硬件体系（精选8篇）
硬件体系 篇1
摘要：近年来, 随着我国信息化的深入, 网络安全问题日益重要和突出, 因此人们开始研究各种各样的网络安全技术来保证网络安全。解决网络安全问题的一个最有效的办法就是在不同的网络之间设置安全网关。
关键词：安全网关,硬件架构,专用集成电路架构
近年来，随着我国信息化的深入，网络安全问题日益重要和突出，因此人们开始研究各种各样的网络安全技术来保证网络安全。解决网络安全问题的一个最有效的办法就是在不同的网络之间设置安全网关。而网络应用的快速增加，对网络带宽也提出了更高的要求，这意味着安全网关要能够以非常高的速率处理数据，于是千兆安全网关逐步得以应用。随着安全网关产品同质化现象的日益明显，厂家和用户都把注意力转移到了技术架构体系上。尤其近年愈演愈烈的硬件体系结构之争，给设计、选择硬件安全网关带来很多困惑，本文对此进行了有益的探讨。
1 安全网关简介
安全网关是设置在不同网络(如可信任的企业内部网络与不可信任的外部公共网络)或者不同网络安全域之间的一系列部件的组合。它是不同网络或网络安全域之间信息和数据的惟一出入口，能够根据网络管理人员制定的网络安全策略控制出入网络的各种数据信息流，从而对所受保护的网络提供信息安全服务。
在逻辑上，安全网关是一个分离器、一个限制器，也是一个分析器。它有效地监控了所要保护的内部网和外部公共网络之间的任何活动，用于确定网络哪些内部服务允许外部访问，以及内部网络主机访问哪些外部服务等，从而保证了所要保护的内部计算机网络的稳定正常运行以及内部网络上数据和信息资源的完整性、可用性和保密性。不同技术的安全网关实现功能的侧重点不同，实际上它们分别代表了一个网络的访问控制原则。
安全网关包括工作在网络层的安全网关和工作在应用层的安全网关。其中网络层安全网关主要通过分组(包)过滤技术对传输的信息进行过滤，它在网络的出口对通过的数据进行选择，只有满足条件的数据包才允许通过，否则被抛弃。网络层安全网关可以允许授权的主机和服务程序直接访问内部网络，也可以过滤指定的端口和内部用户的Interne t地址信息，限制内部网络对外部网络的访问。而应用层安全网关则是控制对应用程序的访问。它本质上是一个应用网关，也称代理服务器(proxys e rve r)。用户使用某项TCWIP应用(如HTTP)时，代理服务器会要求用户提供其要访问的外部Internet主机名，当用户答复并提供了正确的用户身份及认证信息后，代理服务器就建立与外部Internet主机的连接，为两个通信实体充当中继。
2 安全网关硬件体系结构
为适应各种安全需要，以及产品定位的不同，安全网关的硬件平台出现了多样发展的趋势，不同的体系结构各有各的特色。
2.1 x86架构
在百兆安全网关时代，国内安全网关厂商普遍采用的是通用CPU配合软件的x86架构，也称为工控机安全网关。这类安全网关一般运行在经过裁减的操作系统上(通常是Linux或BSD)，所有的数据包解析和审查工作都由软件来完成，具有开发、设计门槛低、技术成熟等优点。但存在以下缺点：1) CPU处理能力不足。由于每个报文都必须提交到CPU进行处理，CPU的速度和操作系统协议栈的工作效率极大影响了报文处理速度，因而无法对报文进行高速的处理和转发。2)总线速度成为瓶颈。在该架构中，众多的输入输出设备与网络数据流共用一个总线进行传输，原来就不宽裕的总线带宽变得更加拥挤。3)安全性存在隐患。由于国内安全厂商并不掌握x86架构的核心技术，其BIOS中存在着隐藏的漏洞，有可能影响安全网关的安全可靠性。
在实际应用中，尤其在小包情况下，这种结构的千兆安全网关远远达不到千兆的转发速度(64Byte包长时，双向转发速率一般在20%以下)，难以满足目前千兆骨干网络高吞吐量、低时延的应用要求。但由于价格低廉，实现容易，目前该架构还得以广泛应用于对功耗、发热量和安全性等要求相对不高的小型局域网内。
2.2 嵌入式CPU架构
直接使用嵌入式芯片作为主处理器，也可以实现安全网关功能，如基于ARM、PowerPC、MIPS等嵌入式CPU的安全网关架构。
2.2.1 ARM架构
ARM公司在32位RISCCPU开发领域不断取得突破，其结构已经从v3发展到v6。由于ARM公司设计的芯核具有功耗低、成本低等显著特点，获得众多厂家的大力支持，在32位嵌入式应用领域取得了巨大成就。目前已经占领75%以上32位RISC嵌入式产品市场。
2.2.2 Pow e rPC架构
Pow e rPC是由Appl公司、IBM公司和Motorola公司组成的联盟共同设计的一种RISC多发射体系结构。在基本一致的体系结构下，各制造公司具体规格型号是不一致的。这些产品大多用在嵌入式系统中。由于嵌入式芯片主要应用于小型设备，因此其主频一般不高，这样大大影响了网络报文处理速度，目前不是主流的安全网关设计方案。
2.2.3 ASIC架构
近年来，采用基于专用集成电路(ASIC)架构成为安全网关设计中的亮点。ASIC架构用硬件替代软件，并将安全网关的主要功能如地址转换(NAT)、过滤、状态检测等集成到一块或多块专用芯片上面。采用ASIC芯片，使得原先需要上千甚至上万条指令才能完成的过程，在瞬间由数个特殊硬件单元顺利完成;采用多总线结构和并行处理方式，保证了在端口上有数据传送时，安全网关内部仍然可以同时进行高效数据处理，不再受传统硬件结构的“中断”限制。
ASIC架构安全网关往往采用专用操作系统，具有很高的安全性。事实上，ASIC安全网关中也设计有通用CPU单元，但这并不妨碍独立工作的ASIC具有超高速处理能力。这是因为此类安全网关的操作系统和CPU只起到ASIC硬件驱动和提供管理接口作用，只负责总体协调却不参与任何安全网关的基本处理。在ASIC芯片全力投入数据处理的时候，CPU仍然处于优先级很低的工作状态，而不会影响到对设备管理的响应速度。所以ASIC硬件安全网关可以全面发挥自身的速度和处理能力，不受会话数量的影响。
2.2.4 NP架构
网络处理器(NP)是专门为处理数据包而设计的可编程处理器，它的特点是内含了多个可以并发进行数据处理工作的数据处理引擎 (NPE) ，在处理2～4层的分组数据上具有明显的优势。
NP对数据包处理的一般性任务进行了优化，如TCP/IP数据的校验和计算、包分类、路由查找等。同时硬件体系结构的设计也大多采用高速的接口技术和总线规范，具有较高的I/O能力。这样基于NP架构安全网关的包处理能力得到了很大的提升。
NP架构安全网关具有以下几个方面的特性：完全的可编程性、简单的编程模式、最大化系统灵活性、高处理能力、高度功能集成、开放的编程接口以及第三方支持能力。
NP如同微处理器简化计算机设计那样，正在把安全网关的设计和实现变得常规化和规范化。不仅如此，NP通过提供线速处理能力和强大的可编程性缩短了产品面世的时间，并延长了产品的生命周期。最近在国内信息安全厂商中备受关注，成为国内厂商实现高端千兆安全网关的热门选择。
2.2.5 组合架构
除常见的CPU与NP结合、CPU与ASIC结合外，还可以根据需要将ASIC与NP组合，甚至将CPU、NP和ASIC结合在一起形成组合型架构。
采用组合架构可以根据产品需要选择不同技术进行组合，可以充分发挥各种技术的优点，扬长避短，获得高性能和高灵活性;并且在安全的各个方面处理得都比较好，从而得到研究者和厂家的高速重视。但该架构设计难度很高，投资也比较大，软件开发难度高，可能需要操作系统和软件支持不同的指令集，目前仅有部分高端产品应用该架构。
3 主流硬件体系结构比较
随着近年千兆网络开始在国内大规模推广应用，安全网关的硬件体系结构正面临着一次变革。在多数网络环境下，传统的基于x86体系结构的安全网关已不能满足千兆安全网关高吞吐量、低时延的要求。因此NP架构和ASIC架构成为众多国内厂家实现千兆安全网关的主要选择。对于NP架构和ASIC架构在千兆安全网关的应用比较：
3.1 产品性能方面
由于基于NP架构的安全网关本质是基于软件的解决方案，它在很大程度上依赖于软件设计的性能。而ASIC由于是将算法固化在硬件中，因而在性能上有比较明显的优势。
目前国内销售的基于ASIC架构的安全网关，已达到四个千兆网口的全线速包转发速率。而一般基于NP架构的安全网关在小包情况下，还不能完全做到两网口的千兆线速转发。
3.2 实现功能方面
从实现功能方面看，ASIC技术可以比较容易地集成IDS、VPN等功能，也有产品已经实现了内容过滤和防病毒功能。而NP受限于它较低的计算能力，这些功能一般只能靠协处理器一来实现。
3.3 开发成本方面
从开发成本上看，采用NP架构安全网关主要工作是对NP进行微码编程，而ASIC架构则要进行专用集成电路设计，要求资金投入非常大。因而开发成本要远大于前者。这也是目前国内厂商选择NP的一个重要原因。
3.4 灵活性方面
NP技术可以支持编程，其软件色彩使它具有更好的灵活性。一旦有新的技术或者需求出现，资深设计师可以很方便地通过微码编程实现，在升级维护方面有较大的优势。而纯硬件的ASIC安全网关缺乏可编程性，这使得它缺乏灵活性从而跟不上安全网关功能的快速发展。
对于特殊的用户需求，基于NP的NetEye安全网关产品可以实现定制开发，即可以通过模块删减来开发出满足不同用户的需求的产品。而如果用ASIC架构实现，由于对ASIC不可编程，无法对新的功能进行添加和定制开发。
3.5 稳定性方面
从稳定性方面来看，相比ASIC这样已经为实践证明了的成熟技术，NP用于安全网关其实是近年才出现的。在此之前，NP在市场上的表现并不理想，一般只被用于低端路由器、交换机等数据通信产品。主要是NP开发需要的微码编程技术比预期的复杂、困难，而且在实际应用中的性能往往并不理想，远低于其厂家的标称性能。这种技术应用在安全网关这样的复杂网络设备上，究竟能否在不影响功能的前提下达到预期的性能还有待检验。其次，NP的产业标准尚需完善。NP产品在其外部接口上没有统一标准，许多厂商设计了专有的外部设备接口以获得高性能。外部接口的非标准化对外部协处理器的选择施加了一些限制，并要求开发一些基于FPGA的胶合逻辑来支持外部设备，增加了产品成本。另外，其产业供应链也需进一步成熟。
3.6 开发周期方面
按照业界的经验数字，基于微码的功能开发周期一般为六个月甚至更短，而采用ASIC实现的时间通常需要2～3年的时间。因此在开发周期方面NP架构有明显优势。
3.7 其他方面
在进入门槛和开发难度方面，NP架构也有比较明显的优势，毕竟NP产生的一大原因就是降低这方面的门槛，这也是国内很多安全网关企业选中NP的重要原因。
综合以上分析可以看出，x86架构、NP架构和ASIC架构各有优缺点。x86架构灵活性最高，新功能、新模块扩展容易，但性能肯定满足不了千兆需要;ASIC性能最高，千兆、万兆吞吐速率均可实现，但灵活性最低，定型后再扩展十分困难;NP则介于两者之间，性能可满足千兆需要，同时也具有一定的灵活性。
4 结语
从现有的网络环境以及用户安全需求的变化趋势来看，安全网关产品将朝着高速、多功能化、更安全的方向发展。今后高端安全网关的技术将是ASIC架构和NP架构这两种主流技术并存，它们各自都会继续向前发展，在速度、功能方面都还有很大的发展空间。另外，必须考虑NP、CPU和ASIC技术的有机结合，以及各种安全网关产品的互连互通问题。
参考文献
[1]盛承光.安全网关技术分析及其发展研究[J].计算机与数字工程, 2006.
[2]刘晓红, 纪越峰.下一代应用层安全网关性能及测试[J].计算机工程, 2006.
[3]谭章熹, 林闯, 任丰源等.网络处理器的分析与研究[J].软件学报, 2003.
硬件体系 篇2
在设备管理器中右键点击需要查询的未知硬件，依次选择“属性”/“详细信息”，将下拉框选择为“硬件ID”，可以获得PCI＼VEN_XXXX&DEV_XXXX&SUBSYS_XXXXXXXX&REV_XX 一行硬件ID信息，记录下“VEN_”及“DEV_”后缀。
接下来在IE中输入www.pcidatabase.com进入pcidatabase网页查询界面，将刚才记录的VEN_XXXX和DEV_XXXX之后的信息分别填入到网页中，点“Search”（VEN 后的代码填入到Vendor Search；DEV后的代码填入到Device Search中）。从结果图中可以看出，这个部件应该是Marvell公司推出的一款802.11网络控制芯片。接下来，便可通过网络直接查找该芯片驱动进行安装。
联想扬天Athentec Truesuite
指纹软件故障
故障现象：联想扬天V480笔记本开机到欢迎界面处只看到输入密码的提示框，无法用指纹进入系统。而在使用密码进入系统后，在系统内点开Athetec Truesuite指纹软件提示有密码，无法使用指纹，且输入密码后直接出现十道竖条，提示设置快捷键，没有任何设置指纹提示。
解决办法：该问题应该是由软件故障引起的，建议用户按顺序重新安装联想Athentec Truesuite指纹软件。用户首先应该卸载本机的Athentec Truesuite指纹软件，然后重启电脑。完成重启操作后先不要打开系统指纹功能，依次进入“控制面板/用户账户”，删除当前系统密码后再次重启电脑。重启后系统会提示加载Fingerprint Sensor驱动，加载好了以后可以进入Athentec Truesuite软件，这时候会提示输入密码，但是不需要输入，因为之前密码已经删除，所以输入任何密码都是错误，只需要用注册的手指来划过指纹收集器便可识别成功（如图）。
进入之后会发现久违的十个指头再次出现，这时候建议删除原来设置的相应手指上的指纹数据，然后重新选定要设置指纹的手指，这时候会像刚开始使用软件的时候一样提示输入系统密码，只需要按照顺序操作即可。
系统提示“请更换电池”
的解决办法
故障现象：戴尔Inspiron N4010笔记本使用不到一周，新机刚拆封时用鲁大师检测电池损耗9%，过了两天变成损耗12%，就开始怀疑电池质量出现问题。
经过确认，机器以及电池都能正常使用，并且电池可以使用2H以上时间，更换其他检测工具测试，问题依旧。
解决办法：该问题经过戴尔CIS工程师多台机器测试，99%可以通过缓慢充放电成功解决。以一台电池损耗为18.5%的机器为例（如图1），在满电状态下正常使用至电池电量降低到10%以下，当系统提示充电时重启电脑，重启过程中进入BIOS界面静止放置，直至自动断电关机。接下来不同重复开机动作，直至按下开机键时LCD屏幕不亮，然后在关机状态下将笔记本充满电即可。经过一次操作后，电池损耗已经下降至15.89%（如图2），反复多次进行以上操作后，电池损耗最低可降至0.9%。
硬件体系 篇3
关键词：计算机硬件,结构框架,分析研究
前言
计算机技术主要就是由硬件与软件集中发挥作用的智能系统。其中硬件系统就是指计算机程序运行的物理结构,是维护计算机正常运行的基础。当今社会是一个信息技术高速发展的社会,计算机技术在人们生活的各个方面已经得到了普及,为人们带来了极大的方便。但与此同时对人们掌握计算机应用能力的要求也越来越高,所以要对计算机系统硬件知识进行结构框架建设,以为人们正确的运用计算机技术提供了保障。
1 计算机硬件知识体系的特点
随着科学技术的不断发展,计算机技术也得到了不断的提升。由于当今社会对人们的计算机应用能力的要求越来越高,因此对于如何掌握计算机的操作知识与运行状况的掌握成为了人们关注的话题。计算机硬件系统是整个计算机稳定运行的基础,但是知识点又过于复杂不易掌握,因此要进行知识框架的构建。
1.1 硬件知识整体性强、富有层次性
计算机硬件系统知识具有整体性强、层次性强的特点。因此要想对计算机硬件知识进行掌握,就不可片面的进行学习,必须具备完整的知识框架进行综合性的学习。计算机硬件知识中的知识点都不是独立存在的,它们之间紧密相连、环环相扣,因此对于某个知识点能不能进行完全的掌握,完全影响到整体的知识学习效果。就拿计算机硬件中的门阵列控制器这一知识点的学习来进行说明。如果要进行门阵列控制器相关知识的学习,那么首先就要对可编程阵列逻辑知识进行学习和掌握,获得相关基础知识后才能进行下面的学习,否则就会形成无用功。与此同时,在进行计算机硬件设计时,也是需要对计算机硬件知识的层次性进行掌握的,才能设计出好的硬件系统。计算机硬件知识主要分为三个层次即概念结构、逻辑结构以及物理结构,三个结构层次鲜明不可进行随意更改。
1.2 计算机硬件知识体系的特征
计算机硬件知识系统的知识点,相对来说较为复杂且难度大,不易掌握。计算机硬件知识主要涉及的是存储、访问以及替换等方面的问题。这些方面的知识在进行实际的掌握与学习时是及其困难的。造成这种原因主要是因为计算机硬件系统的知识具有技术性、科学性以及信息含量巨大等特点。如在进行存储系统的知识点学习时,就要求掌握该系统中的存储系统的应用、存储器的结构原理与组成、存储访问局限性以及存储系统组织和相关替换原理等等所有与存储相关的知识点进行掌握,巨大的知识量为人们的学习带来了巨大的困难。与此同时与实际的计算机硬件设计要求相比,理论知识过于空泛,无法与实际操作进行结合学习。比如说电脑主机中的CPU结构,是我们所熟知的计算机硬件系统。但是尽管对该结构进行过理论知识的学习,也由于在平时的计算机应用中无法对该结构进行细致的观察了解而使理论知识与实际情况无法联系,形不成良好的学习效果。因此要进行知识结构的建构,使知识学习更加的系统化、清晰化、简明化,便于人们对计算机硬件知识的了解。
1.3 知识体系的重点和界限变化快
随着计算机技术的不断发展,计算机硬件知识也在不断增多,人们需要掌握的知识重点也在不断增加,为知识的学习增加了难度。并且社会处于飞速发展时期,而不同时期对知识的要求不同,因此使人们对计算机硬件知识的重点无法有清楚的掌握,使学习不能更加的有针对性的进行。自从计算机技术出现在人们视野中开始,人们就开始对计算机知识的学习产生兴趣,相关的计算机教育行业也开始发展。通过对近几十年的计算机知识学习情况的了解发现,在80 年代的前期,计算机硬件知识的重点主要是在逻辑器件和计算机底层使用硬件的设计上。而计算机硬件技术发展到80 年代的后期,知识重点又转移到对逻辑器件的使用以及硬件组织结构的设计上去了。从80 年代的后期发展至今,计算机硬件知识的教育重点又在向着嵌入式系统的设计上转移。由于知识重点的不断转移,也使得知识体系的重点培养目标发生着不断的变化。
2 计算机硬件知识体系结构框架
经过长时间的研究以及知识补充,将计算机硬件知识体系结构大致分为四个层次。即工作原理、组成结构、编程应用以及技术方法四个方面。
2.1 计算机硬件知识的教学目标
在针对计算机硬件知识教育进行教学时,主要是针对三个教学目标进行的。首先就是要针对计算机硬件的基础知识进行培养,以确保计算机人员在学习更加深入的硬件知识、软件知识和其他知识时,可以对相关知识点的掌握更加的顺利。其次就是对当前的计算机硬件知识的教育重点即嵌入式系统的相关技术与方法,进行更加系统的、科学的学习。最后就是要通过对计算机硬件知识的稳固掌握,对计算机进行直接的使用以及对计算机的底层硬件知识拥有较强的运用能力。在进行计算机硬件研究时,可以将研究内容分为设计和分析两个方面来进行。首先在对计算机硬件进行设计时要对计算机的应用编程知识与硬件技术方面的知识加以运用。而在进行硬件系统分析时,则要对硬件的组成结构和计算机的工作原理进行系统的知识分析。
2.2 计算机硬件知识体系结构框架
2.2.1 工作原理
计算机硬件系统的这一知识系列的构建方法所采用的是从理论出发到实现的过程,主要的构建序列是将计算模型、过程驱动、指令执行以及操作控制四个部分的知识进行统一划分排序,实现知识的清晰化、条理化的目的。该项工作原理知识系列,是计算机硬件技术产生与发展的基础,主要包含了计算机系统结构及组成原理方面的相关知识。如数据指令的表示、计算机模型的概念、设计基础以及控制器的作用等等。
2.2.2 组成结构
计算机的组成结构知识系列所采用的构建方法是从整体到部分的模式,其构建序列是逻辑元件、逻辑器件以及功能部件与机器系统四个部分组成。该项知识系列是整个计算机硬件技术构成的核心方面。在知识内容方面主要包括计算机系统结构和组成原理以及数字逻辑等硬件方面的相关知识的整理。如逻辑电路、运算器以及逻辑代数等计算机功能部件的存储系统及相关设计方面的知识。
2.2.3 编程应用
计算机硬件知识体系结构中的编程应用知识系列的构建方式,主要是从基础到应用的方向进行确立的。其建构序列主要是由特性结构、指令系统以及汇编语言和应用编程方面进行的。计算机硬件系统的运行主要是依靠计算机指令进行的,而计算机指令的有效表达又主要依靠于它本身的外特征。除此之外对于计算机的指令进行有效的组织,又要以汇编程序的编程作为依据。只有将这些方面的知识作为基础,才可以运用计算机进行应用问题的计算。
2.2.4 技术方法
计算机硬件知识体系结构框架中的技术方法知识系列的构建方法,是以从抽象到具体的方式作为依据的。组成其建构序列的知识是功能指令、概念结构、逻辑结构和物理结构四方面。计算机设计的基础是对计算机功能的设计,这主要是由计算机的指令系统进行反映的。而在进行计算机功能设计时,我们发现相关的理论基础与技术知识都是比较抽象的,而所要设计的物理结构又是具体的事物,所以必须通过相应的逻辑结构使二者之间产生联系。
3 如何构建计算机硬件的知识体系结构
针对计算机硬件知识体系结构中的四种知识系列的差异,在进行知识体系的构建上要加以区分,构建出符合知识框架的知识体系。
3.1 工作原理的知识体系的构建方法
工作原理知识系列的构建方法是以从理论到实践的思想基础进行的。因此在对其进行知识体系构建时,也要以此种思想作为基础。计算机硬件技术具有理论性强、技术性强以及抽象性强等特点,因此在进行具体的计算机硬件操作中需要我们将其中的抽象性进行具象化的转化。例如计算模型概念本身是一个极为抽象的理论知识,因此若想对此概念进行了解,就需要我们对计算模型在计算机硬件运行时的驱动程序进行深刻的认识。与此同时还要对数字指令的运行以及发布的认识进行加深了解。将计算模型进行如此的具象化转变,使人们对如何通过对计算机的相关配备和元件而达到计算目的的方式的理解更加的深刻。达到计算机硬件知识体系框架建构的目的,使人们更加轻易的获取硬件知识。
3.2 编程应用知识体系的构建方法
编程应用知识系列在计算机硬件知识框架中,主要的构建方法,是从基础到应用的模式进行的。因此在进行该框架中的知识体系的建立时,也要依照此种指导思想进行。计算机的运行基础主要是依据其自身指令进行的,而计算机的指令进行任务执行和发布却是依靠于计算机的外部特征来完成的。而以上的所有功能的完成又主要依靠的是计算机的硬件编程。计算机能够对运行系统发出指令,最主要的原因就是计算机中被编写好的程序发挥作用的结果。所以在进行编程应用方面的知识体系构建时,一定要对其核心作用进行重点突出。只有在编程应用的基础上,进行知识体系的构建,才能够实现计算机对实际意义中的应用难题进行有效的解决与计算。
3.3 组成结构知识体系的构建方法
计算机硬件系统框架中的组成结构知识系列,主要是依据从局部到整体的思想方法进行构建的,因此在进行知识体系建立时也要依据此种方法进行。计算机硬件知识的每个部分都是构成整体结构的基础,因此要将所有的局部知识进行综合整理纳入到整体系统的知识结构中来。如针对计算机系统中的逻辑元件来进行说明,该元件是整个系统中的最小组成单元,但是却对整个计算机的运行起着至关重要的作用。因此我们要对计算机元件中与逻辑元件相类似的小元件的结构以及作用进行加深了解,才能够对计算机的整体进行设计。只有在对局部知识进行了解掌握的基础上,才能够对整个计算机操作系统进行功能上的分析与设计。
3.4 技术方法知识体系的构建方法
计算机硬件知识框架中的技术方法知识系列。主要是以从抽象到具体的原则进行构建的,因此其知识体系的构建也要实现从抽象到具体的转变方式。在进行计算机系统设计与程序应用设计时,通常是将计算机的良好性能的实现作为基础的。但是依据计算机硬件知识概念进行设计时,由于知识的抽象性对计算机性能设计的尺度很难进行把握。因此构建的知识体系要将概念中不易理解的抽象性知识进行具体的转化。可以使抽象的硬件知识概念与计算机具体的物理结构进行完美的逻辑性结合,确保计算机硬件功能的稳定性以及良好性能的发挥。
结语
随着计算机技术的发展与普及,人们方方面面的生活都离不开计算机的应用。因此对于计算机知识的掌握越来越重要,为了方便人们对计算机硬件知识的掌握,进行知识体系的构建是具有重要意义的。在经过不断的知识探索与更新的情况下,计算机硬件知识系统的结构框架会更加趋近完整,为人们对计算机知识的掌握提供基础。
参考文献
[1]郑国君.基于企业业务框架的软件体系结构研究[D].浙江大学,2004.
[2]李抵非.基于云框架的科学仪器深度知识服务方法研究[D].吉林大学,2015.
硬件体系 篇4
1.1 教学内容陈旧、不足
实验课一般不独立设课, 而是依附于理论教学, 其内容大多是理论教学中的理论验证, 各门课程的实验之间互相分割、相对独立、缺乏综合性、学生的思维也被局限于相应的理论课程。这种模式, 只适用于基本技能的训练, 不适应创新能力的培养, 学生难以形成工程设计的整体概念。由于验证性较多, 设计型、研究型、创新型、实际应用型较少的特点, 在实验项目的体系安排上, 基本上是验证理论性的体系, 理论课讲到哪个章节, 实验就跟到哪个章节。
1.2 实验设备更新换代过快, 造成投入不足
实验仪器设备的技术性能是设备生产厂商的生命线, 尤其是以计算机为领军的高科技产品更是如此。但是计算机及计算机专业实验设备的性能并不是与设备的价格成正比的, 甚至随着时间的发展成反比, 更新换代的周期越来越短, 这样导致计算机实验设备经常处于落后地位, 难以跟上计算机技术飞速发展的步伐。
1.3 教学模式呆板
传统实验教学以教师为中心、为主体, 学生被动地按照实验要求和操作步骤进行。这种教学模式培养的学生思维狭隘, 办事循规蹈矩, 缺乏创新精神和创造能力, 不能适应现代社会对人才的需要。
1.4 学生实践机会较少
由于受硬件课程的内容及实验环境的限制, 造成学生实际动手机会少之又少, 因此常出现学生做实验时只要稍有问题, 就只能等老师来解决的现象, 既浪费了时间, 又浪费了自己主动解决问题的机会。这样的学生, 走到工作岗位, 专业知识再好, 面对几分钟就能解决的计算机故障也束手无策。
1.5 师资力量缺乏
实验课的指导教师一般由主讲此门课的教师充当, 往往是学生多, 教师少, 一个教师辅导几十到上百的学生, 学生与实验指导教师交流的机会少, 往往一堂实验课下来, 很多学生没有轮到教师的辅导。
2 计算机专业硬件实验课的改革
2.1 整合实验课程
硬件系列课程从体系结构上划分为三个层次:基础层、应用层和提高层, 其理论课程与实验课之间的关系如图1所示。基础层为“电子技术”与“计算机组成原理”。“电子技术”课程虽然在教学体系上不属于计算机硬件系列课程, 但其是计算机硬件系统的技术基础, 是必修的前续课;“计算机组成原理”介绍计算机的基本组成和工作原理, 解决整机概念;通过“电工电子实习”与“模型机设计与组装”两门实践课程, 强化学生的硬件动手能力。在应用层中, 通过“接口技术”介绍应用层的外围接口和相关外设, 通过“硬件综合实践”、“嵌入式系统实践”强化学生对基础知识的掌握和综合应用。提高层为“计算机系统结构”及“性能测试与分析”实践课程, 通过学习和实践, 能够使学生比较全面地掌握计算机系统的基本概念、基本原理、基本结构、基本分析方法、基本设计方法和性能评价方法, 并建立起计算机系统的完整概念。理顺每门课与前导课和后续课之间的关系, 从而保证硬件课程体系的系统性和完备性。
2.2 建立“验证型-设计型-综合型-探索型”的多层次实践教学模式
“验证型-设计型-综合型-探索型”的多层次实践教学模式, 系统强化学生的综合设计和硬件动手能力。在验证型实验中, 注重使学生巩固基本理论, 进一步掌握基本概念和基本技能。在设计型的实验中, 注重培养学生的创新意识、设计能力和动手实践能力。在这一类实验中, 以学生动手为主, 教师辅导为辅, 只给定实验的课题及达到的目标, 中间过程需学生自己去查阅资料和设计方案, 直至最后调试完成。在综合型实验中, 注重培养学生综合运用所学知识的能力, 使学生受到更为实际、更加全面的科学研究的训练。课程设计的部分内容属于探索型实验, 学生可以自主选择感兴趣的课题及相关开发工具, 写出设计书, 交给指导教师审核后实施。在这一过程中, 学生需要查阅大量的资料, 培养了学生的自学能力、研究设计能力、独立分析问题及解决问题的能力和创新能力。
2.3 大胆放手、随时关注、及时引导
实验教学应主要是为学生创造一种有利于思维能力发展的环境和条件, 完全抛弃由指导教师“包干”到底的做法, 让其通过自身的实践来挖掘潜能, 提高素质。因此, 要求教师鼓励学生大胆实践, 不怕失败, 善于从成功或失败中吸取经验。所以在实验中只是在学生确有困难时才加以指点, 对一些有疑难现象有意识地给予启发, 这不仅帮助了学生更好地消化课程内容, 还可开拓思路。同学们都处于积极状态, 在实验中不但要动手操作, 还要想通道理。教师安排实验的每一内容时都要经过认真思考, 学生的主动性被调动起来, 积极的参与到实验中。学生在实验过程中可以向教师提出各种各样的问题, 教师要热情给予引导, 这样做比课堂学习更具体更容易弄懂, 知识会得到进一步深化。
2.4 建立实验课考核制度
实验课单独考核, 单独给成绩。在整个的实验课考核的过程中, 建立实验课考试制度, 考试应进行得比较生动, 具体规划为:首先, 提前一定时间由学生抽签方式得到题目, 每一个题目都是实验过程的一个主要环节。其次, 学生完成规定的实验内容, 应回答教师提出的问题, 这些问题应紧紧围绕实验内容, 以基本概念、基本原理方面为主, 这样将有益于培养学生应用基本理论解决实验问题的能力。考试实验过程, 应该在实验问题或实验故障的排除上, 引起学生对实际问题的浓厚兴趣, 给严肃的考试增添活跃气氛, 使考试生动起来。
2.5 改进实验教学方法和教学手段
为激励优秀学生更多地投入到实验实践活动中, 设立“创新学分”制度, 如算法程序设计、电子设计、数学建模、网页设计等竞赛获奖者, 均可凭客观指标获得创新学分。
2.6 设立综合实验案例库开发
一个综合型、应用型、研究型或探索型实验案例的设计具有两个要素:具有创新性的想法, 以及具有可操作性的分解。应用性和趣味性强的实验案例通常更有利于学生体会实践带来的成就感。对于实验案例库建设而言, 最重要的是挖掘优秀的想法, 并将实验步骤加以分解与细化, 甚至在必要时开发相应的实验软装置, 从而设计出一个高品质的实验案例。
2.7 提高学生对实验内容的兴趣
例如, 在汇编语言上机实验中, 同学普遍感到非常枯燥、乏味, 即使同学们编程正确, 也经常看不见、摸不着, 调试起来缺乏根据, 这样在很大程度上影响了学生学习汇编语言的热情和兴趣, 如果有条件最好能用系统计算机连上一个硬件实验台, 让同学们通过设计汇编程序、用编程来真正控制硬件, 如:交通灯、舞台灯光、中断程序, 这样就在实践中达到更好地理解、掌握汇编语言及编程技巧, 提高和激发学生对学习汇编语言的兴趣和热情。
2.8 每学期设立实践周
根据教学的实际情况, 在每学期的中期或期末, 设立实践周。在实践周, 设立综合实验, 使学生能够在这一学期将所学的知识综合运用, 整合计算机硬件和软件课程, 对于硬件课程和软件课程之间的衔接问题, 都可以在实践周中得到验证和提高。由于实践周有足够的时间, 教师可以充分利用这个时间给学生出一些比较综合性的实验, 让学生思考, 自己查资料解决问题, 例如学了电子技术和汇编语言, 可以让学生设计时钟、抢答器等, 学生从电路设计、制板、焊接、安装、调试到产品成型, 在教师的指导下, 可以顺利进行, 通过历年的实践周情况看, 学生兴趣浓厚、积极性非常高。在实践周也可以组织学生到IT产业调研、参观、学习, 使学生了解IT产业的最新技术, 能够提升学校所学的基础知识, 缩短学校与企业之间的距离, 让学生一毕业就可以在企业顺利就业。
3 结束语
任何自然科学理论都离不开实践, 在学习本学科理论知识基础上, 加强基本实验技能的训练, 实验教学即为这种技能训练的重要环节, 实验质量的高低将直接影响学生实际能力的高低, 而实际能力则关系到学生今后工作与发展, 所以对于实验课应该给予应有的重视。
参考文献
[1]周国安.改革实验教学加强学生科学实验能力培养.天津:实验室科学, 2006 (2) :28-29.
硬件体系 篇5
计算机科学经过几十年快速发展, 出现了很多发展方向和相应的专业, 涉及知识内容也增加了许多。这就需要各个学校在有限的教学时间内对计算机众多的知识领域进行取舍、整合, 制定出一个符合培养目标的教学计划。在一些培养应用型本科生的地方高校, 特别是如软件工程等进行软件开发的专业, 对硬件课程知识如何取舍、安排, 更是成为必须要解决好的一个重要内容。
计算机专业应该教些什么内容?国际上有ACM/IEEE-CS (美国计算机协会ACM和国际电子电气工程师协会计算机学会IEEE-CS) 计算机课程设置的方案:CC2001、CC2005、CC2008和CC2013;国内有一些知名大学计算机教育专家所做的相关课题研究组发表的《中国计算机科学与技术学科教程2002》 (简称CCC2002) 、《中国软件工程学科教程》、《中国高等学校计算机基础教育课程体系2006》 (简称CFC2006) 等都对计算机的教学提出了具体要求, 其中计算机硬件知识内容, 如数据的机器表示、存储系统组织和结构、汇编级机器组织、接口和通信等都是不可或缺的组成部分[1,2,3,4,5]。
教学应该服从于企业需求, 我们从企业的招聘需求可以看出来, 企业对计算机软件类专业, 如嵌入式软件工程专业, 对硬件知识不仅必须, 甚至还要进一步强化。而对一般偏软类计算机专业, 企业也是希望学生能够理解基本的硬件工作原理基础上的软件开发和管理维护。从课程体系上来看, 软件类专业的计算机组成、体系结构、操作系统、编译原理、嵌入式系统等软硬件课程都是相辅相成的。
1 硬件知识课程开设现状
目前我国高校计算机硬件类课程基本是参照IEEE-CS/ACM的指导性计划而设置的, 基本上保持了与国际上计算机发达国家的课程设置的一致性, 推动了计算机科学技术教育的积极、稳妥发展。计算机硬件类核心知识内容主要体现在以下几门课程中:数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、计算机体系结构。但在制定教学计划时, 现在一些软件专业中硬件课时被压缩了很多, 根本无法安排完这些课程, 需要对这些课程及其中的有关知识点进行合理取舍和整合。
而在实际教学过程中, 课程组织缺乏系统性, 任课教师之间缺乏足够的沟通, 各门课程内容的关联没有统一整理实施, 相关课程之间内容衔接较多, 部分内容在几门课程中重复出现, 使学生降低注意力, 误以为学过, 并因此对课程设置产生不满情绪。软硬件知识间基本分离, 学生一开始就学习了C语言, 却不知道计算机硬件原理上是如何实现C语言中的变量定义、指针、循环、过程调用和返回, 以致程序设计过程中出现一些问题时无法理解和处理。学习计算机硬件接口知识时, 虽然了解了它的基本原理, 但是却不知道如何用我们熟悉的高级语言对其进行控制。学习了操作系统和网络技术等课程, 却不知道如何用操作系统提供的接口改变硬件的工作等, 不知道在嵌入式系统如何应用相关理论。
上述情况表明, 在我们的计算机软、硬件、及其之间的衔接教学中存在不少问题, 导致学生的知识结构不完整、不系统, 教学内容落后于现代计算机硬件技术的发展, 对学生吸引力不足, 跟实际应用脱节。
所以, 我们需要制定好教学计划, 在软、硬件课程教学过程中加强交流沟通, 在软、硬件课程教学过程中加强知识相互联系, 注意知识间重叠和互补的关系, 以保证知识的系统性和完备性。如操作系统课程中的CPU调度、内存管理与计算机组成原理和计算机体系结构课程中的知识点相互穿插联系。加强理论与实验课程教学中的知识相互联系, 引导提醒学生, 通过思考建立必要的知识关联。在硬件课程如微机原理及接口技术实验中适当引入高级语言编程, 这样既加强了软硬件的联系, 又可激发学生的学习兴趣, 还能提高学生对硬件的编程能力。
2 硬件知识体系重构
计算机硬件是计算机工作的基础, 软件工作在硬件上是灵魂。只有对这个基础有个完整、系统的认识和理解, 才能更好的明白其上的软件是如何工作的, 为什么会出现这样或那样的情况, 怎么解决。开发的软件才能更合理、更有效、性能更好。所以作为计算机偏软专业的学生, 也需要掌握计算机组成、体系结构等硬件核心知识, 服务于软件课程知识。
2.1 理论教学
我们在教学计划调整时, 根据面向应用型软件人才的培养目标, 重新审视计算机硬件类课程的内容, 限于课时, 适当的删除或简化了在软件开发中不需要具备的硬件应用知识和技能, 主要从原理上解释与软件设计有关的硬件知识, 不深入到有关硬件逻辑设计的细节。如, 运算器的原理与优化, 在计算机组成原理课程中占有较多内容, 我们只对简单易于理解的串行全加器逻辑电路和原理进行描述, 并对超前进位并行加法原理做简要介绍, 使学生了解运算器的设计过程和优化意义;对乘除法器的设计简单地从手工运算出发, 大概介绍原理和逻辑框图。
强调内容的基础性、应用性和实践性, 满足计算机应用型人才, 特别是软件开发人才的需要, 构建软硬结合以软为主的知识结构, 对现有的计算机软件类专业的硬件课程:计算机组成原理、微机原理与接口技术、汇编语言程序设计和计算机体系结构进行重新整合[6]成一门课程, 来满足课时被压缩, 构建完整专业知识结构的需要。
全部教学内容共分九个部分:
(1) 计算机软硬件系统组成。介绍包括计算机系统的结构、组成与实现, 计算机系统的层次结构, 计算机的发展、分类与性能等, 使得学生对计算机系统有个全面的总体认识。
(2) 计算机中的数据表示。介绍定点数、浮点数数值数据表示与运算方法, 字符、汉字等非数值数据表示方法等。以及运算器的组成和优化。
(3) 存储器系统。介绍存储器系统的的分类、组成、层次结构、性能指标等, 高速缓冲存储器、虚拟存储器的概念、作用、工作原理等。
(4) 指令系统。介绍指令系统的体系结构、设计方法、寻址方式及发展方向等。
(5) 中央处理器。介绍CPU的组成、功能、指令周期、控制器的设计方法, 重点介绍80X86CPU的编程结构, 为后面80X86汇编语言程序设计打下一定的基础, 介绍CPU性能评测方法, 多核、多线程技术。
(6) 汇编语言及程序设计。着重介绍汇编语言的主要语句、常用伪指令和顺序结构、分支结构、循环结构、过程调用和宏展开等汇编语言程序基本结构和程序设计基本方法, 由于时间关系, 所以这部分不能展开, 重在对方法强调和能力的培养上。
(7) 流水线技术与指令级并行。主要介绍流水线技术的基本概念、性能分析等。以及指令级并行的基本概念。
(8) 总线与输入/输出系统及外围设备。介绍总线的类型、结构、传输方式、仲裁等, 以及当前常用总线SATA、USB等基本工作原理。介绍输入输出系统的组成、功能, 程序控制、中断和存储器直接访问方式的工作原理。介绍可编程接口芯片的原理、使用方法及其编程。键盘、鼠标、磁盘、光盘、显示系统等。
(9) 并行体系结构。介绍计算机体系结构的发展、并行性和分类等。
这样, 将计算机类专业多门硬件课程的内容有机地组织起来, 从软件应用的角度, 认识、理解了硬件的工作原理, 并能够知道在其上利用不同的高低级语言进行编程的原理, 及其对它的编程控制, 在讲授这些硬件知识的过程中, 适当进行软硬件穿插, 使得学生能够融会贯通, 提高学生使用计算机的能力, 解决实际应用问题的能力。
2.2 实验教学
传统硬件课程的实验和实践环节, 如组成原理主要在实验箱上接线来完成, 学生虽然做完实验了, 但不一定知其所以然。基于我们培养的是偏软的学生, 对硬件课程的掌握应服务于软件应用与开发, 所以我们尝试采用以软件的方法去理解硬件的原理。如, 实验安排上要求以C语言编程来理解计算机组成原理中有关数据表示、存储、数制转换、编码和运算过程等问题。用汇编语言编程实现理软件定时、输入输出、中断、系统调用、通信、磁盘文件操作等涉及接口软硬件的应用问题。结合学生实际应用, 利用测试软件进行计算机整机性能、局部性能测试的实验。所有实验都在计算机上以软件的方法来完成, 不需要实验电路或实验箱配置, 使学生不仅能够掌握与硬件相关的知识、软件的应用能力和使用语言进行程序设计的能力。
3 实施
我校2013年教学计划调整、课时被大量压缩的情况下, 我们在软件工程专业和网络工程专业做了上述尝试。通过对计算机类偏软专业硬件课程、知识体系进行重构、优化, 注意课程内容的选择与统筹安排, 解决了硬件类知识多, 课程之间知识点重复、相互衔接不够等一系列课程内容的安排、讲授、定位等问题。同时通过新技术的学习、研究, 改进实验方法, 解决课程内容过于陈旧、跟不上科学技术发展的脚步等问题, 适应了形式发展, 取得了较好的效果。
摘要：在计算机课时被压缩、知识增加的情况下, 讨论了计算机软件人才培养硬件课程知识的必要性、如今教学实验中存在的问题, 提出了针对软件人才培养的硬件课程知识的优化和重构方案。
关键词：软件人才,硬件课程,优化重构
参考文献
[1]中国计算机科学与技术学科教程2002研究组.中国计算机科学与技术学科教程2002[M].北京:清华大学出版社, 2002:74-80.
[2]教育部软件工程学科课程体系研究课题组.中国软件工程学科教程[M].北京:清华大学出版社, 2005:95-96.
[3]中国高等院校计算机基础教育改革课题研究组.中国高等院校计算机基础教育课程体系2006[M].北京:清华大学出版社, 2006:69-75.
[4]教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程[M].北京:清华大学出版社, 2008:50-53.
[5]ACM/IEEE-CS.Computer Science Curricula 2013[EB/OL].http://ai.stanford.edu/users/sahami/CS2013/final-draft/CS2013-final-report.pdf
硬件体系 篇6
1.实验课程安排彼此脱节
计算机硬件课程之间存在密切的内在联系, 学生通过这些课程的学习, 应当能逐步建立起整个计算机系统设计的概念, 掌握计算机系统的设计技术[1]。但是, 在具体的实验课程安排之间缺乏充分的衔接, 有些知识点重复, 有些知识点遗漏, 这些都导致了学生的知识体系结构不健全。
2.实验设备陈旧
计算机硬件技术发展迅猛, 处理器技术、存储器技术每天都有新的进展和变化, 但这些变化很难及时地反映到硬件的实验设备上, 极大地削弱了学生对硬件实验的兴趣, 其结果必然是学生不能学以致用。
3.综合性、设计性实验难以开展
传统的实验都采用面包板的方式, 学生只需根据指导书提供的实验电路连线做实验。这种方法极大地限制了学生的创新性思维, 束缚了学生的手脚, 使学生总沿着老师的思路去完成, 学生发挥创新能力受到很大的限制, 因而很难开展创新能力的培养。
4.“重软轻硬”现象十分明显
由于软件教学实施起来相对容易, 且实用性强, 因此软件可做到急用现学、立竿见影的效果, 而硬件知识从客观上来说存在不直观、讲述起来抽象、枯燥等问题, 学生学起来也比较困难。因此, 目前计算机专业教育普遍存在重视软件轻视硬件的急功近利的倾向。
以上问题抑制了学生的学习主动性和创新意识, 很不适应当前高等教育的培养目标。因此, 如何通过建立科学、合理、与时俱进的硬件实验教学体系, 以改变当前“重理论、轻实践, 重软件、轻硬件”的现象, 激发学生学习的主观能动性和积极性, 最终达到提高硬件实验教学质量和培养创新意识的目的是一个十分重要的研究课题。
一、基于EDA技术的计算机硬件实验教学优势
近年来, 随着微电子学的迅速发展, E D A[2] (Electronic Design Automation, 电子设计自动化) 技术为解决上述问题提供了一种途径。EDA工程是以计算机为工作平台、以E D A软件工具为开发环境、以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language) 为设计语言、以可编程器件FPGA/CPLD (Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device) 为实验载体、以集成电路ASIC/So C (Application Specific Integrated Circuit/System on Chip) 为目标器件进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程[1,3]。E D A代表了当今电子设计技术的最新发展方向, 其基本特征是设计人员以计算机为工具, 按照自顶向下的设计方法, 对整个系统进行方案设计和功能划分, 由硬件描述语言完成系统行为级设计, 利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载。
基于EDA技术的计算机硬件实验教学的总体思路是将EDA技术应用贯穿于计算机硬件的实验教学中, 在不同的学习阶段, 学生学习了相应的硬件课程后, 利用EDA软件开发工具, 自行设计与本课程相关的电路或复杂系统。与传统的实验方式相比, 该方式有如下的优点:
1. 打破实验课程间的壁垒
在统一的开发环境下做所有的硬件实验, 使实验目的、实验内容等方面都可以统一协调, 方便解决硬件实验课程间的脱节问题。
2. 缓解硬件设备陈旧的问题
由于可编程逻辑芯片的特点, 学生最初完全可以在计算机上借助E D A工具完成设计输入、编译、仿真和综合, 最后再到实验台上进行编程下载和验证。采用这种模式, 可缓解对硬件设备的依赖。
3. 有利于开展综合性、设计性和创新的实验
一方面EDA工具提供的是虚拟器件和仪器, 学生在实验中就不存在损坏实验器件和仪器的可能, 使学生可以放开手脚大胆地进行实验。另一方面, 由于E D A技术的引入, 学生在课堂上完不成的实验, 可以存盘后利用课余时间继续在自己的计算机上完成。因此, 利用EDA技术, 学生可很方便地开展综合性、设计性、自主性的实验, 进而可完成大型硬件的原型设计, 或进行创新性课题的研究, 这将大大激发学生的学习兴趣和热情, 提高学生硬件设计能力, 从而改变目前学生硬件动手能力差的弱势。
二、新的实验教学体系构建
由于引入了EDA技术, 现有的硬件实验教学体系已经不能适应这种新型的实验方式的要求, 因而必须重新构建与之适应的实验教学新体系。为此, 我们对国内外著名大学的课程设置及实验教学大纲进行深入研究, 提出从以下几个方面入手构建新体系的设想。
1. 优化实验课程体系
优化后的课程体系如图1所示, 其中实线内的课程表示优化前的课程, 虚线内的课程表示新增的课程, 即在保证原有主要课程的基础上, 新增E D A技术、计算机系统综合设计等课程。为了使优化前后的课程能系统地衔接, 需要调整各课程的开设顺序, 理顺每门课与先修课和后续课之间的关系, 并注意各课程的互补。例如, EDA技术课程需要一定的电路知识和电路设计技能, 数字电子技术课程则需要利用EDA工具来设计电路, 因此这两门课程是相辅相成, 需要在同一学期开设, 并统筹安排实验。又如, 计算机系统综合设计课程涵盖了计算机组成原理、微机原理及接口技术、单片机技术、嵌入式原理等多门课程的知识, 是一门实践性、综合性很强的课程, 是对计算机硬件课程知识的综合应用, 理应安排在最后开设。
2. 构建层次化实验内容
为了让EDA技术贯彻于所有计算机硬件实验课程中, 必须注意实验内容的阶段性、层次性等内在联系。为此, 本文将图1所示的硬件实验课程体系划分为基础层、应用层和提高层, 然后根据课程层次来制定每层的实验内容和培养目标。
基础层包括EDA技术、数字电子技术和计算机组成原理等课内的随堂实验以及单列的数字电子课程设计和计算机组成原理课程设计。这一阶段主要开展硬件描述语言、E D A开发工具、设计常用组合逻辑、时序逻辑电路、存储器、运算器、CPU等实验, 使学生能使用逻辑器件搭建具有一定实用功能的逻辑系统以及使用计算机功能部件构建模型机, 目的是锻炼学生的计算机系统工程基础实践能力。
应用层包括微机原理及接口技术、单片机技术和嵌入式原理等课内的随堂实验以及单列的微机接口综合实验和嵌入式系统课程设计。这个阶段主要开展计算机定时器/计数器、中断控制器、D M A控制器、并行接口、串行接口、A/D转换等常见I/O接口部件的实验, 使学生能熟练进行嵌入式系统和单片机应用程序的开发以及运用嵌入式操作系统进行任务调度和管理, 最终设计出GPRS、GPS等完整的嵌入式系统。
提高层包括计算机系统结构和计算机系统综合设计, 要求学生能将C P U、中断控制器、定时器/计数器、键盘控制器、LED数码管控制器、UART串行通信控制器和DMA控制器等部件设计整合成一个完整的So C芯片, 并结合软件编程调试、优化结构和测试系统的性能, 培养学生进行性能分析和测试的能力。
以上每层都需要设置基础验证型、综合设计型和创新型的实验。每门课程的课内随堂实验一般为基础验证型, 安排8学时为宜;综合实验和课程设计为综合设计型和创新型实验, 安排单列20学时为宜, 可要求学生根据个人情况适当增加一些课外学时完成[4,5]。这三种类型的实验内容由浅入深, 由易到难, 对学生的要求由低到高, 其中基础验证型和综合设计型实验针对全部学生设置的, 创新型实验主要针对少数有余力的学生和毕业生设置的。
3. 采用案例启发式的教学方法
案例启发式的实验教学方法不仅重视实践知识的传授, 而且关注实践在工程中的应用。EDA技术的引入, 方便了案例启发式实验教学的开展。教师可以通过EDA软件环境, 先演示所进行的硬件实验在计算机工程领域中的作用, 让学生知道能学以致用, 从而激发他们的求知欲, 活跃他们的创新思维。
4. 实行多元化的考核方式
实验课程成绩主观性比较强, 考核是否合理、严格, 对学生做实验起到积极促进作用。为了提高实验效果, 需要改变传统的以实验报告为主的考核方式。随堂实验在原来考核方式的基础上增加平时考核, 平时考核需要对学生实验过程动态跟踪, 对实验过程中的主要环节进行记录、评价, 作为最终成绩考核的主要依据;综合实验和课程设计除增加平时考核外, 还需增加答辩考核。答辩就是需要通过学生讲解、演示, 回答教师的提问, 让实验教师充分了解每个学生的设计、创新能力, 作为考核的重要部分。
5. 建设EDA实验室
为了将E D A技术引入到计算机硬件的实验教学中, 必须通过整合、改造、新建等途径建设一个综合计算机、SOPC (System on a Programmable Chip, 可编程片上系统) 和ASIC/So C的EDA实验室, 其中计算机上应安装各种成熟的EDA工具。
三、结束语
本文引入E D A应用技术, 从课程设置、实验内容、教学方法、考核方法和EDA实验室建设等方面探讨如何构建一个新型的计算机硬件实验教学体系。作者期望, 通过较短时间的努力, 能解决当前普遍存在的计算机硬件实验教学存在的问题。同时, 我们也应看到, 随着计算机新技术的不断发展, 构建计算机硬件课程实验教学体系是一项需长期坚持不懈的工作。
参考文献
[1]艾明晶.EDA课程在计算机专业硬件体系实验教学中的作用[J].实验技术与管理, 2005, (10) :88-91.
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[3]刘文英.基于EDA技术的计算机硬件体系实践教学探索[J].计算机教育, 2008, (14) :160-163
[4]陈妍.高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨[J].计算机教育, 2008, (8) :125-127
硬件体系 篇7
计算机专业是实践性很强的专业, 要想培养符合时代要求的具有创新能力的人才, 加强实验、实践教学尤为重要, 营造一个好的实验与实践环境, 建立一个合理的符合大学生认知规律的实验教学体系和内容很重要。
●实验教学存在问题
长期以来, 高等教育侧重理论教学, 不太重视实践教学, 实验课处于从属地位。以计算机专业为例, 计算机硬件课程实验课的弊端主要表现在:实验课是根据各门课程单独设置的, 各门课程的实验之间互相分割、相对独立;某些硬件课程实验项目需时较长, 由于实验时间的限制, 学生不能亲自参与实验的全过程, 不能亲自动手参与硬件作品制作;由于实验教学的从属地位, 硬件实验教学没有独立和科学的考核体系, 不能充分调动学生的主动性, 学生普遍存在重理论轻实验的现象;具有实践动手能力的高职称、高学历实验人员严重匮乏, 实验室应当是培养高素质创新人才的重要基地, 因而需要高素质的实验管理人员。
●改革的设想
1. 构建与理论教学相辅相成的实验教学体系
为了使实验课的改革适应新世纪人才培养的需要, 必须突破传统的实验教学模式, 使实验教学有验证、综合和探索三大功能。计算机专业属于工科专业, 该专业硬件主干课程有比较明显的相互联系、相互依存关系, 实际上是前续课和后续课的关系, 如电子技术、计算机组成原理是微机原理与接口技术的前续课, 而微机原理与接口技术又是单片机、嵌入式系统等的后续课程。由此可将硬件课程的实验教学分为三块:认识实验 (熟悉仪器仪表和各种实验设备) ;基本实验或验证性实验 (时间根据每门课的上课时间) ;单项设计性实验和综合设计性实验 (时间安排在第六或第七学期, 并在教学中注意不断递进) 。
2. 构建以能力培养为主线的实验教学内容体系
实验教学改革是一项系统工程, 必须处理好实验教学内容与人才培养、理论教学和实验方法的关系。在构建新的计算机硬件课程实验教学体系时, 必须进行实验教学内容的改革, 对实验教学内容体系进行整体优化, 使创新意识和实验能力的培养贯穿于实验教学的全过程。要整合, 不搞组合。实验教学内容体系的重组绝不是重新排列组合, 而是要在继承传统内容的基础上创新, 通过对原有硬件实验课程的整合, 实现硬件实验教学内容体系的整体优化, 整合的方法包括:
(1) 删除陈旧、过时, 与培养目标无关或关系不大的项目。合并内容重复或类似的实验项目。
(2) 减少验证性实验的比重, 提高单项设计性实验和体现学科先进性实验项目的比重, 增加与工程结合的综合设计性实验项目。
(3) 实验项目应“少而精”。实验项目不宜过多, 而要加强每个实验的力度, 提高实验教学的质量。特别是结合毕业设计, 安排结合实际工程的综合设计性实验, 并进一步提高实验技能和运用实验解决实际问题的能力。
(4) 实验教学内容体系也应符合由浅入深、循序渐进的教育基本规律。但是对于具有相对独立性的实验教学内容体系, 也必然会有部分实验教学内容走在理论课前面, 让大学生对未接触过的问题通过学习、分析、探索来解决。这种能力的培养, 在大学阶段还是必要的, 也是符合人的认识规律的。
(5) 统一性和多样性结合。人才培养模式改革的重点是要加强对学生的素质教育, 特别是创新能力和实践能力的培养, 鼓励学生的个性发展。我们在新的硬件实验教学内容体系中设立必开实验项目和选开实验项目, 以满足统一性和多样性的要求。
3.改革的具体实施内容
实验内容改革是根本。实验内容是实验教学目的和效果的具体体现, 内容改革是实验教学改革的关键, 要紧密结合教学内容和课程体系改革计划的要求, 从人才培养目标出发、贯彻因材施教的精神。实验内容的改革, 可以从四个方面考虑:
(1) 强化基本技能训练。
实践证明, 开设系统的基本技能训练的实验内容是非常必要的, 重点让学生掌握实验仪器设备、常用测试工具的性能、操作和检测方法。
(2) 开设单项设计性实验。
设计性实验由教师根据课程或专业要求拟订题目内容, 并提出要求, 由学生自己设计实验方案、独立操作, 最后写出实验报告。这种实验方式无疑对学生分析问题、解决问题的能力和理论联系实际、创新意识的培养起到了积极的作用。
(3) 开设综合性实验。
开设综合性实验其内容可体现多门硬件课程的综合。实验内容要考虑知识的连续性和创新性, 要给学生创造解决工程实际问题的空间, 要注重理论联系实际和知识的综合运用, 要给学生较宽裕的时间, 留有思考的余地。这种实验有利于激发学生的求知欲、探索欲、成功欲, 能充分调动学生学习的主动性和积极性。
(4) 开设科研性实验。
要创造条件为学生开辟科研活动的机会。学生可根据自己的科研思路, 在教师的指导下进行科研实验, 这对学生的个性发展、创新意识的培养和科研能力的提高有积极的促进作用。
●保障措施与对策
1.狠抓实验教师队伍建设
实验教学改革的目的是提高实验教学质量。为实现这一目标必须有一支结构合理、基础扎实、技术过硬的高素质实验技术队伍, 这是实验教学改革顺利进行的可靠保证, 所以学校要站在战略的高度抓好这项工作。
(1) 加强职业道德修养的教育。
实验技术人员要注重思想道德素质的提高, 要明确自己在实验教学中的责任和义务, 不但要具备深厚的理论知识和过硬的技术, 还必须有乐于奉献、爱岗敬业、严谨治学的行为规范。
(2) 提高实验技术人员的业务素质。
实验技术人员不但要有高尚的职业道德和较强的管理能力, 还必须要有深厚的技术储备和过硬的本领。通过学习和有计划的培训, 加强理论基础, 拓宽专业知识面, 掌握现代科学技术和信息技术, 不断提高自身业务素质, 以适应科学技术的发展和实验教学改革的需要。
(3) 调整实验队伍的整体结构。
在结构的调整中, 尤其要注重知识、专业和学历结构的优化组合。根据专业、学科的特点, 选拔培养一批学术带头人和实验技术骨干, 充分发挥他们的聪明才智。
(4) 制定相关政策, 吸引年轻教师进实验室参与实验室建设。
例如, 可以要求年轻教师进实验室锻炼一段时间, 如果在实验室建设中做出了成绩, 在晋升职称时可以优先考虑。这样做既可以缓解实验室人员紧缺状况, 又有利于教师自身动手能力的提高, 还有利于实验室建设的开展。
2. 采用开放式实验教学
实验教学内容的改革必须与实验教学方法的改革结合起来, 使实验教学的各个环节、各个层次都能锻炼学生的动手能力, 能够激发学生的创新意识, 使实验教学从传统的“以教师为主”的模式转变为“学生为主体、教师为主导”的模式。某些硬件课程实验项目或作品制作需要时间较长, 由于课内安排实验时间的限制, 学生不能亲自参与实验的全过程, 不能亲自动手参与硬件作品制作, 大大影响了实验效果, 采用开放式实验教学, 让学生有更多的时间参与实验的全过程。
3. 改进实验指导方法, 强化能力培养
对于认识实验, 由实验教师讲解常规仪器仪表的原理、操作方法以及注意事项, 进行示范操作, 使学生获得仪器操作和实验技能的基本训练。对于验证实验, 应给学生提供充裕的实验时间, 教师则以辅导为主, 要随时留意观察学生的实验过程, 发现和解决学生在实验过程中遇到的疑难, 有利于因人施教和重点指导, 使不同水平的学生, 都能得到培养和提高。对于单项设计性实验, 可以由教师出题, 但不要规定得太死, 也可以由学生自己拟题, 自己选择实验内容, 选择设计实验方案。教师在实验前, 加强与学生进行实验方案及实验方法的讨论, 使实验中隐含的重要内容不被忽视, 有利于培养学生的创新意识。在实验过程中加强针对性的提问, 调动学生独立思考的积极性和发挥学生的主动性。结合科研和毕业设计开设设计性实验。除了应该开设部分单项设计性实验外, 特别是结合科学研究工作和毕业设计开设的综合设计性实验, 有效地培养学生的创新精神和分析、解决问题的能力。
4. 硬件实验课单独设课单独考核
硬件课程实验单独设课后, 单独编写设计大纲, 单独考核, 建立一个独立的硬件实验教学体系, 以利于实验教学的管理, 增强实验教学的效果。在完成上述每一阶段实验时, 应根据每一阶段实验教学的要求和完成情况评定成绩。
摘要：本文论述了计算机硬件课程实验教学体系和教学内容改革的必要性, 分析了存在的问题, 在此基础上探讨了改革实验教学体系和教学内容的设想, 最后阐述了改革的保障措施与对策。
关键词：实验教学,创新教育,改革
参考文献
[1]刘咏梅.实验教学改革与创新人才培养[J].实验技术与管理, 2005, 22 (12) :102-106.
[2]毛范海, 朱林剑, 孙守林等.改革实验教学内容和教学培养学生创新能力[J].实验技术与管理, 2005, 22 (4) :88-90.
[3]孙传松.以科学发展观指导实验室建设[J].实验室研究与探索, 2005, 24 (9) :1-3.
硬件体系 篇8
一、计算机硬件课程教学体系现状分析
目前随着嵌入式技术的飞速发展, 企业所需的硬件开发工程师必须是软硬件相结合的复合人才, 我国高校的计算机专业硬件实验设备缺乏, 并长期存在轻硬重软的思想, 培养的人才硬件知识不系统, 达不到业界所需的硬件开发能力, 直接影响计算机专业学生的就业前景[2]。当前硬件课程教学体系存在以下问题:
1.计算机专业建设误区:计算机硬件教学必须配备相应的实验设备, 硬件实验设备投资较大, 由于院校经费不足, 而软件教学投资相对较低且易实现, 硬件课程的设置存在衔接问题。硬件课程一般包括电路分析、模拟电路、数字电路、计算机组成原理、单片机技术等, 很多高校制定教学计划时忽略课程内在联系, 孤立地堆砌课程, 让学生对硬件课程感到厌烦, 无法形成系统的认识。目前我国培养的计算机人才软件知识扎实, 而硬件知识薄弱。
2.教学内容陈旧:目前很多院校采用的硬件教材内容与实际应用严重脱节, 比如说计算机接口技术课程的内容已过于陈旧, 学生在课堂掌握的理论知识无法具体应用, 影响到学习积极性, 学生只能为考试而学习。一些硬件课程内容重复, 各门课程的授课老师孤立教学, 并没有为学生后续课程打下铺垫, 纯粹为完成教学内容而教学, 导致学生抓不住课程的精髓, 针对性不强, 最终学生不能对硬件知识形成一个系统的整体, 更无法将硬件与软件知识相结合。
3.忽略实践教学:不少院校在硬件教学上更注重理论, 忽略实践教学。计算机软件实践教学容易实现, 一般只需一台PC机和相应的软件, 学生可以在课后完成, 易调动学生学习积极性, 像程序设计等课程比较直观, 通过调试程序学生的成就感较大。而计算机硬件实验设备前期投资大, 维护费用高, 实验室一般在开设相关课程时才对学生开放, 一些硬件实验环节比较复杂, 在实践课上学生无法从理论上掌握实验原理, 仅动手在试验箱上“连连线”, 看看实验结果。学生在硬件学习上存在盲区, 更别提着手进行复杂的硬件项目开发。
二、构建集基础、综合、研究三位一体的递进化教学体系
随着业界对计算机硬件开发人员需求的不断上升, 针对目前我国高校计算机硬件课程教学体系存在的问题, 以培养创新型人才为导向, 创建符合科学发展观的递进化计算机硬件教学体系。
(一) 创建符合科学发展观的创新型人才培养模式
科学发展观的核心思想是以人为本。创建符合科学发展观的人才培养模式的目的就是要促进学生的全面发展, 不断地提升学生的思想品德、科学文化、身体素质、心理健康、动手实践以及创新能力。另外在设计创新人才培养模式时, 要注重联系社会人才需求, 结合高校自身特征, 充分发挥出学生的特色, 才能让学生走向社会有更强的竞争力和发展潜力。
(二) 构建递进化计算机硬件教学体系
计算机学科是一门系统性很强的学科, 在整个教学体系中, 硬件课程、软件课程及实践课程是三大重要组成因素。学生要在掌握了硬件知识后才能更好地学习软件课程, 而在讲授硬件课程时学生必须了解软件对硬件的控制指挥作用, 综合应用软硬件知识, 通过实践设计开发出新产品, 真正做到培养学生的创新能力。调整硬件课程体系势在必行。首先要有效地整合课程, 将技术落后以及与后续课程联系不大的内容删除, 将课程中重复的内容进行有机融合, 并及时将最新技术补充到课程体系中。组织教师编写适应的硬件教材, 通过优化教学内容, 充分反映出硬件新技术, 使得教学过程更连贯, 效率更高, 充分调动起学生学习硬件的积极性, 为学生打下坚实的硬件知识基础。在建立学生良好的硬件基础的同时, 可以进一步提高学生的综合应用软硬件知识能力, 着手硬件项目开发, 增强学生的创新意识。搭建产学研一体化平台[3], 将学生的创新成果应用于企业, 并根据企业的需求培养学生的研究能力。
(三) 丰富教学手段
教学手段要多样化, 硬件类课程一般涉及时空概念等, 内容比较抽象, 动态性较强, 可以应用现代教育技术手段, 借用多媒体技术, 将静态抽象的内容转换成动态可视的情景。打破传统教学方式, 建立起一种提出问题、完成任务的互动式项目驱动教学方法[4]。教师根据教学计划, 提出设计任务, 指导学生逐步完成任务, 在动手实践中掌握教学内容, 达到教学目标。教师也可以采用问题启发式教学[4], 通过布置一些小论文, 引导学生课后有针对性地去查阅资料, 通过自主学习方式, 最后在课堂上让学生研讨、教师总结, 培养了学生的创新意识以及分析问题的能力。充分利用网络资源建设硬件学科网站, 为学生提供大量的学习资源, 方便师生参与讨论, 展开协作式学习方式。
(四) 构建立体化的实践教学模式
实践是培养创新型人才的关键, 必须将实践教学贯穿于整个硬件教学过程中。构建立体化的实践教学模式是以培养学生创新能力及综合素质为出发点, 充分调动起学生的自主学习性和探究能力。通过设置多模块化、多层次、多样性的教学实验类型, 逐步提高学生综合动手实践能力。教师还可以通过指导学生参加硬件设计竞赛, 增加学生更多的实践机会, 从而达到创新型人才培养的目标。
三、结语
计算机硬件教学体系的建设是一个长期的过程, 笔者在十几年的硬件课程教学中不断地研究和探讨, 并将上述一些解决方案付诸于实践, 在创新型人才培养方面获得了比较明显的效果。我们将不断完善递进化计算机硬件教学体系, 在教学过程中逐步推广, 培养出适应社会发展的创新型人才。
参考文献
[1]万晓冬, 王友仁, 陈则王.计算机硬件系列课程体系改革探讨[J].电气电子教学学报, 2007, (29) :4-6.
[2]唐建宇.计算机硬件课程教学中的若干问题分析与探讨[J].福建电脑, 2007, (5) :188-189.
[3]宋之帅, 田合雷, 盛义保.产学研合作培养研究生创新人才的研究与实践[J].中国电力教育, 2012, (34) :17-18.