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【關(guān)鍵詞】遙感處理 電子政務(wù) 分布式并行計(jì)算技術(shù)

1 項(xiàng)目背景以及要求

1.1 項(xiàng)目背景

高分遙感在電子政務(wù)地理空間基礎(chǔ)信息庫建設(shè)與服務(wù)中的應(yīng)用示范項(xiàng)目，是高分重要的應(yīng)用示范項(xiàng)目，依托“國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫”一期工作，重點(diǎn)解決高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)與國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫的融合，推進(jìn)高分?jǐn)?shù)據(jù)在電子政務(wù)地理空間基礎(chǔ)信息庫的綜合應(yīng)用示范，形成高分?jǐn)?shù)據(jù)及其電子政務(wù)應(yīng)用產(chǎn)品通過共享平臺(tái)進(jìn)行分發(fā)和共享的機(jī)制和格局，為國家宏觀綜合決策服務(wù)，包括資源環(huán)境綜合監(jiān)測評(píng)價(jià)、災(zāi)后重建規(guī)劃實(shí)施效果監(jiān)測、區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略研究和區(qū)域規(guī)劃、資源環(huán)境領(lǐng)域規(guī)劃和重大基本建設(shè)項(xiàng)目跟蹤及效益監(jiān)測以及海洋資源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的監(jiān)測工作等，以及為政府綜合部門、業(yè)務(wù)服務(wù)和電子政務(wù)業(yè)務(wù)部門及社會(huì)公眾服務(wù)。

1.2 要求

為滿足海量遙感數(shù)據(jù)的需要，建設(shè)了高分遙感數(shù)據(jù)集群式生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高效、自動(dòng)、智能的技術(shù)特性，遙感影像處理的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型接口，能夠支撐起大規(guī)模遙感影像的集群式并行自動(dòng)化處理。

2 遙感影像處理結(jié)構(gòu)層次

遙感影像操作可以劃分為三個(gè)不同的層次或者類別，下面就對(duì)其進(jìn)行一一分析。首先為像素級(jí)操作，這是通過一副像素影像產(chǎn)生另外的像素影像，包括鄰域、括點(diǎn)、幾何操作等，很多數(shù)據(jù)都是有規(guī)則、幾何、局部。而這種幾何操作在進(jìn)行遙感影像處理時(shí)表現(xiàn)為幾何校正，因?yàn)檠b載在飛機(jī)、衛(wèi)星的成像傳感器受到飛機(jī)姿態(tài)、衛(wèi)星、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、氣候等不同因素的影響，其攝取的圖像可能出現(xiàn)幾何畸變的現(xiàn)象，因此，要能夠完成旋轉(zhuǎn)、重新定位、任意彎曲等操作；其次，其具有特征性操作的特征，這也是相關(guān)影像產(chǎn)生的特征，包括區(qū)域和線，常規(guī)性的特征包括紋理、形狀、三維特征、梯度特征，一般選擇一致的測度，包括方差、均值來進(jìn)行處理和描述，其顯示特征區(qū)域進(jìn)行的可行性，而且，還具有非局部、象征意義的特性，在局部區(qū)域并行的同時(shí)，還要能夠?qū)φw加以處理；再者具有目標(biāo)級(jí)操作的特征，這是由一系列特征誘發(fā)的目標(biāo)，并且其信息具有復(fù)雜性、象征意義，一般都是通過相關(guān)知識(shí)來處理，從而對(duì)影像進(jìn)行理解、描述、解釋。

3 通信和同步

在并行計(jì)算期間，因?yàn)椴煌M(jìn)程之間需要傳輸以及調(diào)度數(shù)據(jù)，因此，其具有相應(yīng)的通信開銷，并且這種開銷表現(xiàn)為以下不同的方面，首先為傳輸?shù)冗M(jìn)程之間的數(shù)據(jù)，主進(jìn)程從進(jìn)程調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)分配入手。在處理遙感影像時(shí)，需要能夠劃分影像，并且將其映射給進(jìn)程加以處理和計(jì)算，其主要依據(jù)就是被劃分部門的數(shù)據(jù)通信量，三種圖像數(shù)據(jù)劃分方式，如圖所示，其中圖1表示水平條帶、圖2為豎直條帶、圖3為矩形塊，不同劃分的條帶邊界表現(xiàn)為所要進(jìn)行的通信數(shù)據(jù)。在處理不同影像時(shí)，要能夠選擇不同的劃分方式，像素級(jí)的處理并行化分支較小，進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分時(shí)較為簡單，可以結(jié)合實(shí)際狀況來選任何劃分方法，特征處理如線條所示，按照豎直條帶和水平條帶來劃分，在目標(biāo)級(jí)、特征級(jí)處理期間，需要結(jié)合相應(yīng)的問題、并行計(jì)算支撐環(huán)境來選擇具體的劃分方式。從一定角度來分析，要想能夠達(dá)到并行化的要求，從而讓被劃分的數(shù)據(jù)通信量達(dá)到最小的要求。

在并行系統(tǒng)執(zhí)行給定算法期間，可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別進(jìn)程計(jì)算需要在其他進(jìn)程完成之后才能開展，這時(shí)候同步是需要的，所謂的同步就是在這種狀況下順利使用通信協(xié)調(diào)技術(shù)不受到影響。同步也存在以下兩種不同的開銷，包括同步需要所有處理機(jī)能夠進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)，但是，需要花費(fèi)相應(yīng)的時(shí)間；其次個(gè)別處理器可能為閑置，等待準(zhǔn)許繼續(xù)續(xù)需要計(jì)算相應(yīng)消息。

4 結(jié)語

高分遙感在電子政務(wù)地理空間基礎(chǔ)信息庫建設(shè)與服務(wù)中的應(yīng)用示范項(xiàng)目，是高分重要的應(yīng)用示范項(xiàng)目，依托“國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫”一期工作，重點(diǎn)解決高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)與國家自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫的融合。通過實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，PC機(jī)群上所具有的分布式并行算法優(yōu)勢較為明顯，但是，其通信開銷依然是算法中需要解決的主要問題，在集群逐漸擴(kuò)展的影響下，通信開銷開始增長，這就讓并行化程度遭到制約，選擇直接少通信量、通信次的方法則能夠降低實(shí)際的通信開銷，從而為實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和國家自然資源信息庫融合奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊海平，沈占鋒，駱劍承，吳煒.海量遙感數(shù)據(jù)的高性能地學(xué)計(jì)算應(yīng)用與發(fā)展分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2013（01）：128-136.

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作者單位

1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081

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【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)多線程 協(xié)議還原 方法概述

1 協(xié)議并行處理方法

1.1 數(shù)據(jù)包級(jí)別并行方法

在協(xié)議棧并行處理方法中，數(shù)據(jù)包級(jí)別并行方法是一種并行度最高的處理方法。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)包都會(huì)按照對(duì)應(yīng)的處理器進(jìn)行系列處理，達(dá)到同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)包或者是歸屬于同一個(gè)鏈接的數(shù)據(jù)包。因巨大的吞吐性能以及不存在負(fù)載均衡的優(yōu)勢得到了廣泛運(yùn)用。雖然其具有高度的并發(fā)性，但是在面對(duì)帶有上下文信息或狀態(tài)的協(xié)議來說，例如TCP，可以獲得的性能提升空間受到了很大的約束。

1.2 函數(shù)級(jí)別并行方法

函數(shù)級(jí)別并行方法主要運(yùn)用于早期的協(xié)議并行處理中。早期協(xié)議是將鏈路控制數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)置于同一個(gè)數(shù)據(jù)包中，這就意味著協(xié)議并行處理的函數(shù)必須要同時(shí)處理鏈路控制數(shù)據(jù)外加上傳送數(shù)據(jù)，從而出現(xiàn)的一個(gè)問題就是協(xié)議處理函數(shù)單元之間務(wù)必會(huì)存在大量的上下文相關(guān)結(jié)果。

1.3 協(xié)議棧層次間并行方法

協(xié)議棧層次間并行方法主要運(yùn)用于目前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)中。在早期設(shè)計(jì)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，為了大幅度的降低協(xié)議實(shí)現(xiàn)難度而將每個(gè)層次協(xié)議設(shè)計(jì)成為了相對(duì)獨(dú)立的部分，從而完成獨(dú)立層間之間的并行處理。但是就目前實(shí)際情況來看，這種方法雖然有許多的優(yōu)勢，但是性能受到了層次結(jié)構(gòu)中吞吐量最低層次結(jié)構(gòu)的限制，所以目前需要對(duì)協(xié)議棧中的每一個(gè)層次進(jìn)行研究，優(yōu)化吞吐量最低的層次結(jié)構(gòu)。

2 基于連接性多線程TCP/IP協(xié)議并行處理方法概述

2.1 TCP/IP協(xié)議棧多線程并行化存在的問題

TCP/IP協(xié)議棧多線程并行化存在的問題主要存在于臨界鎖以及處理器之間的負(fù)載均衡情況上?？紤]到臨街鎖解決共享沖突的代價(jià)極大問題，多線程并發(fā)程序雖然可以解決部分問題，但是又帶來了諸如臨界區(qū)碰撞、內(nèi)核陷入等等問題，影響程序的運(yùn)行效率。因此，對(duì)于多線程并行的TCP/IP協(xié)議而言，消除臨界鎖問題是至關(guān)重要的。對(duì)于處理器之間的負(fù)載均衡情況，需要考慮的就是協(xié)調(diào)好處理器之間的負(fù)載均衡問題。

2.2 多線程TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

本文所要分析的多線程TCP/IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)主要還是共享內(nèi)存多處理器平臺(tái)運(yùn)行下的多線程TCP/IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，其基本的特點(diǎn)就是當(dāng)共享內(nèi)存對(duì)處理器平臺(tái)上的處理器數(shù)量增加時(shí)，其結(jié)構(gòu)的性能也隨之增加。多線程TCP/IP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 處理器均衡措施

處理器均衡措施具體可以細(xì)化分為兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟就是對(duì)IP數(shù)據(jù)包中的三元組即源地址、目的地址以及協(xié)議標(biāo)識(shí)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分發(fā)。僅僅采取第一步不能夠?qū)μ幚砥鬟M(jìn)行深度的處理，需要借助于第二個(gè)步驟。第二個(gè)步驟包括設(shè)置協(xié)議棧、促進(jìn)操作系統(tǒng)借助于任務(wù)調(diào)度完成負(fù)載均衡的操作。后者的時(shí)間點(diǎn)在于運(yùn)行線程數(shù)不小于硬件平臺(tái)的處理器數(shù)量。按照上述順序，可以達(dá)到處理器負(fù)載均衡的目的。

3 實(shí)驗(yàn)方案結(jié)果

從本文的實(shí)驗(yàn)方案測試結(jié)果中可以看出，首先單線程下的程序只能夠通過串來執(zhí)行，從而不能夠發(fā)揮出處理器的實(shí)際性能。其次，在處理器的數(shù)量和線程數(shù)量對(duì)等的情況之下，也不能夠發(fā)揮出系統(tǒng)硬件的全部性能。最后，在處理器數(shù)量小于協(xié)議棧線程數(shù)量的時(shí)點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)脑黾泳€程數(shù)量，可以在很大程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。另外，對(duì)于內(nèi)存分配方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響上，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，相比PtMalloc以及SmartBits而言，F(xiàn)ixMalloc可以降低動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配過程中出現(xiàn)的處理器消耗，降低的幅度值大概在8.12%上下。

4 結(jié)束語

由于現(xiàn)代處理器性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力發(fā)展之間存在的很大的不平衡，從而推進(jìn)了多處理器的發(fā)展。本文從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還原技術(shù)出發(fā)，提出了一整套的多線程并行的TCP/IP協(xié)議的相關(guān)還原方案。此外，在通用性的多處理器計(jì)算平臺(tái)的實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，雖然計(jì)算機(jī)多線程TCP/IP協(xié)議還原技術(shù)可以很好的保障當(dāng)下處理器平臺(tái)性能的發(fā)揮，但是對(duì)于進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)入侵監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)議還原能力以及挖掘高性能處理器平臺(tái)，以此來協(xié)調(diào)處理器性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力發(fā)展不平衡的矛盾，將是下一階段研究和探究的重點(diǎn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：系統(tǒng)觀；能力培養(yǎng)；教學(xué)改革；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

從1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）誕生到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了大型機(jī)時(shí)代（Mainframe Era： 1950s-1960s）、小型機(jī)時(shí)代（Minicomputer Era： 1970s）、個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代（PC Era： Mid 1980s-Mid 2000s）和后PC時(shí)代（PostPC Era： Late 2000s）。計(jì)算機(jī)教學(xué)模型機(jī)也經(jīng)歷了從大型機(jī)、小型機(jī)到PC的過程。通常，課堂教學(xué)內(nèi)容比業(yè)界技術(shù)要滯后幾年。20世紀(jì)80年代初，基本以IBM 360/370或DJS 200系列等大型系列機(jī)為模型機(jī)；20世紀(jì)80年代中后期開始，則以VAX 11/780等小型機(jī)為模型機(jī)，并同時(shí)開設(shè)以IBM PC為模型機(jī)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程，到21世紀(jì)開始，基本上都轉(zhuǎn)入了以Intel x86或PowerPC或MIPS等微處理器為模型的教學(xué)模式。

隨著多核/眾核處理器、嵌入式和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心（WSC）的建立和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備（PMD）的大量普及使用，計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入了后PC時(shí)代。呈現(xiàn)出“人與信息世界及物理世界融合”的趨勢和網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、普適化和智能化的鮮明特征[1]。

那么，后PC時(shí)代的計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)應(yīng)該如何改革？計(jì)算機(jī)專業(yè)教育的核心應(yīng)該是什么？計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該如何調(diào)整以適應(yīng)新的發(fā)展需求？這些都是我們從事計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的大學(xué)老師們應(yīng)該思考的問題。本文將從計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)、目前我國大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)教育存在的問題、南京大學(xué)在學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的新舉措等幾個(gè)方面闡述筆者的思考及初步探索。

一、計(jì)算機(jī)專業(yè)人才“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)的重要性

圖1描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換。從圖1可以看出，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由不同的抽象層構(gòu)成，“計(jì)算”的過程就是不同抽象層轉(zhuǎn)換的過程，上層是下層的抽象，而下層則是上層的具體實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)學(xué)科主要研究的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)不同抽象層的實(shí)現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換的機(jī)制，計(jì)算機(jī)學(xué)科培養(yǎng)的應(yīng)該主要是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或在系統(tǒng)某些層次上從事相關(guān)工作的人才。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由各種硬件和各類軟件采用層次化方式構(gòu)建，不同用戶工作在不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層，如圖2所示。

從圖2可看出，計(jì)算機(jī)用戶有最終用戶、系統(tǒng)管理員、應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員。顯然，計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)的主要應(yīng)該是設(shè)計(jì)和研制計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員以及系統(tǒng)程序員、應(yīng)用程序員和系統(tǒng)管理員。不管培養(yǎng)哪個(gè)層面的計(jì)算機(jī)技術(shù)人才，計(jì)算機(jī)專業(yè)教育都要重視學(xué)生“系統(tǒng)觀”的培養(yǎng)。

所謂“系統(tǒng)觀”，筆者認(rèn)為，就是指對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的深刻理解。具有“系統(tǒng)觀”的人才，能夠站在系統(tǒng)的高度考慮和解決應(yīng)用問題，具有系統(tǒng)層面的認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力，包括對(duì)軟、硬件功能進(jìn)行合理劃分、對(duì)系統(tǒng)不同層次進(jìn)行抽象和封裝、對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行分析和調(diào)優(yōu)、對(duì)系統(tǒng)各層面的錯(cuò)誤進(jìn)行調(diào)試和修正、對(duì)用戶程序進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估和優(yōu)化，以及根據(jù)不同的應(yīng)用要求合理構(gòu)建系統(tǒng)框架等能力。

圖2 計(jì)算機(jī)各類用戶所在層次

特別是在后PC時(shí)代，并行成為重要主題，培養(yǎng)具有系統(tǒng)觀的、能夠進(jìn)行軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的軟/硬件貫通人才是關(guān)鍵。而且，后PC時(shí)代對(duì)于大量從事應(yīng)用開發(fā)的應(yīng)用程序員的要求也變得更高。首先，后PC時(shí)代的應(yīng)用問題更復(fù)雜、應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛；其次，要想編寫出適合各類不同平臺(tái)的高效程序，應(yīng)用開發(fā)人員必須對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有全面的認(rèn)識(shí)，必須了解不同系統(tǒng)平臺(tái)的底層結(jié)構(gòu)，并掌握并行程序設(shè)計(jì)技術(shù)和工具。

只有具備“系統(tǒng)觀”，計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員才能夠設(shè)計(jì)研制出性價(jià)比高的適合特定應(yīng)用需求或通用的計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)程序員才能編寫出適合于底層硬件架構(gòu)的易于上層應(yīng)用程序員或系統(tǒng)管理員使用的系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序員才能最合理地利用底層硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)制和系統(tǒng)軟件提供的相應(yīng)功能編寫出性能最優(yōu)的應(yīng)用軟件，系統(tǒng)管理員才能配置出最佳的系統(tǒng)環(huán)境并提供最好的系統(tǒng)維護(hù)和系統(tǒng)管理等方面的服務(wù)。

二、我國大學(xué)計(jì)算機(jī)人才“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)的現(xiàn)狀

為了更好地了解國外大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的情況，筆者對(duì)MIT、UC Berkeley、Stanford和CMU等4所美國一流大學(xué)在相關(guān)課程方面教學(xué)情況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查[2]。我們發(fā)現(xiàn)，中美大學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)及課程教學(xué)方面存在許多不同。

首先，從課程設(shè)置上來說，上述美國四校在學(xué)完編程語言及其程序設(shè)計(jì)課程后都開設(shè)了一門關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，而且在課程內(nèi)容上特別注重在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)抽象層上的縱向關(guān)聯(lián)，沿著一條主線，把每個(gè)抽象層都串起來，從而使學(xué)生形成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念。而國內(nèi)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置，基本上是按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向切分，自下而上分解成數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯原理、程序設(shè)計(jì)等課程，而且每門課程都僅局限在本抽象層，相互之間幾乎沒有關(guān)聯(lián)，學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)過程就像“盲人摸象”一樣，很難形成一個(gè)對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。雖然國內(nèi)高校也有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)入門或?qū)д撝惖恼n程，但內(nèi)容廣而不深，什么都講一點(diǎn)，什么都講不透，基本上是計(jì)算機(jī)課程概論，而不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論。

其次，美國四校都采用了分流培養(yǎng)模式，都設(shè)置了偏硬件或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)或方向。例如，有電子工程（EE）、電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）、計(jì)算機(jī)工程（CE）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等專業(yè)或方向。而目前國內(nèi)大多數(shù)高校都只有一個(gè)專業(yè)，即計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，專門分出ECE、CE和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向進(jìn)行人才培養(yǎng)的學(xué)校很少。國內(nèi)絕大多數(shù)高校只能培養(yǎng)應(yīng)用程序員，而且是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層知之甚少的應(yīng)用程序員。

最后，美國四校在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)入門課后面都開設(shè)了關(guān)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程，課程內(nèi)容涵蓋了數(shù)字邏輯電路和組成原理兩門課的基本內(nèi)容，并要求學(xué)生用EDA方式設(shè)計(jì)相對(duì)完整的流水線CPU，而且都是由EE（ECE）部門開設(shè)，但并不要求所有學(xué)生都學(xué)，通常是偏硬件類的EE、ECE、CE和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向的學(xué)生必學(xué)，其他方向?qū)W生選修。反觀國內(nèi)絕大多數(shù)高校，基本上都是先上數(shù)字邏輯電路（有些合并了一些模電內(nèi)容）課程，然后上組成原理課程（有些組成原理課程上的是微機(jī)原理與接口的內(nèi)容），而且這兩門課程基本上都是所有學(xué)生的必修課程，并沒有考慮不同方向?qū)W生對(duì)于計(jì)算機(jī)底層硬件知識(shí)和硬件設(shè)計(jì)能力的不同需求。目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校的組成原理課程教學(xué)基本上還是沿用傳統(tǒng)的教學(xué)理念，教學(xué)內(nèi)容還停留在計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成和基本設(shè)計(jì)原理層面，既不像國外的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)那種硬件設(shè)計(jì)課程，能夠讓學(xué)生真正了解如何用硬件描述語言通過FPGA來設(shè)計(jì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)；也不是一門關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的入門課程，能夠讓學(xué)生全面地理解整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。因此，目前國內(nèi)絕大多數(shù)高校的組成原理課程的教學(xué)，既沒能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化工具進(jìn)行實(shí)際硬件設(shè)計(jì)的能力，也沒有讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用機(jī)器底層硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識(shí)來增強(qiáng)高效軟件開發(fā)和程序調(diào)試的能力，更沒有通過該課程讓學(xué)生建立起計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的整體概念。

總之，國內(nèi)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)教育在“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)方面還存在一些問題，這點(diǎn)從近五年來全國計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生入學(xué)考試的抽樣結(jié)果可以得到印證。2009年開始，計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究生入學(xué)考試采用全國統(tǒng)考方式，計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考科目包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組成原理、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)四門課程，總分為150分。五年來的抽樣結(jié)果顯示，全卷平均分每年僅在60～78之間，試題統(tǒng)計(jì)難度（單選題的試題難度指答對(duì)人數(shù)/總?cè)藬?shù)，綜合應(yīng)用題的試題難度指樣本平均分/該題總分，最終難度為加權(quán)平均值）僅在0.41～0.52之間，其中組成原理最低，特別是其綜合應(yīng)用題的難度僅在0.181～0.440之間，五年共10個(gè)綜合應(yīng)用題，只有兩題的難度達(dá)到了0.4以上，說明所有考生平均僅掌握所考內(nèi)容的大約30%左右，有的方面只有20%不到，也即考生們對(duì)絕大部分綜合應(yīng)用能力考核內(nèi)容都沒有掌握。從抽樣省份來看，前三年抽樣的大多是高等教育水平比較高的地區(qū)，可想而知，全國的抽樣數(shù)據(jù)應(yīng)該更差。近五年的綜合應(yīng)用題抽樣數(shù)據(jù)表明，試題統(tǒng)計(jì)難度與解題涉及的知識(shí)點(diǎn)個(gè)數(shù)相關(guān)性較大，通常涉及的知識(shí)點(diǎn)越多得分越差，說明學(xué)生的綜合應(yīng)用能力較弱，平時(shí)缺乏對(duì)相關(guān)知識(shí)和概念關(guān)聯(lián)性的思考。

根據(jù)近年來對(duì)全國研究生計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考科目考試成績的抽樣調(diào)查結(jié)果，可以看出國內(nèi)大學(xué)計(jì)算機(jī)本科專業(yè)存在“輕應(yīng)用、缺關(guān)聯(lián)、少綜合、無系統(tǒng)觀”的問題[3]。

三、國內(nèi)大學(xué)相關(guān)教學(xué)改革概況

目前，越來越多的高校發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的一些問題，開始注重學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生的“系統(tǒng)觀”。

目前為止，已經(jīng)有一些高校以MIPS為模型機(jī)，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入的講解和實(shí)踐，也有一些高校同時(shí)把CPU設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)和編譯的內(nèi)容融合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)。浙江大學(xué)多年來每年在暑假都會(huì)開設(shè)有關(guān)CPU及其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選修課；東南大學(xué)也專門開設(shè)了面向所有學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程；北京航空航天大學(xué)從2006年開始籌劃，花了5年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了突破，在相關(guān)的數(shù)電和組原、OS及編譯原理課程中逐步讓學(xué)生完成一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；清華大學(xué)目前也已經(jīng)完成了計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的所有軟、硬件部分的開發(fā)，準(zhǔn)備在所有本科生中開設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程。此外，中科大和國防科大等高校也一直在實(shí)施本科生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)計(jì)劃?？上驳氖牵恍┓侵攸c(diǎn)高校的任課老師也在組成原理課程的教學(xué)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，引入了以MIPS為模型機(jī)的 CPU設(shè)計(jì)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

另一方面，像復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院和上海交大軟件學(xué)院等則開設(shè)了與CMU的CS 213類似的課程[4]，北京大學(xué)也在去年全盤引入了CMU的CS 213課程教學(xué)內(nèi)容。但是，總的來說，目前在國內(nèi)全面開展像CMU的CS 213那樣的課程教學(xué)困難還不小，對(duì)任課教師和學(xué)生來說都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

四、南京大學(xué)相關(guān)教學(xué)改革思路和做法

根據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域目前發(fā)展情況的分析以及對(duì)國外一流大學(xué)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)教學(xué)情況的調(diào)查，我系在新的2013版教學(xué)計(jì)劃中，實(shí)施分流培養(yǎng)機(jī)制，提供了計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、軟件工程和信息安全五個(gè)方向。

在“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)方面，其基本培養(yǎng)目標(biāo)為：建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完整概念，深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)。包括：理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)抽象層之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)指令集體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理，具備使用HDL進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基本能力，深刻理解OS和硬件之間的分工和銜接關(guān)系，理解掌握從硬件角度出發(fā)進(jìn)行編譯優(yōu)化的基本技術(shù)，深刻理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理，提高利用硬件知識(shí)進(jìn)行程序調(diào)試的能力。特別對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向的學(xué)生，在系統(tǒng)能力方面則要求更高，在CPU設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)和并行處理技術(shù)等方面都有相應(yīng)的實(shí)踐要求。

在2013版教學(xué)計(jì)劃中，重新規(guī)劃了相關(guān)的一系列課程，并采用以下思路對(duì)相關(guān)課程進(jìn)行重新建設(shè)：（1）根據(jù)系統(tǒng)能力培養(yǎng)總體目標(biāo)，規(guī)劃好相關(guān)課程各自涵蓋的知識(shí)結(jié)構(gòu)和框架體系，合理定位各門課程的教學(xué)目標(biāo)，把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)落實(shí)到具體課程中。（2）根據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)總體框架，擬定各個(gè)相關(guān)課程之間知識(shí)點(diǎn)銜接方案，并且在教學(xué)過程中明確各知識(shí)點(diǎn)在不同課程之間的關(guān)系。（3）根據(jù)規(guī)劃分頭編寫或修訂教材及教案，并在統(tǒng)一的框架下建設(shè)相關(guān)課程。（4）在保留各課程獨(dú)立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的同時(shí)，構(gòu)建一個(gè)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照一定的關(guān)系有機(jī)聯(lián)系起來。

2013版教學(xué)計(jì)劃中有一組課程是所有方向?qū)W生都必修的學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)入和學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)出課程。學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)入課程是指轉(zhuǎn)系學(xué)生只有選讀并考試合格后才有資格轉(zhuǎn)入我系學(xué)習(xí)的最低門檻課程；學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)出課程是指學(xué)生只有修讀合格后才能從我系畢業(yè)的最低門檻課程。

與系統(tǒng)能力培養(yǎng)密切相關(guān)的準(zhǔn)入課程是“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”和“數(shù)字邏輯電路”；而與系統(tǒng)能力培養(yǎng)密切相關(guān)的準(zhǔn)出課程是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”、“操作系統(tǒng)”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”。

每個(gè)方向有幾門方向必修課程和方向指選課程。方向必修課程是該方向?qū)W生必選的方向基礎(chǔ)課程，方向指選課程是為該方向?qū)W生指定的選課范圍內(nèi)的方向相關(guān)課程。例如，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向，其方向必修課程是“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”和“編譯原理”；而在方向指選課程中，與系統(tǒng)能力密切相關(guān)有“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”、“并行處理技術(shù)”、“LINUX分析”、“微機(jī)原理與接口”和“嵌入式系統(tǒng)”等課程，也即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生必須在這些課程中選修一定數(shù)量的課程。

圖3給出了整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中與“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)密切相關(guān)的課程設(shè)置，圖中箭頭描述了課程的先后依賴關(guān)系。

從圖3可看出，所有相關(guān)課程中，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”是最核心的課程，其先行課程是“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”和“數(shù)字邏輯電路”，與其相關(guān)的后續(xù)課程有“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”、“編譯原理”、“并行處理技術(shù)”、“微機(jī)原理與接口”、“嵌入式系統(tǒng)”、“LINUX分析”和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”。

課程設(shè)置基本思路是“從兩頭到中間、從框架到細(xì)節(jié)”，即先開設(shè)頂層的程序設(shè)計(jì)課程和最底層的數(shù)字邏輯電路課程；然后再在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程中，從兩頭到中間，把頂層程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容和底層電路的內(nèi)容，按照程序員視角串起來，以形成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面的和系統(tǒng)的框架性整體認(rèn)識(shí)；在此基礎(chǔ)上，再分別在其他后續(xù)課程中，介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層的硬件以及操作系統(tǒng)和編譯器等層次的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

圍繞系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)課程之間的相互關(guān)系，我們確立了各課程定位如下：

（1）程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。該課程是學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)入課程，所有學(xué)生必修。它主要介紹高級(jí)語言編程技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容，讓學(xué)生初步理解高級(jí)語言及高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)涉及的概念，初步理解圖1所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最上面三個(gè)抽象層（問題、算法和程序）及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。學(xué)完該課程后，學(xué)生能夠了解到計(jì)算機(jī)解決應(yīng)用問題首先必須將其轉(zhuǎn)換為算法，然后用某種編程語言將算法編寫成程序才能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因而，學(xué)完本課程后，應(yīng)該希望進(jìn)一步了解為什么計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行程序、計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行程序等問題。

（2）數(shù)字邏輯電路。該課程是學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)入課程，所有學(xué)生必修。它主要圍繞組合邏輯和時(shí)序邏輯兩大核心內(nèi)容，在邏輯門到功能部件這兩個(gè)層次展開，以后續(xù)課程中用到的功能部件（如半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲(chǔ)器等）作為數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行介紹，初步掌握?qǐng)D1所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最下面的三層（功能部件、門電路和器件）相關(guān)內(nèi)容。學(xué)完該課程后，學(xué)生能夠了解到目前主流計(jì)算機(jī)解決所有問題的最根本的基礎(chǔ)是布爾代數(shù)和數(shù)字邏輯電路，并了解到利用數(shù)字邏輯電路可以構(gòu)建執(zhí)行程序所需的所有功能部件。

（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)。該課程是學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)出課程，所有學(xué)生必修。它是一門新開設(shè)課程，主要介紹高級(jí)語言程序中的數(shù)據(jù)類型及其運(yùn)算、語句和過程調(diào)用等是如何在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，從宏觀上介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)涉及的各個(gè)層次，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)全貌和相關(guān)知識(shí)體系，初步理解圖1所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的每一個(gè)抽象層及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。學(xué)完該課程后，學(xué)生能從程序員角度認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；能夠建立高級(jí)語言程序、ISA、OS、編譯器、鏈接器等之間的相互關(guān)聯(lián)；對(duì)指令在硬件上的執(zhí)行過程和指令的底層硬件執(zhí)行機(jī)制有一定的認(rèn)識(shí)和理解。從而增強(qiáng)學(xué)生在程序調(diào)試、性能提升、程序移植和健壯性等方面的能力，并為后續(xù)的“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”、“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”等課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由此可見，該課程可以作為“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的深入內(nèi)容，能起到為其解惑答疑的作用，學(xué)完該課程，學(xué)生完全應(yīng)該能夠回答為何計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行程序以及計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行程序等問題。

（4）操作系統(tǒng)。該課程是學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)出課程，所有學(xué)生必修。它將系統(tǒng)地講解操作系統(tǒng)的基本概念和方法、設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。主要內(nèi)容包括：處理器管理，同步、通信和死鎖，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理，文件管理，操作系統(tǒng)安全和保護(hù)，分布式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。既闡述經(jīng)典內(nèi)容，又以當(dāng)代主流操作系統(tǒng)作為實(shí)例介紹最新發(fā)展；既注重操作系統(tǒng)的理論知識(shí)，又重視操作系統(tǒng)的實(shí)踐和應(yīng)用。操作系統(tǒng)是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)這門課程必須動(dòng)手實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)將配合原理教學(xué)同步進(jìn)行，課程實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，進(jìn)行模擬類操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生能夠基于虛擬機(jī)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可運(yùn)行的操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)操作系統(tǒng)原理的剖析，輔助學(xué)生深入理解抽象原理，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)知，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并幫助學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)建立起理性、全面、完整和準(zhǔn)確的概念。

（5）計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的必修課程。它主要從寄存器傳送級(jí)以上層次介紹單處理器計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，重點(diǎn)在CPU設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)方面，使學(xué)生在理解高級(jí)語言程序與機(jī)器級(jí)代碼之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解機(jī)器級(jí)代碼如何在具體硬件系統(tǒng)中執(zhí)行的過程以及如何構(gòu)造計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。因而，該課程主要涉及圖1中的第5層（指令集體系結(jié)構(gòu)）和第6層（微體系結(jié)構(gòu)），并通過實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)介紹這兩個(gè)層次與上層的操作系統(tǒng)/虛擬機(jī)以及與下層的功能部件/RTL之間的關(guān)系。通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠利用硬件描述語言和FPGA開發(fā)板來設(shè)計(jì)基本的功能部件以及單周期CPU和流水線CPU。因而，在課程內(nèi)容組織方面應(yīng)該細(xì)化通用寄存器組、ALU和桶形移位器等功能部件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，細(xì)化單周期CPU和流水線CPU設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并講透流水線CPU設(shè)計(jì)中的各種冒險(xiǎn)處理機(jī)制和基本的指令級(jí)并行處理的內(nèi)容。

（6）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的必修課程。學(xué)生在完成單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過該課程進(jìn)行多核處理器、眾核處理器、多處理機(jī)系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式及其應(yīng)用方面的深入學(xué)習(xí)。因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)建立了單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，因而該課程重點(diǎn)應(yīng)該更多地轉(zhuǎn)移到超標(biāo)量流水線、多核/眾核系統(tǒng)、多處理器系統(tǒng)、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等并行處理系統(tǒng)方面。此外，該課程還涵蓋了數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算系統(tǒng)和虛擬機(jī)/虛擬化方面的部分內(nèi)容。

（7）編譯原理。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的必修課程。學(xué)生在掌握了程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)與分析、組成原理和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)編譯器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。它主要包括有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)理論、形式語言分類以及詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、中間代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成的作用和方法，還介紹屬性文法的基本概念和半形式化的中間代碼生成方法。該課程的各個(gè)知識(shí)模塊綜合起來對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)，是使每位學(xué)生掌握和編譯器設(shè)計(jì)相關(guān)的形式語言理論基礎(chǔ)、了解編譯器生成工具的使用方式以及實(shí)踐一個(gè)簡單編譯器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。該課程的學(xué)習(xí)能為后續(xù)的形式語言和自動(dòng)機(jī)等課程以及在軟件工程和自然語言處理等方面的研究工作打下良好的基礎(chǔ)。

（8）并行處理技術(shù)。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的指選課程。其主要內(nèi)容包括并行環(huán)境、并行算法、并行程序設(shè)計(jì)、并行性能評(píng)價(jià)等部分的內(nèi)容。課程總目標(biāo)是通過并行計(jì)算和并行處理的基本概念、基本原理、基本方法與基本知識(shí)的講授與實(shí)踐，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生打下并行算法與并行處理方面的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)。通過簡單介紹并行計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、并行計(jì)算模型與并行算法的性能評(píng)價(jià)方法，掌握并行算法設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)與性能評(píng)價(jià)時(shí)涉及的基本知識(shí)與基本概念；通過介紹任務(wù)分解、任務(wù)調(diào)度、負(fù)載平衡、設(shè)計(jì)模式、設(shè)計(jì)技巧等知識(shí)，掌握并行算法設(shè)計(jì)的基本原理、基本方法與基本技術(shù)；通過對(duì)MPI與OpenMP等編程語言或編程模型的簡單介紹，使學(xué)生掌握并行算法程序?qū)崿F(xiàn)的基本知識(shí)；通過幾類典型的數(shù)值與非數(shù)值并行算法介紹，加深學(xué)生對(duì)并行算法設(shè)計(jì)基本原理與常用方法的理解，并為實(shí)際應(yīng)用問題的并行算法設(shè)計(jì)與并行處理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（9）微機(jī)原理與接口。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的指選課程。主要定位為在PC上的實(shí)例化教學(xué)課程，以目前流行的基于IA-32體系結(jié)構(gòu)的PC為實(shí)例，主要介紹IA-32提供的存儲(chǔ)管理機(jī)制、異常/中斷機(jī)制以及總線和接口技術(shù)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容在PC的I/O接口技術(shù)，包括在FPGA實(shí)驗(yàn)板上利用CPU軟核進(jìn)行總線、中斷和DMA實(shí)驗(yàn)，利用硬件描述語言（HDL）進(jìn)行UART等I/O接口設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)等。

（10）嵌入式系統(tǒng)。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的指選課程。主要定位為在嵌入式系統(tǒng)方面的實(shí)例化教學(xué)課程。主要介紹嵌入式系統(tǒng)概論、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器及其總線互連，嵌入式系統(tǒng)集成接口，嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式硬件與軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法與工具，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)及其工具，嵌入式系統(tǒng)功耗分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容是基于ARM處理器和μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)的簡單嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)。

（11）LINUX分析。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的指選課程。它是操作系統(tǒng)的后續(xù)課程，以剖析Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)技術(shù)為切入點(diǎn)，結(jié)合Linux內(nèi)核代碼，從用戶層及內(nèi)核層兩個(gè)層面，圍繞“原理、技術(shù)、應(yīng)用”三個(gè)角度剖析Linux的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)核實(shí)現(xiàn)機(jī)制，幫助學(xué)生從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)角度理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)。課程以“技術(shù)專題”形式組織教學(xué)內(nèi)容，每個(gè)專題由知識(shí)講授與課程實(shí)驗(yàn)組成。核心知識(shí)模塊包括進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程通信、存儲(chǔ)管理、系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理、文件管理。每個(gè)知識(shí)模塊按“原理設(shè)計(jì)基本思想―實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)問題―Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)途徑―用戶系統(tǒng)編程體驗(yàn)”為主線組織具體內(nèi)容。

（12）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。該課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向?qū)W生的指選課程。主要目的在于將本科計(jì)算機(jī)教學(xué)中的基礎(chǔ)課程，如程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯電路、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)等課程融會(huì)貫通，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和了解，并能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)別于一般的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程從單個(gè)層面出發(fā)的設(shè)計(jì)局限性，它要求學(xué)生把計(jì)算機(jī)軟件和硬件相結(jié)合，并強(qiáng)調(diào)各個(gè)基礎(chǔ)課程之間的銜接與聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能夠?qū)τ趶母呒?jí)程序語言開發(fā)到程序的系統(tǒng)管理、編譯與代碼轉(zhuǎn)換以及硬件運(yùn)行的選擇與實(shí)現(xiàn)等有一個(gè)全面的掌握。實(shí)驗(yàn)還強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)能夠獨(dú)立開發(fā)一套簡單系統(tǒng)并能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的能力。

當(dāng)然，除了上述課程以外，其他課程對(duì)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)也有一定的作用。除了學(xué)科平臺(tái)準(zhǔn)入和準(zhǔn)出課程以外，其他方向的學(xué)生還可以選修上述其他課程，有些課程還可能是某個(gè)方向的必修課和方向指選課，而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向的學(xué)生除了上述給出的必修課和指選課以外，也還可以選擇一些偏理論或偏應(yīng)用的課程進(jìn)行修讀。

后PC時(shí)代WSC、PMD和PC等共存，使得原先基于PC而建立起來的專業(yè)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能反映現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，原先計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)“程序”設(shè)計(jì)也變?yōu)楦鼜?qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”設(shè)計(jì)。這需要我們重新規(guī)劃教學(xué)體系，調(diào)整教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，使學(xué)生能夠深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，更好地掌握軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和程序開發(fā)技術(shù)，從而更多地培養(yǎng)出滿足業(yè)界需求的各類計(jì)算機(jī)專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王志英，周興社，袁春風(fēng)等. 計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2013（9）：1-6.

[2] 王帥，袁春風(fēng). 美國一流大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2011（17）：121-124.

篇4

十多年來，英特爾架構(gòu)平臺(tái)一直以優(yōu)于同類基于RISC的產(chǎn)品的價(jià)格提供了更出色的性能和兼容性?，F(xiàn)在，英特爾安騰架構(gòu)又將同樣的優(yōu)勢帶入了高端企業(yè)計(jì)算環(huán)境。據(jù)英特爾估計(jì)，隨著英特爾安騰2處理器的推出，企業(yè)將能夠以更優(yōu)惠的價(jià)格購買到更強(qiáng)大的平臺(tái)，其交易處理能力比Sun Microsystems的同類平臺(tái)性能高50%。

如果企業(yè)目前已經(jīng)在運(yùn)行針對(duì)安騰架構(gòu)而編譯的應(yīng)用，那么運(yùn)行在安騰2架構(gòu)平臺(tái)上可將性能提升1.5～2倍。安騰2處理器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可以兼容未來的英特爾安騰處理器。

這些性能的增強(qiáng)展示了清晰并行指令計(jì)算（EPIC）模式的擴(kuò)展能力，EPIC技術(shù)形成了英特爾安騰架構(gòu)的基礎(chǔ)。EPIC經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，旨在使復(fù)雜的企業(yè)和技術(shù)應(yīng)用能夠在多年內(nèi)快速、經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)展性能。通過建立一個(gè)有助于最大限度提高并行指令吞吐量的環(huán)境，EPIC突破了傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的限制，并且為未來實(shí)現(xiàn)更高、更經(jīng)濟(jì)高效地性能擴(kuò)展鋪平了道路。

以下我們將討論EPIC技術(shù)的一些關(guān)鍵優(yōu)勢，并闡述了這種技術(shù)為什么會(huì)使安騰架構(gòu)成為支持要求最苛刻的企業(yè)和技術(shù)計(jì)算應(yīng)用的可擴(kuò)展的、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的平臺(tái)。本文還詳細(xì)介紹了安騰2處理器的一些增強(qiáng)特性，這些特性可確保安騰架構(gòu)繼續(xù)在高端計(jì)算領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

對(duì)EPIC技術(shù)的需求

當(dāng)今對(duì)更快更經(jīng)濟(jì)的計(jì)算解決方案的需求已經(jīng)達(dá)到了前所未有的程度。無論是在技術(shù)計(jì)算還是在企業(yè)IT環(huán)境中，由于個(gè)人和企業(yè)都希望了解和控制日益復(fù)雜的流程，因此這種需求更是大幅度增長。

高性能技術(shù)計(jì)算領(lǐng)域中的挑戰(zhàn)

幾乎所有科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)小組都希望實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析，并努力建立日益復(fù)雜的系統(tǒng)模型。毫無疑問，這是率先采用功能強(qiáng)大、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的安騰架構(gòu)解決方案的一個(gè)市場。以美國國家科學(xué)基金會(huì)目前正在開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)為例，這種分布式系統(tǒng)將采用英特爾安騰處理器和英特爾安騰2處理器，總處理器數(shù)量將超過3300個(gè)。所有平臺(tái)將被分配到4個(gè)獨(dú)立的超級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)，并通過專用的高速互連鏈接在一起。整個(gè)系統(tǒng)每秒鐘可以執(zhí)行13.6萬億次計(jì)算，并能夠處理450TB的數(shù)據(jù)。

又例如為美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）能源部開發(fā)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。這種新系統(tǒng)擁有1400個(gè)英特爾安騰2處理器、1.8TB內(nèi)存和170TB硬盤空間，每秒鐘將能夠執(zhí)行8.3萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算。開發(fā)完成后，它將成為世界上功能最強(qiáng)大的基于Linux的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一，使PNNL研究人員能夠以比原有系統(tǒng)快30倍的速度處理復(fù)雜的應(yīng)用。英特爾安騰架構(gòu)的強(qiáng)大能力和經(jīng)濟(jì)的價(jià)格有助于科學(xué)家們突破當(dāng)前計(jì)算能力的限制。目前正在開發(fā)的美國國家科學(xué)基金會(huì)的分布式超級(jí)計(jì)算機(jī)就是最好的范例。

企業(yè)計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

商業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算需求日益增長，其中的部分壓力來自越來越復(fù)雜的技術(shù)工程和設(shè)計(jì)應(yīng)用。許多行業(yè)的公司正在用計(jì)算機(jī)建模和設(shè)計(jì)解決方案替代耗時(shí)的原型開發(fā)。這些計(jì)算密集型應(yīng)用在顯著縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)能夠穩(wěn)步提高復(fù)雜性、準(zhǔn)確性和完善性。

隨著公司不斷增加用戶量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流程的自動(dòng)化處理、以及更有效地為客戶提供服務(wù)，他們要求更高的計(jì)算能力來支持各種復(fù)雜的商業(yè)應(yīng)用，如大型數(shù)據(jù)庫（LDB）、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）和業(yè)務(wù)智能（如數(shù)據(jù)采掘）等。各公司在交易和處理過程中不斷進(jìn)行企業(yè)和部門間整合，這極大增加了工作負(fù)載和企業(yè)的數(shù)據(jù)量。這些業(yè)務(wù)需求不僅要求增強(qiáng)傳統(tǒng)應(yīng)用（如額外特性和功能），同時(shí)還增加了計(jì)算需求。

創(chuàng)新解決方案

EPIC計(jì)算模式是專門為實(shí)現(xiàn)高效并行性而設(shè)計(jì)的，旨在同時(shí)處理多個(gè)指令或進(jìn)程。并行性可以增加每處理器時(shí)鐘周期內(nèi)可完成的工作量，從而加速應(yīng)用的處理。EPIC為增強(qiáng)并行性奠定了基礎(chǔ)，使英特爾能夠通過提高并行指令的吞吐量擴(kuò)展服務(wù)器性能。這種技術(shù)已使許多關(guān)鍵類型應(yīng)用獲得了業(yè)界領(lǐng)先的性能，而且在未來這種優(yōu)勢將會(huì)日益顯著。在其它計(jì)算模式中，并行處理機(jī)會(huì)必須由處理器本身來識(shí)別。EPIC提供了一種增強(qiáng)的指令集，使編譯器能夠在軟件代碼到達(dá)處理器之前明確地識(shí)別出并行處理機(jī)會(huì)。這種編譯器非常適合此任務(wù)，因?yàn)樗梢圆榭春头治稣麄€(gè)代碼為并行處理制定最有效的策略。

這樣，硬件和軟件就可以根據(jù)自身能力選擇應(yīng)用以使其得到最佳處理。編譯器還調(diào)整了程序，以優(yōu)化效率。該處理器能夠以最快的速度簡單地并行處理各種指令。這種處理分工不但帶來了立竿見影的性能優(yōu)勢，而且還為性能擴(kuò)展提供了更多機(jī)會(huì)。

EPIC技術(shù)的關(guān)鍵特性

EPIC技術(shù)為高端應(yīng)用性能的擴(kuò)展提供了獨(dú)有的靈活基礎(chǔ)。英特爾安騰2處理器構(gòu)建在此基礎(chǔ)上，較第一代英特爾安騰處理器提供了顯著的性能優(yōu)勢。未來的安騰處理器仍將會(huì)不斷提升性能，為現(xiàn)有的安騰架構(gòu)解決方案提供定期升級(jí)機(jī)會(huì)。

顯式并行性

獲得高度并行性是EPIC高效計(jì)算的關(guān)鍵。目前的英特爾安騰處理器能夠同時(shí)處理多達(dá)6條指令，而且EPIC還能夠靈活地提高未來處理器的并行性。（相比之下，基于RISC的同檔處理器每時(shí)鐘周期最多處理4條指令。）

當(dāng)然，同時(shí)處理的最多指令數(shù)量并不是衡量應(yīng)用性能的唯一尺度。處理器必須要能夠支持高度的并行性來優(yōu)化總體吞吐量。EPIC計(jì)算模式具備的眾多特性使其非常適于該項(xiàng)任務(wù)，包括廣泛的計(jì)算資源、增強(qiáng)的預(yù)測和推測能力。

英特爾安騰2處理器的增強(qiáng)：與第一代安騰處理器相比，安騰2處理器擁有更多的執(zhí)行資源，因此能夠支持更高的并行指令吞吐量。如下所述，預(yù)測和推測能力也得到了提高。進(jìn)而使安騰2處理器能夠比第一代安騰處理器多處理6條指令，并使這些指令通過流水線更快地運(yùn)行。

預(yù)測能力

大多數(shù)軟件代碼都包括許多條件分支。條件分支是一種諸如“如果/那么”這樣的操作，其操作結(jié)果決定處理器下一步該做什么。在其它體系結(jié)構(gòu)中，條件分支未處理之前處理器不可能向前運(yùn)行。在分支密集型代碼中，這會(huì)成為總體吞吐量的主要限制因素。

在EPIC計(jì)算模式下，預(yù)測能力使編譯器能夠明確識(shí)別能以并行方式處理的指令流。它還使處理器能夠預(yù)先載入指令和數(shù)據(jù)，并同時(shí)針對(duì)兩個(gè)分支開始處理。一旦條件語句得到處理，收集到的不正確路徑的信息就會(huì)被刪除，從而使處理器能夠繞過一個(gè)條件分支而不必等待它被解決，進(jìn)而顯著提高了并行處理效率。

英特爾安騰2處理器的增強(qiáng)

安騰2處理器能夠放棄錯(cuò)誤結(jié)果，并能比第一代安騰處理器更快地恢復(fù)有效計(jì)算周期。從而可以更積極、有效地利用預(yù)測功能來提高總體吞吐量。

EPIC并不是第一種支持64位數(shù)據(jù)、計(jì)算和內(nèi)存尋址的計(jì)算模式。然而與其它同檔64位體系結(jié)構(gòu)相比，EPIC技術(shù)增強(qiáng)的并行性和安騰架構(gòu)使大量數(shù)據(jù)能夠得到更有效地處理。如果沒有EPIC基于預(yù)測、推測和大規(guī)模計(jì)算資源的高度并行執(zhí)行模式，64位尋址能力的性能優(yōu)勢會(huì)受到限制。

英特爾安騰架構(gòu)的可靠性

英特爾安騰處理器和兼容芯片組具有大量內(nèi)建特性，能夠最大限度地延長正常運(yùn)行時(shí)間，其中包括在所有主要數(shù)據(jù)通路上提供高級(jí)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)；以及增強(qiáng)的機(jī)器檢查體系結(jié)構(gòu)（MCA），可提供改進(jìn)的錯(cuò)誤恢復(fù)與管理。這些特性構(gòu)建在開放、可擴(kuò)展的框架之上，使平臺(tái)能夠檢測、分離并及時(shí)修復(fù)錯(cuò)誤，而在以前這些錯(cuò)誤很可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

平臺(tái)制造商正通過各種高端可用性特性來擴(kuò)展這些能力，如內(nèi)建硬件冗余、熱插拔和熱交換組件、故障切換網(wǎng)絡(luò)連接和經(jīng)由RAID的數(shù)據(jù)保護(hù)。隨著體系結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，它將會(huì)繼續(xù)以優(yōu)異的價(jià)格提供先進(jìn)的可用性特性。

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【關(guān)鍵詞】FPGA；計(jì)算全息；循環(huán)迭代算法；優(yōu)化

1.引言

計(jì)算全息是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)與光學(xué)結(jié)合的全息圖制作的一種新技術(shù)，具有最終實(shí)現(xiàn)3D電視的潛能，與光學(xué)全息相比，計(jì)算全息具有靈活方便、高重復(fù)性、適用范圍廣對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)[1]，已發(fā)展成為一項(xiàng)非常熱門的技術(shù)。但是全息術(shù)系統(tǒng)很難發(fā)展到實(shí)際使用中，故面臨著一個(gè)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿⑿g(shù)需要一種高性能的且能為它實(shí)時(shí)重現(xiàn)的計(jì)算能力。為此我們利用FPGA技術(shù)的并行處理特性和基于菲涅爾計(jì)算全息圖[2-3]，提出了一種基于FPGA技術(shù)的計(jì)算全息實(shí)現(xiàn)方法，在計(jì)算速度方面我們得到了很大的改善。另外為了降低系統(tǒng)成本，降低器件功耗，為以后的技術(shù)升級(jí)留下更多的可編程資源，我們對(duì)此算法進(jìn)行有關(guān)VHDL 編碼方面的面積優(yōu)化，提高資源利用率。

一般而言，在基于FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化問題主要包括面積優(yōu)化和速度優(yōu)化。面積優(yōu)化是指FPGA的資源的利用率優(yōu)化；速度優(yōu)化是指設(shè)計(jì)對(duì)象滿足一定的速度要求。面積優(yōu)化和速度優(yōu)化通常又是一對(duì)矛盾，一般情況下，速度指標(biāo)是首要的，在滿足速度要求的前提下，盡可能實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化面積。

3.硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前視頻處理的性能特點(diǎn)，我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FPGA+ARM架構(gòu)的方式，不但具備Altera Cyclone2 FPGA強(qiáng)大的視頻處理能力，而且增加了一顆ST公司ARM CORTEX-M3內(nèi)核CPU――STM32F101R8T6，并且外掛了一顆16Mb大容量串行Flash，可以向FPGA寫入OSD和圖片等內(nèi)容，進(jìn)一步增加了我們系統(tǒng)的硬件能力，幫助我們更好進(jìn)一步對(duì)計(jì)算全息的研究。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5.結(jié)果分析

6.結(jié)論

本文主要針對(duì)計(jì)算全息圖在FPGA上實(shí)現(xiàn)提出了兩種優(yōu)化方案。其一是速度優(yōu)化，提出了一種并行處理或流水線處理方案，這是一種基于FPGA的計(jì)算全息圖生成方法，通過分析菲涅爾全息圖數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用迭代的方法簡化計(jì)算過程，極大地減少了計(jì)算量，并通過FPGA的并行處理特性，提出先計(jì)算全息面上每行第一個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)值，其余位置的計(jì)算通過簡單的乘法、加法運(yùn)算疊加來得到其光強(qiáng)，進(jìn)一步加快了計(jì)算速度，有效縮短全息圖的計(jì)算時(shí)間，并由所生成的全息圖再現(xiàn)出原始圖像，驗(yàn)證了該方法的可行性。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用基于FPGA并行處理的方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息圖，可以大大提高全息圖的運(yùn)算速度，而且制作過程相對(duì)比較簡單，為計(jì)算全息圖的實(shí)時(shí)顯示進(jìn)行了有益的探索，該方法具有很好的應(yīng)用前景，為下一步實(shí)現(xiàn)三維立體圖的實(shí)時(shí)計(jì)算全息圖研究奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。另一種是面積優(yōu)化，我們利用VHDL編程的一些技巧，在不影響計(jì)算全息處理速度的前提下，來減少硬件資源的利用，降低成本。

參考文獻(xiàn)

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篇6

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；加密接口卡；硬件設(shè)計(jì)

伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全性問題引起了人們的廣泛關(guān)注。而在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，接口卡加密技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴＜訌?qiáng)對(duì)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡的硬件設(shè)計(jì)，能夠提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安全性，因此可為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡加密原理

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡中，采用了ECC加密技術(shù)，可以在定義群中實(shí)現(xiàn)雙線性映射，提供較小密鑰，取得安全系數(shù)較好的保密效果[1]。在眾多密碼加密技術(shù)中，ECC技術(shù)性能穩(wěn)定，并且安全級(jí)別較高。而網(wǎng)絡(luò)加密接口卡的原理與加密芯片類似，能夠防止非法服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上來看，接口卡主要包含處理芯片和密碼記憶芯片兩部分，需要將ECC密碼當(dāng)成是基礎(chǔ)，取得穩(wěn)定加密效果。按照ECC密碼體制，需要對(duì)點(diǎn)算法和模算法進(jìn)行運(yùn)用，加密速度取決于算法速度。在密碼體系構(gòu)建時(shí)，需要選擇運(yùn)算效率較高的方式，以便使硬件加密系統(tǒng)得到性能提升。采用多片數(shù)字信號(hào)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)算法并行，使解密速度得到加快。

二、基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡的硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)思路在網(wǎng)絡(luò)加密接口卡硬件設(shè)計(jì)上，需要采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)硬件加密。不同于主機(jī)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要利用專用加密芯片或獨(dú)立處理芯片才能完成密碼運(yùn)算。對(duì)接口卡硬件進(jìn)行加密，需要將ECC密碼體系當(dāng)成是密鑰，得到由加密芯片、硬盤、電子鑰匙等構(gòu)成的加密卡。利用芯片，可以獲取鑰匙、硬盤等信息，實(shí)現(xiàn)ECC密碼加解密運(yùn)算。缺少電子鑰匙和加密芯片等部分，計(jì)算機(jī)將無法實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別。因此在嵌入式系統(tǒng)中，采用硬件加密方式較之軟件更加安全。在大型服務(wù)器中，采用該種硬件設(shè)計(jì)方式能夠避免非法接入網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)帶來的破壞。實(shí)際在接口選用上，I2C為智能芯片接口，擁有128KB獨(dú)立存儲(chǔ)空間，能夠用于存儲(chǔ)ECC密碼。在接口中，包含128位芯片處理器，促使芯片接口具有較強(qiáng)的功能性和安全性。采用芯片嵌入技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)程序植入，運(yùn)用代碼方式將軟件中部分算法或函數(shù)下載到芯片中，用于加解密運(yùn)算。在硬件設(shè)計(jì)期間，可以采用C語言進(jìn)行ECC運(yùn)算程序編寫，將普通I2C芯片轉(zhuǎn)換為硬件加密接口。在對(duì)芯片內(nèi)代碼程序進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，采用函數(shù)形式能夠?qū)⒔Y(jié)果當(dāng)成是用戶程序，使芯片獲得較強(qiáng)運(yùn)算能力和大下載空間，順利實(shí)現(xiàn)程序代碼升級(jí)，使接口加密效果得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在處理結(jié)點(diǎn)選擇時(shí)，需要采用數(shù)字信號(hào)處理器，能夠有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)密碼運(yùn)算。

（二）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合硬件設(shè)計(jì)思路，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡采用主從式多處理系統(tǒng)的硬件接口，配備雙端存儲(chǔ)器提高加解密運(yùn)算速度。針對(duì)微型計(jì)算機(jī)，擁有與網(wǎng)絡(luò)不同的硬件環(huán)境，還要采用并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足硬件加密需求。采用該種結(jié)構(gòu)，能夠使訪問沖突問題得到解決，允許用戶對(duì)不同單元進(jìn)行同時(shí)訪問，降低沖突發(fā)生的可能性。利用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)運(yùn)算，能夠使各結(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立存儲(chǔ)器，促使運(yùn)算期間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求能夠得到滿足。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)加密特點(diǎn)，需要配備兩個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C50，與Pentium4構(gòu)成三機(jī)并行處理系統(tǒng)。在處理器中，包含獨(dú)立內(nèi)存單元和32位浮點(diǎn)格式，具有較高運(yùn)算精度。兩個(gè)處理器作為獨(dú)立子系統(tǒng)，需要利用ISA總線與PC連接，采用共享存儲(chǔ)方式與主控機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。PC機(jī)是主控機(jī)，需要對(duì)靜態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行執(zhí)行，確保加解密任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)合理調(diào)配。在微機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，文件傳輸字符超出500個(gè)，需要至少25對(duì)明密文組，提出了較高加密要求。而結(jié)點(diǎn)運(yùn)算獨(dú)立性較強(qiáng)，需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，因此應(yīng)使各結(jié)點(diǎn)擁有局部存儲(chǔ)器。但受并行規(guī)模和卡槽個(gè)數(shù)限制，最多允許10個(gè)從結(jié)點(diǎn)存在，所以需要利用共享式存儲(chǔ)器加載程序滿足加解密運(yùn)算需求。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，需要由PC機(jī)向處理器發(fā)送復(fù)位命令，利用程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)加載，將數(shù)據(jù)通過雙端口RAM傳輸?shù)礁髯酉到y(tǒng)中。在子系統(tǒng)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的條件下，可以獨(dú)立完成計(jì)算任務(wù)，然后將結(jié)果統(tǒng)一返回至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果輸出?？紤]到系統(tǒng)采用共享存儲(chǔ)互連方式，還要完成并行EPROM的設(shè)置。利用控制端口，主機(jī)可以向子系統(tǒng)發(fā)出初始控制命令，使從結(jié)點(diǎn)得到啟動(dòng)管理。采用該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)λ惴ǖ牟⑿行赃M(jìn)行充分利用，促使系統(tǒng)加解密速度得到提高。

（三）硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)從硬件加解密技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程來看，ECC加密在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用需要得到適當(dāng)調(diào)整，在系統(tǒng)三線并行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上完成加密卡測試。作為具有較強(qiáng)運(yùn)算性能的處理器，TMS處理器需要利用A結(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密任務(wù)的執(zhí)行，然后利用B結(jié)點(diǎn)完成解密任務(wù)，合理實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)任務(wù)的調(diào)配[2]。在實(shí)際運(yùn)作中，RAM需要將全部初始數(shù)據(jù)提供給TMS系統(tǒng)，然后聯(lián)合PC機(jī)一同執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)。將16位并行EPROM當(dāng)成是引導(dǎo)，可以順利實(shí)現(xiàn)TMS初始化。為保證PC機(jī)能夠順利實(shí)現(xiàn)端口控制，還應(yīng)使結(jié)點(diǎn)復(fù)位引腳稍低。在系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的情況下，需要在雙端口存儲(chǔ)器中輸入程序代碼，為主機(jī)調(diào)用提供便利。在存儲(chǔ)器中，利用引導(dǎo)程序，可以進(jìn)行引導(dǎo)字或其他引導(dǎo)參數(shù)的選擇。針對(duì)復(fù)位引腳，需要利用控制端口置高。而在結(jié)點(diǎn)讀取的過程中，考慮到程序本身超出32位存儲(chǔ)器容量，需要完成128位存儲(chǔ)器增設(shè)，確保加解密運(yùn)算能夠快速執(zhí)行?？紤]到結(jié)點(diǎn)程序較大，可以額外進(jìn)行32位局部程序存儲(chǔ)器的配置。采取該種方式，能夠在訪問系統(tǒng)時(shí)無需等待，因此能夠使接口可靠性得到進(jìn)一步提升。

三、結(jié)論

綜上所述，采用ECC加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口卡設(shè)計(jì)，可以將ECC密碼體制當(dāng)成是基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理芯片硬件接口設(shè)計(jì)，得到的加密卡不僅具有較高安全性，同時(shí)具有一定可靠性，能夠使數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)需求得到滿足。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：超算平臺(tái)；并行計(jì)算；有限元

1 引 言

由于技術(shù)的發(fā)展和要求，ANSYS等計(jì)算密集型軟件的應(yīng)用越來越多，人們對(duì)計(jì)算速度和計(jì)算規(guī)模的要求越來越高。而個(gè)人計(jì)算機(jī)受到硬件架構(gòu)和系統(tǒng)軟件的限制，已很難滿足這種大規(guī)模及高性能計(jì)算的需求。而高性能計(jì)算集群的出現(xiàn)，可以充分發(fā)揮各類軟件的并行計(jì)算能力，很大程度上解決了計(jì)算速度和計(jì)算規(guī)模的問題。目前，隨著國家推進(jìn)智慧城市發(fā)展政策的指引，國內(nèi)多個(gè)大城市均開始建設(shè)超級(jí)計(jì)算平臺(tái)，部分超級(jí)計(jì)算平臺(tái)已部署了ANSYS等應(yīng)用軟件，使中小型科研設(shè)計(jì)院所及工程建造企業(yè)通過政府的超算平臺(tái)解決企業(yè)高性能計(jì)算問題成為可能。但由于超算中心日常運(yùn)維成本很高，為了盡量減少超算資源的占用，我們將有限元前、后處理工作放在本地計(jì)算機(jī)上完成。

2 應(yīng)用概述

2.1 超算應(yīng)用的軟硬件環(huán)境及業(yè)務(wù)流程

2.1.1 遠(yuǎn)程超算中心環(huán)境

天津超算中心的主業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界上運(yùn)算速度最快之一的“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，峰值速度為每秒1206萬億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算（TFlops），持續(xù)速度為563.1TFlops（LINPACK實(shí)測值），是我國首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.1.3 業(yè)務(wù)流程

目前超算平臺(tái)暫時(shí)未提供用戶圖形交互操作界面，用戶只能把預(yù)先編制好的命令行作業(yè)文件提交到超算平臺(tái)上執(zhí)行批量計(jì)算。以下為本應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程：

（1）在本地建立ANSYS有限元幾何模型，編制ANSYS計(jì)算作業(yè)文件、超算平臺(tái)作業(yè)調(diào)度文件；

（2）登錄遠(yuǎn)程超級(jí)計(jì)算機(jī)，上傳作業(yè)文件和作業(yè)調(diào)度文件，提交計(jì)算作業(yè)；

（3）觀察計(jì)算過程；

（4）讀取計(jì)算結(jié)果；

（5）在本地完成有限元計(jì)算后處理。

2.2 本地準(zhǔn)備工作

2.2.1 建立有限元幾何模型

Ansys軟件擁有良好的前處理交互界面，建立幾何模型所需的計(jì)算機(jī)資源少，在微機(jī)上也可方便地建立比較復(fù)雜的幾何模型，因此本應(yīng)用首先在微機(jī)上建立整個(gè)艏樓的幾何模型，并設(shè)置好模型的材料屬性、單元類型、實(shí)常數(shù)、剖面屬性等參數(shù)，如圖1所示。幾何模型建立后將文件保存為cal_1.db。

2.2.2 編制計(jì)算作業(yè)文件

為對(duì)比微機(jī)與超算并行處理模塊的處理能力，本模型采用細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長尺寸取25 mm。由于網(wǎng)格數(shù)量太多，在微機(jī)上不能完成網(wǎng)格劃分，因此網(wǎng)格劃分安排在超算平臺(tái)上進(jìn)行。

在超算平臺(tái)上進(jìn)行前處理APDL在并行處理模塊上使用方法與微機(jī)一致，因此本應(yīng)用采用APDL進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1]。計(jì)算求解控制同樣以APDL實(shí)現(xiàn)，保存成文件input.txt.。代碼如下：

2.2.3 編制計(jì)算作業(yè)調(diào)度文件

要通過計(jì)算作業(yè)調(diào)度文件才能使用超算中心分配的資源。按照超算中心作業(yè)調(diào)度文件編制規(guī)范要求，編制作業(yè)調(diào)度文件。意義如下：

第1行指定計(jì)算要采用的結(jié)點(diǎn)數(shù)：如-N 3 表示本應(yīng)用指定結(jié)點(diǎn)數(shù)為3；

第2行指定每個(gè)結(jié)點(diǎn)的CPU核數(shù)，本應(yīng)用指定每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的CPU為4核；

第3行調(diào)用Ansys命令行文件，調(diào)用編制好的input計(jì)算作業(yè)文件；

第4行指定工作目錄，用戶可在遠(yuǎn)程超級(jí)計(jì)算機(jī)上分配到的文件夾下創(chuàng)建文件。

完整的作業(yè)調(diào)度文件保存為mechanical130-parallel.sh。

2.3 遠(yuǎn)程登錄超算中心

2.3.1 登陸服務(wù)器

為了保證用戶數(shù)據(jù)的安全，超算中心一般采用VPN 軟件對(duì)用戶的登錄進(jìn)行管理[2]。遠(yuǎn)程用戶首先需要使用瀏覽器軟件，通過VPN 用戶名和口令驗(yàn)證訪問超算中心網(wǎng)站，再根據(jù)用戶自己的操作系統(tǒng)配置VPN 客戶端即可正常登陸超算中心VPN后。

用戶成功登陸超算中心VPN后，還需要登錄中心具體的資源業(yè)務(wù)服務(wù)器才能進(jìn)行計(jì)算。中心資源一般通過TCP 應(yīng)用的方式供用戶使用，用戶必須通過ssh 登陸方式，可以通過SSH Secure Shell Client，SecureCRT，Putty等ssh 客戶端軟件來使用中心資源。

本應(yīng)用通過本地Windows操作系統(tǒng)的微機(jī)遠(yuǎn)程登錄到天津超算中心的“天河一號(hào)”TH-1超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）應(yīng)用IE瀏覽器；

（2）安裝相應(yīng)控件；

（3）登錄到超算中心VPN；

（4）使用SSH Secure Shell Client客戶端軟件；

（5）登錄到天河一號(hào)TH-1 超級(jí)計(jì)算機(jī)。

2.3.2 修改用戶帳號(hào)密碼

具體項(xiàng)目數(shù)據(jù)通常涉及單位的商業(yè)秘密，為了保證數(shù)據(jù)安全，超算中心采用了LDAP 技術(shù)來管理用戶，新創(chuàng)建的用戶節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)創(chuàng)建相應(yīng)的工作目錄。用戶可以通過passwd 命令修改用戶密碼。

2.4 上傳作業(yè)文件

計(jì)算需要的作業(yè)文件需要先從本地上傳到超級(jí)計(jì)算機(jī)上，從外部機(jī)器向天津超算中心的天河一號(hào)TH-1 小系統(tǒng)中上傳文件，可以使用sftp 客戶端，例如SSH Secure Shell Client 等本身自帶的文件傳輸功能，或者使用WinScp 的sftp 數(shù)據(jù)傳輸軟件。

2.5 提交作業(yè)，在超算平臺(tái)上進(jìn)行并行計(jì)算

用戶將在本地微機(jī)上準(zhǔn)備的cal_1.db、input.txt及mechanical130-parallel.sh文件上傳到超算平臺(tái)的用戶目錄下，用ls命令查看文件是否上傳成功。確認(rèn)文件上傳成功后，使用yhbatch mechanical130-parallel.sh指令提交作業(yè)。作業(yè)成功提交后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成作業(yè)號(hào)，開始進(jìn)行分布式并行運(yùn)行。

2.6 觀察計(jì)算過程

提交作業(yè)腳本文件后，系統(tǒng)將會(huì)為本次作業(yè)分配一個(gè)唯一的作業(yè)號(hào)（Job ID）。

本次作業(yè)提交后，系統(tǒng)返回作業(yè)號(hào)為91705，并在當(dāng)前目錄下生成本次作業(yè)日志文件slurm-91705.out；

關(guān)鍵命令解釋如下：

yhq -u shikl 命令查看用戶shikl所有作業(yè)的情況：ST 表示作業(yè)狀態(tài)；R 表示作業(yè)處于運(yùn)行中（Runing）；如果遇到PD 表示作業(yè)在等待狀態(tài)（Pending，可能由于沒有空閑的結(jié)點(diǎn)或用戶達(dá)到最大運(yùn)行作業(yè)數(shù)或最大運(yùn)行CPU核數(shù)）；ls 命令觀察當(dāng)前目錄所有文件；tail -f slurm-91705.out 命令實(shí)時(shí)查看本次作業(yè)的日志文件末尾信息。

2.7 讀取計(jì)算結(jié)果

分布式并行計(jì)算每個(gè)CPU分別生成獨(dú)自的Ansys結(jié)果文件，如.rst文件，本次應(yīng)用分別生成file0.rst、file1.rst、file2.rst、file3.rst、file4.rst共4個(gè)結(jié)果文件，運(yùn)算完成后Ansys 分布模塊自動(dòng)將每個(gè)CPU單獨(dú)產(chǎn)生fileX.rst文件合成為總的file.rst。

讀取計(jì)算結(jié)果時(shí)，不能像單機(jī)一樣直接讀取file.db文件，分布式并行計(jì)算結(jié)果不會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫文件中，數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)的數(shù)據(jù)只包括主服務(wù)器的計(jì)算結(jié)果，因此計(jì)算結(jié)果只能讀取結(jié)果文件（file.rst）。

由于本應(yīng)用計(jì)算結(jié)果文件太大，在本地?zé)o法完成計(jì)算結(jié)果的讀取，計(jì)算結(jié)果用APDL讀取。

3 結(jié)語

通過本次應(yīng)用，熟悉了超算平臺(tái)ANSYS分布式并行處理模塊的使用流程，摸索出了一種微機(jī)ANSYS與超算平臺(tái)ANSYS并行處理模塊的連接方式，真實(shí)體驗(yàn)了分布式并行計(jì)算強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

隨著船舶設(shè)計(jì)越來越向大型化發(fā)展，以及一些新規(guī)范的要求，如HCSR在計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)要求將網(wǎng)格劃分為細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格邊長50 mm），疲勞計(jì)算時(shí)網(wǎng)格要求劃分為精細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格邊長不超過板厚），結(jié)構(gòu)計(jì)算的規(guī)模越來越大，普通微機(jī)硬件及效率已經(jīng)滿足不了計(jì)算的需求，超算平臺(tái)為此提供了一個(gè)高效的解決方案。但由于超算平臺(tái)應(yīng)用費(fèi)用非常昂貴，而船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算在前處理和后處理需花費(fèi)非常大量時(shí)間，所有計(jì)算過程在超算平臺(tái)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性不佳。因此采用在本地進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的前后處理，在超算平臺(tái)進(jìn)行求解計(jì)算的方式既經(jīng)濟(jì)又高效。本次應(yīng)用探索的微機(jī)ANSYS與超算平臺(tái)ANSYS業(yè)務(wù)連接方式具有較高的實(shí)用意義，同時(shí)對(duì)其它軟件與超算平臺(tái)對(duì)接也具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

篇8

關(guān)鍵詞：芯片測試；DNA計(jì)算；研究

中圖分類號(hào)：TP384文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)23-1059-02

Chip Testing DNA Computer Algorithm Research

PAN Guo1, LI Ken-li2

(1.Hunan Modern Physical Distribution Professional Technology Institute, Changsha 410131, China; 2.School of Computer and Communication, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: Uses the DNA supercomputing, designs the chip wrong test the efficient algorithm, and with the existing test technology union, in the solution existing integrated circuit in the wrong test will exist because of lasts long has been unable to guarantee that the chip electric circuit rate of accuracy will achieve 100% this substantive question. This article elaborated the chip testing DNA computer algorithm research significance, the present situation, the research content, the research technique and so on.

Key words: chip testing; DNA computation; research

1 引言

DNA計(jì)算及DNA計(jì)算機(jī)的研究已成為近年來理論計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究熱點(diǎn)，是組合優(yōu)化領(lǐng)域NP完全問題和其它難解問題的潛在解決方法之一。電路測試在集成電路研究領(lǐng)域中有著重要的地位，是大規(guī)?；A(chǔ)電路VLSI設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，但現(xiàn)有測試方法均要求高計(jì)算量，即使借助價(jià)格昂貴的超級(jí)計(jì)算機(jī)，依然難以滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)芯片性能的強(qiáng)大需求。

2 研究意義

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新工程領(lǐng)域中的復(fù)雜系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，在這些復(fù)雜系統(tǒng)的研究過程中，各種棘手的NP-完全問題處處可見。電子計(jì)算機(jī)因運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量太小，無法對(duì)這些NP完全問題實(shí)現(xiàn)有效求解。生物分子計(jì)算或DNA計(jì)算的出現(xiàn)為這些難解問題的解決帶來了新的希望，1994年Adleman博士首先在基于分子生化反應(yīng)的基礎(chǔ)上成功求解了7個(gè)頂點(diǎn)的Hamilton路徑問題后，DNA計(jì)算與DNA計(jì)算機(jī)的研究形成了理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)， 吸引了眾多計(jì)算機(jī)科學(xué)家和生物學(xué)家的研究興趣，而可用DNA計(jì)算機(jī)解決的數(shù)學(xué)問題的種類也迅速增長。DNA 計(jì)算的最大優(yōu)點(diǎn)是其具有的海量存儲(chǔ)和并行運(yùn)算能力，因此，它理論上可克服電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量小與運(yùn)算速度慢的不足。而且，只要未來關(guān)于DNA計(jì)算機(jī)的生物技術(shù)走向成熟（無錯(cuò)碼、鏈長適中、操作自動(dòng)化等），其超級(jí)計(jì)算的成本將遠(yuǎn)低于現(xiàn)有基于VLSI結(jié)構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的成本：目前為止，一個(gè)測試試管已可產(chǎn)生1018個(gè)DNA鏈，它可使1018位數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)并行的方式并行運(yùn)行。因此，DNA計(jì)算機(jī)可提供相當(dāng)于1018個(gè)處理單元的并行性和O(1018)的存儲(chǔ)空間。目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)在1000s內(nèi)大約能并發(fā)處理128*1015位的信息，而DNA計(jì)算中耗時(shí)最長的“抽取”操作在1000s內(nèi)可在試管中同時(shí)處理1018位的數(shù)據(jù)單元；DNA計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)密度大約為磁帶的1012倍。因此，利用DNA計(jì)算的巨大并行性，采用完全窮舉的方式，仍然能夠快速的找到激活故障所需的測試向量。

3 研究現(xiàn)狀分析

隨著集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，集成電路的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，單憑手工測試幾乎是不可能的了，這迫使人們研究新的方法和技術(shù)來完成這項(xiàng)工作。隨即計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，尤其是微型計(jì)算機(jī)的普及，為測試提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，測試逐步從人工轉(zhuǎn)向自動(dòng)化。

隨著各種數(shù)字系統(tǒng)尤其是數(shù)字計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，集成電路得到了十分廣泛的應(yīng)用，其制造水平和工藝也隨之迅速提高。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，集成電路測試技術(shù)成為了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造過程中非常關(guān)鍵的一環(huán)。然而集成電路的集成度，規(guī)模和復(fù)雜度呈現(xiàn)出幾何級(jí)數(shù)的增長速度，這給電路測試帶來了很大的難度，同時(shí)也出現(xiàn)了很多新的問題，一些傳統(tǒng)的測試技術(shù)和方法已不能滿足人們對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求。要解決這些問題，迫切需要采用一些新的測試?yán)碚?，測試技術(shù)和方法。

生物分子計(jì)算或DNA計(jì)算的出現(xiàn)為難解問題的解決帶來了新的希望，1994年美國南加州大學(xué)的Adleman博士首先在基于分子生化反應(yīng)的基礎(chǔ)上成功求解了7個(gè)頂點(diǎn)的Hamilton路徑問題[9]，并開創(chuàng)性地提出了DNA計(jì)算模型，之后，DNA計(jì)算與DNA計(jì)算機(jī)的研究形成了理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，吸引了眾多計(jì)算機(jī)科學(xué)家和生物學(xué)家的研究興趣，而可用DNA計(jì)算機(jī)解決的數(shù)學(xué)問題的種類也迅速增長[10-12]。DNA計(jì)算的最大優(yōu)點(diǎn)是其具有的海量存儲(chǔ)和并行運(yùn)算能力，因此，它理論上可克服電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量小與運(yùn)算速度慢的不足。而且，只要未來關(guān)于DNA計(jì)算機(jī)的生物技術(shù)走向成熟（無錯(cuò)碼、鏈長適中、操作自動(dòng)化等），其超級(jí)計(jì)算的成本將遠(yuǎn)低于現(xiàn)有基于VLSI結(jié)構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)的成本：目前為止，一個(gè)測試試管已可產(chǎn)生1018個(gè)DNA鏈，它可使1018位數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)并行的方式并行運(yùn)行[13]。因此，DNA計(jì)算機(jī)可提供相當(dāng)于1018個(gè)處理單元的并行性和O(1018)的存儲(chǔ)空間。目前世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)在1000s內(nèi)大約能并發(fā)處理128*1015位的信息，而DNA計(jì)算中耗時(shí)最長的“抽取”操作在1000s內(nèi)可在試管中同時(shí)處理1018位的數(shù)據(jù)單元；DNA計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)密度大約為磁帶的1012倍。

到目前為止，利用DNA計(jì)算已經(jīng)成功設(shè)計(jì)出許多數(shù)論及圖論中NP難問題（如子集和、SAT、團(tuán)問題等）；Chang利用基于粘貼模型首次提出破解 RSA 密鑰的DNA算法；在工程應(yīng)用方面，諸如電梯調(diào)度等NP難問題和數(shù)字信號(hào)處理也已在DNA計(jì)算中得到解決。

但是，利用DNA計(jì)算的巨大并行性，采用完全窮舉的方式，對(duì)于大規(guī)模集成電路測試產(chǎn)生目前尚沒有相應(yīng)DNA計(jì)算機(jī)算法。

4 研究內(nèi)容與研究目標(biāo)

應(yīng)用DNA生物超級(jí)計(jì)算所具備的海量并行運(yùn)算能力，力圖解決現(xiàn)有測試方法中計(jì)算能力不足問題。

1）利用DNA計(jì)算存在的巨大并行性，設(shè)計(jì)基于電壓 測試產(chǎn)生的直接窮舉的DNA計(jì)算機(jī)算法，結(jié)合生物實(shí)驗(yàn)與實(shí)際芯片對(duì)提出的算法進(jìn)行測試和評(píng)估；

2）為了彌補(bǔ)電壓測試的不足，進(jìn)一步提高故障覆蓋率，保證集成電路產(chǎn)品的高可靠性，設(shè)計(jì)基于電流測試產(chǎn)生的基于窮舉的DNA計(jì)算機(jī)算法，結(jié)合生物實(shí)驗(yàn)與實(shí)際芯片對(duì)提出的算法進(jìn)行測試和評(píng)估，通過與電壓測試DNA計(jì)算機(jī)算法故障的覆蓋率的比較，對(duì)所提出算法做進(jìn)一步的改進(jìn)；

3）從現(xiàn)有電子計(jì)算機(jī)中傳統(tǒng)并行計(jì)算和并行處理的模型出發(fā)，分析DNA計(jì)算的基本生物操作的并行機(jī)制及其在并行方式和存儲(chǔ)上所具有的特點(diǎn)，結(jié)合遺傳算法、FAN算法等測試中的有效經(jīng)典算法，考慮將傳統(tǒng)并行處理的策略和DNA計(jì)算的特點(diǎn)相結(jié)合，提出可擴(kuò)展新的DNA計(jì)算測試產(chǎn)生算法，算法應(yīng)能顯著降低DNA鏈長和DNA鏈數(shù)。

研究目標(biāo)：利用DNA計(jì)算機(jī)模型，設(shè)計(jì)芯片錯(cuò)誤測試的有效算法，解決現(xiàn)有芯片測試方法因?yàn)槠湟蟮暮Ａ砍?jí)計(jì)算而無法保證測試準(zhǔn)確率的問題。

5 采取的研究方法

1）DNA計(jì)算機(jī)模型的選取：針對(duì)芯片的功能部件及測試產(chǎn)生的特點(diǎn)，對(duì)目前主要的DNA計(jì)算模型進(jìn)行綜合比較與評(píng)價(jià)，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，該體系能夠充分考慮所要完成的各生物操作的功能、各功能在不同模型下實(shí)現(xiàn)的難易程度、生物操作本身的復(fù)雜度、DNA分子鏈的長度與問題規(guī)模間的關(guān)系和DNA計(jì)算中避免偽解和錯(cuò)解能力的高低等問題。 然后，選取一功能上完備的具有執(zhí)行基本算術(shù)和邏輯運(yùn)算能力即計(jì)算上完備的模型，該模型應(yīng)該具有良好的可擴(kuò)展性。

2）基本邏輯運(yùn)算與基本算術(shù)運(yùn)算的DNA計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)：大規(guī)模的集成電路芯片都是由基本的算術(shù)、邏輯部件組成，因此首先設(shè)計(jì)基本邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算是最終測試算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 在正確選取了DNA計(jì)算模型之后，設(shè)計(jì)其相應(yīng)的DNA計(jì)算機(jī)算法并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析改進(jìn)。

3）集成電路中測試向量產(chǎn)生的DNA計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)：根據(jù)所選取的DNA計(jì)算模型及設(shè)計(jì)的基本算術(shù)及邏輯運(yùn)算的DNA計(jì)算機(jī)算法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基于DNA計(jì)算的集成電路測試向量產(chǎn)生的算法。同時(shí)，通過合作與交流，了解、借鑒和利用國內(nèi)外最新DNA計(jì)算技術(shù)，用以指導(dǎo)求解上述問題的DNA計(jì)算機(jī)算法研究。

6 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)上，采用生物分子計(jì)算研究所的普通PCR儀、DNA分子合成儀、雜交箱、測序儀、轉(zhuǎn)移電泳槽、DN段分析系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)和電泳產(chǎn)品及各種生物酶等分子生物學(xué)的研究設(shè)備和研究藥品，將設(shè)計(jì)的求解上述測試向量產(chǎn)生的DNA超級(jí)計(jì)算算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將多次計(jì)算的結(jié)果在購置的以注入故障的芯片上進(jìn)行測試，評(píng)估與分析，根據(jù)結(jié)果確認(rèn)并完善理論成果，以達(dá)到預(yù)期研究目標(biāo)。

1）針對(duì)芯片的功能部件及測試產(chǎn)生的特點(diǎn)，對(duì)目前主要的 DNA 計(jì)算模型進(jìn)行綜合比較與評(píng)價(jià)，并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系并然后，選取一功能上完備的具有執(zhí)行基本算術(shù)和邏輯運(yùn)算能力即計(jì)算上完備的模型。

2）基本邏輯運(yùn)算與基本算術(shù)運(yùn)算的DNA計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析改進(jìn)。

3）集成電路中測試向量產(chǎn)生的DNA計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)并通過在購置的已注入故障的芯片上進(jìn)行測試評(píng)估。

7 結(jié)束語

本項(xiàng)研究首次將兩者結(jié)合，試圖利用DNA超級(jí)計(jì)算機(jī)的超級(jí)計(jì)算能力，解決電路測試呈指數(shù)增長的計(jì)算要求，具有明顯的學(xué)科交叉性，將不僅為DNA超級(jí)計(jì)算開拓新的應(yīng)用，還可探索為傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)提供新的方法，具有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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篇9

關(guān)鍵詞：銀行業(yè)務(wù) ；批處理流程；Hadoop MapReduce ；云計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2013）0010000104

作者簡介：趙曦（1971-），男，博士，上海金融學(xué)院信息管理學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)金融應(yīng)用。

0引言

隨著大型商業(yè)銀行業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)大和信息技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為大型商業(yè)銀行業(yè)務(wù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中業(yè)務(wù)處理的樞紐，匯集了規(guī)?；腎T計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。

銀行主要承擔(dān)本外幣儲(chǔ)蓄、信用卡、對(duì)公存貸款業(yè)務(wù)，銀行匯票及聯(lián)行業(yè)務(wù)，國際結(jié)算和外匯買賣，代收代付等業(yè)務(wù) [1]。銀行業(yè)以網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)作為其業(yè)務(wù)處理的核心支撐，形成了前端業(yè)務(wù)信息采集、中端數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)中心處理“分布采集、集中處理”模式。隨著業(yè)務(wù)量的增加和金融新產(chǎn)品的涌現(xiàn)，業(yè)務(wù)管理和信息處理“大集中”后對(duì)流程處理效率、系統(tǒng)擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性提出了更高的要求。金融行業(yè)特別是銀行業(yè)在處理在線聯(lián)機(jī)業(yè)務(wù)（online transaction）的同時(shí)，還需要處理大量的離線批處理業(yè)務(wù)（batch processing），如影像文件處理、票據(jù)結(jié)算、外匯清算、薪資、各類報(bào)表，批處理業(yè)務(wù)具有數(shù)據(jù)量大、占用計(jì)算資源多、限時(shí)處理完成的特點(diǎn)，銀行信息中心通常要配備足夠的資源在特定時(shí)間段（夜間、周末、月末）進(jìn)行批量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理。如何提高批處理業(yè)務(wù)能力、合理配置計(jì)算資源是銀行信息中心不斷要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

以計(jì)算資源和服務(wù)虛擬化為核心的云計(jì)算架構(gòu)和技術(shù)得到了廣泛的認(rèn)同，正在成為IT產(chǎn)業(yè)和信息化應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展趨勢，實(shí)踐表明，基于云計(jì)算架構(gòu)的系統(tǒng)在資源利用、服務(wù)效率、運(yùn)行成本及能源消耗方面具有明顯的優(yōu)勢。

本文提出了一種應(yīng)對(duì)批量業(yè)務(wù)流程處理的優(yōu)化方法，基本原理是將業(yè)務(wù)流程的任務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分解和分類，形成流程隊(duì)列和若干可以進(jìn)行并行處理分類任務(wù)隊(duì)列，使用Hadoop MapReduce并行計(jì)算框架進(jìn)行并行處理，MapReduce提供的資源調(diào)度和容錯(cuò)機(jī)制能夠有效提高業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。模擬實(shí)驗(yàn)表明，流程任務(wù)分解優(yōu)化方法比通常的以流程為處理單元的方式具有一定的優(yōu)勢，可以在云計(jì)算環(huán)境下分組處理具有共同特征的計(jì)算和操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化資源調(diào)配，提高批量業(yè)務(wù)處理的效率。

1批處理業(yè)務(wù)流程優(yōu)化

批量業(yè)務(wù)處理是指一組遵循同一處理流程的重復(fù)操作，而涉及的業(yè)務(wù)流程是一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關(guān)聯(lián)或相互作用的活動(dòng)，活動(dòng)之間不僅有嚴(yán)格的先后順序限定，而且活動(dòng)的內(nèi)容、方式、責(zé)任等也都必須有明確的安排和界定，以使不同活動(dòng)在不同角色之間進(jìn)行交接成為可能，批量處理業(yè)務(wù)流程活動(dòng)之間的轉(zhuǎn)移不需要人工干預(yù)。處理流程中的活動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的要求和特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如先進(jìn)行數(shù)據(jù)核對(duì)，然后進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行賬戶操作，每個(gè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)數(shù)據(jù)。為了提高處理能力和資源使用效率，流程活動(dòng)設(shè)計(jì)盡可能遵循以下幾個(gè)原則：

①獨(dú)立于其它流程和活動(dòng)，可進(jìn)行重復(fù)操作；②使用較少類別的計(jì)算資源，CPU、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)；③能夠進(jìn)行并行處理。

圖1示意了批量流程處理的原理，銀行信息中心在每個(gè)批處理周期安排若干批處理的規(guī)劃，配置計(jì)算資源，啟動(dòng)和監(jiān)控批處理過程。每個(gè)批處理中包括對(duì)應(yīng)同一處理流程的批量處理任務(wù)。

銀行信息中心根據(jù)資源配置情況，安排批處理規(guī)劃中的批處理執(zhí)行，可以做到并行處理，以滿足處理時(shí)限的要求，每個(gè)批處理分配固定的或虛擬化的資源（服務(wù)器、CPU、存儲(chǔ)、外設(shè)），當(dāng)現(xiàn)有資源不能滿足批處理要求時(shí)，則需要不斷增加資源。這種以批處理流程為單位來決定資源配置的模式（圖2）不一定能夠確保資源的高效使用，如：需要大量CPU計(jì)算的流程同時(shí)配置I/O性能較高的資源，造成I/O資源的浪費(fèi)。經(jīng)過分析，可以通過優(yōu)化批處理業(yè)務(wù)流程和操作來進(jìn)行改進(jìn)（圖3），以進(jìn)一步提高資源的使用效率。

以優(yōu)化流程任務(wù)作為并行計(jì)算單元，形成批量處理任務(wù)隊(duì)列，根據(jù)任務(wù)操作的類型來分配最適合的資源，理論上提高了資源配置的精細(xì)程度，有助于提高資源使用效率。

2基于MapReduce的批處理優(yōu)化計(jì)算

為了驗(yàn)證提出的以流程任務(wù)為基礎(chǔ)配置資源的批處理運(yùn)算架構(gòu)（圖3），我們搭建了Hadoop/MapReduce并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過模擬批處理業(yè)務(wù)，對(duì)兩種資源配置模式進(jìn)行比較。

Hadoop[6]云計(jì)算平臺(tái)的核心由HDFS分布存儲(chǔ)和映射機(jī)制及MapReduce并行計(jì)算架構(gòu)組成，具有開放性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性方面的優(yōu)勢，成為了云計(jì)算研究和應(yīng)用的重要平臺(tái)之一，其架構(gòu)與提出的批處理流程優(yōu)化模型吻合程度高。

MapReduce[8]通過兩個(gè)函數(shù)Map和Reduce提供并行計(jì)算框架， 將計(jì)算任務(wù)（Job）分解為可以進(jìn)行獨(dú)立和并行計(jì)算操作集合（Tasks），提交給Map函數(shù)處理，而Reduce函數(shù)收集、整理、排序Map函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。其基本功能是按一定的映射規(guī)則將輸入的 （k1，v1）鍵值對(duì)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)或一批list（k2，v2）對(duì)輸出，而Reduce將一個(gè)或多個(gè)Map輸出的list（k2，v2）轉(zhuǎn)換為新的鍵值對(duì)list（k3，v3），作為任務(wù)計(jì)算的輸出[2]。

一種基于C++的腳本語言和解釋器封裝了實(shí)現(xiàn)上述功能的基本功能函數(shù)，用來描述任務(wù)的執(zhí)行操作。根據(jù)上述模擬批次規(guī)劃和流程節(jié)點(diǎn)類型，得出計(jì)算隊(duì)列表。

硬件計(jì)算架構(gòu)使用5臺(tái)Ubantu Linux服務(wù)器提供Hadoop MapReduce并行計(jì)算平臺(tái)，1個(gè)NameNode和4個(gè)DataNode，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為100M局域網(wǎng)，通過SSH實(shí)現(xiàn)服務(wù)器之間的連接、控制和HDFS數(shù)據(jù)復(fù)制，流程和任務(wù)隊(duì)列管理程序運(yùn)行在NameNode上，Map和Reduce實(shí)現(xiàn)分布在DateNode上。圖7所示為流程優(yōu)化模擬架構(gòu)。

平臺(tái)模擬了以業(yè)務(wù)流程為處理單元和任務(wù)分解優(yōu)化兩種計(jì)算架構(gòu)，使用同樣的模擬流程和數(shù)據(jù)，同時(shí)檢測了當(dāng)一個(gè)DateNote服務(wù)器宕機(jī)時(shí)的任務(wù)容錯(cuò)機(jī)制和性能，表4匯總模擬運(yùn)行的比較數(shù)據(jù)。

圖7Haddop MapReduce流程優(yōu)化模擬系統(tǒng)架構(gòu)

流程最短處理時(shí)間指流程任務(wù)按照關(guān)鍵邏輯路徑執(zhí)行需要的累計(jì)時(shí)間，當(dāng)一個(gè)任務(wù)處理完成后才能激活后續(xù)節(jié)點(diǎn)任務(wù)。以流程為單位的隊(duì)列處理模式在4個(gè)DataNode平均分配流程，每個(gè)DataNode處理的流程數(shù)量幾乎均等，資源的使用率也相同。任務(wù)優(yōu)化分解方法形成了7個(gè)任務(wù)隊(duì)列，DateNode資源分配按照優(yōu)先資源對(duì)照表3進(jìn)行。

流程平均處理時(shí)間指進(jìn)入流程隊(duì)列到所有任務(wù)處理完畢的時(shí)間，包括等待和任務(wù)處理時(shí)間，資源使用差異指CPU和I/O在高度使用和過度空閑的比例關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在同樣的批處理流程和硬件架構(gòu)條件下，使用業(yè)務(wù)流程分解優(yōu)化的并行計(jì)算能夠處理更多的事務(wù)（320min對(duì)比430min），資源的使用效率得到提高（54%對(duì)比31%），即使考慮到流程分解和多個(gè)任務(wù)隊(duì)列管理的額外開銷，運(yùn)行結(jié)果還是表明了所提出方法的優(yōu)勢，為進(jìn)一步深入研究和完善提供了基礎(chǔ)。

3結(jié)語

銀行批處理“大集中”后，其數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，銀行信息中心不斷面臨IT資源優(yōu)化和靈活配置的挑戰(zhàn)，一方面要提升IT架構(gòu)的資源數(shù)量和技術(shù)水平，另一方面要優(yōu)化批處理的模式來更有效地利用IT資源（計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、I/O）。

云計(jì)算技術(shù)的研究和應(yīng)用成為了IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，基于云計(jì)算架構(gòu)的系統(tǒng)在資源利用、服務(wù)效率、運(yùn)行成本及能源消耗方面具有明顯的優(yōu)勢。云計(jì)算架構(gòu)的出現(xiàn)也引發(fā)了在信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能開發(fā)和維護(hù)服務(wù)的巨大變化。作為以信息化技術(shù)作為重要支撐的銀行業(yè)，正在逐步嘗試和分享云計(jì)算帶來的各種優(yōu)勢。本文在此背景下，提出了一種針對(duì)銀行批處理業(yè)務(wù)的優(yōu)化流程分解方法。

業(yè)務(wù)流程分解優(yōu)化方法通過對(duì)流程任務(wù)分組，可以為實(shí)時(shí)處理大批量流程的應(yīng)用領(lǐng)域（銀行、證券、保險(xiǎn)、電子商務(wù)）提高處理效率，MapReduce原理為流程節(jié)點(diǎn)處理提供了并行計(jì)算框架，其調(diào)度和容錯(cuò)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)算資源的高擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。模擬實(shí)驗(yàn)表明，本文介紹的基于并行計(jì)算的優(yōu)化流程分解方法比以整個(gè)批量處理流程為處理單元的方法在效率、架構(gòu)和靈活性方面具有一定的優(yōu)勢。下一個(gè)階段，擬將該方法進(jìn)一步完善，在銀行等典型批處理業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深化和拓展。

參考文獻(xiàn)：

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[6]Welcome to Hadoop MapReduce[EB/OL].http：///mapreduce/.

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【關(guān)鍵詞】自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號(hào)

并行信號(hào)及陣列信號(hào)的分析處理技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)的兩大主要內(nèi)容。并行信號(hào)與陣列信號(hào)不僅能夠?qū)υ肼曔M(jìn)行抑制、對(duì)干擾進(jìn)行降低，而且能夠?qū)τ杏玫哪康男盘?hào)進(jìn)行增強(qiáng)。相關(guān)研究工作者在歷經(jīng)幾十年的不斷的建立和改善后，終于使并行信號(hào)的處理技術(shù)被成功應(yīng)用到每一個(gè)需要它的地方，并且產(chǎn)生了許多不同的并行處理系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)均在運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、算法等方面具有獨(dú)特之處。

利用自適應(yīng)數(shù)字波束技術(shù)對(duì)并行信號(hào)進(jìn)行處理，能夠有效減小干擾，進(jìn)而更加精確的得到目標(biāo)信號(hào)。

1自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

雖然在現(xiàn)實(shí)中利用陣列信號(hào)可以減少信號(hào)干擾及噪音，可是也不可忽視它的導(dǎo)航和通信兩系統(tǒng)中含有的缺陷。舉例：傳送陣列及并行信號(hào)過程中，信號(hào)的相位及通道幅值也會(huì)出現(xiàn)誤差；為陣列信號(hào)在盡力降低噪音時(shí)會(huì)發(fā)生排布方式出現(xiàn)誤差等的情況。自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號(hào)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展可以有效避免誤差出現(xiàn)，充分彰顯陣列和并行信號(hào)的長處。自適應(yīng)數(shù)學(xué)算法是它建立的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量及計(jì)算量會(huì)由于增加的陣列信號(hào)量在空間范圍內(nèi)造成信號(hào)天線的排布序列的增多而增多，這是計(jì)算性能在并行信號(hào)處理系統(tǒng)中面臨的巨大難題。自適應(yīng)數(shù)字波束通過編成算法的方式加權(quán)計(jì)算大量并行信號(hào)，給信號(hào)挑選了最好的權(quán)值。設(shè)定最好的權(quán)值可以實(shí)現(xiàn)陣列和并行信號(hào)形成波束。需要注意的是，在采用此方法時(shí)，龐大的信號(hào)數(shù)據(jù)量及陣列數(shù)在信號(hào)處理方面形成了難題。

2并行信號(hào)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法研究

2.1并行信號(hào)的基本模型

并行機(jī)的高性能是處理并行信號(hào)的關(guān)鍵，如今被應(yīng)用的最為普遍的是PC集群系統(tǒng)，它是由數(shù)臺(tái)PC計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)或工作站協(xié)同合作，以此使任務(wù)更準(zhǔn)確和高效的完成。在信號(hào)處理過程中擴(kuò)展性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單且成本比較小時(shí)PC集群系統(tǒng)的優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用它時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)既科學(xué)又效率高的目標(biāo)，可以根據(jù)工程情況對(duì)其組成和建立進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

對(duì)于自適應(yīng)數(shù)字波束，我們可以通過信號(hào)類型及參考量的不同把它的形成分為下列幾類：第一種，空間域數(shù)字波束形成方式。此種方式是以空間域參考信息作為基礎(chǔ)的，它包含很多信息。此種自適應(yīng)算法主要有MOVD擴(kuò)展算法及MOVD算法等。MOVD算法是根據(jù)信號(hào)空間的來源及線約束方向的自適應(yīng)算法，它的另一叫法為最小方差算法。一旦并行信號(hào)出現(xiàn)空間陣列及位置不確定的情況，它的效率就會(huì)大幅降低。第二種，時(shí)域數(shù)字波束形成方式。此法是在時(shí)域中以時(shí)間參考信息作為基礎(chǔ)的。它的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，主要有LMR算法等。它一般需在時(shí)域范圍中對(duì)信號(hào)的序列進(jìn)行輸出，且對(duì)空間中信號(hào)的陣列排布及來源方向無要求。第三種，盲波束形成方式。此法無需基于以上幾種參考信息，僅需部分信號(hào)的先驗(yàn)信息。

2.2并行信號(hào)的數(shù)字模型

并行信號(hào)具有較廣的應(yīng)用，自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法是在對(duì)并行信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)的前提，它的本質(zhì)即為依據(jù)并行信號(hào)的方向?qū)δ撤N信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)或抑制。若想對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)、準(zhǔn)確的提取，傳統(tǒng)濾波器并做不到，而應(yīng)用自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法就可以提取到想要的信號(hào)。它主要包括下面兩項(xiàng)：

2.2.1MVDR算法

信號(hào)輸出功率為此算法的參考依據(jù)，它的目的是盡可能減小目標(biāo)信號(hào)的輸出功率。利用此種算法時(shí)，信號(hào)的輸出端僅容許目標(biāo)信號(hào)輸出，以此來保證輸出功率的最小化，做到無失真輸出，同時(shí)，利用此算法也可以避免噪音對(duì)信號(hào)的干擾，使得使用系統(tǒng)的信噪比得到提升。

2.2.2約束算法

此算法以權(quán)值矢量作為基礎(chǔ)，對(duì)并行信號(hào)權(quán)值使用迭代算法，限制每次迭代的矢量。此法能對(duì)并行信號(hào)中的雷達(dá)接收及發(fā)射信號(hào)進(jìn)行有效處理，且同時(shí)處理二者能夠提高雷達(dá)信號(hào)的處理技術(shù)及傳輸質(zhì)量。

2.3自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號(hào)處理的遞歸法

此法屬于自適應(yīng)陣列的處理算法，遞歸計(jì)算直接算法需要的矩陣求逆是它的基本原理，所以運(yùn)用此法時(shí)不需要直接矩陣求逆。利用矩陣求逆來進(jìn)行引理，能夠使相同的基本的更新權(quán)過程演繹出不一樣的遞歸算法。自適應(yīng)陣列出的遞歸處理算法本質(zhì)上依據(jù)的還是最小二乘方法，它和卡爾曼濾波方法的關(guān)系十分緊密。遞歸處理算法在處于較穩(wěn)定的環(huán)境下時(shí)，在每個(gè)采樣的瞬間所計(jì)算出的權(quán)值均是最佳的選擇以對(duì)接數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的最小二乘方法。

3并行信號(hào)的數(shù)字波束形成算法的實(shí)現(xiàn)

對(duì)雷達(dá)傳送的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并輸出波束置零的權(quán)值是自適應(yīng)抗干擾算法的作用。若要提升它的信號(hào)處理速度，不僅要選擇快速收斂算法，還應(yīng)選用高速結(jié)構(gòu)用于硬件系統(tǒng)。所以，在設(shè)計(jì)它的硬件系統(tǒng)過程中為了提升運(yùn)算速度，既要基于算法本身的并行性，應(yīng)用Systolic并行處理結(jié)構(gòu)，又要輔以高速數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存器和處理芯片等部件的應(yīng)用。此外，通過進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯糠治?，還要選對(duì)陣列映射方式對(duì)算法進(jìn)行完善，使節(jié)點(diǎn)數(shù)量變少。通常陣列映射方式分為三種：超平面映射、按Y方向映射和按X方向映射。

4結(jié)束語

現(xiàn)如今，無論在工業(yè)方面，還是在軍事領(lǐng)域，并行信號(hào)和陣列信號(hào)的發(fā)展與應(yīng)用都是十分重要且值得我們關(guān)注的。本文分析了自適應(yīng)數(shù)字波束的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，闡述了并行信號(hào)的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法的研究，對(duì)自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)提出了建議，希望可以使并行信號(hào)得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確和高效率的處理。

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