導(dǎo)言：作為寫作愛(ài)好者，不可錯(cuò)過(guò)為您精心挑選的10篇計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）32-0260-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，算機(jī)已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息處理的核心工具。體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言是必不可少的技術(shù)手段，通過(guò)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)能夠不但最大程度的降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的費(fèi)用以及時(shí)間，而且也極大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)說(shuō)白了就是通過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，對(duì)系統(tǒng)硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的使用情況以及性能進(jìn)行模擬，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，因此，其目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的手段。

1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展過(guò)程及其現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的中央處理單元的變化下產(chǎn)生的。二十世紀(jì)末，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)收集計(jì)算機(jī)運(yùn)作的數(shù)據(jù)信息，并完成執(zhí)行程序指令。另外，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)深入把握計(jì)算機(jī)的運(yùn)作數(shù)據(jù)信息，并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部中央處理單元的組成結(jié)構(gòu)以及其具備的特點(diǎn)做詳細(xì)的分析研究，并堅(jiān)持其所存在的漏洞問(wèn)題。因此，數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)也被稱為基于執(zhí)行程序指令而形成的一種靜態(tài)模擬技術(shù)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，因此，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息驅(qū)動(dòng)技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，也就出現(xiàn)了能夠分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)。分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)不僅提高了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且也實(shí)現(xiàn)了降低計(jì)算機(jī)技術(shù)的研發(fā)成本以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗概率。此后，分析計(jì)算機(jī)性能技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但由于其不能夠準(zhǔn)確地反映出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的一些細(xì)小問(wèn)題，且適用范圍較小，因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為了提高了精確程度，擴(kuò)大適用范圍，于是對(duì)該技術(shù)再次進(jìn)行改進(jìn)完善，于是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)就在這個(gè)背景下誕生了。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，計(jì)算機(jī)中央處理器目前的研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中，有百分之六十的科研經(jīng)費(fèi)都被投入軟件模擬和性能評(píng)估兩方面。從理論上講，軟件和硬件相比，前者的開(kāi)發(fā)成本及周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者的開(kāi)發(fā)成本和周期，并且軟件開(kāi)發(fā)比硬件開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，靈活性強(qiáng)以及成本低是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)得到推廣使用的主要原因。然而，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的研發(fā)的技術(shù)性要求極強(qiáng)，所以其也面臨著眾多技術(shù)難題，這些難題對(duì)其發(fā)展都起到了阻礙作用[2]。

2 與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)相關(guān)的一些概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸建立較為成型的技術(shù)規(guī)范，在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的過(guò)程中，有不少具有創(chuàng)造性的模擬技術(shù)出現(xiàn)，而且其相關(guān)概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人們都習(xí)慣性的將其畫上等號(hào)，例如仿真和模擬兩個(gè)概念，通過(guò)以下定義區(qū)分開(kāi)模擬和仿真兩個(gè)概念。

1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真是指通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件或軟件的方式，對(duì)計(jì)算機(jī)模擬器產(chǎn)生的某種模擬結(jié)果進(jìn)行模仿。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)仿真的主要目的是在另一個(gè)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)已知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能，使另一個(gè)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與原計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣的計(jì)算結(jié)果，而對(duì)于計(jì)算過(guò)程是不太重視的。

2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬則是根據(jù)硬件或軟件的工作狀態(tài)來(lái)模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程，其主要目的是為了開(kāi)發(fā)和預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)未來(lái)的功能和性能，因?yàn)槭茄芯坑?jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程，所以對(duì)于計(jì)算結(jié)果也不太重視。

隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的仿真漸漸屬于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬，因?yàn)轶w系結(jié)構(gòu)模擬要先通過(guò)正確的輸出結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)模擬方式是否可行，其次在研究計(jì)算的過(guò)程。例如在計(jì)算體系結(jié)構(gòu)模擬過(guò)程中，模擬器運(yùn)行是按照一個(gè)程序進(jìn)行的，而承載模擬器的主機(jī)則是按照領(lǐng)一套程序進(jìn)行的，這樣就會(huì)造成指令沖突。因此必須要將模擬器上的運(yùn)行指令實(shí)先翻譯為主機(jī)上的程序指令，那么能實(shí)現(xiàn)由模擬器指令轉(zhuǎn)化為主機(jī)運(yùn)行指令的工具稱為指令集仿真器。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)仿真已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬的一部分，是計(jì)算機(jī)體系模擬的基礎(chǔ)條件。

3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬的分類

3.1 體系結(jié)構(gòu)模擬器分類的分類

1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)模擬器的分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，根據(jù)處理器的實(shí)際數(shù)量，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分為單個(gè)處理器和多個(gè)處理器系統(tǒng)模擬兩種。單個(gè)處理器是利用一個(gè)處理系統(tǒng)模擬器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件模擬工作，而多處理器是由多個(gè)處理器共同工作，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存資源共享。根據(jù)模擬目標(biāo)的差異，模擬器又可分為功能模擬、耗能模擬、性能模擬及發(fā)熱模擬技術(shù)[3]。其中性能模擬與其他三個(gè)模擬相比，其發(fā)展的最迅速。但是隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的是計(jì)算機(jī)的耗能問(wèn)題，因此，耗能模擬在不久將會(huì)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另外，模擬器還可以根據(jù)開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行劃分，可分為串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，其中串行結(jié)構(gòu)是利用C語(yǔ)言的編程語(yǔ)言執(zhí)行編程指令的，能夠?qū)崿F(xiàn)直接描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）08-1952-02

1 概述

當(dāng)前，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)性能提出越來(lái)越高的要求，這使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，摩爾定律才能描述處理器的復(fù)雜程度增長(zhǎng).截止到現(xiàn)在，單片的處理器已經(jīng)含有10億多個(gè)晶體管，而制造如此復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要付出高昂的資金成本和時(shí)間成本.一般情況下，生產(chǎn)一款處理器經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證與評(píng)估、邏輯的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等多道階段，其中每個(gè)階段都需要多次重復(fù)制造以保證處理器的質(zhì)量。生產(chǎn)一款處理器在時(shí)間上一般需要花費(fèi)4至7年，有時(shí)候甚至需要更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)整個(gè)過(guò)程的資金投入也是非常巨大的。在批量生產(chǎn)某款處理器之前，首先需要制造出若干該款處理器，并對(duì)其評(píng)估測(cè)試，不斷地發(fā)現(xiàn)缺陷并修改，直至設(shè)計(jì)出符合要求的處理器。雖然這種方法科學(xué)，但其并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樾绿幚砥髂呐律a(chǎn)一個(gè)，也需要較高的成本和較長(zhǎng)的周期。所以研究人員為了克服這個(gè)局限開(kāi)發(fā)出了能夠精確到時(shí)鐘的體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)。

2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的概述

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的主要作用就是采用軟件技術(shù)模擬在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級(jí)別中計(jì)算機(jī)某些系統(tǒng)硬件的性能和功能特征。采用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)驗(yàn)證和評(píng)估體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)制造和設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)處理器的過(guò)程中，物力與人力資源中大約超過(guò)百分之六十都用在了對(duì)新處理器的驗(yàn)證與評(píng)估中。我們都知道開(kāi)發(fā)軟件與開(kāi)發(fā)復(fù)雜程度相同的硬件相比，其開(kāi)發(fā)成本較低和開(kāi)發(fā)周期更短，并且與硬件相比軟件更容易修改，其靈活性更強(qiáng)，因此如果運(yùn)用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估不僅可以大大縮短計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期還能夠大幅度降低開(kāi)發(fā)成本。所以，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證評(píng)估許多體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，在眾多方案中選擇出最優(yōu)的方案。

3 軟件模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題

3.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器的開(kāi)發(fā)難度較大

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，要想把所有門電路或者晶體管等各個(gè)方面的特征都通過(guò)軟件進(jìn)行模擬是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照層次來(lái)抽象是對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜程度進(jìn)行簡(jiǎn)化的常用方法，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行簡(jiǎn)化而來(lái)的。但是，根據(jù)結(jié)構(gòu)層次簡(jiǎn)化出來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍然非常復(fù)雜，這使得開(kāi)發(fā)其模擬器也十分困難。還有目前主要還是運(yùn)用C或者C++編程語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)的軟件模擬器，采用這些串行結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言固有機(jī)制，比如函數(shù)或者類對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的部件行為和功能進(jìn)行模擬，是非常容易出錯(cuò)并且耗時(shí)的過(guò)程。所以，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬器一般都還是在現(xiàn)存模擬器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或者二次開(kāi)發(fā)以適應(yīng)開(kāi)發(fā)者的要求，如果從0開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)發(fā)是非常不容易的。實(shí)際上，改進(jìn)或者二次開(kāi)發(fā)現(xiàn)存模擬器的方法仍然具有較大的難度，因?yàn)槿藗冞€是經(jīng)常懷疑模擬器的結(jié)果。所以還需要反復(fù)驗(yàn)證模擬器本身，以增強(qiáng)模擬器評(píng)估體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可信度。這無(wú)疑在側(cè)面加大了模擬器的開(kāi)發(fā)難度。

3.2 模擬器在評(píng)估新設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)

作為在宿主機(jī)上的一個(gè)運(yùn)行程序，模擬器在對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)模擬的時(shí)候，這個(gè)運(yùn)行程度需要在時(shí)鐘周期的級(jí)別上記錄動(dòng)態(tài)指令運(yùn)行出來(lái)的所有結(jié)果和處理器狀態(tài)，比如分支預(yù)測(cè)器狀態(tài)、Cache和內(nèi)存行為和寄存器狀態(tài)燈，這些都有巨大的數(shù)據(jù)量，嚴(yán)重降低了詳細(xì)模擬的運(yùn)行速度。像比較成功的SMARTS軟件模擬器運(yùn)行速度達(dá)到了9 MIPS，跟宿主機(jī)的硬件相比而言它的運(yùn)行速度大約慢了4個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著處理器的性能日益提高，國(guó)際組織SPEC為對(duì)通用處理器性能進(jìn)行評(píng)估而不斷新標(biāo)準(zhǔn)程序包以測(cè)試性能。在這些標(biāo)準(zhǔn)化性能的測(cè)試程序包含有多個(gè)極大負(fù)載的性能測(cè)試程序，從多個(gè)角度對(duì)處理器性能進(jìn)行測(cè)評(píng)。為了保證模擬結(jié)果更加可信，在模擬器中運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化性能的測(cè)試程序包是很自然的方法。對(duì)硬件來(lái)講運(yùn)行這么慢的模擬速度也是一個(gè)負(fù)載極大的測(cè)試程序，必定有非常長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。依據(jù)不同的模擬目的，參考使用輸入?yún)?shù)的情況下其運(yùn)行時(shí)間有可能也要幾年甚至幾十年，另外在體系結(jié)構(gòu)層次中有較多參數(shù)可以配置，像Cache大小等，況且這些參數(shù)并不是獨(dú)立地影響整個(gè)系統(tǒng)，，所以每次修改某個(gè)參數(shù)時(shí)，還需要重新從頭開(kāi)始運(yùn)行模擬測(cè)試程序，查找其對(duì)系統(tǒng)的影響。要想得到一個(gè)很好的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，模擬運(yùn)行需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

3.3 模擬器運(yùn)行結(jié)果的精度很低

開(kāi)發(fā)模擬器的過(guò)程主要分為理解目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)、針對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬器和實(shí)現(xiàn)模擬器的三個(gè)步驟，在以上三個(gè)步驟中可能存在著很多錯(cuò)誤。在第一步中，要正確分析模擬器的需求，這也是在軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的現(xiàn)象，常犯的錯(cuò)誤就是未能正確分析其需求。在第二步中，雖然對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)能夠正確理解，但還是經(jīng)常因?yàn)楹雎粤擞?jì)算題體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)而導(dǎo)致了錯(cuò)誤。在實(shí)現(xiàn)模擬器時(shí)，對(duì)模擬器進(jìn)行編碼是非常容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的。另外，由于模擬器運(yùn)行模擬的時(shí)間較長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)人員往往只是執(zhí)行測(cè)試程序中的部分指令來(lái)代替整體的效果，這樣也嚴(yán)重降低了模擬器運(yùn)行結(jié)果的精度。導(dǎo)致模擬結(jié)果的精度較差的重要原因就是選取運(yùn)行的指令不恰當(dāng)。所以當(dāng)前在國(guó)際上研究的熱點(diǎn)指向了如何在標(biāo)準(zhǔn)化性能測(cè)試的程序中選取部分指令來(lái)運(yùn)行。

4 軟件模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)面臨問(wèn)題的解決策略

針對(duì)以上三種問(wèn)題，目前學(xué)者已經(jīng)對(duì)其解決策略進(jìn)行了大量的研究，我認(rèn)為主要還是從以下兩個(gè)策略進(jìn)行改進(jìn)：

4.1 減少性能測(cè)試程序中的輸入?yún)?shù)

對(duì)性能測(cè)試程序中的參數(shù)集進(jìn)行科學(xué)地修改以減少模擬器運(yùn)行性能測(cè)試程序時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。這種方法仍然運(yùn)行測(cè)試程序中的一切指令，只是采用較少的輸入?yún)?shù)來(lái)運(yùn)行模擬，并將其模擬運(yùn)行的結(jié)果來(lái)代替原本輸入?yún)?shù)集運(yùn)行的結(jié)果。這種方法在一定程度上可以提高提高模擬器運(yùn)行的精度。

4.2 減少運(yùn)行模擬指令的數(shù)量

在采用標(biāo)準(zhǔn)化性能的測(cè)試程序中，科學(xué)地選取一部分模擬指令對(duì)其運(yùn)行，用這一部分模擬指令的運(yùn)行結(jié)果替代原本運(yùn)行的結(jié)果。提高模擬精度和運(yùn)行速度的關(guān)鍵就在于如何科學(xué)選取用于運(yùn)行的部分指令，通常有兩種方法：直接截取連續(xù)指令和采用統(tǒng)計(jì)方法抽樣選取指令。這兩種方法相比而言，第一種方法操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是其模擬精度降低，第二種方法運(yùn)行統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行抽樣，操作起來(lái)可能比較復(fù)雜，但是其精度有所提高。

5 小結(jié)

作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理器中的必須工具，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量水平和處理器制造水平的直接影響因素，這也是該技術(shù)成為目前研究熱點(diǎn)的重要原因。我認(rèn)為還需要有更多的專業(yè)人員從事研究該技術(shù)的工作中來(lái)，只有這樣才能有效加快我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提升其在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李經(jīng)松，陳朝暉.軟件總線體系結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2012（4）.

[2] 閆建紅，彭新光.可信計(jì)算軟件構(gòu)架的檢測(cè)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（11）.

篇3

中圖分類號(hào)：G036 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）22-00273-01

現(xiàn)在，單片處理器的晶體管數(shù)量已超過(guò)10億。這樣就給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制造帶來(lái)了資金成本和時(shí)間成本上的大幅度增加。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)制造處理器需要經(jīng)很多個(gè)設(shè)計(jì)和制造階段，包括：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估和驗(yàn)證，邏輯設(shè)計(jì)評(píng)估與驗(yàn)證，電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證，布局設(shè)計(jì)，最后才能進(jìn)入生產(chǎn)階段，才可以走進(jìn)社會(huì)生活中。并且為了保證質(zhì)量，這些過(guò)程通常都要重復(fù)很多次。研發(fā)一款新的處理器一般需要4――7年的時(shí)間，而處理器量產(chǎn)之前，還必須制造出樣本進(jìn)行實(shí)測(cè)，如果有問(wèn)題還要重復(fù)制造樣本并進(jìn)行不斷修改，反復(fù)進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證的過(guò)程，我們知道，電子產(chǎn)品在沒(méi)有量產(chǎn)前，單個(gè)的生產(chǎn)成本是非常高的，這些問(wèn)題就造成了處理器的研發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)間成本和資金成本大幅度上升，甚至讓許多研發(fā)企業(yè)無(wú)力承受。為了解決這個(gè)問(wèn)題，計(jì)算體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)就成為研發(fā)人員的首選。這種技術(shù)可以精確都時(shí)鐘級(jí)別，從根本上解決了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研發(fā)的長(zhǎng)時(shí)間和高成本問(wèn)題。

1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 萌芽階段

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，最初，計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)的結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)建立，但是處理器技術(shù)并不完善，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行也不能進(jìn)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(shè)計(jì)也非常緩慢，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的軟件模擬技術(shù)在不斷的探索中緩慢前行。上世紀(jì)八十年代，我國(guó)的計(jì)算技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不懈的研究，我國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在獨(dú)立操作數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和處理器高效利用技術(shù)兩方面有了新的突破。至此，軟件系統(tǒng)可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行更好的運(yùn)行，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制也更為便捷。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是以收集和處理技術(shù)為基礎(chǔ)的。所以，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中要收集大量的數(shù)據(jù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)在計(jì)算機(jī)處理器平臺(tái)上對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和設(shè)計(jì)。這是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)發(fā)展的重要前提，技術(shù)人員由此掌握了計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)建設(shè)的大量數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)。

1.2 技術(shù)研發(fā)階段

在總結(jié)了技術(shù)探索階段的各種數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)之后，技術(shù)研發(fā)的方法已經(jīng)非常明確，研發(fā)人員運(yùn)用性能分析模擬技術(shù)改良了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這樣，團(tuán)建模擬技術(shù)就可以在處理器中進(jìn)行合理運(yùn)用。計(jì)算系統(tǒng)的質(zhì)量得到了大幅度的提高，軟件模擬技術(shù)也開(kāi)始被廣泛運(yùn)用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件的研發(fā)中。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件的模擬技術(shù)可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行更加順利和有效的控制，再結(jié)合性能分析模擬技術(shù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)成本急劇下降。這樣就降低了技術(shù)研發(fā)階段的風(fēng)險(xiǎn)，從根本上節(jié)省了大量的時(shí)間成本和資金成本，保障了研發(fā)單位的經(jīng)濟(jì)利益。在技術(shù)研發(fā)時(shí)，還要考慮到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)升級(jí)、實(shí)際應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)用性大幅度提高，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作能力成倍增加。但是在技術(shù)研發(fā)階段，對(duì)模擬器運(yùn)行的狀況一定要進(jìn)行合理和有效的控制，只有準(zhǔn)確控制模擬器的運(yùn)行，才能運(yùn)用結(jié)構(gòu)軟件的模擬技術(shù)改良計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提高模擬技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用效果。

2.開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)面臨的問(wèn)題

2.1 設(shè)備的研發(fā)難度非常之高

計(jì)算機(jī)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)，要想實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)上模擬運(yùn)用計(jì)算機(jī)的各個(gè)電路及晶體管等技術(shù)是非常困難的。如果籠統(tǒng)地將計(jì)算機(jī)的各種特點(diǎn)都運(yùn)用軟件系統(tǒng)模擬是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次劃分技術(shù)，使原本復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變得相對(duì)簡(jiǎn)單化。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行層次劃分。簡(jiǎn)化后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性依然很高，給模擬設(shè)備的開(kāi)發(fā)造成了很大困難，目前計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬設(shè)備的開(kāi)發(fā)主要利用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行，這種串行結(jié)構(gòu)編程語(yǔ)言給模擬器的實(shí)際開(kāi)發(fā)造成了長(zhǎng)時(shí)間、高成本的問(wèn)題。

2.2 模擬設(shè)備京都偏低，運(yùn)作效果差

模擬設(shè)備的精度低，效率差也是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬設(shè)備開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)模擬器的具體要求未能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析研究；未能透徹理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的真正目的；對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的細(xì)節(jié)問(wèn)題不夠重視，這些都大大增加了錯(cuò)誤率。另外，模擬器的編碼過(guò)程要求也非常高，不能出現(xiàn)任何的紕漏。一般的研究開(kāi)發(fā)人員將整體的運(yùn)行效果用檢測(cè)流程中的部分程序指令代替，造成了模擬設(shè)備精度低的問(wèn)題。

3.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)中問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略

3.1 將檢測(cè)流程中的執(zhí)行指令進(jìn)行合理減少

性能檢測(cè)流程中標(biāo)準(zhǔn)化指令是不能改變的，但是可以在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)系能檢測(cè)流程中的執(zhí)行指令進(jìn)行科學(xué)而合理的減少和更正，使模擬器的運(yùn)行結(jié)構(gòu)能表現(xiàn)整體運(yùn)行效果。這樣就可以使模擬器的運(yùn)作時(shí)間大幅度減少，縮短運(yùn)行周期。

3.2 對(duì)模擬程序的指令數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)減少

選擇準(zhǔn)確的模擬程序指令代替原系統(tǒng)整體運(yùn)作結(jié)果，對(duì)模擬程序的指令數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)減少，可以提高模擬系統(tǒng)的精確度。在選擇模擬程序指令的時(shí)候，借以采取抽樣選擇程序指令或者是直接截獲連續(xù)性指令的方式。而直接結(jié)構(gòu)連續(xù)性指令在實(shí)際運(yùn)用中由于操作容易，準(zhǔn)確度偏低；所以，實(shí)際操作中一般采用抽樣統(tǒng)計(jì)的方式選取程序指令。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前社會(huì)已進(jìn)入數(shù)字化和信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在人們的日常生活和工作中運(yùn)用程度越來(lái)越高，人們對(duì)計(jì)算機(jī)的系能也不斷提出更高的要求。因此，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)軟件的模擬技術(shù)的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，成為軟件開(kāi)發(fā)必不可少的條件。計(jì)算機(jī)應(yīng)用功能的完善需要開(kāi)發(fā)人員不斷探索和研究。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，技術(shù)人員要采用正確而有效的方式應(yīng)對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。這樣才能有效降低軟件開(kāi)發(fā)的周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，并開(kāi)發(fā)出實(shí)用性高的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。

參考文獻(xiàn)

[1] 李經(jīng)松，陳朝暉.軟件總線體系結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用.2012（04）.

篇4

中圖分類號(hào)：TP303

計(jì)算機(jī)的發(fā)展大體上可以分為兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段分別是：串行階段以及并行階段。所謂并行計(jì)算機(jī)，是在串行計(jì)算的基礎(chǔ)上，使得許多組處理單元相互協(xié)調(diào)、相互調(diào)度來(lái)完成數(shù)據(jù)以及計(jì)算等處理的方式。基于馮諾依曼的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分成CISC的體系結(jié)構(gòu)以及基于RISC的體系結(jié)構(gòu)。

1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀

人們的溝通以及工作的效率因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到了很大程度上的提高。在現(xiàn)代的微處理器中，大體上可以將其體系結(jié)構(gòu)分成兩大類，這兩大類分別是：基于CISC的體系結(jié)構(gòu)以及基于RISC的體系結(jié)構(gòu)?；贑ISC的體系的芯片有x86（intel）；基于RISC的體系的芯片有power pc、sparc等等。無(wú)論是哪一種結(jié)構(gòu)，人們?cè)谠O(shè)計(jì)芯片的時(shí)候，都會(huì)注重以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）計(jì)算機(jī)最重要的功能就是在處理數(shù)據(jù)等方面，所以計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理速度是計(jì)算機(jī)性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)在很大程度上決定計(jì)算機(jī)的處理速度，當(dāng)然處理速度還與許多其它因素有關(guān)：硬件結(jié)構(gòu)、制作工藝等等。對(duì)于RISC，其處理速度很快，這是因?yàn)樗捎玫氖橇魉€技術(shù)，同時(shí)能夠直接完成指令的硬件譯碼；對(duì)于CISC，由于其硬件本身的復(fù)雜度就足夠高，因此也就表明會(huì)有更高的處理速度[2]。

（2）CISC能夠支持比較高級(jí)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，而RISC卻只能夠支持一些精簡(jiǎn)指令集以及它們的組合。但是這并不意味著RISC沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，其能夠通過(guò)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化編譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持。

對(duì)于以上描述的兩個(gè)目標(biāo)，人們普遍希望計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越高越好，同時(shí)更加希望計(jì)算機(jī)能夠直接支持高級(jí)語(yǔ)言，從而使得人們開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件時(shí)更加方便快捷。

2 兩種體系結(jié)構(gòu)比較

2.1 二者具有不同的實(shí)現(xiàn)方式。兩者的實(shí)現(xiàn)方式是不一樣的。對(duì)于CISC來(lái)說(shuō)，采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是比較易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)和指令合一的方式。采用這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的原因是CISC具有比較高級(jí)的指令語(yǔ)義，同時(shí)具有比較長(zhǎng)的執(zhí)行指令的周期。而對(duì)于RISC來(lái)說(shuō)，其采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)和指令相互分離的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槠洳扇×诉壿嫷挠膊季€方式，同時(shí)對(duì)于指令的讀取比較頻繁[3]。

2.2 具有不同的編譯器要求。如果時(shí)鐘頻率相同，同時(shí)失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的效率其實(shí)并沒(méi)有差別。而且相對(duì)來(lái)說(shuō)，RISC體系結(jié)構(gòu)更加需要編譯器對(duì)指令的優(yōu)化。CISC具有很大的市場(chǎng)，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也已經(jīng)相當(dāng)成熟。RISC體系結(jié)構(gòu)并不能夠直接取代CISC的體系結(jié)構(gòu)。固然，RISC體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定。RISC也并不是傳統(tǒng)意義上的概念，現(xiàn)代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現(xiàn)在：具有分支預(yù)測(cè)的功能、能夠超標(biāo)量執(zhí)行，同時(shí)還能夠亂序執(zhí)行指令[4]。

2.3 兩種體系結(jié)構(gòu)具有不同的設(shè)計(jì)思想。人們通常測(cè)量計(jì)算機(jī)執(zhí)行速度的方法是測(cè)算執(zhí)行程序的時(shí)間。如果我們想要提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度，主要可以從以下幾個(gè)方面來(lái)著手：（1）減小每個(gè)指令的執(zhí)行周期；（2）要想提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，也可以提高某些指令的語(yǔ)義級(jí)別；（3）最重要的方法還是提高主頻。相對(duì)來(lái)說(shuō)，RISC體系結(jié)構(gòu)的指令都比較簡(jiǎn)單，因此具有較低的指令語(yǔ)義。大部分的指令都是單周期，因此硬件邏輯實(shí)現(xiàn)十分方便，可以使用邏輯硬布線的方法。

3 體系結(jié)構(gòu)存在的相應(yīng)問(wèn)題

在近六十年來(lái)，世界各地的計(jì)算機(jī)科學(xué)家不斷豐富和晚上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，成就了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。對(duì)于經(jīng)典的馮諾依曼結(jié)構(gòu)，主要有以下三點(diǎn)核心：存儲(chǔ)模型、二進(jìn)制以及在某一個(gè)特定時(shí)間只能夠串行操作一個(gè)命令。

二進(jìn)制這個(gè)體系已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)界的標(biāo)桿，到目前為止基本上沒(méi)有人能夠突破這種二進(jìn)制的體系結(jié)構(gòu)。人們希望能夠?qū)⒋鎯?chǔ)模式改變一下，擺脫寄存器這一存儲(chǔ)模式。但是，即使使用了很多技術(shù)以及先進(jìn)的理論，這種設(shè)想都沒(méi)有獲得成功。人們希望計(jì)算機(jī)能夠在某一操作的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)大量的并行計(jì)算操作，但是基于馮諾依曼的串行處理機(jī)制仍然沒(méi)有得到解決。RISC以及CISC都屬于馮諾依曼體系，因此它們都有各自固有的缺陷[5]。

4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 多線程體系。所謂的多線程技術(shù)，是一種結(jié)合了馮諾依曼的控制流模型以及數(shù)據(jù)流模型的新興技術(shù)。它能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的指令級(jí)交換以及順序調(diào)度。一般說(shuō)來(lái)，在線程中，如果其中一條指令執(zhí)行，那么相應(yīng)后面的指令都會(huì)相繼執(zhí)行。線程可以成為計(jì)算機(jī)中調(diào)度執(zhí)行的基本步驟，同時(shí)計(jì)算機(jī)中可以同時(shí)并發(fā)運(yùn)行許多個(gè)線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時(shí)又能夠相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有一些不足之處。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在很大程度上提高整個(gè)處理器的利用效率，在整體上使計(jì)算機(jī)的性能提高到一個(gè)新的檔次。多線程技術(shù)能夠很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤延遲技術(shù)等其它技術(shù)所不具備的。因此，多線程技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)微處理器的結(jié)構(gòu)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但是為了實(shí)現(xiàn)多線程技術(shù)，就需要很多的硬件同時(shí)并行操作，這種硬件的資源損耗十分巨大[6]。

4.2 VLIW體系。所謂VLIW體系，能夠通過(guò)編譯器將許多不同的、相互之間無(wú)依賴的操作縮減到一個(gè)長(zhǎng)指令字中。VLIW體系域超標(biāo)量有許多相同的地方。超標(biāo)量能夠突破flynn的難題，而VLIW也同樣可以。它們兩者的不同點(diǎn)是在何處處理好執(zhí)行多個(gè)操作時(shí)產(chǎn)生的指令相關(guān)問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，超標(biāo)量的RISC處理器的調(diào)度方案留給芯片，VLIW體系的微處理器將工作交給編譯器來(lái)決定。從某種意義上來(lái)看，VLIW可以是一種特殊的超標(biāo)量技術(shù)，它是基于編譯器或者是軟件的。VLIW體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行指令并行化的方法是靜態(tài)調(diào)度相應(yīng)的執(zhí)行代碼。VLIW體系的微處理器具備的這種調(diào)度方法，具有許多優(yōu)點(diǎn)：它能夠大大簡(jiǎn)化硬件的復(fù)雜度，同時(shí)能夠使得處理器功能變強(qiáng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。硬件簡(jiǎn)單的另一個(gè)好處是能夠使得時(shí)鐘具有很大的增長(zhǎng)速度。

4.3 單芯片多處理器體系。隨著VLSI等工藝水平的不斷提高，人們自然會(huì)想到制作單芯片的多處理器體系。在不同的制作工藝水平下，單芯片上能夠集成的晶體管的個(gè)數(shù)是不一樣的。這種集成個(gè)數(shù)會(huì)隨著其制作工藝水平的提高而急劇提高。單芯片的多處理器體系的很大的優(yōu)勢(shì)就是其制作非常簡(jiǎn)單，同時(shí)具有較好的伸縮性。其它處理器結(jié)構(gòu)對(duì)很多方面都有要求，但是它對(duì)單處理器的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有特別的要求。因而具有很大的發(fā)展前景，是一種很好的技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)在各個(gè)方面徹底改變了現(xiàn)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。在現(xiàn)代的微處理器中，大體上可以將其體系結(jié)構(gòu)分成兩大類，這兩大類分別是：基于CISC的體系結(jié)構(gòu)以及基于RISC的體系結(jié)構(gòu)。本論文簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對(duì)比了兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，比較了這兩種體系結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王沁.現(xiàn)代VLIW體現(xiàn)研究的技術(shù)路線[J].自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1999（08）.

[2]盧凱，胡湘華.高性能計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)分區(qū)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2004（31）：179-182.

[3]黃鎧，徐志偉.可擴(kuò)展并行計(jì)算技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]李根國(guó)，桂亞?wèn)|，劉欣.淺談高性能計(jì)算的地位及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006（23）：3-5.

篇5

中圖分類號(hào)：TP338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）11-0088-01

1 可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本理念

可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要依附于軟件控制，通過(guò)可重用的資源，重構(gòu)及重組轉(zhuǎn)換為另一個(gè)計(jì)算體系，以匹配于差異化的相關(guān)需要。其具備可重構(gòu)特性的計(jì)算機(jī)制我們稱其為可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)。

重構(gòu)和重組是可重構(gòu)計(jì)算機(jī)制轉(zhuǎn)換其基本功能的兩種措施，前者即新計(jì)算系統(tǒng)的功能外部系統(tǒng)，其在舊的計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)并不存在，通過(guò)舊計(jì)算系統(tǒng)的可重用資源重新組建而成。而后者即新計(jì)算系統(tǒng)的功能部件，通常存在于舊的計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)重新組合構(gòu)建為另一套計(jì)算構(gòu)架。

可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心體現(xiàn)在可重用資源，在研發(fā)FPGA前，可重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都擇取重組的措施；而在FPGA出現(xiàn)后，使重構(gòu)措施變得具有可行性，經(jīng)匹配相應(yīng)的文件，設(shè)置各性質(zhì)與線的鏈接，進(jìn)而調(diào)節(jié)硬件的基本模式。

可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是為避免硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用無(wú)法相適應(yīng)這一問(wèn)題。根據(jù)處理問(wèn)題的程度，可把可重構(gòu)分成下屬幾種：第一種，門級(jí)可重構(gòu)，以核心門級(jí)作為切入點(diǎn)，重構(gòu)計(jì)算機(jī)制。也就是把功能部件的邏輯通過(guò)FPGA予以深化，在使遇到算法改變的時(shí)候，利用調(diào)整FPGA的配置去完善其功能。此類重構(gòu)即電路級(jí)可重構(gòu)；第二種，部件級(jí)可重構(gòu)，初期的重構(gòu)以功能部件作為切入點(diǎn)，利用對(duì)功能部件的重新組合去匹配于差異化的計(jì)算機(jī)制；第三種，指令級(jí)可重構(gòu)。

在常規(guī)處理器單元的基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算設(shè)備，為計(jì)算的特殊需要奠定基礎(chǔ)，以達(dá)到大計(jì)算量指令與附屬程序的執(zhí)行，此類深化計(jì)算機(jī)性能的重構(gòu)措施即指令級(jí)可重構(gòu)；第四種，芯片級(jí)可重構(gòu)，在多處理器共用的原則上，使處理器位數(shù)產(chǎn)生變更、處理設(shè)施個(gè)數(shù)能夠和處理器間互連，且能夠予以變動(dòng)的計(jì)算機(jī)體系，此類體系即芯片級(jí)可重構(gòu)。

2 可重構(gòu)計(jì)算的系統(tǒng)構(gòu)架

可重構(gòu)矩陣能夠訪問(wèn)指標(biāo)化處理器單元的高速緩存，不過(guò)可重構(gòu)矩陣能夠和常規(guī)處理器單元單獨(dú)執(zhí)行命令，也能夠在指標(biāo)處理器單元的控制下去執(zhí)行相應(yīng)命令。可重構(gòu)計(jì)算的技術(shù)核心為可重構(gòu)矩陣，其中可重構(gòu)矩陣的組建可以依附于基本門，同樣功能部件亦可組建重鑄矩陣。可重構(gòu)計(jì)算的技術(shù)主要包括下述幾類：第一類，可重構(gòu)陣列元素的組建，明確可重構(gòu)陣列元泰的功能與其功能實(shí)現(xiàn)特性；第二類，可重構(gòu)陣列元素的物理交互，因?yàn)榭芍貥?gòu)陣列需要匹配于差異化的計(jì)算要求，最為有效的物理交互措施即為全連通。第三類，可重構(gòu)陣列元素的鏈接控制，差異化的計(jì)算需要我們要匹配于差異化的連接模式，怎樣控制可重構(gòu)矩陣元素的連接模式，使其應(yīng)用更為便捷，需要根據(jù)實(shí)際情況而定。

3 可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展

自從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)一直占據(jù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)治地位，科學(xué)家和工程師們?cè)诖嘶A(chǔ)上不斷研究硬件和軟件，使CPU和存儲(chǔ)器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，也為信息化、網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。

隨著人們對(duì)信息化的要求越來(lái)越高，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足人們的技術(shù)需求和發(fā)展要求，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求不再僅僅是高速計(jì)算，同時(shí)更應(yīng)具備信息處理和智能升級(jí)能力。可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的出現(xiàn)為此提供了基礎(chǔ)。近年來(lái)所發(fā)展的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要包括下述幾點(diǎn)：第一，CPU不僅為一核，而是通過(guò)多個(gè)核組成； 第二，存儲(chǔ)設(shè)施不在是體系的核心構(gòu)成因子，取而代之的是信息路徑；第三，現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)已不再是通過(guò)五大部件所組成，而是通過(guò)一些信息處理節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的智能化與集成化越來(lái)越高；第四，程序設(shè)計(jì)涵蓋了軟件與硬件，生產(chǎn)方給出的產(chǎn)品會(huì)是獨(dú)立封裝好的中間件，作為應(yīng)用方不需要側(cè)重于程序的構(gòu)架，只要做好專業(yè)設(shè)計(jì)即可。

4 結(jié)語(yǔ)

重構(gòu)和重組是可重構(gòu)計(jì)算機(jī)制轉(zhuǎn)換其基本功能的兩種措施，前者即新計(jì)算系統(tǒng)的功能外部系統(tǒng)，其在舊的計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)并不存在，通過(guò)舊計(jì)算系統(tǒng)的可重用資源重新組建而成。而后者即新計(jì)算系統(tǒng)的功能部件，通常存在于舊的計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)重新組合構(gòu)建為另一套計(jì)算構(gòu)架。

近年來(lái)所研究開(kāi)發(fā)的可重構(gòu)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心體現(xiàn)在可重用資源，在研發(fā)FPGA前，可重構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都擇取重組的措施；而在FPGA出現(xiàn)后，使重構(gòu)措施變得具有可行性，經(jīng)匹配相應(yīng)的文件，設(shè)置各性質(zhì)與線的鏈接，進(jìn)而調(diào)節(jié)硬件的基本模式。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-9599 (2010) 15-0000-02

Review of High Performance Computer System Structure

Tang Shaoyu

(China Petroleum&Chemical Corporation Catalyst Fushun Branch,Fushun113122,China)

Abstract:This paper reviews the developments of high performance compute architecture from the 1960s.According to TOP500 data,introduces the recent developments about high performance computer technique of various countries including the popular architecture technology.And according to the recent developments condition,try to forecast developmental tendency of high performance compute architecture in the future.

Keywords:High performance computer;Architecture;Cluster;

Interconnect technology

高性能計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)上指的是運(yùn)行速度非?？斓挠?jì)算機(jī)，等同于超級(jí)計(jì)算機(jī)，致力于專業(yè)用戶進(jìn)行大規(guī)?？茖W(xué)和工程計(jì)算，追求的性能指標(biāo)是浮點(diǎn)計(jì)算能力。隨著對(duì)于高性能計(jì)算的應(yīng)用需求由CPU運(yùn)算密集型的科學(xué)和工程計(jì)算拓展到I／O處理密集型的商業(yè)事務(wù)處理，高性能計(jì)算機(jī)從單純追求CPU運(yùn)算能力變?yōu)樽非蟀↖／O處理能力在內(nèi)的綜合性能指標(biāo)，而且隨著用戶群體的擴(kuò)大、對(duì)價(jià)格的日趨敏感以及PC服務(wù)器和互連網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的成熟，高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)傾向走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路，采用開(kāi)放的軟硬件技術(shù)[1]。

當(dāng)前，以機(jī)群為載體的高性能計(jì)算機(jī)已廣泛應(yīng)用于教育、游戲、氣象、石油、航空航天、金融、生物、制造、信息建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深度和廣度在急劇提高。在深度方面，如北京2008年奧運(yùn)氣象預(yù)報(bào)要求分辨率從15公里提升到3公里；在廣度方面，原來(lái)不需要HPC的領(lǐng)域，如政府、企業(yè)、諸多行業(yè)信息中心，由于信息處理量和訪問(wèn)量劇增，沒(méi)有高性能計(jì)算機(jī)已無(wú)法完成信息整合和處理能力的提升。機(jī)群技術(shù)的日益普及已經(jīng)深刻影響了高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并推動(dòng)全球高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)進(jìn)人一個(gè)平民化應(yīng)用時(shí)代，我們也稱之為“泛高性能計(jì)算時(shí)代”[2]。

一、高性能計(jì)算機(jī)歷史回顧

最早的電子計(jì)箅機(jī)就是為了能夠進(jìn)行大量繁瑣的科學(xué)計(jì)算而產(chǎn)生的。從1960年開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸成熟，在各種商業(yè)領(lǐng)域慢慢地開(kāi)始采用電子計(jì)算機(jī)，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，逐漸出現(xiàn)了針對(duì)各種不同商業(yè)用途的計(jì)算機(jī)，被稱為“通用計(jì)算機(jī)”。相對(duì)于“通用計(jì)算機(jī)”，具有性能和功能上的優(yōu)勢(shì)的一類計(jì)算機(jī)被稱為“高性能計(jì)算機(jī)”，在當(dāng)時(shí)主要用于科學(xué)計(jì)算。

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的向量計(jì)算機(jī)可以看作是第一代的高性能計(jì)算機(jī)。通過(guò)在計(jì)算機(jī)中加入向量流水部件，可以大大提高科學(xué)計(jì)算中向量運(yùn)算的速度。到80年代，出現(xiàn)了并行向量多處理機(jī)(PVP)，依靠并行處理，進(jìn)一步提高運(yùn)算速度。向量機(jī)成為當(dāng)時(shí)高性能計(jì)算機(jī)的主流產(chǎn)品，占領(lǐng)了高性能計(jì)算機(jī)90%的市場(chǎng)。

20世紀(jì)90年代初期，大規(guī)模并行處理(massively parallel processor，MPP)系統(tǒng)開(kāi)始成為高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的主流。MPP模式是一種分布式存儲(chǔ)器模式，能夠?qū)⒏嗟奶幚砥骷{入一個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器。MPP體系結(jié)構(gòu)對(duì)硬件開(kāi)發(fā)商頗具吸引力，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)的問(wèn)題比較容易解決，開(kāi)發(fā)成本比較低。由于沒(méi)有硬件支持共享內(nèi)存或高速緩存一致性的問(wèn)題，所以比較容易實(shí)現(xiàn)大量處理器的連接。

較MPP早幾年問(wèn)世的對(duì)稱多處理機(jī)SMP系統(tǒng)，是由數(shù)目相對(duì)較少的微處理器共享物理內(nèi)存和I/O總線形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（國(guó)內(nèi)最早基于微處理器的SMP為曙光1號(hào)）和MPP相比，早期的SMP擴(kuò)展能力有限，并不具有很強(qiáng)的計(jì)算能力。但由于SMP與單機(jī)系統(tǒng)兼容性好，是單機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)與增強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)計(jì)算領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代中后期的一種趨勢(shì)是將對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu)（Symmetric Multi-Processor，SMP）的優(yōu)點(diǎn)和MPP的擴(kuò)展能力結(jié)合起來(lái)，這一趨勢(shì)發(fā)展成后來(lái)的CC―NUMA結(jié)構(gòu)，即分布式共享內(nèi)存。每個(gè)處理器節(jié)點(diǎn)都可以訪問(wèn)到所有其它節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存，但訪問(wèn)遠(yuǎn)程內(nèi)存需要的延遲相對(duì)較大。NUMA本身沒(méi)有在提高性能的角度上進(jìn)行較大的創(chuàng)新，主要優(yōu)點(diǎn)是便于程序的開(kāi)發(fā)和與SMP的兼容性。而對(duì)于科學(xué)計(jì)算任務(wù)，CC―NUMA結(jié)構(gòu)是否優(yōu)于MPP系統(tǒng)仍存在爭(zhēng)議。

在發(fā)展CC―NUMA的同時(shí)，集群系統(tǒng)(cluster)也迅速發(fā)展起來(lái)。類似MPP結(jié)構(gòu)，集群系統(tǒng)是由多個(gè)微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)互連而成。節(jié)點(diǎn)一般是可以單獨(dú)運(yùn)行的商品化計(jì)算機(jī)[3]。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)成本低的原因，集群系統(tǒng)具有比MPP更高的性能／價(jià)格比優(yōu)勢(shì)。集群系統(tǒng)還繼承MPP系統(tǒng)的編程模型，更進(jìn)一步地加強(qiáng)了其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[4]。

二、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，全球TOP500已經(jīng)成為高性能計(jì)算領(lǐng)域的晴雨表[5]。第35屆全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜于2010年5月31日在德國(guó)漢堡舉行的SC10大會(huì)上。排名第一的仍是美國(guó)Cray公司研制的“美洲豹”系統(tǒng)；中國(guó)曙光公司制造的“星云”超級(jí)計(jì)算機(jī)以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二，此次成績(jī)可謂曙光高性能計(jì)算機(jī)突破歷史的最好成績(jī)，也是我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的歷史最好成績(jī)。在TOP10系統(tǒng)中，IBM公司占有4臺(tái)（一臺(tái)“走鵑”和三臺(tái)“藍(lán)色基因”），Cray公司擁有2臺(tái)（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中國(guó)的曙光公司和國(guó)防科技大學(xué)各占有一臺(tái)。但我國(guó)所制造兩臺(tái)系統(tǒng)（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美國(guó)的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可見(jiàn)，美國(guó)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的綜合技術(shù)實(shí)力是無(wú)可比擬的。

篇7

依據(jù)上海理工大學(xué)實(shí)施教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，上海理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系確立了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)工程兩個(gè)本科專業(yè)定位為培養(yǎng)計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域需求的工程性人才。在參考ACM/IEEE-CS CC2005[1]對(duì)計(jì)算機(jī)工程(CE)學(xué)科課程體系設(shè)置的基礎(chǔ)上，我們將計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的知識(shí)組織為一門統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程，并采用白中英教授主編的《計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》作為理論教學(xué)教材[2]。

計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程涵蓋兩個(gè)方面：計(jì)算機(jī)組成的基本原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)量化設(shè)計(jì)的基本方法。計(jì)算機(jī)組成原理是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一般性邏輯實(shí)現(xiàn)方法；計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)揭示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，包括概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的界面。二者既有區(qū)別，又有內(nèi)在聯(lián)系，因此，適合于整合為一門綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課程。但是，由于計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)全國(guó)研究生統(tǒng)一入學(xué)考試的專業(yè)基礎(chǔ)課，因此，我們確定本課程的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)。

根據(jù)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案》中關(guān)于計(jì)算機(jī)組成原理課程的實(shí)施方案[3]，我們確立了計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)目標(biāo)是圍繞單CPU計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理，系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計(jì)方法，為計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域培養(yǎng)具有硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施能力的工程性人才；主要教學(xué)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力，系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的工作原理和運(yùn)行機(jī)制。

1 教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

多年來(lái)，計(jì)算機(jī)組成原理被認(rèn)為是一門既難教又難學(xué)的課程。而計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)則包括計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，這使得教學(xué)內(nèi)容更多、學(xué)習(xí)難度更大。因此，很多同行一直在通過(guò)各種方式提高這門課程的教學(xué)質(zhì)量[4-7]。結(jié)合我校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的具體情況，我們分析發(fā)現(xiàn)造成這一問(wèn)題的因素有三個(gè)。

第一，本課程需要有數(shù)字電路、數(shù)字邏輯知識(shí)為基礎(chǔ)。但是，由于大一大二兩學(xué)年我院采用工科通識(shí)教育的缺陷，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)工程兩個(gè)專業(yè)的本科生在學(xué)習(xí)本課程前沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)字電路和模擬電路，也不了解數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的方法。因此，學(xué)生基礎(chǔ)差，難以跟上教學(xué)進(jìn)度。

第二，本課程涉及的知識(shí)面廣、概念多，而且計(jì)算機(jī)內(nèi)部芯片高度集成化，學(xué)生缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)各部件的感性認(rèn)識(shí)。因此，理解其物理結(jié)構(gòu)和工作原理比較抽象，學(xué)生難以理解。而且，由于該課程講授的計(jì)算機(jī)最基本的原理和方法，課程教學(xué)內(nèi)容的直接應(yīng)用目標(biāo)也不可能很明確，學(xué)生難以理解該課程的直接應(yīng)用價(jià)值，對(duì)該課程的重視度不夠。

第三，在計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)編程技術(shù)可以獲得可見(jiàn)的結(jié)果。而對(duì)比計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生難以把學(xué)到的硬件知識(shí)馬上應(yīng)用起來(lái)，不容易獲得類似軟件編程的直觀感受，學(xué)生普遍的認(rèn)識(shí)有偏差。這導(dǎo)致學(xué)生誤認(rèn)為本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)用性不強(qiáng)或者誤認(rèn)為軟硬件之間的聯(lián)系不大，以后自己只從事軟件編程工作，不需要掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。

基于以上對(duì)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的定位，結(jié)合我校人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)現(xiàn)狀，下面，我們將從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、理論教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)規(guī)劃、課程考核制度、師資隊(duì)伍建設(shè)和綜合教學(xué)平臺(tái)建設(shè)六個(gè)方面具體提出本課程的建設(shè)方案。

2 核心課程創(chuàng)新建設(shè)的綜合方案

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面的建設(shè)主要集中在三個(gè)方面：第一是補(bǔ)充本課程的基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)字電路中的TTL門、MOS管技術(shù)等和數(shù)字邏輯課程中的邏輯代數(shù)基礎(chǔ)及組合電路邏輯設(shè)計(jì)方法；第二是補(bǔ)充《計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)》教材中缺失的內(nèi)容，比如增加計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中關(guān)于指令級(jí)并行軟硬件設(shè)計(jì)方法、Cache失效性分析、多處理機(jī)同步與通信機(jī)制等。在計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容上，盡量補(bǔ)充計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)量化分析的方法和設(shè)計(jì)原理；第三是補(bǔ)充多核處理器技術(shù)的最新設(shè)計(jì)方法和工作機(jī)制，這部分內(nèi)容主要提供給對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)感興趣的、學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)之用。

為保證理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間的充裕性，我們將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)單獨(dú)開(kāi)課，實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)度和理論課的進(jìn)度相匹配，其中理論教學(xué)安排64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16學(xué)時(shí)，使得理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)比為4:1。此外，對(duì)學(xué)有余力和參加競(jìng)賽的同學(xué)另行再組織和指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，使得理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)環(huán)相扣，逐步深化，并使得培養(yǎng)的學(xué)生具有一定的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力。理論教學(xué)計(jì)劃如表1所示。

這種教學(xué)計(jì)劃使得計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容更加豐富，既避免了本課程只講授計(jì)算機(jī)組成原理或者只講授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)的弊端，又能保證學(xué)生將來(lái)參加研究生入學(xué)考試時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)的全面掌握。

2.2 理論教學(xué)方法

在講授基本原理的過(guò)程中，我們注意融入計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展的新技術(shù)并作為學(xué)生課后自學(xué)的內(nèi)容，注重基礎(chǔ)理論與最新技術(shù)的融合。由于計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)知識(shí)比較抽象，理論學(xué)習(xí)比較枯燥，因此教學(xué)過(guò)程中我們要與學(xué)生交流互動(dòng)，向?qū)W生提出啟發(fā)式和開(kāi)放式的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。講課中注意觸類旁通，采用舉例、類比的方法，將深?yuàn)W、難以理解的問(wèn)題用學(xué)生最容易接受的方式和語(yǔ)言表達(dá)。理論課程全部采用課堂教學(xué)方式，以多媒體課件為主，適當(dāng)使用一些板書。充分發(fā)揮多媒體教學(xué)采用動(dòng)畫技術(shù)或Flash技術(shù)，充分展現(xiàn)基礎(chǔ)性方法和原理的動(dòng)態(tài)執(zhí)行過(guò)程。比如：SRAM讀寫周期的過(guò)程、Cache的訪問(wèn)和替換策略、指令流水線的過(guò)程等。

然而，多媒體教學(xué)方法對(duì)運(yùn)算方法和運(yùn)算過(guò)程的教學(xué)效果卻不盡人意。經(jīng)分析，我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要是定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加減、乘除的計(jì)算過(guò)程沒(méi)有采用傳統(tǒng)板書教學(xué)并按步驟書寫，而是采用多媒體教學(xué)且放映速度較快，學(xué)生來(lái)不及仔細(xì)體會(huì)其中的設(shè)計(jì)技巧和驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

因此，后期涉及到計(jì)算相關(guān)的教學(xué)，我們都盡量采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法；而對(duì)于簡(jiǎn)單的控制流程、運(yùn)行機(jī)制、狀態(tài)更新等內(nèi)容主要采用多媒體教學(xué)方法，這既發(fā)揮了多媒體教學(xué)生動(dòng)、信息量大的特點(diǎn)，又體現(xiàn)了傳統(tǒng)板書教學(xué)的細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn)。

此外，理論教學(xué)過(guò)程中建議采用引導(dǎo)式教學(xué)方法，而不能采用填鴨式灌輸教學(xué)。講授第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器前，先要介紹計(jì)算的基本功能就是進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，既然是算術(shù)邏輯運(yùn)算，那就有二進(jìn)制數(shù)參與運(yùn)算，那么就會(huì)介紹各種數(shù)的機(jī)器表示形式；然后介紹數(shù)值數(shù)據(jù)的加減法和乘除法，包括原碼、補(bǔ)碼和移碼的計(jì)算，然后介紹計(jì)算過(guò)程的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程；最后介紹浮點(diǎn)數(shù)的加減乘除運(yùn)算過(guò)程和硬件設(shè)計(jì)框圖。

2.3 實(shí)踐教學(xué)規(guī)劃

在實(shí)踐教學(xué)方面，我們從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式開(kāi)展教學(xué)革新。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，分別針對(duì)基礎(chǔ)性原理、綜合性知識(shí)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性的開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。針對(duì)基礎(chǔ)性原理設(shè)計(jì)了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比如采用多功能運(yùn)算部件74LS181設(shè)計(jì)16位運(yùn)算器的實(shí)驗(yàn)電路，驗(yàn)證運(yùn)算器的功能等；對(duì)于綜合知識(shí)，我們組織設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，比如給每組學(xué)生分配一張指令表，指令表中包含十余條不同的機(jī)器指令(主要包括設(shè)計(jì)HALT, MOV, ADD, SUB, MUL, DIV, LOAD, STORE, JUMP)，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)整機(jī)邏輯圖來(lái)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程，設(shè)計(jì)微操作控制信號(hào)和微指令格式，確定初始微地址和后繼微地址的形成，然后根據(jù)指令流程和微指令格式編寫出每條機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序，同時(shí)還要針對(duì)每條機(jī)器指令編寫相應(yīng)的測(cè)試程序，以測(cè)試微程序的正確性。最終，我們要求學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)支持簡(jiǎn)單指令級(jí)的16位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；鼓勵(lì)和挖掘有潛力的學(xué)生組織開(kāi)展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，以組織興趣小組或競(jìng)賽小組的形式，開(kāi)展實(shí)際的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)或創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作，比如通過(guò)EDA軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)部件、控制邏輯電路等，通過(guò)軟件仿真測(cè)試并燒錄到FPGA器件上，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的正確性；或者采用單片機(jī)、ARM處理器或RISC處理器設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由于課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)有限，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)主要安排在學(xué)期末最后一個(gè)月的短學(xué)期內(nèi)實(shí)施。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)方式，我們的教改措施主要有：1)要求理論教學(xué)的老師親自帶教實(shí)驗(yàn)課程，避免理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)老師分開(kāi)、責(zé)任不明確，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課馬虎過(guò)關(guān)的現(xiàn)象；2)具體實(shí)驗(yàn)前，由老師講解實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)。授權(quán)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)設(shè)備或器材帶回宿舍進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，與此同時(shí)他們還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)老師的即時(shí)通訊工具或教學(xué)平臺(tái)提供的學(xué)生論壇相互交流實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和提出問(wèn)題；3)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)檢查采用分組答辯的形式，由學(xué)生團(tuán)隊(duì)自由組織并分工，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、答辯PPT及回答答辯提問(wèn)。

2.4 課程考核制度

理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)單獨(dú)考核并采用量化考核措施。對(duì)于理論教學(xué)環(huán)節(jié)主要考核學(xué)生的出勤率(10%)、作業(yè)完成情況(20%)、期末考試成績(jī)(70%)。

1) 出勤率：按出勤次數(shù)計(jì)算，每次出勤計(jì)2分，總分10分。

2) 作業(yè)完成情況：每學(xué)期安排5次作業(yè)，每次總分計(jì)4分。按作業(yè)繳納次數(shù)和作業(yè)評(píng)價(jià)結(jié)果記分， ，每次繳納作業(yè) =1，沒(méi)有繳納 =0； 表示每次作業(yè)的成績(jī)，如表2所示。

3) 期末考試：成績(jī)占理論課程學(xué)成績(jī)的70%。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)安排5次實(shí)驗(yàn)，主要考核學(xué)生的出勤率(10%)、組織與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力(10%)、實(shí)驗(yàn)完成情況(30%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(25%)和答辯情況(25%)。

1) 出勤率：按出勤次數(shù)計(jì)算，每次出勤計(jì)2分，總分10分。

2) 組織與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力：根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員分工情況和安排的組織討論情況記分，每次計(jì)2分，總分10分。

3) 實(shí)驗(yàn)完成情況：考核每個(gè)學(xué)生是否按規(guī)定完成制定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，每次實(shí)驗(yàn)總分計(jì)6分，分四個(gè)等級(jí)。按規(guī)定獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的記6分，在同學(xué)幫助下完成任務(wù)的記4分，在指導(dǎo)老師幫助下完成任務(wù)的記2分，缺席實(shí)驗(yàn)的記0分。如表3所示。

4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告：考核學(xué)生總結(jié)、歸納實(shí)驗(yàn)任務(wù)的能力，是否按規(guī)定填寫和總結(jié)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是否具有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分工、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)分析五大要素。每個(gè)要素1分，每次實(shí)驗(yàn)總分記5分。

5) 答辯情況：每次實(shí)驗(yàn)配以答辯環(huán)節(jié)，每次答辯總分5分，共計(jì)25分。能正確回答答辯中提出的問(wèn)題的記5分，與同學(xué)協(xié)商后正確回答問(wèn)題的記3分，其他記2分。

2.5 師資隊(duì)伍建設(shè)

按照建設(shè)一流教師隊(duì)伍的要求，結(jié)合學(xué)院師資隊(duì)伍建設(shè)，我們?cè)鰪?qiáng)本課程講授的師資力量，引進(jìn)具有國(guó)外留學(xué)經(jīng)歷的青年教師，建立完善的教師梯隊(duì)，同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)青年教師的培養(yǎng)，提高教師教學(xué)、科研水平，鼓勵(lì)青年教師參加國(guó)內(nèi)外訪問(wèn)學(xué)者計(jì)劃或者計(jì)算機(jī)組成原理和體系結(jié)構(gòu)的理論教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)培訓(xùn)計(jì)劃。積極參加計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)體系結(jié)構(gòu)委員會(huì)和計(jì)算機(jī)教育委員會(huì)組織的活動(dòng)。

2.6 綜合教學(xué)平臺(tái)

建設(shè)本課程的教學(xué)網(wǎng)站，將每一節(jié)課講授內(nèi)容的電子課件向?qū)W生開(kāi)放，便于學(xué)生課后復(fù)習(xí)和鞏固所學(xué)知識(shí)。同時(shí)，進(jìn)一步完善本課程網(wǎng)站資源，開(kāi)辟專門的教學(xué)論壇、教學(xué)QQ和群組供學(xué)生討論問(wèn)題。

聘請(qǐng)研究生擔(dān)任助教，負(fù)責(zé)與實(shí)驗(yàn)課的老師一起完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、回答學(xué)生問(wèn)題、批改習(xí)題作業(yè)。保證學(xué)生能夠隨時(shí)通過(guò)電子郵件和即時(shí)通訊工具聯(lián)系到這些助教，在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到困難和問(wèn)題時(shí)就能夠及時(shí)地得到輔導(dǎo)和幫助。助教將收集到的反饋信息匯總，主講教師根據(jù)這些信息及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生求知的欲望和需求。

綜合教學(xué)平臺(tái)的總體功能包括介紹教學(xué)內(nèi)容、師資隊(duì)伍、教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)進(jìn)度、課件資源、在線答疑、論壇討論、習(xí)題庫(kù)、友情鏈接等，由專人負(fù)責(zé)管理和更新，真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)作為教師與學(xué)生溝通的橋梁作用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上措施，我們獲得了較為明顯的教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量也得到大幅度的提高。學(xué)生由以前害怕、拒絕學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱愛(ài)，并獲得了更多直觀的體會(huì)，進(jìn)一步正確理解了計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的作用和意義，達(dá)到了我們建設(shè)核心課程的初期目標(biāo)。

通過(guò)前期的規(guī)劃和初步實(shí)踐，我們計(jì)劃將在以下三個(gè)方面進(jìn)一步推進(jìn)本課程的建設(shè)。

第一，進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)因材施教的思想，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成不同的層次，面向不同的對(duì)象。保證必做實(shí)驗(yàn)的水平和質(zhì)量，提高選做實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和種類，滿足多方面學(xué)生的需求。

第二，進(jìn)一步與硬件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)合作，組織學(xué)生參加全國(guó)性的設(shè)計(jì)大賽。既讓學(xué)生接觸、應(yīng)用到最新技術(shù)的芯片或者設(shè)備，又能提高本校在企業(yè)界和教育界的知名度。

第三，根據(jù)本校學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、課程教學(xué)計(jì)劃，編制一套更適合本校實(shí)際情況的、符合計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面知識(shí)的理論教材和實(shí)驗(yàn)手冊(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Russel Shackelford,Andrew Mcgettrick,et al. Computing Curricula 2005: the overview report[C]. Proceedings of the 37th SIGCSE technical symposium on computer science education,2006.

[2] 白中英,戴志濤,楊春武,等. 計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)[M]. 4版. 北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[4] 李山山,全成斌. 計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的調(diào)查與研究[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2010(11):127-129.

[5] 胡曉婷,王樹(shù)梅,任世錦,等. 提高計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)效果的途徑與方法[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2010(11):97-100.

[6] 鄭麗萍,秦杰,王獻(xiàn)榮. 計(jì)算機(jī)組成原理與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容銜接[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2010(11):52-55.

[7] 何會(huì)民,潘雪增.“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)創(chuàng)新改革[J]. 高等理科教育,2007(4):74-77.

Educational Innovations of Computer Organization and Architecture

PEI Songwen, WU Chunxue

篇8

中圖分類號(hào):TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)05-0325-01

1 云計(jì)算概念及特征

目前,“云計(jì)算”還沒(méi)有一個(gè)十分確切和統(tǒng)一的定義,較一致的觀點(diǎn)認(rèn)為云計(jì)算(或稱云端運(yùn)算)是在極大規(guī)模上將可擴(kuò)展的信息技術(shù)能力向外部客戶作為服務(wù)來(lái)提供的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式;是一種動(dòng)態(tài)的、易擴(kuò)展的且通常是通過(guò)高速互聯(lián)網(wǎng)提供虛擬化的資源計(jì)算方式。它強(qiáng)調(diào)了處理無(wú)所不在的分布性和社會(huì)性――這種新興的計(jì)算模型將任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)(或具有計(jì)算能力的設(shè)備)構(gòu)成的可自我維護(hù)和管理的虛擬計(jì)算資源池上,使各種應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和軟硬件服務(wù)。

云計(jì)算將網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算資源(包括計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、寬帶資源等)集中起來(lái)并由軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理,無(wú)需人為參與?！霸啤倍丝稍跀?shù)秒內(nèi)處理數(shù)以千萬(wàn)計(jì)甚至億計(jì)的信息,達(dá)到和“超級(jí)計(jì)算機(jī)”同樣強(qiáng)大的計(jì)算效能。2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

2.1 云計(jì)算的基本思想

云計(jì)算主要關(guān)注如何充分地利用互聯(lián)網(wǎng)上軟件、硬件和數(shù)據(jù)的能力,以及如何更好地使各個(gè)計(jì)算設(shè)備協(xié)同工作并發(fā)揮最大效用的能力。其基本思想是“把力量聯(lián)合起來(lái),給其中的每一個(gè)成員使用”,它采用共享基礎(chǔ)架構(gòu)的方法將巨大的系統(tǒng)池連接在一起為用戶提供多種IT服務(wù)。通過(guò)使計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算設(shè)備上,“云”端被作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及應(yīng)用服務(wù)的中心,企業(yè)可將云端資源切換到其所需的應(yīng)用上,根據(jù)具體需求來(lái)選購(gòu)相應(yīng)的計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)。

2.2云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

“云”是一個(gè)由并行的網(wǎng)格所組成的巨大的服務(wù)網(wǎng)絡(luò),它通過(guò)虛擬化技術(shù)來(lái)擴(kuò)展云端的計(jì)算能力,以使得各個(gè)設(shè)備發(fā)揮最大的效能。數(shù)據(jù)的處理及存儲(chǔ)均通過(guò)“云”端的服務(wù)器集群來(lái)完成,這些集群由大量普通的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器組成,并由一個(gè)大型的數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)管理,數(shù)據(jù)中心按客戶的需要分配計(jì)算資源,達(dá)到與超級(jí)計(jì)算機(jī)同樣的效果。圖1展示了云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的模型,并在文中對(duì)相應(yīng)的實(shí)體給出具體描述。

圖1 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)模型

(1)User Interaction Interface:用戶交互界面,通過(guò)終端設(shè)備向服務(wù)云提出請(qǐng)求。

(2)Services Catalog:一個(gè)用戶能夠請(qǐng)求的所有服務(wù)目錄,可根據(jù)自身的需求選擇相應(yīng)的服務(wù)。

(3)System Management:系統(tǒng)管理,用戶管理計(jì)算機(jī)資源是否可用。

(4)Provisioning Tool:服務(wù)提供工具,用于處理終端請(qǐng)求的服務(wù),需要部署服務(wù)配置。

(5)Monitoring and Metering:監(jiān)控和測(cè)度,對(duì)用戶服務(wù)進(jìn)行跟蹤和測(cè)量,并提交給中心服務(wù)器分析和統(tǒng)計(jì);

(6)Servers:服務(wù)云,由系統(tǒng)管理和維護(hù),可能是虛擬服務(wù)或者真實(shí)的。

在云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)模型中,前端的用戶交互界面(User Interaction Interface)允許用戶通過(guò)服務(wù)目錄(Services Catalog)來(lái)選擇所需的服務(wù),當(dāng)服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送并驗(yàn)證通過(guò)后,由系統(tǒng)管理(System Management)來(lái)找到正確的資源,接著呼叫服務(wù)提供工具(Provisioning Tool)來(lái)挖掘服務(wù)云中的資源。服務(wù)提供工具需要配置正確的服務(wù)?；騑eb應(yīng)用。

云計(jì)算同時(shí)描述了一種平臺(tái)以及構(gòu)建在該平臺(tái)上的一類應(yīng)用,圖2展示了用戶獲取“云端”資源的基本過(guò)程:“云”端為用戶提供擴(kuò)展的、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即可訪問(wèn)的、運(yùn)行于大規(guī)模服務(wù)器集群的各類Web應(yīng)用和服務(wù),系統(tǒng)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地提供、配置、再配置和解除提供服務(wù)器,用戶只需基于實(shí)際使用的資源來(lái)支付相關(guān)的服務(wù)費(fèi)用。

圖2 用戶獲取服務(wù)云資源過(guò)程

3 結(jié)語(yǔ)

雖然現(xiàn)在的云計(jì)算還不能完好地解決所有問(wèn)題,但是在不久的將來(lái)一定會(huì)有越來(lái)越多的云計(jì)算系統(tǒng)投入使用,云計(jì)算本身也會(huì)不斷地得到完善并成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的另一熱點(diǎn)。

篇9

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）19-4407-02

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)遍布我們的生活與工作中，給人們的生活和工作帶來(lái)一定的便利。然而矛盾經(jīng)常是對(duì)立存在的，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)信息的安全問(wèn)題也會(huì)經(jīng)常發(fā)生，給使用人員尤其是一些大型企業(yè)公司帶來(lái)巨大的影響。因此，構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息安全體系就顯得非常必要。

1 安全威脅存在于信息安全中

1.1 共享性存在于通信網(wǎng)絡(luò)中

構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系的主要目的是實(shí)現(xiàn)資源共享，因此給攻擊系統(tǒng)安全的黑客提供了一定的機(jī)會(huì)，他們利用共享資源，給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系帶來(lái)一定的破壞。

1.2 開(kāi)放性存在于通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中

用戶在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中非常簡(jiǎn)單的就能夠查閱到個(gè)人、單位、企業(yè)的隱私信息。一定程度上受害人和企業(yè)公司無(wú)法覺(jué)察到自己的信息已經(jīng)泄漏，對(duì)自身或者企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的損失與傷害。

1.3 復(fù)雜性存在于操作系統(tǒng)中

復(fù)雜性存在于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)當(dāng)中，會(huì)造成復(fù)雜性同樣存在于通信網(wǎng)絡(luò)的安全管理工作當(dāng)中。

1.4 不確定的邊界

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)邊界的不確定性往往就是因?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性造成的。資源共享的形式存在于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，通信網(wǎng)路的安全邊界在訪問(wèn)的時(shí)候會(huì)受到損害，嚴(yán)重的威脅計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全。

1.5 操作路徑的不確定性

多條路徑會(huì)存在計(jì)算機(jī)用戶的宿主機(jī)到其他的宿主機(jī)當(dāng)中。因此，在對(duì)公司的有關(guān)機(jī)密資料進(jìn)行傳發(fā)的時(shí)，從啟發(fā)點(diǎn)到終結(jié)點(diǎn)當(dāng)中會(huì)流經(jīng)多個(gè)路徑，或者說(shuō)會(huì)被多個(gè)渠道所接收，因此中間節(jié)點(diǎn)的可靠性很難得到保證。

1.6 網(wǎng)絡(luò)信息中的高度集中性

一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息分離的小塊時(shí)，就會(huì)有較小的價(jià)值存在于信息當(dāng)中，只有集中起大規(guī)模的有關(guān)信息，才能將有效的價(jià)值顯示出來(lái)。

2 具體的結(jié)構(gòu)形式

信息技術(shù)在現(xiàn)階段的一些企業(yè)公司中得到了廣泛的應(yīng)用，大大的拓寬了信息安全的內(nèi)涵要義。網(wǎng)絡(luò)信息的可用性、可靠性、完整性逐漸取代了最初階段信息的保密性，因此其中就會(huì)存在一定的不可否認(rèn)性。同時(shí)又向著控制、管理、評(píng)估、檢測(cè)、防范、攻擊等方面的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐形式上演變。之前的信息安全技術(shù)通常都在計(jì)算系統(tǒng)的防護(hù)環(huán)節(jié)和加固環(huán)節(jié)上集中存在，一旦應(yīng)用于安全等級(jí)非常高的數(shù)據(jù)庫(kù)和操作系統(tǒng)，將相應(yīng)的防火墻設(shè)置在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出口處，將加密的技術(shù)應(yīng)用到傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的過(guò)程中，針對(duì)單機(jī)系統(tǒng)環(huán)境來(lái)進(jìn)行設(shè)置是傳統(tǒng)形式系統(tǒng)安全模式的主要特征，沒(méi)有辦法很好的描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全情況，并且會(huì)缺乏有效的措施存在于系統(tǒng)的脆弱性和動(dòng)態(tài)形式的安全威脅當(dāng)中。因此，靜態(tài)的安全模式是傳形式安全模式的一大特征。

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，動(dòng)態(tài)變化的互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題通過(guò)靜態(tài)安全模型已經(jīng)很難予以解決。這樣一種全新信息安全系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠很好的解決上文中所提及的問(wèn)題。信息安全系統(tǒng)是一種基于時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)理論提升計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性，為了有效提升計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性，提升數(shù)據(jù)信息的不可確認(rèn)性、可控性、完整性和可用性，就要為信息安全體系結(jié)構(gòu)提出一個(gè)新的思路：結(jié)合每種不同的安全保護(hù)因素。例如，安全漏洞檢測(cè)工具、防病毒軟件、防火墻等將一個(gè)防護(hù)更加有效相對(duì)單一的復(fù)合式保護(hù)模式建立起來(lái)，安全互動(dòng)、多層的安全防護(hù)體系模式對(duì)黑客攻擊的難度與成本上會(huì)提升好幾倍。因此，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻擊就會(huì)大大的縮減。

WPDRRC是這個(gè)信息安全體系的主要模型，主要通過(guò)下面的形式呈現(xiàn)出來(lái)：

圖1 WPDRRC安全模式

2.1 W預(yù)警

全部信息安全提醒是通過(guò)預(yù)警予以實(shí)現(xiàn)的，可以給網(wǎng)絡(luò)安全的防護(hù)提供正確、科學(xué)的分析評(píng)估。

2.2 P保護(hù)

它的功能是提升網(wǎng)絡(luò)的安全性，主動(dòng)的防御一些攻擊，對(duì)創(chuàng)建的新機(jī)制上予以應(yīng)用，不斷的檢查安全的情況，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)威脅的弱點(diǎn)，確保各個(gè)方面是互相合作的，當(dāng)把政策不一樣的情況檢測(cè)出來(lái)時(shí)，確保安全的政策存在于整體的環(huán)境中，會(huì)帶來(lái)一定的幫助，為了將網(wǎng)絡(luò)抵御攻擊的能力提升上來(lái)應(yīng)用了PKI和防火墻技術(shù)。

2.3 D檢測(cè)

為了將入侵的行為盡快的檢測(cè)出來(lái)，這是應(yīng)用入侵檢測(cè)的目的，為將關(guān)鍵的環(huán)節(jié)盡快的制定出來(lái)，對(duì)主機(jī)的IDS和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用，將技術(shù)性的隱蔽應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)攻擊者進(jìn)行抵制，防止它進(jìn)一步發(fā)展破壞臨測(cè)工作。對(duì)入侵的行為及時(shí)的予以檢測(cè)，將更多的時(shí)間提供非響應(yīng)，對(duì)和防火墻互防互動(dòng)的形式上予以應(yīng)用，將綜合性的策略應(yīng)用到網(wǎng)路安全管理。因此，就應(yīng)該將一個(gè)安全監(jiān)視的中心構(gòu)造起來(lái)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全工作情況進(jìn)行整體性的了解，在對(duì)攻擊進(jìn)行防止的時(shí)候，檢測(cè)是其關(guān)鍵的一環(huán)。

2.4 R響應(yīng)

當(dāng)有攻擊的行為出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中時(shí)，為了能夠盡快防止攻擊，對(duì)正確及時(shí)的響應(yīng)上就要立刻的予以實(shí)現(xiàn)，對(duì)取證、必要的反擊系統(tǒng)、響應(yīng)阻止、入侵源跟蹤等就要實(shí)時(shí)的予以響應(yīng)，避免再次發(fā)生相似的情況。并且還有可能將入侵者提供出來(lái)，對(duì)入侵者的攻擊行為上也能夠有效的進(jìn)行抵御。

2.5 R恢復(fù)

防范體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是利用它呈現(xiàn)出來(lái)的，不論防范工作做得怎樣緊密、怎么完善，也沒(méi)有辦法避免不露出一點(diǎn)的馬腳。在對(duì)信息的內(nèi)容利用完善的備份機(jī)制進(jìn)行保障的時(shí)候，會(huì)有一定的恢復(fù)功能存在于其中。對(duì)破壞的信息進(jìn)行控制和修補(bǔ)的時(shí)候，可以應(yīng)用快速恢復(fù)、自動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，降低個(gè)性的損失。

2.6 C反擊

應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)，將入侵的依據(jù)、線索提供出來(lái)，將合理的法律手段應(yīng)用在入侵者身上，對(duì)其進(jìn)行法律打擊時(shí)有法律作為保障。由于證據(jù)在在數(shù)字形式的影響下很難獲得，因此，一定要對(duì)證據(jù)保全、取證等技術(shù)進(jìn)行發(fā)展與應(yīng)用，在破譯、追蹤、恢復(fù)、修復(fù)的方式上進(jìn)行使用。

信息安全體系的核心是由人員構(gòu)成的，在信息安全體系建設(shè)中，它的主要保障就是管理的體系，以信息安全技術(shù)作為支撐。需要根據(jù)自身的情況在實(shí)際中應(yīng)用，適當(dāng)?shù)恼{(diào)配這幾個(gè)方面，就能很好的完成信息安全體系的建設(shè)。在信息安全體系的構(gòu)成中絕對(duì)不能忽視人為這個(gè)重要的因素。其現(xiàn)實(shí)意義可以借助以下的結(jié)構(gòu)圖形表示：

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多元化的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已經(jīng)逐漸的應(yīng)用到企業(yè)公司當(dāng)中，在公司對(duì)各種信息進(jìn)行交流的時(shí)候，幾乎全是利用網(wǎng)絡(luò)信息予以實(shí)現(xiàn)的，為公司的發(fā)展帶來(lái)了巨大的效益和便利。但是現(xiàn)階段一些企業(yè)公司在使用網(wǎng)絡(luò)信息的過(guò)程中逐漸暴露出一些問(wèn)題，重要信息失真的情況也會(huì)經(jīng)常的發(fā)生，給公司的發(fā)展蒙上了一層黑霧。因此，我們要進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算機(jī)安全體系的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建有效的防治措施，在確保公司機(jī)密不被竊取的情況下合理的應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息，促進(jìn)企業(yè)在健康的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，又好又快的向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

篇10

關(guān)鍵詞：高層鋼結(jié)構(gòu)住宅；結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析；地震荷載；風(fēng)荷載

Key words： high-rise steel residential；structure calculation and analysis；seismic load；wind load

中圖分類號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）02-0131-03

0 引言

鋼框架結(jié)構(gòu)與混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，有很多不同之處。一方面鋼材比混凝土材質(zhì)更為均勻、各方向的力學(xué)性能幾乎一樣，這些有利于結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算；另一方面，鋼材強(qiáng)度較高，在相同承載力下鋼構(gòu)件的截面可以減小很多。這是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也產(chǎn)生一些問(wèn)題：構(gòu)件截面的抗彎剛度EI、抗扭剛度GIt、抗翹曲剛度EIw均小于混凝土構(gòu)件的各個(gè)剛度值。剛度小就意味著抗變形的能力比較差，容易產(chǎn)生較大的變形。[1-5]

1 荷載效應(yīng)的計(jì)算

我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算作規(guī)定，但公式只限于彈性分析，而且一般采用一階彈性分析。由于鋼框架結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)較大，采用一階彈性分析顯得保守，這時(shí)宜采用二階分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)進(jìn)行了研究，比較成熟的分析方法有兩種：塑性區(qū)法和塑性鉸法。這兩種方法都對(duì)材料進(jìn)入塑性階段給出了研究結(jié)果。但由于計(jì)算工作量大，難于在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣。

本文按照我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2014）中的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)PKPM軟件，對(duì)常用的鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，從而找出結(jié)構(gòu)性能比最好的結(jié)構(gòu)體系。[1-2]

2 PKPM計(jì)算分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)以昆明某小區(qū)12層鋼結(jié)構(gòu)住宅為背景，建筑方案為：（高層）地下1層，地上12層，出屋面樓梯、電梯間1層；層高為地下3.6m，地上12層每層均為2.9m，出屋面4.1m；室內(nèi)外高差：0.45m；地上結(jié)構(gòu)總高度：0.45+2.9×12=35.25m；結(jié)構(gòu)方案為：樓板采用現(xiàn)澆混凝土平板，預(yù)應(yīng)力槽形疊合板，樓面預(yù)留70mm建筑做法，輕骨料混凝土填充；主體結(jié)構(gòu)材料為鋼材：Q235；混凝土強(qiáng)度等級(jí)：鋼管混凝土柱C40，其他C30；鋼筋：HPB300級(jí)、HRB400級(jí)?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)；填充墻采用200mm厚加氣混凝土砌塊?？拐鹪O(shè)防烈度分別考慮7度和8度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.10g和0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地土特征周期值選取0.40s。

結(jié)構(gòu)類型分別考慮鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)和鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)兩種，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1和圖2所示，其三維模型如圖3和圖4所示。柱子采用方鋼管柱和鋼管混凝土柱兩種類型。

2.2 計(jì)算結(jié)果比較

通過(guò)PKPM計(jì)算，將兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，期中用鋼量對(duì)比如表1所示，層間位移角對(duì)比如表2所示，應(yīng)力比對(duì)比如表3所示。

通過(guò)以上分析可以看出，無(wú)論是7度設(shè)防區(qū)還是8度設(shè)防區(qū)，采用鋼管混凝土柱的結(jié)構(gòu)用鋼量少，在水平荷載作用下的層間側(cè)移也比較小。說(shuō)明鋼管混凝土柱的使用效果更好，在高層鋼結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)更好。此外，從應(yīng)力比對(duì)比結(jié)果來(lái)看，鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的應(yīng)力比比較高，說(shuō)明構(gòu)件的承載力更能夠充分發(fā)揮。

3 結(jié)論

本文對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析與對(duì)比。從分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

3.1 用鋼量

無(wú)論是鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)還是鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)，采用鋼管混凝土柱的用鋼量都比較小。7度時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的用鋼量比為1：0.96，8度時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的用鋼量比為1：0.92，兩種結(jié)構(gòu)的用鋼量相當(dāng)。若是考慮經(jīng)濟(jì)性，在結(jié)構(gòu)中采用鋼管混凝土柱可以大大降低成本。

3.2 抗側(cè)移性能

7度、8度時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)類型都可以滿足水平側(cè)移要求，鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)更優(yōu)。兩者的側(cè)移不僅滿足了規(guī)范規(guī)定的限值，而且滿足了住宅精裝修的要求。

3.3 安全性能

鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)和鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)都能滿足安全性能的要求，兩種結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力比都比較大，構(gòu)件的承載力能夠充分發(fā)揮。

綜上所述：鋼管混凝土柱的受力性能要強(qiáng)于方鋼管柱，在8度區(qū)，用鋼梁比后者少了8%左右，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)?shù)拿黠@。對(duì)于鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)方向上筒體都屬于強(qiáng)支撐體系，所以安全性能全面高于其他結(jié)構(gòu)類型。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB50017-2014，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

[2]鄭添，王恒華.多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選研究[D].東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[3]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.