时间：2022-11-07 13:02:35
序论：在您撰写计算机系统结构时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
关键词：计算机系统结构；冯・诺依曼结构；Flynn分类法；冯氏分类法
中图分类号：TP303
世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年，在问世将近70年的时间里，计算机共历经电子管计算机时代、晶体管计算机时代、中小规模集成电路计算机时代、大规模和超大规模集成电路计算机时代和巨大规模集成电路计算机时代，计算机更新换代的一个重要指标就是计算机系统结构。
1 计算机系统结构的基本概念
1.1 计算机系统层次结构的概念
现代计算机系统是由硬件和软件组合而成的一个有机整体，如果继续细分可以分成7层。L0：硬联逻辑电路；L1：微程序机器级；L2：机器语言级；L3：操作系统级；L4：汇编语言级；L5：高级语言级；L6：应用语言级。其中L0级由硬件实现；L1级的机器语言是微指令级，用固件来实现；L2级的机器语言是机器指令集，用L1级的微程序进行解释执行；L3级的机器语言由传统机器指令集和操作系统级指令组成，除了操作系统级指令由操作系统解释执行外，其余用这一级语言编写的程序由L2和L3共同执行；L4级的机器语言是汇编语言，该级语言编写的程序首先被翻译成L2或L3级语言，然后再由相应的机器执行；L5级的机器语言是高级语言，用该级语言编写的程序一般被翻译到L3或L4上，个别的高级语言用解释的方法实现；L6级的机器语言适应用语言，一般被翻译到L5级上。
1.2 计算机系统结构的定义
计算机系统结构较为经典的定义是Amdahl等人在1964年提出的：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。由于计算机具有不同的层次结构，所以处在不同层次的程序设计者所看到的计算机的属性显然不同。
2 计算机系统结构的发展
2.1 传统系统结构
当Amadahl在1964年提出计算机系统结构的定义时，也提出了采用系列机的思想，它的出现被誉为计算机发展史上的一个重要里程碑。当人们普遍采用系列机思想后，较好的把硬件技术飞速发展与软件环境要求相对稳定的矛盾解决了，这就要求系列机的系统结构需要在相当长的时间内保持基本不变。其中，最重要的是保持它的数据表示、指令系统以及其他概念性的结构保持不变。
2.2 冯・诺依曼结构
冯・诺依曼结构（也称普林斯顿结构）是美国数学家冯・诺依曼在1946年提出的，他将计算机分为五大部件：运算器；控制器；存储器；输入设备；输出设备。其基本思想是存储程序，主要特点是：（1）单处理机结构，机器以运算器为中心；（2）采用程序存储思想；（3）指令和数据一样可以参与运算；（4）数据以二进制表示；（5）将软件和硬件完全分离；（6）指令由操作码和操作数组成；（7）指令顺序执行。
2.3 对冯・诺依曼结构的改进
为了更好的优化计算机系统结构，人们不断对冯・诺依曼结构进行改进，总的来说，共采用两种方法。一种是在冯・诺依曼结构的基础上进行“改良”；另一种是采用“革命”的方法，即脱离冯・诺依曼结构，和其工作方式完全不同，统成为非冯・诺依曼结构。
2.4 哈佛结构
哈佛结构的计算机分为三大部件：（1）CPU；（2）程序存储器；（3）数据存储器。它的特点是将程序指令和数据分开存储，由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线，因而较大的提高了存储器的带宽，使之数字信号处理性能更加优越。
2.5 其他系统结构
冯・诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河，但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈，因此各国科学家仍然在探索各种非冯・诺依曼结构，比如，数据流计算机，函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯・诺依曼结构。
3 计算机系统结构的分类方法
研究计算机系统结构的分类方法可以帮助我们加深对计算机系统结构和组成特点的认识以及对系统工作原理和性能的理解。下面简单介绍2种比较常用的分类方法：Flynn分类法；冯氏分类法。
3.1 Flynn分类法
由于计算机系统结构由多级层次构成，因此在设计计算机系统结构时就可以有三种方法：（1）“从下往上”设计；（2）“从上往下”设计；（3）“从中间开始”设计。
4.1 “从下往上”设计
首先根据能够得到的硬件，参照已经生产出来的各种机器的特点，开发出将微程序机器级和传统机器级设计出来，然后依次往上设计，最后将面向机器的虚拟机器级设计出来。在硬件技术高速发展而软件技术发展相对较慢的今天，如果继续采用这种设计方法，会导致软件和硬件的脱离，因此已经很少使用这种方法。
4.2 “从上往下”设计
首先根据应用的需求，确定好整个系统的框架，然后逐层向下进行设计，同时可以兼顾到上层的优化，最后设计出微程序机器级和传统机器级。这种设计方法较好。
4.3 “从中间开始”设计
大多数将“中间”取在传统机器级和微操作级之间。在设计时，综合考虑软硬件，定义好分界面，然后由中间点分别往上、往下同时进行设计。此种方法可以缩短设计周期。
5 结束语
综上所述，本文对计算机系统结构进行了一些简单的介绍，它是计算机的灵魂，目前，如何更好地提高系统结构的性能，仍是各国科学家不断研究的课题。
参考文献
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[3]郑纬民，汤志忠.计算机系统结构[M].北京：清华大学出版社，1998.
[5]张晨曦，王志英.计算机系统结构[M].北京：高等教育出版社，2008.
>> 计算机系统结构简述 计算机系统结构教学探索 论计算机系统层次化结构 高级计算机系统结构综述 “计算机系统结构”课程改革与探索 “计算机组成原理”与“计算机系统结构”教学研究 计算机系统优化调试 优化计算机系统 面向系统能力的计算机系统结构课程教学内容设计 计算机系统结构辅助教学系统 “任务驱动”教学法在《计算机系统结构》教学中的应用 试论“高级计算机系统结构”双语课程建设经验 “计算机系统结构”教学内容研究与实践 计算机系统结构课程教学中的困境与思考 问题驱动法在“计算机系统结构”教学中的应用探讨 计算机系统结构多核综合实验的设计实现 计算机系统结构课程中多核实验的设计 基于SOPC计算机系统结构应用型教学探索 基于Learning-by-doing的计算机系统结构课程改革 “计算机系统结构”校级精品课程建设的探索与实践 常见问题解答 当前所在位置：
[4]王丽晖. 现代计算机系统结构发展趋势分析，开发展望. 2005：4-5.
[5]欧中宏，袁由光，李海山等. 一种高性价比的容错计算机结构，第十届全国容错计算学术会议.
[6]曾庆华，陈天麟. 可扩展并行计算机系统结构和发展现状，计算机科学. 2003：第30卷，第9期. 158-161.
[7]龚明. 后PC时代计算机系统结构的发展，计算机工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.
[8]范玲玲. 计算机硬件知识体系的结构框架研究，信息产业. 2013：178.
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关键词：高级计算机系统结构，流水线技术，指令系统
1流水线技术
1.1 流水线的基本概念
计算机系统结构的国际权威美国Stanford大学的John L.Hennessy和UC Berkely大学的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一书别指出：“流水线过去是，而且将来也很有可能还是提高计算机性能的最有效技术之一”[1]
流水线技术（Pipeline technology）是将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段（pipeline stage），流水线的段数称为流水线的深度（pipeline depth），段与段相互连接形成流水线。
1.2 流水线的分
从不同的角度和观点，可以把流水线分成多种不同的种类：
1.单功能流水线（single-function pipeline）：只能完成一种固定功能的流水线
2.多功能流水线（multi-function pipeline ）：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。
3.静态流水线（static pipeline）：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
4.动态流水线（dynamic pipeline）：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
5.部件级流水线（component level pipeline）：把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。
6.处理机级流水线（processor level pipeline）：把解释指令的过程按照流水方式处理。
7.处宏流水线（macro pipeline）：由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。
8.标量流水处理机（Scalar pipeline processor）：处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。
9.向量流水处理机（vector pipeline processor）：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。
10.线性流水线（linear pipeline）：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
11.非线性流水线（non-linear pipeline）：流水线中除有串行连接的通路
外，还有反馈回路。
12.顺序流水线（order pipeline）：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。每一个任务在流水线的各段中是一个跟着一个顺序流动的。
13.乱序流水线（out-order pipeline）：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。
1.3流水线的相关与冲突
相关（correlation）是指两条指令之间存在某种依赖关系。如果两条指令相关，则他们就有可能不能在流水线中重叠执行或者只能部分重叠执行，
1. 结构相关（structure correlation）：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时将产生“结构相关”；
2. 数据相关（data correlation）：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”；
3. 控制相关（control correlation）：当流水线遇到分支指令或其他会改变PC值的指令时就会发生“控制相关”。
流水线冲突（pipeline conflict）是指对于具体的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时钟周期执行。流水线冲突有三种类型：
1.结构冲突（structure conflict）：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。解决方法：流水化功能单元；资源重复；暂停流水线。
2.数据冲突（data conflict）：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。
3.控制冲突（control conflict）：流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。
2.指令系统
2.1 指令系统的基本概念
[2]指令系统（instruction system）是指机器所具有的全部指令的集合 ，它反映了计算机所拥有的基本功能。在计算机系统的设计和使用过程中 ，硬件设计人员采用各种手段实现指令系统 ，而软件设计人员则使用这些指令系统编制各种各样的系统软件和应用软件 ，用这些软件来填补硬件的指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。计算机指令系统分为两类：复杂指令系统（CISC）和精简指令系统（RISC）
2.2 复杂指令系统 （ CISC ）
2.2.1CISC的产生
早期的计算机 ，存储器是一个很昂贵的资源 ，因此希望指令系统能支持生成最短的程序。此外 ，还希望程序执行时所需访问的程序和数据位的总数越少越好。在微程序出现后 ，将以前由一串指令所完成的功能移到了微代码中 ，从而改进了代码密度。此外 ，它也避免了从主存取指令的较慢动作 ，从而提高执行效率。在微代码中实现功能的另一论点是： 这些功能能较好的支持编译程序。如果一条高级语言的语句能被转换成一条机器语言指令 ，这可使编译软件的编写变得非常容易。此外 ，在机器语言中含有类似高级语言的语句指令 ，便能使机器语言与高级语言的间隙减少。这种发展趋向导致了复杂指令系统 （ CISC ）设计风格的形成 ，即认为计算机性能的提高主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。
2.2.2 CISC 的主要特点
CISC指令系统的主要特点是：
（1）指令系统复杂，具体表现在以下几个方面：
①指令数多 ，一般大于 100条。
② 寻址方式多 ，一般大于 4种。
③ 指令格式多 ，一般大于 4种。
（2）绝大多数指令需要多个机器时钟周期方可执行完毕。
（3）各种指令都可以访问存储器。
2.3 精简指令系统 （RISC）
2.3.1RISC的产生
由于CISC技术在发展中出现了问题 ，计算机系统结构设计的先驱者们尝试从另一条途径来支持高级语言及适应 VLSI技术特点。1975年IBM公司 John Cocke提出了精简指令系统（RISC）的设想。到了1979年，[4]美国UC Berkely大学由 Patterson 教授领导的研究组，首先提出了RISC这一术语 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ计算机。1981年美国的Stanford大学在Hennessy教授领导下的研究小组研制了MIPSRISC计算机 ，强调高效的流水和采用编译方法进行流水调度，使得RISC技术设计风格得到很大补充和发展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 对于RISC的定义作了如下描述：RISC处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行 ，并使优化编译器能生成优化代码。
2.3.2 RISC 的主要特点
RISC为使流水线高效率执行 ，应具有下述特征：
（1）简单而统一格式的指令译码；
（2）大部分指令可以单周期执行完成；
（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以访问存储器；
（4）简单的寻址方式 ；
（5）采用延迟转移技术 ；
（6）采用 LOAD 延迟技术。
RISC为使优化编译器便于生成优化代码 ，应具有下述特征：
（1）三地址指令格式 ；
（2）较多的寄存器 ；
（3）对称的指令格式。
2.4 RISC和CISC 的比较
2.4.1不同的实现方式
两者的实现方式是不一样的。对于CISC来说，采用的存储结构是比较易于实现的数据和指令合一的方式。采用这种存储结构的原因是CISC具有比较高级的指令语义，同时具有比较长的执行指令的周期。而对于RISC来说，其采用的存储结构是数据和指令相互分离的结构，这是因为其采取了逻辑的硬布线方式，同时对于指令的读取比较频繁。
2.4.2不同的编译器要求
如果时钟频率相同，同时失去编译器，那么RISC与CISC的体系结构的计算机的效率其实并没有差别。而且相对来说，RISC体系结构更加需要编译器对指令的优化。CISC具有很大的市场，同时技术的发展也已经相当成熟。RISC体系结构并不能够直接取代CISC的体系结构。固然，RISC体系结构具有很强的竞争力，但是其逻辑硬布线到目前为止并没有统一的规定。RISC也并不是传统意义上的概念，现代的RISC也具有很多明显的变化，主要表现在：具有分支预测的功能、能够超标量执行，同时还能够乱序执行指令。
3.计算机系统结构的发展势
3.1多线程体系
所谓的多线程技术（multithreading technology）[5]，是一种结合了冯诺依曼的控制流模型以及数据流模型的新兴技术。它能够进行现场的指令级交换以及顺序调度。一般说来，在线程中，如果其中一条指令执行，那么相应后面的指令都会相继执行。线程可以成为计算机中调度执行的基本步骤，同时计算机中可以同时并发运行许多个线程。这样做的好处是：提高了并行度的效果，同时又能相互隐藏延迟的操作。多线程有着许多优点，同时也有一些不足之处。它的优点是能够在很大程度上提高整个处理器的利用效率，在整体上使计算机的性能提高到一个新的档次。多线程技术能很好地隐藏几乎所有的延迟，这是诸如分支预测错误延迟技术等其它技术所不具备的。因此，多线程技术能够在计算机微处理器的结构中具有很高的应用价值。
3.2 高性能计算
[6]高性能计算（high performance computer，HPC）是计算机集群系统，它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题。高性能计算方法的基本原理就是将问题分为若干部分，而相连的每台计算机均可同时参与问题的解决，从而显著缩短了解决整个问题的计算时间。解决大型计算问题需要功能强大的计算机系统，随着高性能计算的出现，使这一类应用从昂贵的大型外部计算机系统演变为采用商用服务器产品和软件的高性能计算机集群体。因此，高性能计算系统已经成为解决大型问题计算机系统的发展方向。其中，混合体系统结构已成为HPC发展趋势。
4.结束语
目前计算机的发展十分迅速，已经在各个方面彻底改变了现代人们的生活方式和工作方式，人们的沟通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本论文简要介绍了计算机流水线技术，指令系统 ，然后提出了两种指令系统（RISC和CISC）并对比了两种不同的体系结构，比较了这两种体系结构中存在的问题，进而提出计算机体系结构的发展趋势。
参考文献：
[1] 郑炜民 汤志忠等译John L.Hennessy， David A.Paterson 计算机系统结构：一种定量方法（第二版）[M] 北京：清华大学出版社，2002
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[3] 李成铮，魏立津 计算机体系结构的发展及技术问题探讨 华中科技大学文华学院 [J]，2008
[4] 刘超.计算机系统结构.[M]中国水利水电出版社，2005.
关键词 计算机系统结构 动画演示法 联系比较法 实践环节
中图分类号：G424 文献标识码：A
0 引言
计算机系统结构是计算机专业本科生的一门专业必修课程。课程的目标是提高学生从系统和总体结构的层次来理解和研究计算机系统的能力，帮助学生建立整机系统的概念；使学生掌握计算机系统结构的基本知识，原理和性能评价的方法，了解计算机系统的最新发展。使学生领会系统结构设计的思想和方法、提高分析和解决问题的能力。但是在教学中一直存在教学内容中原理和概念较多，综合性强，比较抽象，难学难懂，实验的硬件条件缺乏，学生学习兴趣等不高问题。笔者在多年的教学过程中，不断吸取其它高校的教学经验，对计算机系统结构教学进行改进和总结。
1 课程的内容和特点
1.1 课程内容
计算机系统结构课程本科教学时长安排为50学时，实验为22学时。根据国内外其它院校的教学思路，结合对计算机人才知识结构的要求，课程内容包括概论；指令系统；输入输出系统；存储体系；流水线技术；并行处理机；多处理机和课程实习。重点讲授内容为存储体系和指令级并行技术，存储系统是体系结构设计中的瓶颈问题，是系统成败的关键；指令级并行技术为计算机体系结构中的经典问题流水线、并行性等设计。而对并行计算机，多处理机只作简单介绍。从而突出了基本知识，注意和先修课程内容的贯通。
1.2 课程特点
（1）综合性强。计算机系统结构开设在第7学期，先修课程有：汇编语言程序设计、数据结构、计算机组成原理、操作系统、编译原理等课程。教学中要求学生综合应用各课程知识，教学难度较大。（2）理论性强。内容抽象复杂，概念多，学生感到学习难度大，教学处理不好的话，学生的学习积极性不高。（3）缺乏实验环境，学生无法获得对计算机系统结构性能改进的直观认识。由于大多数高校硬件条件不满足，故许多高校在开设这门重要课程时，仅仅停留在理论讲授上，相应的实践教学是空白，学生面对枯燥理论，学习兴趣缺乏，不利于提高教学质量。
2 教学的探讨
根据本课程的特点，教学大纲的要求，从培养学生能力的目标出发，明确目标，积极引导学生，采取动画演示、联系比较、启发式教学法，加强实践教学，提高了学生学习的兴趣和主动性，从而有效地提升了教学效果。
2.1 明确学生的认识
要想提高学生的学习的主动性，首先要让学生明确该课程的重要性。一部分学生认为该课程与计算机组成原理，操作系统等课程存在一定的重叠，认为只是前面知识的重复。另一部分学生由于面临就业和考研压力，只求通过考试而忽略能力的培养。针对第一部分在学习本课程时阐明该课程与其它课程的关系和区别。计算机组成原理从硬件系统方面来解释计算机各组成部分的工作原理。而计算机系统结构跨越了硬件和软件层次，让学生理解计算机系统结构的基本原理，这样编程时才能考虑更周全，编写更加高效的程序。针对第二部分学生让其认识到学习不只是为了考试，我们不仅要提高程序和系统的开发设计能力，还应提高从总体的架构去分析和解决问题的能力。
2.2 明确教学目标
计算机系统结构就是通过采用不同的软硬件技术设计高性价比的计算机系统，面临硬件性能达到极限，我们主要从存储系统、指令系统、指令并行性来分析和评价计算机系统设计，使学生理解计算机性能的提高的方法。例如， 提高CPU计算速度可以采用方法： 一种是提高处理器的主频；第二种方法是提高指令执行的并行度，当前CPU中都采用超标量超流水线技术，流水线结构其实就是一种提高并行度的方法。CPU不像以前通过提升主频来提升速度，因为硬件速度的提高是有限的，最大只能是光速，所以CPU还通过多核的技术来提升速度。这样，学生在学习时运用所学的知识来分析，有利于培养他们发现问题、分析问题、解决问题的能力。
2.3 采取合理的教学方法和教学手段
（1）动画演示。教学中采用大量的动画来系统解析教学内容，包括系统的结构、工作的原理、工作流程以及一些算法等，把以往抽象、枯燥的解说变为形象生动的动画动态展示和讲解。这些动画动态的把讲解内容展现在学生面前，突出知识的核心思想和关键知识点，容易理解和提升学习的兴趣。（2）联系比较法。把本课程中的一些概念、策略和思想与现实生活中的事例进行联系比较，如与生产流水线相联系。目的是使学生更好地理解和掌握教学内容，抓住关键思想，联系实际，从而提高了教学效果。（3）启发式教学法。由于高年级学生都有很好的自学能力，在教学中积极地根据学习的内容提出一些问题，让学生通过查阅资料，讨论学习某个问题。如RISC和CISC相比较，在理论上RISC处理器占有优势，但在实际微处理器中主要是CISC处理器；计算机处理器的发展提高到一定的主频后，主要过多核设计来提升CPU性能等。极大地提高了学生的学习的兴趣和积极性。
2.4 加强实践教学
国内外高校计算机系统结构的实验一般分为偏重软件的程序员角度和偏重硬件设计人员角度。计算机科学专业开设的实验课程一般偏重软件人员，强调从程序员的角度去了解整个计算机系统如何运行，为程序的优化，可靠性的保证等提供基础知识，实验课程一般用高级程序语言和模拟器实现。而计算机工程专业开设的实验课程一般偏重硬件，强调从硬件设计人员的角度如何设计和实现整个处理器系统，实验课程要求用相关的硬件描述语言实现系统，在FPGA上测试验证。①我们是偏重于软件的，为了让学生应用流水线技术，尝试改进流水线性能的新技术，提高学生对现代计算机系统的认识，引进了DLX虚拟处理器实验。利用DLX虚拟处理器可以进行处理器指令系统的设计，流水线的设计与实现、并行处理的设计与实现等带有新一代处理器思想和技术的实验。从而充分调动学生的能动性，提高了学生的学习兴趣，以及分析问题、解决问题的能力。
关键词：系统结构；系统；数据库；学习论坛；动态网页；在线考试
中图分类号：G434 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 01-0000-02
Computer Systems Architecture Assisted Teaching
――Database Design and Implementation
Liu Wenjie
(Guangdong Trade&Industry Higher Technical School,Lechang512200,China)
Abstract:This paper introduces how to design and implement a database for computer architecture aided educational system.It introduces how to use Java Server Pages with the character of setting up and running interactive and dynamic web server and other specialties to make up dynamic page and expounds systematically how to design,create,manage and maintain the website’s database by using databases.
Keywords:System architecture;System;Database;Study forum;Dynamic page;
The on-line examination
一、引言
（一）专题辅助教学系统的发展现状
通过互联网，学生可利用远程资源在网上完成学习的各个环节。但是目前很多专题学习辅助教学系统存在许多不足，主要包括以下几个方面：
1.重开发实践，轻理论研究，真正实用的教学软件系统不多
2.专题选择的范围不恰当
3.专题内容多杂，针对性差，学科特征有所忽视
4.忽略“师生共建”的原则，建设主体单一化
5.辅助教学系统建设过程与应用过程分离
二、数据库系统功能设计
（一）数据库设计方案
1.数据库设计原则及优化
数据库设计遵循生命周期法等系统方法，强调分步进行和推迟实现。用户是系统开发设计的提出者和最终使用者，因此在进行数据库设计时必须强调用户参与。数据库的设计应分阶段进行，前一段的结果作为后一阶段设计的依据，后一阶段也可以向前一阶段反馈要求。具体设计步骤如下：
（1）需求分析：通过广泛、详细、深入的调查，了解计算机系统结构辅助教学系统的信息需求和处理需求，根据调查结果形成合理的需求分析说明书，作为设计的依据。它包括数据库所涉及的数据范围、各项数据的特征描述、数据量等。如数据名称、类型、是否主码等。
（2）概念设计：利用数据库模型表述数据与数据之间的关系。在概念设计的时候先设计与具体的用户应用相关的设计结构，然后进行视图集成，经过反复推敲、修改，最后得到一个能正确的反映单位数据及其相关联系并能满足各种处理需求的数据模型。
（3）逻辑设计：将概念数据模型转换为一DBMS对应的逻辑数据模型，同时也将用户视图转换为外模式。
（4）物理设计：根据具体DBMS的特点设计数据库内模式，由于计算机系统结构辅助教学系统的数据库并非大型数据库所以对系统性能影响不大，但是同样应该根据处理要求、设备性能等进行精心的设计优化。
在分步设计的过程中，如果发现某一阶段的设计不理想，可以立即反馈，对原设计进行修改，通过如此反复进行，实现数据库的优化。
2.数据库的安全性
计算机系统结构辅助教学系统使用Microsoft Office Access 2003数据库。为了保证数据库的安全，限制非授权的存取，数据库系统具有一个安全与授权子系统。它包括方面的内容：第一，为管理员提供建立用户帐号和密码，第二，进行安全性检查。
在本教学系统中，数据库安全体现在以下两个方面：
（1）采用数据库密码的登录。
（2）采用MD5加密算法进行加密。防止了SQL的注入，即使数据库被非法登入也无法知道用户的登陆信息，大大提高了用户信息的安全性。
（二）数据库系统的功能设计
1.学习论坛模块数据库实现的功能
学习论坛系统模块的结构功能如下所示：
（1）用户注册：以严格的注册流程，合理化的动态表单，实现注册人员的信息收集。
（2）用户登陆：动态实现窗口登陆，功能引导，并对非法登陆给予限制。同时登陆时根据权限授予相应的功能，登陆时分三种权限：普通用户，斑竹，超级管理员。用户登陆页面。
（3）帖子管理：对各栏目帖子的管理，可以简便实现帖子的回复，打印，增删新贴。同时可以搜索相应发贴人的资料。
（4）公告管理：管理员可随时登陆更新公告的信息，修改，添加，删除已的公告信息。
（5）用户管理：超级管理员可以授予用户不同的权限，通过斑竹管理相应的论坛，减少超级管理员的工作量，方便论坛的管理。同时，管理员也可以启用禁止用户，修改，删除用户的信息及他所发的帖子。
（6）搜索功能：可以实现用户对帖子及用户的分类快速搜索。按的时间和论坛类别进行限制性的搜索。
（7）资料显示：显示当前用户注册的信息及发，回帖子的情况，同时也可以对已添的资料进行修改，删除。
（8）论坛管理：管理员可以整添新的论坛，确定斑竹人选，还可以对已有的论坛进行修改，删除。
2.新闻公告模块及在线考试模块数据库实现的功能
在新闻公告模块中当用户打开系统首页后，首先看到的是新闻动态、站内公告两个版块，其中每个版块均显示最新的8条信息，并且提示的标题，时间，作者，浏览次数。大家可以分版块有选择的查看最新新闻动态、阅读本站的最新公告。
新闻动态模块与站内公告模块类似，点击相应的标题就可以直接进入相应的阅读，并且可以在百度上搜索与之相关的信息，如图1。
在线考试模块，对用户进行在线测试。这里选择10道有代表性，不同难度的试题对学生进行测试，目的是验证学生对这个知识点的掌握程度，答题完毕提交后会自动显示结果，并且给出正确的结果。
3.后台管理模块数据库实现的功能
在后台管理模块中当用户打开管理首页后，首先看到的是登陆界面，只有在正确登陆的情况下才能对后台的信息进行更新。后台管理主要包括下面几项功能：新闻动态文章的管理，站内公告文章的管理，用户管理，站点信息动态管理，频道栏目的管理。
进入后台管理模块，在后台登陆界面中输入相应的用户名和密码，系统随机产生四位有效验证码，在上述三项正确填写后，进入后台管理的首页登陆成功，就可以直接进入管理界面，进行相应信息的管理，如图2所示。在首页中，可以对用户，新闻，公告，频道栏目，站点信息进行相应的管理。图3是后台管理模块流程图。
三、结论
我们在研究国内外已有的计算机系统结构辅助教学系统的基础上，结合师生的实际需要，开发了新的计算机系统结构辅助教学系统。本系统主要包括课堂教学、学习论坛、在线考试、课件下载，维客天下，教学大纲，后台管理等功能模块。
本文主要介绍了计算机系统结构辅助教学系统数据库的设计与实现过程。首先，说明了利用JSP创建并运行动态交互的网络服务器应用程序生成动态网页的方法，然后，系统地阐述了使用数据库进行网站数据库的设计、创建、管理和安全维护的方法。最后，介绍了添加数据库驱动，建立数据连接，完成数据操作，关闭数据库连接的实现方法。本软件系统测试结果表明系统的学习功能比较全面、运行良好，为广大学生提供了一个很好的学习计算机系统结构课程的辅助平台。
参考文献：
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关键词：计算机系统结构；课程体系；教师团队；教学改革
1 计算机系统结构课程体系
计算机系统结构课程体系组又称硬件组，普通高校计算机的学生对硬件课程都存在或多或少的抵触心理，原因主要有3个：1)硬件课程比较抽象，不容易理解，不像软件语言课程直观；2)学生认为计算机专业就是编程，学习硬件课程没有用；3)硬件课程的实验环境不容易建立和维护，导致相关实践环节实施时不能达到预期目标。针对计算机系统结构课程体系在教学中存在的问题，我们按照课程先修顺序、社会需求，以及从理论到应用的顺序，对计算机系统结构课程体系中的课程进行合理安排。
1.1 专业基础必修课程
计算机系统结构课程体系所涉及的专业必修课程是计算机专业学生的基础课程，通过这些课程的学习，学生将掌握计算机的基本组成和工作原理，并为计算机应用打下基础。同时，我们也注意到，这些专业基础课程理论性较强，内容抽象、不易理解，课程大多开设在大学阶段的前期。
数字逻辑电路是计算机专业计算机系统结构课程体系的第一门课，该课程的学习目的是使学生掌握从数字系统到集成电路实现所需逻辑功能的整个过程的完整知识，作为必修课程，开设在大一第二学期。计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课程，本课程使学生掌握计算机原理的基本知识，为下一步学习计算机体系结构奠定基础，并能对当前计算机的最新研究、发展与应用趋势有一般性的了解，作为必修课程开设在大二第一学期。汇编语言课程是解决CPU级编程的问题，使学生掌握CPU级语言的特点、编程方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关计算机硬件、软件方面的设计打下基础，作为必修课程开设在大二第二学期的上半学期。微机原理与接口技术课程以PC机及其兼容机中最常用的80×86系列为主线，讲述微型计算机与接口的实现技术，作为必修课程可与汇编语言并行开设在大二第二学期。这两门课程安排在同一学期，有利于学生掌握。通过两个学期的实践，学生对汇编语言的掌握和应用，以及微机原理的接口应用能力大大提高。计算机系统结构讲述计算机体系结构，着重介绍软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配，作为必修课程开设在大三第一学期。
1.2 专业应用选修课程
在大三第一学期结束后，学生已学完计算机专业硬件和软件相关基础课程，具有一定的计算机应用和开发的能力。从大三第二学期开始，计算机系统结构课程体系将面向计算机应用开设两门任选课程，它有利于学生就业，缩短学校到社会的过渡时间。
单片机原理及应用课程以MC-51系列单片机为基础介绍硬件和软件的组成，以及程序设计技能。为将来步入微计算机的信息处理和测控系统领域的学生提供一个基础平台，作为任选课程开设在大三的第二学期。嵌入式系统及其开发课程使学生了解嵌入式系统结构和嵌入式系统开发的相关技术，掌握其软硬件设计方法，提高学生的嵌入式系统开发能力和经验，建议作为任选课程开设在大四的第一学期。
2 教师团队的建立
为了提高教学质量，提高教师教学水平，我们建立了计算机系统结构课程体系教师团队，并为每门课程设置一名首席教师，并配备2～4名主讲教师。教师团队建立后，每星期举行一次教学活动，提出授课中存在的问题，讨论学生的接受能力，最后给出先修课程和后续课程的调整方案。实践证明，教师团队的成立提高了教学质量，受到广大师生的好评，结合教学的相关教学教研项目逐渐增多。反过来，相应的教改项目的实施又促进了教学质量，形成了教学效果的良性循环。
3 教材的选择
众所周知，教材直接影响教学效果和教学质量。计算机系统结构课程体系抽象、难懂，其课程教材的选用一直是我校计算机专业教学中的一个重要问题。由于计算机专业的学生普遍认为自己将来的就业方向是软件开发，所以，不重视硬件课程体系中的课程。因此，如何有效选用计算机系统结构课程体系的教材成为教学的一大难题。下面，我们以计算机系统结构为例介绍教材的选择。
3.1 国内外同类教材优缺点
目前，国内的计算机系统结构教材主要由国内一些重点大学的专家编写，教学对象为重点大学计算机专业本科生，同时，作为研究生的参考书。从近年我校以及我省其他普通本科院校计算机专业学生使用上述教材的效果看，这些教材存在以下一些问题，如书中理论概念过多，部分内容过时，对体系结构新进展介绍不多，上述问题导致学生缺乏学习兴趣，教学效果也不理想，不太适合普通二本院校计算机专业学生使用。
3.2 自编教材情况
为了改变计算机系统结构课程教学在普通二本院校计算机专业学生中存在的上述问题，我们经过调查论证、搜集素材，并与本省其他院校协商，结合授课教师切身体会以及学生在学习本课程时遇到的普遍性问题，编写了适合普通二本院校本科生学习的计算机系统结构教材。
自编教材《计算机系统结构》2009年7月由清华大学出版社出版，该教材在遵循教育部计算机系统结构课程教学大纲基础上，采用“量化研究方法”，系统讲述了现代计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，以及当前系统结构领域的主要进展。摒弃了目前传统教材中已经过时的理论知识，精简了授课内容，突出了重点难点，较好地适应了普通二本院校计算机系统结构课程教学需要。
该教材内容编排大体是按照计算机系统结构的发展历程，即冯・诺依曼体系结构一改进的冯・诺依曼体系结构――非冯・诺依曼体系结构这条线索。以经典冯・诺依曼体系结构(第2章)为基础，介绍现代通用计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以及和相关领域的最新研究成果，内容主要包括数据表示与指令系统设计(第3章)、存储系统(第4章)、输入输出系统(第5章)、流水线技术(第6章)、并行处理机技术(第7章)，以及计算机系统结构进展(第8章)。
参加该教材编写的人员来自不同本科院校，均为担任计算机系统结构课程的主讲教师，该教材在着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法的基础上，强调量化的分析方法，使学生能够能更具体、实际地分析和理解计算机体系结构。教材内容选择上不再覆盖整个系统结构，而是重点论述现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等，通过大量的实例分析，深入浅出地阐述计算机体系结构所涉及的各个方面内容。在结构上，强 调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，将计算机组成原理、数据结构、操作系统、汇编语言程序设计等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而使学生建立起计算机系统的完整概念，教学效果良好。
4 开放式的教学模式
计算机系统结构课程体系强调培养学生的综合能力，强调知识、能力、素质的协调发展，传统单一的课堂知识传授已经不能满足学生的要求，而相关课程本身存在理论性强、抽象难懂的特点。所以，我们在传统教学模式的基础上提出开发式教学方式，以提高学生探究能力和学习兴趣。开放式的教学模式主要包括以下4个方面内容。
1)汇聚师生共同力量，提高现代化教学介质课件的质量。
传统的课堂教育是教学模式的基础，在首席教师主持下，发挥教师团队的力量，利用现代教育技术和信息技术，开发符合学生接受能力的高质量教学课件。例如，通过动画形象生动地演绎课程中抽象难懂的概念和原理。此外，发动学生参与课程网站建设，在师生间建立互动链，提高学生自主学习的积极性。
2)根据先修课程内容，实施启发式教学。
课程讲授采用启发式教学。计算机系统结构课程体系中的各门课程之间存在联系，在授课过程中，我们要利用先修课程的内容启发当前课程中的内容，以便于学生理解，同时，提高学生的综合能力。例如，讲授计算机系统结构中“指令集优化”章节时，先让大家回忆汇编语言中80×86型计算机的指令集的条数，然后，提出计算机的指令条数和格式如何确定，最后，层层深入，给出计算机系统结构针对指令集研究的内容和解决方法。又如，讲授计算机系统结构中操作码优化的章节时，结合数字逻辑电路中的逻辑设计，分析不同编码方式的优缺点和采用扩展的Huffman编码理由，以及计算机如何辨析不同的操作码，以便加深学生理解。
3)开展多样化教学方式，提高学生自主学习的兴趣。
从提高学生自主学习兴趣出发，以课堂讲授为主，采用学生讲课、小组讨论和专题报告等多样化的教学方法。例如，针对计算机系统结构中现代非-冯，诺依曼结构的新发展，举行专题报告，每个小组讨论一种结构，通过参阅各种参考资料和网上资源对所分配的专题开展自主学习、交流、讨论和研究，最后，各小组分别进行专题讲座，多样化的教学方式培养了学生的综合能力和创新能力。
5 加强课程实践环节，与社会需求接轨
计算机系统结构课程体系的实践性很强，实践环节是整个教学过程中的重要环节，也是学生对理论知识进行内化和升华的重要手段。然而，计算机系统结构课程体系所要求的实验环境不易建立和维护，实验题目不易选取。因此，大多数高校计算机系统结构课程的实践流于形式，不能真正提高学生综合能力和利用所学理论知识解决实际问题的实践动手能力，也不能培养和锻炼学生的自主开发的创新能力。针对计算机系统结构课程体系实践环节中出现的问题，我们给出以下几点建议。
1)调整验证性与综合性和开发性实验比例。
增加综合性和开发性实验的比例。计算机系统结构课程体系中的所有课程都有实验课，而大多数实验项目为验证性实验，综合性和开发性实验项目比例较少。在实验过程中，由于验证性试验的软件和硬件为现成的，学生不能进行硬件的设计，同时，又没有能力进行软件的编写，大部分学生将实验当做任务来完成，创新能力得不到发挥。因此，在验证性实验的基础上，我们要加大综合性和开发性实验的比例，最大程度地发挥学生自己的能动性。
2)结合教学内容，选取实际对象作为项目来源。
增加综合性和开发性实验的比例必须有适合学生开发的实验项目。如果实验项目过难，学生将失去做实验的信心；如果实验项目偏容易，实验就失去了其综合性和开发性的本质；因此，项目应来源于生产活动，是相对完整和相对独立的事件，与企业实际生产过程或现实使用有直接的关系，具有一定的应用性。例如，设置单片机实验项目――“声控灯”，既能将理论知识和实践技能结合在一起，又能调动学生解决问题的兴趣。
3)以学生为主体，充分发挥教师的协助作用。
在教学过程中，要充分发挥学生的主动性和创新精神，让学生根据自身行为的信息来实现自我反馈，同时，也不能忽略教师的指导作用。例如，在项目的选取上，师生要共同参与，教师要启发学生去主动发现身边的素材，选择难度适合的实验项目。
6 结语
通过两个学期的实践，我校计算机系统结构课程体系教学取得了良好的教学效果，首先，从学生角度看，将计算机底层的硬件基础课放在大学生在校教育的前期，有利于学生掌握基本原理和基本知识；应用性强的课程放在后期，有利于学生与社会需求的接轨。其次，从教师角度看，将计算机系统结构课程体系的教师组织起来建立教师团队，有利于教学效果的提高，便于教改活动的组织。适当的教材选取，可以调动学生的学习积极性。同时，优质的教学课件和多形式的教学模式，将课堂教学变得生动、形象，把过去的“重教轻学”的教学模式转向“师生互动”的教学模式。将学生被动听讲的课堂变为鼓励学生主动参与讨论，引导学生积极探索，以提高学生素质。最后，实践环节的改革能使学生将硬件课程内容融会贯通，合理的实验项目设置充分调动学生学习的积极性。
[1]李彩虹，屈志毅，刘刚，等.“计算机组成原理”实验课教学模式探讨与实践[J].高等理科教育，2006(2)：74－75.
[2]张军利.微机原理课程教学中开放性实验的作用和意义[J].云南大学学报：自然科学版，2008(2)：437－438.
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.
