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關鍵詞：EDA平臺；計算機系統結構；課程實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 24-0017-03

1計算機系統結構課程教學現狀分析

隨著計算機硬件、軟件技術的發展，如何合理分配計算機軟、硬件功能，最大限度地開發計算機的并行性，達到最佳性價比，是計算機系統設計人員最關心的問題。對計算機專業本科生而言，不僅要掌握計算機的軟、硬件系統組成及工作原理，具備開發與應用的技能，而且還需要進一步掌握計算機系統設計的基本原理和方法。計算機系統結構正是這樣一門面向計算機系統設計、性能評價與分析的課程。

計算機系統結構是為計算機專業本科生開設的一門系統分析與設計綜合的課程，也是計算機科學與技術專業的核心課程。通過本課程的學習，能夠使學生掌握計算機系統結構的基本概念，學會以高層建筑的觀點，以應用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設計計算機系統結構；培養學生以性能價格比的觀點去分析、評估、設計一個計算機應用系統；使學生掌握當代迅速發展的RISC技術的主要設計思想和技巧；了解高等計算機系統結構的并行性、可擴展性及可編程性等先進技術思想，掌握最新的計算機流水技術和并行處理技術。

目前該課程的教學由于受到課時的限制，大多采用以教學為主，輔以適當的作業、定期答疑的形式進行課程的教與學。由于計算機系統結構課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學生感到學習這門課程有一定的難度，“只說不練”限制了學生自主學習的動力，只能被動地接受知識，影響了學習效果。由于計算機系統結構在計算機專業課程鏈上排在計算機組成原理之后，要求學生對計算機的組成與設計有相當程度的了解。因此該課程所學的內容，不單是純粹的理論知識，還構建在一定的計算機硬件結構上，所以有必要對相關知識點輔以實踐教學，不能對所有內容太過“透明”，這樣才能有助于學生更深一層掌握這門課程。

在計算機系統結構課程實踐教學環節，通常采用的是虛擬化仿真軟件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，這些仿真軟件都具有一定的典型性，對問題的考慮較細致，而且在軟件設計上便于觀測運行結果及進行性能分析。但這些軟件只針對課程某一部分知識進行實踐，而對于其他知識的實踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個環境，較為煩瑣。

為了提高計算機系統結構課程教學質量，結合目前在北京工業大學計算機專業本科生教學實踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺的計算機系統結構實踐教學的方法，并針對存儲系統的課程實踐進行了研討。

2EDA平臺用于課程實踐

通過對國內外課程實驗現狀的調查分析研究后，我們對該課程實踐環節進行了相應的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進行硬件設計的實驗方式，采用EDA平臺進行單項實驗以及最后的課程設計。通過這種實踐方式避免了以往實驗存在的過多“驗證性”的元素，以及實驗中存在的插線虛接、連線折斷及無法保存個人電路設計造成實驗不能間斷進行的問題，這對于培養學生良好的硬件設計思維，建立系統級的概念有非常重要的意義。

由于EDA平臺具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實踐的參與者。教師可以根據課時的要求，方便地調整課程實踐的方案；學生可以根據自己的時間安排課程實踐。在設計過程中，每個學生可以根據需要選擇課程實踐中所需要的器件及芯片，按自己設計出的邏輯電路進行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔心連線折斷、導線虛接等問題。在此基礎上，針對設計出的部件進行模似仿真，測試驗證計算機整機設計結果的正確性。在課程實踐測試完成后，利用存儲的測試結果，提交給教師查驗?？梢钥吹剑捎肊DA平臺，能夠更好地進行計算機系統硬件的課設實驗，并提高課設實驗的水平及效率。

經過計算機組成原理課程實踐改革，我們認為采用EDA平臺方式來完成計算機系統硬件課程設計是可行的，其中硬件設計的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學生所做的單項實驗可以在課程設計中繼續使用，不同的功能部件設計以及不同的模型機結構帶來了設計結果的多樣性，學生的創造性得到了發揮，這也給我們帶來了啟示，能否利用計算機組成原理課程實踐中的一些成果，將EDA平臺引入計算機系統結構中來，使得學生在前面課程中的硬件設計不會因為課程的結束而結束，這不僅有助于課程的延續性，也有助于提高學生學習的興趣。

為了驗證EDA平臺在計算機系統結構課程實踐中的可行性，我們針對計算機系統結構中的Cache存儲體系采用EDA平臺進行了有意的探索。此內容在系統結構課程中占據著很重要的一節，通過講述主存與Cache的地址映像方式等內容，使學生對存儲系統的優化設計有更深刻的認識，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設計方法對提高計算機系統性能的影響。

我們依然采用計算機組成原理課程實踐中使用的Quartus II平臺。該平臺是完全集成化、易學易用的可編程邏輯設計環境，具有硬件描述語言、電路原理圖、時序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標準門電路、芯片等邏輯器件，完成數字電路從設計輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過程。該系統強大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺進行邏輯電路及相關系統的設計。

為了避免在單項實驗上花費大量的實驗學時，且從課程延續性角度考慮，可以選擇在計算機組成原理課程中設計的模型機上構建這個系統，在模型機總體結構上增加一個Cache模塊，如圖1所示。系統總體框圖與模型機結構類似，除了Cache部件外，只是在控制信號微命令上有所增加。為了體現Cache的功能，模塊內可以包括地址映像，地址轉換，替換算法等功能部件，基本上包含了課程中所講授的知識點。

圖1 系統總體結構框圖

以一個16位模型機為例，Cache采用了組相聯的地址映像方式，Cache部件數據通路如圖2所示。Cache的主要工作部件有Cache存儲單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設計為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時將內存地址設計為區號、組號、組內塊號和塊內地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時分為兩個區。塊表存儲器采用按地址訪問和按相聯訪問兩種方式工作。在塊內采用相聯方式訪問，在塊之間采用按地址方式訪問，塊表的容量與Cache的塊數相等。替換算法采用FIFO法，完全采用硬件實現地址的映象及替換算法，每組一個模4的計數器，本組有替換時，計數器加1，計數器的值就是要被替換出去的塊號。

圖2 Cache部件數據通路

設計完成后編制調試程序，程序以二進制或十六進制數的形式存入主存儲器的初始化文件中，在時序信號的配合下，對主機系統的整體運行進行調試。在給定機器唯一的輸入信號――時鐘脈沖信號CLK后，使機器自動地、連續地運行存儲在主存中的調試程序。在遇到停機指令后，則停止機器運行。機器運行結束后，檢測機器運行調試程序的時序模擬仿真輸出波形圖，以確認各條機器指令運行的正確性。

圖3為部分測試波形圖，圖中IN為Cache部件接收的內存地址，IND為要寫入的值，QB為Cache存儲器的輸出端，與數據暫存器和內存的存儲器相連，QA為內存的輸出端，與Cache的存儲器相連，RB為Cache內部存儲器的地址，RA為內存的地址。圖中可以看到在08H時，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設計相符。因此通過波形圖可以很好地驗證設計的正確性。

圖3 測試波形圖

在設計實現過程中，學生可以根據自己掌握理論知識的深度以及設計難度進行開發，教師可根據實現程度給出評分標準。Cache存儲體系知識點較多，比如地址映像方式有直接相聯、全相聯、組相聯等方式，替換算法有隨機法、FIFO、LFU算法等，當Cache與主存不一致時有寫直達法和寫回法，以及對Cache性能分析時加速比的計算等。選擇采用哪種算法可以由學生來選擇，可以根據模型機結構，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設計可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設計方式。這樣通過EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現出來，加強了計算機系統結構課程的生動性。

3結論

本文通過對計算機系統結構課程教學現狀的分析和研究，結合目前在教學實踐中已采用的部分措施，提出了在計算機系統結構課程中采用EDA平臺進行相關課程實踐的方案。通過采用EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現出來，加強了計算機系統結構課程的生動性，有助于提高學生學習的興趣，還能夠在一定程度上提高學生的實踐能力。采用EDA平臺對Cache存儲系統進行課程實踐，對計算機系統結構課程的其他知識點的實踐起到了一個先導的作用。

參考文獻

[1] 鄭緯民，湯志忠. 計算機系統結構[M]. 北京：清華大學出版社，1998.

[2] 易小琳等. 基于EDA平臺的計算機系統硬件課程虛擬化實踐的研究[J]. 中國大學教學，2005，(7).

[3] 易小琳等. 網上計算機系統虛擬實驗室的研究[J]. 計算機工程，2002，(11).

[4] 易小琳，朱文軍，魯鵬程. 計算機組成原理實踐教程―基于EDA平臺[M]. 北京航空航天大學出版社，2006.

作者簡介

魯鵬程(1976-)，男，講師，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

易小琳(1959-)，女，高級工程師、計算機系統結構教研組主講教授，碩導，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

朱文軍(1974-)，男，講師，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

方娟(1973-)，女，副教授，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及網絡。

毛國君(1966-)，男，教授，計算機系統結構系主任，博士，目前研究方向為計算機系統結構及數據挖掘。

聯系方式：北京工業大學計算機學院，北京朝陽區平樂園100號，100022，魯鵬程

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摘 要：文章針對美國一流大學的計算機組成與系統結構實驗課程進行研究，重點介紹UC Berkeley，MIT，Stanford University，CMU相關實驗課程的內容和特色，為我國大學計算機組成與系統結構實驗課程今后的改革與發展提供參考。

關鍵詞：計算機組成；計算機系統結構；實驗課程

作者簡介：王帥，男，講師，研究方向為計算機體系結構、嵌入式系統；袁春風，女，教授，研究方向為Web信息檢索與本文挖掘、多媒體文檔處理、計算機體系結構。

1 美國大學計算機組成與系統結構實驗課程概況

美國一流大學有著悠久的歷史和長期的經驗，所以我們深入研究和分析他們近幾年在計算機組成與系統結構實驗課程上的內容設置與教學變革，希望能夠對我國大學的計算機組成與系統結構實驗課程今后的改革和發展提供一些參考與啟發。

由于院系設立的不同，美國大學與計算機相關的院系一般可分為幾類：單獨的“計算機科學系”(CS)，與工程相結合的“計算機科學與工程系”(CSE)，和電子工程聯合的“電子工程與計算機科學系”(EECS)等。由于院系的類別不同，他們對于計算機組成與系統結構等課程的實驗內容和要求也不同，這種不同也是由于師資力量的不同造成的。例如計算機科學系對于計算機組成與系統主要是從整個計算機系統出發，強調從高層(應用和軟件)到底層(硬件)的掌握與了解，實驗手段一般也是采用高級語言來實現對硬件的模擬。有著工程背景的計算機科學與工程系和電子工程與計算機科學系，一般比較強調對于硬件的深入了解和底層的實現，要求學生采用VHDL，Verilog等硬件描述語言進行一些功能部件和小型系統的設計，并在FPGA等硬件上進行測試驗證；有著師資條件的電子工程與計算機科學系還會開設大規模集成電路設計(VLSI)等課程，以加深學生對于計算機系統的全面了解。

雖然學校之間要求不同，但是作為計算機科學的一門核心課程，計算機組成和系統結構在每個學校都有著很重要的地位，而且都會配有相對應的實驗課程，使學生有更加直觀的認知和實踐經驗。

2 美國大學計算機組成與系統結構實驗課程內容與分析

2.1 UC Berkeley(University of California, Berkeley)

對于UC Berkeley關于計算機組成與系統結構的課程設置，袁春風教授等[1]在《計算機教育》雜志中已經作出深入而詳細的總結。CS61C(Machine Structures)[2]作為所有和計算機組成與系統結構相關課程的先修課程，實驗部分采用高級語言實現和軟件模擬的方法。CS150(Components and Design Techniques for Digital System)[3]的實驗采用FPGA實現MIPS指令系統的方式，并由一個游戲程序進行驗證。由此可見對于電子工程與計算機科學系(EECS)的UC Berkeley采用了軟件和硬件實驗并重的方式，使學生能夠全面地了解計算機系統。

2.2 MIT(Massachusetts Institute of Technology)

作為又一個EECS，MIT的“電子工程與計算機科學系”也是注重學生對底層硬件的掌握與設計。和計算機組成與系統結構實驗相關的課程主要是6.004 (Computation Structures)[4]。課程的內容從基本的信息系統和數字系統的概念，講到電路中的時序邏輯、有限狀態機(FSM)，然后從計算機系統中的流水線、指令集，介紹到機器語言、編譯等。后期課程根據計算機系統設計中常見的問題，討論了例如中斷、死鎖、流水并行等。整個課程涵蓋范圍很廣，很多地方已經涉及到了編譯原理、操作系統等課程的內容，對學生的要求較高。

對于MIT課程6.004配套的實驗，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行模擬和了解，設計了如基本的加法器、算術邏輯單元(ALU)、有限狀態機等。然后他們采用了根據課程配套開發的BSim模擬器，來提供對于課程中用到作為實例的Beta 處理器結構(圖1)的支持。Bsim可以提供高級語言程序的輸入，編譯和二進制代碼轉換，載入代碼和模擬執行，并顯示結果。學生要求實現手動的編譯程序(寫出高級語言對應的匯編程序)，用JSim實現對應的Beta Architecture，在原有的指令系統中加入新的指令，最后實現并驗證整個系統。由此可見，MIT的實驗課程也是強調硬件模擬(JSim)和軟件模擬(Bsim)的結合，通過從高級語言到機器執行的整個過程的介紹，讓學生有一個全面的了解。

圖1 MIT 課程6.004 Computation Structures中的Beta 處理器結構[4]

2.3 Stanford University

Stanford的計算機科學(CS)與電子工程(EE)是兩個獨立的系，因此他們之間的課程也相對獨立。目前和計算機組成與系統結構相關的課程主要有：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)由于是設立在計算機系(CS)，課程強調從C語言編程的角

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關鍵詞：高級計算機系統結構，流水線技術，指令系統

1流水線技術

1.1 流水線的基本概念

計算機系統結構的國際權威美國Stanford大學的John L.Hennessy和UC Berkely大學的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一書別指出：“流水線過去是，而且將來也很有可能還是提高計算機性能的最有效技術之一”[1]

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

1.2 流水線的分

從不同的角度和觀點，可以把流水線分成多種不同的種類：

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

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

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

4.動態流水線（dynamic pipeline）：在同一時間內，當某些段正在實現某種運算時，另一些段卻在實現另一種運算。

5.部件級流水線（component level pipeline）：把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數據類型進行流水操作。

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

7.處宏流水線（macro pipeline）：由兩個以上的處理機串行地對同一數據流進行處理，每個處理機完成一項任務。

8.標量流水處理機（Scalar pipeline processor）：處理機不具有向量數據表示，僅對標量數據進行流水處理。

9.向量流水處理機（vector pipeline processor）：處理機具有向量數據表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。

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）：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。每一個任務在流水線的各段中是一個跟著一個順序流動的。

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

1.3流水線的相關與沖突

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

1. 結構相關（structure correlation）：當指令在重疊執行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求，發生資源沖突時將產生“結構相關”；

2. 數據相關（data correlation）：當一條指令需要用到前面指令的執行結果，而這些指令均在流水線中重疊執行時，就可能引起“數據相關”；

3. 控制相關（control correlation）：當流水線遇到分支指令或其他會改變PC值的指令時就會發生“控制相關”。

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

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

2.數據沖突（data conflict）：當指令在流水線中重疊執行時，因需要用到前面指令的執行結果而發生的沖突。

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

2.指令系統

2.1 指令系統的基本概念

[2]指令系統（instruction system）是指機器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計算機所擁有的基本功能。在計算機系統的設計和使用過程中 ，硬件設計人員采用各種手段實現指令系統 ，而軟件設計人員則使用這些指令系統編制各種各樣的系統軟件和應用軟件 ，用這些軟件來填補硬件的指令系統與人們習慣的使用方式之間的語義差距。計算機指令系統分為兩類：復雜指令系統（CISC）和精簡指令系統（RISC）

2.2 復雜指令系統 （ CISC ）

2.2.1CISC的產生

早期的計算機 ，存儲器是一個很昂貴的資源 ，因此希望指令系統能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執行時所需訪問的程序和數據位的總數越少越好。在微程序出現后 ，將以前由一串指令所完成的功能移到了微代碼中 ，從而改進了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動作 ，從而提高執行效率。在微代碼中實現功能的另一論點是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級語言的語句能被轉換成一條機器語言指令 ，這可使編譯軟件的編寫變得非常容易。此外 ，在機器語言中含有類似高級語言的語句指令 ，便能使機器語言與高級語言的間隙減少。這種發展趨向導致了復雜指令系統 （ CISC ）設計風格的形成 ，即認為計算機性能的提高主要依靠增加指令復雜性及其功能來獲取。

2.2.2 CISC 的主要特點

CISC指令系統的主要特點是：

（1）指令系統復雜，具體表現在以下幾個方面：

①指令數多 ，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）絕大多數指令需要多個機器時鐘周期方可執行完畢。

（3）各種指令都可以訪問存儲器。

2.3 精簡指令系統 （RISC）

2.3.1RISC的產生

由于CISC技術在發展中出現了問題 ，計算機系統結構設計的先驅者們嘗試從另一條途徑來支持高級語言及適應 VLSI技術特點。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統（RISC）的設想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學由 Patterson 教授領導的研究組，首先提出了RISC這一術語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計算機。1981年美國的Stanford大學在Hennessy教授領導下的研究小組研制了MIPSRISC計算機 ，強調高效的流水和采用編譯方法進行流水調度，使得RISC技術設計風格得到很大補充和發展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設計的指令系統應使流水線處理能高效率執行 ，并使優化編譯器能生成優化代碼。

2.3.2 RISC 的主要特點

RISC為使流水線高效率執行 ，應具有下述特征：

（1）簡單而統一格式的指令譯碼；

（2）大部分指令可以單周期執行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲器；

（4）簡單的尋址方式 ；

（5）采用延遲轉移技術 ；

（6）采用 LOAD 延遲技術。

RISC為使優化編譯器便于生成優化代碼 ，應具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）較多的寄存器 ；

（3）對稱的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比較

2.4.1不同的實現方式

兩者的實現方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲結構是比較易于實現的數據和指令合一的方式。采用這種存儲結構的原因是CISC具有比較高級的指令語義，同時具有比較長的執行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲結構是數據和指令相互分離的結構，這是因為其采取了邏輯的硬布線方式，同時對于指令的讀取比較頻繁。

2.4.2不同的編譯器要求

如果時鐘頻率相同，同時失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結構的計算機的效率其實并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結構更加需要編譯器對指令的優化。CISC具有很大的市場，同時技術的發展也已經相當成熟。RISC體系結構并不能夠直接取代CISC的體系結構。固然，RISC體系結構具有很強的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統一的規定。RISC也并不是傳統意義上的概念，現代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現在：具有分支預測的功能、能夠超標量執行，同時還能夠亂序執行指令。

3.計算機系統結構的發展勢

3.1多線程體系

所謂的多線程技術（multithreading technology）[5]，是一種結合了馮諾依曼的控制流模型以及數據流模型的新興技術。它能夠進行現場的指令級交換以及順序調度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執行，那么相應后面的指令都會相繼執行。線程可以成為計算機中調度執行的基本步驟，同時計算機中可以同時并發運行許多個線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優點，同時也有一些不足之處。它的優點是能夠在很大程度上提高整個處理器的利用效率，在整體上使計算機的性能提高到一個新的檔次。多線程技術能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預測錯誤延遲技術等其它技術所不具備的。因此，多線程技術能夠在計算機微處理器的結構中具有很高的應用價值。

3.2 高性能計算

[6]高性能計算（high performance computer，HPC）是計算機集群系統，它通過各種互聯技術將多個計算機系統連接在一起，利用所有被連接系統的綜合計算能力來處理大型計算問題。高性能計算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個問題的計算時間。解決大型計算問題需要功能強大的計算機系統，隨著高性能計算的出現，使這一類應用從昂貴的大型外部計算機系統演變為采用商用服務器產品和軟件的高性能計算機集群體。因此，高性能計算系統已經成為解決大型問題計算機系統的發展方向。其中，混合體系統結構已成為HPC發展趨勢。

4.結束語

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

參考文獻：

[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計算機系統結構：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學出版社，2002

[2] 談懷江 計算機指令系統的變化及發展 孝感學院計算機科學系 [J]，2014

[3] 李成錚，魏立津 計算機體系結構的發展及技術問題探討 華中科技大學文華學院 [J]，2008

[4] 劉超.計算機系統結構.[M]中國水利水電出版社，2005.

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摘要：本文對計算機專業“計算機組成原理和系統結構”課程的實驗目標、實驗內容及其課程設計的目標與內容進行了探討，并提出了考核方法。

關鍵詞：實驗；課程設計；實踐教學

中國分類號：G642

文獻標識碼：B

“計算機組成原理與系統結構”課程綜合了“計算機組成原理”和“計算機系統結構”兩門課程的要求，是應用型本科計算機專業的專業基礎課、計算機硬件與結構方向非常重要的一門課程。其實踐課主要是為了讓學生建立計算機的整機概念，加深對計算機“時空”概念的理解和對計算機系統性能評測的應用，提高應用集成電路的基本技能，培養和提高獨立工作能力、實際動手能力、分析和解決問題的能力。

1實驗設備

2003年初我院加大實驗室建設投入，全面改善實驗室條件，添加了30臺西安唐都科教儀器公司推出TDN-CM++計算機組成原理與系統結構教學實驗系統。該系統通過對各計算機部件和多種模型計算機的設計及實現而高水平地支持“計算機組成原理”課程的實驗教學，并通過對指令設計方法、時空并行性、指令并行性等多種計算機體系結構的設計和研究來開展“計算機系統結構”課程的實驗教學。

2實驗目標和內容

運算器組成實驗目標是要求學生加深理解運算器的基本組成、工作原理，熟悉簡單運算器的數據傳送通路；掌握算術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；掌握運算器中通用寄存器的工作原理和使用方法；掌握運算器中運算結果判斷電路的工作原理和實現方法。實驗內容主要是驗證運算器的8位加、減、與、移位、進位、直通功能；驗證4位乘4位功能。按給定的數據，完成幾種指定的算術和邏輯運算。其中大部分屬于簡單的驗證式實驗。還可以讓學生自行探索實驗步驟和任務。比如，學生驗證完運算器的加運算之后，再讓學生自行探索減法的實驗步驟并完成相應任務。

存儲系統實驗目標是要求學生理解計算機主存儲的作用，掌握存儲器的構成；掌握半導體靜態隨機存取存儲器(RAM)的工作原理及讀寫方法；掌握用存儲器芯片構成主存儲器時，如何進行字/片選技術，了解使用半導體存儲器電路時的定時要求。實驗內容主要是對存儲器存儲單元進行先寫后讀，屬于簡單的驗證式實驗。還可以讓學生自行設計實現存儲器容量的擴展。

控制器實驗目標是要求學生加深理解計算機控制器中時序控制部件、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、設計方法、寫入過程、執行過程；掌握硬布線控制器的組成原理和設計方法。實驗內容主要是微程序控制器中微指令編制、寫入、執行過程；硬布線控制器的指令執行過程。屬于有一定難度的驗證式實驗。還可以讓學生根據設備本身的系統結構設計微程序、寫入并運行。

總線控制實驗目標是要求學生熟悉總線的概念、作用及特性；掌握用總線傳輸數據的控制原理和方法；掌握總線仲裁的方式及方法。實驗內容主要是控制總線實現數據由輸入設備通過總線向通用寄存器或者存儲器傳送。屬于驗證和設計式實驗。

模型計算機實驗目標是要求學生通過模型計算機實驗理解計算機的工作原理、性能評價標準和方法，以及計算機的“時空”概念。建立計算機的整機概念，為后邊的模型計算機的設計打下基礎。實驗內容主要是基本模型計算機實驗，復雜模型計算機實驗，用CPLD實現模型計算機實驗，基于RISC處理器的模型計算機實驗，基于重疊技術的模型計算機實驗，基于流水線技術的模型計算機實驗。屬于驗證式實驗。

3課程設計的目標和內容

在學期快要結束的時候，專門留出來一兩周時間讓學生進行“計算機組成原理和系統結構”的課程設計，主要內容是模型計算機的設計。要求根據設備情況，自行設計指令系統(包括算術邏輯運算指令、訪存指令、轉移控制指令、I/O指令和停機指令)的微程序來控制模型計算機實現功能。并且要求各組課程實踐人員設計的指令系統各不相同，基于的設備或技術也不相同。比如設計指令系統實現基本模型計算機、基于CPLD的模型計算機、基于RISC處理器的模型計算機、基于重疊技術的模型計算機、基于流水線技術的模型計算機。

4考核方法

實驗報告主要包含預習報告、原始記錄和總結報告三部分。學生在做實驗之前自己組織時間查詢資料書寫實驗預習報告(包括實驗的目的、要求、內容和步驟)。在實驗室做實驗前，指導教師根據預習報告書寫情況給出相應等級的成績并記錄在實驗報告上(包括教師簽名和日期)，然后指導教師講解本次實驗的目的、步驟及注意事項。實驗過程中，要求學生認真填寫實驗記錄(包括實踐/調試過程，實驗結果)，在實驗結束前10分鐘由指導教師在實驗報告上給出成績(包括教師簽名和日期)。實驗結束后學生在實驗報告上寫出本次實驗的總結報告(包括實驗結論，實驗討論，實驗清單)，下次做實驗時再交上實驗報告，由指導教師填寫學生該次實驗的最終成績(包括教師簽名和日期)。實驗成績占本課程最終成績的20%。

課程設計的考核內容分四大項。系統程序設計情況(占20%)，主要是針對系統程序的可用性、實用性、通用性和可擴充性。學生動手能力(占20%)，主要是針對學生設計思路的開擴性和創新能力。報告總結(占10%)，主要是針對學生資料完成、條理清晰情況。答辯情況(占50%)，主要是程序能正確運行情況(10%)，設計錯誤的改正情況或按要求改變執行結果(20%)，問題回答情況(20%)。由至少兩位課程設計指導教師同時參與答辯，并對答辯情況量化。課程設計單獨另算一個學分。

參考文獻

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[2] 柴志雷． “計算機組成與體系結構”教學初探[J]． 考試周刊,2007,(27).

[3] 白中英. 計算機組成原理(第三版?網絡版)[M]. 北京:科學出版社,2001.

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關鍵詞：硬件 芯片 性能

中圖分類號：TP302.1G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0031-01

新一代計算機硬件是把信息采集存儲處理、通信和人工智能結合在一起的智能計算機系統。它不僅能進行一般信息處理，而且能面向知識處理，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，將能幫助人類開拓未知的領域和獲得新的知識。目前，隨著計算機技術的不斷發展，計算機有著越來越方便、越來越人性化、越來越自動化、越來越容易操作的趨勢。

雖然計算機的制作技術已經發生了極大的變化，但在基本結構上，一直沿襲著馮.諾依曼的傳統架構，即計算機硬件系統由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大基本構件組成。計算機硬件體系結構的發展主要體現在兩個方面的發展，一個是研制新型的計算機體系結構，提高并行計算和處理能力，其次是以硬件或固件為發展主線的大規模集成電路的研制和開發。

（1）軟、硬件的功能分配是計算機系統結構的主要任務，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現。提高硬件功能的比例可提高解題速度，減少程序所需存儲空間，但會增加硬件成本；提高軟件功能的比例可減低硬件成本，提高系統的靈活性，但解題速度會下降，而且軟件設計費用和所需的存儲器用量也要增加。計算機硬件成本不斷下降，軟件成本的不斷上升，計算機的硬件越來越便宜，軟件越來越昂貴，因此，計算機系統朝著硬件比例越來越大的趨勢發展。

（2）硬件的發展就是在不斷的追求體積更小巧、集成度更高、性能更好、生產更快速、價格更低廉的芯片?，F在處理器的發展真可謂日新月異，CPU對于計算機對計算機性能的發揮起著至關重要的作用，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作用。計算機硬件的核心技術是微電子技術和光電子技術。從1995年以來，芯片制造工藝的發展十分迅速，新的生產工藝可以提高芯片的集成度。在不增加芯片面積的情況下，使用更精細的生產工藝可以比老工藝大大增加的晶體管數量，并可以擴展新的功能采用最新制造工藝后，相同晶體管會占據更小的面積，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，直接結果就是單顆處理器售價降低。同時，速度越來越快，功耗越來越小。納米技術的運用也使這些電器產品更加智能化，功能更多。整合性的東西越來越多，如聲卡、顯卡、網卡都地整合到主板上，這樣可以使電腦的價格更加便宜。

隨著信息時代的到來，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，無論是企業用戶，還是個人用戶，多任務、多線程的應用越來越廣泛，傳統的單核處理器在同時處理多個線程的時候顯得力不從心，提升處理器多任務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展的必然需要。

（3）存儲器的發展也具有容量大，體積小、價格低的趨勢。隨著信息量的不斷增加，對數據的存儲需求提出了更高的要求。存儲器的發展將更多的關注速度和可靠性的提高，要具有更好的擴展性。借助于先進的工藝優勢，存儲芯片的封裝尺寸更小，也決定了存儲器的低電壓特性，更促進了便攜式產品的發展。

（4）隨著微電子技術的飛速發展，計算機的體積越來越小，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，輸入輸出設備也朝著高性能、多樣化、智能化和多媒體方向發展。同時，隨著計算機輸入、輸出設備的發展，人機界面越來越友好。一方面設備中也已越來越多地嵌入微處理器和軟件進行控制以達到智能化和高性能的目標，另一方面也常常將原屬于設備或設備控制器的部分功能直接設計進CPU，以便降低成本和改善性能。

迅猛發展的計算機硬件技術，為計算機軟件的不斷更新創造了良好的平臺。未來計算機的發展，應更進一步縮短高級語言與機器語言、操作系統與系統結構，程序設計環境域系統結構之間的語義差距，這些差距是用軟件來填補的，語義差距的大小實質上取決于軟、硬件功能的分配，差距小了，系統結構對軟件的支持就加強了。軟件跟上硬件的發展步伐還需要時間。目前，隨著數字模擬融合、微機電融合、電路板硅片融合、硬軟件設計融合的趨勢，新一代集成電路技術和IP核產業的發展勢在必行，嵌入式整機的開發工作也從傳統的硬件為主變為軟件為主，嵌入式軟件的發展將成為主流，會有超長的生命周期。

參考文獻

[1] 耿增民.計算機硬件技術基礎[M].2版.人民郵電出版社，2012.

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關鍵詞：單片機；嵌入式系統；開發

隨著社會經濟的快速發展，在強大的經濟實力支持下，近年來我國科學技術領域也獲得了長足的進步，科學技術的快速發展及其在社會各個領域的廣泛應用，在極大的提升各領域生產力及生產效率的同時，也為各領域創造了巨大的社會經濟效益，其對于保障社會各領域建設事業的健康可持續發展等有著重要作用。信息技術是21世紀發展最為迅猛的科學技術之一，信息技術的快速發展，也開啟了信息時代的大門，隨著信息技術在社會多個領域的廣泛滲透，以計算機信息技術為基礎的單片機技術領域也獲得了極大的發展，基于單片機的嵌入式系統的開發也成為了人們研究的熱點領域之一?；趩纹瑱C嵌入式系統的研發之所以能夠吸引業界如此多的注意力，究其原因主要是該系統的功能的強大性，及適用的廣泛性，基于單片機的嵌入式系統能夠應用到社會多個領域中，如信息家電，及手持設備等領域，不僅能夠有效地提升這些領域的工作效率，為企業創造巨大的社會經濟效益，還能有效地實現產品的智能化及多功能化發展，因而加大對單片機嵌入式系統開發的相關研究，有著積極意義。接下來對嵌入式系統進行簡要的概述，在此基礎上，對基于單片機的嵌入式系統開況進行詳細的探討。

1嵌入式系統概述

隨著信息技術的不斷發展，計算機系統在結構及性能方面，也在發生著重大的改變，原有的計算機系統已難以適應社會發展的需要，以及人們日益升高的對系統性能的要求，因此加大對計算機系統的研發，就顯得尤為必要了。嵌入式系統便是在這樣的社會大背景下應運而生的，其對于提升計算機性能，提升計算機系統的智能化水平等，有著重要作用。嵌入式系統，顧名思義是一種基于計算機技術，以實際應用為目標，可以實現對軟硬件剪裁，同時在系統的安全穩定性、體積及成本和性能等方面，有著更高要求的專業計算機系統。基于嵌入式系統的優異性能，該系統已廣泛應用于我國社會的多個領域，如信息家電領域，甚至在我國的國防工業領域，該系統也有著廣泛的應用。

具體來說，嵌入式系統相較于以往的計算機系統，其具有如下主要特點：（1）體積小特點。隨著信息技術的不斷發展，人們對計算機系統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，當前系統的研發有向小體積方向發展的趨勢，而嵌入式系統就是一種具有較小體積的計算機系統，為了有效降低系統的體積，該系統將其部分控制部件，巧妙地安裝進系統中，從而在有效的縮小系統體積的同時，也極大地提升了系統空間的利用率，降低了系統生產成本；（2）高性能特點。該系統相較于以往的計算機系統，具有更好的系統穩定性，及更高的運算速率，同時該系統在開發周期方面，也得到了急劇的降低，因而較高的性價比，也是該系統的主要特點之一；（3）存儲容量不高。由于該系統不具有以往計算機系統的硬盤設備，其在數據信息的存儲方面，主要借助FLASHmemory，及ROM等儲存介質實現數據信息的保存，因而其存儲容量不高；（4）實時性特點。該系統對時間較為敏感，在部分應用軟件中，其對時間有一定的限制，若在某項操作中，其超過了規定的時間，其就不能達到預期的效果，因而該系統具有很強的實時性特性[1]。

2基于單片機的嵌入式系統開發

2.1單片機概述

隨著計算機信息技術的快速發展，近年來我國單片機技術領域也獲得了迅猛的發展，單片機，又可被稱為微型計算機，其是一種將RAM，ROM，CPU等設備，采用高度集成的方式，將其全部設計在同一芯片上的一種微處理器。當前隨著單片機技術的不斷發展，其超大規模的集成技術領域，也獲得了長足的進步，同時隨著單片機在低質量、小體積方面的不斷發展，當前我國單片機已形成了一套相對成熟的技術體系，在性能及功能性方面，也獲得了極大的提高，因而單片機技術在當前社會的多個領域，諸如工藝控制，儀器儀表，以及通信領域等，已獲得了廣泛的應用，并取得了顯著的成效，相信在不久的將來，其在社會的多個領域都有著良好的應用前景。

2.2操作系統微內核

2.2.1微內核結構

單片機作為一種微處理器，其是嵌入式系統最為核心的部分，其對于系統功能的充分發揮，發揮關鍵作用。嵌入式操作系統，其微內核在結構上主要由以下幾個部分組成：（1）任務管理和調度模塊。該模塊的主要功能是，實現對任務的有效的控制及其調度，同時該模塊還能有效實現各任務間的數據通信，以及對任務數據信息進行儲存等；（2）硬件抽象層模塊。該模塊的主要功能是，在一定的硬件平臺下，實現對某些硬件的有效映射，從而發揮系統的相關功效。嵌入式操作系統微內核的以上結構設計，不僅能夠有效地降低系統核心的負荷，提升其運行效率，保障系統性能的充分發揮，還能有效地提升系統的可擴展性，及可剪裁性等方面的性能，因而系統的微內核結構，對于保障系統的正常運轉，提升系統運行效率等，有著重要作用[2]。

2.2.2微內核結構對系統性能的作用

在嵌入式操作系統中，設計微內核結構，對提升系統的性能有著重要作用，也正是基于此，微內核結構的設計，已廣泛地應用于系統開發中，然而隨著人們嵌入式系統性能要求的不斷提高，及系統應用領域及環境的不斷拓展，當前的微內核結構設計已難以適應社會發展的需要，因而研發出體積更大，性能更高的微內核，對于滿足社會對嵌入式系統的性能需要，就顯得尤為必要了。然而增大微內核的體積，這也引起了當前社會各界的普遍爭論，一部分人的觀點是，在核心結構系統中，可以使用客戶/服務器形式，如此一來，不僅會提高系統的開發成本，對系統性能也會造成較大影響；另一部分人則認為，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內涵理論的局限，因而如果在結構設計上不合理的話，將會極大地影響系統的性能。因此為了提升嵌入式系統的功能，加大對其微內核結構及性能的相關設計研究，有著重要作用[3]。

2.3EOS51系統結構

當前在基于單片機的嵌入式系統中，微內核基本上是EOS51系統結構，其實現過程大致是這樣的，通過對任務實施有效的控制，并進行相應的切換，同時對任務間的互斥控制以及通信控制等，采取相應的時機控制操作，由此保障微內核引擎工作的正常進行。在運轉中，當系統實施電的連接時，就能夠通過系統存儲器，獲得相關的地址信息，然后再得到相關指令后，可以實現對系統的初始化，而剩下的存儲設備，則由用戶自行處理。如此一來的話，就能有效地保障系統的正常啟動，同時其外部硬件設施等，用戶也能夠依照自身需求情況，進行適當的拓展，因而基于單盤機的嵌入式系統的開發，不僅具有較高的系統靈活性，同時其微內核結構的設計，也具有更廣泛的適用性[4]。

3結語

由以上可以看出，基于單片機的嵌入式系統，相較于以往的計算機系統，具有更小的體積和質量，同時在性價比方面，也有著更高的競爭優勢，因此加大對基于單片機的嵌入式系統開發的相關研究，有著深遠意義。

參考文獻

[1]陳麗芳.基于單片機的嵌入式系統開發[J].電子測試，2015（10）：13-14.

[2]張璐璐.單片機溫度測量和控制系統的設計與實現[D].吉林：吉林大學，2014.

[3]劉玉良，李剛，康凱.基于MATLAB的嵌入式系統軟件開發[J].天津大學學報，2012（5）：593-596.

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關鍵詞：Linux 網絡計算機 JAVA語言 優化設計 運行效率

網絡計算機是信息技術和計算機技術共同發展進步的結果，隨著當前信息網絡技術的不斷升級和廣泛運用，無論是技術水平和計算機系統結構都在不斷演變，積累著革命性的能量從而在未來實現質變與突破。當前，網絡計算機技術在我國各行各業已經普遍無論，無論是從行業發展、服務角度而言，還是從應用性實踐研究角度而言，網絡計算機技術帶來的革命性便利與突破都決定了其在國民經濟、社會生活中的關鍵地位，所以，加強網絡計算機應用性研究勢在必行。

網絡計算機系統結構原本主要是以網絡、WEB服務器和瀏覽器三層架構為主，但是隨著應用語言JAVA的出現，三層架構模式被優化、改善，無論是應用性能還是合理性能都得到提升，所以基于JAVA語言的計算結構設計和應用成為了網絡計算機應用發展中的主流。對于網絡計算機系統而言，它的構成主要以NCOS和NCServer為主，前者主要在網絡計算機上運行，后者則集中在服務器上運行，這兩個部分無論哪個，JAVA語言都占有關鍵地位，所以，基于網絡計算機的JAVA虛擬機運行效率的技術研究能夠很大程度上提升運行性能和效益，對服務性能的改善產生極為顯著的影響，對于應用性能方面的探索而言十分重要[1]。

一、基于Linux的Java虛擬運行優化設計

Linux是當前主流操作系統，也是進行JAVA虛擬運行優化設計的主要平臺。優化設計要在明確優化對象的基礎之上，從硬件和軟件兩個方面保證優化條件，然后根據具體實踐情況合理應用多種優化技術為其服務，最終設計出性能合理的優化方案，并在此技術上解決各類問題或者技術改良實現優化運行設計與實踐。

首先是明確優化對象。優化對象可以選擇Kaffe，它作為一個源代碼開放的軟件包而言，是一個較為優越且應用廣泛的語言環境，作為優化對象來說很有價值，關于其優化的操作設計，要在深入分析語言運行環境的基礎上進行設計操作。Kaffe的開發本身就是以類Unix系統為參考基礎，這一特性決定了它能夠能夠在JAVA環境下進行一定程度的移植，對比其他結構來說優化設計難度要低了不少；Kaffe在語言環境規范上完全均從JAVA架構且十分完整，在運行方面能夠順利接入各種網絡設備或者嵌入式系統等，應用性能和范圍十分優越；解釋器switch-case模式的性能決定了此優化設計在應用適用性方面效果卓越；以模塊為基礎的實現方式決定了其收縮性與高效性有一定程度的保障[2]。

其次是優化條件。優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、內存等；在這些硬件條件基礎上，對終端機存儲器和CPU應用條件以及JVVA執行效果進行充分考慮，然后以此為考量進行Java虛擬運行優化設計。

優化技術方面目前主要以兩大主流為主，分別是解釋執行技術和編譯執行技術的優化。解釋執行技術的優化主要通過應用解釋器實現，目前常用的有三種，分別是線索式、直接線索式以及內嵌線索式。編譯執行技術優化主要包含三項內容，分別是即時編譯、自適應優化和提前編譯，這三項內容（技術）在各自的JAVA環境下運行前（時）對字節碼進行編譯操作使其成為本地機器碼，通過縮短執行時間來實現運行環境的優化，在優化技術方面，只要通過消除、內嵌公共子表達式完成優化過程。

優化方案設計：對比分析解釋技術和編譯技術的運行優化效果來看，在滿足相對條件、且能夠取得令人滿意的優化效果方面，解釋器的應用是最理想成本下的選擇，其中直接線索式解釋器的應用是最佳方案。以此為指導進行JAVA虛擬機運行優化的設計，需要通過壓縮數組以節約空間，那么可以通過合并操作數、地址跳轉的方式來實現。比如32位CPU中，原本標號地址占用容量為4B，操作碼長度0B-10B，在進行合并、空間節約和地址轉化之后，容量占用縮減為2B，無疑能夠顯著提升Java虛擬機運行效率。

總之，基于Linux網絡計算機的Java虛擬機運行效率的提升要根據優化目標和需求進行合理優化設計，在明確優化對象、達到優化條件的基礎上應用各種技術方案進行設計，以保證達到優化目標。

參考文獻：

[1]李允，羅蕾，雷昊峰，熊光澤.嵌入式Java虛擬機的性能優化技術[J].計算機工程.2011；18

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關鍵詞：計算機專業；工程教育；系統能力；系統課程

1.計算技術發展特點分析

計算技術在20世紀個人機普及和Internet快速發展的基礎上，從初期的科學計算與信息處理進人21世紀的以移動互聯、物聯網、云計算和大數據計算為主要特征的新型網絡時代。在這一過程中，計算技術的發展特點呈現出“四類新型計算系統”和“四化主要特征”，這對計算機專業人才的知識結構與創新能力提出更高的要求。

1.1四類新型計算系統

1）嵌入式計算系統。

在移動互聯網、物聯網、智能家電、三網融合等行業技術與產業發展中，以嵌入式計算為主要形態的計算系統——嵌入式計算系統有著舉足輕重和廣泛的作用，并日益呈現網絡化的開放特點。

2）移動計算系統。

在移動互聯網、物聯網、智能家電以及新型裝備中，均以移動通信網絡為基礎，移動計算成為關鍵技術，它將使計算機或其他信息智能終端設備在無線環境下實現數據傳輸及資源共享，其作用是將有用、準確、及時的信息提供給任何時間、任何地點的任何客戶，這將極大地改變人們的生活方式和工作方式。

3）并行計算系統。

隨著半導體工藝技術的飛速進步和體系結構的不斷發展，多核/眾核處理機硬件日趨普及，這使得昔日高端的并行計算呈現出普適化的發展趨勢；多核技術對計算系統微體系結構、系統軟件與編程環境均有很大影響；同時，云計算也是建立在由廉價服務器組成的大規模集群并行計算的基礎之上，因此，并行計算將成為各類計算系統的基礎技術。

4）基于服務的計算系統。

無論是云計算，還是其他現代網絡化應用軟件系統，均以服務計算為核心技術。服務計算是指面向服務的體系結構（Service，orientedArchitecture，SOA）和面向服務的計算（Service oriented Computing，SOC）技術，是標識分布式系統和軟件集成領域技術進步的里程碑。服務作為一種自治、開放以及與平臺無關的網絡化構件，可使分布式應用具有更好的復用性、靈活性和可增長性。Web服務技術是當前SOA的主流實現方式，已經形成規范的服務定義、服務組合以及服務訪問。

1.2“四化”主要特征

1）網絡化。

當今的計算系統必然與網絡相關。盡管各種有線網絡、無線網絡所具有的通信方式、通信能力與通信品質有較大區別，但它使得與其相聯的計算系統能力得以充分延伸，更能滿足應用需求。網絡化對計算系統的開放適應能力、協同工作能力等也提出了更高的要求。

2）多媒體化。

多媒體具有計算機綜合處理多種媒體信息的集成性、實時性與交互性特點。計算機通過多媒體技術可以處理人類生活中最直接、最普遍的信息，從而使計算機應用領域及功能得到極大的擴展，使計算機系統的人機交互界面和手段更加友好和方便，非專業人員也可以方便地使用和操作計算機。

3）大數據化。

從各種類型的數據中快速獲得有價值信息的能力稱為大數據技術。大數據具有體量巨大、類型繁多、價值密度低、處理速度快等特點。大數據時代的來臨給各行各業的數據處理與業務發展等帶來重要變革，也對計算系統的新型計算模型、大規模并行處理、分布式數據存貯、高效數據處理機制等提出新的挑戰。

4）智能化。

智能化將影響計算系統的體系結構、軟件形態、處理算法以及應用界面等。例如，智能手機的智能搜索引擎是結合了人工智能技術的新一代搜索引擎，不僅具有傳統的快速檢索、相關度排序等功能，還具有用戶角色登記、用戶興趣自動識別、內容的語義理解、智能信息化過濾和推送等功能，其追求的目標是根據用戶的請求，從可以獲得的網絡資源中檢索出對用戶最有價值的信息。

2.系統能力的主要內涵及培養需求

2.1主要內涵

計算機專業學生的系統能力核心是在掌握計算系統基本原理基礎上，熟悉如何進一步開發構建以計算技術為核心的應用系統。這需要學生更多地掌握計算系統內部各軟件/硬件部分的關聯關系與邏輯層次，了解計算系統呈現的外部特性以及與人和物理世界的交互模式。系統觀的教育體現出工程教育特征，相比較其他專業學生的計算機基礎和應用能力，計算機專業更強調對學生計算機系統能力的培養。因此，計算機專業學生的知識體系不僅需要更新與擴展，而且其系統設計創新能力必須得到強化與提升。

2.2培養需求

隨著計算機科學與技術的不斷進步，信息產業形態發生重要變化，新型計算系統應用日益深化，計算機專業人才培養也必須“與時俱進”，體現計算技術與信息產業發展對學生系統能力培養的需求。教育思想要突顯系統觀教育理念，教學內容要體現新型計算系統原理，在實踐環節中展現計算系統平臺技術。

我們要深刻理解系統化專業教育思想對計算機專業高等教育的影響。系統化教育和系統能力培養要采取系統科學的方法，不但要夯實系統理論基礎，使學生構建出準確描述真實系統的模型，并能夠用模型預測系統行為；而且要強化系統實踐，培養學生有效地構造正確系統的能力。從系統觀出發，計算機專業的教學應該注意教學生怎樣從系統層面思考（如設計過程、工具、用戶和物理環境的交互），應該講透原理（基本原則、架構、協議、編譯以及仿真等），強化系統性的實踐教學培養過程和內容。

3.相關研究

3.1ACM/IEEE CS2013重視系統能力培養

ACM/IEEE最新公布的CS2013是在組織眾多計算機教育專家深入調研分析、開展專題研究的基礎上，給出的新的教學調整方案。它不僅對原有14個知識域進行適度調整，還增加了4個新的知識域，分別是系統基礎SF、并行和分布計算PD、基于平臺的開發PBD、信息保障和安全IAS。這些都涉及系統級內容，由此可見，ACM/IEEE CS2013的重點是進一步強調系統知識和系統能力的培養。

3.2專業教指委已開展相關研究

教育部計算機專業教學指導分委員會已經組織了對計算機專業學生能力培養和實踐教學體系的研究，重點是如何使學生增強系統能力，全局地掌控一定規模系統。研究提出：①教學必須樹立系統觀，培養學生的系統眼光。學生學會站在不同層面上去把握不同層次上的系統，并全面考慮系統各部分及其與外界的邏輯與聯系，完成一定規模的系統設計。②明確了計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計與實現能力以及系統能力為4大專業基本能力。其中系統能力占總能力的75%，包括系統認知、系統設計、系統開發和系統應用能力。

目前國內少數高等學校，如南京大學、復旦大學、北京大學、北京航空航天大學、浙江大學、西北工業大學、國防科技大學等，正在不同程度上積極進行這些方面的探索和實踐。

4.系統能力培養中存在的問題

在PC時代背景下所設置的課程體系、教學及其實驗內容，對學生的系統能力培養存在以下問題。

（1）課程體系中缺乏一門獨立的能夠貫穿整個計算機系統的基礎課程。有些學校雖然有計算機系統概論課程，但是，課程內容太散太多，沒有系統性，并沒有圍繞一個完整計算機系統框架組織內容。

（2）課程之間的銜接和關聯考慮不夠。目前課程設置大多按照計算機系統不同層次上的內容獨立開設課程，相應的教材內容和課堂教學內容中很少體現本層次的內容與其他層次內容之間的關聯，學生難以形成對計算機系統的全面認識。

（3）教學內容比較陳舊，較少涉及近年來出現的多核/眾核處理器、分布式和并行計算模式等實際工作中遇到的內容，特別是對于后PC時代的學生所需的關于嵌入式系統、移動終端系統、大型數據中心云計算系統等的系統知識體系的教學還很薄弱。

（4）課程體系缺乏對系統設計和應用能力培養的整體考慮，如公共的計算機系統基礎課程及內容的設置，計算機系統核心課程及內容的設置，對于不同應用系統和相關平臺所需的設計和應用人才的培養應設置哪些課程（包括課程實驗）等。

由于教學中對系統能力培養重視不夠，所以學生在系統能力方面存在以下問題：

（1）大部分學生不能很好地建立計算機系統完整概念，缺乏系統觀，只能解決局部的編程和應用問題，對于系統層面問題的解決無法勝任。

（2）大部分學生對于計算機系統的核心內容掌握不夠，難以勝任復雜的涉及軟/硬件協同設計的任務。

（3）由于沒有很好地建立課程之間內容的關聯，學生對于很多核心內容通常只知其然不知其所以然，所以其綜合分析、設計和應用能力也較差，對于需要綜合運用多個跨課程的概念才能解決的問題一籌莫展。

（4）教學缺乏系統性的綜合實踐環節，這使學生理論上一知半解，實踐動手能力較差。

5.系統能力培養課程體系設置總體思路

為了更好地培養適應新技術發展的、具有系統設計和系統應用能力的計算機專門人才，我們需要建立新的計算機專業本科教學課程體系，特別是設立有關系統級綜合性課程，并重新規劃計算機系統核心課程的內容，使這些核心課程之間的內容聯系更緊密、銜接更順暢。

為此，我們調查了若干國外高校的本科生教學在計算機系統能力培養方面的一些做法和思路，借鑒國外大學的經驗，結合我國高校計算機人才培養的特點，提出了適合于我國高等教育計算機專業系統能力培養的課程體系總體設置思路，并對相關的主要課程內容及其實驗內容進行了規劃。課程體系改革的思路如圖1所示。

我們建議把課程分成3個層次：計算機系統基礎課程、重組內容的核心課程和側重不同計算系統的若干相關平臺應用課程。

第1層次核心課程包括：程序設計基礎（PF）、數字邏輯電路（DD）和計算機系統基礎（ICS）。

第2層次核心課程包括：計算機組成與設計（COD）、操作系統（OS）、編譯技術（CT）和計算機系統結構（CA）。

第3層次核心課程包括：嵌入式計算系統（ECS）、計算機網絡（CN）、移動計算（MC）、并行計算（Pc）和大數據并行處理技術（BD）。

基于這3個層次的課程體系中相關課程設置方案如圖2所示。

圖2中左邊部分是計算機系統的各個抽象層，右邊的矩形框表示課程，其上下兩條邊的位置標示了課程內容在系統抽象層中的涵蓋范圍，矩形的左右兩條邊的位置標示了課程大約在哪個年級開設。虛線框、實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容；再講底層系統具體實現的基礎內容；然后再從兩頭到中間，把頂層程序設計內容和底層電路內容按照程序員視角全部串起來；在此基礎上，按順序分別介紹計算機系統硬件、操作系統和編譯器的實現細節。至此的所有課程內容主要介紹單處理器系統的相關內容，而計算機體系結構主要介紹不同并行粒度的體系結構及其相關的操作系統實現技術和編譯器實現技術。第3層次的課程沒有先后順序，可以是選修課，課程內容應體現第1和第2層次課程內容的螺旋式上升趨勢，即第3層次課程內容涉及的系統抽象層與第1和第2層次課程涉及的系統抽象層是重疊的，但內容并不是簡單重復，而是講授在特定計算系統中的相應教學內容。例如，對于嵌入式計算系統（ECS）課程，雖然它所涉及的系統抽象層與計算機系統基礎（ICS）課程涉及的系統抽象層完全一樣，但這兩門課程的教學內容基本上不重疊，前者著重介紹與嵌入式計算系統相關的ISA設計、操作系統實現和底層硬件設計等內容，后者著重介紹如何從程序員的角度來理解計算機系統設計與實現中涉及的基礎內容。

與傳統課程體系設置相比，最大的不同在于，新的課程體系中有一門涉及計算機系統各個抽象層面的能夠貫穿整個計算機系統設計和實現的基礎課程——計算機系統基礎（ICS）。該課程講解如何從程序員角度來理解計算機系統，可以使程序員進一步明確程序設計語言中的語句、數據和程序是如何在計算機系統中實現和運行的，讓程序員了解不同的程序設計方法為什么會有不同的性能等。

此外，新的課程體系強調課程之間的銜接和連貫，主要體現在以下幾個方面。

（1）計算機系統基礎課程可以把程序設計基礎、數字邏輯電路2門課程之間存在的計算機系統抽象層中的“中間間隔”填補上去并很好地銜接起來。這樣，到2年級上學期結束時，學生就可以通過這3門課程清晰地建立單處理器計算機系統的整機概念，構造出完整的計算機系統的基本框架，而具體的計算機系統各個部分的實現細節再通過后續相關課程來細化充實。

（2）數字邏輯電路、計算機組成與設計和嵌入式計算系統3門課程中的實驗內容能夠很好地銜接，可以規劃一套承上啟下的基于FPGA開發板的綜合實驗平臺，讓學生在一個統一的實驗平臺上從門電路開始設計基本功能部件，然后再以功能部件為基礎設計CPU、存儲器和接口，最終將CPU、存儲器和I/O接口通過總線互連為一個完整的計算機硬件系統。

（3）計算機系統基礎、計算機組成與設計、操作系統和編譯技術4門之間能夠很好地銜接，構成了一組計算機系統能力培養最基本的核心課程。新課程體系中計算機系統基礎和計算機組成與設計2門課程對原來的計算機系統概論和計算機組成原理課程內容進行重新調整和統籌規劃。計算機系統基礎、計算機組成與設計、操作系統和編譯技術的關系體現為：

①計算機系統基礎課程以Intel x86為模型機進行講解，它為操作系統課程（特別是Linux內核分析）提供了很好的體系結構基礎。同時，在計算機系統基礎課程中為了清楚地解釋程序中的文件訪問和設備訪問等問題，會從程序員角度簡單引入一些操作系統中的相關基礎知識。

②計算機系統基礎課程會講解高級語言程序如何進行轉換、鏈接以生成可執行代碼的問題。

③計算機組成與設計中的流水線處理等也與編譯優化相關，而且以MIPS為模型機進行講解，而MIPS模擬器可以為編譯技術的實驗提供可驗證實驗環境。

從計算機系統基礎課程的內容和教學目標以及開設時間來看，位于較高抽象層的先行課（如程序設計基礎、數據結構等課程）可以按照原來的內容和方式開設和教學，而作為新的計算機系統基礎和計算機組成與設計的先導課數字邏輯電路，則需要對傳統的教學內容，特別是實驗內容和實驗手段進行修改和完善。

有了計算機系統基礎和計算機組成與設計課程的基礎，學生將更容易從計算機系統整體的角度理解操作系統、編譯原理等后續課程。這些后續課程在內容方面不需要大的改動，但是操作系統和編譯器的實驗要以先行課程實現的計算機硬件系統為基礎，這樣才能形成一致的、完整的計算機系統整體概念。

6.結語

系統觀教育對于計算機專業的所有培養方向均適用，它對專業核心課程任課教師提出了更高要求，因此必須強化計算機專業的教師培訓工作，特別是重視以系統觀為核心的新教材的編寫工作，以便使計算機專業人才培養和教育跟上學科、技術和產業的發展步伐。

本系統研究組由國防科學技術大學、西北工業大學、南京大學、南開大學、天津大學、武漢大學、北京大學有關教授組成，他們共同進行了關于計算機專業學生系統知識、系統能力和系統課程的研討。本研究得到機械工業出版社華章公司的大力支持。

參考文獻：

[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/.

篇9

關鍵詞 創新 實踐 業績定律 實驗教學

中圖分類號：G520 文獻標識碼：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、智力、能力

1.1 知識與知識結構

所謂知識，就是人們在改造客觀世界的實踐中所獲得的認識與經驗的總和。

要使學生具有合理的知識結構，必須注意知識的使用價值和智力價值。使用價值是指所學知識在后續課程的學習和實踐中的作用和效果，而智力價值是指所學知識對人的智力發展所起的促進作用大小，我們在為學生設計合理的知識結構時，必須把這兩者有機地結合起來，使在有使用價值的知識體系中包含有科學的智力價值體系。

1.2 智力與智力結構

智力是指感知到思維的心理過程特征，是人認識客觀事物并運用知識解決實際問題的能力，因此，它屬于個體心理特征中能力的范疇。一個人的智力是在掌握人類知識經驗和從事實踐活動中發展的，但又不等于知識和實踐。

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成的具有一定結構的系統。用數學語言描述，就是智力因數I是5種能力要素Ci的函數。即

I = f （CO，CN，CR，CO，CT） （1）

式中：

I為智力因數，它綜合反映一個人的智力品質。

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。

智力因數在個體身上的表現，就是反映了個體的智力品質，它以智力超常、正常、低常為主要標志。我們通常所說的“聰明”與“笨”，就是對一個人智力品質的定性評價。人才學把人才分為創造型、發現型、繼承型三種類型，創新型的人才大都是智力超常的人。

智力品質包括敏捷性、靈活性、深刻性和獨創性，敏捷性表征的是智力活動的速度；靈活性表征的是智力活動的創造精神。愛迪生一生中之所以能有數以千計的發明創造，在很大程度上依靠了他超常的獨創性的智力品質。

1.3 能力與能力結構

能力總是同成功地完成某項活動或某項任務相聯系，因此能力是指一個人完成某項活動或任務的綜合本領。

對大學生來講，在教學實踐中應當經常性和有針對性地培養上面所述的5種能力：

CO——觀察力，它是個體精細感知事物的特性、辨別相似現象和新異現象的能力。

CN——注意力，它是個體組織自己心理活動，使之有效地指向和集中于某個認識對象的能力。

CR——記憶力，它是個體保持和再現，再認識以往對客觀事物的反映內容和主觀體驗的能力。

CI——想象力，它是個體根據已有知識經驗創造性地形成新事物的形象、推測其結構、特性及其變化的能力。

CT——思考力，它是個體合乎邏輯地對客觀事物形成概念、作出判斷、進行推理思維的能力，它進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 業績定律公式

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

A=It （2）

公式表明：業績A與智力因數I成正比，也與勤奮度t成正比，其關系可用圖1表示。

業績A可以廣義地理解，在學生時期可以看作學習成績，在科學研究中可以看做研究成績。圖1（a）告訴我們，兩個人智力因數不同時，在同樣的時間（勤奮度）條件下，智力因數高的人所取得的成績就大。然而，圖1（b）也告訴我們，智力因數低的人采取“笨鳥先飛”的辦法，更勤奮一些（花更多的時間），那么也能取得和智力因數高的人一樣的成績。因此，從某種意義上來講，勤奮度和智力品質有著同樣的價值。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 業績與智力因數、勤奮度的關系

智力是遺傳素質、環境和教育、個人努力三方面因素相互作用的產物，是遺傳和環境的對立統一。智力的發展不是由先天的遺傳簡單的“命定”，也不是由環境與教育機械地決定。遺傳素質僅提供了智力發展的可能性，而環境和教育、個人努力則規定了人的智力發展的現實性。環境，尤其是有計劃有目的的教育，對智力的發展起著決定性的作用。

我們認識環境和教育對智力發展的決定作用，目的在于創造有利于學生智力發展的環境條件（教師、圖書館、實驗室），建立合理的智力結構，促使學生智力的發展并鍛煉超常的智力品質，成為創造型的人才。

2 實驗教學的定位和組織

2.1 實驗教學的目標——發展智力培養能力

前面講述了學生的知識、智力與能力的結構。但更重要的是，如何在整個教育過程中去實現這個結構。

傳授知識，發展智力和培養能力，這三者是相互聯系，相輔相成的。

傳授知識，這是對教學的起碼要求。“知識就是力量”這句名言，充分說明了知識的作用和價值。但我們培養的學生，不僅是人類科學文化的繼承者，而且是人類科學文化的創造者，而要創造，要發展，就要依靠知識、智力和能力，三者缺一不可，如果說人對社會最終的報答是貢獻，那么智力能力將起決定性的作用。因此，我們必須轉變教學思想，從只重視傳授知識轉變到重視發展智力和培養能力方面來，這既是教育的任務，也是時代的要求。

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的前提，超常的智力可以使學生獲得更多的知識，獲得更多的能力，而知識增多了，又可促進智力的發展和能力的提高。

智力是通過對知識的掌握過程而形成的。但是不能認為知識就是能力。知識是能力的基礎，能力是知識的集中體現。“無知必然無能，無能很難有知”，足以說明知識與能力之間的辯證關系。能力是要經過專門訓練的，要靠培養，要靠發展。能力總是與成功地完成某項活動或任務相聯系，是在實踐活動中發展的?！皩嵺`出智慧，實踐長才干”，就是這個道理。

從表達式（1）可知，智力因數I是能力要素Ci的函數，要發展智力，必須重視培養能力。而能力總是同成功地完成某種活動相聯系，要培養能力，必須重視實踐性教學環節。我們不能因為能力的發展與知識的獲得有聯系，就認為學生的能力培養，可以在教學過程中自發地實現。有鑒于此，在教學中應該明確地提出培養能力的要求和目標，并且有計劃地自覺地去實現這個目標。

2.2 實驗教學隊伍

高素質的實驗教學隊伍建設是落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》的重要任務之一，也是培養創新型人才的必要條件。高素質的實驗教學隊伍應具備：（1）熱愛和忠于教師職業；（2）具有相應的學術水平和豐富的實踐教學經驗；（3）富有創新精神；（4）富有奉獻精神。

長期以來，高校實施的考評體系并沒有對實驗教學隊伍有多少傾斜政策，例如職稱問題，聘崗問題，要求數，要求科研經費數。然而實際上每個具體承擔實驗教學任務的老師工作量十分繁重。這些政策的后果是：實驗課教師感覺低人一等，教改無極積性，整天忙于日常的實驗教學。試問：沒有優秀的實驗教學隊伍，何談高水平實驗？何談培養創新型人才？

高素質實驗教學隊伍的建設需要進一步落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》，即使沒有傾斜政策，至少要做到公正公平。例如實驗教學隊伍中為什么不設置國家級和省級“實驗名師”，以改變他們在社會和學校中的地位呢？

2.3 三種實驗類型和三個結合點

（1）三種實驗類型體現三大臺階：

基礎驗證型：鞏固書本知識，培養基本動手能力。

綜合設計型： 綜合運用課程知識，全面培養實驗能力。

研究創新型：超出課程要求，發揮學生觀主動性，啟發提高實驗水平。

前兩種實驗面向所有學生，第三種實驗只面向少數優秀學生。

（2）三個結合點有效組織實驗的過程：

課程要求：面向全體學生的基本要求。

實驗項目：分組綜合實驗，培養團隊精神。

因材施教：專業/非專業；不同層次/不同基礎/不同興趣。

2.4 計算機學科基礎實驗教學的設計

（1）計算機學科基礎12門核心課程——三硬三軟三系統三理論：

三硬：數字邏輯，計算機組成原理，計算機系統結構。

三軟：數據結構，數據庫原理，編譯原理。

三系統：操作系統，計算機網絡，嵌入式計算機系統。

三理論：離散教學，形式語言與自動機，算法分析。

計算機學科是一個實踐性很強的學科，包括計算機科學與技術、計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息安全等諸多專業，上述課程中大部分為專業基礎課，必須有實驗教學手段做支撐。圖2 示出計算機學科實驗教學的課程群分類體系。公共基礎是全校性的基礎課，如C語言程序設計。

圖2的實質表示計算機學科學生能力培養路線圖。能力培養目標是“先立地后頂天”，“立地”是單門課程實驗，“頂天”是計算機系統級實驗。

（2）計算機硬件基礎課程群的實驗教學設計：

計算機硬件基礎課程群包括數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統結構、接口技術四門課程。有些專業方向偏軟的院校將后兩門課合而為一，取名為計算機組成與體系結構，如圖3所示。

①數學邏輯：技術基礎課

基本實驗：要求學生掌握基本門器件；常用組合邏輯和時序邏輯功能部件設計；存儲邏輯E2PROM應用，大容量可編程器件應用；EDA設計工具和VHDL語言。

綜合實驗：要求學生用EDA技術完成至少4個以上的中型設計課題。

②計算機組成原理：專業基礎課。

基本實驗：要求學生掌握運算器；雙端口存儲器；數據通路；微程序控制器；并用它們組一個CPU整機，且用單步或連續方式執行指令周期實驗。

綜合實驗：要求學生用EDA技術設計一個硬布線控制器實現的CPU，并單步或連續方式執行驗收程序。

③計算機系統結構：重要的專業課。

課程重點講述計算機時間并行技術和空間并行技術。前者用流水技術實現，后者用多CPU技術實現?？紤]技術復雜性和實驗成本，教學實驗采用如下兩種方式：

硬件形式：采用TEC-8實驗系統，實現一個流水CPU。

軟件形式：采用仿真軟件，實現一個流水CPU。

④計算機組成與體系結構、專業基礎課。

基本實驗、綜合實驗：要求與計算機組成原理相同。

⑤計算機硬件技術基礎：高職高專計算機專業、理工類非計算機專業必修課。

基本實驗：剖析一個簡單CPU（TEC-6實驗系統）

基本實驗：用《片上系統單片機》進行編程和接口設計（TEC—6B實驗系統）。TEC-6B實驗系統也用來完成計算機學科的《接口技術》課程實驗。

（3）計算機學科實驗教學實施原則：

實施原則總結為十六字方針——四年不斷，課程為界，先分后合，構建系統。

所謂四年不斷，就是從大一到大四都安排有實驗教學。

所謂課程為界，就是實驗設計執行課程教學大綱，不要越界。

篇10

關鍵詞：計算機科學導論；課程體系；獨立學院

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：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

《計算機科學導論》是計算機科學與技術相關專業的引導性專業基礎課程，其課程體系結構設置，是計算機教育界的熱門論題。在1991年ACM和IEEE-CS攻關組提交的CC1991(Computing Curricula 1991)報告中，明確提出了構建計算機科學導論課程體系的具體要求和重要性，由此引發了計算機教育界有關如何設置計算機科學導論課程體系結構的討論熱點。在2002年我國計算機科學與技術學科教程研究組提出的“中國計算機科學與技術學科教程2002”（China Computing Curricula 2002，簡稱CCC2002）[1]中，明確指出了計算機科學導論課程的基本內容綱要，為我國構建計算機科學導論課程體系結構提供了重要依據。通過我國多年的教學實踐表明，在CCC2002綱領性精神指導下，本課程體系的設置既要結合專業的培養方向，又要考慮學生的具體知識背景情況，輔以靈活多樣的教學方法才是實現本課程目標的關鍵。

《計算機科學導論》是計算機科學與技術專業學生的第一門重要的專業基礎課。其主要教學目標是讓學生了解計算機發展的歷史及其應用領域，了解計算機學科的各個專業方向，掌握計算機的基礎知識和基本操作技能，了解計算機學科研究的領域和科學思維方法，明確計算機專業需要學習的主要課程及今后的職業生涯中需具備的職業道德和專業素養。

《計算機科學導論》教學內容的設置方面，由于生源和地區差異，還有不同高校專業培養目標差異等因素，計算機科學導論內容體系的構成存在較大的隨意性。當前我國各高校計算機科學導論教材內容主要有兩種情況，一種是將《計算機科學導論》完全等同于非計算機專業的《大學計算機基礎》或稱為《大學計算機文化基礎》課程；一種是將《計算機科學導論》課程當成計算機科學與技術專業學生在大學期間所學專業核心課程的濃縮，面面具到，等同于將今后4年要學的主要核心專業課程均學過遍。筆者認為，這兩種計算機科學導論課程均存在程度不同的不足之處。第一種過于簡單，失去專業導向性課程的特征，專業本身需具備的知識基礎和操作技能素養會丟失；第二種因內容廣而散和概念多而雜，教學內容的深度和廣度難以把握，學生難以接受，教學效果最差。這兩種類型的計算機科學導論均不適合獨立學院的應用型人才培養目標特點，難以達到本課程應實現的教學目的。下面從獨立學院人才培養目標出發，提出了適合獨立學院的《計算機科學導論》課程體系結構。

1 獨立學院的培養目標與計算機科學導論的教學目標

我國普通高校學生生源基礎劃分為三個層次：一本層次主要是211或985高校，其生源基礎最好；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、公辦民助二級學院及民辦獨立學院，是利用非國家財政性經費舉辦并實施本科學歷教育的高等學校，其生源基礎應該是最差的。盡管獨立學院可以依托母體學校充裕的教學資源，由于其辦學機制模式與普通本科院校不同，同時，獨立學院因其招生的限制，對學生的培養與定位也存在著一定的差異。一般來說，獨立學院的學生知識基礎和學習意志力相對薄弱，缺少自主學習習慣。因為需要依托母體學校的教學資源，專業教師與學生的溝通受到限制。在學習或生活的諸多方面，獨立學院學生都會表現出自我約束力不強，獨立性較差等特點。學風是一所大學的靈魂，也是立校之本。現在已經有主要針對三本院校(獨立學院等)學風建立的學生上課出勤情況考勤系統與網絡管理平臺[2]。因此，三個層次院校具有不同的人才培養目標。一本院校主要培養科學研究與創新型人才；二本院校主要培養工程型人才；三本院校主要培養應用型人才。有了獨立學院應用型人才培養目標，相應地就確立了計算機科學導論課程的教學目標。計算機科學導論主要目標是對計算機專業完整知識體系的概覽，通過該課程的學習，讓學生對計算機的發展史、計算機科學與技術專業的基本知識及知識體系、計算機學科方法論及計算機專業人員應具備的能力素質和職業道德有一個基本的掌握，了解計算機硬件軟件系統知識，數據與編碼知識等，能熟練地使用并能簡單維護計算機，并且能夠初步樹立起計算的思維方式，為今后深入學習計算機相關課程做鋪墊。

2 獨立學院計算機科學導論教學方法

在課程的教學中，應更多地考慮如何培養學生對所學專業的濃厚興趣。計算機科學導論的教學對象是剛步入大學的學生，普遍不具備良好的計算機基礎知識和計算機基本操作技能，甚至對計算機一無所知。在教學過程中應善于通過形象而生動的舉例來引導學生理解計算機學科中的抽象概念。同時要充分利用多媒體教學手段，以圖文并茂的方式形象而生動地演示較為抽象或難以用語言描述的教學內容。如在講授計算機系統工作過程等時可用視頻或Flas來生動地演示其執行過程。由于獨立學院學生的特點，可采用“任務驅動”和“案例驅動”的教學方法，循序漸近地培養學生的獨立自主學習和勤思維的習慣。考慮到本課程理論性較強，抽象概念多而雜等特點，以及接受本課程的學生多數是初次認識電腦等因素，筆者提出了理論課與上機實訓計劃各32學時的計算機科學導論課程體系結構如下。

3 獨立學院計算機科學導論課程體系結構

3.1 計算機科學導論理論課程體系結構

理論課程體系結構分為四個部分[3]，在多媒體教室借助圖片、視頻等多種媒體形式，以“案例驅動”模式進行教學：

1) 計算機系統基礎知識：計算機系統組成、工作原理、數制和編碼、運算基礎、邏輯代數與邏輯電路。這部分完成的教學目標：掌握計算機的發展歷程，計算機構造模型、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，會一種中文盲打技術；熟練掌握計算機科學中四種數制間的相互轉換，計算機內部二進制數的定點和浮點表示方法，三種機器數間的相互轉換原理；掌握字符ASCII碼、數的8421碼、漢字的三種編碼及可靠性編碼中的各種校驗碼；熟練掌握二進制的四則運算，補碼的加法運算，十進制的8421碼運算，邏輯運算，邏輯代數中的基本概念，公式及基本運算；熟練掌握計算機中基本邏輯電路及組合邏輯電路的功能、邏輯表達式、真值表及電路符號等；掌握6種基本邏輯部件的功能、特性及其分類等。

2) 計算機系統的硬件：中央處理器、存儲器、輸入/輸出系統、整機結構、系統結構。

3) 計算機系統的軟件：算法與數據結構、程序設計語言、數據庫系統、編譯原理、操作系統、軟件工程。

4) 計算機系統的應用：計算機網絡、多媒體技術、虛擬現實、人工智能、計算機控制系統、計算機信息安全與職業道德。

3.2 計算機科學導論上機實訓計劃

上機實訓在具有網絡教學功能的計算機房中進行，先由教師網絡廣播教學，再讓學生完成指定題目，教師講授一個主題，學生便相應地完成一個實訓任務。這種“任務驅動”實訓教學模式要完成的課程計劃如表1所示[4]。其中DOS操作系統實訓任務主要讓學生掌握常用的DOS命令操作，如表2所示，為后續計算機網絡課程的學習奠定基礎。

4 結束語

計算機科學導論教學內容體系結構，一直以來，是計算機教育界討論的熱點。該文分析了獨立學院學生的特點，及獨立學院應用型人才培養目標，論述了本課程教學方法，并按“案例驅動”模式和“任務驅動”模式提出了獨立學院計算機科學導論的理論體系結構和上機實訓計劃方案，供本課程體系結構建設參考。

參考文獻：

[1] 中國計算機科學和技術學科教程2002研究組. 中國計算機科學和技術學科教程2002[M]. 北京:清華大學出版社，2002.

[2] 姜韋鈺. 從課堂考勤析獨立學院的學風建設――以北京郵電大學世紀學院計算機科學與技術系為例[J]. 民辦高等教育研究,2010,7(2):34-37.

[3] 王玉龍，付曉玲，方英蘭. 計算機導論[M].3版.北京:電子工業出版社，2010.