计算机系统结构精选(九篇)

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第1篇：计算机系统结构范文

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.

第2篇：计算机系统结构范文

关键词：SOPC；FPGA；应用型教学；软核处理器

计算机系统结构是计算机科学与技术本科专业的一门专业基础课，该课程介绍计算机系统中硬件和软件的功能结构及相互转换关系，分析了现代计算机的体系结构，讨论了计算机系统结构的理论和相关技术。从原理、结构和实现技术等方面，侧重对RISC结构、流水线结构、阵列处理机、多处理机系统、智能计算机结构等现代计算机的系统结构进行了较深入的分析和探讨，使计算机专业的学生具有计算机系统结构的基础理论知识和培养学生具有一定的体系结构技术应用能力。为今后从事计算机系统及其应用的研究、开发、工程实现有重要的指导意义。

但这样的一门课程，学生的学习积极性不高，与学生交流时，多数同学认为理论性太强，难度大，更主要的原因是在学生的思想认识上，认为学了没用。于是在课堂上不认真听讲，看一些自己认为有用的书，甚至出现逃课现象。也许是处于各种原因，在一些高校计算机系统结构这门课已经从教学计划中抹掉了，或者把它与计算机组成原理结合，可能只占很少的份额。在2010年5月9日，由教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会和高等教育出版社组织召开福建省高校计算机专业课程建设研讨会上，其他高校也同样存在学生对这门课的学习积极性不高，对应的实践教学难以开展的问题。

如何寻找这门课程的出路，提高教学质量、教学效果，激发学生的学习兴趣呢？其实计算机系统结构的理论和相关技术与SOPC(可编程的片上系统)有着紧密的联系。SOPC是一个面向应用、崭新的、富有生机的嵌入式系统。在计算机系统结构教学中，将课

本的理论知识结合到SOPC的应用开发，加强理论与实践相结合，增加应用型实践教学，必将能激发学生的学习兴趣。

1SOPC的系统概述

随着IC设计和工艺水平不断提高，在一个半导体芯片上完成系统级的集成已成为可能，数字技术进入片上系统SoC(System on Chip)时代。SOPC是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SoC解决方案，它将CPU、存储器、I／O接口、DSP模块、低电压差分技术(LVDS)、时钟数据恢复技术(CDR)以及琐相环(PLL)等系统设计所必须的模块集成到一片FPGA上，构成一个可编程片上系统。SOPC是PLD和ASIC技术的融合的结果。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，是半导体产业未来发展的方向[1]。

实现SOPC的一种解决方案是应用FPGA生产厂商Altera公司推出的NiosⅡ嵌入式处理器。NiosⅡ是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，NiosⅡ以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。用户根据设计要求，利用QuartusⅡ和SOPC Builder对NiosⅡ及其系统进行构建，使嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等全方面满足用户系统设计要求。另外在基于NiosⅡ软核嵌入式的SOPC系统设计中可以通过定制指令的方式，为嵌入式处理器配置专有硬件加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而可以利用FPGA的可重配置的特性向FPGA配置相应的嵌入式系统，从而使SOPC系统高效高速工作。

SOPC在应用和理论知识构成上达到了一种有机融合，由于同时涉及底层的硬件系统和相应的软件设计，SOPC技术使开发者能够在软硬件系统的综合与构建两个方面发挥自己的创造力和想象力，从而多角度、多因素和多结构层面对自己的设计进行优化。SOPC从设计层次上讲分为硬件设计和软件设计；从设计流程上讲是典型的自顶向下的流程；从设计手段上讲，它更广泛和深入地利用计算机这一科研开发的主流技术，在这一平台上设计者可以最大限度地优化系统的性能。SOPC系统的开发流程如图1所示[2]。

图1SOPC系统开发流程

2应用型硬件平台搭建

实验室原有的设备只能用实验箱进行验证性的实验，各种实验集中在一个实验箱上，线路繁杂，出错率高，且设备陈旧，实验的成功率很低，不能达到预期的目的和效果。在这种条件下，要让学生完成某种模型机的设计难度较大，没有多大的实用价值，不能激发学生的兴趣。搭建一个基于FPGA的SOPC嵌入式系统硬件平台，在这样一个具有设计灵活，可裁减、可扩充、可升级并具备软硬件系统可编程的功能系统上，学生可以更自由发挥。利用现有的IP核进行裁剪，设计自己需要的CPU，根据需要增设特殊的功能指令，实用性强，难度不大，有利于激发学生的兴趣。

硬件平台以满足实验最基本需要为主，提供一个简单、清晰和接线方便的FPGA最小系统，降低硬件系统的复杂性，最小系统实验平台如图2所示。系统的核心芯片采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone EP1C6,它具有9 800个逻辑单元，用户I/O有185个，使用最新型的AS配置方式，配置芯片EPCS4。一个JTAG接口和一个AS接口用于系统的调试和下载，Flash闪存用于存储嵌入式操作系统uCLINUX和用户数据程序。该实验平台，学生可以创建一款不管在外设、存储器接口、性能特性等方面，以及在成本上都较为完美的处理器；可在一片FPGA内部实现多个处理器内核的设计；流水线的应用设计；uCLINUX嵌入式操作系统的移植等应用型操作。

图2最小SOPC系统实验平台

若需要有RS232、以太网、VGA、音频接口和USB2.0接口等，可以扩展一块副板，主板与副板间通过扩展I/O连接。

3应用型课程实践项目

从原理、结构和实现技术等方面，将RISC结构、流水线结构、多处理机系统和存储器的理论知识和相关技术结合到一个面向应用、崭新的、富有生机的SOPC嵌入式系统上，可从以下几个方面将课本的理论知识与SOPC系统结合。

1)Nios II处理器设计。

NiosⅡ嵌入式处理器是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，Nios II以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。学生通过使用Altera的QuartusII软件、SOPC Builder工具及NiosⅡ集成开发环境(IDE)，将Nios II处理器嵌入到SOPC系统中。从系统的性能要求、从软硬件取舍的基本原则、从计算机系统的定量设计原理等方面的计算机系统结构的理论知识，来确定是否要为嵌入式处理器配置专有硬件加速器；如为嵌入式处理器配置专有硬件乘法加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而使SOPC系统高效高速工作。另外，根据需要为Nios II系统添加片内存储器、PIO、UART和片外存储器接口等。通过这个实验可以让学生加深对所学的理论知识的理解和应用，同时也加深了对计算机系统的理解。

2)μClinux操作系统的移植。

此项实验主要用嵌入式操作系统来验证自己定制的NiosⅡ嵌入式处理器是否可行，操作系统的移植是SOPC的一个组成部分。时也可与ARM等硬核嵌入式处理器做个比较。

3)流水线的应用设计。

利用流水处理机的工作原理，加快单位时间串行的任务数。这是也开发并行性的途径之一时间重叠，时间重叠(Time Interleaving)是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。在这个应用设计中，可以让学生完成流水线加法器的设计、流水线乘法器的设计、流水线技术的FIR滤波器等应用型实验[3]。从而提高学生对流水处理机相关知识的理解。流水线加法器和流水线乘法器属于流水线分类中的部件级流水，流水线分类的概念在这也得以体现。

4) 多核系统的设计。

所谓多核是指在一个处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核从而提高运行速率和降低能

耗，实现横向扩展提高性能)多核架构能够使目前的软件更出色地运行。并创建一个促进未来软件编写更趋完善的架构[4]。SOPC Builder允许用户轻松添加多个处理器到系统中。因此建立多处理器系统的难点已不再是硬件的排列和连接。而在于多个处理器的软件设计，使它们正常操作，相互之间不产生冲突。

在课程中讲授多处理机的知识。多处理机是指有两台以上的处理机，共享I/O子系统，机间经共享主存或高速通信络通信，在操作系统控制下，协同求解大而复杂问题的计算机系统。使用多处理机有两个目的，一个目的是想通过多台处理机对多个作业、任务进行并行执行来提高求解大而复杂问题的速度，从而提高系统的整体性能。另一个目的则是使用冗余的多个处理机，通过重新组织来提高系统的可靠性、适应性和可用性。多核和多处理机系统有很多相同的地方，可让学生应用多处理机的知识解决多核协调处理的问题。

4结语

计算机系统结构课程的理论和相关技术应用于SOPC系统远不止这些。随着SOPC系统的应用发展，计算机系统结构课程教学将会被更多人所重视。开展应用型实践教学，适当减少理论教学，或通过实践教学使学生自觉学习理论知识，而不是被动学习。学生能够学以致用，对激发其学习兴趣，提高毕业设计水平、工作就业质量等，都将起到积极的作用。

参考文献：

[1] 华清远见嵌入式培训中心．FPGA应用开发入门与典型实例[M]．北京:人民邮电出版社,2008:269-273．

[2] 任爱锋,初秀琴,常存,等．基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2004:197-198.

[3] 崔秀敏．基于FPGA的流水线技术设计与实现[J]．科技信息,2010(7):76-77.

[4] 李欢,王莉莎,董丽丽．基于FPGA的多核嵌入式系统研究[J]．现代计算机,2010(4):33-36.

Based on SOPC the Computer Architecture Application Teaching Discussion

ZHU Shilang

(College of Computer and Information, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract: Analyzed the present situation of the Computer Architecture course, studied the present popular face application SOPC the embedded system and the curriculum relation, points out this curriculum importance. Proposed the teaching approach of integrated the SOPC embedded system and the Computer Architecture curriculum. Designed the teaching hardware platform and the project of application practice teaching.

第3篇：计算机系统结构范文

通过本课程的学习,使得学生能够掌握计算机系统设计的基本思想和方法,提高分析问题和解决问题的能力,增强专业素养,培养学生的创新思维和创新能力。同时,通过本课程的学习,学生能够理解计算机几十年快速发展的内在推动力,掌握发展规律,从而进一步把握计算机技术和应用的发展趋势。

计算机系统结构教学存在如下问题:(1)教学内容涉及数字逻辑、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专业课,综合性强,概念多而抽象;(2)教材内容无法与新技术发展同步;(3)实验教学缺乏。上述三个问题导致了教师授课难和学生学习难的两难局面。为此,本文将基于理论讲授、专题讨论和开放性实验的“三位一体”教学法引入到计算机系统结构的授课过程中。利用精心组织的课堂讲授解决授课内容综合性强,概念抽象的问题;在授课过程中穿插专题讨论,让学生立足于经典的设计方法,探讨新技术的发展;合理安排开放性实验,理论与实践相结合,进一步提高教学效果。

1授课内容安排和授课方法探讨

计算机系统结构与计算机组成原理在课程内容上有一定的重叠,明确两门课程的授课内容,既避免内容上的重复,又保证课程之间的无缝衔接,是提高授课质量的前提。计算机组成原理主要研究计算机各功能部件的组成和工作原理,以及各部件之间的协同工作。计算机系统结构着重介绍如何最佳、最合理的实现软硬件的功能分配。计算机组成原理强调部件细节,而计算机系统结构强调系统全局,重点阐述高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系,及性能分析中各方面的影响,避免对软件层面的忽视[4]。

合理安排系统结构课程的授课过程是提高授课质量的重点。根据授课经验,各知识模块的安排顺序如下:计算机系统结构的基础知识、指令系统、流水线处理技术、存储系统、输入输出系统、多处理机技术。计算机系统结构基础中主要介绍计算机系统结构的概念,包括经典定义和广义定义;计算机系统设计的量化方法,包括Amdahl定律、常见事件优先原则、程序的局部性原理等。指令系统中主要明确指令集在计算机系统中的位置;指令集设计的基本准则,重点介绍RISC和CISC设计的出发点和特点。流水线处理技术中重点介绍流水线性能指标及计算方法;流水线设计时遇到的一些相关和冲突问题,阐述这些问题产生的原因、造成的性能损失和相应的解决方法。存储系统中主要介绍存储层次存在的原因;衡量存储层次的性能指标;Cache优化技术,包括从失效率、失效开销、命中时间等三个方面进行优化的,并在实际中广泛采用的技术;采用一个实例如Alpha 21064或者Opteron介绍经典的存储层次,对前面所阐述的各种存储技术和思想进行总结,加深同学们的理解。输入输出系统中重点介绍输入输出系统的重要性以及RAID。多处理机系统重点介绍Cache一致性问题。

采用适当的授课方法,运用合理的教学手段是提高授课质量的灵魂。由于计算机系统结构课程综合性较强,概念抽象,难以理解。采用传统教学方式,学生会感到枯燥无味,无法维持学习兴趣。因此在教学过程中采用了各种方法激发学生的学习兴趣。比如对于在讲解存储系统中Cache的映像规则时,同学们对于“直接映像”、“组相联”、“全相联”这几种映像规则相联度越高,利用率越高,但是查找越复杂的特点不好理解。此时,可以用同学们进入教室时是按照学号入座还是随便坐的例子来很方便的理解这些特点。

2穿插专题讨论

本课程中引入专题讨论主要基于一下两方面原因。

一方面计算机系统结构技术发展很快,方向很多。但是不可能在原有授课体系中加入过多新技术,也没有更多的课时来系统讲授新技术。另外,教学内容中对新技术的补充有时是把“双刃剑”,教学内容既要跟上技术的发展,是知识不致落伍,又有保证教给学生的是立足于经典知识的思维方法,而不是熟练某些技术细节[4]。为了解决这个问题,我们可以采用专题讨论的形式。每当完成某一章或者某一部分的讲解之后提出相关知识的讨论题目,同学们基于已经学习的基本技术、基本思想,查阅参考资料,对新知识、新技术进行探究,思考,乃至预测其发展方向,并以文献综述、调研报告的形式总结自己的观点,然后在课堂上交流讨论。题目的选择要适当,既新颖又要注意知识的衔接,比如在微处理器结构方面的“指令融合”、“间接转移预测”;存储结构方面的“混合写回策略”;多处理机结构方面“高性能计算机体系结构发展”等。

另一方面,这也是大学教育中以学生为主体,教师为主导思想的具体体现。并且计算机系统结构课程开设在大三下学期或者大四上学期,具有了一定的专业基础。通过引入专题讨论,可以启发学生独立思考,发展学生的逻辑思维能力和独立解决问题的能力。而当学生经过认真的思考,对讨论题目深入理解后,他乐于将自己的成果与同学们分享,从而感染其他学生进一步提出自己感兴趣的问题参与讨论。这样就可以加深学生对于知识的掌握程度,提高学习兴趣[6]。

3实验设计

计算机系统结构课程理论性较强,课程中的流水线技术及相关问题、指令动态调度、存储层次等内容比较抽象,使得学生在学习过程中难以理解,影响学习兴趣。通过实验研究对系统结构进行量化分析,从而更好理解相关内容,是国际上流行的一种方法。

当前国内外存在多种实验方法和手段。有的使用硬件,有的使用软件;有的侧重I/O部分,有的侧重流水部分;有的侧重实际设计,有的侧重理论理解。通过多年的教学研究,本课程组倾向于实验中主要使用模拟器进行模拟实验,帮助学生理解抽象的理论内容,对于流水线、Cache设计实验进行讲解后由学生课下完成。

对于实验内容,以帮助理解理论内容为目的,根据本文第二部分中阐述的课程内容进行安排,主要包括流水线冲突、指令调度、分支延迟、Cache性能分析、Cache一致性协议等。对于具体实验步骤,本文不再展开。

4结语

综上,通过引入三位一体教学方法,在计算机系统结构课程教学中实现了理论和实践相统一,以教师为主导和以学生为主体相统一,新知识新技术与经典思想相统一,较好的解决了该课程教学中存在的部分问题,提高了该课程的教学质量。

参考文献

[1] John L.Hennessy,David puter Architecture:A Quantitative Approach[M].4th ed.san mateo,CA:Morgan Kaufmann Publishers,2007.

[2] 张晨曦,王志英.计算机系统结构(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[3] 张晨曦.计算机系统结构实践教程[M].北京:清华大学出版社,2010.

[4] 姜晶菲,肖侬,王志英,等.“计算机体系结构”课程建设及改革思考[J].计算机教育,2009(18):3～5.

[5] 方娟,毛国君,朱文军.“计算机系统结构”校级精品课程建设的探索和实践[J].教育与教学研究,2009(24):52～54.

[6] 曲大鹏,薛建生,范铁生.启发式教学法在《计算机系统结构》教学中的应用[J].辽宁大学学报,2010,37(3):218～220.

[7] 张晨曦,王志英,刘依,等.“计算机系统结构”课程内容体系的研究[J].计算机教育,2009(20):57～60.

第4篇：计算机系统结构范文

摘 要：文章针对美国一流大学的计算机组成与系统结构实验课程进行研究，重点介绍UC Berkeley，MIT，Stanford University，CMU相关实验课程的内容和特色，为我国大学计算机组成与系统结构实验课程今后的改革与发展提供参考。

关键词：计算机组成；计算机系统结构；实验课程

作者简介：王帅，男，讲师，研究方向为计算机体系结构、嵌入式系统；袁春风，女，教授，研究方向为Web信息检索与本文挖掘、多媒体文档处理、计算机体系结构。

1 美国大学计算机组成与系统结构实验课程概况

美国一流大学有着悠久的历史和长期的经验，所以我们深入研究和分析他们近几年在计算机组成与系统结构实验课程上的内容设置与教学变革，希望能够对我国大学的计算机组成与系统结构实验课程今后的改革和发展提供一些参考与启发。

由于院系设立的不同，美国大学与计算机相关的院系一般可分为几类：单独的“计算机科学系”(CS)，与工程相结合的“计算机科学与工程系”(CSE)，和电子工程联合的“电子工程与计算机科学系”(EECS)等。由于院系的类别不同，他们对于计算机组成与系统结构等课程的实验内容和要求也不同，这种不同也是由于师资力量的不同造成的。例如计算机科学系对于计算机组成与系统主要是从整个计算机系统出发，强调从高层(应用和软件)到底层(硬件)的掌握与了解，实验手段一般也是采用高级语言来实现对硬件的模拟。有着工程背景的计算机科学与工程系和电子工程与计算机科学系，一般比较强调对于硬件的深入了解和底层的实现，要求学生采用VHDL，Verilog等硬件描述语言进行一些功能部件和小型系统的设计，并在FPGA等硬件上进行测试验证；有着师资条件的电子工程与计算机科学系还会开设大规模集成电路设计(VLSI)等课程，以加深学生对于计算机系统的全面了解。

虽然学校之间要求不同，但是作为计算机科学的一门核心课程，计算机组成和系统结构在每个学校都有着很重要的地位，而且都会配有相对应的实验课程，使学生有更加直观的认知和实践经验。

2 美国大学计算机组成与系统结构实验课程内容与分析

2.1 UC Berkeley(University of California, Berkeley)

对于UC Berkeley关于计算机组成与系统结构的课程设置，袁春风教授等[1]在《计算机教育》杂志中已经作出深入而详细的总结。CS61C(Machine Structures)[2]作为所有和计算机组成与系统结构相关课程的先修课程，实验部分采用高级语言实现和软件模拟的方法。CS150(Components and Design Techniques for Digital System)[3]的实验采用FPGA实现MIPS指令系统的方式，并由一个游戏程序进行验证。由此可见对于电子工程与计算机科学系(EECS)的UC Berkeley采用了软件和硬件实验并重的方式，使学生能够全面地了解计算机系统。

2.2 MIT(Massachusetts Institute of Technology)

作为又一个EECS，MIT的“电子工程与计算机科学系”也是注重学生对底层硬件的掌握与设计。和计算机组成与系统结构实验相关的课程主要是6.004 (Computation Structures)[4]。课程的内容从基本的信息系统和数字系统的概念，讲到电路中的时序逻辑、有限状态机(FSM)，然后从计算机系统中的流水线、指令集，介绍到机器语言、编译等。后期课程根据计算机系统设计中常见的问题，讨论了例如中断、死锁、流水并行等。整个课程涵盖范围很广，很多地方已经涉及到了编译原理、操作系统等课程的内容，对学生的要求较高。

对于MIT课程6.004配套的实验，开始部分采用了类似于HSPICE的模拟器JSim对基本电路和部件的特性进行模拟和了解，设计了如基本的加法器、算术逻辑单元(ALU)、有限状态机等。然后他们采用了根据课程配套开发的BSim模拟器，来提供对于课程中用到作为实例的Beta 处理器结构(图1)的支持。Bsim可以提供高级语言程序的输入，编译和二进制代码转换，载入代码和模拟执行，并显示结果。学生要求实现手动的编译程序(写出高级语言对应的汇编程序)，用JSim实现对应的Beta Architecture，在原有的指令系统中加入新的指令，最后实现并验证整个系统。由此可见，MIT的实验课程也是强调硬件模拟(JSim)和软件模拟(Bsim)的结合，通过从高级语言到机器执行的整个过程的介绍，让学生有一个全面的了解。

图1 MIT 课程6.004 Computation Structures中的Beta 处理器结构[4]

2.3 Stanford University

Stanford的计算机科学(CS)与电子工程(EE)是两个独立的系，因此他们之间的课程也相对独立。目前和计算机组成与系统结构相关的课程主要有：CS的CS107(Computer Organization and Systems)[5]，EE的EE108a(Digital Systems I)[6]和EE108b(Digital Systems II)[7]。

CS107(Computer Organization and Systems)由于是设立在计算机系(CS)，课程强调从C语言编程的角

第5篇：计算机系统结构范文

（一）大学预算系统一个系统由调整对象、目标价值、组织机构、规则体系和实施手段等要素组成。大学预算系统的基本内容如下：

（1）调整对象。调整对象指系统所涉及的范围与领域。大学预算系统的调整对象是预算全过程，包括预算编制、审批、执行、控制、调整、监督、评价和报告等全过程。各个预算主体在预算过程中的所有行为和活动都是预算系统涉及的范围和领域。

（2）目标价值。目标价值指系统的动机、目的和要求。大学预算系统的目标价值是促进大学可持续地健康发展。目标价值的直接表现是追求预算绩效，包括收入汲取绩效、资源配置绩效、遵从绩效、产出绩效和结果绩效

（3）组织机构。组织机构是指实现、贯彻和执行系统任务的组织或社会主体。大学预算系统的组织机构一般包括校级预算机构和院级预算机构两个层级，每个层级又可分为预算决策机构、执行机构和监督评价机构等等。

（4）规则体系。规则体系是系统中各个主体行为与活动的原则、规范和程序。大学预算系统的规则体系指规范和约束预算主体行为的一系列原则、规范和程序，包括预算决策规则、预算执行规则、预算评价规则等。

（5）实施手段。实施手段指的是系统所使用的物质或非物质的工具。大学预算系统的实施手段指大学预算的形式与技术。目前我国大学预算的实施手段是部门预算和精细化管理。

（二）大学预算制度 大学预算制度有狭义和广义两种理解。狭义的大学预算制度就是上文所述的大学预算系统中的规则体系，即调节和约束大学预算主体行为的预算原则、规范和程序。广义的大学预算制度还应包括大学预算系统中组织机构行动规则以及系统的技术和工具。桑德森（Sundelson，1935）曾提出预算原则包括预算体制、预算机制以及预算形式与技术三大类，我们认为广义的大学预算制度也有三个层级的内容：宏观层次的预算体制、运行层次的预算规则和操作层次的技术规范，如图1所示：

（1）预算管理体制。大学预算管理体制是大学预算权力关系的体现，具体表现为预算机构设立和职责划分。一般情况下，学校财务部门是大学核心预算机构。财务部门对校级预算机构负责，包括财经领导小组（或类似机构）、校务会、党委会等，学校预算还接受相关机构的监督，如审计部门、监察部门、教代会、工会等。

大学预算管理体制有集权型和分权型两种基本类型。集权型管理体制指“统一领导、集中管理”模式，一般在规模较小的大学适用。院系无预算管理权限，不单独设置预算机构，也不编制校内单位预算，校内单位运行和建设经费归口向职能部门申报，职能部门初步审核汇总以后报学校财务部门。分权型管理体制指“统一领导、分级管理、集中核算”模式，一般在规模较大的学校适用。管理重心下移，财权下放，院系实施自主理财制度。大学以某种拨款方式将办学经费下达给院系后，院系自编预算、自求平衡、自主管理、自谋发展。但是院系不设二级财务机构，财务政策由学校统一制定，资金由学校统一调配，会计核算在学校统一进行。

（2）大学预算运行机制。大学预算过程一般包括决策――投入――控制――产出――评价――结果等环节。大学预算运行机制指大学预算过程的基本运行原理，既包括单个环节的运行规则和程序，如预算决策机制、执行机制、评价机制；又包括各个环节之间的组成关系，即预算管理模式。按照各个环节之间是否有反馈机制来分，可以分为直线控制型预算管理模式和循环管理型预算管理模式。直线控制型预算管理模式是传统的预算运行模式，预算过程中没有动态监控机制、信息反馈机制和适时调整机制，自上而下、单向运行。循环管理型预算管理模式增加了适时信息监测、信号反馈和预算调整机制，上下结合、双向循环。

（3）大学预算技术规范。这主要指大学预算系统中具体使用的管理技术和工具。这些操作层面的具体技术规范，也是大学预算制度不可或缺的内容，甚至是关键性内容。首先是具体的预算编制方法，如线性预算、绩效预算、规划项目预算、零基预算、新绩效预算等。其次是预算过程中使用的管理工具，如目标管理、绩效管理、战略管理工具等等。还包括预算信息技术、项目管理手段以及预算数据测算的数量模型等。

二、大学预算制度及其环境系统

L.E.戴维斯和D.C.诺斯对“制度安排”、“制度环境”两个概念做了定义。他们认为“制度安排”是“支配经济单位之间可能合作与竞争的方式的一种安排”。“制度环境”是“一系列用来建立生产、交换与分配基础的基本的政治、社会和法律基础规则”。很显然，制度环境是制度安排的基础和土壤。就大学预算系统及其制度安排而言，其基础和土壤包括大学政策系统、服务系统和人文系统，它们共同构成了大学预算制度的环境系统（见表1）。

（一）大学政策系统是预算系统的政治基础 大学政策系统的调整对象是大学政策制定、实施和评价过程，其组织机构包括学术权力、行政权力、政治权力和公众权力的代表机构。学术权力的典型代表是学术委员会或者教授委员会，行政权力的代表是校务委员会及其职能部门，政治权力的代表是党委会，公众权力的代表有教代会、工会以及学生组织等。这些机构之间的关系构成了大学治理结构，这种治理关系在预算过程中的直接反映就是大学预算权力关系，与大学预算系统中的预算管理体制相连。在这个意义上，可以说大学政策系统是预算系统的政治基础。大学政策系统的目标价值是追求政策绩效，即科学决策、政策落实、目标实现。各种权力机构都有自己的议事程序和规则，它们形成了大学政策系统的规则体系。在大学政策过程中，预算就是重要政策工具之一。

（二）大学服务系统是预算系统的作用对象大学服务系统的调整对象是大学服务过程，具体包括大学教育教学服务、科研服务、社会服务等内容。大学预算系统的使命是为大学服务系统配置资源，并监控大学服务系统的预算执行，为大学服务系统的高效运转提供资金、技术和政策支持。在这个意义上，大学服务系统是预算系统的最终服务对象。预算系统是大学政策系统的重要内容，两者共同利用预算工具引导和保障大学服务系统顺利完成教学、科研和社会服务工作。大学服务过程的目标价值是追求服务绩效，包括教学绩效、科研绩效和社会服务绩效。大学服务活动的客观规律以及规范大学服务机构和人员行为的规章制度，构成了大学服务系统的规则体系。

（三）大学人文系统影响预算系统运行效率的重要因素大学人文系统包括内部人文系统和外部人文系统两个部分。内部人文系统主要指大学历史、风格、习惯、文化等等非正式制度安排。外部人文系统则泛指大学外部环境的总和，包括政府预算、高等教育管理体制等直接相关的环境，也包括政府、市场、社会等在各个方面影响大学发展的广阔背景。大学预算改革以及预算系统运行，都是在具体的各种复杂环境中进行的。和谐的校园、开放的理念、进取的精神、社会的包容、政府的支持、市场的完善等等这些良好的人文环境，将极大地提高预算改革的成功性和系统运行效率。大学人文系统目标就是追求人文绩效，更好地成为大学预算系统、政策系统和服务系统的剂和助推剂。

三、大学预算制度系统及其结构

柯武刚、史漫飞（2002）认为各个单项制度构成一个可相互兼容的制度系统，也就是所谓的规则序列。“只有当各种各样的规则形成一个恰当的和谐整体时，它们才能有效地造就秩序，并抑制侵蚀可预见性和信心的任意性机会主义行为”。大学预算制度及其环境系统就构成了这样一个完整的大学预算制度系统。它由四个子系统及其要素相互耦合而成，有比较复杂的结构关系（见图2）。其基本结构包括：逻辑结构、时间结构、空间结构。

（一）逻辑结构从正面看，整个系统分为四层，大学预算制度系统由四个过程组成，包括预算过程、政策过程，服务过程和人文过程。它们之间存在着显著的作用和反作用机制，并逐层传导。

首先，人文过程渗透进上面的服务过程、政策过程和预算过程，潜移默化地作用于三个过程，并以大学特色的形式反映出来。同时，上面三个过程的思想、理念、习惯也会不断地成熟、稳定、沉淀和积累下来，形成新的文化。

其次，大学服务过程决定着政策过程和预算过程。尊重大学服务活动的客观规律，是政策过程和预算过程必须遵循的基本准则，为大学服务过程服务，提高大学服务能力和水平是政策过程和预算过程的最高宗旨。因此，大学服务过程的需求和特征决定了政策过程和预算过程的目标和行为。当然，大学政策过程和预算过程又是约束、监督、调控大学服务过程的重要手段，对服务过程有极大的反作用。在某种程度上，政策过程和预算过程甚至反客为主，成了主导和改造大学服务过程的力量，这不应该成为一种经常的或者长期的现象。在某些成长中的规模不大的学校，学而优则仕的风气较为浓厚，大学行政系统往往聚集了学校众多精英，力量强大；反之，有影响力的学者、教授不多，整体学术力量薄弱，此时很容易出现政策过程和预算过程为主导的现象。

最后，政策过程和预算过程之间是决定与反作用的关系，政策过程决定着预算过程，预算过程是政策过程的“数字化”、“货币化”反映。当然，理性、民主的预算过程是政策过程的重要支撑，并将积极地影响政策过程。

（二）时间结构 从正切面看，按预算循环的时间先后顺序可以分为决策阶段、执行阶段和评价阶段三个环节。每个环节由预算过程、政策过程，服务过程、人文过程耦合形成了决策系统、执行系统、评价系统，这就是我国大学预算制度系统的时间结构。

（三）空间结构 从侧面看，按照上文所述大学预算制度的规则体系层次性理论，大学预算制度系统也分为三个层次：管理体制、运行机制以及技术规范。预算过程、政策过程，服务过程、人文过程等四个过程的制度都包括这三个层次，并具体在决策、执行和评价三个阶段得到应用和体现。

参考文献：

［1］（德）柯武刚、史漫飞：《制度经济学――社会秩序与公共政策》，商务印书馆2002年版。

第6篇：计算机系统结构范文

关键词：计算机化系统 分步验证 风险评估 结构化方法

自动化控制的生产线、实验室分析设备或以信息技术为基础的企业管理平台（如ERP或MES）的引入，用于制药产品的生产、存储和医疗设备的控制，所有这些在医药方面都是GMP相关的，因此必须进行验证。这意味着在药品生产质量管理规范（GMP）和相应的附件中陈述的验证原则必须被严格遵守并实施。虽然这将是很多企业，特别是中小规模企业的一个巨大挑战，但它还是可以通过分步验证的方法被逐步解决。

1.计算机化系统验证的方法

如果用计算机系统代替一个同样GMP相关的手动操作，无论是产品质量还是安全都不会降低。大量的信息也不会由于降低人员参与而丢失。 21CFR Part 11中有个非常明确的要求就是对于电子记录和电子签名的处理，其前瞻性已经超越了其他国家，近年来，已日益成为人们关注的焦点。然而， 在其GMP指南内，对于计算机系统的验证，只提供了验证活动的要求，只是一个框架性的东西，而没有详细阐述如何去实施。对于这些要求，制药企业根本不知道采取哪种方法。

然而，关于计算机化系统验证的方法，反而可以在相关行业协会推荐的指南中找到。例如：GAMP5（优良自动化生产规范），国际制药工程协会（ISPE）的“工艺控制系统验证”，以及国际药品认证合作组织（PIC / S）的“GxP环境中的计算机化系统的质量管理规范”。对于计算机化系统的法规要求，这些验证指南为计算机化系统验证的合规化在第一时间提供了技术的支持。

2.在计算机化系统验证中引入风险评估

为了更好的执行计算机化系统验证，一个最重要的方法就是风险评估，这也是权威机构所要求的。通过所涉及的工艺及其产生的功能，风险评估有识别这些工艺的目的，并在个别的功能模块里，可以生成、显示、删除或修改GMP相关的数据。在大型的计算机化系统如ERP，GMP风险评估被分成两方面。一方面，识别需要验证的系统是否是所谓的遗留系统。另一方面，识别由公司或第三方编写的GMP相关的工艺流程。除借鉴计算机化系统验证的各类指南以外，工艺顺序方案提供了风险分类的基础，借此，单个的工艺流程可以被描述为功能相关的业务活动的一个工序。最终形成的工艺流程概述描述了如何将工艺单元嵌入期望功能。在这个风险分级的框架内，所有与ERP系统有交接面的第三方系统也必须被识别并分类。

3.基于风险评估的结构化方法

本文主要阐述了对于复杂的、整体的ERP系统如SAP、制造执行系统（MES）或文档管理系统的验证基于风险评估，采取分步的结构化方法将计算机化系统验证分为三个阶段进行，如图1。

第一阶段----起始准备

由于计算机化系统的复杂性，建议制订一个单独的验证总计划（VMP）专门用于计算机化系统的验证。在这个验证总计划中将包括验证的策略、程序、范围、职责等内容。与此同时，用户需求规格说明书（URS）将识别并记录GMP关键工艺参数和其它质量相关的所有要求。因此，URS应当描述所有计算机化系统的要求，不管是在系统的获得上还是在与供应商的一致性及组织配合上，包含的内容越详细越好。其中，以下几点需考虑：VMP关联性 ，相关工艺规则，尽可能考虑实际情况，工艺顺序的描述，新系统的引入及其变更的执行，硬件规格说明书（计算机，服务器，冗余系统等），安全概念（防火墙，病毒扫描等），业务流程的连续性（失效，死机等），退出方案（版本更新或系统出现故障时改进），GMP相关数据的存储概念，编程规则/指南的要求，源代码审核的要求，第三方系统的考虑，供应商评估及审核，供应商列表，维修服务协议，人员培训。

除了验证总计划和用户需求规格说明书，标准操作规程（SOP）也会在第一阶段被考虑。所有必要的操作与维护指令应列在其中。

图1 结构化验证策略

第二阶段----风险分析

所有被划分为GMP相关的工艺模块和工艺流程都要进行详细的风险分析及评估其潜在风险。然而， 这个步骤发生的前提条件是已经把用户需求规格说明书（URS）里面GMP相关的要求转化到供应商的规格说明书里面。因为只有这样，那些模块里的分项功能和程序执行单元的数量才能被精准的确认。风险分析可以基于失效模式影响分析 （FMEA） 的方法进行。

风险分析确认了风险的类别，它为规格说明书的编写提供了基础，这些规格说明书包括测试范围，测试深度和验证文档的水平。至关重要的是，对于每个单独的程序单元，其有效的验证测试记录必须形成文件证明。

此外，在风险分析中，程序单元与第三方系统之间的接口，由于他们的GMP相关性而被评估并检查。如果有必要， 在运行确认（OQ）期间，各个接口的有效性必须通过相应的操作测试而被确立和记录。

第三阶段----验证实施

用户特定的编程、工厂验收测试（FAT）和现场验收测试（SAT），以及安装确认（IQ）、运行确认（OQ）和性能确认（PQ） 等验证活动在产品开发、验证和生产体系中分别进行。其中包括编码审核、模块测试、软硬件的集成测试、验收、放行、投入使用等。当然，在运行阶段还包括变更管理、维护管理和可追溯性管理的支持流程。

4.结语

基于风险评估的结构化方法为计算机化系统验证提供了一个解决的方法，其逐步的分阶段的验证策略使计算机化系统验证变的不再难以逾越。

参考文献：

[1] 国家食品药品监督管理局.药品生产质量管理规范（2010年修订）.2010.

第7篇：计算机系统结构范文

1研究方向

到2007年底，每秒钟能进行1000万亿次浮点运算的超级计算机将要问世，这是计算机科学家的最新杰作！但是，即便是如此强大的超级计算机，目前还无法实现人脑能够轻而易举完成的许多感知信息处理任务。例如，在混杂的车站里辨认熟人面孔、在热闹的晚宴里同朋友自由交谈、在国际会议上娴熟地用外语与各国同行讨论研究成果，等。因此，为了建立计算机与人更加友好、自然的用户界面，我们必须创建新的智能计算理论与方法。我们认为将计算机科学与脑科学相结合，研究仿脑计算理论与模型将是通向这一终极目标的一条理想之路。“上海交通大学-微软智能计算及智能系统实验室”的主要研究目标就是为了突破传统数字计算机在智能信息处理的瓶颈，联合实验室汇集了上海交通大学计算机科学与工程系、自动化系和电子工程系的相关领域的10余名教授、副教授，拟在下列方向开展合作研究：

仿脑计算理论与模型

超并列机器学习理论与算法

基于人类视觉信息处理的计算机视觉理论与方法

脑-计算机接口技术

机器人技术

多媒体信息获取技术

无缝媒体通讯技术

这里需要强调的是，微软亚洲研究院汤晓鸥博士为联合实验室研究方向的确定和研究课题的筛选作出了重要贡献。汤晓鸥博士在联合实验室成立之初，就来上海交通大学为我们作了一场精彩的学术报告，不仅介绍了微软亚洲研究院在计算机视觉领域最新的研究成果，而且为我们的学生详细介绍了如何脚踏实地、一步一步地开展高水平的科学研究，使同学们受益匪浅。自联合实验室成立以来，微软亚洲研究院的多名国际知名专家来上海交通大学讲学，他们是“深蓝项目”之父许峰雄博士、系统结构专家张峥博士和自然语言处理专家周明博士。

2006年度微软亚洲研究院资助了联合实验室在机器学习、机器人和多媒体通信三个方向的研究课题，具体内容如表1所示。

2研究成果

联合实验室成立一年多来，取得了多项创新性的研究成果，已在国内外学术刊物和会议上30余篇。由于篇幅限制，下面仅对部分成果作简要介绍。

(1) 超并列机器学习理论与算法

上海交通大学计算机科学与工程系吕宝粮教授在仿脑计算、机器学习和脑-计算机接口等方向与微软亚洲研究院系统结构组、文本组和图像组有着密切的合作与交流，他们共同致力于研究大规模分布式超并列机器学习理论与算法，并将其研究成果应用于人脸识别、自然语言处理、生物信息学和脑-计算机接口等领域。在此期间共同进行博士和硕士研究生以及本科生的培养，联合发表学术论文。与微软研究院的文本组、图像组和机器学习组定期交流和选派学生实习。通过双方真诚的合作，智能信息处理方向已有2名博士生和5名硕士顺利通过答辩。目前上海交通大学有1名博士后、3名博士生、5名硕士生和4名ACM班的本科三年级学生投入到合作研究课题中，来自微软亚洲研究院的1名优秀青年员工在机器学习方向作为博士生进行联合培养。

(2) 无缝媒体通讯技术

上海交通大学电子工程系熊红凯副教授在无缝媒体通信方向，与微软亚洲研究院网络多媒体IM组已经进行了多年的合作研究，他们共同致力于无缝媒体通信的良好远景，主要研究视频信号多元化智能处理与传输，工作包括可伸缩视频编码、分布式视频编码、网络编码，等。微软研究院IM组吴枫等研究人员与他们在此期间共同进行博士和硕士研究生的培养，支持他们参与国际技术标准MPEG-21和JVT的制订，联合提交技术提案和发表学术论文。

通过合作研究，媒体通信方向已有2名博士生、3名硕士生顺利毕业；目前上海交通大学在此方向有2名博士生、4名硕士生投入到合作课题中；微软亚洲研究院有2名优秀员工在媒体通信方向作为博士生进行联合培养，实现一体化技术合作。合作研究的积累，使得该团队获得了2005年和2006年度国家自然科学基金面上和重点项目的相关课题资助。另外，2007年获得了国家“十一五”863计划专题。

(3) 移动机器人的视觉定位技术

服务机器人是一个新兴的快速发展的研究领域。服务机器人的首要问题是其必须在执行任务中应付复杂的环境。复杂环境中的目标定位技术成为其中一项挑战性课题。

项目组提出了一种新的单目摄像头实时定位算法，可以实时计算摄像头的三维运动轨迹。该算法基于视觉路标，集成了目标识别、特征跟踪和3D定位算法。其核心思想是：识别场景中的视觉路标，并主动跟踪匹配特征点，计算摄像机的3D运动轨迹。为了提高算法实时性，相对耗时的目标识别模块只在初始化时寻找和识别路标，接着跟踪算子跟踪匹配特征点，转入实时跟踪过程，同时输出3D轨迹。

实验表明，结合目标识别、跟踪和3D定位，本文算法可以主动发现和实时跟踪感兴趣目标，对于普通PC和USB摄像头，能以30帧/s跟踪运动目标。3D定位也有较好的精度，准确跟踪时，定位误差一般在5cm之内。此外由于每帧都单独计算位姿，因此不存在累积误差，目标丢失后也能快速被识别和跟踪。

3人才培养

联合实验室成立伊始，双方就将人才培养作为合作的重中之重，经过双方的共同努力和友好合作，在一年多的时间里，已经实施了下列三个具有特色人才培养项目。

(1) 博士生联合培养项目

上海交通大学与微软亚洲研究院的博士生联合培养项目是实验室在人才培养方面的合作亮点。该项目主要包含两方面的内容，一方面上海交通大学聘用微软亚洲研究院的资深研究员为上海交通大学博士生导师并与上海交通大学的教授一起联合指导博士研究生；另一方面微软亚洲研究院选派具有硕士学位的优秀员工到上海交通大学攻读博士学位。目前有六位微软研究员被聘为上海交通大学客座教授，其中沈向洋博士、洪小文博士、张峥博士、宋歌平博士和汤晓鸥博士为博士生导师。2006年4月微软亚洲研究院选送了六位优秀青年员工来上海交通大学攻读博士学位，这些博士生首先在上海交通大学完成学位课程的学习，之后他们将在上海交通大学导师的指导下在微软亚洲研究院进行博士学位论文的研究工作。这六名博士生的导师分别是上海交通大学计算机科学与工程系的张申生教授、俞勇教授和吕宝粮教授；电子工程系的张文军教授和孙军教授。博士生联合培养项目的实施，既是微软亚洲研究院对优秀青年员工继续发展的支持和鼓励，同时通过双方深入的交流，将微软亚洲研究院的研究理念和企业需求带到上海交通大学，为双方的共同发展作出了贡献。

(2) 卡内基・梅隆大学联合人才培养项目

微软亚洲研究院联手上海交通大学和美国卡内基・梅隆大学联合培养高素质人才。根据“卡内基・梅隆大学-上海交通大学-微软亚洲研究院”三方达成的协议，上海交通大学、卡内基・梅隆大学每年将互换5名优秀本科学生进行为期一学期的学习，在两校学习之后，这些学生将到微软亚洲研究院进行为期三个月的实习，其间他们将参与实际项目的研发工作。这一“产学研”跨国合作的模式，将为中国培养高素质的“IT国际人”提供一种有效的便捷渠道。到目前为止，上海交通大学电子信息与电气工程学院经过严格挑选，已选派了十多位优秀的本科生去卡内基・梅隆大学电子与计算机工程系学习，这些学生分别来自计算机科学与工程系、自动化系和电子工程系。卡内基・梅隆大学也已选派了多名交换生来上海交通大学和微软亚洲研究院学习和实习。经过三方的联合培养，不仅拓宽了学生的视野，而且进一步提升了学生的综合素质。在参加该项目的学生中，有的同学已在本领域高水平的国际杂志和会议上发表了多篇学术论文。此外随着三方合作的进一步深入和上海交通大学国际化办学的进一步深化，将会使上海交通大学更多的本科生同学有机会亲密接触世界知名学府和研究院。

第8篇：计算机系统结构范文

集成电路技术的发展，使集成电路和处理器的关系密不可分。随着多核技术的出现，处理器已经变成构成系统级芯片（SoC）的基本单元，因此，从集成电路的功能级设计层面讲，计算机系统设计实现采用的方法就是大规模集成电路（VLSI）系统的设计方法。从卓越人才培养的角度，VLSI系统设计是微处理器的逻辑实现手段，而数字逻辑是计算机组成的物理实现基础。学生的数字逻辑系统设计能力和VLSI系统设计能力直接决定了其计算机系统设计能力。因此提升学生计算机系统设计能力的关键是提升学生的数字逻辑系统设计能力和VLSI系统设计能力。为了切实提高计算机工程专业方向本科学生的计算机系统设计能力，教学改革研究工作的目标确定为：以数字逻辑设计方法为设计基础、以硬件描述语言为设计工具、以硬件仿真系统为设计环境、以FPGA为系统实现手段、以计算机系统设计实现为目标和主线，将计算机系统设计实践完整地贯穿于专业核心课程之中；教学改革研究思路确定为：系统视角、整体优先、设计牵引、讲做结合、注重能力。该研究思路不同于一般的课程群，不是简单的知识点的审视，是“自顶向下”的观点和“自底向上”的实现的一种结合方法，最终目标是提升计算机工程专业方向本科学生的计算机系统设计能力。

2研究内容

计算机工程专业方向的主干课程包括数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言、计算机系统结构、嵌入式系统、计算机设计与调试、计算机系统设计、VLSI系统设计等。课程各有目标，课程之间有宏观上的先后顺序，有微观上的相互穿插，有内容上的重叠。经过近几年的教学研究和改革，各门课程都发生了非常大的变化[1]：VLSI课程中会涉及算术逻辑单元的设计甚至处理器设计方面的内容；汇编语言的作用已经从编程工具转变为描述和理解计算机系统工作原理的有效工具；HDL语言和仿真工具不再专属于数字逻辑电路设计领域，已经成为计算机系统设计的通用语言和工具。但是，由于总目标不明确，导致课程分头讲，实验分头做，总体学时不少，最终效果欠佳。笔者的主要研究内容以计算机系统设计为目标，从能力培养的视角看待和理解数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言、计算机系统结构、嵌入式系统、计算机设计与调试、VLSI、计算机系统设计等课程，借鉴CDIO的思想，将系统设计思想和设计实践贯穿整个计算机工程专业方向人才培养过程。

2.1重新审视和修订教学计划

在研究过程中，我们首先整理涉及的各门课程的全部知识点，对相互影响的重要知识点整体排序，整合相近和相似的知识点，归并出一些重要的专题，提出有利于培养计算机系统设计能力的完整实践教学体系，全线引入HDL语言，全线引入基于FPGA开发板的设计实验，紧密配合理论课、设计方法课、实践课，形成“学习—构思—设计—实现”的完整过程。

2.2数字逻辑电路设计课程内容的改革

数字逻辑电路设计课程改革的研究重点是设法强化和提升学生使用硬件描述语言说明硬件系统的能力，将硬件设计语言的介绍提前到课程的开始部分，使学生在学习数字逻辑电路设计过程中就开始使用硬件设计语言，相当于使学生掌握了一个设计工具，为计算机组成原理课程和计算机系统结构课程提供支持，另外，从教学上形成学习数字逻辑电路设计就是学习集成电路设计的理念。数字逻辑电路设计课程的实验既有使用逻辑电路器件搭建实验电路的传统型实验，又有使用FPGA开发板的设计实验。

2.3计算机组成原理课程的教学改革

计算机组成原理课程借鉴“深入理解计算机系统”教材中的思想，调整了部分课程内容和授课重点，比如，在数据表示部分增加了C语言的整数表示以及比较运算的示例，在存储器部分增加了程序访问局部性原理的C语言示例，在指令系统部分增加了寻址方式的C语言示例等。增加C语言的示例是进行教学视角调整的一种尝试，由于学生已经学习过C语言，已经初步掌握了编程方法，但是并不清楚程序在计算机内部，特别是在计算机系统底层硬件中是如何表示、如何执行的。通过在计算机组成原理课程中增加一些C语言的示例，让学生真正理解程序的执行过程。

2.4计算机系统结构课程内容的调整

计算机系统结构课程在课程内容方面进行了一些调整，主要为了更好地与计算机组成原理和计算机设计与调试等课程衔接。增加多核处理器和多线程调度等方面的内容；对教材中给出的一些具体处理器实例给予更多关注，比如Pentium、PowerPC和MIPS处理器实例等；重视向量运算和向量处理器部分的内容。

2.5计算机设计与调试课程实践教学改革

计算机设计与调试课程把以往让学生设计实现一个有十几条基本指令的微程序控制器改变为设计实现向量协处理器；以PowerPCRISC处理器的指令系统为参考，把设计PowerPC扩展指令协处理器AltiVec模块中的VSFX指令部分作为教学内容。整个设计任务分为8个相互联系、难度逐步增加的子任务，通过教师引导、分组讨论、学生实践、实现设计、完成测试等一系列教学环节，让学生完成协处理器中的部分设计工作并熟悉完整的协处理器的设计与调试方法。

2.6嵌入式系统设计课程实践教学改革

嵌入式系统设计课程开发出嵌入式系统计算机结构及相关软件的综合实验，使硬件与软件相结合，强化对学生计算机综合开发应用能力的培养，提高学生的实践能力。综合实验要求学生完成一个嵌入式系统开发实现的全过程，包括完成硬件、软件的功能分配，进行主控数字系统硬件的设计和制作，设计驱动和功能软件，硬件、软件的分别测试与综合测试等。

2.7VSLI系统设计课程实践教学改革

VSLI系统设计课程的实践教学改革，把实践分为3种类型：课程实验、自主实验和课程设计，3种类型的实验全部基于Nexys3FPGA开发板进行设计。课程实验包括XilinxFPGA设计流程、Nexys3FPGA开发板主要模块接口设计和基于IP的数字电路设计等。自主实验部分的题目类型包括：串—并转换电路、FIFO存储器设计、大数加法器设计和FIR数字滤波器设计等。课程设计部分的题目类型包括密码协处理器设计、数字信号协处理器设计和图像处理协处理器设计等。

3实验室建设

天津大学计算机科学与技术学院2006年建立了数字逻辑电路设计实验室、计算机组成实验室、计算机系统结构实验室、嵌入式系统实验室，建立了超大规模集成电路设计与应用研究所。实验室配备了数字逻辑实验台、计算机组成原理实验台、计算机系统结构实验台（带有FPGA模块）、嵌入式系统设计实验台等教学实验设备。这些实验室和实验设备能够满足常规的计算机系统实验，但对计算机系统设计能力培养的支持还不够。为此，学院2013年与美国Xilinx公司合作，建立了天津大学—美国Xilinx公司计算机系统设计联合实验室，实验室配备了50多块Nexys3FPGA开发板，实验时可以满足每人一块开发板的要求。超大规模集成电路设计与应用研究所于2012年引进BEECube公司先进的BEE3系统，该系统基于计算机系统的第三代商用FPGA系统，包括4个Virtex5FXTFPGA芯片，以及高达64GB的DDR2ECCDRAM和8个用于模块间通信的10GigE接口。有了Nexys3FPGA开发板和BEE3系统，我们具备了实现学生设计的各种计算机系统的设备平台，为培养学生计算机系统设计能力提供了强有力的支撑。

4结语

第9篇：计算机系统结构范文

“编译原理”、“操作系统”和“计算机体系结构”是计算机专业的三门核心课程,在计算机科学的教学体系中占有重要地位。学生对于这三门课程的掌握程度在一定程度上反映了他们对计算机专业知识的掌握情况;进一步讲,能否确切理解编译程序、操作系统和硬件系统之间的关联及它们在计算机系统中的层次地位,直接反映了学生对专业知识的整体把握程度。遗憾的是,受限于目前的教学大纲和学时,这三门课程的教学很少涉及对相关课程的介绍和联系,只注重课程自身教学内容的讲解和分析,导致学生无法理解所学知识的应用背景,产生学无所用的想法。

由于编译课程内容具有较强的理论性、逻辑性和实践性,学生在学习过程中感到过于抽象和难以理解。编译教学内容涉及到程序设计、操作系统和计算机系统结构等相关课程,掌握编译技术有助于加深学生对整个计算机系统的理解[1]。目前,编译课程的教学更多关注自身内容的讲解和传授,与其他课程横向联系的内容相对较少。许多学校虽然开设了实验课及相应的课程设计,但只对编译理论中的某些算法或编译系统的某一阶段功能进行单纯的实现与验证,缺少实际背景。另外,现行的编译教材大部分都是从编译技术本身的角度撰写的,为的是让学生掌握编译的基

本理论与思想[2]。所有这些最终导致学生无法对高级语言程序设计每条指令的执行过程有清晰的认识和理解,因而不能实现专业知识的融会贯通。计算机专业的理论基础对培养学生的计算机专业素养具有非常重要的作用[3],因此课程间封闭的教学方式不利于专业素养的培养和提高。

目前,这一现状在短时间内很难改变。笔者认为应以编译课程为切入点,在教学过程中加强相关课程的联系,促进计算机专业知识的交叉融合。

1以编译课程为切入点,强化专业知识融会贯通

编译程序在计算机系统不同层次中处于核心地位,在程序设计及运行过程中起到桥梁和纽带作用,因此应以编译课程为切入点,促进专业知识的融合。按照教学大纲安排,学生入学后首先要学习程序设计的相关课程,进入高年级后,主要学习操作系统、计算机体系结构和编译原理等核心专业课程,它们之间的关系如图1所示。由图1可以看出,编译程序在从程序设计到程序运行产生输出结果这一过程中处于核心地位,编译系统对用程序设计语言编写的源程序

进行编译,编译过程中会用到源语言自身的规范和库程序,需要操作系统提供的库程序和接口以及目标体系结构的相关信息生成可执行的二进制程序。可执行程序根据用户的需要,由操作系统调度运行,并与下层的硬件系统产生密切的关系。本文由收集整理为此,编译课程的部分内容需要程序设计语言、操作系统和体系结构等课程作为支撑,这样学生才能更好地理解计算机系统从软件设计到程序执行的完整过程。

正是由于编译系统在计算机系统中处于重要地位,以编译课程为切入点,在教学过程中加强核心课程之间的横向联系,不仅有助于实现编译课程抽象内容形象化,也有助于加强学生对整个计算机系统的认识。另外,随着计算机系统结构的不断发展与更新,嵌入式计算、并行计算与可重构计算系统逐渐得到发展和普及,这些都使编译系统和计算机系统结构之间的关系变得比以往更加密切。一种新结构的出现需要新编译系统的支持才能真正发挥作用,因此在编译课程的教学中加强与其他课程的联系,也是符合计算机系统发展的大趋势。

2以编译课程为切入点的可能性分析

以编译课程为切入点,强化各个核心专业课程之间的关联,其可能性概括如下:

(1) “编译原理”是计算机专业重要的专业课程,且在计算机系统中具有重要地位。

(2) 编译课程开课的学期较为合适。我们查阅了国内部分高校的教学计划,研究了计算机核心专业课程的课程安排。如表1所示,在我们调查的高校中,除北京大学、北京航空航天大学和西安交通大学外,近一半高校编译课程的开课学期多位于程序设计、操作系统和计算机体系结构等课程之后,或与操作系统和体系结构等课程同时讲授,因此在编译课程的讲授过程中穿插联系相关课程的内容比较合理。通过对相关知识进行整理归纳、巩固与提升,能够取得较好的教学效果。

(3) 编译课程多次涉及其他专业课程的内容,例如“编译原理教学引论”部分要讲授程序设计语言的发展历史、编译程序在计算机软件系统中的重要地位等内容;讲授“编译运行时的环境”部分时,一定学时用于讲述存储分配,特别是基于栈的运行时环境的动态存储分配和基于堆的运行时环境的动态存储分配部分,与操作系统相关内容相互渗透;在“代码生成和优化”部分,尤其是过程(函数)调用的翻译部分,针对目标系统结构的优化部分,亦需要体系结构相关知识作为支撑。反观操作系统和体系结构等课程的教学内容,与其他课程的联系则相对较少。

基于以上几点认识,我们认为,以编译课程为切入点,充分利用有限的学时,在部分教学内容中强化与其他核心课程的关联,实现专业知识融会贯通的可能性是存在的。

3关于课程教学的几点建议

如前所述,目前教与学的实际情况不利于学生对计算机专业知识的融会贯通,在注重软件能力培养的计算机学院中,学生对图1的阴影部分知之甚少,而对阴影前后两部分的内容更加熟悉,掌握程度更高。所以,学生没有从总体上对所学知识建立完整的知识体系,对所学专业课程没有构成清晰的轮廓和概括。

为了强化编译课程的教学效果,教师需要将课程教学置于计算机系统大的背景环境之中,重点阐述编译程序在计算机软件系统中的重要性,与其他核心专业课程之间的联系,同时运用实例教学,使学生从抽象的教学内容中解脱出来,真正感受到所学知识的可用性和有用性。鉴于此,我们对编译课程的教学提出如下几点建议:

(1) 在引言部分强调编译课程与其他课程的关系,重点

说明编译程序在整个计算机系统中的作用和层次地位。需要说明的是,教师不应只强调编译程序自身的地位和作用,还要将其放入图1所示的背景中,使学生能够理解编译程序在从语言到程序执行过程中所处的位置和作用,加强对计算机专业大背景的认识。

(2) 在运行环境、代码生成和优化部分,教师应结合操作系统和计算机体系结构内容进行讲解,使学生能更好地理解目标代码格式、函数调用方式、基于栈的存储管理、代码优化的原因和目标等概念。

例1:对可优化的简单程序源码,使用同一编译程序多次编译,每次编译时指定不同的优化级别,通过分析编译程序生成的汇编源码比较生成的可执行程序运行性能,向学生解释编译程序在编译过程中实施的优化措施,说明优化的目的和效果。

例2:针对最简单的c语言helloworld程序,通过分析其在具体平台上编译后的运行时函数调用图(包括操作系统api),说明用户编写的程序与语言库、系统库之间的关系。

例3:结合具体型号的dsp处理器(例如tms320 c6000系列)及其调试模式下指令的执行过程,说明针

对具体计算机系统结构进行编译优化的必要性和重要性。

(3) 建议针对目前常用的系统平台设计小型完整的实践课程,实践内容应适量涉及体系结构和操作系统的相关内容。针对常见的处理器架构和操作系统设计实践课程,可以使学生在实际的系统中观察到实践结果,通过实际操作和验证增强感官认识,对所学知识融会贯通。

例:针对学生熟悉的程序设计语言(c或者java)、经常使用的操作系统(windows或者linux)、常见处理器架构(例如x86),设计简单完整的实践课程。教师提供能够处理一小部分语法子集的完整编译程序,供学生学习,作为实践过程的参照。学生可以将一小部分没有实现的语法子集作为实践任务,完善已有的编译程序,实现从词法分析到代码生成的各部分功能。最后应能使增强的编译程序在现有的系统平台上运行,编译源码文件并生成可运行的应用程序。