系統(tǒng)升級或維護工作，不會對客戶端產(chǎn)生影響，有利于維護成本的控制。本文在系統(tǒng)框架設計中考慮在B/S結(jié)構(gòu)應用的同時，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、服務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。
框架設計中還需做好開發(fā)語言以及數(shù)據(jù)庫連接的充分考慮。其中在開發(fā)語言選擇方面，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)庫系統(tǒng)優(yōu)化需求，要求開發(fā)語言應以簡潔高效、便于移植等特征為主，所以可將JSP作為系統(tǒng)開發(fā)語言。而從數(shù)據(jù)庫連接角度，應用較為廣泛的技術(shù)主要以JDBC為主，但需注意的是該技術(shù)應用時要求數(shù)據(jù)庫使用后保持斷開，一旦數(shù)據(jù)庫連接過多將導致內(nèi)存發(fā)生泄漏，甚至使服務器癱瘓。這就引入連接池技術(shù)，將JDBC訪問技術(shù)下的弊端進行解決[6]。
3.2 數(shù)據(jù)庫的進一步優(yōu)化
為適應計算機體系結(jié)構(gòu)要求，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)優(yōu)化中首先需考慮數(shù)據(jù)庫設計問題。以SQLServer數(shù)據(jù)庫優(yōu)化為例，設計過程中主要需在解決邏輯庫規(guī)范化弊端的基礎上進行物理數(shù)據(jù)庫的生成。其中邏輯庫規(guī)范化弊端方面，可采取將重復屬性、計算字段等融入數(shù)據(jù)庫實體內(nèi)。但應注意設計中往往易出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫歷史記錄保存問題，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)庫生成方面，要求對計算機體系結(jié)構(gòu)中的硬件資源、數(shù)據(jù)庫訪問格式進行判斷，在此基礎上利用數(shù)據(jù)行的設置使I/O操作得以減少，或直接對SQLSever利用同一物理設備存儲圖像或文本數(shù)據(jù)，可使系統(tǒng)性能得以提高。
其次，應做好調(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)庫系統(tǒng)中應用的磁盤驅(qū)動器極易出現(xiàn)超載問題，影響系統(tǒng)性能，對此可考慮增設磁盤驅(qū)動器，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，應考慮對數(shù)據(jù)庫實際內(nèi)存進行優(yōu)化配置，如對其內(nèi)存數(shù)值的調(diào)整等。
最后，做好SQL語句與查詢計劃的優(yōu)化。在優(yōu)化SQL語句中，主要要求避免SELECT*語句、DISTINCT的使用，二者都可能使數(shù)據(jù)庫應用邏輯出現(xiàn)錯誤，同時對于其他非操作符聚以及ORDER BY等應正確使用。另外，在查詢計劃優(yōu)化方面，需保證索引、主鍵、連接、臨時表等能夠正確使用。在SQL語句以及查詢計劃得以優(yōu)化下，才可使數(shù)據(jù)庫系統(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)庫中的應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)庫訪問過程中用戶可直接進行數(shù)據(jù)庫連接的獲取，且在連接使用結(jié)束后，可將其重新置于連接池中，無需執(zhí)行關(guān)閉連接操作，這樣數(shù)據(jù)庫的訪問效率將得到很大程度的提升。具體構(gòu)建連接池過程中，可直接由服務器進行連接池的提供，或采取JDBC連接池。實際上，現(xiàn)行大多服務軟件中多將連接池直接設置其中，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)設置問題，如其中最小或最大連接數(shù)，其設置不合理很可能造成系統(tǒng)資源被過多占用，訪問效率也因此被降低，連接池整體性能因垃圾信息過多而受到影響。所以在參數(shù)的設定是連接池優(yōu)化中需考慮的重要問題，常見的方式主要引入相應的測試工具，通過反復測試以使參數(shù)值更為合理[8]。
4 結(jié)論
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)化設計是完善計算機體系結(jié)構(gòu)的重要途徑。實際優(yōu)化設計過程中應正確認識計算機體系結(jié)構(gòu)，分析計算機體系結(jié)構(gòu)中不同數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式應用的優(yōu)勢與弊端，在此基礎上提出Web數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。對該系統(tǒng)實際優(yōu)化過程中要求做到設計具體的系統(tǒng)框架，從數(shù)據(jù)庫設計、調(diào)整硬件以及優(yōu)化查詢計劃以及SQL語句，并注重連接池的構(gòu)建，以此使數(shù)據(jù)庫整體性能得以提高，發(fā)揮其在計算機體系結(jié)構(gòu)中的重要作用。
【參考文獻】
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篇12
文章編號：1671-489X（2015）22-0017-04
1 引言
計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（也稱體系結(jié)構(gòu)）是大多數(shù)計算機類專業(yè)的基礎硬件類課程，對于很多學生來說，也是兩門比較懼怕的課程。除了課程內(nèi)容包含較多學生看來枯燥乏味的概念、電路、算法和原理之外，有些知識點相對陳舊，一些描述模糊不清，引起學習者概念混亂甚至不明所以，更加打擊了學習興趣和熱情。這導致一部分學生畏懼甚至厭煩這兩門課，連帶懼怕需要動手和實踐的其他硬件課程，“欺軟怕硬”成為較為普遍的現(xiàn)象。這對于計算機相關(guān)專業(yè)學生系統(tǒng)性地掌握計算機知識，畢業(yè)后成為適應社會多方面需要的有用人才無疑是不利的。
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，計算機系統(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算機硬件的結(jié)構(gòu)性框架如何搭建；計算機組成則從經(jīng)典的馮?諾依曼五大部件入手，分析計算機硬件組成的具體內(nèi)容，包括示例性的邏輯電路和二進制算法，來講述計算機的基本工作原理。兩者站在不同的視角看待硬件問題，難免會有重疊。因此，有些學校兩門課分開上，有些學校合并成一門課；國內(nèi)的一些出版單位也順勢推出一些合并課本，或者干脆直接取名叫做“計算機組成原理與體系結(jié)構(gòu)”，兩門課程各選取了一些核心內(nèi)容組在一起，搞成一個混合版本。
筆者認為這種課程合并適合一些高職高專類的院校，對于計算機類本科專業(yè)而言還是存在問題的，如學時安排方面的問題。組成原理是考研課程，要講述透徹則學時數(shù)必須得到保證，加上實驗，總學時需要60以上。體系結(jié)構(gòu)重點放到流水線、多級存儲層次、多處理機并行計算等現(xiàn)代計算機廣泛采用的新技術(shù)，要想講解清楚一般也要40學時左右。兩者合并，如果學時數(shù)不能得到保證，其結(jié)果是兩部分內(nèi)容都講不好；而如果一味擴大學時數(shù)，如擴充到80學時以上，又會給學生造成相當大的心理負擔。本來硬件課程就是攔路虎，這樣一個超大學時的硬件專業(yè)課不會有良好的教學效果。
多年前也曾經(jīng)合并做過，效果并不好，后來又改回到兩門課程分別開設，依據(jù)傳統(tǒng)，先講組成原理，緊接著一個學期開設系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在面臨一個問題：內(nèi)容的取舍。很多經(jīng)典的組成原理課本不知從什么時候開始夾雜很多流水線和高速緩沖存儲器的內(nèi)容，部分課本甚至還有多處理機方面的。這些書的作者可能想適應那些合并開課學校的用書想法，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。
另一個方面，考研的組成原理大綱確實包括了流水線、多級存儲層次和多機系統(tǒng)，也就是說考研課程名雖是組成原理，實際卻包括了兩門課的知識點。從這個角度看，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，上組成原理課程時怎么應對這些原本下學期才要講述的系統(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，這些知識點都是下一學期才應該講述的，但是為了考試，又不得不囫圇吞棗提前講解，導致學生考試結(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)系來看，組成原理可以看作體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，因此先講“干”再講“枝”應該也行得通，涉及器件組成、數(shù)據(jù)通路、指令、二進制、中斷機制等組成原理中詳細講解的部分，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？準備進行嘗試。
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 第一代電子管計算機，第二代晶體管計算機，這個沒什么疑問；第三代、第四代都是對應集成電路，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)于第五代計算機就值得推敲了，到底第五代計算機是什么？一些教材把它劃歸到超大規(guī)模集成電路中去，筆者認為不妥，其實學術(shù)界從20世紀90年代就在呼喚第五代計算機，但是并沒有明確是什么，而是等待采用全新技術(shù)或者全新材料的計算機問世，普遍認為光子、量子、超導、生物這幾個方面有可能誕生出第五代計算機出來，遺憾的是現(xiàn)在仍然都處于研究階段，所以關(guān)于計算機的劃代應該到四代為止。要讓學生明白，科學的發(fā)展有和低谷，過10～20年強行劃分新一代來說明計算機的進步?jīng)]有意義，因為集成電路不能一次次由量變引發(fā)質(zhì)變！
關(guān)于發(fā)展過程中的兼容，也很難明確，就拿向前和向后兼容來說，站在機器的角度來說，后面的機器能運行前面機器的軟件，應該叫向前兼容，但是站在軟件的角度來說，前面開發(fā)的軟件要能在后面出現(xiàn)的機器中運行，則又成了向后兼容。兩者實質(zhì)上是一回事，卻可以有兩種說法，如果出題討論兼容性，學生該怎么給出答案？
運算方法 各種碼制、定點數(shù)、浮點數(shù)可以詳述，這些是基本的，對于以后實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算機內(nèi)部的運算原理，也可以讓學生掌握；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，學生要費很大力才能弄明白，一個月后就一定會忘記得干干凈凈。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位制的轉(zhuǎn)換，筆者認為不恰當，作為初接觸二進制的學生而言，搞清各種進位制及其轉(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 很多學生一直到畢業(yè)也沒弄清尋址方式，這部分內(nèi)容應該把那么多紛繁的名詞簡化。舉例來說，基址、變址、索引、縮放、偏移、自增、自減，再加上直接、間接、相對尋址等，這些本來都是針對存儲器的尋址方式，弄出這么多名詞來學生不頭疼才怪。其實尋址完全可以簡單明了做介紹，而不拘泥于這些奇怪的名詞上：數(shù)據(jù)可以在三個地方出現(xiàn)，分別是指令中、寄存器中、存儲器中；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)部長長的類似RISC的管線系統(tǒng)。作為訓練和實踐控制器部分的手段可以講述，畢竟一個硬邏輯的控制器很難實現(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該點到即止，畢竟誰都不會去真正設計一款復雜的微程序控制器。
4 存儲器部分的討論
主存典型芯片 還在用2114、4116作為芯片實例？對這些舊貨市場都不一定買得到的東西進行詳細分解，其古怪的時序、簡陋的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)占據(jù)了大量篇幅，為什么不用現(xiàn)在市場上仍在普遍使用的簡單8位或者16位存儲芯片舉例呢？如27系列ROM、62系列RAM。而高性能存儲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的時代了。
輔存 還在大力介紹軟盤，甚至是8英寸軟盤，而市場上3.5寸的最后一代軟盤都找不到了，8寸的軟盤估計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時不說，實在和計算機的軟硬件組成都沒有太大的關(guān)系。關(guān)于硬盤方面的先進技術(shù)介紹，停留在幾個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90年代。
Cache和虛存 作為兩個同等重要的存儲層次，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用價值。而編譯器優(yōu)化和軟件控制的預取等內(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)所舉的實例采用的都是20年前的芯片技術(shù)，雖然相對簡單易懂，卻也處于和8086在微機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)和標準 單總線、雙總線、三總線甚至四總線結(jié)構(gòu)的討論，繁瑣、過時且相互矛盾。就拿三總線來說，數(shù)據(jù)、地址、控制總線是三總線，局部、系統(tǒng)、擴展總線也是三總線，還有主存、I/O、DMA總線又是一種三總線。介紹過時的ISA、EISA、VESA乃至AGP總線有價值嗎？最關(guān)鍵的一點，很多教材花大篇幅介紹這些淘汰技術(shù)的同時，不去直面它們的落后和淘汰的現(xiàn)狀。不是說淘汰的技術(shù)不能介紹，作為人類曾經(jīng)的技術(shù)結(jié)晶和科技歷史，有必要讓學生了解，但是應該把握兩點：一是篇幅要小；二是明確告訴學生，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)中的鏈式查詢和計數(shù)器定時查詢究竟在什么時候什么場合出現(xiàn)過總應該提及一下。說獨立請求方式響應最快也沒有說服力，和鏈式查詢相比較都是全硬件信號，快慢就看誰的邏輯復雜，獨立請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主要內(nèi)容，應該針對具體的總線實例加以分析。一些習題或者課本說同步比異步方式快，或者并行方式比串行方式快，筆者認為這些都是欠妥的，當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)]有直接的對應關(guān)系。
I/O接口與設備 很多查詢、中斷、DMA等接口電路的組成都給出實現(xiàn)的電路圖，這些圖在實際應用中不會采用，對學生而言復雜晦澀，他們還錯覺地認為這些電路才是標準的I/O接口。其實實現(xiàn)接口的方式和原理有多種，詳細介紹接口具備的功能應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這些，現(xiàn)在再講實在味同嚼蠟。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，同樣顯得和時代格格不入，20年前這些說法可能代表新技術(shù)，而在全民手機都能處理多媒體的今天，這些說法本身似乎都失去了意義。
中斷向量 本來向量的含義就是借用物理中定向指向的概念，去說明中斷后自動轉(zhuǎn)到相應的位置去實現(xiàn)中斷服務，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)上反復糾纏，用一些模棱兩可的用詞去“加深”學生的理解，實際的效果卻和“干擾”無異。類似的還有所謂存儲單元、存儲元、存儲字、存儲字長、機器字長、讀寫周期、存儲周期、總線周期、機器周期等，非要讓學生區(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。就拿中斷向量來說，究竟是硬件切換出來的向量地址，還是向量地址中存放的服務程序入口，誰能說得清？還有總線周期和存儲周期，當總線上傳遞存儲單元信息時就是一回事。這些細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 本來是兩個很清楚的概念，各自的用途也非常明確，一旦把所謂的低優(yōu)先級去中斷高優(yōu)先級的特例弄進去（暫不說這種做法有什么實際意義），一切都變得復雜起來。畫中斷響應軌跡圖是很多題目最喜歡的，實際應用中若是出現(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)先級中斷去嵌套高優(yōu)先級中斷的非常規(guī)做法還是不要復雜化。
6 實驗環(huán)節(jié)與課程設計
實驗課一般以某種實驗箱為實驗設備，把經(jīng)典的運算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路（總線）、控制器等幾個大的組成部分作為實驗內(nèi)容，去加深課堂相關(guān)內(nèi)容的理解。課程設計則是依托實驗箱的硬件構(gòu)造，去設計一個具備更加復雜功能的部件或者組成一臺能運行簡單指令集的模擬整機。這種做法對于大多數(shù)普通院校的學生而言沒有什么問題，少數(shù)重點大學使用FPGA設計CPU軟核并在模擬機中移植某種操作系統(tǒng)作為課程設計則屬于高端要求，這里不加分析。
要討論的是這種傳統(tǒng)實驗箱做經(jīng)典組成實驗中遇到的問題，通過對幾個廠家的組成原理實驗箱的對比，發(fā)現(xiàn)它們都有如下特點。
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面積很大的面板上，所有元件和芯片。
2）運算器使用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，信號連接使用針孔配合的導線。
6）說明書和實驗指導書普遍不嚴謹，文字和圖表錯誤很多，印制粗糙，且基本上都不提供電子版。
以上特點的組成原理實驗箱往往還兼顧微機原理或者體系結(jié)構(gòu)，甚至還有數(shù)字邏輯的課程實驗。總體來說，它們會導致以下一些問題。
1）很大面積的電路板且，即使上面有分割各個模塊的線條，仍然覺得龐雜凌亂，想找一個信號會非常不便，令學生望而生畏。因為要照顧到多門課程，所以一些電路單元在某門課程中就會用不上，還要增加切換電路的模式開關(guān)。這些都使操作復雜化，容易造成儀器損壞。一般來說，三年左右損壞率可以達到50%以上。
2）連線普遍采用插頭和插孔的配合形式，差別在于有的型號粗、有的型號細，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；而且隨著實驗的復雜，面板上的線像一團亂麻，什么都看不清楚，即使采用了長短不一和不同顏色的導線加以區(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雜，更不直觀。用二進制表示的撥動開關(guān)和LED管，輸入的每個數(shù)據(jù)都要撥8次開關(guān)才能完成，輸出的數(shù)據(jù)因為是LED表示的二進制信息，不易于識別。這兩種形式的I/O還存在占用面積大，故障率高的缺點。
7 總結(jié)
計算機是發(fā)展很快的一門實踐和工程類學科，不管是軟件還是硬件皆是如此。軟件類的書籍更新很快，當下的的開發(fā)工具和語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。
相比軟件類課程而言，硬件課程一個版本可能堅持更長時間，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，計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為硬件基礎課程，是不是也能多少年不用更新呢？即使一些內(nèi)容已經(jīng)時過境遷，仍然堂而皇之地出現(xiàn)在教材里面，導致一部分了解這些內(nèi)容的學生產(chǎn)生抵觸情緒。不能追蹤新技術(shù)的硬件課程對學生的學習積極性和學習效果都是有消極影響的。
本文希望能起到拋磚引玉的作用，引起教材作者和實驗設備開發(fā)人員的重視，對相關(guān)內(nèi)容及時更新或者刪除，對設備中的不足加以改進，更好地促進計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩門課程的發(fā)展。■
參考文獻
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篇13
1 水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的分類方式
水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)有不同的分類方式。依據(jù)計算機在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用大小可分為：計算機為輔的監(jiān)控系統(tǒng)、計算機與常規(guī)設置雙重控制的監(jiān)控系統(tǒng)、計算機為主的監(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控制兩種。按照計算機的配置數(shù)量比又可分為單機系統(tǒng)、雙機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)。根據(jù)計算機系統(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、全分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
2 水電廠計算機監(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)一般只需設置一臺計算機就可以對全廠進行控制，是基于現(xiàn)場總線連接的實時通訊網(wǎng)絡。由于這種方式的所有監(jiān)控功能都在一臺機器上執(zhí)行，因而，一旦出現(xiàn)問題，整個監(jiān)測、控制系統(tǒng)會全面癱瘓，可靠性較低。另外，所有信息都在一臺機子上演示，其監(jiān)控功能也受到局部限制。因此，常常設置另一臺備用主控機，提高其可靠性。水電廠生產(chǎn)過程中的各運行參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)可以由主控機經(jīng)I/O過程通道采集而成，同樣，控制調(diào)節(jié)任務由主控機經(jīng)I/O輸出通道作用到各發(fā)電機組和相應設備，主控計算機集中實現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單、造價低、投資少，適用于容量較小，對監(jiān)控要求不高的小型水電廠自動化控制系統(tǒng)。
2.2 功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)
這種監(jiān)控系統(tǒng)中不再使用一臺計算機完成各項功能，而是由多臺計算機分別完成。每臺計算機只負責完成部分任務，即單項任務。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，當一臺計算機出現(xiàn)故障時，只能夠影響某一項的功能，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)中的計算機負載相對減少，可以由微機來承擔。其實，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，一個功能的計算機裝置產(chǎn)生故障，全廠的這部分功能都會受影響，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)
應該說，分布處理系統(tǒng)是分散式系統(tǒng)的升級，它克服了功能分散式系統(tǒng)的弱點，以控制對象的分散性為特征，其指導思想是以數(shù)據(jù)的分層控制方式為基礎，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。水電廠的控制對象包括水輪發(fā)電機組、開關(guān)站、閘門、公用設施等，可以依據(jù)控制對象的不同設置單獨的控制單元，電廠控制層的計算機組負責全廠的功能性工作。其控制層自身由多臺計算機組成，也是一個功能分散的控制系統(tǒng)，當其中一個控制單元出現(xiàn)故障時，只對該單元的設備造成影響，不會妨礙到整個系統(tǒng)的運行，分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)由于具有這些特點，近年來在新建的水電廠中應用較多。
分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)實際應用也分為幾種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模式：
2.3.1 一體化工控機分層結(jié)構(gòu)
通過上以太網(wǎng)方式，一體化工控機又分為分層、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、勵磁等應用設備依靠一體化工作機和上位機系統(tǒng)建立通信，工控機作為系統(tǒng)的核心，具有接口豐富的特性，可以在工控機上接通其他設備完成相應的操作功能，實現(xiàn)組網(wǎng)特性。這種結(jié)構(gòu)即使在上位機出現(xiàn)故障，其它現(xiàn)地工控機仍然可以獨立運行。其運行單元是由工控機、可編程邏輯控制器等專用設備構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立運作、監(jiān)控，具有功能豐富、人機界面優(yōu)化、可靠性強的特點，其投資成本很高。
2.3.2 工控機和PLC同時連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)中，測溫、采樣、保護等裝置，以及勵磁、調(diào)速器都通過工控機上的多重接口相連接，利用工控機的外擴串口卡進一步完成現(xiàn)地顯示操作功能和現(xiàn)地設備通訊，利用可編程邏輯控制器的I/O接口與設備信號連接實現(xiàn)其現(xiàn)地設備的監(jiān)控作用，與上位機系統(tǒng)進行通信。系統(tǒng)具有極強的可靠性，響應速度也得到提高，由于其應用成本比較高，常用于對監(jiān)控要求很高的中小型水電廠的自動化通訊系統(tǒng)。
3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的應用特點。
由于水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)更看重產(chǎn)品性質(zhì)、軟件功能等特性，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)常常被忽視，實際應用中網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和響應速度的快慢會影響到水電廠的自動化系統(tǒng)水平。一體化工控機分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，所有設備和通信必須通過現(xiàn)地工控機集中采集，通過以太網(wǎng)達到各終端設備，一旦工控機發(fā)生意外，則所有監(jiān)測、控制和相關(guān)功能都難以實現(xiàn)。同樣，交流采樣設備和可編程邏輯控制器也需要分別與工控機通信，此結(jié)構(gòu)中可編程邏輯控制器不能直接讀取數(shù)據(jù)，在機組流程開機并網(wǎng)后，難以實現(xiàn)自動帶基負荷進行調(diào)節(jié)，也不能自動減負荷。在工控機和PLC同時連接以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，雖然增加了系統(tǒng)的可靠性，但一旦工控機出現(xiàn)問題，相應的機組操作仍然需要在上位機上進行，因此，兩種結(jié)構(gòu)中，工控機是系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素。水電廠地質(zhì)條件相對惡劣，振動、電磁干擾較多，對其組件的使用壽命有一定的影響，采用高檔工控機需增添應用成本，因此，當前使用帶工控機結(jié)構(gòu)的逐漸減少。
4 結(jié)語
我國水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的應用已趨于成熟，隨著各類監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的發(fā)展和應用，水電技術(shù)人員應不斷總結(jié)各類新型監(jiān)控結(jié)構(gòu)的運行特點和實踐經(jīng)驗，吸取國際上先進的管理技術(shù)優(yōu)勢，加以分析和研究，結(jié)合我國水電廠的生產(chǎn)管理特點，推出符合我國國情的、滿足水電廠監(jiān)控技術(shù)要求的系統(tǒng)應用模式，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實時性，具有反應速度快、維護手段便捷等基本要求。
參考文獻
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