導(dǎo)語：如何才能寫好一篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：EDA平臺(tái)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；課程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 24-0017-03

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，如何合理分配計(jì)算機(jī)軟、硬件功能，最大限度地開發(fā)計(jì)算機(jī)的并行性，達(dá)到最佳性價(jià)比，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題。對計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生而言，不僅要掌握計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)組成及工作原理，具備開發(fā)與應(yīng)用的技能，而且還需要進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是這樣一門面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)與分析的課程。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生開設(shè)的一門系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)綜合的課程，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，學(xué)會(huì)以高層建筑的觀點(diǎn)，以應(yīng)用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；培養(yǎng)學(xué)生以性能價(jià)格比的觀點(diǎn)去分析、評(píng)估、設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；使學(xué)生掌握當(dāng)代迅速發(fā)展的RISC技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思想和技巧；了解高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性、可擴(kuò)展性及可編程性等先進(jìn)技術(shù)思想，掌握最新的計(jì)算機(jī)流水技術(shù)和并行處理技術(shù)。

目前該課程的教學(xué)由于受到課時(shí)的限制，大多采用以教學(xué)為主，輔以適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)、定期答疑的形式進(jìn)行課程的教與學(xué)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學(xué)生感到學(xué)習(xí)這門課程有一定的難度，“只說不練”限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，影響了學(xué)習(xí)效果。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程鏈上排在計(jì)算機(jī)組成原理之后，要求學(xué)生對計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)有相當(dāng)程度的了解。因此該課程所學(xué)的內(nèi)容，不單是純粹的理論知識(shí)，還構(gòu)建在一定的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上，所以有必要對相關(guān)知識(shí)點(diǎn)輔以實(shí)踐教學(xué)，不能對所有內(nèi)容太過“透明”，這樣才能有助于學(xué)生更深一層掌握這門課程。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通常采用的是虛擬化仿真軟件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，這些仿真軟件都具有一定的典型性，對問題的考慮較細(xì)致，而且在軟件設(shè)計(jì)上便于觀測運(yùn)行結(jié)果及進(jìn)行性能分析。但這些軟件只針對課程某一部分知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，而對于其他知識(shí)的實(shí)踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個(gè)環(huán)境，較為煩瑣。

為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合目前在北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生教學(xué)實(shí)踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)的方法，并針對存儲(chǔ)系統(tǒng)的課程實(shí)踐進(jìn)行了研討。

2EDA平臺(tái)用于課程實(shí)踐

通過對國內(nèi)外課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀的調(diào)查分析研究后，我們對該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方式，采用EDA平臺(tái)進(jìn)行單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以及最后的課程設(shè)計(jì)。通過這種實(shí)踐方式避免了以往實(shí)驗(yàn)存在的過多“驗(yàn)證性”的元素，以及實(shí)驗(yàn)中存在的插線虛接、連線折斷及無法保存?zhèn)€人電路設(shè)計(jì)造成實(shí)驗(yàn)不能間斷進(jìn)行的問題，這對于培養(yǎng)學(xué)生良好的硬件設(shè)計(jì)思維，建立系統(tǒng)級(jí)的概念有非常重要的意義。

由于EDA平臺(tái)具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實(shí)踐的參與者。教師可以根據(jù)課時(shí)的要求，方便地調(diào)整課程實(shí)踐的方案；學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排課程實(shí)踐。在設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)學(xué)生可以根據(jù)需要選擇課程實(shí)踐中所需要的器件及芯片，按自己設(shè)計(jì)出的邏輯電路進(jìn)行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔(dān)心連線折斷、導(dǎo)線虛接等問題。在此基礎(chǔ)上，針對設(shè)計(jì)出的部件進(jìn)行模似仿真，測試驗(yàn)證計(jì)算機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。在課程實(shí)踐測試完成后，利用存儲(chǔ)的測試結(jié)果，提交給教師查驗(yàn)?？梢钥吹剑捎肊DA平臺(tái)，能夠更好地進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的課設(shè)實(shí)驗(yàn)，并提高課設(shè)實(shí)驗(yàn)的水平及效率。

經(jīng)過計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐改革，我們認(rèn)為采用EDA平臺(tái)方式來完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)是可行的，其中硬件設(shè)計(jì)的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學(xué)生所做的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以在課程設(shè)計(jì)中繼續(xù)使用，不同的功能部件設(shè)計(jì)以及不同的模型機(jī)結(jié)構(gòu)帶來了設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性，學(xué)生的創(chuàng)造性得到了發(fā)揮，這也給我們帶來了啟示，能否利用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中的一些成果，將EDA平臺(tái)引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中來，使得學(xué)生在前面課程中的硬件設(shè)計(jì)不會(huì)因?yàn)檎n程的結(jié)束而結(jié)束，這不僅有助于課程的延續(xù)性，也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

為了驗(yàn)證EDA平臺(tái)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐中的可行性，我們針對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Cache存儲(chǔ)體系采用EDA平臺(tái)進(jìn)行了有意的探索。此內(nèi)容在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中占據(jù)著很重要的一節(jié)，通過講述主存與Cache的地址映像方式等內(nèi)容，使學(xué)生對存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有更深刻的認(rèn)識(shí)，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設(shè)計(jì)方法對提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。

我們依然采用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中使用的Quartus II平臺(tái)。該平臺(tái)是完全集成化、易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，具有硬件描述語言、電路原理圖、時(shí)序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標(biāo)準(zhǔn)門電路、芯片等邏輯器件，完成數(shù)字電路從設(shè)計(jì)輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過程。該系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學(xué)生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺(tái)進(jìn)行邏輯電路及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

為了避免在單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)上花費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，且從課程延續(xù)性角度考慮，可以選擇在計(jì)算機(jī)組成原理課程中設(shè)計(jì)的模型機(jī)上構(gòu)建這個(gè)系統(tǒng)，在模型機(jī)總體結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)Cache模塊，如圖1所示。系統(tǒng)總體框圖與模型機(jī)結(jié)構(gòu)類似，除了Cache部件外，只是在控制信號(hào)微命令上有所增加。為了體現(xiàn)Cache的功能，模塊內(nèi)可以包括地址映像，地址轉(zhuǎn)換，替換算法等功能部件，基本上包含了課程中所講授的知識(shí)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

以一個(gè)16位模型機(jī)為例，Cache采用了組相聯(lián)的地址映像方式，Cache部件數(shù)據(jù)通路如圖2所示。Cache的主要工作部件有Cache存儲(chǔ)單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設(shè)計(jì)為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)將內(nèi)存地址設(shè)計(jì)為區(qū)號(hào)、組號(hào)、組內(nèi)塊號(hào)和塊內(nèi)地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)分為兩個(gè)區(qū)。塊表存儲(chǔ)器采用按地址訪問和按相聯(lián)訪問兩種方式工作。在塊內(nèi)采用相聯(lián)方式訪問，在塊之間采用按地址方式訪問，塊表的容量與Cache的塊數(shù)相等。替換算法采用FIFO法，完全采用硬件實(shí)現(xiàn)地址的映象及替換算法，每組一個(gè)模4的計(jì)數(shù)器，本組有替換時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器的值就是要被替換出去的塊號(hào)。

圖2 Cache部件數(shù)據(jù)通路

設(shè)計(jì)完成后編制調(diào)試程序，程序以二進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù)的形式存入主存儲(chǔ)器的初始化文件中，在時(shí)序信號(hào)的配合下，對主機(jī)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行調(diào)試。在給定機(jī)器唯一的輸入信號(hào)――時(shí)鐘脈沖信號(hào)CLK后，使機(jī)器自動(dòng)地、連續(xù)地運(yùn)行存儲(chǔ)在主存中的調(diào)試程序。在遇到停機(jī)指令后，則停止機(jī)器運(yùn)行。機(jī)器運(yùn)行結(jié)束后，檢測機(jī)器運(yùn)行調(diào)試程序的時(shí)序模擬仿真輸出波形圖，以確認(rèn)各條機(jī)器指令運(yùn)行的正確性。

圖3為部分測試波形圖，圖中IN為Cache部件接收的內(nèi)存地址，IND為要寫入的值，QB為Cache存儲(chǔ)器的輸出端，與數(shù)據(jù)暫存器和內(nèi)存的存儲(chǔ)器相連，QA為內(nèi)存的輸出端，與Cache的存儲(chǔ)器相連，RB為Cache內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址，RA為內(nèi)存的地址。圖中可以看到在08H時(shí)，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設(shè)計(jì)相符。因此通過波形圖可以很好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

圖3 測試波形圖

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己掌握理論知識(shí)的深度以及設(shè)計(jì)難度進(jìn)行開發(fā)，教師可根據(jù)實(shí)現(xiàn)程度給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。Cache存儲(chǔ)體系知識(shí)點(diǎn)較多，比如地址映像方式有直接相聯(lián)、全相聯(lián)、組相聯(lián)等方式，替換算法有隨機(jī)法、FIFO、LFU算法等，當(dāng)Cache與主存不一致時(shí)有寫直達(dá)法和寫回法，以及對Cache性能分析時(shí)加速比的計(jì)算等。選擇采用哪種算法可以由學(xué)生來選擇，可以根據(jù)模型機(jī)結(jié)構(gòu)，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設(shè)計(jì)可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設(shè)計(jì)方式。這樣通過EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性。

3結(jié)論

本文通過對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析和研究，結(jié)合目前在教學(xué)實(shí)踐中已采用的部分措施，提出了在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中采用EDA平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)踐的方案。通過采用EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能夠在一定程度上提高學(xué)生的實(shí)踐能力。采用EDA平臺(tái)對Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行課程實(shí)踐，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的其他知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐起到了一個(gè)先導(dǎo)的作用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 易小琳等. 基于EDA平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程虛擬化實(shí)踐的研究[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2005，(7).

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[4] 易小琳，朱文軍，魯鵬程. 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教程―基于EDA平臺(tái)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

作者簡介

魯鵬程(1976-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

易小琳(1959-)，女，高級(jí)工程師、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組主講教授，碩導(dǎo)，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

朱文軍(1974-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

方娟(1973-)，女，副教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)。

毛國君(1966-)，男，教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系主任，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)挖掘。

聯(lián)系方式：北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京朝陽區(qū)平樂園100號(hào)，100022，魯鵬程

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篇2

摘 要：文章針對美國一流大學(xué)的計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行研究，重點(diǎn)介紹UC Berkeley，MIT，Stanford University，CMU相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容和特色，為我國大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程今后的改革與發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)課程

作者簡介：王帥，男，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)；袁春風(fēng)，女，教授，研究方向?yàn)閃eb信息檢索與本文挖掘、多媒體文檔處理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

1 美國大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程概況

美國一流大學(xué)有著悠久的歷史和長期的經(jīng)驗(yàn)，所以我們深入研究和分析他們近幾年在計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程上的內(nèi)容設(shè)置與教學(xué)變革，希望能夠?qū)ξ覈髮W(xué)的計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程今后的改革和發(fā)展提供一些參考與啟發(fā)。

由于院系設(shè)立的不同，美國大學(xué)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的院系一般可分為幾類：單獨(dú)的“計(jì)算機(jī)科學(xué)系”(CS)，與工程相結(jié)合的“計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系”(CSE)，和電子工程聯(lián)合的“電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系”(EECS)等。由于院系的類別不同，他們對于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求也不同，這種不同也是由于師資力量的不同造成的。例如計(jì)算機(jī)科學(xué)系對于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)主要是從整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出發(fā)，強(qiáng)調(diào)從高層(應(yīng)用和軟件)到底層(硬件)的掌握與了解，實(shí)驗(yàn)手段一般也是采用高級(jí)語言來實(shí)現(xiàn)對硬件的模擬。有著工程背景的計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系和電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，一般比較強(qiáng)調(diào)對于硬件的深入了解和底層的實(shí)現(xiàn)，要求學(xué)生采用VHDL，Verilog等硬件描述語言進(jìn)行一些功能部件和小型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在FPGA等硬件上進(jìn)行測試驗(yàn)證；有著師資條件的電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系還會(huì)開設(shè)大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)(VLSI)等課程，以加深學(xué)生對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面了解。

雖然學(xué)校之間要求不同，但是作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一門核心課程，計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在每個(gè)學(xué)校都有著很重要的地位，而且都會(huì)配有相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生有更加直觀的認(rèn)知和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 美國大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與分析

2.1 UC Berkeley(University of California, Berkeley)

對于UC Berkeley關(guān)于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置，袁春風(fēng)教授等[1]在《計(jì)算機(jī)教育》雜志中已經(jīng)作出深入而詳細(xì)的總結(jié)。CS61C(Machine Structures)[2]作為所有和計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的先修課程，實(shí)驗(yàn)部分采用高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)和軟件模擬的方法。CS150(Components and Design Techniques for Digital System)[3]的實(shí)驗(yàn)采用FPGA實(shí)現(xiàn)MIPS指令系統(tǒng)的方式，并由一個(gè)游戲程序進(jìn)行驗(yàn)證。由此可見對于電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)的UC Berkeley采用了軟件和硬件實(shí)驗(yàn)并重的方式，使學(xué)生能夠全面地了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.2 MIT(Massachusetts Institute of Technology)

作為又一個(gè)EECS，MIT的“電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系”也是注重學(xué)生對底層硬件的掌握與設(shè)計(jì)。和計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的課程主要是6.004 (Computation Structures)[4]。課程的內(nèi)容從基本的信息系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的概念，講到電路中的時(shí)序邏輯、有限狀態(tài)機(jī)(FSM)，然后從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的流水線、指令集，介紹到機(jī)器語言、編譯等。后期課程根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的問題，討論了例如中斷、死鎖、流水并行等。整個(gè)課程涵蓋范圍很廣，很多地方已經(jīng)涉及到了編譯原理、操作系統(tǒng)等課程的內(nèi)容，對學(xué)生的要求較高。

對于MIT課程6.004配套的實(shí)驗(yàn)，開始部分采用了類似于HSPICE的模擬器JSim對基本電路和部件的特性進(jìn)行模擬和了解，設(shè)計(jì)了如基本的加法器、算術(shù)邏輯單元(ALU)、有限狀態(tài)機(jī)等。然后他們采用了根據(jù)課程配套開發(fā)的BSim模擬器，來提供對于課程中用到作為實(shí)例的Beta 處理器結(jié)構(gòu)(圖1)的支持。Bsim可以提供高級(jí)語言程序的輸入，編譯和二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換，載入代碼和模擬執(zhí)行，并顯示結(jié)果。學(xué)生要求實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的編譯程序(寫出高級(jí)語言對應(yīng)的匯編程序)，用JSim實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的Beta Architecture，在原有的指令系統(tǒng)中加入新的指令，最后實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)。由此可見，MIT的實(shí)驗(yàn)課程也是強(qiáng)調(diào)硬件模擬(JSim)和軟件模擬(Bsim)的結(jié)合，通過從高級(jí)語言到機(jī)器執(zhí)行的整個(gè)過程的介紹，讓學(xué)生有一個(gè)全面的了解。

圖1 MIT 課程6.004 Computation Structures中的Beta 處理器結(jié)構(gòu)[4]

2.3 Stanford University

Stanford的計(jì)算機(jī)科學(xué)(CS)與電子工程(EE)是兩個(gè)獨(dú)立的系，因此他們之間的課程也相對獨(dú)立。目前和計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的課程主要有：CS的CS107(Computer Organization and Systems)[5]，EE的EE108a(Digital Systems I)[6]和EE108b(Digital Systems II)[7]。

CS107(Computer Organization and Systems)由于是設(shè)立在計(jì)算機(jī)系(CS)，課程強(qiáng)調(diào)從C語言編程的角

篇3

關(guān)鍵詞：高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，指令系統(tǒng)

1流水線技術(shù)

1.1 流水線的基本概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的國際權(quán)威美國Stanford大學(xué)的John L.Hennessy和UC Berkely大學(xué)的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一書別指出：“流水線過去是，而且將來也很有可能還是提高計(jì)算機(jī)性能的最有效技術(shù)之一”[1]

流水線技術(shù)（Pipeline technology）是將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程分解成為若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。流水線中的每個(gè)子過程及其功能部件稱為流水線的級(jí)或段（pipeline stage），流水線的段數(shù)稱為流水線的深度（pipeline depth），段與段相互連接形成流水線。

1.2 流水線的分

從不同的角度和觀點(diǎn)，可以把流水線分成多種不同的種類：

1.單功能流水線（single-function pipeline）：只能完成一種固定功能的流水線

2.多功能流水線（multi-function pipeline ）：流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間完成不同的功能。

3.靜態(tài)流水線（static pipeline）：在同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。

4.動(dòng)態(tài)流水線（dynamic pipeline）：在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。

5.部件級(jí)流水線（component level pipeline）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。

6.處理機(jī)級(jí)流水線（processor level pipeline）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。

7.處宏流水線（macro pipeline）：由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。

8.標(biāo)量流水處理機(jī)（Scalar pipeline processor）：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。

9.向量流水處理機(jī)（vector pipeline processor）：處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進(jìn)行處理。

10.線性流水線（linear pipeline）：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。

11.非線性流水線（non-linear pipeline）：流水線中除有串行連接的通路

外，還有反饋回路。

12.順序流水線（order pipeline）：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。每一個(gè)任務(wù)在流水線的各段中是一個(gè)跟著一個(gè)順序流動(dòng)的。

13.亂序流水線（out-order pipeline）：流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成（從輸出端流出）。

1.3流水線的相關(guān)與沖突

相關(guān)（correlation）是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。如果兩條指令相關(guān)，則他們就有可能不能在流水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重疊執(zhí)行，

1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)（structure correlation）：當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時(shí)將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”；

2. 數(shù)據(jù)相關(guān)（data correlation）：當(dāng)一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，就可能引起“數(shù)據(jù)相關(guān)”；

3. 控制相關(guān)（control correlation）：當(dāng)流水線遇到分支指令或其他會(huì)改變PC值的指令時(shí)就會(huì)發(fā)生“控制相關(guān)”。

流水線沖突（pipeline conflict）是指對于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時(shí)鐘周期執(zhí)行。流水線沖突有三種類型：

1.結(jié)構(gòu)沖突（structure conflict）：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。解決方法：流水化功能單元；資源重復(fù)；暫停流水線。

2.數(shù)據(jù)沖突（data conflict）：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。

3.控制沖突（control conflict）：流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。

2.指令系統(tǒng)

2.1 指令系統(tǒng)的基本概念

[2]指令系統(tǒng)（instruction system）是指機(jī)器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過程中 ，硬件設(shè)計(jì)人員采用各種手段實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng) ，而軟件設(shè)計(jì)人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件 ，用這些軟件來填補(bǔ)硬件的指令系統(tǒng)與人們習(xí)慣的使用方式之間的語義差距。計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)分為兩類：復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）和精簡指令系統(tǒng)（RISC）

2.2 復(fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）

2.2.1CISC的產(chǎn)生

早期的計(jì)算機(jī) ，存儲(chǔ)器是一個(gè)很昂貴的資源 ，因此希望指令系統(tǒng)能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執(zhí)行時(shí)所需訪問的程序和數(shù)據(jù)位的總數(shù)越少越好。在微程序出現(xiàn)后 ，將以前由一串指令所完成的功能移到了微代碼中 ，從而改進(jìn)了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動(dòng)作 ，從而提高執(zhí)行效率。在微代碼中實(shí)現(xiàn)功能的另一論點(diǎn)是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級(jí)語言的語句能被轉(zhuǎn)換成一條機(jī)器語言指令 ，這可使編譯軟件的編寫變得非常容易。此外 ，在機(jī)器語言中含有類似高級(jí)語言的語句指令 ，便能使機(jī)器語言與高級(jí)語言的間隙減少。這種發(fā)展趨向?qū)е铝藦?fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）設(shè)計(jì)風(fēng)格的形成 ，即認(rèn)為計(jì)算機(jī)性能的提高主要依靠增加指令復(fù)雜性及其功能來獲取。

2.2.2 CISC 的主要特點(diǎn)

CISC指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①指令數(shù)多 ，一般大于 100條。

② 尋址方式多 ，一般大于 4種。

③ 指令格式多 ，一般大于 4種。

（2）絕大多數(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期方可執(zhí)行完畢。

（3）各種指令都可以訪問存儲(chǔ)器。

2.3 精簡指令系統(tǒng) （RISC）

2.3.1RISC的產(chǎn)生

由于CISC技術(shù)在發(fā)展中出現(xiàn)了問題 ，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先驅(qū)者們嘗試從另一條途徑來支持高級(jí)語言及適應(yīng) VLSI技術(shù)特點(diǎn)。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統(tǒng)（RISC）的設(shè)想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學(xué)由 Patterson 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組，首先提出了RISC這一術(shù)語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計(jì)算機(jī)。1981年美國的Stanford大學(xué)在Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組研制了MIPSRISC計(jì)算機(jī) ，強(qiáng)調(diào)高效的流水和采用編譯方法進(jìn)行流水調(diào)度，使得RISC技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)格得到很大補(bǔ)充和發(fā)展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)應(yīng)使流水線處理能高效率執(zhí)行 ，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。

2.3.2 RISC 的主要特點(diǎn)

RISC為使流水線高效率執(zhí)行 ，應(yīng)具有下述特征：

（1）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；

（2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲(chǔ)器；

（4）簡單的尋址方式 ；

（5）采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) ；

（6）采用 LOAD 延遲技術(shù)。

RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼 ，應(yīng)具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）較多的寄存器 ；

（3）對稱的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比較

2.4.1不同的實(shí)現(xiàn)方式

兩者的實(shí)現(xiàn)方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是比較易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)和指令合一的方式。采用這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的原因是CISC具有比較高級(jí)的指令語義，同時(shí)具有比較長的執(zhí)行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)和指令相互分離的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槠洳扇×诉壿嫷挠膊季€方式，同時(shí)對于指令的讀取比較頻繁。

2.4.2不同的編譯器要求

如果時(shí)鐘頻率相同，同時(shí)失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的效率其實(shí)并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結(jié)構(gòu)更加需要編譯器對指令的優(yōu)化。CISC具有很大的市場，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也已經(jīng)相當(dāng)成熟。RISC體系結(jié)構(gòu)并不能夠直接取代CISC的體系結(jié)構(gòu)。固然，RISC體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。RISC也并不是傳統(tǒng)意義上的概念，現(xiàn)代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現(xiàn)在：具有分支預(yù)測的功能、能夠超標(biāo)量執(zhí)行，同時(shí)還能夠亂序執(zhí)行指令。

3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展勢

3.1多線程體系

所謂的多線程技術(shù)（multithreading technology）[5]，是一種結(jié)合了馮諾依曼的控制流模型以及數(shù)據(jù)流模型的新興技術(shù)。它能夠進(jìn)行現(xiàn)場的指令級(jí)交換以及順序調(diào)度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執(zhí)行，那么相應(yīng)后面的指令都會(huì)相繼執(zhí)行。線程可以成為計(jì)算機(jī)中調(diào)度執(zhí)行的基本步驟，同時(shí)計(jì)算機(jī)中可以同時(shí)并發(fā)運(yùn)行許多個(gè)線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時(shí)又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有一些不足之處。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在很大程度上提高整個(gè)處理器的利用效率，在整體上使計(jì)算機(jī)的性能提高到一個(gè)新的檔次。多線程技術(shù)能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預(yù)測錯(cuò)誤延遲技術(shù)等其它技術(shù)所不具備的。因此，多線程技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)微處理器的結(jié)構(gòu)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 高性能計(jì)算

[6]高性能計(jì)算（high performance computer，HPC）是計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)，它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計(jì)算能力來處理大型計(jì)算問題。高性能計(jì)算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺(tái)計(jì)算機(jī)均可同時(shí)參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個(gè)問題的計(jì)算時(shí)間。解決大型計(jì)算問題需要功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著高性能計(jì)算的出現(xiàn)，使這一類應(yīng)用從昂貴的大型外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)演變?yōu)椴捎蒙逃梅?wù)器產(chǎn)品和軟件的高性能計(jì)算機(jī)集群體。因此，高性能計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)成為解決大型問題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，混合體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已成為HPC發(fā)展趨勢。

4.結(jié)束語

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)在各個(gè)方面徹底改變了現(xiàn)代人們的生活方式和工作方式，人們的溝通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本論文簡要介紹了計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)，指令系統(tǒng) ，然后提出了兩種指令系統(tǒng)（RISC和CISC）并對比了兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，比較了這兩種體系結(jié)構(gòu)中存在的問題，進(jìn)而提出計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學(xué)出版社，2002

[2] 談懷江 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的變化及發(fā)展 孝感學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 [J]，2014

[3] 李成錚，魏立津 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展及技術(shù)問題探討 華中科技大學(xué)文華學(xué)院 [J]，2008

[4] 劉超.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).[M]中國水利水電出版社，2005.

篇4

摘要：本文對計(jì)算機(jī)專業(yè)“計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)與內(nèi)容進(jìn)行了探討，并提出了考核方法。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

中國分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程綜合了“計(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程的要求，是應(yīng)用型本科計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課、計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。其實(shí)踐課主要是為了讓學(xué)生建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，加深對計(jì)算機(jī)“時(shí)空”概念的理解和對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測的應(yīng)用，提高應(yīng)用集成電路的基本技能，培養(yǎng)和提高獨(dú)立工作能力、實(shí)際動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2003年初我院加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入，全面改善實(shí)驗(yàn)室條件，添加了30臺(tái)西安唐都科教儀器公司推出TDN-CM++計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對各計(jì)算機(jī)部件和多種模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)而高水平地支持“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并通過對指令設(shè)計(jì)方法、時(shí)空并行性、指令并行性等多種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究來開展“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容

運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生加深理解運(yùn)算器的基本組成、工作原理，熟悉簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路；掌握算術(shù)邏輯部件的功能原理及74LS181的功能；掌握移位電路的工作原理和使用方法；掌握運(yùn)算器中通用寄存器的工作原理和使用方法；掌握運(yùn)算器中運(yùn)算結(jié)果判斷電路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是驗(yàn)證運(yùn)算器的8位加、減、與、移位、進(jìn)位、直通功能；驗(yàn)證4位乘4位功能。按給定的數(shù)據(jù)，完成幾種指定的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。其中大部分屬于簡單的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)。還可以讓學(xué)生自行探索實(shí)驗(yàn)步驟和任務(wù)。比如，學(xué)生驗(yàn)證完運(yùn)算器的加運(yùn)算之后，再讓學(xué)生自行探索減法的實(shí)驗(yàn)步驟并完成相應(yīng)任務(wù)。

存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生理解計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)的作用，掌握存儲(chǔ)器的構(gòu)成；掌握半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的工作原理及讀寫方法；掌握用存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成主存儲(chǔ)器時(shí)，如何進(jìn)行字/片選技術(shù)，了解使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器電路時(shí)的定時(shí)要求。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是對存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元進(jìn)行先寫后讀，屬于簡單的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)。還可以讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展。

控制器實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生加深理解計(jì)算機(jī)控制器中時(shí)序控制部件、指令部件、地址部件、操作控制部件的基本組成和工作原理；掌握微程序控制器的基本組成、微指令格式、設(shè)計(jì)方法、寫入過程、執(zhí)行過程；掌握硬布線控制器的組成原理和設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是微程序控制器中微指令編制、寫入、執(zhí)行過程；硬布線控制器的指令執(zhí)行過程。屬于有一定難度的驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)。還可以讓學(xué)生根據(jù)設(shè)備本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微程序、寫入并運(yùn)行。

總線控制實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生熟悉總線的概念、作用及特性；掌握用總線傳輸數(shù)據(jù)的控制原理和方法；掌握總線仲裁的方式及方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是控制總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備通過總線向通用寄存器或者存儲(chǔ)器傳送。屬于驗(yàn)證和設(shè)計(jì)式實(shí)驗(yàn)。

模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生通過模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)理解計(jì)算機(jī)的工作原理、性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，以及計(jì)算機(jī)的“時(shí)空”概念。建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，為后邊的模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是基本模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，復(fù)雜模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，用CPLD實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，基于RISC處理器的模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，基于重疊技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，基于流水線技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)。屬于驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)。

3課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)和內(nèi)容

在學(xué)期快要結(jié)束的時(shí)候，專門留出來一兩周時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行“計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課程設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容是模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。要求根據(jù)設(shè)備情況，自行設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)(包括算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移控制指令、I/O指令和停機(jī)指令)的微程序來控制模型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)功能。并且要求各組課程實(shí)踐人員設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)各不相同，基于的設(shè)備或技術(shù)也不相同。比如設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本模型計(jì)算機(jī)、基于CPLD的模型計(jì)算機(jī)、基于RISC處理器的模型計(jì)算機(jī)、基于重疊技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)、基于流水線技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)。

4考核方法

實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包含預(yù)習(xí)報(bào)告、原始記錄和總結(jié)報(bào)告三部分。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前自己組織時(shí)間查詢資料書寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告(包括實(shí)驗(yàn)的目的、要求、內(nèi)容和步驟)。在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告書寫情況給出相應(yīng)等級(jí)的成績并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上(包括教師簽名和日期)，然后指導(dǎo)教師講解本次實(shí)驗(yàn)的目的、步驟及注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)記錄(包括實(shí)踐/調(diào)試過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前10分鐘由指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上給出成績(包括教師簽名和日期)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上寫出本次實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告(包括實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)討論，實(shí)驗(yàn)清單)，下次做實(shí)驗(yàn)時(shí)再交上實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由指導(dǎo)教師填寫學(xué)生該次實(shí)驗(yàn)的最終成績(包括教師簽名和日期)。實(shí)驗(yàn)成績占本課程最終成績的20%。

課程設(shè)計(jì)的考核內(nèi)容分四大項(xiàng)。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)情況(占20%)，主要是針對系統(tǒng)程序的可用性、實(shí)用性、通用性和可擴(kuò)充性。學(xué)生動(dòng)手能力(占20%)，主要是針對學(xué)生設(shè)計(jì)思路的開擴(kuò)性和創(chuàng)新能力。報(bào)告總結(jié)(占10%)，主要是針對學(xué)生資料完成、條理清晰情況。答辯情況(占50%)，主要是程序能正確運(yùn)行情況(10%)，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的改正情況或按要求改變執(zhí)行結(jié)果(20%)，問題回答情況(20%)。由至少兩位課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師同時(shí)參與答辯，并對答辯情況量化。課程設(shè)計(jì)單獨(dú)另算一個(gè)學(xué)分。

參考文獻(xiàn)

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篇5

關(guān)鍵詞：硬件 芯片 性能

中圖分類號(hào)：TP302.1G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（a）-0031-01

新一代計(jì)算機(jī)硬件是把信息采集存儲(chǔ)處理、通信和人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它不僅能進(jìn)行一般信息處理，而且能面向知識(shí)處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力，將能幫助人類開拓未知的領(lǐng)域和獲得新的知識(shí)。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)有著越來越方便、越來越人性化、越來越自動(dòng)化、越來越容易操作的趨勢。

雖然計(jì)算機(jī)的制作技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了極大的變化，但在基本結(jié)構(gòu)上，一直沿襲著馮.諾依曼的傳統(tǒng)架構(gòu)，即計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本構(gòu)件組成。計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面的發(fā)展，一個(gè)是研制新型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，提高并行計(jì)算和處理能力，其次是以硬件或固件為發(fā)展主線的大規(guī)模集成電路的研制和開發(fā)。

（1）軟、硬件的功能分配是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)，而軟件和硬件在邏輯功能上又是等效的。從原理上講，軟件的功能可以用硬件或固件完成，而硬件的功能也可以由軟件模擬實(shí)現(xiàn)。提高硬件功能的比例可提高解題速度，減少程序所需存儲(chǔ)空間，但會(huì)增加硬件成本；提高軟件功能的比例可減低硬件成本，提高系統(tǒng)的靈活性，但解題速度會(huì)下降，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和所需的存儲(chǔ)器用量也要增加。計(jì)算機(jī)硬件成本不斷下降，軟件成本的不斷上升，計(jì)算機(jī)的硬件越來越便宜，軟件越來越昂貴，因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)朝著硬件比例越來越大的趨勢發(fā)展。

（2）硬件的發(fā)展就是在不斷的追求體積更小巧、集成度更高、性能更好、生產(chǎn)更快速、價(jià)格更低廉的芯片?，F(xiàn)在處理器的發(fā)展真可謂日新月異，CPU對于計(jì)算機(jī)對計(jì)算機(jī)性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，所以不斷的提高CPU的性能將對電腦的性能起到巨大的推動(dòng)作用。計(jì)算機(jī)硬件的核心技術(shù)是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)。從1995年以來，芯片制造工藝的發(fā)展十分迅速，新的生產(chǎn)工藝可以提高芯片的集成度。在不增加芯片面積的情況下，使用更精細(xì)的生產(chǎn)工藝可以比老工藝大大增加的晶體管數(shù)量，并可以擴(kuò)展新的功能采用最新制造工藝后，相同晶體管會(huì)占據(jù)更小的面積，使一塊晶元能夠切割出更多處理器，使整體處理器成本降低，直接結(jié)果就是單顆處理器售價(jià)降低。同時(shí)，速度越來越快，功耗越來越小。納米技術(shù)的運(yùn)用也使這些電器產(chǎn)品更加智能化，功能更多。整合性的東西越來越多，如聲卡、顯卡、網(wǎng)卡都地整合到主板上，這樣可以使電腦的價(jià)格更加便宜。

隨著信息時(shí)代的到來，各層次的電腦用戶對電腦的性能提出了更高的要求。在市場需求上看，無論是企業(yè)用戶，還是個(gè)人用戶，多任務(wù)、多線程的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的單核處理器在同時(shí)處理多個(gè)線程的時(shí)候顯得力不從心，提升處理器多任務(wù)處理能力是迫切需要解決的問題。雙核和多核處理器能大幅度提高了PC的工作效率。這也就表明雙核和多核也是未來科技發(fā)展的必然需要。

（3）存儲(chǔ)器的發(fā)展也具有容量大，體積小、價(jià)格低的趨勢。隨著信息量的不斷增加，對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求提出了更高的要求。存儲(chǔ)器的發(fā)展將更多的關(guān)注速度和可靠性的提高，要具有更好的擴(kuò)展性。借助于先進(jìn)的工藝優(yōu)勢，存儲(chǔ)芯片的封裝尺寸更小，也決定了存儲(chǔ)器的低電壓特性，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。

（4）隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體積越來越小，速度越來越高，容量越來越大，功耗越來越低，可靠性越來越好，輸入輸出設(shè)備也朝著高性能、多樣化、智能化和多媒體方向發(fā)展。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備的發(fā)展，人機(jī)界面越來越友好。一方面設(shè)備中也已越來越多地嵌入微處理器和軟件進(jìn)行控制以達(dá)到智能化和高性能的目標(biāo)，另一方面也常常將原屬于設(shè)備或設(shè)備控制器的部分功能直接設(shè)計(jì)進(jìn)CPU，以便降低成本和改善性能。

迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，為計(jì)算機(jī)軟件的不斷更新創(chuàng)造了良好的平臺(tái)。未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展，應(yīng)更進(jìn)一步縮短高級(jí)語言與機(jī)器語言、操作系統(tǒng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計(jì)環(huán)境域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的語義差距，這些差距是用軟件來填補(bǔ)的，語義差距的大小實(shí)質(zhì)上取決于軟、硬件功能的分配，差距小了，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對軟件的支持就加強(qiáng)了。軟件跟上硬件的發(fā)展步伐還需要時(shí)間。目前，隨著數(shù)字模擬融合、微機(jī)電融合、電路板硅片融合、硬軟件設(shè)計(jì)融合的趨勢，新一代集成電路技術(shù)和IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢在必行，嵌入式整機(jī)的開發(fā)工作也從傳統(tǒng)的硬件為主變?yōu)檐浖橹?，嵌入式軟件的發(fā)展將成為主流，會(huì)有超長的生命周期。

參考文獻(xiàn)

[1] 耿增民.計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)[M].2版.人民郵電出版社，2012.

篇6

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；開發(fā)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力支持下，近年來我國科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域也獲得了長足的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及其在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在極大的提升各領(lǐng)域生產(chǎn)力及生產(chǎn)效率的同時(shí)，也為各領(lǐng)域創(chuàng)造了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，其對于保障社會(huì)各領(lǐng)域建設(shè)事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展等有著重要作用。信息技術(shù)是21世紀(jì)發(fā)展最為迅猛的科學(xué)技術(shù)之一，信息技術(shù)的快速發(fā)展，也開啟了信息時(shí)代的大門，隨著信息技術(shù)在社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域的廣泛滲透，以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ)的單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域也獲得了極大的發(fā)展，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也成為了人們研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一?；趩纹瑱C(jī)嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)之所以能夠吸引業(yè)界如此多的注意力，究其原因主要是該系統(tǒng)的功能的強(qiáng)大性，及適用的廣泛性，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用到社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域中，如信息家電，及手持設(shè)備等領(lǐng)域，不僅能夠有效地提升這些領(lǐng)域的工作效率，為企業(yè)創(chuàng)造巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，還能有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化及多功能化發(fā)展，因而加大對單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)研究，有著積極意義。接下來對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行簡要的概述，在此基礎(chǔ)上，對基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開況進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1嵌入式系統(tǒng)概述

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)及性能方面，也在發(fā)生著重大的改變，原有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已難以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，以及人們?nèi)找嫔叩膶ο到y(tǒng)性能的要求，因此加大對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)，就顯得尤為必要了。嵌入式系統(tǒng)便是在這樣的社會(huì)大背景下應(yīng)運(yùn)而生的，其對于提升計(jì)算機(jī)性能，提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的智能化水平等，有著重要作用。嵌入式系統(tǒng)，顧名思義是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對軟硬件剪裁，同時(shí)在系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、體積及成本和性能等方面，有著更高要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；谇度胧较到y(tǒng)的優(yōu)異性能，該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域，如信息家電領(lǐng)域，甚至在我國的國防工業(yè)領(lǐng)域，該系統(tǒng)也有著廣泛的應(yīng)用。

具體來說，嵌入式系統(tǒng)相較于以往的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其具有如下主要特點(diǎn)：（1）體積小特點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在體積方面也提出了更高要求，為了更加方便人們的攜帶及使用，當(dāng)前系統(tǒng)的研發(fā)有向小體積方向發(fā)展的趨勢，而嵌入式系統(tǒng)就是一種具有較小體積的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為了有效降低系統(tǒng)的體積，該系統(tǒng)將其部分控制部件，巧妙地安裝進(jìn)系統(tǒng)中，從而在有效的縮小系統(tǒng)體積的同時(shí)，也極大地提升了系統(tǒng)空間的利用率，降低了系統(tǒng)生產(chǎn)成本；（2）高性能特點(diǎn)。該系統(tǒng)相較于以往的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，及更高的運(yùn)算速率，同時(shí)該系統(tǒng)在開發(fā)周期方面，也得到了急劇的降低，因而較高的性價(jià)比，也是該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一；（3）存儲(chǔ)容量不高。由于該系統(tǒng)不具有以往計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬盤設(shè)備，其在數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)方面，主要借助FLASHmemory，及ROM等儲(chǔ)存介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的保存，因而其存儲(chǔ)容量不高；（4）實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。該系統(tǒng)對時(shí)間較為敏感，在部分應(yīng)用軟件中，其對時(shí)間有一定的限制，若在某項(xiàng)操作中，其超過了規(guī)定的時(shí)間，其就不能達(dá)到預(yù)期的效果，因而該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性特性[1]。

2基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

2.1單片機(jī)概述

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，近年來我國單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域也獲得了迅猛的發(fā)展，單片機(jī)，又可被稱為微型計(jì)算機(jī)，其是一種將RAM，ROM，CPU等設(shè)備，采用高度集成的方式，將其全部設(shè)計(jì)在同一芯片上的一種微處理器。當(dāng)前隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其超大規(guī)模的集成技術(shù)領(lǐng)域，也獲得了長足的進(jìn)步，同時(shí)隨著單片機(jī)在低質(zhì)量、小體積方面的不斷發(fā)展，當(dāng)前我國單片機(jī)已形成了一套相對成熟的技術(shù)體系，在性能及功能性方面，也獲得了極大的提高，因而單片機(jī)技術(shù)在當(dāng)前社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域，諸如工藝控制，儀器儀表，以及通信領(lǐng)域等，已獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的成效，相信在不久的將來，其在社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。

2.2操作系統(tǒng)微內(nèi)核

2.2.1微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

單片機(jī)作為一種微處理器，其是嵌入式系統(tǒng)最為核心的部分，其對于系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，發(fā)揮關(guān)鍵作用。嵌入式操作系統(tǒng)，其微內(nèi)核在結(jié)構(gòu)上主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）任務(wù)管理和調(diào)度模塊。該模塊的主要功能是，實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的有效的控制及其調(diào)度，同時(shí)該模塊還能有效實(shí)現(xiàn)各任務(wù)間的數(shù)據(jù)通信，以及對任務(wù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存等；（2）硬件抽象層模塊。該模塊的主要功能是，在一定的硬件平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)對某些硬件的有效映射，從而發(fā)揮系統(tǒng)的相關(guān)功效。嵌入式操作系統(tǒng)微內(nèi)核的以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠有效地降低系統(tǒng)核心的負(fù)荷，提升其運(yùn)行效率，保障系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮，還能有效地提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，及可剪裁性等方面的性能，因而系統(tǒng)的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，對于保障系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率等，有著重要作用[2]。

2.2.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的作用

在嵌入式操作系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，對提升系統(tǒng)的性能有著重要作用，也正是基于此，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，已廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)中，然而隨著人們嵌入式系統(tǒng)性能要求的不斷提高，及系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域及環(huán)境的不斷拓展，當(dāng)前的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已難以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，因而研發(fā)出體積更大，性能更高的微內(nèi)核，對于滿足社會(huì)對嵌入式系統(tǒng)的性能需要，就顯得尤為必要了。然而增大微內(nèi)核的體積，這也引起了當(dāng)前社會(huì)各界的普遍爭論，一部分人的觀點(diǎn)是，在核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，可以使用客戶/服務(wù)器形式，如此一來，不僅會(huì)提高系統(tǒng)的開發(fā)成本，對系統(tǒng)性能也會(huì)造成較大影響；另一部分人則認(rèn)為，微核心理論之所以存在較大問題，其主要原因是受到以往系統(tǒng)內(nèi)涵理論的局限，因而如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不合理的話，將會(huì)極大地影響系統(tǒng)的性能。因此為了提升嵌入式系統(tǒng)的功能，加大對其微內(nèi)核結(jié)構(gòu)及性能的相關(guān)設(shè)計(jì)研究，有著重要作用[3]。

2.3EOS51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中，微內(nèi)核基本上是EOS51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)過程大致是這樣的，通過對任務(wù)實(shí)施有效的控制，并進(jìn)行相應(yīng)的切換，同時(shí)對任務(wù)間的互斥控制以及通信控制等，采取相應(yīng)的時(shí)機(jī)控制操作，由此保障微內(nèi)核引擎工作的正常進(jìn)行。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)施電的連接時(shí)，就能夠通過系統(tǒng)存儲(chǔ)器，獲得相關(guān)的地址信息，然后再得到相關(guān)指令后，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化，而剩下的存儲(chǔ)設(shè)備，則由用戶自行處理。如此一來的話，就能有效地保障系統(tǒng)的正常啟動(dòng)，同時(shí)其外部硬件設(shè)施等，用戶也能夠依照自身需求情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣?，因而基于單盤機(jī)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，不僅具有較高的系統(tǒng)靈活性，同時(shí)其微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也具有更廣泛的適用性[4]。

3結(jié)語

由以上可以看出，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，相較于以往的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有更小的體積和質(zhì)量，同時(shí)在性價(jià)比方面，也有著更高的競爭優(yōu)勢，因此加大對基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)研究，有著深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞：Linux 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) JAVA語言 優(yōu)化設(shè)計(jì) 運(yùn)行效率

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)是信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同發(fā)展進(jìn)步的結(jié)果，隨著當(dāng)前信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷升級(jí)和廣泛運(yùn)用，無論是技術(shù)水平和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都在不斷演變，積累著革命性的能量從而在未來實(shí)現(xiàn)質(zhì)變與突破。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國各行各業(yè)已經(jīng)普遍無論，無論是從行業(yè)發(fā)展、服務(wù)角度而言，還是從應(yīng)用性實(shí)踐研究角度而言，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來的革命性便利與突破都決定了其在國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活中的關(guān)鍵地位，所以，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用性研究勢在必行。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原本主要是以網(wǎng)絡(luò)、WEB服務(wù)器和瀏覽器三層架構(gòu)為主，但是隨著應(yīng)用語言JAVA的出現(xiàn)，三層架構(gòu)模式被優(yōu)化、改善，無論是應(yīng)用性能還是合理性能都得到提升，所以基于JAVA語言的計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展中的主流。對于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，它的構(gòu)成主要以NCOS和NCServer為主，前者主要在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，后者則集中在服務(wù)器上運(yùn)行，這兩個(gè)部分無論哪個(gè)，JAVA語言都占有關(guān)鍵地位，所以，基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的JAVA虛擬機(jī)運(yùn)行效率的技術(shù)研究能夠很大程度上提升運(yùn)行性能和效益，對服務(wù)性能的改善產(chǎn)生極為顯著的影響，對于應(yīng)用性能方面的探索而言十分重要[1]。

一、基于Linux的Java虛擬運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

Linux是當(dāng)前主流操作系統(tǒng)，也是進(jìn)行JAVA虛擬運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要平臺(tái)。優(yōu)化設(shè)計(jì)要在明確優(yōu)化對象的基礎(chǔ)之上，從硬件和軟件兩個(gè)方面保證優(yōu)化條件，然后根據(jù)具體實(shí)踐情況合理應(yīng)用多種優(yōu)化技術(shù)為其服務(wù)，最終設(shè)計(jì)出性能合理的優(yōu)化方案，并在此技術(shù)上解決各類問題或者技術(shù)改良實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

首先是明確優(yōu)化對象。優(yōu)化對象可以選擇Kaffe，它作為一個(gè)源代碼開放的軟件包而言，是一個(gè)較為優(yōu)越且應(yīng)用廣泛的語言環(huán)境，作為優(yōu)化對象來說很有價(jià)值，關(guān)于其優(yōu)化的操作設(shè)計(jì)，要在深入分析語言運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)操作。Kaffe的開發(fā)本身就是以類Unix系統(tǒng)為參考基礎(chǔ)，這一特性決定了它能夠能夠在JAVA環(huán)境下進(jìn)行一定程度的移植，對比其他結(jié)構(gòu)來說優(yōu)化設(shè)計(jì)難度要低了不少；Kaffe在語言環(huán)境規(guī)范上完全均從JAVA架構(gòu)且十分完整，在運(yùn)行方面能夠順利接入各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者嵌入式系統(tǒng)等，應(yīng)用性能和范圍十分優(yōu)越；解釋器switch-case模式的性能決定了此優(yōu)化設(shè)計(jì)在應(yīng)用適用性方面效果卓越；以模塊為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了其收縮性與高效性有一定程度的保障[2]。

其次是優(yōu)化條件。優(yōu)化條件包含硬件和軟件兩方面，硬件方面為滿足一般用戶有效應(yīng)用需求，終端多采取地段硬件配置，這樣在成本控制方面就有了一定優(yōu)勢，目前一般情況下硬件配置方案為低主頻CPU、小容量FlashROM以及CF卡、內(nèi)存等；在這些硬件條件基礎(chǔ)上，對終端機(jī)存儲(chǔ)器和CPU應(yīng)用條件以及JVVA執(zhí)行效果進(jìn)行充分考慮，然后以此為考量進(jìn)行Java虛擬運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化技術(shù)方面目前主要以兩大主流為主，分別是解釋執(zhí)行技術(shù)和編譯執(zhí)行技術(shù)的優(yōu)化。解釋執(zhí)行技術(shù)的優(yōu)化主要通過應(yīng)用解釋器實(shí)現(xiàn)，目前常用的有三種，分別是線索式、直接線索式以及內(nèi)嵌線索式。編譯執(zhí)行技術(shù)優(yōu)化主要包含三項(xiàng)內(nèi)容，分別是即時(shí)編譯、自適應(yīng)優(yōu)化和提前編譯，這三項(xiàng)內(nèi)容（技術(shù)）在各自的JAVA環(huán)境下運(yùn)行前（時(shí)）對字節(jié)碼進(jìn)行編譯操作使其成為本地機(jī)器碼，通過縮短執(zhí)行時(shí)間來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境的優(yōu)化，在優(yōu)化技術(shù)方面，只要通過消除、內(nèi)嵌公共子表達(dá)式完成優(yōu)化過程。

優(yōu)化方案設(shè)計(jì)：對比分析解釋技術(shù)和編譯技術(shù)的運(yùn)行優(yōu)化效果來看，在滿足相對條件、且能夠取得令人滿意的優(yōu)化效果方面，解釋器的應(yīng)用是最理想成本下的選擇，其中直接線索式解釋器的應(yīng)用是最佳方案。以此為指導(dǎo)進(jìn)行JAVA虛擬機(jī)運(yùn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)，需要通過壓縮數(shù)組以節(jié)約空間，那么可以通過合并操作數(shù)、地址跳轉(zhuǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)。比如32位CPU中，原本標(biāo)號(hào)地址占用容量為4B，操作碼長度0B-10B，在進(jìn)行合并、空間節(jié)約和地址轉(zhuǎn)化之后，容量占用縮減為2B，無疑能夠顯著提升Java虛擬機(jī)運(yùn)行效率。

總之，基于Linux網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的Java虛擬機(jī)運(yùn)行效率的提升要根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和需求進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，在明確優(yōu)化對象、達(dá)到優(yōu)化條件的基礎(chǔ)上應(yīng)用各種技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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篇8

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)專業(yè)；工程教育；系統(tǒng)能力；系統(tǒng)課程

1.計(jì)算技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)分析

計(jì)算技術(shù)在20世紀(jì)個(gè)人機(jī)普及和Internet快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，從初期的科學(xué)計(jì)算與信息處理進(jìn)人21世紀(jì)的以移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)計(jì)算為主要特征的新型網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。在這一過程中，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)呈現(xiàn)出“四類新型計(jì)算系統(tǒng)”和“四化主要特征”，這對計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新能力提出更高的要求。

1.1四類新型計(jì)算系統(tǒng)

1）嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家電、三網(wǎng)融合等行業(yè)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，以嵌入式計(jì)算為主要形態(tài)的計(jì)算系統(tǒng)——嵌入式計(jì)算系統(tǒng)有著舉足輕重和廣泛的作用，并日益呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的開放特點(diǎn)。

2）移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家電以及新型裝備中，均以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，移動(dòng)計(jì)算成為關(guān)鍵技術(shù)，它將使計(jì)算機(jī)或其他信息智能終端設(shè)備在無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享，其作用是將有用、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息提供給任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的任何客戶，這將極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞胶凸ぷ鞣绞健?/p>

3）并行計(jì)算系統(tǒng)。

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步和體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，多核/眾核處理機(jī)硬件日趨普及，這使得昔日高端的并行計(jì)算呈現(xiàn)出普適化的發(fā)展趨勢；多核技術(shù)對計(jì)算系統(tǒng)微體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件與編程環(huán)境均有很大影響；同時(shí)，云計(jì)算也是建立在由廉價(jià)服務(wù)器組成的大規(guī)模集群并行計(jì)算的基礎(chǔ)之上，因此，并行計(jì)算將成為各類計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。

4）基于服務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)。

無論是云計(jì)算，還是其他現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用軟件系統(tǒng)，均以服務(wù)計(jì)算為核心技術(shù)。服務(wù)計(jì)算是指面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service，orientedArchitecture，SOA）和面向服務(wù)的計(jì)算（Service oriented Computing，SOC）技術(shù)，是標(biāo)識(shí)分布式系統(tǒng)和軟件集成領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的里程碑。服務(wù)作為一種自治、開放以及與平臺(tái)無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)件，可使分布式應(yīng)用具有更好的復(fù)用性、靈活性和可增長性。Web服務(wù)技術(shù)是當(dāng)前SOA的主流實(shí)現(xiàn)方式，已經(jīng)形成規(guī)范的服務(wù)定義、服務(wù)組合以及服務(wù)訪問。

1.2“四化”主要特征

1）網(wǎng)絡(luò)化。

當(dāng)今的計(jì)算系統(tǒng)必然與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)。盡管各種有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)所具有的通信方式、通信能力與通信品質(zhì)有較大區(qū)別，但它使得與其相聯(lián)的計(jì)算系統(tǒng)能力得以充分延伸，更能滿足應(yīng)用需求。網(wǎng)絡(luò)化對計(jì)算系統(tǒng)的開放適應(yīng)能力、協(xié)同工作能力等也提出了更高的要求。

2）多媒體化。

多媒體具有計(jì)算機(jī)綜合處理多種媒體信息的集成性、實(shí)時(shí)性與交互性特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)通過多媒體技術(shù)可以處理人類生活中最直接、最普遍的信息，從而使計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及功能得到極大的擴(kuò)展，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面和手段更加友好和方便，非專業(yè)人員也可以方便地使用和操作計(jì)算機(jī)。

3）大數(shù)據(jù)化。

從各種類型的數(shù)據(jù)中快速獲得有價(jià)值信息的能力稱為大數(shù)據(jù)技術(shù)。大數(shù)據(jù)具有體量巨大、類型繁多、價(jià)值密度低、處理速度快等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨給各行各業(yè)的數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)發(fā)展等帶來重要變革，也對計(jì)算系統(tǒng)的新型計(jì)算模型、大規(guī)模并行處理、分布式數(shù)據(jù)存貯、高效數(shù)據(jù)處理機(jī)制等提出新的挑戰(zhàn)。

4）智能化。

智能化將影響計(jì)算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、軟件形態(tài)、處理算法以及應(yīng)用界面等。例如，智能手機(jī)的智能搜索引擎是結(jié)合了人工智能技術(shù)的新一代搜索引擎，不僅具有傳統(tǒng)的快速檢索、相關(guān)度排序等功能，還具有用戶角色登記、用戶興趣自動(dòng)識(shí)別、內(nèi)容的語義理解、智能信息化過濾和推送等功能，其追求的目標(biāo)是根據(jù)用戶的請求，從可以獲得的網(wǎng)絡(luò)資源中檢索出對用戶最有價(jià)值的信息。

2.系統(tǒng)能力的主要內(nèi)涵及培養(yǎng)需求

2.1主要內(nèi)涵

計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力核心是在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理基礎(chǔ)上，熟悉如何進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)。這需要學(xué)生更多地掌握計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次，了解計(jì)算系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性以及與人和物理世界的交互模式。系統(tǒng)觀的教育體現(xiàn)出工程教育特征，相比較其他專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和應(yīng)用能力，計(jì)算機(jī)專業(yè)更強(qiáng)調(diào)對學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。因此，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)體系不僅需要更新與擴(kuò)展，而且其系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力必須得到強(qiáng)化與提升。

2.2培養(yǎng)需求

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息產(chǎn)業(yè)形態(tài)發(fā)生重要變化，新型計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用日益深化，計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)也必須“與時(shí)俱進(jìn)”，體現(xiàn)計(jì)算技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展對學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的需求。教育思想要突顯系統(tǒng)觀教育理念，教學(xué)內(nèi)容要體現(xiàn)新型計(jì)算系統(tǒng)原理，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中展現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)。

我們要深刻理解系統(tǒng)化專業(yè)教育思想對計(jì)算機(jī)專業(yè)高等教育的影響。系統(tǒng)化教育和系統(tǒng)能力培養(yǎng)要采取系統(tǒng)科學(xué)的方法，不但要夯實(shí)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，使學(xué)生構(gòu)建出準(zhǔn)確描述真實(shí)系統(tǒng)的模型，并能夠用模型預(yù)測系統(tǒng)行為；而且要強(qiáng)化系統(tǒng)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生有效地構(gòu)造正確系統(tǒng)的能力。從系統(tǒng)觀出發(fā)，計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)應(yīng)該注意教學(xué)生怎樣從系統(tǒng)層面思考（如設(shè)計(jì)過程、工具、用戶和物理環(huán)境的交互），應(yīng)該講透原理（基本原則、架構(gòu)、協(xié)議、編譯以及仿真等），強(qiáng)化系統(tǒng)性的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)過程和內(nèi)容。

3.相關(guān)研究

3.1ACM/IEEE CS2013重視系統(tǒng)能力培養(yǎng)

ACM/IEEE最新公布的CS2013是在組織眾多計(jì)算機(jī)教育專家深入調(diào)研分析、開展專題研究的基礎(chǔ)上，給出的新的教學(xué)調(diào)整方案。它不僅對原有14個(gè)知識(shí)域進(jìn)行適度調(diào)整，還增加了4個(gè)新的知識(shí)域，分別是系統(tǒng)基礎(chǔ)SF、并行和分布計(jì)算PD、基于平臺(tái)的開發(fā)PBD、信息保障和安全I(xiàn)AS。這些都涉及系統(tǒng)級(jí)內(nèi)容，由此可見，ACM/IEEE CS2013的重點(diǎn)是進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

3.2專業(yè)教指委已開展相關(guān)研究

教育部計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)已經(jīng)組織了對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)和實(shí)踐教學(xué)體系的研究，重點(diǎn)是如何使學(xué)生增強(qiáng)系統(tǒng)能力，全局地掌控一定規(guī)模系統(tǒng)。研究提出：①教學(xué)必須樹立系統(tǒng)觀，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)眼光。學(xué)生學(xué)會(huì)站在不同層面上去把握不同層次上的系統(tǒng)，并全面考慮系統(tǒng)各部分及其與外界的邏輯與聯(lián)系，完成一定規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。②明確了計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力以及系統(tǒng)能力為4大專業(yè)基本能力。其中系統(tǒng)能力占總能力的75%，包括系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用能力。

目前國內(nèi)少數(shù)高等學(xué)校，如南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等，正在不同程度上積極進(jìn)行這些方面的探索和實(shí)踐。

4.系統(tǒng)能力培養(yǎng)中存在的問題

在PC時(shí)代背景下所設(shè)置的課程體系、教學(xué)及其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)存在以下問題。

（1）課程體系中缺乏一門獨(dú)立的能夠貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程。有些學(xué)校雖然有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程，但是，課程內(nèi)容太散太多，沒有系統(tǒng)性，并沒有圍繞一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框架組織內(nèi)容。

（2）課程之間的銜接和關(guān)聯(lián)考慮不夠。目前課程設(shè)置大多按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層次上的內(nèi)容獨(dú)立開設(shè)課程，相應(yīng)的教材內(nèi)容和課堂教學(xué)內(nèi)容中很少體現(xiàn)本層次的內(nèi)容與其他層次內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)生難以形成對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。

（3）教學(xué)內(nèi)容比較陳舊，較少涉及近年來出現(xiàn)的多核/眾核處理器、分布式和并行計(jì)算模式等實(shí)際工作中遇到的內(nèi)容，特別是對于后PC時(shí)代的學(xué)生所需的關(guān)于嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)終端系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)中心云計(jì)算系統(tǒng)等的系統(tǒng)知識(shí)體系的教學(xué)還很薄弱。

（4）課程體系缺乏對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力培養(yǎng)的整體考慮，如公共的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程及內(nèi)容的設(shè)置，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心課程及內(nèi)容的設(shè)置，對于不同應(yīng)用系統(tǒng)和相關(guān)平臺(tái)所需的設(shè)計(jì)和應(yīng)用人才的培養(yǎng)應(yīng)設(shè)置哪些課程（包括課程實(shí)驗(yàn)）等。

由于教學(xué)中對系統(tǒng)能力培養(yǎng)重視不夠，所以學(xué)生在系統(tǒng)能力方面存在以下問題：

（1）大部分學(xué)生不能很好地建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完整概念，缺乏系統(tǒng)觀，只能解決局部的編程和應(yīng)用問題，對于系統(tǒng)層面問題的解決無法勝任。

（2）大部分學(xué)生對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心內(nèi)容掌握不夠，難以勝任復(fù)雜的涉及軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的任務(wù)。

（3）由于沒有很好地建立課程之間內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，學(xué)生對于很多核心內(nèi)容通常只知其然不知其所以然，所以其綜合分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力也較差，對于需要綜合運(yùn)用多個(gè)跨課程的概念才能解決的問題一籌莫展。

（4）教學(xué)缺乏系統(tǒng)性的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，這使學(xué)生理論上一知半解，實(shí)踐動(dòng)手能力較差。

5.系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系設(shè)置總體思路

為了更好地培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的、具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用能力的計(jì)算機(jī)專門人才，我們需要建立新的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)課程體系，特別是設(shè)立有關(guān)系統(tǒng)級(jí)綜合性課程，并重新規(guī)劃計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心課程的內(nèi)容，使這些核心課程之間的內(nèi)容聯(lián)系更緊密、銜接更順暢。

為此，我們調(diào)查了若干國外高校的本科生教學(xué)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的一些做法和思路，借鑒國外大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國高校計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，提出了適合于我國高等教育計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系總體設(shè)置思路，并對相關(guān)的主要課程內(nèi)容及其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)劃。課程體系改革的思路如圖1所示。

我們建議把課程分成3個(gè)層次：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程、重組內(nèi)容的核心課程和側(cè)重不同計(jì)算系統(tǒng)的若干相關(guān)平臺(tái)應(yīng)用課程。

第1層次核心課程包括：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）、數(shù)字邏輯電路（DD）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）。

第2層次核心課程包括：計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)（COD）、操作系統(tǒng)（OS）、編譯技術(shù)（CT）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（CA）。

第3層次核心課程包括：嵌入式計(jì)算系統(tǒng)（ECS）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（CN）、移動(dòng)計(jì)算（MC）、并行計(jì)算（Pc）和大數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)（BD）。

基于這3個(gè)層次的課程體系中相關(guān)課程設(shè)置方案如圖2所示。

圖2中左邊部分是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)抽象層，右邊的矩形框表示課程，其上下兩條邊的位置標(biāo)示了課程內(nèi)容在系統(tǒng)抽象層中的涵蓋范圍，矩形的左右兩條邊的位置標(biāo)示了課程大約在哪個(gè)年級(jí)開設(shè)。虛線框、實(shí)線框和粗線框分別表示第1、第2和第3層次核心課程。

從圖2中可以看出，該課程體系的基本思路是：先講頂層比較抽象的編程方面的內(nèi)容；再講底層系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)內(nèi)容；然后再從兩頭到中間，把頂層程序設(shè)計(jì)內(nèi)容和底層電路內(nèi)容按照程序員視角全部串起來；在此基礎(chǔ)上，按順序分別介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、操作系統(tǒng)和編譯器的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。至此的所有課程內(nèi)容主要介紹單處理器系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，而計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要介紹不同并行粒度的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和編譯器實(shí)現(xiàn)技術(shù)。第3層次的課程沒有先后順序，可以是選修課，課程內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)第1和第2層次課程內(nèi)容的螺旋式上升趨勢，即第3層次課程內(nèi)容涉及的系統(tǒng)抽象層與第1和第2層次課程涉及的系統(tǒng)抽象層是重疊的，但內(nèi)容并不是簡單重復(fù)，而是講授在特定計(jì)算系統(tǒng)中的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。例如，對于嵌入式計(jì)算系統(tǒng)（ECS）課程，雖然它所涉及的系統(tǒng)抽象層與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）課程涉及的系統(tǒng)抽象層完全一樣，但這兩門課程的教學(xué)內(nèi)容基本上不重疊，前者著重介紹與嵌入式計(jì)算系統(tǒng)相關(guān)的ISA設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和底層硬件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，后者著重介紹如何從程序員的角度來理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中涉及的基礎(chǔ)內(nèi)容。

與傳統(tǒng)課程體系設(shè)置相比，最大的不同在于，新的課程體系中有一門涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)抽象層面的能夠貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)課程——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)（ICS）。該課程講解如何從程序員角度來理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以使程序員進(jìn)一步明確程序設(shè)計(jì)語言中的語句、數(shù)據(jù)和程序是如何在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的，讓程序員了解不同的程序設(shè)計(jì)方法為什么會(huì)有不同的性能等。

此外，新的課程體系強(qiáng)調(diào)課程之間的銜接和連貫，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程可以把程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯電路2門課程之間存在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層中的“中間間隔”填補(bǔ)上去并很好地銜接起來。這樣，到2年級(jí)上學(xué)期結(jié)束時(shí)，學(xué)生就可以通過這3門課程清晰地建立單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，構(gòu)造出完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本框架，而具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)再通過后續(xù)相關(guān)課程來細(xì)化充實(shí)。

（2）數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)和嵌入式計(jì)算系統(tǒng)3門課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠很好地銜接，可以規(guī)劃一套承上啟下的基于FPGA開發(fā)板的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生在一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上從門電路開始設(shè)計(jì)基本功能部件，然后再以功能部件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)CPU、存儲(chǔ)器和接口，最終將CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口通過總線互連為一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)和編譯技術(shù)4門之間能夠很好地銜接，構(gòu)成了一組計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)最基本的核心課程。新課程體系中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)2門課程對原來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論和計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容進(jìn)行重新調(diào)整和統(tǒng)籌規(guī)劃。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)和編譯技術(shù)的關(guān)系體現(xiàn)為：

①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程以Intel x86為模型機(jī)進(jìn)行講解，它為操作系統(tǒng)課程（特別是Linux內(nèi)核分析）提供了很好的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程中為了清楚地解釋程序中的文件訪問和設(shè)備訪問等問題，會(huì)從程序員角度簡單引入一些操作系統(tǒng)中的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

②計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程會(huì)講解高級(jí)語言程序如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換、鏈接以生成可執(zhí)行代碼的問題。

③計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)中的流水線處理等也與編譯優(yōu)化相關(guān)，而且以MIPS為模型機(jī)進(jìn)行講解，而MIPS模擬器可以為編譯技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提供可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)以及開設(shè)時(shí)間來看，位于較高抽象層的先行課（如程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程）可以按照原來的內(nèi)容和方式開設(shè)和教學(xué)，而作為新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)的先導(dǎo)課數(shù)字邏輯電路，則需要對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，特別是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行修改和完善。

有了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)，學(xué)生將更容易從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的角度理解操作系統(tǒng)、編譯原理等后續(xù)課程。這些后續(xù)課程在內(nèi)容方面不需要大的改動(dòng)，但是操作系統(tǒng)和編譯器的實(shí)驗(yàn)要以先行課程實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，這樣才能形成一致的、完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念。

6.結(jié)語

系統(tǒng)觀教育對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的所有培養(yǎng)方向均適用，它對專業(yè)核心課程任課教師提出了更高要求，因此必須強(qiáng)化計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師培訓(xùn)工作，特別是重視以系統(tǒng)觀為核心的新教材的編寫工作，以便使計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)和教育跟上學(xué)科、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐。

本系統(tǒng)研究組由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)、武漢大學(xué)、北京大學(xué)有關(guān)教授組成，他們共同進(jìn)行了關(guān)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)知識(shí)、系統(tǒng)能力和系統(tǒng)課程的研討。本研究得到機(jī)械工業(yè)出版社華章公司的大力支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]The Joint Task Force on Computing Curricula of ACM/IEEE，Computer Science Curricula 2013 Ironman Draft（Version 0.8）[EB/OL].[2013-03-26].http：//ai.stanford.edu/users/sahami/CS2013/.

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關(guān)鍵詞 創(chuàng)新 實(shí)踐 業(yè)績定律 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G520 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Talents' Ability Cultivation

Abstract The goal of "innovative country"， the unprecedented ability to cultivate talents highlights. This paper summarizes two authors' more than 40 years' experience and ideas in the culture of human capacity， the purpose is to promote the growth of talents.

Key words innovation； practice； results law； experimental teaching

1 知識(shí)、智力、能力

1.1 知識(shí)與知識(shí)結(jié)構(gòu)

所謂知識(shí)，就是人們在改造客觀世界的實(shí)踐中所獲得的認(rèn)識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的總和。

要使學(xué)生具有合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，必須注意知識(shí)的使用價(jià)值和智力價(jià)值。使用價(jià)值是指所學(xué)知識(shí)在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中的作用和效果，而智力價(jià)值是指所學(xué)知識(shí)對人的智力發(fā)展所起的促進(jìn)作用大小，我們在為學(xué)生設(shè)計(jì)合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須把這兩者有機(jī)地結(jié)合起來，使在有使用價(jià)值的知識(shí)體系中包含有科學(xué)的智力價(jià)值體系。

1.2 智力與智力結(jié)構(gòu)

智力是指感知到思維的心理過程特征，是人認(rèn)識(shí)客觀事物并運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，因此，它屬于個(gè)體心理特征中能力的范疇。一個(gè)人的智力是在掌握人類知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和從事實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)展的，但又不等于知識(shí)和實(shí)踐。

智力是由觀察力、注意力、記憶力、想象力、思考力等一般能力要素所構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。用數(shù)學(xué)語言描述，就是智力因數(shù)I是5種能力要素Ci的函數(shù)。即

I = f （CO，CN，CR，CO，CT） （1）

式中：

I為智力因數(shù)，它綜合反映一個(gè)人的智力品質(zhì)。

CO為觀察力，CN為注意力，CR為記憶力，CI為想象力，CT為思考力。

智力因數(shù)在個(gè)體身上的表現(xiàn)，就是反映了個(gè)體的智力品質(zhì)，它以智力超常、正常、低常為主要標(biāo)志。我們通常所說的“聰明”與“笨”，就是對一個(gè)人智力品質(zhì)的定性評(píng)價(jià)。人才學(xué)把人才分為創(chuàng)造型、發(fā)現(xiàn)型、繼承型三種類型，創(chuàng)新型的人才大都是智力超常的人。

智力品質(zhì)包括敏捷性、靈活性、深刻性和獨(dú)創(chuàng)性，敏捷性表征的是智力活動(dòng)的速度；靈活性表征的是智力活動(dòng)的創(chuàng)造精神。愛迪生一生中之所以能有數(shù)以千計(jì)的發(fā)明創(chuàng)造，在很大程度上依靠了他超常的獨(dú)創(chuàng)性的智力品質(zhì)。

1.3 能力與能力結(jié)構(gòu)

能力總是同成功地完成某項(xiàng)活動(dòng)或某項(xiàng)任務(wù)相聯(lián)系，因此能力是指一個(gè)人完成某項(xiàng)活動(dòng)或任務(wù)的綜合本領(lǐng)。

對大學(xué)生來講，在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)經(jīng)常性和有針對性地培養(yǎng)上面所述的5種能力：

CO——觀察力，它是個(gè)體精細(xì)感知事物的特性、辨別相似現(xiàn)象和新異現(xiàn)象的能力。

CN——注意力，它是個(gè)體組織自己心理活動(dòng)，使之有效地指向和集中于某個(gè)認(rèn)識(shí)對象的能力。

CR——記憶力，它是個(gè)體保持和再現(xiàn)，再認(rèn)識(shí)以往對客觀事物的反映內(nèi)容和主觀體驗(yàn)的能力。

CI——想象力，它是個(gè)體根據(jù)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)造性地形成新事物的形象、推測其結(jié)構(gòu)、特性及其變化的能力。

CT——思考力，它是個(gè)體合乎邏輯地對客觀事物形成概念、作出判斷、進(jìn)行推理思維的能力，它進(jìn)一步又可分為分析能力，綜合能力、比較能力，概括能力和抽象能力。

1.4 業(yè)績定律公式

一個(gè)人的智力品質(zhì)對其一生的業(yè)績有著決定性的作用，如果我們用A代表業(yè)績，I代表智力因數(shù)，t代表勤奮度（用時(shí)間體現(xiàn)），那么可以寫出如下業(yè)績公式：

A=It （2）

公式表明：業(yè)績A與智力因數(shù)I成正比，也與勤奮度t成正比，其關(guān)系可用圖1表示。

業(yè)績A可以廣義地理解，在學(xué)生時(shí)期可以看作學(xué)習(xí)成績，在科學(xué)研究中可以看做研究成績。圖1（a）告訴我們，兩個(gè)人智力因數(shù)不同時(shí)，在同樣的時(shí)間（勤奮度）條件下，智力因數(shù)高的人所取得的成績就大。然而，圖1（b）也告訴我們，智力因數(shù)低的人采取“笨鳥先飛”的辦法，更勤奮一些（花更多的時(shí)間），那么也能取得和智力因數(shù)高的人一樣的成績。因此，從某種意義上來講，勤奮度和智力品質(zhì)有著同樣的價(jià)值。愛迪生說“百分之一的靈感和百分之九十九的勤奮”，就是兼指這兩者。

圖1 業(yè)績與智力因數(shù)、勤奮度的關(guān)系

智力是遺傳素質(zhì)、環(huán)境和教育、個(gè)人努力三方面因素相互作用的產(chǎn)物，是遺傳和環(huán)境的對立統(tǒng)一。智力的發(fā)展不是由先天的遺傳簡單的“命定”，也不是由環(huán)境與教育機(jī)械地決定。遺傳素質(zhì)僅提供了智力發(fā)展的可能性，而環(huán)境和教育、個(gè)人努力則規(guī)定了人的智力發(fā)展的現(xiàn)實(shí)性。環(huán)境，尤其是有計(jì)劃有目的的教育，對智力的發(fā)展起著決定性的作用。

我們認(rèn)識(shí)環(huán)境和教育對智力發(fā)展的決定作用，目的在于創(chuàng)造有利于學(xué)生智力發(fā)展的環(huán)境條件（教師、圖書館、實(shí)驗(yàn)室），建立合理的智力結(jié)構(gòu)，促使學(xué)生智力的發(fā)展并鍛煉超常的智力品質(zhì)，成為創(chuàng)造型的人才。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的定位和組織

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)——發(fā)展智力培養(yǎng)能力

前面講述了學(xué)生的知識(shí)、智力與能力的結(jié)構(gòu)。但更重要的是，如何在整個(gè)教育過程中去實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)。

傳授知識(shí)，發(fā)展智力和培養(yǎng)能力，這三者是相互聯(lián)系，相輔相成的。

傳授知識(shí)，這是對教學(xué)的起碼要求?！爸R(shí)就是力量”這句名言，充分說明了知識(shí)的作用和價(jià)值。但我們培養(yǎng)的學(xué)生，不僅是人類科學(xué)文化的繼承者，而且是人類科學(xué)文化的創(chuàng)造者，而要?jiǎng)?chuàng)造，要發(fā)展，就要依靠知識(shí)、智力和能力，三者缺一不可，如果說人對社會(huì)最終的報(bào)答是貢獻(xiàn)，那么智力能力將起決定性的作用。因此，我們必須轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，從只重視傳授知識(shí)轉(zhuǎn)變到重視發(fā)展智力和培養(yǎng)能力方面來，這既是教育的任務(wù)，也是時(shí)代的要求。

智力也是一種能力，不過是腦的功能而已。一定的智力是掌握知識(shí)的前提，超常的智力可以使學(xué)生獲得更多的知識(shí)，獲得更多的能力，而知識(shí)增多了，又可促進(jìn)智力的發(fā)展和能力的提高。

智力是通過對知識(shí)的掌握過程而形成的。但是不能認(rèn)為知識(shí)就是能力。知識(shí)是能力的基礎(chǔ)，能力是知識(shí)的集中體現(xiàn)?！盁o知必然無能，無能很難有知”，足以說明知識(shí)與能力之間的辯證關(guān)系。能力是要經(jīng)過專門訓(xùn)練的，要靠培養(yǎng)，要靠發(fā)展。能力總是與成功地完成某項(xiàng)活動(dòng)或任務(wù)相聯(lián)系，是在實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)展的?！皩?shí)踐出智慧，實(shí)踐長才干”，就是這個(gè)道理。

從表達(dá)式（1）可知，智力因數(shù)I是能力要素Ci的函數(shù)，要發(fā)展智力，必須重視培養(yǎng)能力。而能力總是同成功地完成某種活動(dòng)相聯(lián)系，要培養(yǎng)能力，必須重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。我們不能因?yàn)槟芰Φ陌l(fā)展與知識(shí)的獲得有聯(lián)系，就認(rèn)為學(xué)生的能力培養(yǎng)，可以在教學(xué)過程中自發(fā)地實(shí)現(xiàn)。有鑒于此，在教學(xué)中應(yīng)該明確地提出培養(yǎng)能力的要求和目標(biāo)，并且有計(jì)劃地自覺地去實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍

高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)是落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》的重要任務(wù)之一，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要條件。高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍應(yīng)具備：（1）熱愛和忠于教師職業(yè)；（2）具有相應(yīng)的學(xué)術(shù)水平和豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；（3）富有創(chuàng)新精神；（4）富有奉獻(xiàn)精神。

長期以來，高校實(shí)施的考評(píng)體系并沒有對實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍有多少傾斜政策，例如職稱問題，聘崗問題，要求數(shù)，要求科研經(jīng)費(fèi)數(shù)。然而實(shí)際上每個(gè)具體承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的老師工作量十分繁重。這些政策的后果是：實(shí)驗(yàn)課教師感覺低人一等，教改無極積性，整天忙于日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。試問：沒有優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，何談高水平實(shí)驗(yàn)？何談培養(yǎng)創(chuàng)新型人才？

高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的建設(shè)需要進(jìn)一步落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，即使沒有傾斜政策，至少要做到公正公平。例如實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍中為什么不設(shè)置國家級(jí)和省級(jí)“實(shí)驗(yàn)名師”，以改變他們在社會(huì)和學(xué)校中的地位呢？

2.3 三種實(shí)驗(yàn)類型和三個(gè)結(jié)合點(diǎn)

（1）三種實(shí)驗(yàn)類型體現(xiàn)三大臺(tái)階：

基礎(chǔ)驗(yàn)證型：鞏固書本知識(shí)，培養(yǎng)基本動(dòng)手能力。

綜合設(shè)計(jì)型： 綜合運(yùn)用課程知識(shí)，全面培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

研究創(chuàng)新型：超出課程要求，發(fā)揮學(xué)生觀主動(dòng)性，啟發(fā)提高實(shí)驗(yàn)水平。

前兩種實(shí)驗(yàn)面向所有學(xué)生，第三種實(shí)驗(yàn)只面向少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生。

（2）三個(gè)結(jié)合點(diǎn)有效組織實(shí)驗(yàn)的過程：

課程要求：面向全體學(xué)生的基本要求。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：分組綜合實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。

因材施教：專業(yè)/非專業(yè)；不同層次/不同基礎(chǔ)/不同興趣。

2.4 計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

（1）計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)12門核心課程——三硬三軟三系統(tǒng)三理論：

三硬：數(shù)字邏輯，計(jì)算機(jī)組成原理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

三軟：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫原理，編譯原理。

三系統(tǒng)：操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

三理論：離散教學(xué)，形式語言與自動(dòng)機(jī)，算法分析。

計(jì)算機(jī)學(xué)科是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程、信息安全等諸多專業(yè)，上述課程中大部分為專業(yè)基礎(chǔ)課，必須有實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段做支撐。圖2 示出計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程群分類體系。公共基礎(chǔ)是全校性的基礎(chǔ)課，如C語言程序設(shè)計(jì)。

圖2的實(shí)質(zhì)表示計(jì)算機(jī)學(xué)科學(xué)生能力培養(yǎng)路線圖。能力培養(yǎng)目標(biāo)是“先立地后頂天”，“立地”是單門課程實(shí)驗(yàn)，“頂天”是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)。

（2）計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)：

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程群包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)四門課程。有些專業(yè)方向偏軟的院校將后兩門課合而為一，取名為計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

①數(shù)學(xué)邏輯：技術(shù)基礎(chǔ)課

基本實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生掌握基本門器件；常用組合邏輯和時(shí)序邏輯功能部件設(shè)計(jì)；存儲(chǔ)邏輯E2PROM應(yīng)用，大容量可編程器件應(yīng)用；EDA設(shè)計(jì)工具和VHDL語言。

綜合實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生用EDA技術(shù)完成至少4個(gè)以上的中型設(shè)計(jì)課題。

②計(jì)算機(jī)組成原理：專業(yè)基礎(chǔ)課。

基本實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生掌握運(yùn)算器；雙端口存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)通路；微程序控制器；并用它們組一個(gè)CPU整機(jī)，且用單步或連續(xù)方式執(zhí)行指令周期實(shí)驗(yàn)。

綜合實(shí)驗(yàn)：要求學(xué)生用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)硬布線控制器實(shí)現(xiàn)的CPU，并單步或連續(xù)方式執(zhí)行驗(yàn)收程序。

③計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：重要的專業(yè)課。

課程重點(diǎn)講述計(jì)算機(jī)時(shí)間并行技術(shù)和空間并行技術(shù)。前者用流水技術(shù)實(shí)現(xiàn)，后者用多CPU技術(shù)實(shí)現(xiàn)?？紤]技術(shù)復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)成本，教學(xué)實(shí)驗(yàn)采用如下兩種方式：

硬件形式：采用TEC-8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)流水CPU。

軟件形式：采用仿真軟件，實(shí)現(xiàn)一個(gè)流水CPU。

④計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)、專業(yè)基礎(chǔ)課。

基本實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)：要求與計(jì)算機(jī)組成原理相同。

⑤計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)：高職高專計(jì)算機(jī)專業(yè)、理工類非計(jì)算機(jī)專業(yè)必修課。

基本實(shí)驗(yàn)：剖析一個(gè)簡單CPU（TEC-6實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）

基本實(shí)驗(yàn)：用《片上系統(tǒng)單片機(jī)》進(jìn)行編程和接口設(shè)計(jì)（TEC—6B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）。TEC-6B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也用來完成計(jì)算機(jī)學(xué)科的《接口技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)。

（3）計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施原則：

實(shí)施原則總結(jié)為十六字方針——四年不斷，課程為界，先分后合，構(gòu)建系統(tǒng)。

所謂四年不斷，就是從大一到大四都安排有實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

所謂課程為界，就是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)執(zhí)行課程教學(xué)大綱，不要越界。

篇10

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論；課程體系；獨(dú)立學(xué)院

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)19-4768-02

Study on Curriculum System of Computer Science Introduction in Independent College

WANG De-chao

(College of Fundation Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China)

Abstract: A case study of Arts and Sciences College of Sichuan Normal University, deals with the teaching characteristic of independent college for the courses of introduction to computer science, and from the many years of teaching practice, summarized the course of teaching methods, according to the contacts between this curriculum and other courses in the professional, was proposed for introduction to computer science curriculum structure of independent colleges. Displayed from the nearly three-year teaching, this curriculum structure is in line with training objectives of independent college for this course.

Key words: introduction to computer science; course system; independent institute

《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的引導(dǎo)性專業(yè)基礎(chǔ)課程，其課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)置，是計(jì)算機(jī)教育界的熱門論題。在1991年ACM和IEEE-CS攻關(guān)組提交的CC1991(Computing Curricula 1991)報(bào)告中，明確提出了構(gòu)建計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程體系的具體要求和重要性，由此引發(fā)了計(jì)算機(jī)教育界有關(guān)如何設(shè)置計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程體系結(jié)構(gòu)的討論熱點(diǎn)。在2002年我國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程研究組提出的“中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002”（China Computing Curricula 2002，簡稱CCC2002）[1]中，明確指出了計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程的基本內(nèi)容綱要，為我國構(gòu)建計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程體系結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。通過我國多年的教學(xué)實(shí)踐表明，在CCC2002綱領(lǐng)性精神指導(dǎo)下，本課程體系的設(shè)置既要結(jié)合專業(yè)的培養(yǎng)方向，又要考慮學(xué)生的具體知識(shí)背景情況，輔以靈活多樣的教學(xué)方法才是實(shí)現(xiàn)本課程目標(biāo)的關(guān)鍵。

《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的第一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史及其應(yīng)用領(lǐng)域，了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的各個(gè)專業(yè)方向，掌握計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能，了解計(jì)算機(jī)學(xué)科研究的領(lǐng)域和科學(xué)思維方法，明確計(jì)算機(jī)專業(yè)需要學(xué)習(xí)的主要課程及今后的職業(yè)生涯中需具備的職業(yè)道德和專業(yè)素養(yǎng)。

《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置方面，由于生源和地區(qū)差異，還有不同高校專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)差異等因素，計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論內(nèi)容體系的構(gòu)成存在較大的隨意性。當(dāng)前我國各高校計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論教材內(nèi)容主要有兩種情況，一種是將《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》完全等同于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》或稱為《大學(xué)計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)》課程；一種是將《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程當(dāng)成計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生在大學(xué)期間所學(xué)專業(yè)核心課程的濃縮，面面具到，等同于將今后4年要學(xué)的主要核心專業(yè)課程均學(xué)過遍。筆者認(rèn)為，這兩種計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程均存在程度不同的不足之處。第一種過于簡單，失去專業(yè)導(dǎo)向性課程的特征，專業(yè)本身需具備的知識(shí)基礎(chǔ)和操作技能素養(yǎng)會(huì)丟失；第二種因內(nèi)容廣而散和概念多而雜，教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度難以把握，學(xué)生難以接受，教學(xué)效果最差。這兩種類型的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論均不適合獨(dú)立學(xué)院的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)特點(diǎn)，難以達(dá)到本課程應(yīng)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目的。下面從獨(dú)立學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，提出了適合獨(dú)立學(xué)院的《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論》課程體系結(jié)構(gòu)。

1 獨(dú)立學(xué)院的培養(yǎng)目標(biāo)與計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論的教學(xué)目標(biāo)

我國普通高校學(xué)生生源基礎(chǔ)劃分為三個(gè)層次：一本層次主要是211或985高校，其生源基礎(chǔ)最好；二本層次主要是除一本院校外的所有公立高校，由于平行志愿的普及，其生源基礎(chǔ)水平較平均地處于中等；三本層次主要是民辦院校、公辦民助二級(jí)學(xué)院及民辦獨(dú)立學(xué)院，是利用非國家財(cái)政性經(jīng)費(fèi)舉辦并實(shí)施本科學(xué)歷教育的高等學(xué)校，其生源基礎(chǔ)應(yīng)該是最差的。盡管獨(dú)立學(xué)院可以依托母體學(xué)校充裕的教學(xué)資源，由于其辦學(xué)機(jī)制模式與普通本科院校不同，同時(shí)，獨(dú)立學(xué)院因其招生的限制，對學(xué)生的培養(yǎng)與定位也存在著一定的差異。一般來說，獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)意志力相對薄弱，缺少自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。因?yàn)樾枰劳心阁w學(xué)校的教學(xué)資源，專業(yè)教師與學(xué)生的溝通受到限制。在學(xué)習(xí)或生活的諸多方面，獨(dú)立學(xué)院學(xué)生都會(huì)表現(xiàn)出自我約束力不強(qiáng)，獨(dú)立性較差等特點(diǎn)。學(xué)風(fēng)是一所大學(xué)的靈魂，也是立校之本?，F(xiàn)在已經(jīng)有主要針對三本院校(獨(dú)立學(xué)院等)學(xué)風(fēng)建立的學(xué)生上課出勤情況考勤系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)[2]。因此，三個(gè)層次院校具有不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)。一本院校主要培養(yǎng)科學(xué)研究與創(chuàng)新型人才；二本院校主要培養(yǎng)工程型人才；三本院校主要培養(yǎng)應(yīng)用型人才。有了獨(dú)立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，相應(yīng)地就確立了計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)目標(biāo)。計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論主要目標(biāo)是對計(jì)算機(jī)專業(yè)完整知識(shí)體系的概覽，通過該課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對計(jì)算機(jī)的發(fā)展史、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基本知識(shí)及知識(shí)體系、計(jì)算機(jī)學(xué)科方法論及計(jì)算機(jī)專業(yè)人員應(yīng)具備的能力素質(zhì)和職業(yè)道德有一個(gè)基本的掌握，了解計(jì)算機(jī)硬件軟件系統(tǒng)知識(shí)，數(shù)據(jù)與編碼知識(shí)等，能熟練地使用并能簡單維護(hù)計(jì)算機(jī)，并且能夠初步樹立起計(jì)算的思維方式，為今后深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程做鋪墊。

2 獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論教學(xué)方法

在課程的教學(xué)中，應(yīng)更多地考慮如何培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的濃厚興趣。計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論的教學(xué)對象是剛步入大學(xué)的學(xué)生，普遍不具備良好的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和計(jì)算機(jī)基本操作技能，甚至對計(jì)算機(jī)一無所知。在教學(xué)過程中應(yīng)善于通過形象而生動(dòng)的舉例來引導(dǎo)學(xué)生理解計(jì)算機(jī)學(xué)科中的抽象概念。同時(shí)要充分利用多媒體教學(xué)手段，以圖文并茂的方式形象而生動(dòng)地演示較為抽象或難以用語言描述的教學(xué)內(nèi)容。如在講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作過程等時(shí)可用視頻或Flas來生動(dòng)地演示其執(zhí)行過程。由于獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)，可采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”和“案例驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，循序漸近地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和勤思維的習(xí)慣。考慮到本課程理論性較強(qiáng)，抽象概念多而雜等特點(diǎn)，以及接受本課程的學(xué)生多數(shù)是初次認(rèn)識(shí)電腦等因素，筆者提出了理論課與上機(jī)實(shí)訓(xùn)計(jì)劃各32學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程體系結(jié)構(gòu)如下。

3 獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程體系結(jié)構(gòu)

3.1 計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論理論課程體系結(jié)構(gòu)

理論課程體系結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分[3]，在多媒體教室借助圖片、視頻等多種媒體形式，以“案例驅(qū)動(dòng)”模式進(jìn)行教學(xué)：

1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成、工作原理、數(shù)制和編碼、運(yùn)算基礎(chǔ)、邏輯代數(shù)與邏輯電路。這部分完成的教學(xué)目標(biāo)：掌握計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，計(jì)算機(jī)構(gòu)造模型、組成及工作原理；掌握常用組合鍵和功能鍵的使用，熟練掌握雙手指法，會(huì)一種中文盲打技術(shù)；熟練掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)中四種數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)內(nèi)部二進(jìn)制數(shù)的定點(diǎn)和浮點(diǎn)表示方法，三種機(jī)器數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換原理；掌握字符ASCII碼、數(shù)的8421碼、漢字的三種編碼及可靠性編碼中的各種校驗(yàn)碼；熟練掌握二進(jìn)制的四則運(yùn)算，補(bǔ)碼的加法運(yùn)算，十進(jìn)制的8421碼運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，邏輯代數(shù)中的基本概念，公式及基本運(yùn)算；熟練掌握計(jì)算機(jī)中基本邏輯電路及組合邏輯電路的功能、邏輯表達(dá)式、真值表及電路符號(hào)等；掌握6種基本邏輯部件的功能、特性及其分類等。

2) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件：中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件：算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、編譯原理、操作系統(tǒng)、軟件工程。

4) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息安全與職業(yè)道德。

3.2 計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論上機(jī)實(shí)訓(xùn)計(jì)劃

上機(jī)實(shí)訓(xùn)在具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能的計(jì)算機(jī)房中進(jìn)行，先由教師網(wǎng)絡(luò)廣播教學(xué)，再讓學(xué)生完成指定題目，教師講授一個(gè)主題，學(xué)生便相應(yīng)地完成一個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。這種“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式要完成的課程計(jì)劃如表1所示[4]。其中DOS操作系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)任務(wù)主要讓學(xué)生掌握常用的DOS命令操作，如表2所示，為后續(xù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)，一直以來，是計(jì)算機(jī)教育界討論的熱點(diǎn)。該文分析了獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)，及獨(dú)立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，論述了本課程教學(xué)方法，并按“案例驅(qū)動(dòng)”模式和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”模式提出了獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論的理論體系結(jié)構(gòu)和上機(jī)實(shí)訓(xùn)計(jì)劃方案，供本課程體系結(jié)構(gòu)建設(shè)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)學(xué)科教程2002研究組. 中國計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)學(xué)科教程2002[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[2] 姜韋鈺. 從課堂考勤析獨(dú)立學(xué)院的學(xué)風(fēng)建設(shè)――以北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系為例[J]. 民辦高等教育研究,2010,7(2):34-37.

[3] 王玉龍，付曉玲，方英蘭. 計(jì)算機(jī)導(dǎo)論[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.