時間：2022-07-15 12:13:55
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機體系結構，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：計算機體系 軟件模擬 精度
當前社會早已進入了計算機時代，人們的日常生活和工作都離不開計算機輔助，計算機技術也不斷更新，變得更為復雜，處理器技術也越來越復雜。現在單片處理器的晶體管數量已超過10億。這樣就給計算機系統的制造帶來了資金成本和時間成本上的大幅度增加。為了解決這個問題，計算機體系結構軟件模擬技術就成為研發人員的首選。這種技術可以精確到時鐘級別，從根本上解決了計算機體系結構研發的長時間和高成本問題。
1 計算機體系結構軟件模擬技術的發展歷程
1.1 萌芽階段 計算機體系結構軟件模擬技術的發展經歷了一個漫長的過程。計算機軟件模擬技術的結構雖然已經建立，但是處理器技術并不完善，對系統運行也不能進行合理控制，由于處理器的工作效率低下，所以控制軟件的設計也非常緩慢，計算機體系結構的軟件模擬技術在不斷的探索中緩慢前行。上世紀八十年代，我國的計算機技術有了長足發展，經過長期不懈的研究，我國計算機系統在獨立操作數據驅動和處理器高效利用技術兩方面有了新的突破。至此，軟件系統可以在計算機上進行更好地運行，計算機系統的控制也更為便捷。計算機的運行是以收集和處理技術為基礎的。所以，在計算機應用軟件技術的研發過程中要收集大量的數據，并結合計算機基礎知識在計算機處理器平臺上對軟件系統進行構建和設計。這是計算機體系結構軟件模擬技術發展的重要前提，技術人員由此掌握了計算機軟件系統建設的大量數據經驗。
1.2 技術研發階段 研發人員運用性能分析模擬技術改良了計算機系統，這樣，團建模擬技術就可以在處理器中進行合理運用。計算機系統的質量得到了大幅度的提高，軟件模擬技術也開始被廣泛運用在計算機系統結構軟件的研發中。計算機體系結構軟件的模擬技術可以對系統運行進行更加順利和有效的控制，再結合性能分析模擬技術，計算機系統的研發成本急劇下降。這樣就降低了技術研發階段的風險，從根本上節省了大量的時間成本和資金成本，保障了研發單位的經濟利益。在技術研發時，還要考慮到計算機系統升級、實際應用，使計算機技術的實用性大幅度提高，計算機系統的工作能力成倍增加。
2 開發計算機體系結構軟件模擬技術面臨的問題
2.1 設備的研發難度非常之高 計算機是一套非常復雜的系統，如果籠統地將計算機的各種特點都運用軟件系統模擬是幾乎不可能實現的。面對這個問題，研究人員采用了計算機系統的層次劃分技術，使原本復雜的計算機系統變得相對簡單化。計算機體系結構就是將計算機系統根據組成機構進行層次劃分。簡化后的計算機系統的復雜性依然很高，給模擬設備的開發造成了很大困難，目前計算機體系結構軟件模擬設備的開發主要利用C語言來進行，這種串行結構編程語言給模擬器的實際開發造成了長時間、高成本的問題。
2.2 模擬設備精度低，運作效果差 模擬設備的精度低，效率差也是計算機體系結構軟件模擬設備開發中遇到的問題，在開發過程中，對模擬器的具體要求未能進行準確的分析研究；未能透徹理解計算機體系結構的真正目的等都大大增加了錯誤率。另外，一般的研究開發人員將整體的運行效果用檢測流程中的部分程序指令代替，造成了模擬設備精度低的問題。
3 計算機體系結構軟件模擬技術開發中問題的應對策略
3.1 將檢測流程中的執行指令進行合理減少 性能檢測流程中標準化指令是不能改變的，但是可以在此基礎上對系統性能檢測流程中的執行指令進行科學而合理的減少和更正，使模擬器的運行結構能表現整體運行效果。這樣就可以使模擬器的運作時間大幅度減少，縮短運行周期。
3.2 對模擬程序的指令數量進行適當減少 選擇準確的模擬程序指令代替原系統整體運作結果，對模擬程序的指令數量進行適當減少，可以提高模擬系統的精確度。在選擇模擬程序指令的時候，可以采取抽樣選擇程序指令或者是直接結構連續性指令的方式。一般來說都是采用抽樣統計的方式選取程序指令，因為其精準度更高。
4 結語
當前社會已進入數字化和信息化時代，計算機技術在人們的日常生活和工作中運用程度越來越高，人們對計算機的性能也不斷提出更高的要求。因此，計算機體系結構軟件的模擬技術的運用也越來越廣泛，成為軟件開發必不可少的條件。計算機應用功能的完善需要開發人員不斷探索和研究。在開發過程中，技術人員要采用正確而有效的方式應對開發過程中出現的各種問題。這樣才能有效降低軟件開發的周期，節省開發成本，并開發出實用性高的計算機應用軟件。
參考文獻：
[1]許建衛，陳明宇，楊偉，潘曉雷，鄭規，趙健博，孫凝暉.計算機體系結構模擬器技術和發展[J].系統仿真學報，2009（20）.
[2]包云崗，許建衛，陳明宇，樊建平.一種新型計算機體系結構模擬器的研究與實現[J].系統仿真學報，2007（07）.
關鍵詞：計算機體系結構；實驗教學；模擬；仿真
1 背景
“計算機體系結構”(以下簡稱“體系結構”)是計算機科學與技術專業計算機工程方向的一門重要課程，它強調從系統級的角度介紹計算機的組成和相應軟硬件模塊的設計與實現方法。通過課程學習，學生能夠深入理解和掌握計算機系統的軟硬件接口、各項性能指標、系統性能的基本分析方法，以及為了達到最佳性能、最佳性價比、最佳性能功耗比等不同設計目標所應采用的軟硬件設計技術。
除了課堂講授，實驗也是該課程教學的一個重要環節。通過實驗，能夠有效地加深學生對課堂上所學習的各個關鍵知識點的理解與掌握。以2010年研究生入學考試的第44題為例：
44. 某計算機的主存地址空間大小為256MB，按字節編址。指令和數據Cache分離，均有8個Cache行，每個Cache行大小為64B，數據Cache采用直接映射方式?，F有兩個功能相同的程序A和B，其偽代碼如下所示：…(略)
假定int類型數據用32位補碼表示，程序編譯時i、j、sum均分配在寄存器中，數組a按行優先方式存放，其地址為320(十進制)。請回答，要求說明理由或給出計算過程。
(1) 若不考慮用于Cache一致性維護和替換算法
的控制位，則數據Cache的總容量為多少？
該題第(1)問主要考察學生對“數據Cache中存放了哪些數據和控制信息”這一知識點的掌握情況。能夠正確回答該問的同學并不多，因為絕大部分同學都忽視了valid bit和dirty bit這兩個重要信息。
我們對我院2007級的部分本科生進行了調查，讓他們獨立完成該題。參加調查的學生都系統地學習過Cache的相關知識，并進行過16位CPU的設計實驗，但其中一半同學僅設計實現了基本指令流水線，另一半同學還完成了分離的一級指令Cache和數據Cache設計。
從調查結果來看，完成了Cache設計的同學回答正確率遠遠高于另一部分同學，他們認為實驗有助于加深他們對這一知識點的理解與掌握，并且效果明顯。
在Hennessy和Patterson推出了《計算機體系結構：量化分析方法》[1]這一經典教材后，量化研究方法已經成為當前計算機體系結構教學和相關研究所采用的基本方法。這進一步增加了計算機體系結構實驗的重要性，學生通過實驗掌握性能數據的收集和分析方法。因此，加強實驗建設，充分發揮實驗作用已經成為高水平計算機體系結構課程建設必須完成的重要任務。
作者簡介：沈立，男，副教授，研究方向為計算機系統結構、編譯技術、虛擬化技術；張春元，男，教授，研究方向為計算機系統結構；王志英，男，教授，研究方向為計算機系統結構。
目前進行體系結構實驗主要有軟件模擬和硬件仿真兩種形式，雖然二者在功能上基本等效，但由于抽象程度不同，它們所反映出的實現細節也不相同。以Cache子系統設計實現為例，無論是軟件模擬還是硬件仿真都可以反映出valid bit和dirty bit等控制信息所占用的存儲容量；而在動態指令調度的相關實驗中，雖然通過兩種方法都能夠得到動態調度帶來的性能加速，但硬件仿真方法能夠更準確地反映出實現該機制所需的開銷。
筆者從以下三個方面介紹在該課程實驗教學方面所作的工作：首先，在分析該課程各知識點的特點以及其是否適合進行實驗的基礎上，我們設計了15個實驗模塊；其次，探討了如何為不同培養類型和知識結構的學生選擇合適的實驗模塊，以及在組織和實施實驗教學方面采取的措施；第三，提出若干值得思考的問題。
2 課程知識點分析
在進行實驗教學時，應針對不同的教學目標采取不同的實驗模式。一般說來，對于那些以理解掌握成熟的模型、協議、算法等為主要目標的知識點，如Cache一致性協議，往往以驗證性實驗為主；而對于那些以熟練使用某種方法解決實際問題為主要目標的知識點，如Cache的結構和優化方法，往往以設計性實驗為主。
下面以我們正在使用的教材[2]為主，結合國內外其它有影響力的教材[1,3-4]分析體系結構課程各個知識點的特點，深入探討適合這些知識點的實驗方式。
絕大部分體系結構教材的內容都可以被劃分為基本概念、指令系統、流水線技術等8個章節[5]。當然，其中部分教學內容不可避免地會與其他課程重合，如操作系統課程會介紹虛存的相關知識，計算機原理課程會系統介紹I/O的相關知識點，并行程序設計的相關課程中會系統介紹同步、同時多線程、集群等有關知識點。在體系結構課程的教學過程中，這些重疊的知識點往往會根據實際情況略講或不講。
表1中列出了各章節中適合開設實驗的各個知識點以及可以開設的實驗類型。表中所列出的知識點粒度較粗，如指令級并行技術就被歸結為硬件方法與軟件方法兩類，因為所設計的各種技術具有相似的特征。
在進行實驗前，學生除了學習相關知識點外，還必須熟練掌握有關實驗工具使用方法。不同的實驗方法需要掌握不同的實驗工具，包括軟件模擬器、EDA工具、FPGA開發板等。通過其他課程的學習，學生已經掌握了全部或部分工具的使用方法，但從體系結構課程建設的角度出發，我們還是將其視作可以進行實驗的知識點。當然，也有些教材[6]較多地采用驗證的方式進行實驗。
3 課程實驗建設
從上節的分析不難看出，指令集、流水線和指令級并行、Cache、多處理機是體系結構課程教學的重點，因此課程實驗也主要圍繞這些內容進行。我們選擇32位DLX指令集作為實驗對象，主要原因在于：DLX是典型的RISC指令集，指令格式規整、簡潔，且具有開源的編譯器(含庫)、模擬器等軟件工具。
3.1 實驗模塊設計
我們設計的15個實驗模塊，覆蓋了流水線設計、指令級并行、Cache的設計與優化等計算機體系結構實驗的經典內容，如表2所示。除此之外，我們還專門設計了與指令集設計與優化有關的模塊。至于Cache一致性、I/O和并行程序設計方面的內容，沒有設置相關的實驗，因為Cache一致性以驗證為主，設計實現工作量太大，更適合作為創新實驗，而其它內容的實驗一般在“計算機原理”、“微機原理”、“并行程序設計”等課程內完成。
這些實驗分別對應指令集設計與優化(模塊2、4、14)、DLX整數流水線(模塊6～9)、指令級并行技術(模塊10～13)、Cache子系統(模塊15)。此外，為了使學生熟悉實驗工具和環境的使用，我們還專門設置了3個實驗模塊(1、3、5)。
根據難度不同，也可以將這些實驗分為基礎實驗和提高實驗兩類。前9個模塊為基礎實驗，主要圍繞著如何設計并實現一個DLX整數流水線、實現相關的軟件工具、以及如何進行仿真驗證。后6個模塊為提高實驗，實現各種提高流水線性能的指令級并行技術。
表2中列出的不少實驗模塊都可以在FPGA上進行，包括模塊2、8～11、13、15，使學生可以更好地理解軟硬件技術在實現開銷和性能上的優劣。此外，還有一些模塊(如4、12、14)也強調了對軟件工具鏈的使用和修改，有助于學生更全面深入地理解CPU設計所需完成的全部工作。
3.2 組織與實施
不同實驗模塊的難度以及完成所需時間也不相同，表2的數據可用作組織實驗教學時的參考。
教學時既可以選擇全部15個模塊，也可以選擇部分模塊。究竟如何選擇，取決于具體的教學目標以及用于實驗的學時數。例如，若需實現一個DLX整數流水線并進行硬件仿真，可以選擇模塊6～9，需要8～16個學時；若僅需了解DLX整數流水線的工作原理和基本指令調度方法，選擇模塊1即可，這需要2～4個學時。
學生在進行實驗時也可以采用不同的組織形式。例如，我們就將學生分組進行實驗，每組1～3人不等。除了完成基本實驗外，每組還必須完成6個提高實驗中的一個。各組的成績主要根據完成情況給出，若僅完成基本實驗，成績為C或D；若還完成了提高實驗，成績可以達到A或B。未完成基本實驗或完成質量不高的小組就不必再進行提高實驗了。
4 若干思考
在實驗教學的組織與實施過程中，我們也發現了以下一些值得思考的問題，這些問題也可以視作教學改革的方向。
4.1 以實驗教學代替課堂教學
讓學生在實驗過程中學習、理解體系結構課程中的一些知識點，其效果可能會比直接進行課堂教學更好。因此，能夠以實驗教學代替課堂教學是這里要探討的第一個問題。
以Tomasulo算法為例，這是一種經典的動態指令調度策略。為了生動地描述該方法的效果，幾乎所有的教材或是課件都會給出如圖1所示的時序圖，圖中清晰地描述出每個時鐘周期各指令、功能單元、寄存器、保留站的狀態。在講授記分牌時也有類似的情形。
圖1中的時序數據既可以根據模擬器的輸出直接得到，也可以通過手工推導得出，顯然前者的效率更高。不過，既然都是生成時序圖，也可以考慮由學生借助模擬器等工具獲得時序數據并進行分析。
這樣，在講授這部分內容時，可以采用下面的形式：先用20～30分鐘介紹支持該算法的流水線結構；然后借助模擬器的輸出選擇性地介紹幾個時鐘周期下流水線的狀態，每個狀態介紹占用3～5分鐘；余下的時間由學生自行利用模擬器進行深入學習。
4.2 增加實驗在考核中的比重
作為一門對實踐技能要求較高的課程，體系結構課程的考核成績通常會同時包含筆試成績和實驗成績。如何合理劃分二者的比例，是一個值得探討的問題。
加大實驗在考核中所占的比重，可以督促學生重視實驗并親手完成實驗，有利于取得更好的實驗效果。但受到實驗通常會分組進行，不同小組可能會互相借鑒，實驗檢查方法主觀性強、花費時間長等因素，現有的實驗考核方法可能無法準確評估一個學生的完成情況，以及對所要求技能的掌握和熟練程度。
我們目前采取的方法是將一部分實驗內容作為筆試試題，如果沒有真正參與到實驗過程中，很難回
答正確。但這只是一種初步的策略，如何才能比較準確地考核學生的實驗完成情況，尚需進行系統的研究與探討。
5 結語
根據我們對體系結構課程各知識點的理解與分析，我們圍繞著指令級結構、流水線、指令級并行技術、Cache等知識點設計了15個實驗模塊。這些模塊大致可以分為三個層次：實驗工具和環境的熟悉與掌握、基本實驗和提高實驗，可以根據教學目標的需要選擇不同的實驗模塊組織教學活動。
上面提到的各實驗模塊的教學目的、要求、環境、步驟等細節已經在我們編寫的《計算機體系結構實驗》教材[7]一書中進行了詳細介紹。有些學?？赡軟]有專門開設體系結構課程，而是將相關知識放在“計算機原理”、“計算機組織與結構”或類似的課程中學習，本文所介紹的內容也可以用作這些課程實驗建設的參考。
在接下來的教學活動中，我們還將根據情況增加與多核體系結構有關的實驗模塊。
參考文獻：
[1] John L. Hennessy, David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach[M]. 4th Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann, 2007.
[2] 王志英,張春元,沈立,等. 計算機體系結構[M]. 北京:清華大學出版社,2010.
[3] 張晨曦,王志英,沈立,等. 計算機系統結構教程[M]. 北京:清華大學出版社,2009.
[4] 鄭緯民,湯志忠. 計算機系統結構[M]. 北京:清華大學出版社,2005.
[5] 張晨曦,王志英,劉依,等.“計算機系統結構”課程內容體系的研究[J]. 計算機教育,2009(20):57-60.
[6] 張晨曦. 計算機體系結構實驗教程[M]. 北京:清華大學出版社,2010.
[7] 沈立,肖儂,王志英. 計算機體系結構實驗[M]. 北京:清華大學出版社,2010.
Experiments Establish for Computer Architecture
SHEN Li, ZHANG Chunyuan, WANG Zhiying
(School of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: Parallel computer is the highest point of information technology. How to combine the advantages of kinds of parallel systems structure: the shared memory and distributed memory and explores a new parallel system structure and how to take full advantage of the resource and processing ability of computer have always been the research focus in parallel computer field. Computer virtualization technology can conduct abstract and unified management to resources of physical computers with the advantage of flexible. The paper explores the application of computer virtualization technology, new type parallel computer system structure and the technology idea of taking full advantage of parallel computer resources.
關鍵詞:并行計算機;計算機體系結構;虛擬化技術;虛擬機
Key words: parallel computer;computer architecture;virtualization technology;virtual machine
中圖分類號:TP316文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)24-0170-02
1并行計算機發展進程中存在的兩個問題
并行計算機是指能夠支持并行算法的計算機。并行計算機的處理能力與存儲能力比一般的個人計算機強大得多,因而成為信息技術領域的制高點。各主要信息技術強國都舉全國之力,在該領域展開了激烈的競爭,以搶占制高點,爭奪信息領域的主動權。盡管并行計算機技術發展迅速,推廣應用也很普及,但是,在并行計算機的發展與應用領域還存在著兩個主要問題,一是并行計算機體系結構發展滯后,二是并行計算機的資源利用率還比較低。這兩個方面的問題制約著并行計算機系統規模與性能的進一步提高,也制約著并行計算機的推廣應用,亟待解決。
當前,并行計算機體系結構主要有兩大發展方向,一是以SMP(Symmetric Multiprocessor)為代表的共享存儲體系結構,二是以工作站機群COW(Cluster Of Workstation)為代表的分布存儲體系結構。共享存儲體系結構的優點是易于編程、整機效率高,缺點是可擴展性差、成本高昂;分布存儲體系結構的優點是可擴展性強、成本低廉,缺點是管理和編程困難、整機效率較低。可見這兩種主流的并行計算機體系結構各有優缺點,而且彼此之間互補性很強。這兩種并行體系結構主導著并行計算機的發展方向,但是由于其各自的缺陷都很明顯,因而也制約著并行計算機的進一步發展。如何結合二者的優點,克服彼此的不足,設計一種既易于編程和管理,整機效率得到充分發揮,又具有良好的可擴展性和成本優勢的并行計算機體系結構,一直是業界的研究熱點之一,研究人員付出了很多努力,但是,成效不夠顯著。其原因是難以有效地融合兩種體系結構的優勢特征。
并行計算機的研發與生產耗費巨大,一般是為了某類特定的高強度計算或大規模數據處理應用而研發和生產,并且一般是針對峰值需求來設計并行計算機的系統性能。但是,在實際應用中,并行計算機往往并沒有得到充分利用。原因有二,一是高強度的計算和處理需求并不是很飽和,二是應用需求并不總是處于峰值狀態。因此,為了充分利用并行計算機的資源,發揮其效益,必須解決并行計算機的綜合利用問題。
2虛擬化技術及其主要優勢
計算機虛擬化技術是指對計算機系統資源進行抽象與管理、使用的技術總稱[2]。計算機虛擬化技術通過軟件技術或者軟硬件相結合的技術,在計算機硬件之上構建一個軟件層,稱為虛擬機監控器VMM(Virtual Machine Monitor),VMM的功能是對底層的物理資源進行抽象,屏蔽物理資源的差異性,使其對上層呈現為具有統一特征和訪問接口的虛擬資源集合。從而在物理機器之上構建虛擬的計算環境,使得指令在虛擬的環境中執行,而不是直接在物理平臺上執行。根據VMM所處的層次不同,虛擬化技術又分為系統級虛擬化技術和進程級虛擬化技術。系統級虛擬化技術是指VMM直接構建于物理機器之上,VMM能夠模擬整個計算機系統環境,在VMM之上能夠構建多個虛擬機VM(Virtual Machine),每個VM都是一個完整的系統環境,能夠運行包括操作系統在內的整個軟件棧。進程級虛擬化技術是指VMM構建于操作系統之上,其功能是模擬進程運行環境,VMM構建的每個VM只能支持單個進程的運行。本文主要討論和利用系統級虛擬化技術,下文簡稱為虛擬化技術。
虛擬化技術具有兩個顯著的優勢。一是虛擬化技術能夠對物理資源進行抽象,因而能夠屏蔽物理資源的差異性,甚至是分布式特性,使物理資源對上層軟件呈現為統一的資源視圖,提供統一的資源訪問接口。利用虛擬化技術就能夠對底層的物理資源進行統一管理和進行靈活的、細粒度的劃分和調配使用。二是虛擬化技術能夠對指令的執行進行實時監控,因而能夠捕獲敏感指令的執行,進而能夠對敏感指令的行為進行審計。所以,利用虛擬化技術就能夠實現包括系統安全策略在內的一系列系統管理意圖,并且使得這些特殊的管理意圖對上層軟件透明。
3利用虛擬化技術解決并行計算領域的兩個問題
3.1 利用虛擬化技術構建新型的并行計算機體系結構利用虛擬化技術,可以構建新型的并行計算機體系結構,從而結合共享存儲并行結構和分布存儲并行結構的優勢?？梢酝ㄟ^兩種技術思路來構建新型的并行計算機體系結構,一是通過虛擬機集群的方式,二是通過分布式虛擬機監控器的方式。
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.
關鍵詞：離散數學；計算機科學；應用研究
1.離散數學在計算機數據結構中的應用
計算機科學中，計算機問題的解決往往需要借助數據機構的幫助，從而建立嚴格的數字模型。數據結構在計算機科學中發揮著重要的作用，它使計算機科學的數據模型得以建立，明確操作對象，并對操作對象進行分析，構建數字語言與計算機語言的契合點。計算機科學中，計算機數據結構主要分為樹形結構、網狀結構、現行結構以及圖狀結構，不同的結構有不同的數據結構形式，發揮著不同的作用。離散數學在計算機數據結構中的應用，能夠為計算機處理員工績效報酬以及相關事項提供有效幫助。
2.離散數學在計算機數據庫中的應用
計算機數據庫技術是進行數據處理和存儲的重要技術，在社會生產生活的多個領域都有著廣泛的應用。計算機數據庫技術是計算機科學中的一項重要技術。離散數學在計算機數據庫中的應用，主要是通過笛卡爾積這一重要理論有效地幫助數據庫的建立。另外，離散數學中的理論也應用于數據庫中的表結構設計以及域間關系，使數據庫能夠更加完善，能夠在應用中具備更高的使用價值，提升數據庫的整體質量。
3.離散數學在人工智能中的應用
人工智能的實現需要依賴于數學理論和數學推理，從而使人工智能能夠通過邏輯推理產生作用。離散數學的邏輯推理在人工智能中的應用較為廣泛，使人工智能能夠實現正常的運行傳導。離散數學在人工智能中的應用，體現為一種數學的分析過程和處理過程。離散數學中的布爾代數理論是一種數學邏輯語言，能夠幫助人工智能實現邏輯的設計，幫助人工智能建立邏輯運轉體系，促進人工智能實現智能化。
4.離散數學在計算機體系結構中的應用
在計算機的體系結構中，為了確保整體體系的結構性與有效性，需要進行科學的指令吸引設計，并對指令吸引設計進行內容的改進和完善。指令吸引設計能夠通過操作碼以及地址碼來操作地址信息和相關的信息，實現指令的格式化。離散數學在計算機體系結構中的應用，應用了哈夫曼壓縮概念進行問題的解決。哈夫曼壓縮概念是對數學概率的加工利用，當事件發生的概率較低時，哈夫曼概念使用較長的位數進行相應的處理，當事件發生的概率較大時，哈夫曼概念則使用較短的位數進行相應處理。在應用中，哈夫曼算法能夠建立哈夫曼樹，從而使哈夫曼樹發揮作用，對系統指令中的數據頻度進行統計和分析，并進行適當的排列。另外，排列頻度結點通過的序列則構成了哈夫曼編碼，哈夫曼編碼能夠與指令編碼相結合，最后達到使用目的。
5.離散數學在計算機科學中應用的發展趨勢
在未來的發展過程中，計算機科學的硬件基礎將會逐漸得到進步，離散數學的數學理論知識也將在計算機科學中得到更為廣泛的應用，促進計算機科學實現更快更好的發展。離散數學的邏輯推理在計算機科學中的應用幫助著計算機的軟件設計。離散數學的關聯詞概念則能夠在計算機科學內用于二進制數據的運算。另外，離散數學在計算機科學中的應用，也通過數學集合論概念用于數據結構以及算法分析，幫助計算機數據庫的建立和結構設計，使計算機數據庫技術能夠得到有效的進步發展。此外，離散數學中的布爾代數理論使計算機的網絡通信系統得以建立，使計算機科學的人工智能得以實現。離散數學的邏輯推理理論使人工智能能夠實現數學的分析和處理活動。離散數學在計算機科學中的應用會越來越廣泛，在計算機科學的系統建立、邏輯設計等各方面都會充分發揮作用，實現與計算機科學的良好結合。在計算機科學中，人工智能會成為設計、發展和創新的一項重要理論，支撐著計算機科學的進步發展。
離散數學以離散性的結構以及相互間的關系作為研究對象，其在計算機科學中的應用，能夠有效地指導數據庫的建立，改進和完善計算機體系結構，提高計算機的運行效率與運行質量，未來應更加注重離散數學在計算機科學中的應用。
參考文獻：
關鍵詞：計算機硬件；集成電路設計；教學改革
信息系統工程教育論壇我院計算機科學與技術本科專業始建于1987年，歷經20年的發展，為油田及相關企事業單位培養了大量的計算機應用人才?！熬哂辛己玫目茖W素養，系統地、較好地掌握計算機科學與技術包括計算機硬件、軟件與應用的基本理論、基本知識和基本技能與方法，能在科研部門、教育單位、企業、事業、技術和行政管理部門等單位從事計算機教學、科學研究和應用”是本專業的培養目標。基于這個培養目標，結合目前計算機硬件技術最新發展現狀及趨勢，提出本硬件系列課改方案。
一、硬件系列課改的目的及意義
當前，計算機在信息社會中充當了重要角色，也是發展最為迅速的一門學科。隨著這門學科的不斷發展，目前，計算機核心技術愈來愈集中在集成電路芯片設計和軟件設計這兩項技術中，其中CPU和OS設計技術是最核心的兩項技術，特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。在硬件系列課程里，培養學生CPU及相關硬件的設計能力，培養學生自主創新并能夠設計出擁有自主知識產權的計算機部件的能力，是當前計算機硬件課程重要的改革方向，也是目前社會迫切需要的計算機硬件人才[1]。因此，適應當前計算機硬件技術的發展及社會對計算機硬件人才的需求，及時調整硬件系列課程的培養方向，既有利于學生及時掌握最新的計算機硬件技術，又有利于學生及時把所學知識轉化為社會生產力，對擴大我院學生就業，樹立我院計算機科學與技術專業學生良好的社會形象意義深遠。
二、硬件系列教學的國內外發展現狀及趨勢
由于我國的制造業比較落后，一直以來，計算機硬件的核心技術未能被國內掌握。相應地，在計算機硬件教學中，像計算機組成和計算機體系結構等重要硬件課程，傳統上僅僅以講授、分析原理為主，且內容不能適應現代計算機技術的發展[2]。國外一些知名大學非常重視計算機硬件的教學，美國的許多高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院計算機專業的一門相關課程是《計算機系統設計》，學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache等的設計。Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗。隨著計算機硬件技術的不斷發展，國內開展硬件設計技術的條件已逐漸成熟，這主要得益于計算機硬件發展中的兩個重要技術，一是大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一個芯片中通過編寫硬件描述語言設計CPU和全部的相關硬件電路，減輕了硬件芯片間連接的復雜性，同時消除了硬件制造的限制。二是硬件描述語言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL語言為代表的硬件描述語言，可以通過編寫程序的方式來描述極其復雜的硬件電路邏輯，大大降低了以前采用手工方式設計硬件電路的復雜性。國內的一些知名大學，在最近幾年里，也相應地增加了硬件電路設計在教學中的比重，據我們了解，清華大學、電子科技大學、哈工大、哈理工等一些學校，已經修改了計算機組成原理及計算機體系結構等方面的課程教學內容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述語言設計CPU及其相關硬件電路作為重要內容加入到課程體系里，取得了良好的教學效果，大大加強了學生對計算機工作原理的理解及計算機硬件的設計能力，逐步實現了與發達國家高校計算機本科教育的接軌。
三、目前我院硬件系列教學現狀及不足
計算機科學與技術本科專業硬件系列主要課程設置始于20年前，期間雖經過部分調整，但基本教學內容依然延續20年前的知識體系。按授課先后次序排列，這些課程包括：《數字邏輯與數字電路》、《計算機組成原理》、《數字系統設計自動化》、《計算機體系結構》、《單片機原理及應用》、《嵌入式系統》、《硬件課程設計》等7門。基于當前硬件課程系列教學現狀，我們認為存在以下的不足：1.從整體上看，硬件系列教學內容過于強調基本原理和基本方法，缺少能夠驗證原理、實際實現這些原理及方法的手段，導致學生缺少動手能力，對原理和方法認識模糊，會說不會做的現象比較嚴重，創新能力較弱。2.《數字邏輯與數字電路》和《數字系統設計自動化》，這兩門課之間存在較大的聯系，在內容上存在承上啟下的關系，前者是講述數字電路的基本概念、組合及時序電路的傳統分析設計方法，后者則介紹組合及時序電路的現代分析設計方法，基于目前的教學實際情況，可以合并成一門課講述。3.《計算機組成原理》和《計算機體系結構》是計算機科學與技術本科專業非常重要的兩門課，通過這兩門課的學習，應使學生能夠設計簡單的CPU及相關的硬件電路，從而加深對基本原理、基本方法的理解，增強實際動手能力?；诂F在的教學內容及教學手段還無法達到上述目的。4.《單片機原理及應用》和《嵌入式系統》兩門課存在較大的內容交叉。這兩門課都是講述特定計算機在控制及嵌入式產品中的應用，《單片機原理及應用》這門課介紹的是8位機MCS-51的原理，《嵌入式系統》這門課介紹的是32位機ARM的原理，鑒于目前嵌入式領域的發展現狀及趨勢，建議取消《單片機原理及應用》這門課，以避免課程內容重復。5.《硬件課程設計》作為硬件系列的最后一門硬件設計課，學生已掌握了較豐富的軟硬件知識，因此應該具備設計較復雜的硬件電路的能力，目前的設計內容較簡單并與《數字邏輯與數字電路》課程實驗存在一定交叉，建議選擇有一定復雜度并較實用的設計內容。從而培養學生綜合運用硬件知識及硬件設計能力。
四、硬件系列教學新課改方案
針對我院計算機科學與技術專業的實際情況，在保證總的硬件教學學時不變的前提下，對硬件系列教學提出如下建議：1.課程合并：《數字系統設計自動化》是計算機組成原理等的先修課，為保證能及時開課，同時該課和《數字邏輯與數字電路》這門課有密切的聯系，合并為一門課，仍稱為《數字邏輯與數字電路》，并適當增加學時，建議在大二上學期開課，取消《數字系統設計自動化》這門課。2.《計算機組成原理》：這門課改為《計算機組成及設計》，增加CPU及相關硬件電路設計內容，在講清楚組成原理的基礎上，以設計為重點，建議在大二下學期開課。 3.《計算機體系結構》：適當增加設計內容，原學時保持不變，建議在大三上學期開課。4.《單片機原理及應用》：本課程取消，鑒于目前嵌入式系統涉及軟硬件知識較多，難以在一門課程中全面系統學習，因此另開設一門《嵌入式軟件開發》課程，重點講述如何設計編寫嵌入式軟件程序，建議在大三下學期開課。5.《嵌入式系統》：這門課作為《嵌入式軟件開發》的先修課，重點講述嵌入式系統的基本概念及方法、ARM處理器的硬件工作原理、接口、匯編語言等，而相關操作系統及其程序設計等知識暫不涉及，建議在大三上學期開課。6.《硬件課程設計》：在設計題目中，引入嵌入式系統、FPGA及計算機組成等知識，適當增加設計的綜合性和復雜性，建議在大四上學期開課?；谛碌挠布盗姓n程體系，能夠有效理順課程之間的先后關系，并把硬件課程均勻分散到大學四年的學習中，同時對重要的課程及相關的知識進行了加強，例如數字電路設計貫穿在整個硬件系列課程中；舍棄了過時的技術，增加了新技術的份量，例如去掉了單片機，加強了嵌入式系統。因此，我們認為：調整后的硬件系列課程是較合理的，它吸收了當前先進的硬件設計技術，保證了知識的實用性，有一定的前瞻性。
五、結束語
高等教育是為學生提供專業技能和生存本領、服務社會的最后一站，教學內容及方法直接關系到學生的未來發展。通過不斷教學改革，保持教學的先進性和實用性一直是高教課改的目標之一。通過這次課改，理順了我院硬件系列課程的教學關系，增強學生未來服務社會的競爭力，因此很有實際意義。
作者:李軍 崔旭 李建平 單位:1.東北石油大學 2.大慶市薩東第二小學
參考文獻
這個專業以計算機為基礎的專業，和純粹的計算機專業還有很大的不同，它偏向于電子電路，信息處理這方面。
計算機學科的特色主要體現在：
理論性強，實踐性強，發展迅速按一級學科培養基礎扎實的寬口徑人才，體現在重視數學、邏輯、數據結構、算法、電子設計、計算機體系結構和系統軟件等方面的理論基礎和專業技術基礎，前兩年半注重自然科學基礎課程和專業基礎課程，拓寬面向。后一年半主要是專業課程的設置，增加可選性、多樣性、靈活性和方向性，突出學科方向特色，體現最新技術發展動向。
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關鍵詞:課程群;計算機硬件;農業院校;人才培養
當前我國很多高等農業院校計算機專業已逐漸轉變為軟件工程和計算機科學與技術兩個專業方向。然而,在教學實踐中過分強調軟件與應用,計算機硬件方面的教學卻相對薄弱,導致學生缺乏計算機體系結構、計算機組成與結構等硬件方向的基本能力。即,計算機教育上存在著“重軟輕硬”的傾向。
1計算機硬件教學存在問題分析
當前,農業院校計算機科學與技術本科專業中,計算機硬件與結構方向的核心和普通知識點一般體現在以下幾門課程中:數字邏輯、計算機組成原理、微機原理、微機接口技術、匯編語言、計算機系統結構、計算機系統結構、嵌入式系統等。在教學過程中,各門課程相互之間內容銜接較多、重復之處也比較多,而某些知識點缺乏前導、造成斷層。教師一般按照自己的教學大綱和計劃對各門課程內容進行劃定,而不是以計算機系統的整個體系結構為主線,造成缺乏系統性和科學性,難以實現學生從大一到大四的完整體系,使知識的連貫性變差;而且計算機硬件技術,例如:處理器技術、存儲技術及網絡技術等每天都有新的進展和變化,這些變化很難及時地反映到計算機硬件相關教材和實驗設備上,因此難以體現發展中的新技術和教材之間的關聯。由此造成,學生對這些課程普遍存在沒有學習興趣,教師上課缺乏激情的情況[1]。
因此,學生在掌握計算機硬件基本原理的基礎上,如何結合計算機硬件技術的發展,并充分體現硬件技術的系統性和實踐性,是當前農業院校計算機硬件教學所面臨的重要問題;也是真正實現計算機科學與技術專業培養目標所必須解決的問題。
2計算機硬件課程群
為了解決以上存在的問題,本文提出構建計算機科學與技術專業硬件課程群。課程群方法是近年來高等院校課程體系建設實踐中出現的一項新的課程開發技術。其基本思想是把各門課程內容聯系緊密,內在邏輯性強,屬同一培養能力范疇的同一類課程作為一個課程群組進行建設,從技能培養目標層次有效的把握課程內容的分配、實施、保障和技能的實現。課程群體系的進程如圖1所示。
其優勢在于以下3個方面:
1) 內容具有科學性。課程群各組成課程之間關系密切、邏輯性強,知識具有遞進性,便于組織教學。
2) 實驗室高效利用。課程群使計算機專業實驗室可以進行大型的跨課程綜合型實驗,不僅在使用人次上,更重要的是在每次使用的效率上將得到極大的提高。
3) 教學具有可控性。課程群所有課程的教與學透明度提高,教學中的隨意性和非計劃性減少,可以有效的提高教學的可控性[2]。
3計算機硬件課程群構建的主要內容
本課程群的構建主要針對我校2010級本科教學人才培養實施方案。構建以下3個方面:計算機硬件課程群課程建設,綜合型實驗與課程設計設置和課程群內容的更新[3]。
3.1計算機硬件課程群課程建設
課程群的建立包括確定核心課程與選修課程。在課程群設置中,以學科方向和模塊為核心,同時與專業培養計劃相適應。在設置課程群的時候,打破單一授課的限制,使不同專業教研室的教師根據課程群設置凝聚一起,集中對各門核心課程和選修課程的內容與組織進行系統地規劃,避免重復和脫節現象。例如:可以考慮把匯編語言課程和計算機組成原理課程結合,側重于計算機硬件的五大部件、尋址方式和指令系統。這樣有利于把計算機組成原理中介紹的一般性的知識和具體的微機系統聯系起來,給學生打下牢固的理論基礎;也可將匯編語言、計算機組成原理和微機接口技術3門課程全部聯系起來,將計算機硬件基礎知識全部融合在一起,提供給學生完善的知識體系[4]。
3.2計算機硬件課程群綜合型實驗建設
計算機硬件課程群建設中,強調實踐教學的重要性。在課程群建設中,不是以單一的課程為單位設計實驗,而是按照整個課程群來設計一體化的實驗環境與實驗內容?？梢詫R編語言方向、微機接口方向、計算機組成原理和計算機體系結構等實驗有機地結合在一起,創建良好的實驗環境,靈活運用實驗室、開放式實驗室等多種手段培養學生的研究能力與團隊精神的教育方法。例如,在計算機組成原理實驗中設置了8255、8253等實驗,同樣在計算機接口實驗技術中也有同樣的內容,因此,可以考慮整合這部分內容,利用幾個接口芯片開發一個小系統,不僅使同學學習了相關接口芯片知識,同時也鍛煉了芯片在系統中的應用,建立整機概念等。
3.3課程群內容更新建設
根據計算機學科發展情況,及時、動態地調整課程群內核心課程、選修課程的設置,同時考慮到每一門課程具體內容的設置。讓學生要盡可能學習掌握同當前主流技術發展方向聯系比較緊密的新技術(如Pentium 的超標量流水線、分離的指令Cache 與數據Cache、指令分支預測技術、Itanium 的EPIC 核心技術),以及計算機新技術發展趨勢(如未來處理器技術, 現代網絡環境對硬件技術的要求, 64 位微處理器技術)等。
4結語
本方案已經通過相關課程專業教師多次研討,打破以往獨立課程設置方式,初步確立計算機硬件的課程群設置,計算機硬件綜合實驗設置的方案。該方案如果做進一步的深入研究、探討與實踐,必將對提高計算機專業學生軟件和硬件能力的協調起到良好的作用,改變當前高等農業院校計算機專業學生硬件能力偏差的現狀,提高其學生的自身綜合素質和增強其就業能力。
參考文獻:
[1] 唐建宇. 計算機硬件課程教學中的若干問題分析與探討[J]. 福建電腦,2007(5):188-189.
[2] 劉新平,鄭秋梅,孫士明,等. 計算機硬件課程群實驗體系的改革與完善[J]. 計算機教育,2008(12):117-119.
[3] 王讓定,錢江波,石守東,等. CC2005的計算機學科硬件與結構課程群改革探索[J]. 計算機教育,2008(8):137-138.
[4] 劉全利,黃賢英,楊宏雨. 計算機組成原理課程群建設的探討[J]. 科技信息,2008(4):9-10.
Discuss on the Computer Hardware Course Group in Computer Science and
Technology Teaching of Agricultural Universities
ZHANG Xi-hai, YU Xiao, WU Ya-chun, WEI Xiao-li
(Engineering college, Northeast Agriculture University, Harbin 150030, China)
處理器帶u表示UltraLowVoltage，超低電壓版CPU，發熱量和功耗比L系列的還要低。則L表示Lowvoltage，指的是低電壓版CPU，發熱量跟標準版的相比大約只有一半。
中央處理器（CPU），是電子計算機的主要設備之一，電腦中的核心配件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU是計算機中負責讀取指令，對指令譯碼并執行指令的核心部件。中央處理器主要包括兩個部分，即控制器、運算器，其中還包括高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內部存儲器、輸入/輸出設備。中央處理器的功效主要為處理指令、執行操作、控制時間、處理數據。
在計算機體系結構中，CPU是對計算機的所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元）進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。CPU是計算機的運算和控制核心。計算機系統中所有軟件層的操作，最終都將通過指令集映射為CPU的操作。
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關鍵詞：應用型本科；嵌入式課程體系；教學方法
中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）36-8340-01
嵌入式是一門從上層應用到底層內核開發的軟硬件結合，對綜合技術要求較高的技術領域，各高校近年來普遍開設嵌入式方向或專業，我校也已經在計算機科學與技術系設置嵌入式專業。目前我校計算機科學與技術系已經開設的嵌入式課程的前續課程有數字電路，計算機體系結構、計算機組成原理、微機原理與接口技術、程序設計語言I及面向過程程序設計、操作系統、數據結構與算法等?？紤]到嵌入式課程建設的連續性、層次性和前沿性的需要，形成了包含嵌入式系統、嵌入式內核編程與驅動開發和嵌入式軟件設計在內的嵌入式專業課程體系。下面主要介紹這三門課程的建設。
1 嵌入式課程設置
我系首次開設的嵌入式系統課程是偏硬件系統設計的一門課程，目標是通過對本門課程的學習，使學生了解ARM體系結構，掌握ARM偽操作及偽指令，掌握嵌入式Linux系統的構建能力，包括嵌入式交叉編譯環境搭建，bootloader移植，文件系統制作，內核的編譯過程；掌握Linux下C與匯編混合編程，同時理解嵌入式系統驅動程序編寫思想。
考慮到實際的嵌入式系統設計過程中，對特定的微處理器內部結構的知識要求淡化的同時，對處理器接口知識的要求卻在增加。因此，嵌入式系統課程增加了嵌入式系統中常用的接口的基本原理和接口協議部分，學生可以通過本門課程的學習，自己動手搭建定制的嵌入式操作系統，并通過對實際的硬件接口學習及操作，增強學生的嵌入式系統設計的能力。
嵌入式驅動開發要求學生掌握驅動開發方法、開發流程；掌握內核關鍵數據結構及中斷機制等內容，但是由于學時限制，起初開設的嵌入式系統課程，這部分內容僅要求學生掌握驅動設備的類型及驅動開發流程。本次將嵌入式驅動開發部分的內容獨立設置為一門課程——嵌入式內核編程與驅動開發，目標是通過學習本門課程，學生能夠理解嵌入式驅動開發基本概念、理論和方法；了解嵌入式Linux驅動工作原理，熟悉Linux內核關鍵數據結構和機制；掌握交叉編譯工具的使用和嵌入式驅動開發整體流程。使學生在學完本門課程后，能夠自己動手開發驅動程序，并進行內核編程開發。
嵌入式系統經過系統設計和底層開發后，僅是一個具備了硬件、驅動及操作系統的設備，還需要在該系統上開發大量的應用軟件，才能稱之為有用的受人們歡迎的系統。所以嵌入式系統的軟件開發同樣重要。起初的嵌入式系統課程僅介紹了Linux下C與匯編混合編程方法，這僅適用于底層開發驅動的要求，但這遠遠不能滿足當今企業對嵌入式軟件開發人員的要求。本次將嵌入式軟件開發獨立設置為一門課程，目標是通過本課程學習掌握Linux常用命令及Linux下C編程及開發流程，掌握Linux操作系統編程關鍵技術，包括進程控制，多線程編程及網絡通信等。使學生在學完本門課程后，能夠進行多進程、多線程編程及網絡通信編程等功能，實現操作系統應用軟件的開發。
嵌入式系統，其前期課程為計算機體系結構，計算機組成原理，微機原理與接口技術；嵌入式內核編程及驅動開發，其前期課程為操作系統，數據結構與算法，嵌入式系統；嵌入式軟件設計，其前期課程為程序設計語言I、面向過程程序設計、操作系統，編譯原理，嵌入式系統及嵌入式內核編程與驅動開發。
2 教學方法的運用
2.1 嵌入式系統課程
1）嵌入式Linux常用開發工具及GNU工具鏈生成部分采用案例教學法。通過搭建GNU工具鏈任務，讓學生在完成任務的同時達到熟練掌握常用命令及工具的作用。
2）嵌入式Linux系統的構建部分采用項目驅動法，學生在完成每節的學習后，完成Linux系統構建的一部分功能，最終完成Linux系統構建，通過綜合運用以上知識點，自己動手定制一個U盤上的最小系統，實現從U盤啟動系統。
3）嵌入式系統基礎接口的原理及協議部分，每部分內容都有豐富的案例，由于這部分涉及的內容比較多，采用案例分析法與分組討論法，通過設置設計型實驗項目，讓學生先討論，提出一個可行性方案，并最終在設備上實現各種功能。
2.2 嵌入式內核編程及驅動開發課程
1）Linux設備驅動概述及開發環境構建及硬件基礎部分采用案例分析法，理解嵌入式驅動開發的方法； （下轉第8354頁）
2）Linux內核及內核編程、Linux內核模塊、Linux文件系統與設備文件系統部分采用任務驅動法，通過對模塊的加載卸載、模塊參數和編譯模塊等任務的操作使學生熟練掌握Linux內核模塊的操作；
3）字符設備驅動部分采用案例分析法，了解嵌入式Linux驅動工作原理；
4）并發與競態、LINUX設備驅動中的阻塞、非阻塞I/O與異步通知、Linux異常處理體系結構部分采用案例分析法進行講解，熟悉Linux內核關鍵數據結構和機制。
2.3 嵌入式軟件設計課程
每部分都配有相應的任務或項目，各重點知識點都配有案例進行分析，便于學生理解和掌握。具體需要完成的項目包括：Linux下服務器配置項目；簡單程序開發項目；多進程及守護進程程序編寫任務；管道通信及共享內存任務；生產者消費者項目；NTP協議項目。最終實現一個嵌入式Web應用系統的設計與開發項目。
3 結束語
綜上所述，嵌入式課程由原來的一門課程，即嵌入式系統課程，通過教學內容的擴充及調整為三門課程。將課程分為系統設計類課程，即嵌入式系統；底層開發類課程，即嵌入式內核編程及驅動開發；軟件開發應用類課程，即嵌入式軟件設計。通過綜合運用項目驅動教學法、分組討論法、任務驅動法、案例分析法等教學方法開展教學，引導和激發學生的主動學習和探究意識，引導和激發學生的動手實踐意識，達到學以致用。
參考文獻：
關鍵詞：移動互聯網 云計算 3G 4G
1.移動互聯網的發展
在最近幾年里，移動通信和互聯網成為當今世界發展最快的兩大產業。這一高速增長現象反映了隨著時代與技術的進步，人類對移動性和信息的需求急劇上升。出現移動通信與互聯網相結合的趨勢是歷史的必然。
1.1用戶體驗成本較高。用戶體驗移動互聯網成本高，主要體現在兩方面，服務資費高和更換終端成本高。隨著各種資費套餐的推出和價格政策的逐步改革，資費高問題將逐步得到緩解。有相當一部分用戶因為終端價格過高而止步。而且目前推出的智能手機等終端可支持的比較成熟的應用相對來說還很少。對于未來可能出現的多種應用業務，現有的終端還能否支持、是否還需要再次投入成本等，都是造成部分用戶觀望的原因。
1.2移動終端處理能力弱。無論是在運算還是多媒體處理方面，移動終端都與個人電腦存在著很大差距，因此所能處理的應用也相對功能簡單；[本文轉自：]
1.3網絡帶寬相對較小。盡管隨著3G等寬帶移動接入技術的普及，帶寬的瓶頸會不斷被突破。但更多、更豐富的移動互聯網應用業務的產生也將會對帶寬提出更高的要求；
2.云計算概述
2.1 云計算簡介
云計算是一個網絡應用模式。云計算是一種全新網絡服務方式，將傳統的以桌面為核心的任務處理轉變為網絡為核心的任務處理，利用互聯網實現自己想要完成的一切處理任務，使網絡成為傳遞服務、計算力和信息的綜合媒介，真正實現按需計算、多人協作。
云計算具有虛擬化、靈活制定、動態可擴展、高可靠性、強大計算和存儲能力等優點。當然此技術的運用也存在一定風險性。
2.2 云計算機體系構成
現代計算機的基本結構包括5個基本組成成分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。這就是一直指導現代計算機體系發展的著名的馮?諾依
曼體系。
基于馮?諾依曼體系的設計思想和云計算理念，我們可以設計出如下云計算機體系結構，未來一切云服務都可以架構在這個系統模型上工作。云計算機中應該具有6個組成成分：主服務控制機群、存儲節點機群、應用節點機群、計算節點機群、輸入設備和輸出設備。
（1）存儲節點機群和應用節點機群相當于傳統計算機體系中的存儲器部分，但又有所區別。存儲節點機群是由龐大的磁盤陣列系統或多組擁有海量存儲能力的機群系統所組成的存儲系統，它的責任是處理用戶數據資源的存取工作，并不關心用戶對這些數據要如何應用，也不會處理存取數據資源和后臺安全策略管理以外的任何操作。應用節點機群則是由一組或多組擁有不同業務處理邏輯的機群系統所組成的應用系統，它負責存儲應用程序和處理各種邏輯復雜的用戶請求；
（2）主服務控制機群對應于傳統計算機體系結構中，可以類似看作控制器
部分。它是由一組或多組主引導服務機群和多組分類控制機群所組成的機群系統。主要負責接收用戶應用請求、驗證用戶合法性，并根據應用請求類型進行
應用分類和負載均衡；
（3）輸入/輸出設備和目前的個人計算機沒有實質性變化，顯示器、鍵盤、鼠標等人機交互設備還是必要的。
（4）計算節點機群提供類似運算器的功能。對于計算節點機群，它是由多組架構完善的云計算機群所組成的，其主要工作是處理超大運算量要求的計算，并不是提供小計算量服務。因為機群運算會在多極交互以及計算分配組裝上花費不少時間，所以小計算量運算如在計算節點機群進行處理不但開銷大，而且很有可能效率遠不如單機運算，可以說得不償失。這些小計算量運算服務只需在應用節點機群或計算節點機群的某臺機器中完成即可；
3.3G移動通信在我國的發展
我們知道，在3G通信的三大國際主流標準中，包含了我國大唐電信所提出的具有自主知識產權的TD―SCDMA標準，但由于這是一個全新的標準。因此在2G通信中，并不存在與這一標準相對應的2G體制。 顯然。 這對于要建立一個全新的T D―SCDMA系統而言，確實帶來了巨大的困難。
考慮到上述情況。必需為TD―SCDMA系統的建立，留有足夠的時間。為此，我國工信部一推再推，直至2009年1月才正式向三大運營商頒發3G牌照，從而開啟了我國3G通信市場。不難看出，由于3G照的推遲，我國3G通信的市場開啟時間也相應的推遲，與國際相比，約推遲了7-8年。所幸的是，我國的移動通信的主管部門，或是研發單位，都沒有因3G牌照頒發的推遲而在等待。相反，許多運營商和研發單位都在積極的向3G大舉進軍，為即將到來的3G通信做了大量的準備工作。我國政府更是大力支持，為此出臺了一系列政策，加大財政支持力度。積極協調TD―SCDMA網絡建設，在未來3年至5年內，中國移動對TD―SCDMA網絡建設的投資將要達到5000億元。由此可以看出，其發展前景十分廣闊，令人期待。根據我國的這一具體情況三大運營商都計劃在2009年至2011年間，分別發展3G用戶各為0.5 億戶即到了2011年，我國的3G用戶數將達到1.5 億戶。
4.移動通信網由3G向4G的過渡
移動通信系統向4G發展是一種不可逆的趨勢。4G依然存在標準難以統一、 技術難以實現、容量受到限制、市場難以消化、設備難以更新的問題。如何在3G的基礎上發展4G受到社會各界的關注。首先就是要將3G的核心技術CDMA技術融合到OFDM技術當中去。逐漸發展到以OFDM技術為主導并對CDMA技術行進延伸。
計算機工程是涉及現代計算系統、計算機控制設備的軟硬件設計、制造、操作的科學與技術,建立在計算、數學、科學和工程學的基礎上,主要研究計算機處理器、多處理器通訊設計、網絡設計和存儲器體系,著重研究硬件設計以及與軟件和操作系統的交互性能,如嵌入式系統、分布式數據與大規模存儲系統。絕大多數美國學校的電氣工程和計算機工程是在一個系,除數學、物理等基礎科學知識外,課程體系主要包括計算機科學和電氣工程等學科的相關課程、設計和構建計算機系統及基于計算機系統的相關軟硬件課程。培養的學生應具備從事計算機系統工作的能力,或具備基于計算機相關系統進行分析、設計、應用和集成工作的能力,具有扎實的計算機基礎理論、良好的科學素質和工程實踐能力,包括良好的團隊合作和人際交流溝通能力[5]。下面主要介紹美國這4所大學的計算機工程課程設置情況。
1.1UIUC計算機工程專業本科課程設置
UIUC計算機工程專業學生需要修滿128個學分,這些課程分為如下7大類:1)科學基礎與數學課程(31學分),包括數學、物理、化學在內的10門課程。2)計算機工程核心課程(34學分),這些課程重點介紹計算機工程領域的基本概念、基本原理、基本實驗方法和技術,共有10門課程。3)專業基礎數學課程(6學分),包括離散數學和概率、工程應用兩門數學課程。4)寫作課程(4學分),1門寫作原理課程,主要講授研究報告的寫作方法。5)專業技術選修課(23學分),其中1門必須選自計算機工程和計算機科學專業技術選修課程之外的課程,其他必須均選自計算機工程和計算機科學專業技術選修課程。這些課程強調計算機工程實踐中用到的主要分析方法和設計原則。6)社會科學與人文科學課程(18學分),這些課程被工學院認可并滿足學校對學生社會科學與人文科學課程通識教育的要求。7)自由選修課程(12學分),這些幾乎沒有限制的選修課可以讓學生學習任何領域的知識。學生可以在計算機工程專業深入學習課程,也可以學習生物工程、技術管理或語言等課程。
1.2普度大學計算機工程專業本科課程設置
普度大學計算機工程專業學生需要修滿125個學分,這些課程分為如下6大類:1)通識教育課程(24~25學分),包括6~7學分的兩門交流技巧課程和18個學分的社會與人文學科選修課程。2)數學課程(21~22學分),數學課程有兩種套餐,各6門課,學生可以根據自己的情況任選一種。3)科學基礎課程(18~19學分),包括物理、化學、生物及面向對象編程等5門課程。4)工程基礎課程(7學分),包括工程導論兩門課程及計算機工程和計算機科學以外學科的工程學科選修課1門。5)計算機工程專業課程(49學分),包括32~33學分的13門計算機工程專業核心課程;兩門共計1學分的研討課程;2門3~4學分的高級設計課程;2門8學分的研究生課程;1~2門計算機專業選修課程,使計算機工程專業課程總學分達到49學分。6)任選課程(4~6學分),根據輔修要求或個人興趣,任選課程可以從理學院或文理學院中適合工科學生的數學、科學課程中選擇,目的是使總學分達到125學分。
1.3伊利諾伊理工學院計算機工程專業本科課程設置
IIT計算機工程專業學生需要修滿130~134個學分,這些課程分為如下3大類:1)限選課程(109學分),學分分配如下:計算機工程專業限選課程47學分,包括計算機工程和計算機科學兩類課程;數學限選課程24學分;物理限選課程11學分;化學限選課程3學分;工程科學限選課程3學分;社會科學與人文學科限選課程21學分。2)選修課程(15~19學分),包括專業選修課程9~12學分,其中含1門硬件設計選修課;科學選修課程3學分。3)跨專業實踐項目課程(6學分),包括IPROI跨專業實踐項目I和IPROII跨專業實踐項目II兩門課程。
1.4西北大學計算機工程專業本科課程設置
西北大學計算機工程專業學生需要修48門課程,這些課程分為如下7類:1)通用工程方法、數學、科學基礎課程(15門),必修計算方法與線性代數GenEng205-1、線性代數與力學GenEng205-2、動態系統建模GenEng205-3和微分方程GenEng205-4等4門通用工程方法課程;必修微積分(I)MATH220,微積分(II)MATH224,微積分(III)MATH230及多元積分與矢量微積分MATH234四門數學課程;必修普通物理(I)Physics135-2和普通物理(II)Physics135-3兩門科學基礎課程;從McCormick工學院科學基礎課程中任選其他2門課程;另外必修IDEA106-1工程設計與交流(I)、IIDEA106-2工程設計與交流(II)兩門工程設計和交流課程。2)工程基礎課程(5門),必修4門,包括EECS202電氣工程導論、EECS203計算機工程導論、EECS211編程基礎(C++)、EECS302概率系統與隨機信號,并從McCormick工學院工程基礎課程熱電力學、系統工程與分析、材料科學和流體與固體中任選1門。3)交流與社科人文學科課程(8門),選修GenCmn102演講或GenCmn103課程的其中1門,另外選修7門滿足McCormick工學院要求的社科人文學科課程。4)專業核心課程(5門),必修EECS205計算機系統軟件基礎、EECS303高級數字邏輯設計、EECS361計算機體系結構、EECS311數據結構與數據管理和EECS343電路基礎這5門課程。5)技術選修課程(10門),西北大學計算機工程專業分高性能計算、VLSI與CAD、嵌入式系統和算法設計與軟件系統4個方向,每個方向開設若干門技術課程,每個學生必須在這4個方向中選修5門課;從專業基礎課程EECS213計算機系統導論、EECS222信號與系統基礎、EECS223固態工程基礎、EECS224電磁場與光學基礎、EECS225電子學基礎5門課中根據學習方向選修2門;剩下3門從計算機科學、計算機工程、數學、科學基礎等課程中選修,如可以是生物學BIOL210-1,2,3和化學原理CHEM210-1,2,3課程,也可以經申請同意選修相關計算機工程研究生課程。6)自由選修課程(5門),共修5門,學生可以根據自身情況和興趣愛好自由選修。若從未學習過任何計算機編程語言,建議其中1門選修編程入門(Python)EECS110課程。7)高級項目課程(1門),至少在微處理器系統項目EECS347-1、計算機體系結構項目EECS362和VLSI設計項目EECS3923門課中選修1門。
24所大學計算機工程課程設置特色
4所大學計算機工程本科專業的課程設置都通過美國工程教育認證機構ABET的EC2000指標體系認證,有如下特點:
1)注重基礎知識的學習,在貫徹通識教育中培養學生的各種能力?；A知識直接決定學生未來的發展潛力[7-8],而基礎知識的掌握通常是通過通識教育實現的。與我國高校通識教育不同的是,這4所美國大學按照各種完整的項目組織基礎知識,讓學生在基于項目的學習中形成各種能力。他們還特別重視人際溝通能力的培養和學生對廣泛深入的人文社科知識的理解,使所有工科學生在數學、物理、信息、物質、生命、技術和能源科學方面及人文社科方面打下廣泛的基礎。這種比知識更重要的能力是學生取之不盡、用之不竭的資源。普度大學第一年的工程基礎培養及UIUC第一年的計算機工程訓練從一開始就圍繞能力培養,使學生能更好地理解和應用所學的基礎科學和數學知識。
