关键词：精品课建设；教学内容改革；计算机系统结构
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0048-02
“计算机系统结构”课是“计算机科学与技术”专业本科生开设的一门专业必修课，开设时间为本科第六学期，48学时（理论课42学时；实验课6学时）。它是一门综合课程，从全局和系统的角度介绍计算机系统设计所必须了解和掌握的知识，把前续的“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软硬件知识有机的结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。学习本课程旨在使学生从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，对于培养系统地分析和解决问题的能力，培养抽象思维能力有非常重要的作用。由哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院硬件教学团队承担的“计算机系统结构”课程在2003年评为省级精品课程基础上，于2008年又被评为“教育部—Intel”精品课。精品课程建设是教育部组织开展的旨在提高高等院校教学水平而推出的“高等学校教学质量和教学改革工程”中的具有战略意义的举措之一，是高等学校教学改革与建设的一项具有标志性的工作[1-2]。本文以本科生课程教学为核心，根据本课程教学内容特点，详细介绍课程教学内容建设及改革思考，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。
一、课程内容和特点
我校“计算机系统结构”本科生课程主要采用李学干教授等编著的《计算机系统结构》作为教材，内容主要包括计算机系统结构概论、数据表示、寻址方式与指令系统、存储、中断、总线与I/O系统、存储体系及流水和指令级高度并行的超级机等内容[3]。想要顺利学习这门课程的内容，需要学生很好地掌握“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程的知识点。如在讲解“RISC结构采用的基本技术”时，其中一项基本技术是“优化设计编译系统”，涉及到常规的优化技术和手段，如将公用的子表达式消除、将常量移到循环体外等编译优化技术。在“计算机系统结构”课程中只能通过举例的方式列举某些优化技术，而详细的优化技术的原理需要学生在编译技术课程中详细学习。同样，在“中断系统”一节中，又涉及到大量的操作系统的知识，作为“计算机系统结构”课程需要重点从全局的角度讲解中断系统中软硬件是如何配合工作的及软硬件功能的分配原则。学生要清晰地掌握这个知识点，就需要在之前开设的“操作系统”、“计算机组成原理”课程中掌握其中涉及到的基本原理。因此，在讲授计算机系统结构课程时，一个很重要的问题就是如何划分同其他课程有“交叉”的授课内容。实质上这个“交叉”仅是知识覆盖面上的交叉，并不是实质的知识点的交叉。
二、教学内容改革探讨
1.与“计算机组成原理”的内容划分及协调。在同与“计算机系统结构”课程内容有“交叉”的课程中，最容易造成授课内容划分不清楚的是“计算机组成原理”课程。如何合理划分这两门课内容是课程教学组织过程中需要关注的重要问题之一。表1详细描述了“计算机组成原理”和“计算机系统结构”在教学内容和教学目标上的不同，虽然两门课程的覆盖面有一定相似之处，都包括指令系统、I/O系统、存储系统等，但是课程的授课目标和具体的知识点并不相同。“计算机组成原理”课程重点讲解基本概念和基本运行原理，而“计算机系统结构”课程主要讲授高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系及从量化的角度重点讲解如何优化计算机性能。如两门课程讲授内容都包括了“指令系统”，“计算机组成原理”课程重点讲解具体的寻址方式，其中包括“变址寻址”和“基址寻址”格式，而“计算机系统结构”课程则从计算机系统优化的角度引出“变址寻址”和“基址寻址”技术。在“计算机系统结构”课程的“数据表示”章节中指出，为了提高计算机的运算速度，对向量、阵列数据结构的实现提供直接支持，才增设变址寄存器硬件存放变址值，从而在指令寻址中增加了“变址寻址”方式。而“基址寻址”技术是在“程序在主存中的定位技术”章节中讲解的，其主要解决在不准修改指令地址码时如何实现逻辑地址空间到物理地址空间变换的问题，这又涉及到操作系统课程内容。所以，“计算机组成原理”和“计算机系统结构”课程在讲授内容的面上有重叠，但是讲授的目的和重点是不同的。
2.教学内容的更新.随着计算机技术的发展，近年来我们逐步从以下几个方面对“计算机系统结构”课程内容进行更新：①不断更新课程中的实例内容.我校的“计算机系统结构”课程的教学内容立足于基础性、前沿性和时代性，重视结合实际案例，与时俱进，及时吸收和反映本学科的最新研究成果，合理地维持“更新与保留”的适当比例。如讲授“指令系统的发展和改进”章节时，教材中详细描述了RISC和CISC指令集的特征，但是书中举得例子却是60、70年代在IBM 360、IBM370机器上采用的技术，学生听起来枯燥、乏味。我们对课程内容进行了适当的更新，从现在比较“火”的嵌入式智能手机的微处理器设计说起，对比采用RISC指令系统的ARM处理器和采用CISC指令系统的Atom处理器的功耗和计算性能的优缺点，来解释不同指令系统的优缺点。②加大课程内容的深度.“计算机系统结构”是将“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所需的软硬件知识有机结合起来的课程，所以在讲授课程内容时需要以问题为切入点，从高层次应用入手，逐渐深入引出本门课需要讲授的知识点。如在讲解“物理主存中信息的存储分布”知识点时，首先启发学生思考：大家在采用C语言编程声明结构体数据类型时，是否考虑了其中各种成员变量的声明顺序。也就是说当结构体中成员变量的声明顺序不同时，对计算机的存储资源会产生什么样的影响？此时就要考虑编译器为每个结构体成员变量分配内存时，做了什么事情？其中为什么要求编译器需要满足“信息在存储器中按整数边界对齐”？这样以编程语言为示例，逐层深入，最终落实到“计算机系统结构”课程需要掌握的知识点上，在这个过程中既帮助学生梳理了之前学习的专业内容，又达到帮助学生学习从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，培养他们系统地分析和解决问题的能力的目的。③引入部分多核技术知识点.由于Intel、IBM及AMD等公司的多核技术的出现，改变了原有的片上单核处理器的架构，分别出现了同构多核和异构多核架构，这要求计算机系统结构的设计者和学习者需要充分研究多核架构技术，这样才能有助于实现程序的性能优化。为了使本科学生更多的了解多核处理器结构，针对课程的特点及难点，以单核处理器体系结构为教学基础，适当扩充片上多核处理器架构的介绍，这样保证学生扎实的掌握基础知识的同时，又可以紧跟技术发展的新方向。
一门优秀的课程，决不是一朝一夕能够建成的，其教学内容的锤炼优化、不断更新，教学方法与手段的不断探索，教材的编写和完善等无不需要长时间的不断探索、认真思考、总结经验，甚至需要几代人的努力。本文将“计算机系统结构”课程中的教学实践进行归纳总结，阐述了其中关于教学内容改革的做法，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。在改革教学内容的实践中，我们发现精品课的建设需要以学科建设为立足点，同样也可以建设精品课为契机，促进学科、专业的进一步发展。
参考文献：
[1]陈国定，吴立言，李建华，等.精品课程建设的思考与启迪（机械类课程报告论坛文集）[G].北京：高等教育出版社，2006.
关键词:综合电子系统;嵌入式计算机体系;结构
中图分类号:TD672文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 06-0000-01
Integrated Electronic System Embedded Computer Architecture
Feng Lipei
(The State Administration of Radio Film and Television 723 Radio,Shijiazhuang050086,China)
Abstract:As the modern electronic information technology development and innovation and electronic information technology application of the areas of diversification of integrated electronic computer system,and embedded in the military,a smart appliance,the digital machine tools,
refrigerators and other areas of electronic devices are widely used. this article by a brief analysis and study electronics and computer system to embedded systems architecture to meet the new generation of integrated electronic computer systems for performance of the embedded application requirements.
Keywords:Integrated electronic systems;Embedded computer system;Structure
一、综合电子系统嵌入式计算机的特点
综合电子系统嵌入式计算机是嵌入到对象体系中的专用计算机,其物理结构和功能都嵌入到应用系统中,不能脱离系统操控程序而独立运行。进入21世纪以后,综合电子系统嵌入式计算机在军事上得到了广泛的推广与应用,同时在智能家电、数字机床、车载电子设备等生活领域也得到不少的应用,为人类的发展注入了全新的科技动力。综合电子系统嵌入式计算机的特点,主要表现在以下几方面:
(一)实时性
综合电子系统嵌入式计算机直接从前端传感器获取信息和资料,进行实时或近实时的操控处理和技术分析,因此,综合电子系统嵌入式计算机对信息的处理、分发和管理的实时性要求极高。
(二)与宿主系统相匹的性能与功能
综合电子系统嵌入式计算机是宿主系统的主要组成部分,其体积、重量、形状、性能等诸多数据参数必须满足各种宿主系统的不同技术性要求,其功能性与技术性必须与宿主系统的水平相适应,符合技术应用的科学发展方向。[1]
(三)环境的可靠性和适应性
综合电子系统嵌入式计算机被大量应用于工业、军事、野外等恶劣环境中,要经受振动、辐射、盐雾、高低温、电磁干扰等经验,对可靠性要求极高。传统综合电子系统嵌入式计算机的体系结构设计主要根据嵌入式系统的应用特点进行剪裁。[2]综合电子系统嵌入式计算机采用模板化结构,但是总线带宽和扩展能力有限,不具备动态重构、数据信号综合处理等功能。
二、综合电子系统嵌入式计算机的体系结构
嵌入式系统是现代电子信息技术、计算机技术和半导体技术,以及各个行业具体应用相结合的产物。因此,嵌入式系统是一个资金密集、技术密集、高度创新、不断创新的知识集成系统。综合电子系统嵌入式计算机体系结构的核心部件是处理器,系统结构较为复杂。
图1 综合电子系统嵌入式计算机的体系结构
(一)嵌入式微控制器
嵌入式微控制器将整个计算机系统集成到一块芯片中,芯片内部集成RAM、ROM/EPROM、总线逻辑、总线、定时/定时器,WatchDog、串行口、D/A、A/D、Flash RAM、EEPROM等各种基础功能和外设。为了适用综合电子系统嵌入式计算机不同的体系结构和功能需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理内核体系结构都是相近的,不同的存储器和外设的配置及封装。[3]这种体系机构可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本。目前,世界通用的嵌入式控制器型号主要有:P51XA、8051、C166/167、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16等。
图2 嵌入式微控制器结构图
(二)嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是综合电子系统嵌入式计算机的CPU,在实际应用中,微处理器被装配在专门设计的电路板上,只是保留和嵌入式应用的相关母版功能,这种体系结构可以最大幅度减少系统的体积和能源消耗。[4]嵌入式微处理器具有重量轻、体积小、可靠性高、成本低等优点,其体系结构的电路板上必须包括:总线路接口、各种外线器件、RAM、ROM等,技术保密性相对较强。目前,世界主要应用的嵌入式微处理器主要有:386EX、Power PC、SC-400、MIPS、68000、ARM等系列。
图3嵌入式微处理器结构图
(三)嵌入式片上系统
近年来,随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,综合电子系统嵌入式计算机体系结构中一个硅片上实现一个更为复杂的全新计算机系统,也可以称之为SOC。嵌入式片上系统一般可以分为通用和专用两类,通用系列包括Infineon的TirCore,Motorola的M-Core;专用系列包括Philips的Smart XA等。
图4嵌入式片上系统
【关键词】水电厂 计算机监控 结构模式
随着我国水电厂自动化技术的发展，计算机监控技术的提高，我国大多数水电厂都已经或正在实施“无人值班”的自动化监控管理。计算机监控技术的应用，有效提高了水电厂的生产效率和安全运行，强化了水电厂的自动化管理水平，提升了水电企业的管理效益，为电力系统的安全运行提供了有力的保障。水电厂的自动化技术离不开计算机监控系统的更新和改造，选择合适的系统结构模式与系统的性能和任务完成量有很大的关系。本文就几种结构模式的控制系统进行分别介绍和说明，以期合理选择监控系统的结构模式为水电厂的生产运行服务。
1 水电厂计算机监控系统的分类方式
水电厂计算机监控系统有不同的分类方式。依据计算机在监控系统中的作用大小可分为：计算机为辅的监控系统、计算机与常规设置双重控制的监控系统、计算机为主的监控系统。按照系统的控制方式可分为直接控制和分级控制两种。按照计算机的配置数量比又可分为单机系统、双机系统和多机系统。根据计算机系统的结构模式可以分为集中式、分散式、分布处理式、和全开放、全分布式计算机监控系统。
2 水电厂计算机监控系统的常用结构模式
2.1 集中式监控系统
集中式监控系统一般只需设置一台计算机就可以对全厂进行控制，是基于现场总线连接的实时通讯网络。由于这种方式的所有监控功能都在一台机器上执行，因而，一旦出现问题，整个监测、控制系统会全面瘫痪，可靠性较低。另外，所有信息都在一台机子上演示，其监控功能也受到局部限制。因此，常常设置另一台备用主控机，提高其可靠性。水电厂生产过程中的各运行参数和状态数据可以由主控机经I/O过程通道采集而成，同样，控制调节任务由主控机经I/O输出通道作用到各发电机组和相应设备，主控计算机集中实现系统的全部功能。这种系统结构比较简单、造价低、投资少，适用于容量较小，对监控要求不高的小型水电厂自动化控制系统。
2.2 功能分散式监控系统
这种监控系统中不再使用一台计算机完成各项功能，而是由多台计算机分别完成。每台计算机只负责完成部分任务，即单项任务。如数据采集、调整控制、事件记录以及通信功能等。由于这是一种形式上的横向功能的分散，当一台计算机出现故障时，只能够影响某一项的功能，其它作用不受影响，在某种程度上提高了系统的可靠性，功能分散式监控系统中的计算机负载相对减少，可以由微机来承担。其实，这种监控系统并没有解决集中式监控出现的所有问题，一个功能的计算机装置产生故障，全厂的这部分功能都会受影响，依然没有解决所有信息集中到一起引起的系统问题，可靠性依然不高。目前使用较少。
2.3 分层分布式监控系统
应该说，分布处理系统是分散式系统的升级，它克服了功能分散式系统的弱点，以控制对象的分散性为特征，其指导思想是以数据的分层控制方式为基础，将控制系统按照控制性质、组织结构的不同分成不同的管理层，各层之间完成分配给自己的监控功能，相互间有一定的制约和协调功能。水电厂的控制对象包括水轮发电机组、开关站、闸门、公用设施等，可以依据控制对象的不同设置单独的控制单元，电厂控制层的计算机组负责全厂的功能性工作。其控制层自身由多台计算机组成，也是一个功能分散的控制系统，当其中一个控制单元出现故障时，只对该单元的设备造成影响，不会妨碍到整个系统的运行，分层分布式监控系统由于具有这些特点，近年来在新建的水电厂中应用较多。
分层分布式监控系统，依据实际应用也分为几种网络结构模式：
2.3.1 一体化工控机分层结构
通过上以太网方式，一体化工控机又分为分层、分布式、全开放式结构，将可编程逻辑控制器、采样装置、温度巡检、励磁等应用设备依靠一体化工作机和上位机系统建立通信，工控机作为系统的核心，具有接口丰富的特性，可以在工控机上接通其他设备完成相应的操作功能，实现组网特性。这种结构即使在上位机出现故障，其它现地工控机仍然可以独立运行。其运行单元是由工控机、可编程逻辑控制器等专用设备构成，能够实现独立运作、监控，具有功能丰富、人机界面优化、可靠性强的特点，其投资成本很高。
2.3.2 工控机和PLC同时连接以太网结构
该结构中，测温、采样、保护等装置，以及励磁、调速器都通过工控机上的多重接口相连接，利用工控机的外扩串口卡进一步完成现地显示操作功能和现地设备通讯，利用可编程逻辑控制器的I/O接口与设备信号连接实现其现地设备的监控作用，与上位机系统进行通信。系统具有极强的可靠性，响应速度也得到提高，由于其应用成本比较高，常用于对监控要求很高的中小型水电厂的自动化通讯系统。
3 计算机监控系统各结构的应用特点。
由于水电厂计算机监控系统更看重产品性质、软件功能等特性，计算机监控系统的网络结构常常被忽视，实际应用中网络结构的不稳定和响应速度的快慢会影响到水电厂的自动化系统水平。一体化工控机分层结构系统中，所有设备和通信必须通过现地工控机集中采集，通过以太网达到各终端设备，一旦工控机发生意外，则所有监测、控制和相关功能都难以实现。同样，交流采样设备和可编程逻辑控制器也需要分别与工控机通信，此结构中可编程逻辑控制器不能直接读取数据，在机组流程开机并网后，难以实现自动带基负荷进行调节，也不能自动减负荷。在工控机和PLC同时连接以太网结构中，虽然增加了系统的可靠性，但一旦工控机出现问题，相应的机组操作仍然需要在上位机上进行，因此，两种结构中，工控机是系统中的关键因素。水电厂地质条件相对恶劣，振动、电磁干扰较多，对其组件的使用寿命有一定的影响，采用高档工控机需增添应用成本，因此，当前使用带工控机结构的逐渐减少。
4 结语
我国水电厂计算机监控系统的应用已趋于成熟，随着各类监控系统结构模式的发展和应用，水电技术人员应不断总结各类新型监控结构的运行特点和实践经验，吸取国际上先进的管理技术优势，加以分析和研究，结合我国水电厂的生产管理特点，推出符合我国国情的、满足水电厂监控技术要求的系统应用模式，实现监控系统的可靠性和实时性，具有反应速度快、维护手段便捷等基本要求。
参考文献
[1]李志刚.浅议水电厂计算机监控系统的几种结构模式[J].水电厂自动化，2008，01：17-18.
[2]张应亮.水电厂计算机监控系统通讯方式分析[J].湖南水利水电，2010，03：89-90+95.
作者简介
王涛（1981-），山西省人。大学本科学历。现为新疆乌鲁瓦提水利枢纽工程管理局工程师。研究方向为电厂设备检修。
摘要：本文通过介绍我系“计算机系统结构”的课程教学，阐述了在创新教育和素质教育中计算机专业实验教学改革的一条途径。提出了实验教学要面向设计并着重掌握设计方法、要按不同要求分层次将验证性实验向综合与创新设计转变的观点，让学生在理论课中学到知识、在实验课中得到锻炼，逐步培养学生的创新意识和动手能力。
关键词：计算机系统结构；教学改革；实验改革；分层实验；创新实践
中图分类号：G642
文献标识码：B
“计算机系统结构”是以计算机系统的外部特性为主来研究计算机系统结构的一门学科，是计算机及相关学科的专业技术基础课程。一方面它需要“计算机组成原理”、“编译原理”等一些基础课程知识；另一方面又为“操作系统”、“嵌入式设计”、“并行计算”等后继课程学习作铺垫，起着承上启下的作用。传统的教学模式是教师在课堂用黑板讲授原理，学生课后在指定的实验系统上完成简单的验证工作，教学方式呆板，教学手段落后，学生缺乏学习兴趣和积极性。近几年，我校在云南省重点建设专业(计算机科学与技术)项目的支撑下，针对本课程“封闭式、验证性”的实验教学模式，在教学理念、教学内容、教学方法和手段等方面进行了改革探索，目的是激发学生学习热情，培养学生创新意识，提高实验教学效果。
经过几年的探索，我们逐渐形成了自己的教学方法，找到了一条可行的路子，取得了一定的成绩。
1转变教学理念，探索新的教学模式
本课程的目标是让学生从总体、系统这一层次来研究和分析计算机系统的结构和性能，帮助学生建立整机系统的概念；使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法，并对计算机系统结构的发展现状有所了解，为后续课程打下基础。
要达到课程目标，教学理念就要创新，就必须在教学中渗透设计思想和设计方法，很自然就必须选择与之相配套的教材，才能事半功倍。我们根据学生基础实践能力弱的特点，选择部级重点建设的西安电子科技大学出版社出版《计算机系统结构(第三版)》作为授课教材，同时指定国外英文原版教材《计算机系统结构：一种定量的方法(第二版)》作为参考教材，还制作了多媒体课件，自编《计算机组成与系统结构实验指导书》，采用启发式课堂讲授、自主学习、专题研究学习三者并重的模式，使学生不仅能对现代计算机广泛采用的比较成熟的结构、方法和技术等有所了解，还能够通过模拟实验对计算机系统结构的基本原理有一个清晰的概念和认识，强化对知识的理解，调动学生学习的积极性和主动性。
由于本课程概念抽象、难理解，课程内容又随着计算机软硬件技术的发展而不断更新，学生很难将所学到的知识应用到具体问题中，因而会产生畏惧、反感甚至厌恶。我们在教学中，充分利用现代教育技术和资源，采用多媒体教学法，精心设计和制作了充分体现优秀教师教学思想的动画、课件、网络课程和大量资源，利用多媒体教室和网络开展教学；采用类比关联法，把本课程中的一些概念、设计策略和思想与现实生活中的生动事例进行关联和类比，使学生更容易理解和牢固掌握教学内容，抓住关键思想，同时又活跃课堂气氛，提高教学效果。教师通过讲述现实社会中的一些策略，启发学生思考在计算机系统中可以采用的类似策略；通过介绍教师自己科学研究的经验和体会，启发学生思考如何拓宽自己的思维空间等。同时，计算机系统结构实验室在50台PC机上安装了本课程实验所需要的设计开发环境(ISP DesignEXPERT8.0软件)，其中25台配备计算机组成与系统结构硬件实验系统设备，还提供有关所用模拟器安装与使用的详细资料，要求学生自己能够在课外完成具体知识的学习、实验及交互模拟、专题研究学习等。
新的教学模式，不仅使教师自身的教学理念得到更新，也激发了学生的学习兴趣。通过对学生的调查了解，学生普遍认为：通过本课程的学习，一方面学习到了计算机体系结构的基本理论知识；另一方面也培养了良好的动手能力，改变了不少学生认为它是一门枯燥的理论说教课的看法。在教学考核中也表现出：(1)教学目标明确，突出学生的能力培养。教师能根据学生的实际知识水平，使前后知识和技能紧密衔接，把握实用、能用的原则，注重学生动手能力的培养，注重学生分析问题和解决问题的能力。(2)教学方法正确，注重启发式。注意引导学生发挥自己的主观能动性和创造力。(3)教学内容精选。教师能选择有代表性的事例，并进行实践教学，突出重点，化解难点问题。(4)教学过程中充分利用学校现有教学设备，实验设备，注重理论联系实际。(5)教学手段采用现代教育技术，收到了良好的教学效果。
2注重讲课技巧，改革教学的方法和手段
本课程在教学中强调以探索和研究为基础，激发学生的求知欲；强调与学科发展的紧密联系，以保持教学内容的新鲜；强调师生互动，培养学生创新性思维与探索精神。教师结合计算机系统结构原理和概念，从结构框图开始逐步展开、深入，同时辅以系统组成部件的特性及系统结构设计方法进行讲解，反复向学生强调抽象思维的重要性，有意识地培养学生自顶向下、系统分析和解决问题的能力，通过对不同复杂程度模型计算机的设计来研究计算机各部件是如何配合工作的，进而了解设计计算机系统的方法；在整个教学过程中，教师注重讲解设计思想和设计技术，采用面向计算机各部件的设计方法教学，一直到怎样设计一个实用的RISC结构的CPU这样一个方向来讲解，并且始终贯穿如何考虑设计方案以及在设计时要注意的功耗、时延、成本的问题。具体通过以下几个方面实现：
(1) 上好第一次课。第一节课是激发学生求知探索欲望的最佳时期，要引领学生到计算机整体框架的制高点上，然后诱导学生主动向下探索，逐步深入到电脑“内核”。
(2) 侧重设计原则应用的教学。教师在讲指令系统时，不仅介绍指令的结构，还要侧重介绍指令系统的设计原则，如指令越规则越能简化CPU的设计越小越快原则，还要告诉学生好的设计要求好的利弊权衡方案。学习指令不但要学生掌握指令系统的功能设计，更要使学生掌握指令格式对RISC结构的CPU设计及制造成本、性能的影响。学生明白了这一些原则后，就可以自己设计满足一定要求的指令系统。在讲解运算器时，侧重介绍用不同设计原则设计的加法器、乘除法器的优缺点，如何处理运算器中的溢出、先行进位问题，怎么减少运算器芯片的引脚数目，以满足工艺要求。在讲解控制器时侧重介绍影响RISC结构的CPU性能的几个方面，怎样定义控制信号，指令集如何实现、不同实现方法如何影响时钟及RISC结构的CPU定时与同步如何解决、数据通路如何建立、多时钟周期RISC结构的CPU如何设计、实现，同时还要考虑中断请求，最后通过介绍有限状态机(如米勒机等)的设计步骤来设计一个RISC结构的CPU。在介绍I/O系统时分析速度如何匹配，以达到不同机型对速度和可靠性的要求等。
(3) 注重实践设计技巧教学。一是精讲，突出重点而不要面面俱到，把一些细节问题留给学生研究讨论，然后和上机实验有机地结合起来，互相印证、补充，使所学的内容得到升华。二是引人先进的数字系统设计方法，用一部分时间讲解FPGA器件和VHDL语言，让学生极早熟悉先进的硬件设计模拟工具；随后让同学们自学，以便能尽早开始实验，避免前半学期无实验可做，设备空闲，后半学期实验做不完的现象发生；然后，要求学生用这种语言设计以后要讲的如校验码发送和接收装置、加法器、乘法器、总线控制器、存储器以及RISC结构的CPU等，再通过仿真、综合、优化布局布线等做成真正的芯片，这些试验要保留到期末，最后把这些试验综合到一起，设计成一个比较完整的具有RISC结构的CPU计算机系统，使学生对本门课程有比较深的理解。
在教学过程中，要让学生明白上述问题，就要在教学中灌输面向具体设计理念，在讲解加法器、计数器、寄存器功能和设计时，通过分析让学生知道如电路中的毛刺、门电路的工作电压、电路空闲时是否关闭门电路等有关现象；在讲解寄存器、运算器、外设接口时，通过分析逻辑门电路的时延，告诉学生怎样在版图的设计中控制其寄生点，以减少其延时，减少线间可能导致信号间的干扰，以及如何减少设计的芯片的面积降低成本等。
(4) 多管齐下，提高教学效果。采用多媒体教学手段，把课件和有关资料放在服务器上，方便学生学习和下载；通过多媒体和网络教学促进师生的交流；进行座谈会或问卷调查，及时发现问题，及时改进措施，提高教学质量。
3采用多层次实验设计，锻炼学生动手能力
实验目的是锻炼学生动手能力、培养学生创新意识的重要手段。为此，我们对实验内容设计、实验过程管理、实验成绩考核等进行科学设计，以提高实验教学效果。
3.1合理配置实验内容
在传统的实验教学中，大多数实验是根据教科书按部就班地进行，实验就是对教材的结论进行验证，但这种教学模式很难做到激发学生的创新思维。我们在保留一定数量的验证性实验基础上，增加设计性、综合性实验的学时和个数，并保证有设计性和综合性的实验项目不少于已开出实验项目数的30%。
3.2加强实验过程管理
本课程是学生第一次深入了解计算机内部结构的课程，对实验的要求很高。教师合理地安排上课和实验时间，中间留给学生一定的时间，尽量避免理论课结束就上机；每次实验都要点名，迟到5分钟或没有预习实验报告者不让进实验室；开始20分钟讲解实验，提出不同要求；中间解答学生提问，启发学生，指出问题可能的原因，但不给出答案；最后验收；验收时让学生讲解设计原理，教师随机提出问题，看学生是否真正理解，根据做实验的程度，给出不同的分数，这些分数记入总成绩，占30%。
3.3重视综合与创新实验
综合实验在学期初将2～4名学生组成一个课题组(或称大作业)，在一个学期中共同完成教师提供的一个课题，教师要为每一个课题组提供充分资源。学生通过课堂听讲、作业和搜集资料等方式获取知识，并通过相互讨论、教师指导、做实验检验等完成课题，学生在期末提交课题报告，在做课题过程中，学生通过动手发现问题、运用所学的理论分析问题和解决问题，从而加深对知识的理解。
3.4全面考核实验成绩
实验成绩是对学生在实验过程中实践能力、操作技能和解决现场问题能力的客观反映，是对学生实验过程的综合评价，也是保证培养目标实现的一种手段。实验成绩评定的内容，应包括实验态度、实验能力表现和实验结果等几个方面。
(1) 实验态度。包括对实验有无兴趣，实验内容的预知程度，实验中是否注意人身及实验设备的安全，实验善后工作(如仪器设备的整理和实验室卫生)等。实验态度及心理将影响到整个实验的过程，而且会对学生一生的职业养成等方面产生影响。
(2) 实验能力表现。包括实验方案、设计思路,独立完成实验的程度，是否按要求进行正确操作，有无人身伤害及实验设备损坏，能否对实验中出现的问题及现象进行正确判断分析，有无创新意识及能力等。实验能力表现反映学生现场动手和操作能力，对日后走向工作岗位是一次很好的模拟，因此，在实验中应充分发挥学生的主观能动性，鼓励学生多动手、多分析。
(3) 实验结果。包括以下内容：对现场数据或现象的分析处理情况(分析处理是否合理)；实验报告的完成情况(报告是否规范、清楚实验数据是否真实、有效等)。此外，实验结果还包括实验结束后，实验仪器的整理和卫生清扫方面的内容。对于整理仪器和打扫卫生的学生，予以记录，并在成绩中适当加分。
4鼓励创新研究，完善课程体系建设
根据本课程的定位和目标以及教学的新发展，我们调整了本课程的内容体系。课堂讲授64学时，实践教学和自主学习26学时。并向学生提供了丰富的扩充性资料，包括：
(1) 提供丰富的教学多媒体课件;
(2) 指定的相关专业书籍及刊物中的内容；
(3) Internet上国内外相关的课程资源以及相关研究工作的资源。
学生在课外利用这些资料和资源完成本课程的两个重要环节：自主学习和研究性学习。
通过本课程的学习，学生不仅学到了计算机系统结构的基本知识，掌握了基本的性能分析方法，提高了分析问题的能力。还有不少学生不满足单纯本课程的学习，还主动寻求和探讨更有挑战性的实验项目。为此，我们为学生搭建了创新平台，利用CPLD现场可编程的灵活性，指导学生开展科技创新设计，不仅提高学生的实践动手能力，也促进教师科研水平的提高。本课程获得了我校教学成果一等奖，我们指导的学生在全国性各类科技创新竞赛中获奖4项，发表学术论文20余篇，学生与教师科研立项4项。
培养适应社会需求的人才是高等教育的主要目标，“个性化，特色化”的培养模式是当前学生培养的主流。如何在教学中突出特色，培养专业基础扎实、动手能力强、具有创新意识的学生是教学改革的主要目标，也是我们需要不断探索和实践的课题。
参考文献：
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[关键词] 计算机管理系统关键技术结构体系
计算机管理系统主要应用于各类计算机商务领域和计算机实验室（包括网吧），实现计算机管理的信息化和网络化，为此系统的开发必须遵循安全可靠、稳定、维护性好等原则，以便于系统既能满足目前的需要，又能适应将来扩展的需要。
一、系统设计关键技术分析
为了使系统能很好地满足计算机实验室管理的需要，根据调查和分析，系统的设计和研发必须考虑以下关键问题。
1.安全性
计算机实验室管理系统不同于一般的管理系统，它是集信息管理、网络控制和财务管理于一体的综合性管理系统，其中安全性要求最高的还是财务管理方面。为了提高实验室的利用效率，为使用者提供优质学习平台，各个计算机实验室都会在业余时间对外开放，所以在设计机房管理系统时，我们把安全性作为首要考虑因素。
系统的安全性包括系统本身的安全和数据的安全。系统必须既能够防止恶意的攻击，又能防止因误操作引起的数据错误。系统安全主要包括以下几个方面：
(1)如何防止使用者绕过客户端的登录界面。因为使用者一旦绕过登录界面，就会造成管理失控现象的发生，这样就不能有效地对使用者进行正常的控制和管理，整个系统形同虚设。
(2)如何防止使用者正常登录以后拔掉网线。若登录后再拔掉网线，则客户端和服务器的信息交流就会中断，管理人员同样不能对使用者进行管理，造成和绕过登录界面同样的后果。
(3)如何防止对系统的恶意攻击。如果服务器在实验过程中遭到恶意攻击，造成服务器数据的丢失或系统的瘫痪，就会给实验带来灾难性后果，直接影响到正常的实验课上课工作，造成教学事故。
(4)网络传输中数据的安全。由于对计算机和使用者的管理都是通过网络来进行的，所以网络中数据传输的安全就显得非常重要。一旦网络中的数据被截或被修改，则整个系统的功能就会紊乱，严重的会造成系统的瘫痪，带来的后果不可预测。
(5)数据库的安全。数据库中记录着整个系统正常运行时的所有数据，包括使用者的收费信息、上机记录、机房中每台计算机的信息、使用者和管理员的信息等。这些信息都是系统正常运行的保证。因此必须要保证这些信息的绝对安全。
2.系统速度
系统速度主要包括使用者登录的速度、控制消息传输的速度、使用者用机的上网速度以及服务器对各种消息的响应速度。系统速度的快慢对系统的性能有很大的影响。如果使用了计算机实验室管理系统后，造成使用者上机速度缓慢或控制信息响应很慢，则系统就失去了它的实用意义。
3.网络延时
计算机实验室管理系统中管理人员对机房的管理是通过远程控制来实现的。远程控制就是将被控制对象与控制器在地理位置上进行分离，采用一定的通信手段，来实现控制信息和反馈信息的传输。计算机实验室管理系统是基于Internet的远程控制系统，而Internet的设计初衷是为了满足资源共享，注重信息传递的准确性和传送的信息量，而非信息传递的实时性，因此不能保证远程控制系统中运动信息的实时传递。实验表明，在信息传递的过程中将产生较大的延时和一定的延时不确定性。这种情况很容易造成控制信息和数据的丢失，对网络安全和系统速度都有很大的影响，并严重影响基于Internet远程控制的性能。因此网络延时也是系统设计时不能忽略的一个重要因素。
4.合理设计数据库
系统开发时主要涉及两大问题：网络和数据库。而数据库是所有信息保存的场所，它的设计是否合理直接影响到系统软件的质量，影响到软件对数据访问的速度。建立数据库需要考虑以下几个问题：
(1)数据的一致性。由应用程序产生工作编码，要保证不同工作任务具有不同编码，工作编码具有惟一性。
(2)合理冗余。如果数据冗余低，数据的完整性容易得到保证，但增加了表间连接查询的操作，为了提高系统的响应时间，合理的数据冗余是必要的。
(3)合理选择数据的类型。数据类型的合理选择对于数据库的性能和操作具有很大的影响，因为不同的数据类型所占用的存储空间、运算速度都不一样，所以对数据类型的选择是否合理对程序性能的优劣有很大影响。
(4)数据规范化存储。规范化的数据存储不但有利于我们养成良好的数据库设计习惯，提高程序的质量，而且对日后的数据库维护也有很大的益处。
5.进程同步
保证数据能够被正确使用。系统客户端登陆到服务器时，必须使用进程同步技术保证登录数据能被服务器正确验证。
6.合理运用新技术
图1C/S模式
在开发软件过程中，如何合理运用新技术应该遵循以下三个原则:
(1)创新原则，体现先进性；
(2)经济原则，体现实用性；
(3)前瞻性原则，体现发展性。
二、C/S （Client/Server）体系结构
C/S模型可分为传统的C/S结构和三层C/S的结构。传统的C/S结构就是两层的C/S结构，它的基本思想是把集中在一起的应用划分成功能不同的两个部分，分别在不同的计算机上运行，通过它们的分工合作来实现一个完整的功能。在这两部分中，一个为服务器程序，用来响应和提供固定的服务；另一个为客户机程序，用来向服务器提出请求和要求某种服务。在系统中，服务器端运行的是服务器程序，而其他的运行的是客户机程序如图1所示。
三层的C/S结构，又称多层分布式应用系统，如图2所示。就是在客户层和数据库管理系统层之间添加一个中间层（应用程序服务器），该中间层负责完成C/S模式下的各种业务规则数据的处理任务。客户端的应用程序只需要向应用程序服务器发送简单命令，来提交用户的需求。增加中间层后，系统的性能得到了很大的提高。
图2三层C/S结构
系统的结构类似于三层的C/S结构，其中的服务器模块对管理客户端模块而言具有中间层的作用。
C/S模型具有以下特点：
首先，性能强，在C/S模式中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能，并可以在子程序间切换；
其次，具有强壮的数据操纵和事务处理能力；
再次，具有严密的数据安全性和完整性约束，提供了更安全的存取模式；
然后，降低网络的通信量；
最后，在内部局域网小范围内可以实现高速控制。
三、计算机商务系统和实验室管理系统的总体结构
经反复研究和论证，结合机房管理的实际情况，将计算机实验室管理系统分为4个模块较为合适，各模块之间的结构采取C/S模型。各模块分别是：服务器模块、使用者客户端模块、售票客户端模块和管理客户端模块。
1.服务器模块
图3机房管理系统服务器端功能结构图
对各客户端发来的信息进行响应，并通过对客户端信息的分析，来进行各种事务处理。服务器具有直接访问数据库的功能，各种客户端对数据库的访问都是经过服务器来完成的。超级用户也可以通过对服务器的操作来完成对各种客户端的控制。服务器端功能结构框图如图3所示。
2.使用者客户端模块
完成使用者登录信息的验证，使得使用者必须通过信息验证才能正常使用计算机。此外它具有使用者密码更改、余额查询、游戏控制等功能，并定时向服务器发送在线确认信息，如图4所示。
图4机房管理系统使用者端功能结构图
3.售票客户端模块
完成售票员登录信息的验证、将使用者购买机票的信息传送到服务器中，此外还具有售票员和使用者密码的更改、机时比率的设置与更改等功能如图5所示：
图5机房管理系统售票端功能结构图
4.系统的C/S结构
图6机房管理系统管理员端功能结构图
5.管理客户端模块
关键词 计算机组成原理；计算机系统结构；实验设备
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）22-0017-04
1 引言
计算机组成原理和计算机系统结构（也称体系结构）是大多数计算机类专业的基础硬件类课程，对于很多学生来说，也是两门比较惧怕的课程。除了课程内容包含较多学生看来枯燥乏味的概念、电路、算法和原理之外，有些知识点相对陈旧，一些描述模糊不清，引起学习者概念混乱甚至不明所以，更加打击了学习兴趣和热情。这导致一部分学生畏惧甚至厌烦这两门课，连带惧怕需要动手和实践的其他硬件课程，“欺软怕硬”成为较为普遍的现象。这对于计算机相关专业学生系统性地掌握计算机知识，毕业后成为适应社会多方面需要的有用人才无疑是不利的。
2 关于组成原理和系统结构的课程安排
这两门课程，计算机系统结构讲述的是概念性的体系和功能，站在软硬件分界面的角度讨论计算机硬件的结构性框架如何搭建；计算机组成则从经典的冯・诺依曼五大部件入手，分析计算机硬件组成的具体内容，包括示例性的逻辑电路和二进制算法，来讲述计算机的基本工作原理。两者站在不同的视角看待硬件问题，难免会有重叠。因此，有些学校两门课分开上，有些学校合并成一门课；国内的一些出版单位也顺势推出一些合并课本，或者干脆直接取名叫做“计算机组成原理与体系结构”，两门课程各选取了一些核心内容组在一起，搞成一个混合版本。
笔者认为这种课程合并适合一些高职高专类的院校，对于计算机类本科专业而言还是存在问题的，如学时安排方面的问题。组成原理是考研课程，要讲述透彻则学时数必须得到保证，加上实验，总学时需要60以上。体系结构重点放到流水线、多级存储层次、多处理机并行计算等现代计算机广泛采用的新技术，要想讲解清楚一般也要40学时左右。两者合并，如果学时数不能得到保证，其结果是两部分内容都讲不好；而如果一味扩大学时数，如扩充到80学时以上，又会给学生造成相当大的心理负担。本来硬件课程就是拦路虎，这样一个超大学时的硬件专业课不会有良好的教学效果。
多年前也曾经合并做过，效果并不好，后来又改回到两门课程分别开设，依据传统，先讲组成原理，紧接着一个学期开设系统结构。但现在面临一个问题：内容的取舍。很多经典的组成原理课本不知从什么时候开始夹杂很多流水线和高速缓冲存储器的内容，部分课本甚至还有多处理机方面的。这些书的作者可能想适应那些合并开课学校的用书想法，所以开始大幅增加原本属于系统结构课程中的内容。
另一个方面，考研的组成原理大纲确实包括了流水线、多级存储层次和多机系统，也就是说考研课程名虽是组成原理，实际却包括了两门课的知识点。从这个角度看，这些组成原理教材增加的篇幅包含这些内容也是合理的。问题是，上组成原理课程时怎么应对这些原本下学期才要讲述的系统结构课程中的内容？
武汉工程大学是多校联合的考试联盟出题，为了和考研内容一致，所以题目中有很多系统结构的内容。原本按照课程顺序，这些知识点都是下一学期才应该讲述的，但是为了考试，又不得不囫囵吞枣提前讲解，导致学生考试结果不理想。为了避免这种混乱，能否先讲述体系结构课程，然后讲述组成原理呢？从内在联系来看，组成原理可以看作体系结构的逻辑实现，因此先讲“干”再讲“枝”应该也行得通，涉及器件组成、数据通路、指令、二进制、中断机制等组成原理中详细讲解的部分，可以讲最基本的原理，能辅助课程理解就行。这样改变传统排课次序的做法能不能收到更好的效果？准备进行尝试。
3 CPU部分的讨论
CPU的内容很多，两门课都有大量涉及，以下讨论不再和课程挂钩，只说明哪些内容值得商榷。
CPU的发展和兼容 第一代电子管计算机，第二代晶体管计算机，这个没什么疑问；第三代、第四代都是对应集成电路，只是规模不同，量变引起质变，划到下一代也能接受；而关于第五代计算机就值得推敲了，到底第五代计算机是什么？一些教材把它划归到超大规模集成电路中去，笔者认为不妥，其实学术界从20世纪90年代就在呼唤第五代计算机，但是并没有明确是什么，而是等待采用全新技术或者全新材料的计算机问世，普遍认为光子、量子、超导、生物这几个方面有可能诞生出第五代计算机出来，遗憾的是现在仍然都处于研究阶段，所以关于计算机的划代应该到四代为止。要让学生明白，科学的发展有高潮和低谷，过10～20年强行划分新一代来说明计算机的进步没有意义，因为集成电路不能一次次由量变引发质变！
关于发展过程中的兼容，也很难明确，就拿向前和向后兼容来说，站在机器的角度来说，后面的机器能运行前面机器的软件，应该叫向前兼容，但是站在软件的角度来说，前面开发的软件要能在后面出现的机器中运行，则又成了向后兼容。两者实质上是一回事，却可以有两种说法，如果出题讨论兼容性，学生该怎么给出答案？
运算方法 各种码制、定点数、浮点数可以详述，这些是基本的，对于以后实际使用和各种编程都有好处；加减法和溢出概念作为了解计算机内部的运算原理，也可以让学生掌握；但是乘法和除法，特别是两位乘以及除法的余数校正这些东西，学生要费很大力才能弄明白，一个月后就一定会忘记得干干净净。这些属于技巧类的算法还是不要占那么多篇幅介绍为好。一些课本不再讲述各种进位制的转换，笔者认为不恰当，作为初接触二进制的学生而言，搞清各种进位制及其转换是很有必要的，至少比两位乘法或者加减交替做除法重要得多。
寻址方式 很多学生一直到毕业也没弄清寻址方式，这部分内容应该把那么多纷繁的名词简化。举例来说，基址、变址、索引、缩放、偏移、自增、自减，再加上直接、间接、相对寻址等，这些本来都是针对存储器的寻址方式，弄出这么多名词来学生不头疼才怪。其实寻址完全可以简单明了做介绍，而不拘泥于这些奇怪的名词上：数据可以在三个地方出现，分别是指令中、寄存器中、存储器中；前两种叫做立即数和寄存器寻址，第三种则区分为直接地址和间接地址，只有间接地址可以变化多端，其中基地址加上偏移量组合是最基本的形式。
关于微程序控制器 当今CPU还有多少使用微程序控制器的？即使是CISC也变脸为硬件解码后送入内部长长的类似RISC的管线系统。作为训练和实践控制器部分的手段可以讲述，毕竟一个硬逻辑的控制器很难实现，但是关于水平的、垂直的微程序甚至毫微程序这些概念还是尽量简化吧。这里面有很多难题、怪题，各种字段的分解与组合作为考试的手段也应该点到即止，毕竟谁都不会去真正设计一款复杂的微程序控制器。
4 存储器部分的讨论
主存典型芯片 还在用2114、4116作为芯片实例？对这些旧货市场都不一定买得到的东西进行详细分解，其古怪的时序、简陋的内部组成结构占据了大量篇幅，为什么不用现在市场上仍在普遍使用的简单8位或者16位存储芯片举例呢？如27系列ROM、62系列RAM。而高性能存储芯片的介绍也停留在20年前的SDRAM、早已淘汰的RDRAM/CDRAM，要知道现在已经是DDR4的时代了。
辅存 还在大力介绍软盘，甚至是8英寸软盘，而市场上3.5寸的最后一代软盘都找不到了，8寸的软盘估计博物馆里面也难得一见。磁记录的编码方式似乎也没有讲解的必要，归零制、不归零制的编码方式过时不说，实在和计算机的软硬件组成都没有太大的关系。关于硬盘方面的先进技术介绍，停留在几个G的容量、几十KB的缓存，以及IBM硬盘、昆腾硬盘等这些不知消失多久的产品上，感觉又回到了20世纪90年代。
Cache和虚存 作为两个同等重要的存储层次，讨论却都主要集中在前者，后者的重要性没有得到体现。改进Cache失效率的措施花了大量篇幅，其中有些措施根本没有任何实用价值。而编译器优化和软件控制的预取等内容本就不属于体系结构所要关心的，其算法和编程原理同样占用很多宝贵的篇幅。关于Cache技术所举的实例采用的都是20年前的芯片技术，虽然相对简单易懂，却也处于和8086在微机原理课程中作为示例CPU一样的尴尬地位。
5 I/O和总线部分的讨论
总线结构和标准 单总线、双总线、三总线甚至四总线结构的讨论，繁琐、过时且相互矛盾。就拿三总线来说，数据、地址、控制总线是三总线，局部、系统、扩展总线也是三总线，还有主存、I/O、DMA总线又是一种三总线。介绍过时的ISA、EISA、VESA乃至AGP总线有价值吗？最关键的一点，很多教材花大篇幅介绍这些淘汰技术的同时，不去直面它们的落后和淘汰的现状。不是说淘汰的技术不能介绍，作为人类曾经的技术结晶和科技历史，有必要让学生了解，但是应该把握两点：一是篇幅要小；二是明确告诉学生，这些东西都已经成为历史。
总线判优与控制 集中式判优中的链式查询和计数器定时查询究竟在什么时候什么场合出现过总应该提及一下。说独立请求方式响应最快也没有说服力，和链式查询相比较都是全硬件信号，快慢就看谁的逻辑复杂，独立请求方式一定最快的根据并不充分。
同步控制和异步控制以及串行和并行方式是总线控制的两个主要内容，应该针对具体的总线实例加以分析。一些习题或者课本说同步比异步方式快，或者并行方式比串行方式快，笔者认为这些都是欠妥的，当今高速异步串行总线的带宽有目共睹。总线的快慢，和是否串并行、是否同步异步没有直接的对应关系。
I/O接口与设备 很多查询、中断、DMA等接口电路的组成都给出实现的电路图，这些图在实际应用中不会采用，对学生而言复杂晦涩，他们还错觉地认为这些电路才是标准的I/O接口。其实实现接口的方式和原理有多种，详细介绍接口具备的功能应该比介绍这些电路图有意义得多。
CRT显示器和CRT控制器，随机扫描和光栅扫描，伪彩色、CGA、EGA等，讲述的课本不在少数。笔者20年前的课堂上就讲过这些，现在再讲实在味同嚼蜡。关于多媒体电脑、多媒体专用芯片甚至多媒体操作系统这些概念，同样显得和时代格格不入，20年前这些说法可能代表新技术，而在全民手机都能处理多媒体的今天，这些说法本身似乎都失去了意义。
中断向量 本来向量的含义就是借用物理中定向指向的概念，去说明中断后自动转到相应的位置去实现中断服务，一些教材却在中断向量、向量中断、中断入口、向量地址等环节上反复纠缠，用一些模棱两可的用词去“加深”学生的理解，实际的效果却和“干扰”无异。类似的还有所谓存储单元、存储元、存储字、存储字长、机器字长、读写周期、存储周期、总线周期、机器周期等，非要让学生区分得清清楚楚，恐怕很难，况且这些概念本身就有相交之处。就拿中断向量来说，究竟是硬件切换出来的向量地址，还是向量地址中存放的服务程序入口，谁能说得清？还有总线周期和存储周期，当总线上传递存储单元信息时就是一回事。这些细微差别的概念即使要作为考题也要慎重，笔者多次碰到引起歧义的答案。
中断屏蔽和优先级 本来是两个很清楚的概念，各自的用途也非常明确，一旦把所谓的低优先级去中断高优先级的特例弄进去（暂不说这种做法有什么实际意义），一切都变得复杂起来。画中断响应轨迹图是很多题目最喜欢的，实际应用中若是出现像轨迹图那样乱七八糟的中断嵌套，系统很容易彻底崩溃。这些低优先级中断去嵌套高优先级中断的非常规做法还是不要复杂化。
6 实验环节与课程设计
实验课一般以某种实验箱为实验设备，把经典的运算器、存储器、数据通路（总线）、控制器等几个大的组成部分作为实验内容，去加深课堂相关内容的理解。课程设计则是依托实验箱的硬件构造，去设计一个具备更加复杂功能的部件或者组成一台能运行简单指令集的模拟整机。这种做法对于大多数普通院校的学生而言没有什么问题，少数重点大学使用FPGA设计CPU软核并在模拟机中移植某种操作系统作为课程设计则属于高端要求，这里不加分析。
要讨论的是这种传统实验箱做经典组成实验中遇到的问题，通过对几个厂家的组成原理实验箱的对比，发现它们都有如下特点。
1）采用开放式的面板，把所有部件以及连接线的插孔都安排在这个面积很大的面板上，所有元件和芯片。
2）运算器使用74181或者在可编程逻辑器件中使用该芯片逻辑，以配合教材内容。
3）存储器使用普通SRAM或者双端口SRAM。
4）控制器以微程序控制方式为主，使用非易失性存储器构成控存单元。少部分也提供硬逻辑控制器，用可编程逻辑器件构成。
5）大量使用开关和LED作为输入输出部件，信号连接使用针孔配合的导线。
6）说明书和实验指导书普遍不严谨，文字和图表错误很多，印制粗糙，且基本上都不提供电子版。
以上特点的组成原理实验箱往往还兼顾微机原理或者体系结构，甚至还有数字逻辑的课程实验。总体来说，它们会导致以下一些问题。
1）很大面积的电路板且，即使上面有分割各个模块的线条，仍然觉得庞杂凌乱，想找一个信号会非常不便，令学生望而生畏。因为要照顾到多门课程，所以一些电路单元在某门课程中就会用不上，还要增加切换电路的模式开关。这些都使操作复杂化，容易造成仪器损坏。一般来说，三年左右损坏率可以达到50%以上。
2）连线普遍采用插头和插孔的配合形式，差别在于有的型号粗、有的型号细，有的深、有的浅。这种连接方式太紧了插拔不方便容易断线，太松了接触不良；而且随着实验的复杂，面板上的线像一团乱麻，什么都看不清楚，即使采用了长短不一和不同颜色的导线加以区分，仍然不能解决问题，非常不便于调试和观察。
3）输入和输出方式操作复杂，更不直观。用二进制表示的拨动开关和LED管，输入的每个数据都要拨8次开关才能完成，输出的数据因为是LED表示的二进制信息，不易于识别。这两种形式的I/O还存在占用面积大，故障率高的缺点。
7 总结
计算机是发展很快的一门实践和工程类学科，不管是软件还是硬件皆是如此。软件类的书籍更新很快，当下的的开发工具和语言可能几年后就没有了用武之地，除了某些描述算法和原理的理论书籍，如数据结构、编译原理之类，更新周期可能较长。
相比软件类课程而言，硬件课程一个版本可能坚持更长时间，有些教材甚至有十年以上的生命周期，如传统的电路原理、数字逻辑类的课程。那么，计算机组成原理和系统结构作为硬件基础课程，是不是也能多少年不用更新呢？即使一些内容已经时过境迁，仍然堂而皇之地出现在教材里面，导致一部分了解这些内容的学生产生抵触情绪。不能追踪新技术的硬件课程对学生的学习积极性和学习效果都是有消极影响的。
本文希望能起到抛砖引玉的作用，引起教材作者和实验设备开发人员的重视，对相关内容及时更新或者删除，对设备中的不足加以改进，更好地促进计算机组成原理和计算机系统结构两门课程的发展。■
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关键词：计算机体系结构；软件模拟技术；发展；措施
随着现代信息技术的飞速发展，计算机已经成为系统设计及信息处理的核心工具。体系结构软件模拟技术对于计算机系统而言是必不可少的技术手段，通过体系结构软件模拟技术能够不但最大程度的降低系统设计的费用以及时间，而且也极大提高了设计效率和质量。计算机体系结构软件模拟技术说白了就是通过现有的计算机应用软件，对系统硬件在计算机系统结构中的使用情况以及性能进行模拟，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的技术优势和成本优势，因此，其目前已经成为计算机系统设计中必不可少的手段。在分析计算机体系结构软件模拟技术研发过程中所遇到问题的同时，也提出了解决问题的有效策略。
一.计算机体系结构软件模拟在研发中存在的问题
计算机体系结构软件模拟技术m然具有一定的优势，但也有一定的技术难题制约着其发展，例如计算机体系结构软件模拟器的开发难度大、软件模拟器的处理精度较差等。
（一）计算机体系结构软件模拟器的研发具有一定的难度
众所周知，计算机信息处理系统及其复杂，如果仅通过软件模拟器就想体现其在运行过程中，计算机系统内部各个部件的工作状态，几乎是不可能的。将复杂化的计算机系统进行简单化处理最有效的方式就是对计算机系统进行分层处理。而体系结构就是在这个基础上简化了系统，但经过分层处理之后的计算机系统，对于人们研究来说还是很复杂。另外，当前计算机系统的编程语言都是采用串行结构的C语言，利用C语言对系统内部元件进行模拟，不但耗时严重，而且如果中间一旦出现失误，那么整个编程语句将无法运行[4]。
（二）模拟器的处理精度较差
软件模拟器的运行精度较差主要是因为模拟器在研发过程中的设计不合理，或者是模拟器没有应用合理的策略。软件模拟器的开发主要经历三个步骤，首先是模拟器在理论上的研究及设计思路，其次是设计符合计算机系统的模拟器，最后则是实现模拟器的正常功能。软件在研发的过程中如果出现失误，对于第一个步骤而言，很有可能出现不能够正确分析计算机系统的各种模拟需求。对于第二个步骤而言，所造成的设计失误极有可能就是不能够正切构建计算机系统的内部，导致模拟器的错误设计。另外，模拟器的运行时间也会影响模拟器的使用精度，运行时间越长，则使用精度就越差。总而言之，计算机体系结构软件模拟器的设计之所以对软件模拟技术很重要，则是因为其还是计算机系统设计中的重要内容。甚至可以说，软件模拟器的质量决定者计算机处理器的设计质量和效率。
二.解决计算机体系结构软件模拟技术研发问题的措施
（一）降低计算机系统性能测试程序中的输入参数
为了缩短对模拟器的性能测试的程序运行时间，首先要在不改变标准化的计算机系统性能测试中的运行指令的前提下，对计算机系统性能检测程序中的输入参数进行科学合理的更正，这种方式不仅能够利用少量的输入参数使模拟器正常运行，而且还保证了模拟器运行结构准确代表计算机系统各个程序指令的模拟运作结果，不仅提升了模拟器运行的精度，而且还有效的降低了模拟器在运行性能检测程序过程中的运作时间[5]。
（二）减少运作模拟程序指令数量
在对计算机体系结构软件的性能进行标准性能检测程序的过程中，要科学合理的采用正确的模拟程序指令进行操作，并用这些指令运作的结果代替原有的运作结果。经研究发现，准确的模拟程序指令是提高模拟运作速度和精度的最佳方法。通常情况下，可利用统计方式抽样选择运行程序指令和直接性截获连续程序指令这两种方式选择运作模拟程序指令。其中，直接性截获连续程序指令的操作过程与统计方式抽样选择运行的程序指令方式相比较为容易，但缺点就是精度低，而统计方式抽样选择运行程序指令虽然操作过程较为复杂，但其模拟精度高。
三.总结
随着计算机系统更新频率的加快，计算机体系结构软件模拟技术的重要性日益凸显，从上述内容可得知，计算机体系结构软件模拟技术的工作内容主要是针对计算机中央处理器以及计算机系统设计。模拟技术水平在很大程度上影响着计算机系统的设计效果和计算机处理器的制作水平。其次，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的优势，所以其注定将成为信息时代人们关注和研究的重点问题。而计算机体系结构软件模拟技术也必将会计算机体系结构的重点技术。
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1计算机网络管理技术进入21世纪，信息化进程不断加快，计算机网络的客户越来越多，规模越来越大，各种服务越来越齐全，管理起来也就需要越来越多的技术手段作支撑。但是，传统的信息管理技术显然不能跟上时代的潮流，为计算机网络的管理带来了新的问题。这就需要不断进行创新和完善，不断解决计算机网络中出现的各种问题。不断促进计算机管理技术的革新，可以有效的进行计算机网络管理，保证计算机网络信息的完整性、安全性、可靠性。2计算机网络终端设备计算机网络终端设备拥有较高的安全性能是提高计算机网络系统安全性能的重要途径，这样可以更好地为终端用户服务，对于提高计算机网络信息的安全性、可靠性具有重要意义。这就需要不断促进终端设备的完善。3计算机网络拓扑结构星型结构、总线性结构、环形结构以及混合型结构共同构成了计算机网络拓扑结构。每个结构的特点也是不相同的。星型结构的节点在网络是相互独立存在的，但是它们是互相联系的。非中心节点出现故障时对其他节点不会产生影响，到那时中心节点出现问题时，将会影响到整个网络出现问题。总线型结构的可靠性比较高，一个节点出现问题时，不会影响到其他的节点。环形结构的可靠性也比较差，当任一节点出现问题时也会造成其他节点的不稳定，甚至瘫痪。这也就是说，在选择计算机网络拓扑结构的时候应该选择可靠性较高的一种，总线型结构是一个不错的选择。这样，对于整个计算机网络系统的性能的提高也有重要意义的。
二、促进计算机网络可靠的具体措施
1增强计算机网络系统的冗余能力计算机网络系统的冗余能力对计算机网络系统的影响也是比较大的，可以大大提高计算机网络系统的可靠性。所以，为了提高整个计算机网络系统的安全性能，可以采取措施增强计算机网络系统的冗余能力。总的来说，双网络结构可以提高计算机系统的冗余能力，双网络结构就是指增加计算机网络系统的备用系统，在常用的网络系统上，依靠备用的网络系统，促进各个节点之间的交错连接。将每个节点的独立性提高上来，出现节点故障时，也就不会造成整个网络系统的瘫痪。这样也就将计算机网络系统的安全性和可靠性能大大提高了很多。2优化计算机网络系统的多层次结构计算机网络系统主要包括三层结构，即核心层、汇聚层和接入层。核心层是计算机网络系统进行网上数据传输的层次。所以，为了提高数据传输时的稳定性能，要尽可能的减少节点数量，提高数据传输的性能，间接地提高计算机系统的可靠性能。汇聚层是对网络数据进行管理的节层，它可以集数据的收集、传输、管理于一个整体。该节层对数据的管理的性能也直接影响到整个计算机网络系统的性能。可以将系统的汇聚线路进行整合、捆绑，减少数据管理的中间过程，避免造成数据的丢失和数据的混乱。接入层，就是整个计算机网络系统的接口，属于终端接口。该节层的使用效率是与数据传输的数量密切相关的，工作量越大，该层的性能就会越低。为了提高计算机网络的可靠性，就要适当减少该层承受的工作量，减少网卡的承载数据量，优化数据接收模式等。
三、结束语
>> 试论计算机体系结构的软件模拟技术 计算机体系结构软件的模拟技术研究 浅析计算机体系结构软件的模拟技术 计算机体系结构综述 基于卓越计划的“计算机体系结构”课程教学模式探讨 浅谈计算机体系结构软件模拟技术 计算机体系结构软件模拟技术 计算机体系结构软件模拟技术探讨 计算机体系结构软件模拟技术分析 《计算机体系结构》教学设计与课件制作 “计算机体系结构”课程实验教学建设 计算机体系结构的发展及技术问题探讨 独立学院“计算机体系结构”课程建设的探索与实践 基于Web的虚拟仿真器在《计算机体系结构》本科教学中的应用 高性能计算机体系结构综述 数据库系统在计算机体系结构中的应用 “计算机体系结构”国家精品课程的特色与建设经验 探讨综合电子系统嵌入式计算机体系结构 可重构并行计算机系统计算机体系结构研究的进展 计算机软件应用体系结构模型研究 常见问题解答 当前所在位置：l.
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