導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇計算機體系結構，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，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0260-02

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

1 計算機體系結構軟件模擬技術的發展過程及其現狀

計算機體系結構軟件模擬技術是在計算機系統內部的中央處理單元的變化下產生的。二十世紀末，計算機系統是利用數據信息驅動技術來收集計算機運作的數據信息，并完成執行程序指令。另外，數據信息驅動技術深入把握計算機的運作數據信息，并對計算機系統內部中央處理單元的組成結構以及其具備的特點做詳細的分析研究，并堅持其所存在的漏洞問題。因此，數據信息驅動技術在當時也被稱為基于執行程序指令而形成的一種靜態模擬技術[1]。

隨著計算機技術的不斷發展，因此，在計算機數據信息驅動技術研發的基礎上，也就出現了能夠分析計算機性能技術。分析計算機性能技術不僅提高了計算機設計結構質量，而且也實現了降低計算機技術的研發成本以及計算機系統設計的失敗概率。此后，分析計算機性能技術廣泛應用于各個領域。但由于其不能夠準確地反映出計算機系統內部的一些細小問題，且適用范圍較小，因此，計算機系統設計人員為了提高了精確程度，擴大適用范圍，于是對該技術再次進行改進完善，于是計算機體系結構軟件模擬技術就在這個背景下誕生了。

據有關數據表明，計算機中央處理器目前的研究和設計過程中，有百分之六十的科研經費都被投入軟件模擬和性能評估兩方面。從理論上講，軟件和硬件相比，前者的開發成本及周期要遠遠低于后者的開發成本和周期，并且軟件開發比硬件開發要簡單。從這個角度來說，靈活性強以及成本低是計算機體系結構軟件模擬技術得到推廣使用的主要原因。然而，由于計算機體系結構軟件模擬技術的研發的技術性要求極強，所以其也面臨著眾多技術難題，這些難題對其發展都起到了阻礙作用[2]。

2 與計算機體系結構軟件模擬技術相關的一些概念

計算機系統的體系結構經過幾十年的發展，現已逐漸建立較為成型的技術規范，在計算機體系結構發展的過程中，有不少具有創造性的模擬技術出現，而且其相關概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人們都習慣性的將其畫上等號，例如仿真和模擬兩個概念，通過以下定義區分開模擬和仿真兩個概念。

1）計算機體系結構仿真

計算機體系結構仿真是指通過計算機硬件或軟件的方式，對計算機模擬器產生的某種模擬結果進行模仿。計算機結構仿真的主要目的是在另一個計算機上實現一個已知的計算機系統功能，使另一個計算機能夠實現與原計算機系統一樣的計算結果，而對于計算過程是不太重視的。

2）計算機體系結構模擬

計算機體系結構模擬則是根據硬件或軟件的工作狀態來模擬計算機系統的計算過程，其主要目的是為了開發和預測計算機未來的功能和性能，因為是研究計算機的計算過程，所以對于計算結果也不太重視。

隨著計算機體系結構模擬技術的發展，計算機體系結構的仿真漸漸屬于計算機體系結構模擬，因為體系結構模擬要先通過正確的輸出結果來預測模擬方式是否可行，其次在研究計算的過程。例如在計算體系結構模擬過程中，模擬器運行是按照一個程序進行的，而承載模擬器的主機則是按照領一套程序進行的，這樣就會造成指令沖突。因此必須要將模擬器上的運行指令實先翻譯為主機上的程序指令，那么能實現由模擬器指令轉化為主機運行指令的工具稱為指令集仿真器。從這個角度來說，計算機體系結構仿真已經成為了計算機體系結構模擬的一部分，是計算機體系模擬的基礎條件。

3 計算機體系結構軟件模擬的分類

3.1 體系結構模擬器分類的分類

1）計算機體系結構模擬器的分類標準多種多樣，根據處理器的實際數量，計算機體系結構可以分為單個處理器和多個處理器系統模擬兩種。單個處理器是利用一個處理系統模擬器來進行系統軟件模擬工作，而多處理器是由多個處理器共同工作，從而實現內存資源共享。根據模擬目標的差異，模擬器又可分為功能模擬、耗能模擬、性能模擬及發熱模擬技術[3]。其中性能模擬與其他三個模擬相比，其發展的最迅速。但是隨著計算機系統的快速發展，人們越來越關注的是計算機的耗能問題，因此，耗能模擬在不久將會成為計算機系統設計的關鍵。另外，模擬器還可以根據開發模式進行劃分，可分為串行結構和并行結構，其中串行結構是利用C語言的編程語言執行編程指令的，能夠實現直接描述計算機系統。

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中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1952-02

1 概述

當前，人們對于計算機性能提出越來越高的要求，這使得計算機系統變得更加復雜，摩爾定律才能描述處理器的復雜程度增長.截止到現在，單片的處理器已經含有10億多個晶體管，而制造如此復雜的計算機系統需要付出高昂的資金成本和時間成本.一般情況下，生產一款處理器經過設計體系結構、設計驗證與評估、邏輯的設計與驗證等多道階段，其中每個階段都需要多次重復制造以保證處理器的質量。生產一款處理器在時間上一般需要花費4至7年，有時候甚至需要更長時間，同時整個過程的資金投入也是非常巨大的。在批量生產某款處理器之前，首先需要制造出若干該款處理器，并對其評估測試，不斷地發現缺陷并修改，直至設計出符合要求的處理器。雖然這種方法科學，但其并不現實，因為新處理器哪怕生產一個，也需要較高的成本和較長的周期。所以研究人員為了克服這個局限開發出了能夠精確到時鐘的體系結構軟件模擬技術。

2 計算機體系結構軟件模擬技術的概述

計算機體系結構軟件模擬技術的主要作用就是采用軟件技術模擬在系統結構級別中計算機某些系統硬件的性能和功能特征。采用計算機體系結構軟件模擬技術驗證和評估體系結構設計成為計算機系統制造和設計中必不可少的環節。在設計處理器的過程中，物力與人力資源中大約超過百分之六十都用在了對新處理器的驗證與評估中。我們都知道開發軟件與開發復雜程度相同的硬件相比，其開發成本較低和開發周期更短，并且與硬件相比軟件更容易修改，其靈活性更強，因此如果運用計算機體系結構軟件模擬技術進行驗證與評估不僅可以大大縮短計算機系統的開發周期還能夠大幅度降低開發成本。所以，計算機體系結構軟件模擬技術能夠在短時間內驗證評估許多體系結構的設計方案，在眾多方案中選擇出最優的方案。

3 軟件模擬技術開發面臨的問題

3.1 計算機體系結構軟件模擬器的開發難度較大

計算機系統是非常復雜的，要想把所有門電路或者晶體管等各個方面的特征都通過軟件進行模擬是不現實的。對計算機系統按照層次來抽象是對系統復雜程度進行簡化的常用方法，計算機體系結構是將計算機系統根據結構層次進行簡化而來的。但是，根據結構層次簡化出來的計算機系統仍然非常復雜，這使得開發其模擬器也十分困難。還有目前主要還是運用C或者C++編程語言來開發體系結構的軟件模擬器，采用這些串行結構化的語言固有機制，比如函數或者類對計算機系統的部件行為和功能進行模擬，是非常容易出錯并且耗時的過程。所以，開發計算機體系結構軟件模擬器一般都還是在現存模擬器的基礎上進行改進或者二次開發以適應開發者的要求，如果從0開始進行開發是非常不容易的。實際上，改進或者二次開發現存模擬器的方法仍然具有較大的難度，因為人們還是經常懷疑模擬器的結果。所以還需要反復驗證模擬器本身，以增強模擬器評估體系結構設計的可信度。這無疑在側面加大了模擬器的開發難度。

3.2 模擬器在評估新設計時運行時間較長

作為在宿主機上的一個運行程序，模擬器在對計算機系統詳細模擬的時候，這個運行程度需要在時鐘周期的級別上記錄動態指令運行出來的所有結果和處理器狀態，比如分支預測器狀態、Cache和內存行為和寄存器狀態燈，這些都有巨大的數據量，嚴重降低了詳細模擬的運行速度。像比較成功的SMARTS軟件模擬器運行速度達到了9 MIPS，跟宿主機的硬件相比而言它的運行速度大約慢了4個數量級。隨著處理器的性能日益提高，國際組織SPEC為對通用處理器性能進行評估而不斷新標準程序包以測試性能。在這些標準化性能的測試程序包含有多個極大負載的性能測試程序，從多個角度對處理器性能進行測評。為了保證模擬結果更加可信，在模擬器中運行標準化性能的測試程序包是很自然的方法。對硬件來講運行這么慢的模擬速度也是一個負載極大的測試程序，必定有非常長的運行時間。依據不同的模擬目的，參考使用輸入參數的情況下其運行時間有可能也要幾年甚至幾十年，另外在體系結構層次中有較多參數可以配置，像Cache大小等，況且這些參數并不是獨立地影響整個系統，，所以每次修改某個參數時，還需要重新從頭開始運行模擬測試程序，查找其對系統的影響。要想得到一個很好的計算機體系結構，模擬運行需要很長的時間。

3.3 模擬器運行結果的精度很低

開發模擬器的過程主要分為理解目標體系結構、針對該結構設計模擬器和實現模擬器的三個步驟，在以上三個步驟中可能存在著很多錯誤。在第一步中，要正確分析模擬器的需求，這也是在軟件開發的過程中需要重點關注的現象，常犯的錯誤就是未能正確分析其需求。在第二步中，雖然對計算機體系結構目標能夠正確理解，但還是經常因為忽略了計算題體系結構設計中的一些細節而導致了錯誤。在實現模擬器時，對模擬器進行編碼是非常容易出現錯誤的。另外，由于模擬器運行模擬的時間較長，開發人員往往只是執行測試程序中的部分指令來代替整體的效果，這樣也嚴重降低了模擬器運行結果的精度。導致模擬結果的精度較差的重要原因就是選取運行的指令不恰當。所以當前在國際上研究的熱點指向了如何在標準化性能測試的程序中選取部分指令來運行。

4 軟件模擬技術開發面臨問題的解決策略

針對以上三種問題，目前學者已經對其解決策略進行了大量的研究，我認為主要還是從以下兩個策略進行改進：

4.1 減少性能測試程序中的輸入參數

對性能測試程序中的參數集進行科學地修改以減少模擬器運行性能測試程序時的運行時間。這種方法仍然運行測試程序中的一切指令，只是采用較少的輸入參數來運行模擬，并將其模擬運行的結果來代替原本輸入參數集運行的結果。這種方法在一定程度上可以提高提高模擬器運行的精度。

4.2 減少運行模擬指令的數量

在采用標準化性能的測試程序中，科學地選取一部分模擬指令對其運行，用這一部分模擬指令的運行結果替代原本運行的結果。提高模擬精度和運行速度的關鍵就在于如何科學選取用于運行的部分指令，通常有兩種方法：直接截取連續指令和采用統計方法抽樣選取指令。這兩種方法相比而言，第一種方法操作起來比較簡單，但是其模擬精度降低，第二種方法運行統計方法進行抽樣，操作起來可能比較復雜，但是其精度有所提高。

5 小結

作為現代計算機的系統設計和處理器中的必須工具，計算機體系結構軟件模擬技術成為了系統設計的質量水平和處理器制造水平的直接影響因素，這也是該技術成為目前研究熱點的重要原因。我認為還需要有更多的專業人員從事研究該技術的工作中來，只有這樣才能有效加快我國計算機技術的發展，提升其在國際上的競爭力。

參考文獻：

[1] 李經松，陳朝暉.軟件總線體系結構的研究與應用[J].空間控制技術與應用，2012（4）.

[2] 閆建紅，彭新光.可信計算軟件構架的檢測研究[J].計算機測量與控制，2011（11）.

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中圖分類號：G036 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）22-00273-01

現在，單片處理器的晶體管數量已超過10億。這樣就給計算機系統的制造帶來了資金成本和時間成本上的大幅度增加。一般來說，設計制造處理器需要經很多個設計和制造階段，包括：體系結構設計評估和驗證，邏輯設計評估與驗證，電路設計驗證，布局設計，最后才能進入生產階段，才可以走進社會生活中。并且為了保證質量，這些過程通常都要重復很多次。研發一款新的處理器一般需要4――7年的時間，而處理器量產之前，還必須制造出樣本進行實測，如果有問題還要重復制造樣本并進行不斷修改，反復進行評估和驗證的過程，我們知道，電子產品在沒有量產前，單個的生產成本是非常高的，這些問題就造成了處理器的研發設計的時間成本和資金成本大幅度上升，甚至讓許多研發企業無力承受。為了解決這個問題，計算體系結構軟件模擬技術就成為研發人員的首選。這種技術可以精確都時鐘級別，從根本上解決了計算機體系結構研發的長時間和高成本問題。

1.計算機體系結構軟件模擬技術的發展歷程

1.1 萌芽階段

計算機體系結構軟件模擬技術的發展經歷了一個漫長的過程，最初，計算機軟件模擬技術的結構雖然已經建立，但是處理器技術并不完善，對系統運行也不能進行合理控制，由于處理器的工作效率低下，所以控制軟件的設計也非常緩慢，計算機體系結構的軟件模擬技術在不斷的探索中緩慢前行。上世紀八十年代，我國的計算技術有了長足發展，經過長期不懈的研究，我國計算機系統在獨立操作數據驅動和處理器高效利用技術兩方面有了新的突破。至此，軟件系統可以在計算機上進行更好的運行，計算機系統的控制也更為便捷。計算機的運行是以收集和處理技術為基礎的。所以，在計算機應用軟件技術的研發過程中要收集大量的數據，并結合計算機基礎知識在計算機處理器平臺上對軟件系統進行構建和設計。這是計算機體系結構軟件模擬技術發展的重要前提，技術人員由此掌握了計算機軟件系統建設的大量數據經驗。

1.2 技術研發階段

在總結了技術探索階段的各種數據和經驗之后，技術研發的方法已經非常明確，研發人員運用性能分析模擬技術改良了計算機系統，這樣，團建模擬技術就可以在處理器中進行合理運用。計算系統的質量得到了大幅度的提高，軟件模擬技術也開始被廣泛運用在計算機系統結構軟件的研發中。計算機體系結構軟件的模擬技術可以對系統運行進行更加順利和有效的控制，再結合性能分析模擬技術，計算機系統的研發成本急劇下降。這樣就降低了技術研發階段的風險，從根本上節省了大量的時間成本和資金成本，保障了研發單位的經濟利益。在技術研發時，還要考慮到計算機系統升級、實際應用，使計算機技術的實用性大幅度提高，計算機系統的工作能力成倍增加。但是在技術研發階段，對模擬器運行的狀況一定要進行合理和有效的控制，只有準確控制模擬器的運行，才能運用結構軟件的模擬技術改良計算機系統，提高模擬技術的實際運用效果。

2.開發計算機體系結構軟件模擬技術面臨的問題

2.1 設備的研發難度非常之高

計算機是一套非常復雜的系統，要想實現在計算機軟件系統上模擬運用計算機的各個電路及晶體管等技術是非常困難的。如果籠統地將計算機的各種特點都運用軟件系統模擬是幾乎不可能實現的。面對這個問題，研究人員采用了計算機系統的層次劃分技術，使原本復雜的計算機系統變得相對簡單化。計算機體系結構就是將計算機系統根據組成機構進行層次劃分。簡化后的計算機系統的復雜性依然很高，給模擬設備的開發造成了很大困難，目前計算機體系結構軟件模擬設備的開發主要利用C語言來進行，這種串行結構編程語言給模擬器的實際開發造成了長時間、高成本的問題。

2.2 模擬設備京都偏低，運作效果差

模擬設備的精度低，效率差也是計算機體系結構軟件模擬設備開發中遇到的問題，在開發過程中，對模擬器的具體要求未能進行準確的分析研究；未能透徹理解計算機體系結構的真正目的；對設計過程中的細節問題不夠重視，這些都大大增加了錯誤率。另外，模擬器的編碼過程要求也非常高，不能出現任何的紕漏。一般的研究開發人員將整體的運行效果用檢測流程中的部分程序指令代替，造成了模擬設備精度低的問題。

3.計算機體系結構軟件模擬技術開發中問題的應對策略

3.1 將檢測流程中的執行指令進行合理減少

性能檢測流程中標準化指令是不能改變的，但是可以在此基礎上對系統系能檢測流程中的執行指令進行科學而合理的減少和更正，使模擬器的運行結構能表現整體運行效果。這樣就可以使模擬器的運作時間大幅度減少，縮短運行周期。

3.2 對模擬程序的指令數量進行適當減少

選擇準確的模擬程序指令代替原系統整體運作結果，對模擬程序的指令數量進行適當減少，可以提高模擬系統的精確度。在選擇模擬程序指令的時候，借以采取抽樣選擇程序指令或者是直接截獲連續性指令的方式。而直接結構連續性指令在實際運用中由于操作容易，準確度偏低；所以，實際操作中一般采用抽樣統計的方式選取程序指令。

結語

當前社會已進入數字化和信息化時代，計算機技術在人們的日常生活和工作中運用程度越來越高，人們對計算機的系能也不斷提出更高的要求。因此，計算機體系結構軟件的模擬技術的運用也越來越廣泛，成為軟件開發必不可少的條件。計算機應用功能的完善需要開發人員不斷探索和研究。在開發過程中，技術人員要采用正確而有效的方式應對開發過程中出現的各種問題。這樣才能有效降低軟件開發的周期，節省開發成本，并開發出實用性高的計算機應用軟件。

參考文獻

[1] 李經松，陳朝暉.軟件總線體系結構的研究與應用[J].空間控制技術與應用.2012（04）.

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中圖分類號：TP303

計算機的發展大體上可以分為兩個階段，這兩個階段分別是：串行階段以及并行階段。所謂并行計算機，是在串行計算的基礎上，使得許多組處理單元相互協調、相互調度來完成數據以及計算等處理的方式。基于馮諾依曼的計算機體系結構可以分成CISC的體系結構以及基于RISC的體系結構。

1 計算機體系結構的現狀

人們的溝通以及工作的效率因為計算機技術的發展得到了很大程度上的提高。在現代的微處理器中，大體上可以將其體系結構分成兩大類，這兩大類分別是：基于CISC的體系結構以及基于RISC的體系結構。基于CISC的體系的芯片有x86（intel）；基于RISC的體系的芯片有power pc、sparc等等。無論是哪一種結構，人們在設計芯片的時候，都會注重以下幾個方面的問題：

（1）計算機最重要的功能就是在處理數據等方面，所以計算機的計算處理速度是計算機性能的一個非常重要的指標。計算機的體系結構會在很大程度上決定計算機的處理速度，當然處理速度還與許多其它因素有關：硬件結構、制作工藝等等。對于RISC，其處理速度很快，這是因為它采用的是流水線技術，同時能夠直接完成指令的硬件譯碼；對于CISC，由于其硬件本身的復雜度就足夠高，因此也就表明會有更高的處理速度[2]。

（2）CISC能夠支持比較高級的計算機語言，而RISC卻只能夠支持一些精簡指令集以及它們的組合。但是這并不意味著RISC沒有優勢，其能夠通過對高級語言的優化編譯，實現對高級語言的支持。

對于以上描述的兩個目標，人們普遍希望計算機的運算速度越高越好，同時更加希望計算機能夠直接支持高級語言，從而使得人們開發計算機相應軟件時更加方便快捷。

2 兩種體系結構比較

2.1 二者具有不同的實現方式。兩者的實現方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲結構是比較易于實現的數據和指令合一的方式。采用這種存儲結構的原因是CISC具有比較高級的指令語義，同時具有比較長的執行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲結構是數據和指令相互分離的結構，這是因為其采取了邏輯的硬布線方式，同時對于指令的讀取比較頻繁[3]。

2.2 具有不同的編譯器要求。如果時鐘頻率相同，同時失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結構的計算機的效率其實并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結構更加需要編譯器對指令的優化。CISC具有很大的市場，同時技術的發展也已經相當成熟。RISC體系結構并不能夠直接取代CISC的體系結構。固然，RISC體系結構具有很強的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統一的規定。RISC也并不是傳統意義上的概念，現代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現在：具有分支預測的功能、能夠超標量執行，同時還能夠亂序執行指令[4]。

2.3 兩種體系結構具有不同的設計思想。人們通常測量計算機執行速度的方法是測算執行程序的時間。如果我們想要提高計算機的執行速度，主要可以從以下幾個方面來著手：（1）減小每個指令的執行周期；（2）要想提高計算機的運算速度，也可以提高某些指令的語義級別；（3）最重要的方法還是提高主頻。相對來說，RISC體系結構的指令都比較簡單，因此具有較低的指令語義。大部分的指令都是單周期，因此硬件邏輯實現十分方便，可以使用邏輯硬布線的方法。

3 體系結構存在的相應問題

在近六十年來，世界各地的計算機科學家不斷豐富和晚上計算機體系結構，成就了現代計算機。對于經典的馮諾依曼結構，主要有以下三點核心：存儲模型、二進制以及在某一個特定時間只能夠串行操作一個命令。

二進制這個體系已經成為計算機界的標桿，到目前為止基本上沒有人能夠突破這種二進制的體系結構。人們希望能夠將存儲模式改變一下，擺脫寄存器這一存儲模式。但是，即使使用了很多技術以及先進的理論，這種設想都沒有獲得成功。人們希望計算機能夠在某一操作的過程中，實現大量的并行計算操作，但是基于馮諾依曼的串行處理機制仍然沒有得到解決。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 計算機體系結構發展趨勢

4.1 多線程體系。所謂的多線程技術，是一種結合了馮諾依曼的控制流模型以及數據流模型的新興技術。它能夠進行現場的指令級交換以及順序調度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執行，那么相應后面的指令都會相繼執行。線程可以成為計算機中調度執行的基本步驟，同時計算機中可以同時并發運行許多個線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時又能夠相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優點，同時也有一些不足之處。它的優點是能夠在很大程度上提高整個處理器的利用效率，在整體上使計算機的性能提高到一個新的檔次。多線程技術能夠很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預測錯誤延遲技術等其它技術所不具備的。因此，多線程技術能夠在計算機微處理器的結構中具有很高的應用價值。但是為了實現多線程技術，就需要很多的硬件同時并行操作，這種硬件的資源損耗十分巨大[6]。

4.2 VLIW體系。所謂VLIW體系，能夠通過編譯器將許多不同的、相互之間無依賴的操作縮減到一個長指令字中。VLIW體系域超標量有許多相同的地方。超標量能夠突破flynn的難題，而VLIW也同樣可以。它們兩者的不同點是在何處處理好執行多個操作時產生的指令相關問題。對于這個問題，超標量的RISC處理器的調度方案留給芯片，VLIW體系的微處理器將工作交給編譯器來決定。從某種意義上來看，VLIW可以是一種特殊的超標量技術，它是基于編譯器或者是軟件的。VLIW體系結構進行指令并行化的方法是靜態調度相應的執行代碼。VLIW體系的微處理器具備的這種調度方法，具有許多優點：它能夠大大簡化硬件的復雜度，同時能夠使得處理器功能變強結構變得簡單。硬件簡單的另一個好處是能夠使得時鐘具有很大的增長速度。

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數是不一樣的。這種集成個數會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勢就是其制作非常簡單，同時具有較好的伸縮性。其它處理器結構對很多方面都有要求，但是它對單處理器的結構并沒有特別的要求。因而具有很大的發展前景，是一種很好的技術。

5 結束語

目前計算機的發展十分迅速，已經在各個方面徹底改變了現代人們的生活方式和工作方式。人們的溝通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。在現代的微處理器中，大體上可以將其體系結構分成兩大類，這兩大類分別是：基于CISC的體系結構以及基于RISC的體系結構。本論文簡要介紹了計算機的發展現狀，然后對比了兩種不同的體系結構，比較了這兩種體系結構中存在的問題，進而提出計算機體系結構的發展趨勢。

參考文獻：

[1]王沁.現代VLIW體現研究的技術路線[J].自動控制與計算機系統，1999（08）.

[2]盧凱，胡湘華.高性能計算機的系統分區技術研究[J].計算機科學，2004（31）：179-182.

[3]黃鎧，徐志偉.可擴展并行計算技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]李根國，桂亞東，劉欣.淺談高性能計算的地位及應用[J].計算機應用與軟件，2006（23）：3-5.

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中圖分類號：TP338 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0088-01

1 可重構并行計算機系統的基本理念

可重構并行計算機系統要依附于軟件控制，通過可重用的資源，重構及重組轉換為另一個計算體系，以匹配于差異化的相關需要。其具備可重構特性的計算機制我們稱其為可重構計算系統。

重構和重組是可重構計算機制轉換其基本功能的兩種措施，前者即新計算系統的功能外部系統，其在舊的計算系統內并不存在，通過舊計算系統的可重用資源重新組建而成。而后者即新計算系統的功能部件，通常存在于舊的計算系統，經重新組合構建為另一套計算構架。

可重構并行計算機系統的核心體現在可重用資源，在研發FPGA前，可重構計算機系統一般都擇取重組的措施；而在FPGA出現后，使重構措施變得具有可行性，經匹配相應的文件，設置各性質與線的鏈接，進而調節硬件的基本模式。

可重構并行計算機系統是為避免硬件結構和應用無法相適應這一問題。根據處理問題的程度，可把可重構分成下屬幾種：第一種，門級可重構，以核心門級作為切入點，重構計算機制。也就是把功能部件的邏輯通過FPGA予以深化，在使遇到算法改變的時候，利用調整FPGA的配置去完善其功能。此類重構即電路級可重構；第二種，部件級可重構，初期的重構以功能部件作為切入點，利用對功能部件的重新組合去匹配于差異化的計算機制；第三種，指令級可重構。

在常規處理器單元的基礎上設置相應的計算設備，為計算的特殊需要奠定基礎，以達到大計算量指令與附屬程序的執行，此類深化計算機性能的重構措施即指令級可重構；第四種，芯片級可重構，在多處理器共用的原則上，使處理器位數產生變更、處理設施個數能夠和處理器間互連，且能夠予以變動的計算機體系，此類體系即芯片級可重構。

2 可重構計算的系統構架

可重構矩陣能夠訪問指標化處理器單元的高速緩存，不過可重構矩陣能夠和常規處理器單元單獨執行命令，也能夠在指標處理器單元的控制下去執行相應命令。可重構計算的技術核心為可重構矩陣，其中可重構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。可重構計算的技術主要包括下述幾類：第一類，可重構陣列元素的組建，明確可重構陣列元泰的功能與其功能實現特性；第二類，可重構陣列元素的物理交互，因為可重構陣列需要匹配于差異化的計算要求，最為有效的物理交互措施即為全連通。第三類，可重構陣列元素的鏈接控制，差異化的計算需要我們要匹配于差異化的連接模式，怎樣控制可重構矩陣元素的連接模式，使其應用更為便捷，需要根據實際情況而定。

3 可重構并行計算機系統計算機體系結構研究的進展

自從計算機發明以來，馮?諾依曼體系結構一直占據計算機體系結構的統治地位，科學家和工程師們在此基礎上不斷研究硬件和軟件，使CPU和存儲器技術得到了飛速的發展，也為信息化、網絡化奠定了基礎。

隨著人們對信息化的要求越來越高，馮?諾依曼體系結構已經無法滿足人們的技術需求和發展要求，對計算機的要求不再僅僅是高速計算，同時更應具備信息處理和智能升級能力。可重構技術與多核技術的出現為此提供了基礎。近年來所發展的計算機體系結構主要包括下述幾點：第一，CPU不僅為一核，而是通過多個核組成； 第二，存儲設施不在是體系的核心構成因子，取而代之的是信息路徑；第三，現階段計算機已不再是通過五大部件所組成，而是通過一些信息處理節點所構建，每個節點的智能化與集成化越來越高；第四，程序設計涵蓋了軟件與硬件，生產方給出的產品會是獨立封裝好的中間件，作為應用方不需要側重于程序的構架，只要做好專業設計即可。

4 結語

重構和重組是可重構計算機制轉換其基本功能的兩種措施，前者即新計算系統的功能外部系統，其在舊的計算系統內并不存在，通過舊計算系統的可重用資源重新組建而成。而后者即新計算系統的功能部件，通常存在于舊的計算系統，經重新組合構建為另一套計算構架。

近年來所研究開發的可重構并行計算機系統的核心體現在可重用資源，在研發FPGA前，可重構計算機系統一般都擇取重組的措施；而在FPGA出現后，使重構措施變得具有可行性，經匹配相應的文件，設置各性質與線的鏈接，進而調節硬件的基本模式。

參考文獻

篇6

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A文章編號：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

高性能計算機傳統上指的是運行速度非常快的計算機，等同于超級計算機，致力于專業用戶進行大規模科學和工程計算，追求的性能指標是浮點計算能力。隨著對于高性能計算的應用需求由CPU運算密集型的科學和工程計算拓展到I／O處理密集型的商業事務處理，高性能計算機從單純追求CPU運算能力變為追求包括I／O處理能力在內的綜合性能指標，而且隨著用戶群體的擴大、對價格的日趨敏感以及PC服務器和互連網絡等技術的成熟，高性能計算機已經傾向走產業化發展道路，采用開放的軟硬件技術[1]。

當前，以機群為載體的高性能計算機已廣泛應用于教育、游戲、氣象、石油、航空航天、金融、生物、制造、信息建設等各個領域。高性能計算機應用的深度和廣度在急劇提高。在深度方面，如北京2008年奧運氣象預報要求分辨率從15公里提升到3公里；在廣度方面，原來不需要HPC的領域，如政府、企業、諸多行業信息中心，由于信息處理量和訪問量劇增，沒有高性能計算機已無法完成信息整合和處理能力的提升。機群技術的日益普及已經深刻影響了高性能計算產業的發展，并推動全球高性能計算產業進人一個平民化應用時代，我們也稱之為“泛高性能計算時代”[2]。

一、高性能計算機歷史回顧

最早的電子計箅機就是為了能夠進行大量繁瑣的科學計算而產生的。從1960年開始，計算機技術逐漸成熟，在各種商業領域慢慢地開始采用電子計算機，而且應用范圍也越來越廣，逐漸出現了針對各種不同商業用途的計算機，被稱為“通用計算機”。相對于“通用計算機”，具有性能和功能上的優勢的一類計算機被稱為“高性能計算機”，在當時主要用于科學計算。

20世紀70年代出現的向量計算機可以看作是第一代的高性能計算機。通過在計算機中加入向量流水部件，可以大大提高科學計算中向量運算的速度。到80年代，出現了并行向量多處理機(PVP)，依靠并行處理，進一步提高運算速度。向量機成為當時高性能計算機的主流產品，占領了高性能計算機90%的市場。

20世紀90年代初期，大規模并行處理(massively parallel processor，MPP)系統開始成為高性能計算機發展的主流。MPP模式是一種分布式存儲器模式，能夠將更多的處理器納入一個系統的存儲器。MPP體系結構對硬件開發商頗具吸引力，因為它們出現的問題比較容易解決，開發成本比較低。由于沒有硬件支持共享內存或高速緩存一致性的問題，所以比較容易實現大量處理器的連接。

較MPP早幾年問世的對稱多處理機SMP系統，是由數目相對較少的微處理器共享物理內存和I/O總線形成的計算機系統（國內最早基于微處理器的SMP為曙光1號）和MPP相比，早期的SMP擴展能力有限，并不具有很強的計算能力。但由于SMP與單機系統兼容性好，是單機系統的升級與增強，被廣泛應用于商業計算領域。

20世紀90年代中后期的一種趨勢是將對稱多處理器結構（Symmetric Multi-Processor，SMP）的優點和MPP的擴展能力結合起來，這一趨勢發展成后來的CC―NUMA結構，即分布式共享內存。每個處理器節點都可以訪問到所有其它節點的內存，但訪問遠程內存需要的延遲相對較大。NUMA本身沒有在提高性能的角度上進行較大的創新，主要優點是便于程序的開發和與SMP的兼容性。而對于科學計算任務，CC―NUMA結構是否優于MPP系統仍存在爭議。

在發展CC―NUMA的同時，集群系統(cluster)也迅速發展起來。類似MPP結構，集群系統是由多個微處理器構成的計算機節點，通過高速網絡互連而成。節點一般是可以單獨運行的商品化計算機[3]。由于規模經濟成本低的原因，集群系統具有比MPP更高的性能／價格比優勢。集群系統還繼承MPP系統的編程模型，更進一步地加強了其競爭優勢[4]。

二、高性能計算機技術發展現狀

當前，全球TOP500已經成為高性能計算領域的晴雨表[5]。第35屆全球超級計算機TOP500排行榜于2010年5月31日在德國漢堡舉行的SC10大會上。排名第一的仍是美國Cray公司研制的“美洲豹”系統；中國曙光公司制造的“星云”超級計算機以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二，此次成績可謂曙光高性能計算機突破歷史的最好成績，也是我國高性能計算機的歷史最好成績。在TOP10系統中，IBM公司占有4臺（一臺“走鵑”和三臺“藍色基因”），Cray公司擁有2臺（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中國的曙光公司和國防科技大學各占有一臺。但我國所制造兩臺系統（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美國的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可見，美國在高性能計算領域的綜合技術實力是無可比擬的。

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依據上海理工大學實施教育部“卓越工程師教育培養計劃”的要求，上海理工大學計算機科學與工程系確立了計算機科學與技術、計算機工程兩個本科專業定位為培養計算機工程領域需求的工程性人才。在參考ACM/IEEE-CS CC2005[1]對計算機工程(CE)學科課程體系設置的基礎上，我們將計算機組成原理和計算機體系結構的知識組織為一門統一的計算機組成與體系結構課程，并采用白中英教授主編的《計算機組織與體系結構》作為理論教學教材[2]。

計算機組成與體系結構課程涵蓋兩個方面：計算機組成的基本原理和計算機體系結構量化設計的基本方法。計算機組成原理是通用計算機系統結構的一般性邏輯實現方法；計算機體系結構揭示計算機系統的屬性，包括概念性結構和功能特性，確定計算機系統軟硬件的界面。二者既有區別，又有內在聯系，因此，適合于整合為一門綜合性專業基礎課程。但是，由于計算機組成原理是計算機相關專業全國研究生統一入學考試的專業基礎課，因此，我們確定本課程的教學內容側重于計算機組成原理的教學。

根據教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會制定的《高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案》中關于計算機組成原理課程的實施方案[3]，我們確立了計算機組成與體系結構的教學目標是圍繞單CPU計算機硬件系統的基本組成和工作原理，系統講述計算機硬件系統及功能部件的內部結構、功能特征、工作原理、交互方式和基本設計方法，使學生理解計算機硬件系統的組織結構與工作原理，掌握計算機硬件系統的基本分析與設計方法，為計算機工程領域培養具有硬件設計和實施能力的工程性人才；主要教學任務是培養學生對計算機硬件結構的分析、應用、設計和開發能力，系統地理解計算機系統各部件的工作原理和運行機制。

1 教學現狀和存在的問題

多年來，計算機組成原理被認為是一門既難教又難學的課程。而計算機組成與體系結構則包括計算機組成和計算機體系結構，這使得教學內容更多、學習難度更大。因此，很多同行一直在通過各種方式提高這門課程的教學質量[4-7]。結合我校計算機相關專業的具體情況，我們分析發現造成這一問題的因素有三個。

第一，本課程需要有數字電路、數字邏輯知識為基礎。但是，由于大一大二兩學年我院采用工科通識教育的缺陷，使得計算機和網絡工程兩個專業的本科生在學習本課程前沒有學習過數字電路和模擬電路，也不了解數字邏輯設計的方法。因此，學生基礎差，難以跟上教學進度。

第二，本課程涉及的知識面廣、概念多，而且計算機內部芯片高度集成化，學生缺乏對計算機各部件的感性認識。因此，理解其物理結構和工作原理比較抽象，學生難以理解。而且，由于該課程講授的計算機最基本的原理和方法，課程教學內容的直接應用目標也不可能很明確，學生難以理解該課程的直接應用價值，對該課程的重視度不夠。

第三，在計算機軟件的學習過程中，學生通過編程技術可以獲得可見的結果。而對比計算機硬件課程的學習，學生難以把學到的硬件知識馬上應用起來，不容易獲得類似軟件編程的直觀感受，學生普遍的認識有偏差。這導致學生誤認為本課程學習內容的實用性不強或者誤認為軟硬件之間的聯系不大，以后自己只從事軟件編程工作，不需要掌握計算機硬件設計方面的知識。

基于以上對計算機組成與體系結構課程的定位，結合我校人才培養目標和教學現狀，下面，我們將從教學內容設置、理論教學方法、實踐教學規劃、課程考核制度、師資隊伍建設和綜合教學平臺建設六個方面具體提出本課程的建設方案。

2 核心課程創新建設的綜合方案

2.1 教學內容設置

教學內容設置方面的建設主要集中在三個方面：第一是補充本課程的基礎知識，包括數字電路中的TTL門、MOS管技術等和數字邏輯課程中的邏輯代數基礎及組合電路邏輯設計方法；第二是補充《計算機組織與體系結構》教材中缺失的內容，比如增加計算機體系結構中關于指令級并行軟硬件設計方法、Cache失效性分析、多處理機同步與通信機制等。在計算機組成原理的教學內容上，盡量補充計算機體系結構量化分析的方法和設計原理；第三是補充多核處理器技術的最新設計方法和工作機制，這部分內容主要提供給對計算機體系結構感興趣的、學有余力的學生自學之用。

為保證理論教學和實驗教學時間的充裕性，我們將理論教學和實驗教學單獨開課，實驗課的進度和理論課的進度相匹配，其中理論教學安排64學時，實驗教學16學時，使得理論教學和實驗教學的學時比為4:1。此外，對學有余力和參加競賽的同學另行再組織和指導創新實驗，使得理論教學和實驗教學環環相扣，逐步深化，并使得培養的學生具有一定的創新設計和實踐能力。理論教學計劃如表1所示。

這種教學計劃使得計算機組成與體系結構課程的教學內容更加豐富，既避免了本課程只講授計算機組成原理或者只講授計算機體系結構知識的弊端，又能保證學生將來參加研究生入學考試時對計算機組成原理知識的全面掌握。

2.2 理論教學方法

在講授基本原理的過程中，我們注意融入計算機硬件技術發展的新技術并作為學生課后自學的內容，注重基礎理論與最新技術的融合。由于計算機組成與體系結構知識比較抽象，理論學習比較枯燥，因此教學過程中我們要與學生交流互動，向學生提出啟發式和開放式的問題，引導學生深入思考。講課中注意觸類旁通，采用舉例、類比的方法，將深奧、難以理解的問題用學生最容易接受的方式和語言表達。理論課程全部采用課堂教學方式，以多媒體課件為主，適當使用一些板書。充分發揮多媒體教學采用動畫技術或Flash技術，充分展現基礎性方法和原理的動態執行過程。比如：SRAM讀寫周期的過程、Cache的訪問和替換策略、指令流水線的過程等。

然而，多媒體教學方法對運算方法和運算過程的教學效果卻不盡人意。經分析，我們發現問題主要是定點數、浮點數進行加減、乘除的計算過程沒有采用傳統板書教學并按步驟書寫，而是采用多媒體教學且放映速度較快，學生來不及仔細體會其中的設計技巧和驗證計算結果。

因此，后期涉及到計算相關的教學，我們都盡量采用傳統的板書教學方法；而對于簡單的控制流程、運行機制、狀態更新等內容主要采用多媒體教學方法，這既發揮了多媒體教學生動、信息量大的特點，又體現了傳統板書教學的細致和嚴謹。

此外，理論教學過程中建議采用引導式教學方法，而不能采用填鴨式灌輸教學。講授第二章運算方法和運算器前，先要介紹計算的基本功能就是進行算術邏輯運算，既然是算術邏輯運算，那就有二進制數參與運算，那么就會介紹各種數的機器表示形式；然后介紹數值數據的加減法和乘除法，包括原碼、補碼和移碼的計算，然后介紹計算過程的硬件邏輯實現過程；最后介紹浮點數的加減乘除運算過程和硬件設計框圖。

2.3 實踐教學規劃

在實踐教學方面，我們從實驗內容和實驗方式開展教學革新。在實驗內容上，分別針對基礎性原理、綜合性知識和創新實驗有針對性的開展實踐教學。針對基礎性原理設計了驗證性實驗，比如采用多功能運算部件74LS181設計16位運算器的實驗電路，驗證運算器的功能等；對于綜合知識，我們組織設計性實驗，比如給每組學生分配一張指令表，指令表中包含十余條不同的機器指令(主要包括設計HALT, MOV, ADD, SUB, MUL, DIV, LOAD, STORE, JUMP)，要求學生根據實驗計算機整機邏輯圖來設計指令系統中每條指令的執行流程，設計微操作控制信號和微指令格式，確定初始微地址和后繼微地址的形成，然后根據指令流程和微指令格式編寫出每條機器指令所對應的微程序，同時還要針對每條機器指令編寫相應的測試程序，以測試微程序的正確性。最終，我們要求學生設計出一個支持簡單指令級的16位計算機系統；鼓勵和挖掘有潛力的學生組織開展創新型實驗，以組織興趣小組或競賽小組的形式，開展實際的工程應用開發或創新型實驗的設計工作，比如通過EDA軟件設計計算機系統的存儲部件、控制邏輯電路等，通過軟件仿真測試并燒錄到FPGA器件上，檢驗實驗的正確性；或者采用單片機、ARM處理器或RISC處理器設計一個嵌入式實驗系統。由于課程教學和實驗教學學時有限，創新型實驗主要安排在學期末最后一個月的短學期內實施。

對于實驗方式，我們的教改措施主要有：1)要求理論教學的老師親自帶教實驗課程，避免理論教學和實驗教學老師分開、責任不明確，導致實驗課馬虎過關的現象；2)具體實驗前，由老師講解實驗步驟和注意事項。授權學生將實驗設備或器材帶回宿舍進行充分的設計和實驗，與此同時他們還可以通過實驗老師的即時通訊工具或教學平臺提供的學生論壇相互交流實驗經驗和提出問題；3)實驗的教學檢查采用分組答辯的形式，由學生團隊自由組織并分工，撰寫實驗報告、答辯PPT及回答答辯提問。

2.4 課程考核制度

理論教學和實驗教學單獨考核并采用量化考核措施。對于理論教學環節主要考核學生的出勤率(10%)、作業完成情況(20%)、期末考試成績(70%)。

1) 出勤率：按出勤次數計算，每次出勤計2分，總分10分。

2) 作業完成情況：每學期安排5次作業，每次總分計4分。按作業繳納次數和作業評價結果記分， ，每次繳納作業 =1，沒有繳納 =0； 表示每次作業的成績，如表2所示。

3) 期末考試：成績占理論課程學成績的70%。

實驗教學環節安排5次實驗，主要考核學生的出勤率(10%)、組織與團隊協作能力(10%)、實驗完成情況(30%)、實驗報告(25%)和答辯情況(25%)。

1) 出勤率：按出勤次數計算，每次出勤計2分，總分10分。

2) 組織與團隊協作能力：根據團隊成員分工情況和安排的組織討論情況記分，每次計2分，總分10分。

3) 實驗完成情況：考核每個學生是否按規定完成制定的實驗任務，每次實驗總分計6分，分四個等級。按規定獨立完成實驗任務的記6分，在同學幫助下完成任務的記4分，在指導老師幫助下完成任務的記2分，缺席實驗的記0分。如表3所示。

4) 實驗報告：考核學生總結、歸納實驗任務的能力，是否按規定填寫和總結實驗任務，是否具有詳細的實驗分工、實驗任務、實驗步驟、實驗結果、實驗分析五大要素。每個要素1分，每次實驗總分記5分。

5) 答辯情況：每次實驗配以答辯環節，每次答辯總分5分，共計25分。能正確回答答辯中提出的問題的記5分，與同學協商后正確回答問題的記3分，其他記2分。

2.5 師資隊伍建設

按照建設一流教師隊伍的要求，結合學院師資隊伍建設，我們增強本課程講授的師資力量，引進具有國外留學經歷的青年教師，建立完善的教師梯隊，同時，加強對青年教師的培養，提高教師教學、科研水平，鼓勵青年教師參加國內外訪問學者計劃或者計算機組成原理和體系結構的理論教學或實驗教學培訓計劃。積極參加計算機學會體系結構委員會和計算機教育委員會組織的活動。

2.6 綜合教學平臺

建設本課程的教學網站，將每一節課講授內容的電子課件向學生開放，便于學生課后復習和鞏固所學知識。同時，進一步完善本課程網站資源，開辟專門的教學論壇、教學QQ和群組供學生討論問題。

聘請研究生擔任助教，負責與實驗課的老師一起完成實驗項目、回答學生問題、批改習題作業。保證學生能夠隨時通過電子郵件和即時通訊工具聯系到這些助教，在課程學習過程中遇到困難和問題時就能夠及時地得到輔導和幫助。助教將收集到的反饋信息匯總，主講教師根據這些信息及時調整教學方式和教學內容，滿足學生求知的欲望和需求。

綜合教學平臺的總體功能包括介紹教學內容、師資隊伍、教學計劃、教學進度、課件資源、在線答疑、論壇討論、習題庫、友情鏈接等，由專人負責管理和更新，真正實現教學平臺作為教師與學生溝通的橋梁作用。

3 結語

通過以上措施，我們獲得了較為明顯的教學效果，實驗教學的質量也得到大幅度的提高。學生由以前害怕、拒絕學習計算機組成與體系結構課程轉變為對計算機組成和體系結構設計的熱愛，并獲得了更多直觀的體會，進一步正確理解了計算機組成和計算機體系結構的作用和意義，達到了我們建設核心課程的初期目標。

通過前期的規劃和初步實踐，我們計劃將在以下三個方面進一步推進本課程的建設。

第一，進一步了解學生的學習基礎和學習興趣，根據因材施教的思想，把實驗內容分成不同的層次，面向不同的對象。保證必做實驗的水平和質量，提高選做實驗的數量和種類，滿足多方面學生的需求。

第二，進一步與硬件設計、生產企業合作，組織學生參加全國性的設計大賽。既讓學生接觸、應用到最新技術的芯片或者設備，又能提高本校在企業界和教育界的知名度。

第三，根據本校學生的學習基礎、課程教學計劃，編制一套更適合本校實際情況的、符合計算機組成和體系結構兩個方面知識的理論教材和實驗手冊。

參考文獻：

[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. 計算機組織與體系結構[M]. 4版. 北京:清華大學出版社,2008.

[3] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[4] 李山山,全成斌. 計算機組成原理課程實驗教學的調查與研究[J]. 計算機教育,2010(11):127-129.

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[6] 鄭麗萍,秦杰,王獻榮. 計算機組成原理與計算機系統結構的教學內容銜接[J]. 計算機教育,2010(11):52-55.

[7] 何會民,潘雪增.“計算機組成與設計”課程教學創新改革[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:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)05-0325-01

1 云計算概念及特征

目前,“云計算”還沒有一個十分確切和統一的定義,較一致的觀點認為云計算(或稱云端運算)是在極大規模上將可擴展的信息技術能力向外部客戶作為服務來提供的一種網絡應用模式;是一種動態的、易擴展的且通常是通過高速互聯網提供虛擬化的資源計算方式。它強調了處理無所不在的分布性和社會性――這種新興的計算模型將任務分布在大量計算機(或具有計算能力的設備)構成的可自我維護和管理的虛擬計算資源池上,使各種應用系統根據需要獲取計算能力、存儲空間和軟硬件服務。

云計算將網絡上的計算資源(包括計算服務器、存儲服務器、寬帶資源等)集中起來并由軟件實現自動管理,無需人為參與。“云”端可在數秒內處理數以千萬計甚至億計的信息,達到和“超級計算機”同樣強大的計算效能。2 云計算體系結構

2.1 云計算的基本思想

云計算主要關注如何充分地利用互聯網上軟件、硬件和數據的能力,以及如何更好地使各個計算設備協同工作并發揮最大效用的能力。其基本思想是“把力量聯合起來,給其中的每一個成員使用”,它采用共享基礎架構的方法將巨大的系統池連接在一起為用戶提供多種IT服務。通過使計算分布在大量的分布式計算設備上,“云”端被作為數據存儲以及應用服務的中心,企業可將云端資源切換到其所需的應用上,根據具體需求來選購相應的計算和存儲服務。

2.2云計算體系結構

“云”是一個由并行的網格所組成的巨大的服務網絡,它通過虛擬化技術來擴展云端的計算能力,以使得各個設備發揮最大的效能。數據的處理及存儲均通過“云”端的服務器集群來完成,這些集群由大量普通的工業標準服務器組成,并由一個大型的數據處理中心負責管理,數據中心按客戶的需要分配計算資源,達到與超級計算機同樣的效果。圖1展示了云計算體系結構的模型,并在文中對相應的實體給出具體描述。

圖1 云計算體系結構模型

(1)User Interaction Interface:用戶交互界面,通過終端設備向服務云提出請求。

(2)Services Catalog:一個用戶能夠請求的所有服務目錄,可根據自身的需求選擇相應的服務。

(3)System Management:系統管理,用戶管理計算機資源是否可用。

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

(5)Monitoring and Metering:監控和測度,對用戶服務進行跟蹤和測量,并提交給中心服務器分析和統計;

(6)Servers:服務云,由系統管理和維護,可能是虛擬服務或者真實的。

在云計算體系結構模型中,前端的用戶交互界面(User Interaction Interface)允許用戶通過服務目錄(Services Catalog)來選擇所需的服務,當服務請求發送并驗證通過后,由系統管理(System Management)來找到正確的資源,接著呼叫服務提供工具(Provisioning Tool)來挖掘服務云中的資源。服務提供工具需要配置正確的服務棧或Web應用。

云計算同時描述了一種平臺以及構建在該平臺上的一類應用,圖2展示了用戶獲取“云端”資源的基本過程:“云”端為用戶提供擴展的、通過互聯網即可訪問的、運行于大規模服務器集群的各類Web應用和服務,系統根據需要動態地提供、配置、再配置和解除提供服務器,用戶只需基于實際使用的資源來支付相關的服務費用。

圖2 用戶獲取服務云資源過程

3 結語

雖然現在的云計算還不能完好地解決所有問題,但是在不久的將來一定會有越來越多的云計算系統投入使用,云計算本身也會不斷地得到完善并成為工業界和學術界研究的另一熱點。

篇9

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4407-02

進入21世紀以來，信息互聯網技術已經遍布我們的生活與工作中，給人們的生活和工作帶來一定的便利。然而矛盾經常是對立存在的，計算網絡信息的安全問題也會經常發生，給使用人員尤其是一些大型企業公司帶來巨大的影響。因此，構建計算機網絡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絡中

構建計算機網絡體系的主要目的是實現資源共享，因此給攻擊系統安全的黑客提供了一定的機會，他們利用共享資源，給計算機網絡體系帶來一定的破壞。

1.2 開放性存在于通信網絡當中

用戶在計算機網絡中非常簡單的就能夠查閱到個人、單位、企業的隱私信息。一定程度上受害人和企業公司無法覺察到自己的信息已經泄漏，對自身或者企業的發展帶來巨大的損失與傷害。

1.3 復雜性存在于操作系統中

復雜性存在于計算機的系統當中，會造成復雜性同樣存在于通信網絡的安全管理工作當中。

1.4 不確定的邊界

計算機網絡邊界的不確定性往往就是因為計算機網絡的可擴展性造成的。資源共享的形式存在于計算機網絡當中，通信網路的安全邊界在訪問的時候會受到損害，嚴重的威脅計算機網絡的安全。

1.5 操作路徑的不確定性

多條路徑會存在計算機用戶的宿主機到其他的宿主機當中。因此，在對公司的有關機密資料進行傳發的時，從啟發點到終結點當中會流經多個路徑，或者說會被多個渠道所接收，因此中間節點的可靠性很難得到保證。

1.6 網絡信息中的高度集中性

一旦出現網絡信息分離的小塊時，就會有較小的價值存在于信息當中，只有集中起大規模的有關信息，才能將有效的價值顯示出來。

2 具體的結構形式

信息技術在現階段的一些企業公司中得到了廣泛的應用，大大的拓寬了信息安全的內涵要義。網絡信息的可用性、可靠性、完整性逐漸取代了最初階段信息的保密性，因此其中就會存在一定的不可否認性。同時又向著控制、管理、評估、檢測、防范、攻擊等方面的理論基礎和實踐形式上演變。之前的信息安全技術通常都在計算系統的防護環節和加固環節上集中存在，一旦應用于安全等級非常高的數據庫和操作系統，將相應的防火墻設置在計算機網絡的出口處，將加密的技術應用到傳輸和存儲數據信息的過程中，針對單機系統環境來進行設置是傳統形式系統安全模式的主要特征，沒有辦法很好的描述計算機網絡環境的安全情況，并且會缺乏有效的措施存在于系統的脆弱性和動態形式的安全威脅當中。因此，靜態的安全模式是傳形式安全模式的一大特征。

當今社會，計算機網絡不斷發展，動態變化的互聯網問題通過靜態安全模型已經很難予以解決。這樣一種全新信息安全系統的出現，能夠很好的解決上文中所提及的問題。信息安全系統是一種基于時間變化的動態理論提升計算機信息系統和計算機網絡的抗攻擊性，為了有效提升計算機信息系統和計算機網絡的抗攻擊性，提升數據信息的不可確認性、可控性、完整性和可用性，就要為信息安全體系結構提出一個新的思路：結合每種不同的安全保護因素。例如，安全漏洞檢測工具、防病毒軟件、防火墻等將一個防護更加有效相對單一的復合式保護模式建立起來，安全互動、多層的安全防護體系模式對黑客攻擊的難度與成本上會提升好幾倍。因此，對計算機網絡系統的攻擊就會大大的縮減。

WPDRRC是這個信息安全體系的主要模型，主要通過下面的形式呈現出來：

圖1 WPDRRC安全模式

2.1 W預警

全部信息安全提醒是通過預警予以實現的，可以給網絡安全的防護提供正確、科學的分析評估。

2.2 P保護

它的功能是提升網絡的安全性，主動的防御一些攻擊，對創建的新機制上予以應用，不斷的檢查安全的情況，評估網絡威脅的弱點，確保各個方面是互相合作的，當把政策不一樣的情況檢測出來時，確保安全的政策存在于整體的環境中，會帶來一定的幫助，為了將網絡抵御攻擊的能力提升上來應用了PKI和防火墻技術。

2.3 D檢測

為了將入侵的行為盡快的檢測出來，這是應用入侵檢測的目的，為將關鍵的環節盡快的制定出來，對主機的IDS和網絡進行應用，將技術性的隱蔽應用到檢測系統當中，對攻擊者進行抵制，防止它進一步發展破壞臨測工作。對入侵的行為及時的予以檢測，將更多的時間提供非響應，對和防火墻互防互動的形式上予以應用，將綜合性的策略應用到網路安全管理。因此，就應該將一個安全監視的中心構造起來，對整個網絡的安全工作情況進行整體性的了解，在對攻擊進行防止的時候，檢測是其關鍵的一環。

2.4 R響應

當有攻擊的行為出現在計算機中時，為了能夠盡快防止攻擊，對正確及時的響應上就要立刻的予以實現，對取證、必要的反擊系統、響應阻止、入侵源跟蹤等就要實時的予以響應，避免再次發生相似的情況。并且還有可能將入侵者提供出來，對入侵者的攻擊行為上也能夠有效的進行抵御。

2.5 R恢復

防范體系的關鍵環節就是利用它呈現出來的，不論防范工作做得怎樣緊密、怎么完善，也沒有辦法避免不露出一點的馬腳。在對信息的內容利用完善的備份機制進行保障的時候，會有一定的恢復功能存在于其中。對破壞的信息進行控制和修補的時候，可以應用快速恢復、自動的系統來進行，降低個性的損失。

2.6 C反擊

應用先進的技術，將入侵的依據、線索提供出來，將合理的法律手段應用在入侵者身上，對其進行法律打擊時有法律作為保障。由于證據在在數字形式的影響下很難獲得，因此，一定要對證據保全、取證等技術進行發展與應用，在破譯、追蹤、恢復、修復的方式上進行使用。

信息安全體系的核心是由人員構成的，在信息安全體系建設中，它的主要保障就是管理的體系，以信息安全技術作為支撐。需要根據自身的情況在實際中應用，適當的調配這幾個方面，就能很好的完成信息安全體系的建設。在信息安全體系的構成中絕對不能忽視人為這個重要的因素。其現實意義可以借助以下的結構圖形表示：

3 結束語

綜上所述，多元化的網絡發展已經逐漸的應用到企業公司當中，在公司對各種信息進行交流的時候，幾乎全是利用網絡信息予以實現的，為公司的發展帶來了巨大的效益和便利。但是現階段一些企業公司在使用網絡信息的過程中逐漸暴露出一些問題，重要信息失真的情況也會經常的發生，給公司的發展蒙上了一層黑霧。因此，我們要進一步優化計算機安全體系的結構，構建有效的防治措施，在確保公司機密不被竊取的情況下合理的應用計算機網絡信息，促進企業在健康的網絡環境下，又好又快的向前發展。

參考文獻：

篇10

關鍵詞：高層鋼結構住宅；結構計算及分析；地震荷載；風荷載

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

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）02-0131-03

0 引言

鋼框架結構與混凝土框架結構相比，有很多不同之處。一方面鋼材比混凝土材質更為均勻、各方向的力學性能幾乎一樣，這些有利于結構的分析計算；另一方面，鋼材強度較高，在相同承載力下鋼構件的截面可以減小很多。這是鋼結構的一個優點，但同時也產生一些問題：構件截面的抗彎剛度EI、抗扭剛度GIt、抗翹曲剛度EIw均小于混凝土構件的各個剛度值。剛度小就意味著抗變形的能力比較差，容易產生較大的變形。[1-5]

1 荷載效應的計算

我國《鋼結構設計規范》對框架結構的內力計算作規定，但公式只限于彈性分析，而且一般采用一階彈性分析。由于鋼框架結構P-Δ效應較大，采用一階彈性分析顯得保守，這時宜采用二階分析。國內外學者對鋼框架結構二階效應進行了研究，比較成熟的分析方法有兩種：塑性區法和塑性鉸法。這兩種方法都對材料進入塑性階段給出了研究結果。但由于計算工作量大，難于在實際結構設計中推廣。

本文按照我國鋼結構設計規范（GB50017-2014）中的設計方法，通過PKPM軟件，對常用的鋼結構體系進行分析，從而找出結構性能比最好的結構體系。[1-2]

2 PKPM計算分析

2.1 結構模型

現以昆明某小區12層鋼結構住宅為背景，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；室內外高差：0.45m；地上結構總高度：0.45+2.9×12=35.25m；結構方案為：樓板采用現澆混凝土平板，預應力槽形疊合板，樓面預留70mm建筑做法，輕骨料混凝土填充；主體結構材料為鋼材：Q235；混凝土強度等級：鋼管混凝土柱C40，其他C30；鋼筋：HPB300級、HRB400級。基礎采用鋼筋混凝土樁基礎；填充墻采用200mm厚加氣混凝土砌塊。抗震設防烈度分別考慮7度和8度，設計基本加速度值為0.10g和0.20g，設計地震分組為第二組，場地土特征周期值選取0.40s。

結構類型分別考慮鋼框架-支撐結構和鋼框架-混凝土筒體結構兩種，結構平面布置如圖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 計算結果比較

通過PKPM計算，將兩種結構計算結果進行比較，期中用鋼量對比如表1所示，層間位移角對比如表2所示，應力比對比如表3所示。

通過以上分析可以看出，無論是7度設防區還是8度設防區，采用鋼管混凝土柱的結構用鋼量少，在水平荷載作用下的層間側移也比較小。說明鋼管混凝土柱的使用效果更好，在高層鋼結構中表現更好。此外，從應力比對比結果來看，鋼框架-混凝土筒體結構各類構件的應力比比較高，說明構件的承載力更能夠充分發揮。

3 結論

本文對高層鋼結構常用的結構體系進行了分析與對比。從分析結果可以得出以下結論：

3.1 用鋼量

無論是鋼框架-支撐結構還是鋼框架-混凝土筒體結構，采用鋼管混凝土柱的用鋼量都比較小。7度時兩種結構的用鋼量比為1：0.96，8度時兩種結構的用鋼量比為1：0.92，兩種結構的用鋼量相當。若是考慮經濟性，在結構中采用鋼管混凝土柱可以大大降低成本。

3.2 抗側移性能

7度、8度時，兩種結構類型都可以滿足水平側移要求，鋼框架-混凝土筒體結構更優。兩者的側移不僅滿足了規范規定的限值，而且滿足了住宅精裝修的要求。

3.3 安全性能

鋼框架-支撐結構和鋼框架-混凝土筒體結構都能滿足安全性能的要求，兩種結構的構件應力比都比較大，構件的承載力能夠充分發揮。

綜上所述：鋼管混凝土柱的受力性能要強于方鋼管柱，在8度區，用鋼梁比后者少了8%左右，優勢相當的明顯。對于鋼框架-混凝土筒體結構，在兩個方向上筒體都屬于強支撐體系，所以安全性能全面高于其他結構類型。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準.GB50017-2014，鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社.

[2]鄭添，王恒華.多高層鋼結構住宅結構體系的優選研究[D].東南大學碩士學位論文，2005.

[3]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2003.