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>> 計算機系統結構簡述 計算機系統結構教學探索 論計算機系統層次化結構 高級計算機系統結構綜述 “計算機系統結構”課程改革與探索 “計算機組成原理”與“計算機系統結構”教學研究 計算機系統優化調試 優化計算機系統 面向系統能力的計算機系統結構課程教學內容設計 計算機系統結構輔助教學系統 “任務驅動”教學法在《計算機系統結構》教學中的應用 試論“高級計算機系統結構”雙語課程建設經驗 “計算機系統結構”教學內容研究與實踐 計算機系統結構課程教學中的困境與思考 問題驅動法在“計算機系統結構”教學中的應用探討 計算機系統結構多核綜合實驗的設計實現 計算機系統結構課程中多核實驗的設計 基于SOPC計算機系統結構應用型教學探索 基于Learning-by-doing的計算機系統結構課程改革 “計算機系統結構”校級精品課程建設的探索與實踐 常見問題解答 當前所在位置：

[4]王麗暉. 現代計算機系統結構發展趨勢分析，開發展望. 2005：4-5.

[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價比的容錯計算機結構，第十屆全國容錯計算學術會議.

[6]曾慶華，陳天麟. 可擴展并行計算機系統結構和發展現狀，計算機科學. 2003：第30卷，第9期. 158-161.

[7]龔明. 后PC時代計算機系統結構的發展，計算機工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

[8]范玲玲. 計算機硬件知識體系的結構框架研究，信息產業. 2013：178.

[9]王群. 計算機總線技術的發展，煤炭技術. 2013：第32卷，第3期. 81-83.

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計算機系統結構試題

課程代碼：02325

請考生按規定用筆將所有試題的答案涂、寫在答題紙上。

選擇題部分

注意事項：

1.答題前，考生務必將自己的考試課程名稱、姓名、準考證號用黑色字跡的簽字筆或鋼筆填寫在答題紙規定的位置上。

2.每小題選出答案后，用2B鉛筆把答題紙上對應題目的答案標號涂黑。如需改動，用橡皮擦干凈后，再選涂其他答案標號。不能答在試題卷上。

一、單項選擇題（本大題共10小題，每小題1分，共10分）

在每小題列出的四個備選項中只有一個是符合題目要求的，請將其選出并將“答題紙”的相應代碼涂黑。錯涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能夠直接執行微指令的是

A.匯編程序 B.編譯程序

C.硬件 D.固件

2.系列機軟件應做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力爭向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力爭向下兼容

3.在浮點數尾數下溢處理時，誤差，但下溢處理不需要時間，平均誤差又趨于0的方法是

A.截斷法 B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l”法

4.在IBM370系統中，支持操作系統實現多進程公用區管理最有效的指令是

A.“測試與置定”指令 B.“比較與交換”指令

C.“執行”指令 D.“程序調用”指令

5.采用組相聯映像、LRU替換算法的Cache存儲器，不影響Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的塊數 B.增大組的大小

C.增大主存容量 D.增大塊的大小

6.采用組相聯映像的Cache存儲器，可用于地址變換的方法是

A.目錄表法 B.比較對法

C.頁表法 D.堆棧法

7.ILLIAC-IV陣列處理機中，PE之間所用的互連函數是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行處理機有16個處理單元，編號為0～l5，采用shuffle單級網絡互連，與13號處理單元相連的處理單元的編號是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.間接二進制n方體網絡是一種

A.多級混洗交換網絡 B.單級立方體網絡

C.多級全排列網絡 D.多級立方體網絡

10.多處理機程序段的指令之間存在數據反相關時，下列說法正確的是

A.不能并行 B.適當同步控制，可以并行

C.可以交換串行 D.若指令滿換律，可以交換串行

非選擇題部分

注意事項：

用黑色字跡的簽字筆或鋼筆將答案寫在答題紙上，不能答在試題卷上。

二、填空題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

11.從計算機執行程序的角度看，并行性等級由低到高可分為________、________、任務或進程間和作業或程序間四級。

12.浮點數尾數基值增大，可使運算中的精度損失________，可表示數的精度________。

13.中斷系統軟硬件功能分配實質是中斷________軟件和中斷________硬件的功能分配。

14.數據寬度是指I/O設備取得________后所傳送數據的總量；數據通路寬度是________的物理寬度。

15.虛擬存儲器主要是為解決主存________滿足不了要求發展出來的；Cache存儲器是為了解主存________滿足不了要求發展出來的。

16.虛擬存儲器對________程序員是透明的，對________程序員是不透明的。

17.解決重疊相關處理的兩種基本方法是推后________和設置________。

18.按多功能流水線的各段能否允許同時用于多種不同功能連接流水，可把流水線分為________流水線和________流水線。

19.N個處理單元的混洗交換網絡中，最遠的兩個人、出端的二進制編號是________和________，其距離為2log2N—l。

20.松耦合多處理機可以有________型和________型兩種構形。

三、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

21.簡述通道的3種類型各適合連接什么類型設備，說明各種類型通道在滿負荷時的實際流量與所連接設備的關系。

22.簡述并行性從計算機系統處理數據的角度劃分的四個等級，并各舉一例。

23.簡述透明性概念，說明下列哪些對于計算機系統結構是透明的。

浮點數據表示；字符串運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；訪問方式保護；數據總線寬度；Cache存儲器；存儲器的最小編址單位；存儲器的模M交叉存取，串行、重疊還是流水控制方式。

24.簡述數據表示和數據結構之間的關系及引入高級數據表示的基本原則。

25.簡述實現指令的重疊解釋必須在計算機組成上滿足的要求。

四、簡單應用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

26.機器有5級中斷，中斷響應次序為12345，現要求實際中斷處理次序為23154。

(1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態，令“0”為開放，“l”為屏蔽；

(2)若運行用戶程序時，同時發生1、3級中斷請求，而在l級中斷服務未完成時，又發生2、3、4、5級中斷，請畫出處理機執行程序全過程的示意圖（標出交換PSW的時間）。

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

寫出用FORK、JOIN語句表示其并行任務的派生和匯合關系的程序，以假想使此程序能在多處理機上運行。

五、綜合應用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

28.有一個4段的單功能非線性流水線，其預約表如題28表：

題28表

時鐘

時鐘 段號t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分別寫出延遲禁止表F，沖突向量C，并畫出沖突向量的狀態轉移圖；

(2)寫出其流水線的調度方案及此時的吞吐率。

29.有一個虛擬存儲器，主存有4個實頁，頁號為0~3，程序有8個虛頁，頁號為0~7，采用全相聯映像和FIFO替換算法。給出如下程序頁地址流：2、3、5、2、4、0、1、2、4、6。

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關鍵詞:精品課程;教學模式;創新教育

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

精品課程建設是教育部啟動的“高等學校教學質量與教學改革工程”中的一項重要內容,是提高教學質量進而提高人才培養質量的奠基性工作。我校2008年開始啟動“校級精品課程建設計劃”,我院的“計算機系統結構”課程被評為首屆校級精品課程。下面就課程定位、教學體系建設、知識模塊、教學模式、相關教學研究等方面介紹對該課程建設的探索與實踐。

1課程的基本定位和教學目標

在計算機專業人才需求越來越多的情況下,北京市對計算機硬件相關的技術人員也加大了需求量,在這樣的形勢下,我們建立了新的計算機硬件課程體系,對“計算機系統結構”課程的定位也越來越明確。我校的計算機專業主要為北京市培養計算機應用型人才,學生的就業取向大多數是北京市的高新技術企業。因此,我們從教學計劃、教學大綱、教學平臺、實驗設計平臺和工具等方面均做了改革和調整,以適應形勢發展的需要。具體措施為:

(1) 通過“數字邏輯”解決數字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過“數字系統設計”等課程讓學生掌握現代的數字系統設計平臺和工具(EDA、FPGA等),以及簡單電子部件的設計技術;

(3) 通過“計算機組成原理”解決計算機的基本組成原理與技術問題;

(4) 通過“計算機接口技術”、“高檔微機系統”課程使學生掌握微機應用系統設計和調試基本概念和方法,提高學生工程素質和設計、技術創新等方面的基本知識。

“計算機系統結構”課程的教學目標是使學生在計算機應用系統和分析設計中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統的性能價格比方面的知識;“嵌入式系統”等系列課程,讓學生在“嵌入式系統”、“微機系統及接口”等面向應用的專業方向上進行學習和實踐。

在“計算機系統結構”的教學中,以提高計算機的性能價格比為重點,輔以計算機系統結構發展中的新技術,如流水線技術、并行技術等,最終的目標是提高學生從總體結構、系統分析這一層次來研究和分析計算機系統的能力,幫助學生建立整機系統的概念;使學生掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對計算機系統結構的發展現狀有所了解。本課程強調培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統地分析和解決問題的能力,強調培養學生的創新思維和創新能力。

2知識模塊順序

本課程在建設中注重知識更新、創新教育,在2008年5月我校正式獲得批準成為《英特爾“多核技術課程”大學計劃》合作伙伴,成立了“北京工業大學――Intel多核技術實驗室”,并得到Intel公司的多核服務器及相關軟件的捐贈,在此基礎上,本課程在授課過程中增加了多核技術的內容,使學生在課堂上能接觸到更多的新知識。具體知識模塊順序如下:

(1) 計算機系統結構的基礎知識:計算機系統結構的基礎知識以及與計算機組成、計算機實現之間的關系,并對計算機系統結構未來的發展做相應的介紹。

(2) 指令系統:計算機指令系統的設計是計算機系統結構設計的核心問題,從系統結構的角度介紹指令系統及與之相關的數據表示和尋址技術等。

(3) 存儲系統:計算機系統結構設計中的關鍵問題之一是如何以合理的價格、設計容量和速度滿足計算機系統要求的存儲器系統。本模塊從存儲層次出發,介紹多級存儲體系及各級存儲器。

(4) 流水線處理技術:本章主要介紹流水線技術的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機中的應用。

(5) 并行處理技術:并行處理技術的發展及應用,互連網絡的基本概念、幾種典型的互連網結構和消息傳遞機制。

(6) 多處理機及新型計算機系統結構:多處理機模型和基本結構,多處理機結構、性能和實例,介紹數據流機、歸約機和智能計算機等的工作原理、結構、特點等。

(7) 多核技術:多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實踐相結合的教學體系

本課程在近幾年的建設中,針對原課程計劃中沒有實驗的缺陷,通過加強對國內外大學該課程進行調查和研究,建立了本課程的實驗體系。通過兩部分的實驗來加強學生對計算機流水線技術的理解。具體實驗內容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎上,通過使用WinDLX模擬器對流水線處理和指令調度進行測試,加深對數據相關、資源相關的理解,了解這兩類相關對CPU性能的影響以及如何用定向技術來解決。

(2) 設計四個流水線功能段的設計與實現的實驗,包括取指、譯碼、執行、寫回階段,分析并設計流水線CPU各功能段的基本硬件結構,并用Verilog HDL硬件描述語言加以實現,進行實驗結果分析,最后提交規范的實驗報告。隨著實驗的不斷完善,未來將增加多核方面的實驗。實驗體系的改革使本課程的教學過程更加完整,學生能夠從實驗中加深對計算機系統結構領域的技術的理解,使抽象的內容變得具體化。

本課程的實驗為8學時,具體實驗內容如表1所示:

由于學時的限制,上述實驗中1、2為必選題目,3～6可以任選一個。

4啟發式教學模式的建立

新教學模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創新型的教學模式:啟發式課堂講授、主題討論、自主學習三種方式的結合。啟發式教育的核心就是要培養學生獨立思考和創新思維。在課堂中,每章節均設置相關的思考題和與前沿技術有關的研究性專題,鼓勵學生自主查閱資料,提出問題,增強師生互動。在此過程中,突出自主學習和研究性學習,全面提高學生的思維能力、解決問題的能力以及創新能力。教學過程模型如圖1所示:

在上述基礎上,還采用了課堂授課與網絡學習相結合的方式,將多種現代教學媒體與自主開發的多媒體課件、課程教學網站優化組合,構建課堂授課與網絡學習的多媒體網絡教學環境。“計算機系統結構”教學網站為學生提供了豐富的教學資源和良好的交流平臺,如提供教學大綱、教學內容、教學團隊、教學錄像、教學課件、參考教材、習題與作業、自測題等資源;網站除了為課程提供基本的信息外,強調教師與學生的互動交流,教師可以針對核心問題設置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,公告,設置論壇風格等;學生可以針對某個問題發帖討論,站內搜索,收藏帖子等;論壇的數據庫進行定期自動備份(如一天一備份),同時可以以一周或幾天為單位,自動刪除前一周或幾天的數據庫備份文件,達到既維護數據又不使備份數據過大的目的,滿足論壇的持續性和擴展性的要求。

5結語

隨著精品課程建設的不斷推進,課程組的教師在教材建設、教學研究方面都取得了優秀的成果,目前由課程組合著的《計算機組成原理與匯編語言》、《高檔微機原理與技術》等教材均已在清華大學出版社出版,并列入國家“十一五”規劃教材;《計算機系統結構》一書也于2009年在清華大學出版社出版。由課程組的老師主持的三項教育教學項目現已通過學校中期驗收,相關老師也在該課程的教學改革中不斷提出新的思路,力爭在不斷的建設中使該課程達到北京市精品課程的標準。

參考文獻:

[1] 毛國君,方娟. 計算機系統結構課程群的“1+2+3”模式及其應用[J]. 中國大學教學,2008(3):40-42.

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［關鍵詞］計算機組成；農林院校；教學；實驗

0引言

我校在創建世界一流農業大學的進程中，積極營造交流、開放式、國際化辦學的教學氛圍，開展深度科研協作，努力實現“產學研緊密結合的世界一流農業大學”。我校自20世紀70年代末開設計算機應用課程以來，曾先后多次調整教學內容，以適應時展的需要。正是在此背景下，在當前信息技術飛速發展的今天，如何開展高等農林院校“計算機組成與系統結構”課程教學，如何改革課程的理論教學、實驗教學及課程授課令人深思。

1課程現狀

“計算機組成與系統結構”（簡稱計算機組原）是我校計算機科學與技術、信息管理與信息系統、電子商務和軟件工程專業的核心基礎課。該門課程呈現出學生難學、教師難教的現象，其原因在于該課程理論性強，概念和知識點繁、雜、抽象。為使學生具備扎實的基礎理論和良好的動手實踐能力，作者自2006年春開始講授本門課程，結合多年的教學、教改實踐，從以下幾方面對該課程的教學進行了一些嘗試性探索。

2教學優化過程及實踐

2．1優化教學內容，突出重點、難點，補充科技前沿知識由于該課程具有概念繁雜和內容抽象的特點，且每節內容都可擴展開獨自形成完整的知識體系，在有限的教學時間內不可能對計算機系統的五大部件和實現技術都進行詳細講解，為此學院及系部每年組織各類教研活動，如集體備課，集體討論教學大綱，研討教材重點、難點和疑點，確定實踐環節；組織教師之間互相聽課，取長補短；新任教師試講等。2．2強化實驗教學設計，提高動手實踐能力實驗教學是本課程的重要實踐環節，是抽象理論的科學驗證，有助于提升學生對理論的認知，可激發學生的學習興趣。我校采用清華大學教學實驗機TEC－XP，以驗證性實驗為主，在實驗過程中增加附加的設計型教學實驗任務。在授課過程中講解實驗機中的設計思想，讓學生清楚了解硬件的連接及程序的實現過程，在實驗過程中，通過實驗內容逐級深入的方法，使教學試驗機的設計思想逐漸滲透，最終實現教學目標。2．3因材施教，運用靈活多變的教學方法及手段為使課堂授課豐富愉悅、內容飽滿活潑，為使學生能盡快融會貫通，這就必須對教學內容進行精心設計，多種教學方法相結合并貫穿授課始終。作者結合多年的教學經驗總結，極大地提高了學生學習興趣，極大地提升了教學質量。2．3．1培養學生學習興趣的互動式板書與PPT教學手段結合教材內容，充分運用現代網絡技術，利用圖片、動畫、視頻等多媒體素材設計PPT，幫助學生理解枯燥的計算機組成原理概念，提高學習效果。如第一章計算機系統概論中講授計算機執行ax2＋bx＋c，以學生熟悉的C語言知識，板書介紹非常重要的地址概念，引導學生熟悉用戶程序存放的內存單元地址、自定義變量地址，PPT動畫展示運算器的加、乘運算的基本過程。2．3．2客觀真實的案例教學法對感性認識不強的計算機組成概念，使用案例教學法可幫助學生消除對計算機的神秘感。如在講解多體（存儲器）交叉存儲系統時，通過下述案例，以科技文獻及圖片素材讓學生逐漸了解并掌握大型機（或巨型機）中多體交叉的知識點，有助于后續Cache命令率的學習。2．3．3科學地利用教師的主導作用，運用生活化、形象化的類比教學法作為專職專業課教師，任何時候都可通過課堂中的點滴小事與學生交流，詢問他們是否已理解了授課內容和難點、重點知識。作為授課中“人類靈魂的工程師”，真誠關注、鼓勵、教育學生注重專業修養，提高綜合素質。為避免學生“知其然，不知其所以然”，避免死記硬背，結合日常生活中的實例，采用類比教學法，形象生動、由淺入深地讓學生理解計算機中艱澀的概念，最后達到深入淺出的教學效果。如存儲器，猶如倉庫，計算機中用于存放指令和數據；“按地址尋訪”，是指計算機根據地址尋找內存單元和IO部件，地址的概念正如現實生活中區別某人的身份證號碼，或現實中的座機號碼，或計算機網絡中的IP地址。總線中的異步串行通信猶如食堂排隊買飯、火車站排隊買票等，逐比特的傳輸；應答信號如通信雙方握手一樣，成對出現。Cache與主存地址映射過程是本課程的難點和重點，將Cache與主存的地址映射比作火車座位的對應機制，有助于學生對Cache地址映射的理解。講解尋址方式時，以去宿舍找學生作類比，若已知學生的具體宿舍號，則為直接尋址；若詢問宿管辦阿姨，則為寄存器間接尋址。介紹運算器的功能時，指出運算器只做一件事，即算術邏輯運算，其余均不參與；控制器的功能就是大總管，控制并管理計算機所有的行為和操作等等。2．3．4強化重點，當堂消化難點，采用專項典型習題講解法我校采用的教材是由唐朔飛老師主編的國家“十一五”規劃教材《計算機組成原理》（第2版）。由于該課程具有很強的理論性以及學生考研的需求，通過對大綱的重點難點知識第四章CPU與存儲器的連接、高速緩沖存儲器，第六章計算機的運算方法及第十章CU的設計的典型例題、習題進行講解，能有效鞏固、加強學生對所學知識的理解。同時，預留少且精的課后題，以再次加深對知識點的理解，培養學生的思維能力。

3鼓勵個性化發展，完善考核方式

課程考核是教學過程的重要組成部分，是實現教學目標和檢測學生學習成果的一種手段，貫穿授課及實驗過程的始終。本門課程考核的主要內容是學生對整機的基本組成及工作原理的理解程度，以及對基本概念、基本知識的掌握程度。經過多年的教學經驗總結，課程考核基本由以下三部分組成。（1）隨堂測驗（占總成績的10％）。為了督促和鼓勵學生對課程的學習，在重點章節后進行隨堂測試，主要考核學生對重點難點內容的理解及掌握情況，隨時發現學生在學習過程中存在的各類問題，及時調整教學方向。（2）驗證實驗及設計型實驗（占總成績的20％）。規范實驗教學，嚴格考勤制度，采用單人單機的形式，主要看重實驗過程、實驗結果，輕實驗報告成績。對學生的實驗驗證報告、設計型實驗的完成狀態以實驗截圖的形式提交，實驗完成后當場驗收并給出驗收成績。在所有實驗完成后，提交相關代碼及實驗文檔，并給出實驗報告成績。實驗成績由三部分構成：驗收成績占50％，報告成績占30％，實驗考勤占20％。（3）期末考試（占總成績的70％）。該課程一直沿用閉卷理論考試；課程全部結束后，進行期末考試，全面考核學生對基礎理論、基本原理的掌握程度與分析水平。

4總結

鑒于我校地處西北及正處于“創建世界一流農業大學”戰略時期，以及計算機組成與系統結構課程的特殊性、重要性，這就決定了該課程的教學改革與實踐是一項大工程，需要從理論授課、實驗驗證、課程考核等多方面同時進行教學優化，以上整個教學過程優化的思考與實踐，已取得了較好的效果。作為高等農業院校，我院的本科畢業生受到了國內知名IT公司的好評和青睞，在華為、阿里巴巴、百度、迅雷、網易、美團網、去哪網等公司就業，不少已是部門負責人，連續四年一次性就業率達98％，年薪10萬元以上的畢業生每年在12人次以上。雖然取得了一些成績，但距離世界一流農業大學的創新型人才培養還有一些距離。“計算機組成與系統結構”的課程教學優化需要做的工作還有很多，各種教學方法、教學手段也并不是一成不變的。隨著網絡技術、信息技術的不斷發展，專業教師只有不斷進行學習、更新、優化、探索、總結，才能持續有效地提高教學效果、教學質量，持續有效地滿足新時代下學生不斷增長的求知需求。

作者:黃鋁文 陳 勇 李書琴 張志勇 單位:西北農林科技大學

參考文獻:

［1］陳仁甫，鄧名萬．IBM370系統結構及其發展［J］．計算機工程與應用，1985（5）：1－7．

［2］劉彬讓．研究型農業大學國際化辦學問題的思考———以西北農林科技大學為例［J］．高等農業教育，2013（6）：30－33．

［3］唐朔飛，劉旭東，王誠，包健，熊桂喜．“計算機組成原理”課程教學實施方案［J］．中國大學教學，2010（11）：42－45．

［4］王革，張景書，楊勝良．對產學研緊密結合辦學特色的認識與實踐［J］．中國高教研究，2005（1）：14－17．

［5］徐正春．CRAY－1計算機系統簡介［J］．電子計算機動態，1978（4）：19－33．

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關鍵詞:組成原理與系統結構;實踐教學;改革

中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號: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

計算機組成原理與系統結構是一門重要的核心專業課程,與之配套的實驗課也是一門重要的實踐課程。它有著邏輯性強、實踐性強、內容多難度大的特點。根據教學大綱的要求,通過該實踐課程,使學生對計算機系統的工作原理、內部之間的聯系、控制信號的作用等有深刻的理解,建立整機的概念,培養分析問題、解決問題和實際動手能力。

我系從1998年起,開設了計算機組成原理實驗,配置了TEC-2型實驗設備,2004年,將計算機組成原理與系統結構課程合并,并為之新增了DVCC系列實驗設備。通過幾年時間的實踐教學,現就提高計算機組成原理與系統結構實踐教學質量和學生的綜合技能做一些初步的探討。

新增DVCC系列為學生提供了創造性的設計平臺,板上擴展了在系統可編程大規模電路CPLD器件ISP1032E。它的全部引腳對外開放,學生可采用VHDL或ABLE等設計控制邏輯,且在PC機上有相應的可視化的監控軟件,PC機由原來的仿真終端變成了監測和控制部件,是一種軟硬結合的實驗方式。鑒于現有設備特點,我們精心設計了實驗內容。本實驗課程的主要教學方式分為驗證型、設計型和綜合型。其中設計、驗證型有運算器實驗、存儲器實驗、FIFO先進先出實驗、總線控制實驗、硬部線控制器的實驗、乘法器實驗和微程序控制器實驗。綜合型實驗作為課程設計內容,如帶移位運算的模型機的設計與實現、復雜模型機的設計與實現、基于流水技術構成模型機實驗、擴展I/O的設計等。這樣,實驗體系就形成了運算器――存儲器――數據通路――微程序控制器――基本模型機――復雜模型機系統。

1 運算器必做選做并存

DVCC機運算器(74LS181)可實現8位或16位字長16種功能運算,TEC-2機運算器(AM2901)可實現16位字長8種功能運算,并可觀察C、Z、V、S等標志位的狀況態,據現有設備,在運算器實驗中選最基本的8位運算器開始,從怎樣加輸入控制信號入手,再逐步增加到各種寄存器,實現多種功能這是必做的內容。16位運算器實驗作為選做內容,經教師指導同意后可開始實驗。通過對比分析可知不論是8位機還是16位機,用什么器件組成的運算器、控制器都與數據通路有關,通路越簡單運算器本身越簡單。

2 存儲器實驗驗證與設計并行

存儲器實驗是對靜態隨機存儲器6264的讀寫驗證,即用控制信號開關給定存儲地址通過數據開關將數據存入,并讀出(原數據在LED上顯示),觀察數據是否一致。通過實驗使學生掌握RAM的工作特性及數據的讀寫方法,這是驗證性實驗內容。

TEC-2機主存儲器擴展,TEC-2機主存儲器由4KROM與2KRAM組成,通過未用的信號MCS3-MCS7作為內存擴展的片選信號,可采用6116RAM擴展4K內存將TEC-2系統內存擴展板與TEC-2主機相聯,通過對6116RAM讀寫信號、片選信號及主機AB15-AB11等的使用,掌握正確的主存擴展原理和方法,并進入TEC-2監控狀態讀寫8000H-87FFH地址段的數據,驗證其擴展電路正確性。

我們還增設了FIFO先進先出存儲器設計性的實驗項目。本實驗是通過對CPLD器件ISP1032E編程來實現一個簡單的8位×4位的FIFO。教師通過對CPLD原理、結構功能的講解,學生編寫程序,并將編譯文件(.JED)下載,運行控制實現。通過實驗使學生掌握在系統可編程芯片1032E的使用方法。當系統斷電時,6264RAM、6116RAM存儲信息丟失。通過“軟件化”來設計,形成“創新性”實驗,通過數據寫入方式不同,使學生擴展了存儲器的相關知識。

3 微程序控制器與硬布線控制器比較

微程序控制器實驗目的是使學生了解微程序控制器的設計思想和組成原理、掌握微程序控制器的使用方法,掌握微程序的編制、寫入、觀察微程序的運行。實現方法是:

1) 根據機器指令畫出對應的微程序流程圖;

2) 根據微程序流程圖設計微指令,并按微指令格式轉換成二進制代碼;

3) 通過對以下例子程序的寫入、讀出、單步運行與連續運行的調試,初步建立整機工作概念,為下一個模型機設計打下良好的基礎。例子程序如下:

助記符 機器指令碼說明

IN 0000 0000 ;"外部開關量輸入確"KD0～KD7的開關狀態R0

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

STA addr0010 0000 ×××××××× ; R0[addr]

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

JMP addr0100 0000 ×××××××× ; [addr]PC

硬布線控制器實驗是設計一個簡單的硬布線控制器,用開關置不同的指令,觸發時序,就可以實現不同的指令操作。如所設計的三條指令:

指令碼 操作說明

00 INPUT->DR1 將數據開關中的數送入暫存器DR1中,

INPUT->LED 并由LED數碼管來顯示

01 INPUT->DR2將數據開關中的數送入暫存器DR2中,

INPUT->LED 并由LED數碼管來顯示

10 DR1+DR2->LED將運算單元中DR1加DR2的運算結果送入LED數碼管來顯示

11 00->LED LED數碼管顯示為00

通過實驗更深入理解了硬布線控制器本質上就是一個組合電路,它將輸入邏輯信號轉換成一組輸出邏輯信號(控制信號),即根據指令系統的操作時間表用組合邏輯線路形成的微命令序列,是所有各部件需要的各種微操作信號。微程序控制器實驗中首先要設計微指令,微指令的設計是在硬件形成的基礎上,微指令的格式取決于硬件構成,如TEC-2機每條微指令長56位,DVCC機每條微指令長24位。

4 綜合性實驗中教師的引導作用

在整個綜合性實驗過程中,教師原則僅作啟發引導 ,以達到拋磚引玉之目的。鼓勵學生獨立思考 ,獨立分析故障 ,獨立解決出現的問題 ,利用所學到的各種技術手段進行調試 。

首先,教師要利用很少的時間,采取多媒體的教學手段,讓學生對這個實驗的目的、原理、步驟、調試過程、結果等有一個明確的認識。由于組成原理實驗儀上配有 CAI 軟件 ,通過CAI介紹實驗的儀器、實驗方法、實驗操作過程等 ,可以很清楚地看到規范的操作 ,詳細生動的解釋 ,使學生可以感受到實驗的全部過程 ,產生很烈的實驗欲望。然后學生開始進行硬件和軟件的設計,教師在輔導時,可以有以下幾點教學方法。

1) 保持良好的實驗精神:教師在這一過程中工作量是很大的,要按組驗收、提問,有的還需要幫助排除錯誤,所以教師需要具有較高的思想素質、專業功底,豐富的實踐經驗,有些學生在實驗首次失敗的情況下,會有挫折感、心浮氣躁、慌了手腳,而做實驗就必須靜心、踏實,這時教師要安撫他們的情緒,然后讓學生想辦法快速地排除故障。

2) 堅持以學生動手為主原則:若硬件無故障,又連線無誤的話,學生在調試過程中可通過實驗箱上的LED顯示燈觀察數據總線、地址總線數據的正確性,或在PC窗口上看到正確的動態的紅色的指令流和數據流,形象直觀,學生可對指令的執行過程一目了然,教師自己也感到很欣慰。但第一次實驗成功的學生是少數,在這種情況下,教師就要講究教學策略, 最大限度地調動學生的積極性和主觀能動性 ,適應學生的心理特點,要求學生可借助反復觀看CAI 軟件的理論講解和實驗演示,以幫助自己解決所遇到的問題,并且教師對一些共性的問題可集中講解。

如果在實驗的過程中遇到問題,教師可對實驗中一些共性的錯誤進行必要的提示,比如:在系統結構綜合性實驗中,單股線與排線連線有幾十根,教師要提醒學生單股線連接位置要正確,排線引腳的連接要對應,每根排線引腳的具體數目只要有細微的錯誤,就可能導致實驗失敗。此時教師要及時提醒學生,但不能動手替學生接線,要斷絕學生的依賴性。

3) 組織討論與總結:在設計過程中和設計完成時應當盡可能的組織學生參與討論和總結 ,這不僅可以使學生能力的培養更扎實 ,使更多的學生受益 ,也能夠培養他們的成就感和進行科學研究的能力。

如在學生實驗失敗又自己找不出原因的情況下,除了教師對學生要進行耐心引導,幫助分析失敗的原因外,還可以采取組織不同層次的相關學生進行討論的教學方式,例如在復雜模型機設計實驗中如何判斷硬件的故障還是軟件的故障從而找出失敗的原因,最簡單的方法是用基本模型機示例程序運行,示例程序能正常執行,就可以確定硬件沒有問題。如果是硬件故障,則應確定是芯片的問題還是連接線路的問題,同學之間可以相互檢查連接線路;若是軟件問題,則檢查所設計的程序,DVCC模型機有16條基本指令,要根據復雜模型機的硬件電路設計機器指令,再根據機器指令要求微程序流程圖及微程序,最后形成16進制文件,同學們也可一起仔細觀察指令的執行情況,確定哪一條指令或微指令的設計出錯。

在討論中,教師可就理論與實驗相關問題提問,體現設計性和啟發性,例如,如果復雜模型機設計實驗中增加一條指令,那這條指令應如何設計;對基礎一般的學生,則要求能說出本實驗中每條指令的執行過程,調試過程中遇到的問題是怎么解決的。通過這種討論教學,能使不同層次學生受益,既保證了教學質量,也對學生進行了鍛煉提高。

參考文獻:

[1] 任春明,劉軍.計算機組成原理實驗教學的思考與改進[J].實驗技術與管理,2006,23(10):110-111.

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關鍵詞：水電廠計算機監控系統；結構模式

中圖分類號：X924.3文獻標識碼： A 文章編號：

一、PC+PLC結構的控制系統

圖1

在水電廠計算機監控系統中，PC+PLC結構控制系統得到了較為廣泛地應用，它的技術也越發成熟，但是針對它本身賦有的特點以及功能就不在本闡述了。當前，PLC技術的發展速度越來越快，而這種發展速度是建立在此結構模式技術的改革上而實現的。在這種控制方案中，Windows NT可以作為系統軟件的平臺，而IO板卡和IO接線端子板是通用的，主要負責與工業控制現場溝通和聯系，所采集出來的輸入信號通過Soft PLC運行系統進行處理，在Soft PLC運行系統的前提下，Soft PLC開發系統所編寫的控制應用程序被實施執行，最后將處理完成的信號輸出到本地控制現場，從而使相應的本地控制功能得以完成。

圖2

1.圖1中取消了硬PLC，它的硬件功能已經在圖2IPC的硬件得以最大化實現，相關的軟件功能也通過IPC上的軟件得以實現。

2.PLC技術的控制方案在現場總線技術中發揮著重要的作用，這樣的話，水電廠現場控制設備在更新和維護過程中就會更為方便快捷，同時對于智能化、數字式的儀器、儀表設備也能夠產生很好的作用，從而使控制現場出現更多的控制系統風險，對于分布式控制的實現也能夠發揮一定的作用。

除此之外，軟PLC技術還存在以下幾個優點：

1.產品在開發過程中的時間有所縮短，從而使編程、調試和維護更為方便。

2.通用性和兼容性都在產品中有所具備，那么即使IPC或者EPC不同，但是在運行中的Soft PLC也是相同的。

3.性價比高,由于Soft PLC共享IPC或EPC上的硬件和軟件資源,從而使Soft PLC的生產成本和運行成本較低。而Hard PLC本身由CPU、Memory、Power和I/O Port等組成,其開發和生產周期長,生產成本和使用成本高,從而導致了Hard PLC價格昂貴。

值得注意的是,采用軟PLC技術并不影響硬PLC在水電廠自動化中的應用。軟PLC技術的出現對硬PLC技術是一個挑戰,特別是當軟PLC技術和現場總線技術結合在一起應用在工業控制現場或其他自動化領域時,則會體現出更強的控制能力和適用性。無論軟PLC是部分變革了硬PLC,還是完全變革了硬PLC,都無疑將給傳統的水電廠現地控制單元結構和功能帶來變革。由于軟PLC技術是一門新興的技術,就目前而言,它的應用并未為大多數技術人員所掌握,在國內對它的應用還只是剛剛起步,處于探討和應用可行性論證的階段。

例如，湖北隔河巖水電廠目前的4臺機監控系統改造項目,由電力自動化研究院和中國水利水電科學研究院合作,在這個項目中,他們將采取軟PLC技術,采用的產品是法國的Schneider Automation公司的Concept V2.1。

二、分布式控制系統(DCS)

分布式計算機控制系統又名集散型計算機控制系統,簡稱分布式控制系統(Distributed Control System,即DCS)。分布式控制系統綜合了計算機技術、控制技術、通信技術和CRT技術,集中了連續控制、批量控制、邏輯順序控制、數據采集等功能。先進的分散型控制系統將以計算機集成制造系統(CIMS)為目標,以新的控制方法、現場總線智能化儀表、專家系統、局域網絡等技術,為用戶實現過程控制自動化與信息管理自動化相結合的管控一體化的綜合集成系統。分布式控制系統采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設計原則,系統的安全可靠性、通用靈活性、最優控制性能和綜合管理能力,為工業過程的計算機控制開創了新方法。分布式控制系統的控制結構。

法國西蓋萊克(CEGELEC)公司開發的Alspa8000-P320分布式控制系統具有水電站和變電站所需要的各種控制和數據處理功能,為電站自動化和管理提供了全面的解決方案。另外,閘門的控制系統也較常采用分布式控制,而且通常是和現場總線技術結合在一起應用。

三、現場總線控制系統

現場總線導致了傳統控制系統結構的變革,形成了新型的網絡集成式全分布控制系統——現場總線控制系統FCS (Field bus Control System),它是繼電動單元組合模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統DCS后的新一代控制系統。現場總線控制系統既是一個開放的通信網絡,又是一種全分布控制系統。它作為智能設備的聯系紐帶,把掛接在總線上、作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統,并進一步構成自動化系統,實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及管控一體化的綜合自動化功能。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡為主要內容的綜合技術。

現場總線控制系統在技術上有以下優點: a.系統結構清晰、簡單,提高了系統的可靠性及可維護性; b.系統實現了負載和風險的完全分散,能夠實現徹底地分布式控制。

現場總線控制系統還具有下述特點: a.系統的開放性非常好,現場設備具有互可操作性與互用性; b.系統的現場設備采用智能化、數字式設備,具有功能自治性; c.系統對控制現場的適應性較強; d.系統安裝、維護容易; e.用戶具有高度的系統集成主動權。

參考資料：

1.秦小元;水電廠計算機監控系統設計與實現[D];重慶大學;2006年

2.申宏;梯級電站閘門群遠程監控系統的應用研究[D];西安理工大學;2007年

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[關鍵詞] 計算機管理系統關鍵技術結構體系

計算機管理系統主要應用于各類計算機商務領域和計算機實驗室（包括網吧），實現計算機管理的信息化和網絡化，為此系統的開發必須遵循安全可靠、穩定、維護性好等原則，以便于系統既能滿足目前的需要，又能適應將來擴展的需要。

一、系統設計關鍵技術分析

為了使系統能很好地滿足計算機實驗室管理的需要，根據調查和分析，系統的設計和研發必須考慮以下關鍵問題。

1.安全性

計算機實驗室管理系統不同于一般的管理系統，它是集信息管理、網絡控制和財務管理于一體的綜合性管理系統，其中安全性要求最高的還是財務管理方面。為了提高實驗室的利用效率，為使用者提供優質學習平臺，各個計算機實驗室都會在業余時間對外開放，所以在設計機房管理系統時，我們把安全性作為首要考慮因素。

系統的安全性包括系統本身的安全和數據的安全。系統必須既能夠防止惡意的攻擊，又能防止因誤操作引起的數據錯誤。系統安全主要包括以下幾個方面：

(1)如何防止使用者繞過客戶端的登錄界面。因為使用者一旦繞過登錄界面，就會造成管理失控現象的發生，這樣就不能有效地對使用者進行正常的控制和管理，整個系統形同虛設。

(2)如何防止使用者正常登錄以后拔掉網線。若登錄后再拔掉網線，則客戶端和服務器的信息交流就會中斷，管理人員同樣不能對使用者進行管理，造成和繞過登錄界面同樣的后果。

(3)如何防止對系統的惡意攻擊。如果服務器在實驗過程中遭到惡意攻擊，造成服務器數據的丟失或系統的癱瘓，就會給實驗帶來災難性后果，直接影響到正常的實驗課上課工作，造成教學事故。

(4)網絡傳輸中數據的安全。由于對計算機和使用者的管理都是通過網絡來進行的，所以網絡中數據傳輸的安全就顯得非常重要。一旦網絡中的數據被截或被修改，則整個系統的功能就會紊亂，嚴重的會造成系統的癱瘓，帶來的后果不可預測。

(5)數據庫的安全。數據庫中記錄著整個系統正常運行時的所有數據，包括使用者的收費信息、上機記錄、機房中每臺計算機的信息、使用者和管理員的信息等。這些信息都是系統正常運行的保證。因此必須要保證這些信息的絕對安全。

2.系統速度

系統速度主要包括使用者登錄的速度、控制消息傳輸的速度、使用者用機的上網速度以及服務器對各種消息的響應速度。系統速度的快慢對系統的性能有很大的影響。如果使用了計算機實驗室管理系統后，造成使用者上機速度緩慢或控制信息響應很慢，則系統就失去了它的實用意義。

3.網絡延時

計算機實驗室管理系統中管理人員對機房的管理是通過遠程控制來實現的。遠程控制就是將被控制對象與控制器在地理位置上進行分離，采用一定的通信手段，來實現控制信息和反饋信息的傳輸。計算機實驗室管理系統是基于Internet的遠程控制系統，而Internet的設計初衷是為了滿足資源共享，注重信息傳遞的準確性和傳送的信息量，而非信息傳遞的實時性，因此不能保證遠程控制系統中運動信息的實時傳遞。實驗表明，在信息傳遞的過程中將產生較大的延時和一定的延時不確定性。這種情況很容易造成控制信息和數據的丟失，對網絡安全和系統速度都有很大的影響，并嚴重影響基于Internet遠程控制的性能。因此網絡延時也是系統設計時不能忽略的一個重要因素。

4.合理設計數據庫

系統開發時主要涉及兩大問題：網絡和數據庫。而數據庫是所有信息保存的場所，它的設計是否合理直接影響到系統軟件的質量，影響到軟件對數據訪問的速度。建立數據庫需要考慮以下幾個問題：

(1)數據的一致性。由應用程序產生工作編碼，要保證不同工作任務具有不同編碼，工作編碼具有惟一性。

(2)合理冗余。如果數據冗余低，數據的完整性容易得到保證，但增加了表間連接查詢的操作，為了提高系統的響應時間，合理的數據冗余是必要的。

(3)合理選擇數據的類型。數據類型的合理選擇對于數據庫的性能和操作具有很大的影響，因為不同的數據類型所占用的存儲空間、運算速度都不一樣，所以對數據類型的選擇是否合理對程序性能的優劣有很大影響。

(4)數據規范化存儲。規范化的數據存儲不但有利于我們養成良好的數據庫設計習慣，提高程序的質量，而且對日后的數據庫維護也有很大的益處。

5.進程同步

保證數據能夠被正確使用。系統客戶端登陸到服務器時，必須使用進程同步技術保證登錄數據能被服務器正確驗證。

6.合理運用新技術

圖1C/S模式

在開發軟件過程中，如何合理運用新技術應該遵循以下三個原則:

(1)創新原則，體現先進性；

(2)經濟原則，體現實用性；

(3)前瞻性原則，體現發展性。

二、C/S （Client/Server）體系結構

C/S模型可分為傳統的C/S結構和三層C/S的結構。傳統的C/S結構就是兩層的C/S結構，它的基本思想是把集中在一起的應用劃分成功能不同的兩個部分，分別在不同的計算機上運行，通過它們的分工合作來實現一個完整的功能。在這兩部分中，一個為服務器程序，用來響應和提供固定的服務；另一個為客戶機程序，用來向服務器提出請求和要求某種服務。在系統中，服務器端運行的是服務器程序，而其他的運行的是客戶機程序如圖1所示。

三層的C/S結構，又稱多層分布式應用系統，如圖2所示。就是在客戶層和數據庫管理系統層之間添加一個中間層（應用程序服務器），該中間層負責完成C/S模式下的各種業務規則數據的處理任務。客戶端的應用程序只需要向應用程序服務器發送簡單命令，來提交用戶的需求。增加中間層后，系統的性能得到了很大的提高。

圖2三層C/S結構

系統的結構類似于三層的C/S結構，其中的服務器模塊對管理客戶端模塊而言具有中間層的作用。

C/S模型具有以下特點：

首先，性能強，在C/S模式中，客戶端有一套完整的應用程序，在出錯提示、在線幫助等方面都有強大的功能，并可以在子程序間切換；

其次，具有強壯的數據操縱和事務處理能力；

再次，具有嚴密的數據安全性和完整性約束，提供了更安全的存取模式；

然后，降低網絡的通信量；

最后，在內部局域網小范圍內可以實現高速控制。

三、計算機商務系統和實驗室管理系統的總體結構

經反復研究和論證，結合機房管理的實際情況，將計算機實驗室管理系統分為4個模塊較為合適，各模塊之間的結構采取C/S模型。各模塊分別是：服務器模塊、使用者客戶端模塊、售票客戶端模塊和管理客戶端模塊。

1.服務器模塊

圖3機房管理系統服務器端功能結構圖

對各客戶端發來的信息進行響應，并通過對客戶端信息的分析，來進行各種事務處理。服務器具有直接訪問數據庫的功能，各種客戶端對數據庫的訪問都是經過服務器來完成的。超級用戶也可以通過對服務器的操作來完成對各種客戶端的控制。服務器端功能結構框圖如圖3所示。

2.使用者客戶端模塊

完成使用者登錄信息的驗證，使得使用者必須通過信息驗證才能正常使用計算機。此外它具有使用者密碼更改、余額查詢、游戲控制等功能，并定時向服務器發送在線確認信息，如圖4所示。

圖4機房管理系統使用者端功能結構圖

3.售票客戶端模塊

完成售票員登錄信息的驗證、將使用者購買機票的信息傳送到服務器中，此外還具有售票員和使用者密碼的更改、機時比率的設置與更改等功能如圖5所示：

圖5機房管理系統售票端功能結構圖

4.系統的C/S結構

圖6機房管理系統管理員端功能結構圖

5.管理客戶端模塊

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關鍵詞:計算機組成;計算機系統結構;課程群建設;教學改革

隨著多核/眾核處理器以及可重構計算技術的出現,計算機體系結構技術面臨重大改變,給相關課程的教學提出了新的問題和新的挑戰。如何在教學內容中體現技術的發展?如何利用FPGA技術提升實驗水平?如何統一規劃相關課程的教學?特別是在不久的將來,計算機體系結構可能發生重大變革的情況下,如何為那些將要在新型體系架構下從事計算機科學和技術研究和開發的學生打下良好的專業基礎?這些都是我們近年來一直考慮的問題。帶著這些問題,我們跟蹤了美國幾個一流大學近幾年來相關課程的教學內容及實驗方法。對照國際一流大學的先進做法,結合我校計算機人才的培養目標,我們提出了“計算機組成與體系結構”課程群建設思路,并根據實際情況對相關課程進行了教學改革實踐。

1國外一流大學相關課程教學情況

通過對UC Berkeley、Stanford和MIT等多個美國一流大學在相關課程方面教學情況[1-5]的跟蹤,我們發現,這些大學對相關課程教學都進行了調整,通過開設新課程或調整相關課程教學內容加入了多核/多線程處理器的相關內容,特別強調學生對HDL、FPGA、SOC、并行體系結構、并行程序設計等技術的掌握。這些大學在相關課程教學內容和實驗內容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水線CPU設計技術和存儲器層次化結構為核心內容,教學理念和教學思路也非常相似,都是站在計算機系統的高度闡述計算機硬件系統的結構和設計思想,強調軟件與硬件的關聯,使學生能很好地在高級語言程序、匯編語言程序、機器指令代碼和硬件機器結構之間建立相互的對應轉換關系,以建立對計算機系統的整體認識。

圖1給出了美國UC Berkeley大學2009年相關課程的設置概況,圖中箭頭反映課程開設先后關系。

圖1UC Berkeley大學相關課程設置[2]

CS61C(Machine Structure)主要包括C語言程序設計、指令流水線和存儲器層次結構等方面的基礎內容,以“C語言MIPS匯編MIPS目標代碼MIPS處理器設計”為主線組織內容,以“高級語言程序設計”實驗和“模擬器”實驗為手段,使學生建立單處理器計算機系統的整機概念。

CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介紹數字邏輯電路基礎知識和EDA設計技術,2009年以前的實驗主要是在FPGA開發板上進行視頻解碼及播放電路設計開發,從2009年開始改為“流水線CPU設計”,要求學生采用流水線方式設計實現16條MIPS指令,以串行接口方式從PC上裝入程序到FPGA開發板,并通過PC調試程序,最終通過VGA接口,將FPGA板連接到一個顯示器上,在該顯示器上顯示由所設計的CPU執行的一個游戲程序的執行結果,如圖2所示。

圖2UC Berkeley大學CS150課程綜合實驗內容[3]

CS 152(Computer Architecture & Engineering)著重介紹多處理器并行計算機體系結構,包括多核/眾核處理器、多處理器計算機系統以及各類并行處理機制等。

CS194為新開設的本科生課程,是一門基于FPGA的以計算機系統結構實驗為主的課程。在開設新課程的同時,該校還對相關課程內容進行了調整,從2009年開始,將CS152中基于FPGA的流水線CPU設計實驗移到了CS150課程中,把原來研究生課程CS252中的很多內容移到了CS152。

由此可見,在這類課程的教學中,UC Berkeley近兩年有一個明顯變化,就是在保留傳統課程內容的同時加強了基于FPGA的硬件設計能力的培養。此外,在本科教學中加深了并行體系結構方面的教學內容,而且教學內容的調整是在對相關幾門課的統籌規劃下進行的。

2課程群建設思想

隨著多核/眾核處理器技術的出現,我們意識到,必須對計算機組成與體系結構方面的教學內容進行調整。我們首先對本系開設的所有課程的教學內容進行了梳理。結果發現,由于課程間缺乏統一規劃和協調,教學存在內容大量重復或缺失、課堂教學和實驗內容不匹配、課程之間內容脫節等問題。有必要將相關課程組成一個課程群,以便在一個完整的框架體系下統一規劃、相互協調,構建科學合理的計算機組織與體系結構相關課程教學體系。為此,從2007年開始,我們提出并實施了“計算機組成與體系結構”課程群建設方案。

2.1課程群教學目標

根據本課程群在計算機系統中的重要位置,結合我系的生源情況和培養目標,我們提出課程群的基本教學目標為:提高學生對計算機系統的全面認識水平和系統設計能力,建立計算機整機概念,全面理解計算機系統的層次結構。具體包括以下幾個方面:了解計算機指令集體系結構的設計原則和設計原理;具備使用HDL進行計算機硬件設計的基本能力;深刻理解OS和硬件之間的分工和銜接關系;掌握從硬件角度出發進行編譯優化的基本技術;深刻理解從硬件角度出發編制高效程序的基本原理;提高利用硬件知識進行程序調試的能力。

2.2課程群建設思路

課程群建設的總體思路為:1)根據課程群建設總體目標,規劃好課程群涵蓋的知識結構和框架體系,合理定位各門課程的教學目標,把每個知識點落實到具體課程中。2)根據課程群知識點總體框架,擬定課程之間知識點銜接方案,并在教學過程中明確各知識點在不同課程之間的關系。3)根據規劃分頭編寫或修訂教材及教案,并在統一的框架下建設相關課程網站。4)在保留各課程獨立實驗平臺的同時,構建一個課程群公共實驗平臺,并使各課程實驗內容按照一定的關系有機聯系起來。

3課程群教學改革實踐

我們首先對現有課程進行了調整。將原先模擬電子技術部分內容合并到數字邏輯電路設計中,形成數字邏輯與數字系統課程;將原先的計算機組成原理和計算機系統結構內容合并,形成計算機組織與系統結構課程;同時建設一門新課高級并行體系結構。通過對相關課程的調整,我們構建了以“計算機組織與系統結構”為核心的課程群,如圖3所示。

圖中箭頭表示課程前后關系,其中計算機系統概論、數字邏輯和數字系統、計算機組織與系統結構為必修課;微機原理與接口技術、嵌入式系統原理、高級并行體系結構為選修課。此外,為了加強對學生FPGA、EDA、數字系統和流水線CPU等方面設計和實踐能力的培養,課程群教學規劃中專門設置了數字邏輯電路設計和計算機組成原理必修實驗課。

3.1各課程在課程群教學中的定位

圍繞課程群教學目標,根據課程之間的相互關系,我們確立了各課程在課程群教學目標中的定位:1)計算機系統概論從宏觀上介紹計算機系統涉及到的各個層次的內容,讓學生從整體上了解計算機系統的全貌和相關知識體系。2)數字邏輯與數字系統圍繞組合邏輯設計和時序邏輯設計兩大核心內容,在邏輯門到功能部件這兩個層次展開。以后續課程中用到的功能部件作為設計實例,采用“實例化”教學思路組織教學內容。3)計算機組織與系統結構從寄存器傳送級以上層次介紹單處理器計算機系統設計的基本原理,實驗重點在CPU設計和存儲器方面。該課程處于課程群中核心地位,一方面,先行課程中學生感到似是而非的問題在此要明確;另一方面,需要運用先行課程的基本功能部件構建更大規模和更強功能的部件;此外,本課程中提出的設計原則和實現原理要在后繼課程的計算機系統實例中得到體現。4)微機原理與接口技術定位為計算機組織與系統結構的基本原理在PC上的實例化教學課程,主要以目前流行的基于IA-32體系結構的PC為實例,實驗重點內容在PC的I/O接口技術。5)嵌入式系統原理定位為計算機組織與系統結構的基本原理在嵌入式系統方面的實例化教學課程。實驗教學重點是基于ARM處理器和VxWorks及 COS-Ⅱ操作系統的簡單嵌入式軟件開發技術。6)高級并行體系結構主要在更高層次上介紹多核/眾核CPU、多處理機系統、集群系統等不同粒度和規模的多處理器并行計算機系統的工作原理、實現方式及其應用領域。

3.2各課程教學內容的關聯和銜接

課程群中的課程之間有很多關聯,必須合理處理好關聯內容,使課程之間能有機銜接。對于關聯內容,我們的主要處理思路如下:

1) 數據的表示。

對于進位計數制及其相互之間的轉換、ASCII碼

表示、邏輯數據表示、漢字編碼、無符號數表示、帶符號數表示,要求學生在計算機系統概論課程中掌握,而在后繼課程中作為“回顧”內容;各種BCD碼的介紹和相關電路設計內容在數字邏輯與數字系統中講解;補碼特性和浮點數的表示則在計算機組織與系統結構中詳細介紹。

2) 功能部件。

邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發器、寄存器、移位器、內存儲器的實現技術由數字邏輯和數字系統詳細介紹;計算機系統概論課程僅作概要性的功能說明和解釋;計算機組織與系統結構課程則運用這些基本電路來構建更大的功能部件。

3) 外存儲器。

有關磁盤信息的存儲、磁盤存儲器的構造、磁盤驅動器和磁盤控制器的接口、磁盤存儲器的性能指標等內容主要在計算機組織與系統結構中詳細介紹;計算機系統概論課程僅作概要性說明;微機原理和接口技術中不再講解。

4)I/O設備及其接口。

計算機系統概論課程從計算機硬件系統組成的角度簡單提一下常用的外部設備的功能;計算機組織與系統結構主要介紹各種外設抽象出來的一個通用結構,以及外設控制器的通用結構,并著重解釋清楚“外設―I/O接口(外設控制器)―I/O總線―主機”的連接關系;微機原理與接口技術則具體介紹PC機所用的一些接口電路、I/O總線及其互連。

5) 虛擬存儲器。

計算機組織與系統結構主要介紹虛擬存儲器的基本概念和MMU中涉及的地址變換、頁表和段表結構、快表,以及如何發現“缺頁”和發生“缺頁”時處理器中進行的一系列處理步驟;微機原理與接口技術具體介紹Pentium系列處理器對虛擬存儲器的支持,包括段選擇子、段描述符/描述符表、邏輯地址―線性地址―物理地址的轉換等。對于“缺頁”處理過程中涉及的問題,操作系統課程將會作詳細介紹。

3.3課程實驗內容的規劃和實施

課程群的實驗教學思路是,將各課程中相關實驗內容規劃在統一平臺上實現,使得實驗內容相互依托、避免重復,由低層逐步向高層過渡,最終使學生全面建立計算機系統的整機概念。

統一實驗平臺是Altera DE2/70開發板,其上擁有70000個邏輯單元的Cyclone® II 系列2C70型FPGA 芯片,并配有軟核處理器NiosII和相應的開發軟件:Quartus II、SOPC Builder、NiosII IDE、DSP Builder等,可以開展以下五個層次的實驗:功能部件CPU+存儲器軟核處理器+存儲器+總線+I/O軟核處理器系統+OS軟核處理器系統+OS+多媒體編碼等應用。

在Altera DE2/70統一實驗平臺上開展的實驗主要有以下幾個方面:

1) 數字邏輯電路實驗。

利用Quartus II實現基于HDL和FPGA的組合電路、時序電路和簡單數字系統設計實驗。

2) 計算機組成原理實驗。

利用Quartus II實現基于HDL和FPGA的ALU、寄存器組、桶型移位器、乘/除法器,單周期CPU、多周期CPU和流水線CPU的設計實驗。

3) 微機原理與接口實驗。

基于軟核處理器和SOPC開展總線、存儲器和I/O接口實驗。例如,通過總線實現外設和SRAM相連;利用UART實現輪詢、中斷和DMA方式I/O。

4) 嵌入式系統原理實驗。

主要包括兩類實驗:(1)基于NiosII+μCOS操作系統的實驗,例如七段數碼管顯示實驗、小型GUI

移植實驗和文件系統讀寫實驗等;(2)基于NiosII IDE的簡單應用系統開發實驗,例如簡單C語言編程實驗、簡單DSP處理實驗等。

有些課程除了在以上統一實驗平臺上開展實驗以外,還要求完成其他實驗,如計算機組織與系統結構的編程實驗,微機原理與接口的匯編程序設計實驗,嵌入式系統原理的基于ARM處理器的實驗等。

4結語

經過近年來的課程群教學改革實踐,我校相關課程的教學內容在廣度和深度上都有提高;課程間知識點的銜接更加合理,減少了重復,彌補了缺失。通過統一規劃,課堂教學內容和實驗內容相得益彰;在對課程群統一的教學實驗平臺和統一實驗內容的規劃下,我們實現了各課程間實驗內容的有機銜接。

由于課程群的建設時間較短,需要開展的工作還有很多,今后幾年,我們主要在以下幾個方面繼續進行課程群教學改革實踐:編寫相關課程教材以開展課程群系列化教材建設;加強實驗教學內容,增加和完善各類模擬器實驗;開設計算機系統綜合設計實驗課程。

相信通過以上一系列的教學改革措施,一定會改變學生“喜軟怕硬”的心理。學生對計算機組織與體系結構方面知識的掌握水平和運用能力將會有較大提高,為后續課程的學習打下堅實基礎。

參考文獻:

[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)

篇9

關鍵詞：計算機體系結構；軟件模擬技術；發展；措施

隨著現代信息技術的飛速發展，計算機已經成為系統設計及信息處理的核心工具。體系結構軟件模擬技術對于計算機系統而言是必不可少的技術手段，通過體系結構軟件模擬技術能夠不但最大程度的降低系統設計的費用以及時間，而且也極大提高了設計效率和質量。計算機體系結構軟件模擬技術說白了就是通過現有的計算機應用軟件，對系統硬件在計算機系統結構中的使用情況以及性能進行模擬，由于計算機體系結構軟件模擬技術具有一定的技術優勢和成本優勢，因此，其目前已經成為計算機系統設計中必不可少的手段。在分析計算機體系結構軟件模擬技術研發過程中所遇到問題的同時，也提出了解決問題的有效策略。

一.計算機體系結構軟件模擬在研發中存在的問題

計算機體系結構軟件模擬技術m然具有一定的優勢，但也有一定的技術難題制約著其發展，例如計算機體系結構軟件模擬器的開發難度大、軟件模擬器的處理精度較差等。

（一）計算機體系結構軟件模擬器的研發具有一定的難度

眾所周知，計算機信息處理系統及其復雜，如果僅通過軟件模擬器就想體現其在運行過程中，計算機系統內部各個部件的工作狀態，幾乎是不可能的。將復雜化的計算機系統進行簡單化處理最有效的方式就是對計算機系統進行分層處理。而體系結構就是在這個基礎上簡化了系統，但經過分層處理之后的計算機系統，對于人們研究來說還是很復雜。另外，當前計算機系統的編程語言都是采用串行結構的C語言，利用C語言對系統內部元件進行模擬，不但耗時嚴重，而且如果中間一旦出現失誤，那么整個編程語句將無法運行[4]。

（二）模擬器的處理精度較差

軟件模擬器的運行精度較差主要是因為模擬器在研發過程中的設計不合理，或者是模擬器沒有應用合理的策略。軟件模擬器的開發主要經歷三個步驟，首先是模擬器在理論上的研究及設計思路，其次是設計符合計算機系統的模擬器，最后則是實現模擬器的正常功能。軟件在研發的過程中如果出現失誤，對于第一個步驟而言，很有可能出現不能夠正確分析計算機系統的各種模擬需求。對于第二個步驟而言，所造成的設計失誤極有可能就是不能夠正切構建計算機系統的內部，導致模擬器的錯誤設計。另外，模擬器的運行時間也會影響模擬器的使用精度，運行時間越長，則使用精度就越差。總而言之，計算機體系結構軟件模擬器的設計之所以對軟件模擬技術很重要，則是因為其還是計算機系統設計中的重要內容。甚至可以說，軟件模擬器的質量決定者計算機處理器的設計質量和效率。

二.解決計算機體系結構軟件模擬技術研發問題的措施

（一）降低計算機系統性能測試程序中的輸入參數

為了縮短對模擬器的性能測試的程序運行時間，首先要在不改變標準化的計算機系統性能測試中的運行指令的前提下，對計算機系統性能檢測程序中的輸入參數進行科學合理的更正，這種方式不僅能夠利用少量的輸入參數使模擬器正常運行，而且還保證了模擬器運行結構準確代表計算機系統各個程序指令的模擬運作結果，不僅提升了模擬器運行的精度，而且還有效的降低了模擬器在運行性能檢測程序過程中的運作時間[5]。

（二）減少運作模擬程序指令數量

在對計算機體系結構軟件的性能進行標準性能檢測程序的過程中，要科學合理的采用正確的模擬程序指令進行操作，并用這些指令運作的結果代替原有的運作結果。經研究發現，準確的模擬程序指令是提高模擬運作速度和精度的最佳方法。通常情況下，可利用統計方式抽樣選擇運行程序指令和直接性截獲連續程序指令這兩種方式選擇運作模擬程序指令。其中，直接性截獲連續程序指令的操作過程與統計方式抽樣選擇運行的程序指令方式相比較為容易，但缺點就是精度低，而統計方式抽樣選擇運行程序指令雖然操作過程較為復雜，但其模擬精度高。

三.總結

隨著計算機系統更新頻率的加快，計算機體系結構軟件模擬技術的重要性日益凸顯，從上述內容可得知，計算機體系結構軟件模擬技術的工作內容主要是針對計算機中央處理器以及計算機系統設計。模擬技術水平在很大程度上影響著計算機系統的設計效果和計算機處理器的制作水平。其次，由于計算機體系結構軟件模擬技術具有一定的優勢，所以其注定將成為信息時代人們關注和研究的重點問題。而計算機體系結構軟件模擬技術也必將會計算機體系結構的重點技術。

參考文獻

[1]李振.淺析計算機體系結構軟件模擬技術[J].大科技.2016（3）.

[2]閆雨石.計算機體系結構軟件模擬技術淺析[J].工業.2016（9）：00262-00262.

篇10

本期名師講堂欄目，我們特別介紹身體力行、精益求精、銳意進取、改革創新的張晨曦教授，體味一名老教師“傳道、授業、解惑”之心路歷程，感悟他那“蠟炬成灰淚始干”的執著追求和無私奉獻的教育之魂。

張晨曦，男，1960年9月生于福建龍巖。現任同濟大學軟件學院教授，博士生導師。1988年獲博士學位，后一直在國防科技大學計算機學院工作，2005年9月調入同濟大學。國家級“中青年有突出貢獻專家”，國家杰出青年基金獲得者，先后主持了4項國家自然科學基金項目。張老師15歲就當上了中學教師，大學畢業后繼續從事教學工作，對教學方法和現代教育技術有較深入的研究，提出了面向遠程教育和CAI的動畫解析教學法。

張老師主講計算機系統結構和從事系統結構的研究20余年，作為國防科技大學系統結構課程的負責人，進行了一系列的教學改革和課程建設，取得了突出的成績。早在20世紀90年代初，他就自籌資金進行CAI課件的開發。1992年開發出了國內第一套系統結構CAI課件(含30個動畫)，在清華、北大等全國10多所高校獲得應用。2003年完成教育部新世紀網絡課程建設工程項目“計算機體系結構網絡課程”，在同濟大學負責建設的計算機系統結構課程于2008年被評為國家級精品課程，他負責的“嵌入式軟件開發導論”課程被評為2006年度“教育部-微軟”精品課程。