计算机系统结构范文

导语：如何才能写好一篇计算机系统结构，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

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[4]王丽晖. 现代计算机系统结构发展趋势分析，开发展望. 2005：4-5.

[5]欧中宏，袁由光，李海山等. 一种高性价比的容错计算机结构，第十届全国容错计算学术会议.

[6]曾庆华，陈天麟. 可扩展并行计算机系统结构和发展现状，计算机科学. 2003：第30卷，第9期. 158-161.

[7]龚明. 后PC时代计算机系统结构的发展，计算机工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

[8]范玲玲. 计算机硬件知识体系的结构框架研究，信息产业. 2013：178.

[9]王群. 计算机总线技术的发展，煤炭技术. 2013：第32卷，第3期. 81-83.

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计算机系统结构试题

课程代码：02325

请考生按规定用笔将所有试题的答案涂、写在答题纸上。

选择题部分

注意事项：

1.答题前，考生务必将自己的考试课程名称、姓名、准考证号用黑色字迹的签字笔或钢笔填写在答题纸规定的位置上。

2.每小题选出答案后，用2B铅笔把答题纸上对应题目的答案标号涂黑。如需改动，用橡皮擦干净后，再选涂其他答案标号。不能答在试题卷上。

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分）

在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题纸”的相应代码涂黑。错涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能够直接执行微指令的是

A.汇编程序 B.编译程序

C.硬件 D.固件

2.系列机软件应做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力争向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力争向下兼容

3.在浮点数尾数下溢处理时，误差，但下溢处理不需要时间，平均误差又趋于0的方法是

A.截断法 B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l”法

4.在IBM370系统中，支持操作系统实现多进程公用区管理最有效的指令是

A.“测试与置定”指令 B.“比较与交换”指令

C.“执行”指令 D.“程序调用”指令

5.采用组相联映像、LRU替换算法的Cache存储器，不影响Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的块数 B.增大组的大小

C.增大主存容量 D.增大块的大小

6.采用组相联映像的Cache存储器，可用于地址变换的方法是

A.目录表法 B.比较对法

C.页表法 D.堆栈法

7.ILLIAC-IV阵列处理机中，PE之间所用的互连函数是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行处理机有16个处理单元，编号为0～l5，采用shuffle单级网络互连，与13号处理单元相连的处理单元的编号是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.间接二进制n方体网络是一种

A.多级混洗交换网络 B.单级立方体网络

C.多级全排列网络 D.多级立方体网络

10.多处理机程序段的指令之间存在数据反相关时，下列说法正确的是

A.不能并行 B.适当同步控制，可以并行

C.可以交换串行 D.若指令满换律，可以交换串行

非选择题部分

注意事项：

用黑色字迹的签字笔或钢笔将答案写在答题纸上，不能答在试题卷上。

二、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

11.从计算机执行程序的角度看，并行性等级由低到高可分为________、________、任务或进程间和作业或程序间四级。

12.浮点数尾数基值增大，可使运算中的精度损失________，可表示数的精度________。

13.中断系统软硬件功能分配实质是中断________软件和中断________硬件的功能分配。

14.数据宽度是指I/O设备取得________后所传送数据的总量；数据通路宽度是________的物理宽度。

15.虚拟存储器主要是为解决主存________满足不了要求发展出来的；Cache存储器是为了解主存________满足不了要求发展出来的。

16.虚拟存储器对________程序员是透明的，对________程序员是不透明的。

17.解决重叠相关处理的两种基本方法是推后________和设置________。

18.按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能连接流水，可把流水线分为________流水线和________流水线。

19.N个处理单元的混洗交换网络中，最远的两个人、出端的二进制编号是________和________，其距离为2log2N—l。

20.松耦合多处理机可以有________型和________型两种构形。

三、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

21.简述通道的3种类型各适合连接什么类型设备，说明各种类型通道在满负荷时的实际流量与所连接设备的关系。

22.简述并行性从计算机系统处理数据的角度划分的四个等级，并各举一例。

23.简述透明性概念，说明下列哪些对于计算机系统结构是透明的。

浮点数据表示；字符串运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；访问方式保护；数据总线宽度；Cache存储器；存储器的最小编址单位；存储器的模M交叉存取，串行、重叠还是流水控制方式。

24.简述数据表示和数据结构之间的关系及引入高级数据表示的基本原则。

25.简述实现指令的重叠解释必须在计算机组成上满足的要求。

四、简单应用题（本大题共2小题，每小题10分，共20分）

26.机器有5级中断，中断响应次序为12345，现要求实际中断处理次序为23154。

(1)设计各级中断处理程序的中断级屏蔽位的状态，令“0”为开放，“l”为屏蔽；

(2)若运行用户程序时，同时发生1、3级中断请求，而在l级中断服务未完成时，又发生2、3、4、5级中断，请画出处理机执行程序全过程的示意图（标出交换PSW的时间）。

27.求A1、A2、…、A8的累加和，有如下程序。

Sl A1=A1+A2

S2 A3=A3+A4

S3 A5=A5+A6

S4 A7=A7+A8

S5 A1=A1+A3

S6 A5=A5+A7

S7 A1=A1+A5

写出用FORK、JOIN语句表示其并行任务的派生和汇合关系的程序，以假想使此程序能在多处理机上运行。

五、综合应用题（本大题共2小题，每小题10分，共20分）

28.有一个4段的单功能非线性流水线，其预约表如题28表：

题28表

时钟

时钟 段号t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分别写出延迟禁止表F，冲突向量C，并画出冲突向量的状态转移图；

(2)写出其流水线的调度方案及此时的吞吐率。

29.有一个虚拟存储器，主存有4个实页，页号为0~3，程序有8个虚页，页号为0~7，采用全相联映像和FIFO替换算法。给出如下程序页地址流：2、3、5、2、4、0、1、2、4、6。

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关键词:精品课程;教学模式;创新教育

中图分类号:G642 文献标识码:B

精品课程建设是教育部启动的“高等学校教学质量与教学改革工程”中的一项重要内容,是提高教学质量进而提高人才培养质量的奠基性工作。我校2008年开始启动“校级精品课程建设计划”,我院的“计算机系统结构”课程被评为首届校级精品课程。下面就课程定位、教学体系建设、知识模块、教学模式、相关教学研究等方面介绍对该课程建设的探索与实践。

1课程的基本定位和教学目标

在计算机专业人才需求越来越多的情况下,北京市对计算机硬件相关的技术人员也加大了需求量,在这样的形势下,我们建立了新的计算机硬件课程体系,对“计算机系统结构”课程的定位也越来越明确。我校的计算机专业主要为北京市培养计算机应用型人才,学生的就业取向大多数是北京市的高新技术企业。因此,我们从教学计划、教学大纲、教学平台、实验设计平台和工具等方面均做了改革和调整,以适应形势发展的需要。具体措施为:

(1) 通过“数字逻辑”解决数字逻辑电路的基本概念和原理;

(2) 通过“数字系统设计”等课程让学生掌握现代的数字系统设计平台和工具(EDA、FPGA等),以及简单电子部件的设计技术;

(3) 通过“计算机组成原理”解决计算机的基本组成原理与技术问题;

(4) 通过“计算机接口技术”、“高档微机系统”课程使学生掌握微机应用系统设计和调试基本概念和方法,提高学生工程素质和设计、技术创新等方面的基本知识。

“计算机系统结构”课程的教学目标是使学生在计算机应用系统和分析设计中,理解软硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系统的性能价格比方面的知识;“嵌入式系统”等系列课程,让学生在“嵌入式系统”、“微机系统及接口”等面向应用的专业方向上进行学习和实践。

在“计算机系统结构”的教学中,以提高计算机的性能价格比为重点,辅以计算机系统结构发展中的新技术,如流水线技术、并行技术等,最终的目标是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力,帮助学生建立整机系统的概念;使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法,掌握基本的性能分析方法,特别是量化方法;并对计算机系统结构的发展现状有所了解。本课程强调培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力,强调培养学生的创新思维和创新能力。

2知识模块顺序

本课程在建设中注重知识更新、创新教育,在2008年5月我校正式获得批准成为《英特尔“多核技术课程”大学计划》合作伙伴,成立了“北京工业大学――Intel多核技术实验室”,并得到Intel公司的多核服务器及相关软件的捐赠,在此基础上,本课程在授课过程中增加了多核技术的内容,使学生在课堂上能接触到更多的新知识。具体知识模块顺序如下:

(1) 计算机系统结构的基础知识:计算机系统结构的基础知识以及与计算机组成、计算机实现之间的关系,并对计算机系统结构未来的发展做相应的介绍。

(2) 指令系统:计算机指令系统的设计是计算机系统结构设计的核心问题,从系统结构的角度介绍指令系统及与之相关的数据表示和寻址技术等。

(3) 存储系统:计算机系统结构设计中的关键问题之一是如何以合理的价格、设计容量和速度满足计算机系统要求的存储器系统。本模块从存储层次出发,介绍多级存储体系及各级存储器。

(4) 流水线处理技术:本章主要介绍流水线技术的基本概念、工作方式、流水线的分类和流水线在向量处理机中的应用。

(5) 并行处理技术:并行处理技术的发展及应用,互连网络的基本概念、几种典型的互连网结构和消息传递机制。

(6) 多处理机及新型计算机系统结构:多处理机模型和基本结构,多处理机结构、性能和实例,介绍数据流机、归约机和智能计算机等的工作原理、结构、特点等。

(7) 多核技术:多核处理器的基本概念、分类和工作原理。

3建立理论与实践相结合的教学体系

本课程在近几年的建设中,针对原课程计划中没有实验的缺陷,通过加强对国内外大学该课程进行调查和研究,建立了本课程的实验体系。通过两部分的实验来加强学生对计算机流水线技术的理解。具体实验内容是:

(1) 在掌握基本原理的基础上,通过使用WinDLX模拟器对流水线处理和指令调度进行测试,加深对数据相关、资源相关的理解,了解这两类相关对CPU性能的影响以及如何用定向技术来解决。

(2) 设计四个流水线功能段的设计与实现的实验,包括取指、译码、执行、写回阶段,分析并设计流水线CPU各功能段的基本硬件结构,并用Verilog HDL硬件描述语言加以实现,进行实验结果分析,最后提交规范的实验报告。随着实验的不断完善,未来将增加多核方面的实验。实验体系的改革使本课程的教学过程更加完整,学生能够从实验中加深对计算机系统结构领域的技术的理解,使抽象的内容变得具体化。

本课程的实验为8学时,具体实验内容如表1所示:

由于学时的限制,上述实验中1、2为必选题目,3～6可以任选一个。

4启发式教学模式的建立

新教学模式的建立打破了以往纯粹课堂讲授的方式,采用创新型的教学模式:启发式课堂讲授、主题讨论、自主学习三种方式的结合。启发式教育的核心就是要培养学生独立思考和创新思维。在课堂中,每章节均设置相关的思考题和与前沿技术有关的研究性专题,鼓励学生自主查阅资料,提出问题,增强师生互动。在此过程中,突出自主学习和研究性学习,全面提高学生的思维能力、解决问题的能力以及创新能力。教学过程模型如图1所示:

在上述基础上,还采用了课堂授课与网络学习相结合的方式,将多种现代教学媒体与自主开发的多媒体课件、课程教学网站优化组合,构建课堂授课与网络学习的多媒体网络教学环境。“计算机系统结构”教学网站为学生提供了丰富的教学资源和良好的交流平台,如提供教学大纲、教学内容、教学团队、教学录像、教学课件、参考教材、习题与作业、自测题等资源;网站除了为课程提供基本的信息外,强调教师与学生的互动交流,教师可以针对核心问题设置分组,论坛帖子置顶,推荐精华帖,公告,设置论坛风格等;学生可以针对某个问题发帖讨论,站内搜索,收藏帖子等;论坛的数据库进行定期自动备份(如一天一备份),同时可以以一周或几天为单位,自动删除前一周或几天的数据库备份文件,达到既维护数据又不使备份数据过大的目的,满足论坛的持续性和扩展性的要求。

5结语

随着精品课程建设的不断推进,课程组的教师在教材建设、教学研究方面都取得了优秀的成果,目前由课程组合著的《计算机组成原理与汇编语言》、《高档微机原理与技术》等教材均已在清华大学出版社出版,并列入国家“十一五”规划教材;《计算机系统结构》一书也于2009年在清华大学出版社出版。由课程组的老师主持的三项教育教学项目现已通过学校中期验收,相关老师也在该课程的教学改革中不断提出新的思路,力争在不断的建设中使该课程达到北京市精品课程的标准。

参考文献:

[1] 毛国君,方娟. 计算机系统结构课程群的“1+2+3”模式及其应用[J]. 中国大学教学,2008(3):40-42.

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［关键词］计算机组成；农林院校；教学；实验

0引言

我校在创建世界一流农业大学的进程中，积极营造交流、开放式、国际化办学的教学氛围，开展深度科研协作，努力实现“产学研紧密结合的世界一流农业大学”。我校自20世纪70年代末开设计算机应用课程以来，曾先后多次调整教学内容，以适应时展的需要。正是在此背景下，在当前信息技术飞速发展的今天，如何开展高等农林院校“计算机组成与系统结构”课程教学，如何改革课程的理论教学、实验教学及课程授课令人深思。

1课程现状

“计算机组成与系统结构”（简称计算机组原）是我校计算机科学与技术、信息管理与信息系统、电子商务和软件工程专业的核心基础课。该门课程呈现出学生难学、教师难教的现象，其原因在于该课程理论性强，概念和知识点繁、杂、抽象。为使学生具备扎实的基础理论和良好的动手实践能力，作者自2006年春开始讲授本门课程，结合多年的教学、教改实践，从以下几方面对该课程的教学进行了一些尝试性探索。

2教学优化过程及实践

2．1优化教学内容，突出重点、难点，补充科技前沿知识由于该课程具有概念繁杂和内容抽象的特点，且每节内容都可扩展开独自形成完整的知识体系，在有限的教学时间内不可能对计算机系统的五大部件和实现技术都进行详细讲解，为此学院及系部每年组织各类教研活动，如集体备课，集体讨论教学大纲，研讨教材重点、难点和疑点，确定实践环节；组织教师之间互相听课，取长补短；新任教师试讲等。2．2强化实验教学设计，提高动手实践能力实验教学是本课程的重要实践环节，是抽象理论的科学验证，有助于提升学生对理论的认知，可激发学生的学习兴趣。我校采用清华大学教学实验机TEC－XP，以验证性实验为主，在实验过程中增加附加的设计型教学实验任务。在授课过程中讲解实验机中的设计思想，让学生清楚了解硬件的连接及程序的实现过程，在实验过程中，通过实验内容逐级深入的方法，使教学试验机的设计思想逐渐渗透，最终实现教学目标。2．3因材施教，运用灵活多变的教学方法及手段为使课堂授课丰富愉悦、内容饱满活泼，为使学生能尽快融会贯通，这就必须对教学内容进行精心设计，多种教学方法相结合并贯穿授课始终。作者结合多年的教学经验总结，极大地提高了学生学习兴趣，极大地提升了教学质量。2．3．1培养学生学习兴趣的互动式板书与PPT教学手段结合教材内容，充分运用现代网络技术，利用图片、动画、视频等多媒体素材设计PPT，帮助学生理解枯燥的计算机组成原理概念，提高学习效果。如第一章计算机系统概论中讲授计算机执行ax2＋bx＋c，以学生熟悉的C语言知识，板书介绍非常重要的地址概念，引导学生熟悉用户程序存放的内存单元地址、自定义变量地址，PPT动画展示运算器的加、乘运算的基本过程。2．3．2客观真实的案例教学法对感性认识不强的计算机组成概念，使用案例教学法可帮助学生消除对计算机的神秘感。如在讲解多体（存储器）交叉存储系统时，通过下述案例，以科技文献及图片素材让学生逐渐了解并掌握大型机（或巨型机）中多体交叉的知识点，有助于后续Cache命令率的学习。2．3．3科学地利用教师的主导作用，运用生活化、形象化的类比教学法作为专职专业课教师，任何时候都可通过课堂中的点滴小事与学生交流，询问他们是否已理解了授课内容和难点、重点知识。作为授课中“人类灵魂的工程师”，真诚关注、鼓励、教育学生注重专业修养，提高综合素质。为避免学生“知其然，不知其所以然”，避免死记硬背，结合日常生活中的实例，采用类比教学法，形象生动、由浅入深地让学生理解计算机中艰涩的概念，最后达到深入浅出的教学效果。如存储器，犹如仓库，计算机中用于存放指令和数据；“按地址寻访”，是指计算机根据地址寻找内存单元和IO部件，地址的概念正如现实生活中区别某人的身份证号码，或现实中的座机号码，或计算机网络中的IP地址。总线中的异步串行通信犹如食堂排队买饭、火车站排队买票等，逐比特的传输；应答信号如通信双方握手一样，成对出现。Cache与主存地址映射过程是本课程的难点和重点，将Cache与主存的地址映射比作火车座位的对应机制，有助于学生对Cache地址映射的理解。讲解寻址方式时，以去宿舍找学生作类比，若已知学生的具体宿舍号，则为直接寻址；若询问宿管办阿姨，则为寄存器间接寻址。介绍运算器的功能时，指出运算器只做一件事，即算术逻辑运算，其余均不参与；控制器的功能就是大总管，控制并管理计算机所有的行为和操作等等。2．3．4强化重点，当堂消化难点，采用专项典型习题讲解法我校采用的教材是由唐朔飞老师主编的国家“十一五”规划教材《计算机组成原理》（第2版）。由于该课程具有很强的理论性以及学生考研的需求，通过对大纲的重点难点知识第四章CPU与存储器的连接、高速缓冲存储器，第六章计算机的运算方法及第十章CU的设计的典型例题、习题进行讲解，能有效巩固、加强学生对所学知识的理解。同时，预留少且精的课后题，以再次加深对知识点的理解，培养学生的思维能力。

3鼓励个性化发展，完善考核方式

课程考核是教学过程的重要组成部分，是实现教学目标和检测学生学习成果的一种手段，贯穿授课及实验过程的始终。本门课程考核的主要内容是学生对整机的基本组成及工作原理的理解程度，以及对基本概念、基本知识的掌握程度。经过多年的教学经验总结，课程考核基本由以下三部分组成。（1）随堂测验（占总成绩的10％）。为了督促和鼓励学生对课程的学习，在重点章节后进行随堂测试，主要考核学生对重点难点内容的理解及掌握情况，随时发现学生在学习过程中存在的各类问题，及时调整教学方向。（2）验证实验及设计型实验（占总成绩的20％）。规范实验教学，严格考勤制度，采用单人单机的形式，主要看重实验过程、实验结果，轻实验报告成绩。对学生的实验验证报告、设计型实验的完成状态以实验截图的形式提交，实验完成后当场验收并给出验收成绩。在所有实验完成后，提交相关代码及实验文档，并给出实验报告成绩。实验成绩由三部分构成：验收成绩占50％，报告成绩占30％，实验考勤占20％。（3）期末考试（占总成绩的70％）。该课程一直沿用闭卷理论考试；课程全部结束后，进行期末考试，全面考核学生对基础理论、基本原理的掌握程度与分析水平。

4总结

鉴于我校地处西北及正处于“创建世界一流农业大学”战略时期，以及计算机组成与系统结构课程的特殊性、重要性，这就决定了该课程的教学改革与实践是一项大工程，需要从理论授课、实验验证、课程考核等多方面同时进行教学优化，以上整个教学过程优化的思考与实践，已取得了较好的效果。作为高等农业院校，我院的本科毕业生受到了国内知名IT公司的好评和青睐，在华为、阿里巴巴、百度、迅雷、网易、美团网、去哪网等公司就业，不少已是部门负责人，连续四年一次性就业率达98％，年薪10万元以上的毕业生每年在12人次以上。虽然取得了一些成绩，但距离世界一流农业大学的创新型人才培养还有一些距离。“计算机组成与系统结构”的课程教学优化需要做的工作还有很多，各种教学方法、教学手段也并不是一成不变的。随着网络技术、信息技术的不断发展，专业教师只有不断进行学习、更新、优化、探索、总结，才能持续有效地提高教学效果、教学质量，持续有效地满足新时代下学生不断增长的求知需求。

作者:黄铝文 陈 勇 李书琴 张志勇 单位:西北农林科技大学

参考文献:

［1］陈仁甫，邓名万．IBM370系统结构及其发展［J］．计算机工程与应用，1985（5）：1－7．

［2］刘彬让．研究型农业大学国际化办学问题的思考———以西北农林科技大学为例［J］．高等农业教育，2013（6）：30－33．

［3］唐朔飞，刘旭东，王诚，包健，熊桂喜．“计算机组成原理”课程教学实施方案［J］．中国大学教学，2010（11）：42－45．

［4］王革，张景书，杨胜良．对产学研紧密结合办学特色的认识与实践［J］．中国高教研究，2005（1）：14－17．

［5］徐正春．CRAY－1计算机系统简介［J］．电子计算机动态，1978（4）：19－33．

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关键词:组成原理与系统结构;实践教学;改革

中图分类号:G424文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-6030-02

The Improvement and Research about Experiment Teaching of the Organization Principle of Computer and System Structure

YANG Hong-jie, YI Ming

(Hunan University of Arts and Science, Department of Computer Science and Technology, Changde 415000, China)

Abstract: This text combine some school " whether computer make up principle and system structure " experimental facilities and experiment current situation of teaching at present, design the experiment content meticulously, put forward some feasible experiment teaching and improve the method, by but assuare the computer makes up the teaching quality of the principle experimenting, improve students' thinking ability and manipulative ability conscientiously.

Key words: organization principle and system structure; practice teaching; educational reform

计算机组成原理与系统结构是一门重要的核心专业课程,与之配套的实验课也是一门重要的实践课程。它有着逻辑性强、实践性强、内容多难度大的特点。根据教学大纲的要求,通过该实践课程,使学生对计算机系统的工作原理、内部之间的联系、控制信号的作用等有深刻的理解,建立整机的概念,培养分析问题、解决问题和实际动手能力。

我系从1998年起,开设了计算机组成原理实验,配置了TEC-2型实验设备,2004年,将计算机组成原理与系统结构课程合并,并为之新增了DVCC系列实验设备。通过几年时间的实践教学,现就提高计算机组成原理与系统结构实践教学质量和学生的综合技能做一些初步的探讨。

新增DVCC系列为学生提供了创造性的设计平台,板上扩展了在系统可编程大规模电路CPLD器件ISP1032E。它的全部引脚对外开放,学生可采用VHDL或ABLE等设计控制逻辑,且在PC机上有相应的可视化的监控软件,PC机由原来的仿真终端变成了监测和控制部件,是一种软硬结合的实验方式。鉴于现有设备特点,我们精心设计了实验内容。本实验课程的主要教学方式分为验证型、设计型和综合型。其中设计、验证型有运算器实验、存储器实验、FIFO先进先出实验、总线控制实验、硬部线控制器的实验、乘法器实验和微程序控制器实验。综合型实验作为课程设计内容,如带移位运算的模型机的设计与实现、复杂模型机的设计与实现、基于流水技术构成模型机实验、扩展I/O的设计等。这样,实验体系就形成了运算器――存储器――数据通路――微程序控制器――基本模型机――复杂模型机系统。

1 运算器必做选做并存

DVCC机运算器(74LS181)可实现8位或16位字长16种功能运算,TEC-2机运算器(AM2901)可实现16位字长8种功能运算,并可观察C、Z、V、S等标志位的状况态,据现有设备,在运算器实验中选最基本的8位运算器开始,从怎样加输入控制信号入手,再逐步增加到各种寄存器,实现多种功能这是必做的内容。16位运算器实验作为选做内容,经教师指导同意后可开始实验。通过对比分析可知不论是8位机还是16位机,用什么器件组成的运算器、控制器都与数据通路有关,通路越简单运算器本身越简单。

2 存储器实验验证与设计并行

存储器实验是对静态随机存储器6264的读写验证,即用控制信号开关给定存储地址通过数据开关将数据存入,并读出(原数据在LED上显示),观察数据是否一致。通过实验使学生掌握RAM的工作特性及数据的读写方法,这是验证性实验内容。

TEC-2机主存储器扩展,TEC-2机主存储器由4KROM与2KRAM组成,通过未用的信号MCS3-MCS7作为内存扩展的片选信号,可采用6116RAM扩展4K内存将TEC-2系统内存扩展板与TEC-2主机相联,通过对6116RAM读写信号、片选信号及主机AB15-AB11等的使用,掌握正确的主存扩展原理和方法,并进入TEC-2监控状态读写8000H-87FFH地址段的数据,验证其扩展电路正确性。

我们还增设了FIFO先进先出存储器设计性的实验项目。本实验是通过对CPLD器件ISP1032E编程来实现一个简单的8位×4位的FIFO。教师通过对CPLD原理、结构功能的讲解,学生编写程序,并将编译文件(.JED)下载,运行控制实现。通过实验使学生掌握在系统可编程芯片1032E的使用方法。当系统断电时,6264RAM、6116RAM存储信息丢失。通过“软件化”来设计,形成“创新性”实验,通过数据写入方式不同,使学生扩展了存储器的相关知识。

3 微程序控制器与硬布线控制器比较

微程序控制器实验目的是使学生了解微程序控制器的设计思想和组成原理、掌握微程序控制器的使用方法,掌握微程序的编制、写入、观察微程序的运行。实现方法是:

1) 根据机器指令画出对应的微程序流程图;

2) 根据微程序流程图设计微指令,并按微指令格式转换成二进制代码;

3) 通过对以下例子程序的写入、读出、单步运行与连续运行的调试,初步建立整机工作概念,为下一个模型机设计打下良好的基础。例子程序如下:

助记符 机器指令码说明

IN 0000 0000 ;"外部开关量输入确"KD0～KD7的开关状态R0

ADD addr0001 0000 ×××××××× ; R0+[addr]R0

STA addr0010 0000 ×××××××× ; R0[addr]

OUT addr0011 0000 ×××××××× ; [addr]BUS

JMP addr0100 0000 ×××××××× ; [addr]PC

硬布线控制器实验是设计一个简单的硬布线控制器,用开关置不同的指令,触发时序,就可以实现不同的指令操作。如所设计的三条指令:

指令码 操作说明

00 INPUT->DR1 将数据开关中的数送入暂存器DR1中,

INPUT->LED 并由LED数码管来显示

01 INPUT->DR2将数据开关中的数送入暂存器DR2中,

INPUT->LED 并由LED数码管来显示

10 DR1+DR2->LED将运算单元中DR1加DR2的运算结果送入LED数码管来显示

11 00->LED LED数码管显示为00

通过实验更深入理解了硬布线控制器本质上就是一个组合电路,它将输入逻辑信号转换成一组输出逻辑信号(控制信号),即根据指令系统的操作时间表用组合逻辑线路形成的微命令序列,是所有各部件需要的各种微操作信号。微程序控制器实验中首先要设计微指令,微指令的设计是在硬件形成的基础上,微指令的格式取决于硬件构成,如TEC-2机每条微指令长56位,DVCC机每条微指令长24位。

4 综合性实验中教师的引导作用

在整个综合性实验过程中,教师原则仅作启发引导 ,以达到抛砖引玉之目的。鼓励学生独立思考 ,独立分析故障 ,独立解决出现的问题 ,利用所学到的各种技术手段进行调试 。

首先,教师要利用很少的时间,采取多媒体的教学手段,让学生对这个实验的目的、原理、步骤、调试过程、结果等有一个明确的认识。由于组成原理实验仪上配有 CAI 软件 ,通过CAI介绍实验的仪器、实验方法、实验操作过程等 ,可以很清楚地看到规范的操作 ,详细生动的解释 ,使学生可以感受到实验的全部过程 ,产生很烈的实验欲望。然后学生开始进行硬件和软件的设计,教师在辅导时,可以有以下几点教学方法。

1) 保持良好的实验精神:教师在这一过程中工作量是很大的,要按组验收、提问,有的还需要帮助排除错误,所以教师需要具有较高的思想素质、专业功底,丰富的实践经验,有些学生在实验首次失败的情况下,会有挫折感、心浮气躁、慌了手脚,而做实验就必须静心、踏实,这时教师要安抚他们的情绪,然后让学生想办法快速地排除故障。

2) 坚持以学生动手为主原则:若硬件无故障,又连线无误的话,学生在调试过程中可通过实验箱上的LED显示灯观察数据总线、地址总线数据的正确性,或在PC窗口上看到正确的动态的红色的指令流和数据流,形象直观,学生可对指令的执行过程一目了然,教师自己也感到很欣慰。但第一次实验成功的学生是少数,在这种情况下,教师就要讲究教学策略, 最大限度地调动学生的积极性和主观能动性 ,适应学生的心理特点,要求学生可借助反复观看CAI 软件的理论讲解和实验演示,以帮助自己解决所遇到的问题,并且教师对一些共性的问题可集中讲解。

如果在实验的过程中遇到问题,教师可对实验中一些共性的错误进行必要的提示,比如:在系统结构综合性实验中,单股线与排线连线有几十根,教师要提醒学生单股线连接位置要正确,排线引脚的连接要对应,每根排线引脚的具体数目只要有细微的错误,就可能导致实验失败。此时教师要及时提醒学生,但不能动手替学生接线,要断绝学生的依赖性。

3) 组织讨论与总结:在设计过程中和设计完成时应当尽可能的组织学生参与讨论和总结 ,这不仅可以使学生能力的培养更扎实 ,使更多的学生受益 ,也能够培养他们的成就感和进行科学研究的能力。

如在学生实验失败又自己找不出原因的情况下,除了教师对学生要进行耐心引导,帮助分析失败的原因外,还可以采取组织不同层次的相关学生进行讨论的教学方式,例如在复杂模型机设计实验中如何判断硬件的故障还是软件的故障从而找出失败的原因,最简单的方法是用基本模型机示例程序运行,示例程序能正常执行,就可以确定硬件没有问题。如果是硬件故障,则应确定是芯片的问题还是连接线路的问题,同学之间可以相互检查连接线路;若是软件问题,则检查所设计的程序,DVCC模型机有16条基本指令,要根据复杂模型机的硬件电路设计机器指令,再根据机器指令要求微程序流程图及微程序,最后形成16进制文件,同学们也可一起仔细观察指令的执行情况,确定哪一条指令或微指令的设计出错。

在讨论中,教师可就理论与实验相关问题提问,体现设计性和启发性,例如,如果复杂模型机设计实验中增加一条指令,那这条指令应如何设计;对基础一般的学生,则要求能说出本实验中每条指令的执行过程,调试过程中遇到的问题是怎么解决的。通过这种讨论教学,能使不同层次学生受益,既保证了教学质量,也对学生进行了锻炼提高。

参考文献:

[1] 任春明,刘军.计算机组成原理实验教学的思考与改进[J].实验技术与管理,2006,23(10):110-111.

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关键词：水电厂计算机监控系统；结构模式

中图分类号：X924.3文献标识码： A 文章编号：

一、PC+PLC结构的控制系统

图1

在水电厂计算机监控系统中，PC+PLC结构控制系统得到了较为广泛地应用，它的技术也越发成熟，但是针对它本身赋有的特点以及功能就不在本阐述了。当前，PLC技术的发展速度越来越快，而这种发展速度是建立在此结构模式技术的改革上而实现的。在这种控制方案中，Windows NT可以作为系统软件的平台，而IO板卡和IO接线端子板是通用的，主要负责与工业控制现场沟通和联系，所采集出来的输入信号通过Soft PLC运行系统进行处理，在Soft PLC运行系统的前提下，Soft PLC开发系统所编写的控制应用程序被实施执行，最后将处理完成的信号输出到本地控制现场，从而使相应的本地控制功能得以完成。

图2

1.图1中取消了硬PLC，它的硬件功能已经在图2IPC的硬件得以最大化实现，相关的软件功能也通过IPC上的软件得以实现。

2.PLC技术的控制方案在现场总线技术中发挥着重要的作用，这样的话，水电厂现场控制设备在更新和维护过程中就会更为方便快捷，同时对于智能化、数字式的仪器、仪表设备也能够产生很好的作用，从而使控制现场出现更多的控制系统风险，对于分布式控制的实现也能够发挥一定的作用。

除此之外，软PLC技术还存在以下几个优点：

1.产品在开发过程中的时间有所缩短，从而使编程、调试和维护更为方便。

2.通用性和兼容性都在产品中有所具备，那么即使IPC或者EPC不同，但是在运行中的Soft PLC也是相同的。

3.性价比高,由于Soft PLC共享IPC或EPC上的硬件和软件资源,从而使Soft PLC的生产成本和运行成本较低。而Hard PLC本身由CPU、Memory、Power和I/O Port等组成,其开发和生产周期长,生产成本和使用成本高,从而导致了Hard PLC价格昂贵。

值得注意的是,采用软PLC技术并不影响硬PLC在水电厂自动化中的应用。软PLC技术的出现对硬PLC技术是一个挑战,特别是当软PLC技术和现场总线技术结合在一起应用在工业控制现场或其他自动化领域时,则会体现出更强的控制能力和适用性。无论软PLC是部分变革了硬PLC,还是完全变革了硬PLC,都无疑将给传统的水电厂现地控制单元结构和功能带来变革。由于软PLC技术是一门新兴的技术,就目前而言,它的应用并未为大多数技术人员所掌握,在国内对它的应用还只是刚刚起步,处于探讨和应用可行性论证的阶段。

例如，湖北隔河岩水电厂目前的4台机监控系统改造项目,由电力自动化研究院和中国水利水电科学研究院合作,在这个项目中,他们将采取软PLC技术,采用的产品是法国的Schneider Automation公司的Concept V2.1。

二、分布式控制系统(DCS)

分布式计算机控制系统又名集散型计算机控制系统,简称分布式控制系统(Distributed Control System,即DCS)。分布式控制系统综合了计算机技术、控制技术、通信技术和CRT技术,集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。先进的分散型控制系统将以计算机集成制造系统(CIMS)为目标,以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等技术,为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。分布式控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则,系统的安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力,为工业过程的计算机控制开创了新方法。分布式控制系统的控制结构。

法国西盖莱克(CEGELEC)公司开发的Alspa8000-P320分布式控制系统具有水电站和变电站所需要的各种控制和数据处理功能,为电站自动化和管理提供了全面的解决方案。另外,闸门的控制系统也较常采用分布式控制,而且通常是和现场总线技术结合在一起应用。

三、现场总线控制系统

现场总线导致了传统控制系统结构的变革,形成了新型的网络集成式全分布控制系统——现场总线控制系统FCS (Field bus Control System),它是继电动单元组合模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络,又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。

现场总线控制系统在技术上有以下优点: a.系统结构清晰、简单,提高了系统的可靠性及可维护性; b.系统实现了负载和风险的完全分散,能够实现彻底地分布式控制。

现场总线控制系统还具有下述特点: a.系统的开放性非常好,现场设备具有互可操作性与互用性; b.系统的现场设备采用智能化、数字式设备,具有功能自治性; c.系统对控制现场的适应性较强; d.系统安装、维护容易; e.用户具有高度的系统集成主动权。

参考资料：

1.秦小元;水电厂计算机监控系统设计与实现[D];重庆大学;2006年

2.申宏;梯级电站闸门群远程监控系统的应用研究[D];西安理工大学;2007年

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[关键词] 计算机管理系统关键技术结构体系

计算机管理系统主要应用于各类计算机商务领域和计算机实验室（包括网吧），实现计算机管理的信息化和网络化，为此系统的开发必须遵循安全可靠、稳定、维护性好等原则，以便于系统既能满足目前的需要，又能适应将来扩展的需要。

一、系统设计关键技术分析

为了使系统能很好地满足计算机实验室管理的需要，根据调查和分析，系统的设计和研发必须考虑以下关键问题。

1.安全性

计算机实验室管理系统不同于一般的管理系统，它是集信息管理、网络控制和财务管理于一体的综合性管理系统，其中安全性要求最高的还是财务管理方面。为了提高实验室的利用效率，为使用者提供优质学习平台，各个计算机实验室都会在业余时间对外开放，所以在设计机房管理系统时，我们把安全性作为首要考虑因素。

系统的安全性包括系统本身的安全和数据的安全。系统必须既能够防止恶意的攻击，又能防止因误操作引起的数据错误。系统安全主要包括以下几个方面：

(1)如何防止使用者绕过客户端的登录界面。因为使用者一旦绕过登录界面，就会造成管理失控现象的发生，这样就不能有效地对使用者进行正常的控制和管理，整个系统形同虚设。

(2)如何防止使用者正常登录以后拔掉网线。若登录后再拔掉网线，则客户端和服务器的信息交流就会中断，管理人员同样不能对使用者进行管理，造成和绕过登录界面同样的后果。

(3)如何防止对系统的恶意攻击。如果服务器在实验过程中遭到恶意攻击，造成服务器数据的丢失或系统的瘫痪，就会给实验带来灾难性后果，直接影响到正常的实验课上课工作，造成教学事故。

(4)网络传输中数据的安全。由于对计算机和使用者的管理都是通过网络来进行的，所以网络中数据传输的安全就显得非常重要。一旦网络中的数据被截或被修改，则整个系统的功能就会紊乱，严重的会造成系统的瘫痪，带来的后果不可预测。

(5)数据库的安全。数据库中记录着整个系统正常运行时的所有数据，包括使用者的收费信息、上机记录、机房中每台计算机的信息、使用者和管理员的信息等。这些信息都是系统正常运行的保证。因此必须要保证这些信息的绝对安全。

2.系统速度

系统速度主要包括使用者登录的速度、控制消息传输的速度、使用者用机的上网速度以及服务器对各种消息的响应速度。系统速度的快慢对系统的性能有很大的影响。如果使用了计算机实验室管理系统后，造成使用者上机速度缓慢或控制信息响应很慢，则系统就失去了它的实用意义。

3.网络延时

计算机实验室管理系统中管理人员对机房的管理是通过远程控制来实现的。远程控制就是将被控制对象与控制器在地理位置上进行分离，采用一定的通信手段，来实现控制信息和反馈信息的传输。计算机实验室管理系统是基于Internet的远程控制系统，而Internet的设计初衷是为了满足资源共享，注重信息传递的准确性和传送的信息量，而非信息传递的实时性，因此不能保证远程控制系统中运动信息的实时传递。实验表明，在信息传递的过程中将产生较大的延时和一定的延时不确定性。这种情况很容易造成控制信息和数据的丢失，对网络安全和系统速度都有很大的影响，并严重影响基于Internet远程控制的性能。因此网络延时也是系统设计时不能忽略的一个重要因素。

4.合理设计数据库

系统开发时主要涉及两大问题：网络和数据库。而数据库是所有信息保存的场所，它的设计是否合理直接影响到系统软件的质量，影响到软件对数据访问的速度。建立数据库需要考虑以下几个问题：

(1)数据的一致性。由应用程序产生工作编码，要保证不同工作任务具有不同编码，工作编码具有惟一性。

(2)合理冗余。如果数据冗余低，数据的完整性容易得到保证，但增加了表间连接查询的操作，为了提高系统的响应时间，合理的数据冗余是必要的。

(3)合理选择数据的类型。数据类型的合理选择对于数据库的性能和操作具有很大的影响，因为不同的数据类型所占用的存储空间、运算速度都不一样，所以对数据类型的选择是否合理对程序性能的优劣有很大影响。

(4)数据规范化存储。规范化的数据存储不但有利于我们养成良好的数据库设计习惯，提高程序的质量，而且对日后的数据库维护也有很大的益处。

5.进程同步

保证数据能够被正确使用。系统客户端登陆到服务器时，必须使用进程同步技术保证登录数据能被服务器正确验证。

6.合理运用新技术

图1C/S模式

在开发软件过程中，如何合理运用新技术应该遵循以下三个原则:

(1)创新原则，体现先进性；

(2)经济原则，体现实用性；

(3)前瞻性原则，体现发展性。

二、C/S （Client/Server）体系结构

C/S模型可分为传统的C/S结构和三层C/S的结构。传统的C/S结构就是两层的C/S结构，它的基本思想是把集中在一起的应用划分成功能不同的两个部分，分别在不同的计算机上运行，通过它们的分工合作来实现一个完整的功能。在这两部分中，一个为服务器程序，用来响应和提供固定的服务；另一个为客户机程序，用来向服务器提出请求和要求某种服务。在系统中，服务器端运行的是服务器程序，而其他的运行的是客户机程序如图1所示。

三层的C/S结构，又称多层分布式应用系统，如图2所示。就是在客户层和数据库管理系统层之间添加一个中间层（应用程序服务器），该中间层负责完成C/S模式下的各种业务规则数据的处理任务。客户端的应用程序只需要向应用程序服务器发送简单命令，来提交用户的需求。增加中间层后，系统的性能得到了很大的提高。

图2三层C/S结构

系统的结构类似于三层的C/S结构，其中的服务器模块对管理客户端模块而言具有中间层的作用。

C/S模型具有以下特点：

首先，性能强，在C/S模式中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能，并可以在子程序间切换；

其次，具有强壮的数据操纵和事务处理能力；

再次，具有严密的数据安全性和完整性约束，提供了更安全的存取模式；

然后，降低网络的通信量；

最后，在内部局域网小范围内可以实现高速控制。

三、计算机商务系统和实验室管理系统的总体结构

经反复研究和论证，结合机房管理的实际情况，将计算机实验室管理系统分为4个模块较为合适，各模块之间的结构采取C/S模型。各模块分别是：服务器模块、使用者客户端模块、售票客户端模块和管理客户端模块。

1.服务器模块

图3机房管理系统服务器端功能结构图

对各客户端发来的信息进行响应，并通过对客户端信息的分析，来进行各种事务处理。服务器具有直接访问数据库的功能，各种客户端对数据库的访问都是经过服务器来完成的。超级用户也可以通过对服务器的操作来完成对各种客户端的控制。服务器端功能结构框图如图3所示。

2.使用者客户端模块

完成使用者登录信息的验证，使得使用者必须通过信息验证才能正常使用计算机。此外它具有使用者密码更改、余额查询、游戏控制等功能，并定时向服务器发送在线确认信息，如图4所示。

图4机房管理系统使用者端功能结构图

3.售票客户端模块

完成售票员登录信息的验证、将使用者购买机票的信息传送到服务器中，此外还具有售票员和使用者密码的更改、机时比率的设置与更改等功能如图5所示：

图5机房管理系统售票端功能结构图

4.系统的C/S结构

图6机房管理系统管理员端功能结构图

5.管理客户端模块

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关键词:计算机组成;计算机系统结构;课程群建设;教学改革

随着多核/众核处理器以及可重构计算技术的出现,计算机体系结构技术面临重大改变,给相关课程的教学提出了新的问题和新的挑战。如何在教学内容中体现技术的发展?如何利用FPGA技术提升实验水平?如何统一规划相关课程的教学?特别是在不久的将来,计算机体系结构可能发生重大变革的情况下,如何为那些将要在新型体系架构下从事计算机科学和技术研究和开发的学生打下良好的专业基础?这些都是我们近年来一直考虑的问题。带着这些问题,我们跟踪了美国几个一流大学近几年来相关课程的教学内容及实验方法。对照国际一流大学的先进做法,结合我校计算机人才的培养目标,我们提出了“计算机组成与体系结构”课程群建设思路,并根据实际情况对相关课程进行了教学改革实践。

1国外一流大学相关课程教学情况

通过对UC Berkeley、Stanford和MIT等多个美国一流大学在相关课程方面教学情况[1-5]的跟踪,我们发现,这些大学对相关课程教学都进行了调整,通过开设新课程或调整相关课程教学内容加入了多核/多线程处理器的相关内容,特别强调学生对HDL、FPGA、SOC、并行体系结构、并行程序设计等技术的掌握。这些大学在相关课程教学内容和实验内容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水线CPU设计技术和存储器层次化结构为核心内容,教学理念和教学思路也非常相似,都是站在计算机系统的高度阐述计算机硬件系统的结构和设计思想,强调软件与硬件的关联,使学生能很好地在高级语言程序、汇编语言程序、机器指令代码和硬件机器结构之间建立相互的对应转换关系,以建立对计算机系统的整体认识。

图1给出了美国UC Berkeley大学2009年相关课程的设置概况,图中箭头反映课程开设先后关系。

图1UC Berkeley大学相关课程设置[2]

CS61C(Machine Structure)主要包括C语言程序设计、指令流水线和存储器层次结构等方面的基础内容,以“C语言MIPS汇编MIPS目标代码MIPS处理器设计”为主线组织内容,以“高级语言程序设计”实验和“模拟器”实验为手段,使学生建立单处理器计算机系统的整机概念。

CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介绍数字逻辑电路基础知识和EDA设计技术,2009年以前的实验主要是在FPGA开发板上进行视频解码及播放电路设计开发,从2009年开始改为“流水线CPU设计”,要求学生采用流水线方式设计实现16条MIPS指令,以串行接口方式从PC上装入程序到FPGA开发板,并通过PC调试程序,最终通过VGA接口,将FPGA板连接到一个显示器上,在该显示器上显示由所设计的CPU执行的一个游戏程序的执行结果,如图2所示。

图2UC Berkeley大学CS150课程综合实验内容[3]

CS 152(Computer Architecture & Engineering)着重介绍多处理器并行计算机体系结构,包括多核/众核处理器、多处理器计算机系统以及各类并行处理机制等。

CS194为新开设的本科生课程,是一门基于FPGA的以计算机系统结构实验为主的课程。在开设新课程的同时,该校还对相关课程内容进行了调整,从2009年开始,将CS152中基于FPGA的流水线CPU设计实验移到了CS150课程中,把原来研究生课程CS252中的很多内容移到了CS152。

由此可见,在这类课程的教学中,UC Berkeley近两年有一个明显变化,就是在保留传统课程内容的同时加强了基于FPGA的硬件设计能力的培养。此外,在本科教学中加深了并行体系结构方面的教学内容,而且教学内容的调整是在对相关几门课的统筹规划下进行的。

2课程群建设思想

随着多核/众核处理器技术的出现,我们意识到,必须对计算机组成与体系结构方面的教学内容进行调整。我们首先对本系开设的所有课程的教学内容进行了梳理。结果发现,由于课程间缺乏统一规划和协调,教学存在内容大量重复或缺失、课堂教学和实验内容不匹配、课程之间内容脱节等问题。有必要将相关课程组成一个课程群,以便在一个完整的框架体系下统一规划、相互协调,构建科学合理的计算机组织与体系结构相关课程教学体系。为此,从2007年开始,我们提出并实施了“计算机组成与体系结构”课程群建设方案。

2.1课程群教学目标

根据本课程群在计算机系统中的重要位置,结合我系的生源情况和培养目标,我们提出课程群的基本教学目标为:提高学生对计算机系统的全面认识水平和系统设计能力,建立计算机整机概念,全面理解计算机系统的层次结构。具体包括以下几个方面:了解计算机指令集体系结构的设计原则和设计原理;具备使用HDL进行计算机硬件设计的基本能力;深刻理解OS和硬件之间的分工和衔接关系;掌握从硬件角度出发进行编译优化的基本技术;深刻理解从硬件角度出发编制高效程序的基本原理;提高利用硬件知识进行程序调试的能力。

2.2课程群建设思路

课程群建设的总体思路为:1)根据课程群建设总体目标,规划好课程群涵盖的知识结构和框架体系,合理定位各门课程的教学目标,把每个知识点落实到具体课程中。2)根据课程群知识点总体框架,拟定课程之间知识点衔接方案,并在教学过程中明确各知识点在不同课程之间的关系。3)根据规划分头编写或修订教材及教案,并在统一的框架下建设相关课程网站。4)在保留各课程独立实验平台的同时,构建一个课程群公共实验平台,并使各课程实验内容按照一定的关系有机联系起来。

3课程群教学改革实践

我们首先对现有课程进行了调整。将原先模拟电子技术部分内容合并到数字逻辑电路设计中,形成数字逻辑与数字系统课程;将原先的计算机组成原理和计算机系统结构内容合并,形成计算机组织与系统结构课程;同时建设一门新课高级并行体系结构。通过对相关课程的调整,我们构建了以“计算机组织与系统结构”为核心的课程群,如图3所示。

图中箭头表示课程前后关系,其中计算机系统概论、数字逻辑和数字系统、计算机组织与系统结构为必修课;微机原理与接口技术、嵌入式系统原理、高级并行体系结构为选修课。此外,为了加强对学生FPGA、EDA、数字系统和流水线CPU等方面设计和实践能力的培养,课程群教学规划中专门设置了数字逻辑电路设计和计算机组成原理必修实验课。

3.1各课程在课程群教学中的定位

围绕课程群教学目标,根据课程之间的相互关系,我们确立了各课程在课程群教学目标中的定位:1)计算机系统概论从宏观上介绍计算机系统涉及到的各个层次的内容,让学生从整体上了解计算机系统的全貌和相关知识体系。2)数字逻辑与数字系统围绕组合逻辑设计和时序逻辑设计两大核心内容,在逻辑门到功能部件这两个层次展开。以后续课程中用到的功能部件作为设计实例,采用“实例化”教学思路组织教学内容。3)计算机组织与系统结构从寄存器传送级以上层次介绍单处理器计算机系统设计的基本原理,实验重点在CPU设计和存储器方面。该课程处于课程群中核心地位,一方面,先行课程中学生感到似是而非的问题在此要明确;另一方面,需要运用先行课程的基本功能部件构建更大规模和更强功能的部件;此外,本课程中提出的设计原则和实现原理要在后继课程的计算机系统实例中得到体现。4)微机原理与接口技术定位为计算机组织与系统结构的基本原理在PC上的实例化教学课程,主要以目前流行的基于IA-32体系结构的PC为实例,实验重点内容在PC的I/O接口技术。5)嵌入式系统原理定位为计算机组织与系统结构的基本原理在嵌入式系统方面的实例化教学课程。实验教学重点是基于ARM处理器和VxWorks及 COS-Ⅱ操作系统的简单嵌入式软件开发技术。6)高级并行体系结构主要在更高层次上介绍多核/众核CPU、多处理机系统、集群系统等不同粒度和规模的多处理器并行计算机系统的工作原理、实现方式及其应用领域。

3.2各课程教学内容的关联和衔接

课程群中的课程之间有很多关联,必须合理处理好关联内容,使课程之间能有机衔接。对于关联内容,我们的主要处理思路如下:

1) 数据的表示。

对于进位计数制及其相互之间的转换、ASCII码

表示、逻辑数据表示、汉字编码、无符号数表示、带符号数表示,要求学生在计算机系统概论课程中掌握,而在后继课程中作为“回顾”内容;各种BCD码的介绍和相关电路设计内容在数字逻辑与数字系统中讲解;补码特性和浮点数的表示则在计算机组织与系统结构中详细介绍。

2) 功能部件。

逻辑门电路、半加器、全加器、加法器、比较器、编码器、译码器、触发器、寄存器、移位器、内存储器的实现技术由数字逻辑和数字系统详细介绍;计算机系统概论课程仅作概要性的功能说明和解释;计算机组织与系统结构课程则运用这些基本电路来构建更大的功能部件。

3) 外存储器。

有关磁盘信息的存储、磁盘存储器的构造、磁盘驱动器和磁盘控制器的接口、磁盘存储器的性能指标等内容主要在计算机组织与系统结构中详细介绍;计算机系统概论课程仅作概要性说明;微机原理和接口技术中不再讲解。

4)I/O设备及其接口。

计算机系统概论课程从计算机硬件系统组成的角度简单提一下常用的外部设备的功能;计算机组织与系统结构主要介绍各种外设抽象出来的一个通用结构,以及外设控制器的通用结构,并着重解释清楚“外设―I/O接口(外设控制器)―I/O总线―主机”的连接关系;微机原理与接口技术则具体介绍PC机所用的一些接口电路、I/O总线及其互连。

5) 虚拟存储器。

计算机组织与系统结构主要介绍虚拟存储器的基本概念和MMU中涉及的地址变换、页表和段表结构、快表,以及如何发现“缺页”和发生“缺页”时处理器中进行的一系列处理步骤;微机原理与接口技术具体介绍Pentium系列处理器对虚拟存储器的支持,包括段选择子、段描述符/描述符表、逻辑地址―线性地址―物理地址的转换等。对于“缺页”处理过程中涉及的问题,操作系统课程将会作详细介绍。

3.3课程实验内容的规划和实施

课程群的实验教学思路是,将各课程中相关实验内容规划在统一平台上实现,使得实验内容相互依托、避免重复,由低层逐步向高层过渡,最终使学生全面建立计算机系统的整机概念。

统一实验平台是Altera DE2/70开发板,其上拥有70000个逻辑单元的Cyclone® II 系列2C70型FPGA 芯片,并配有软核处理器NiosII和相应的开发软件:Quartus II、SOPC Builder、NiosII IDE、DSP Builder等,可以开展以下五个层次的实验:功能部件CPU+存储器软核处理器+存储器+总线+I/O软核处理器系统+OS软核处理器系统+OS+多媒体编码等应用。

在Altera DE2/70统一实验平台上开展的实验主要有以下几个方面:

1) 数字逻辑电路实验。

利用Quartus II实现基于HDL和FPGA的组合电路、时序电路和简单数字系统设计实验。

2) 计算机组成原理实验。

利用Quartus II实现基于HDL和FPGA的ALU、寄存器组、桶型移位器、乘/除法器,单周期CPU、多周期CPU和流水线CPU的设计实验。

3) 微机原理与接口实验。

基于软核处理器和SOPC开展总线、存储器和I/O接口实验。例如,通过总线实现外设和SRAM相连;利用UART实现轮询、中断和DMA方式I/O。

4) 嵌入式系统原理实验。

主要包括两类实验:(1)基于NiosII+μCOS操作系统的实验,例如七段数码管显示实验、小型GUI

移植实验和文件系统读写实验等;(2)基于NiosII IDE的简单应用系统开发实验,例如简单C语言编程实验、简单DSP处理实验等。

有些课程除了在以上统一实验平台上开展实验以外,还要求完成其他实验,如计算机组织与系统结构的编程实验,微机原理与接口的汇编程序设计实验,嵌入式系统原理的基于ARM处理器的实验等。

4结语

经过近年来的课程群教学改革实践,我校相关课程的教学内容在广度和深度上都有提高;课程间知识点的衔接更加合理,减少了重复,弥补了缺失。通过统一规划,课堂教学内容和实验内容相得益彰;在对课程群统一的教学实验平台和统一实验内容的规划下,我们实现了各课程间实验内容的有机衔接。

由于课程群的建设时间较短,需要开展的工作还有很多,今后几年,我们主要在以下几个方面继续进行课程群教学改革实践:编写相关课程教材以开展课程群系列化教材建设;加强实验教学内容,增加和完善各类模拟器实验;开设计算机系统综合设计实验课程。

相信通过以上一系列的教学改革措施,一定会改变学生“喜软怕硬”的心理。学生对计算机组织与体系结构方面知识的掌握水平和运用能力将会有较大提高,为后续课程的学习打下坚实基础。

参考文献:

[1]UC Berkeley.Machine Structure[EB/OL].[2008-07-09].inst.eecs.berkeley.edu/-cs61c/su08/.

[2]UC Berkeley. Computer Architecture and Engineering[EB/OL]. [2009-05-07]. inst.eecs.berkeley.edu/-cs152/sp09/.

[3]UC ponents and Design Techniques for Digital Systems[EB/OL].[2009-02-16]. inst.eecs.berkeley.edu/ -cs150/sp09/.

[4]Stanford University. Computer Organization & Systems[EB/OL].[2009-06-15]. stanford.edu/class/cs107/.

[5]MIT. Computation Structures[EB/OL].[2009-05-08]. 6004.csail.mit.edu.

Construction and Reform of “Computer Organization and Architecture” Courses Group

YUAN Chun-feng, HUANG Yi-hua, WU Gang-shan, YU Jian-xin, WU Hai-jun

(Department of Computer Science and Technology, Nanjing University,Nanjing 210093, China)

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关键词：计算机体系结构；软件模拟技术；发展；措施

随着现代信息技术的飞速发展，计算机已经成为系统设计及信息处理的核心工具。体系结构软件模拟技术对于计算机系统而言是必不可少的技术手段，通过体系结构软件模拟技术能够不但最大程度的降低系统设计的费用以及时间，而且也极大提高了设计效率和质量。计算机体系结构软件模拟技术说白了就是通过现有的计算机应用软件，对系统硬件在计算机系统结构中的使用情况以及性能进行模拟，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的技术优势和成本优势，因此，其目前已经成为计算机系统设计中必不可少的手段。在分析计算机体系结构软件模拟技术研发过程中所遇到问题的同时，也提出了解决问题的有效策略。

一.计算机体系结构软件模拟在研发中存在的问题

计算机体系结构软件模拟技术m然具有一定的优势，但也有一定的技术难题制约着其发展，例如计算机体系结构软件模拟器的开发难度大、软件模拟器的处理精度较差等。

（一）计算机体系结构软件模拟器的研发具有一定的难度

众所周知，计算机信息处理系统及其复杂，如果仅通过软件模拟器就想体现其在运行过程中，计算机系统内部各个部件的工作状态，几乎是不可能的。将复杂化的计算机系统进行简单化处理最有效的方式就是对计算机系统进行分层处理。而体系结构就是在这个基础上简化了系统，但经过分层处理之后的计算机系统，对于人们研究来说还是很复杂。另外，当前计算机系统的编程语言都是采用串行结构的C语言，利用C语言对系统内部元件进行模拟，不但耗时严重，而且如果中间一旦出现失误，那么整个编程语句将无法运行[4]。

（二）模拟器的处理精度较差

软件模拟器的运行精度较差主要是因为模拟器在研发过程中的设计不合理，或者是模拟器没有应用合理的策略。软件模拟器的开发主要经历三个步骤，首先是模拟器在理论上的研究及设计思路，其次是设计符合计算机系统的模拟器，最后则是实现模拟器的正常功能。软件在研发的过程中如果出现失误，对于第一个步骤而言，很有可能出现不能够正确分析计算机系统的各种模拟需求。对于第二个步骤而言，所造成的设计失误极有可能就是不能够正切构建计算机系统的内部，导致模拟器的错误设计。另外，模拟器的运行时间也会影响模拟器的使用精度，运行时间越长，则使用精度就越差。总而言之，计算机体系结构软件模拟器的设计之所以对软件模拟技术很重要，则是因为其还是计算机系统设计中的重要内容。甚至可以说，软件模拟器的质量决定者计算机处理器的设计质量和效率。

二.解决计算机体系结构软件模拟技术研发问题的措施

（一）降低计算机系统性能测试程序中的输入参数

为了缩短对模拟器的性能测试的程序运行时间，首先要在不改变标准化的计算机系统性能测试中的运行指令的前提下，对计算机系统性能检测程序中的输入参数进行科学合理的更正，这种方式不仅能够利用少量的输入参数使模拟器正常运行，而且还保证了模拟器运行结构准确代表计算机系统各个程序指令的模拟运作结果，不仅提升了模拟器运行的精度，而且还有效的降低了模拟器在运行性能检测程序过程中的运作时间[5]。

（二）减少运作模拟程序指令数量

在对计算机体系结构软件的性能进行标准性能检测程序的过程中，要科学合理的采用正确的模拟程序指令进行操作，并用这些指令运作的结果代替原有的运作结果。经研究发现，准确的模拟程序指令是提高模拟运作速度和精度的最佳方法。通常情况下，可利用统计方式抽样选择运行程序指令和直接性截获连续程序指令这两种方式选择运作模拟程序指令。其中，直接性截获连续程序指令的操作过程与统计方式抽样选择运行的程序指令方式相比较为容易，但缺点就是精度低，而统计方式抽样选择运行程序指令虽然操作过程较为复杂，但其模拟精度高。

三.总结

随着计算机系统更新频率的加快，计算机体系结构软件模拟技术的重要性日益凸显，从上述内容可得知，计算机体系结构软件模拟技术的工作内容主要是针对计算机中央处理器以及计算机系统设计。模拟技术水平在很大程度上影响着计算机系统的设计效果和计算机处理器的制作水平。其次，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的优势，所以其注定将成为信息时代人们关注和研究的重点问题。而计算机体系结构软件模拟技术也必将会计算机体系结构的重点技术。

参考文献

[1]李振.浅析计算机体系结构软件模拟技术[J].大科技.2016（3）.

[2]闫雨石.计算机体系结构软件模拟技术浅析[J].工业.2016（9）：00262-00262.

篇10

本期名师讲堂栏目，我们特别介绍身体力行、精益求精、锐意进取、改革创新的张晨曦教授，体味一名老教师“传道、授业、解惑”之心路历程，感悟他那“蜡炬成灰泪始干”的执着追求和无私奉献的教育之魂。

张晨曦，男，1960年9月生于福建龙岩。现任同济大学软件学院教授，博士生导师。1988年获博士学位，后一直在国防科技大学计算机学院工作，2005年9月调入同济大学。国家级“中青年有突出贡献专家”，国家杰出青年基金获得者，先后主持了4项国家自然科学基金项目。张老师15岁就当上了中学教师，大学毕业后继续从事教学工作，对教学方法和现代教育技术有较深入的研究，提出了面向远程教育和CAI的动画解析教学法。

张老师主讲计算机系统结构和从事系统结构的研究20余年，作为国防科技大学系统结构课程的负责人，进行了一系列的教学改革和课程建设，取得了突出的成绩。早在20世纪90年代初，他就自筹资金进行CAI课件的开发。1992年开发出了国内第一套系统结构CAI课件(含30个动画)，在清华、北大等全国10多所高校获得应用。2003年完成教育部新世纪网络课程建设工程项目“计算机体系结构网络课程”，在同济大学负责建设的计算机系统结构课程于2008年被评为国家级精品课程，他负责的“嵌入式软件开发导论”课程被评为2006年度“教育部-微软”精品课程。