计算机体系结构方向篇1
摘要：本文介绍了天津大学计算机科学与技术专业在修订2007级培养方案时遇到的一些问题和采取的解决方案，给出了“离散数学”和“计算机组成原理”课程的具体调整办法。
关键词：专业规范；培养方案；离散数学；计算机组成原理
中图分类号：G642
文献标识码：B
1引言
在天津大学计算机科学与技术专业2005级之前的本科生培养方案中，一直没有设置专业方向。从2005级培养方案开始设置专业方向，包括计算机软件与理论、计算机工程、计算机网络与安全、可视计算与多媒体等方向。在修订2007级培养方案时，计算机科学与技术学院提出参照教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会制定的专业规范设置专业方向，将计算机科学与技术专业中的专业方向调整为计算机科学、计算机工程、计算机与信息技术等三个专业方向；软件工程方向放在软件学院的软件工程专业。计算机科学、计算机工程、计算机与信息技术三个专业方向的学生统一按照计算机科学与技术专业招生，培养方案按照专业方向分模块设置，学生在不同模块中自行选择。
尽管2005级培养方案和2007级培养方案都是分方向培养方案，但是在修订2007级培养方案时还是遇到了一些很难处理的问题。其中一个突出的问题就是，2005级培养方案中各个专业方向有相同的公共基础课和学科基础课，不同专业方向之间的差别主要体现在学科基础选修课上；而2007级培养方案中除了公共基础课完全一样外，由于各个专业方向对知识领域的要求各不相同，所以学科基础课在原来的课程框架下很难达成一致，加上有培养方案总学时的限制，使得问题更加突出。
2不同专业方向对知识领域的不同要求
为了便于比较计算机科学、计算机工程和信息技术三个专业方向对知识领域的不同要求，将专业规范中三个专业方向的知识领域要求集中在表1中。为了便于分析，将知识领域中相同或相近的知识领域进行归并，划分出11类知识领域。表1列出了专业规范中计算机科学、计算机工程和信息技术三个专业方向的知识领域和最小核心学时数。
从表1中可以看出，三个专业方向在知识领域的覆盖上差别不是很大，但是三个专业方向在对不同知识领域的要求方面差别比较明显。特别是表现在数学、电路与电子技术、程序设计基础、计算机体系结构和组织等学科基础知识方面的差别很大。三个专业方向在知识领域上显示出的这些差别，体现出了三个专业方向的不同侧重和不同要求。但是，这些差别，特别是表现在学科基础知识方面的差别，为制定计算机科学与技术专业分方向的专业培养方案带来了一定的问题和困难。
3不同专业方向对学科基础的不同要求
不同专业方向对学科基础的要求表现在很多方面，这里仅就离散结构和计算机系统结构与组织这两个知识领域的不同要求进行分析。
(1)“离散数学”课程
计算机科学方向给出的“离散结构”(CS-DS)为最少72学时；计算机工程方向给出的“离散结构”(Ce-DSC)为最少43学时；而信息技术方向没有给出相应的课程，只是在信息技术基础(it-itF)课程中有不超过3学时的离散结构相关内容。表2摘录了专业规范中三个专业方向在离散结构方面的要求。从表2中可以看出，在计算机科学方向和计算机工程方向除了“图和树”这一部分内容的学时要求一样外，其他内容的学时要求都不一样。
(2)计算机体系结构与组织
计算机科学方向给出的计算机体系结构与组织(CS-aR)为最少82学时；计算机工程方向给出的计算机体系结构和组织(Ce-Cao)为最少63学时；而信息技术方向没有给出相应的课程，只是在平台技术(it-pt)中包含了最少3学时的计算机组织和结构(pt.ao)，以及选修的硬件(pt.har)内容。表3摘录了专业规范中三个专业方向在计算机体系结构与组织以及数字逻辑方面的要求。
表面上看，好像计算机科学方向对计算机体系结构与组织知识领域的要求比计算机工程方向的要求还要高，但是仔细分析就会发现在计算机科学方向的计算机体系结构与组织(CS-aR)知识领域中包含16学时的数字逻辑与数字系统(aR1)知识单元，而计算机工程方向的计算机体系结构和组织(Ce-Cao)知识领域中并不包含数字逻辑与数字系统的内容，而是把数字逻辑单独作为一个知识领域看待，在计算机工程方向中数字逻辑(Ce-DiG)为最少57学时的知识领域。
如果计算机科学方向和计算机工程方向都考虑数字逻辑内容的话，那么计算机工程方向的数字逻辑(57学时)加上计算机体系结构和组织(63学时)就是最少120学时，远远大于计算机科学方向的最少82学时；如果计算机科学方向和计算机工程方向都不考虑数字逻辑内容的话，计算机科学方向的计算机系体结构与组织(82学时)减去数字逻辑与数字系统(aR1,16学时)就是最少66学时，与计算机工程方向的最少63学时基本相等。
4制定分专业培养方案时提出的解决方案
通过前文的分析，三个专业方向之间的差别已经很清楚了。在培养方案制定过程中，如何在体现专业方向之间差别的同时，还能有一个比较合理的课程体系的支撑就是需要解决的关键问题。
(1)信息技术专业方向知识领域要求的调整
在研究专业规范中的信息技术专业方向知识领域时，明显感觉到如果完全按照专业规范的要求，很难把信息技术专业方向与计算机科学专业方向和计算机工程专业方向统一到一个专业培养方案下。所面临的主要问题是信息技术专业方向在很多被认为是计算机科学与技术专业非常基础的知识单元的要求方面明显少于计算机科学和计算机工程专业方向。同时也发现信息技术专业方向知识领域的最小学时数只有290学时，远远少于计算机科学专业方向(560学时)和计算机工程专业方向(551学时)的最少学时数要求，估计是为安排特定应用领域相关内容留出的空间。
我们有这样一个认识，即信息技术专业方向无论如何都应该具有计算机科学与技术专业的核心基础知识。基于这样的认识，对信息技术专业方向知识领域的要求提出了如下调整原则：在核心的知识领域，取计算机科学和计算机工程两个专业方向中相同知识领域要求低的作为信息技术专业方向的知识领域要求,实际上是在计算机科学与计算机工程两个专业方向之间取了一个折中。对信息技术专业方向知识领域进行这样的调整，加强了信息技术专业的核心基础知识，同时不会带来明显的问题。
(2)离散数学课程的改变
在天津大学计算机科学与技术专业，以往设置的离散数学课程是按照课程内容的先后顺序划分为离散数学i和离散数学ii，共计80学时。从表2可以看出，计算机科学和计算机工程两个专业方向在离散结构知识领域中知识单元的覆盖面基本相同，只是对不同知识单元的程度要求和学时要求上有所差异；信息技术专业方向对离散结构要求很少，按照前文提出的调整原则，基本上可以靠拢到计算机工程专业方向的要求上。
基于这样的认识，为了在课程体系上能够尽可能满足各个专业方向各自的要求，将离散数学课程从原来的按内容的先后顺序划分课程的方法，改变为按内容难易程度的分层次划分课程的方法，即开设一门离散数学导论(48学时)和一门离散数学(64学时)。离散数学导论为各专业方向必修课，能够满足计算机工程方向和信息技术方向对离散结构知识领域中知识单元的要求；离散数学为计算机科学方向限选课，离散数学课程在离散数学导论课程基础上对一些知识单元做更深入的介绍，从而达到计算机科学方向对离散结构知识领域中知识单元的要求。
离散数学课程的这种改变面临着两个主要问题，一是没有现成的、适合于离散数学课程的教材，因此缺少合适的教材是离散数学课程的一个问题；二是离散数学为了课程内容的连贯性，不得不花一些时间重复离散数学导论课程中已经讲过的部分内容，从而导致离散数学总学时增加的问题。
(3)计算机组成原理课程的改变
在天津大学计算机科学与技术专业，计算机体系结构与组织知识领域的内容一直都由两门独立的课程支撑，即计算机组成原理课程(88学时)和计算机体系结构课程(24学时)。但是计算机组成原理课程需要有数字逻辑课程(64学时)作为基础。根据对专业规范中计算机科学方向和计算机工程方向各自对计算机体系结构与组织知识领域要求的分析和理解，并且把信息技术专业方向对计算机体系结构与组织知识领域的要求靠拢到计算机科学专业方向的要求上，提出了一种兼容各个专业方向的课程调整方案。
课程的调整主要体现在两个方面：一是在计算机组成原理课程内容中增加一些数字逻辑与数字系统的内容，大致可以覆盖CS-aR.aR1的主要内容，使得计算机组成原理成为一门不依赖于数字逻辑课程的独立课程；二是将原来计算机组成原理课程中涉及到的有些体系结构的内容适当简化，比较深入的内容留给计算机体系结构课程讲述。经过这样的增删调整后，计算机组成原理课程的总学时基本保持不变。
课程体系的调整主要体现为计算机组成原理(88学时)作为各专业方向必修课；数字逻辑课程(64学时)和计算机体系结构课程(40学时)仅作为计算机工程专业方向必修课，总学时从原来的176学时增加到192学时。
对课程和课程体系进行这样的调整后，主要面临着两个问题，一是由于数字逻辑课程和计算机组成原理课程在数字逻辑知识单元存在着一部分重复内容，使得计算机工程专业方向的学生在数字逻辑课程和计算机组成原理课程中会重复学习数字逻辑知识单元中的部分内容；二是由于计算机组成原理中的一些与体系结构相关的内容被简化，同时计算机体系结构课程又仅作为计算机工程专业方向的限选课，使得计算机科学方向在计算机体系结构与组织知识领域的要求有所降低。
5总结
在学习和研究教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会制定的专业规范和CC2005基础上，结合天津大学计算机科学与技术专业的定位和多年的教学积累，提出和制定了天津大学计算机科学与技术专业本科生2007级分专业方向的培养方案。本文介绍的信息技术专业方向知识领域要求的调整、离散数学课程的改变和计算机组成原理课程的改变等只是我们在制定分专业培养方案过程中遇到的很多问题的一部分，也是我们研究讨论比较多、认识比较深的几个问题。由于2007级分专业培养方案刚刚开始执行，具体效果和存在的问题都还有待实践的检验。
感谢教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会秘书长蒋宗礼教授在我们研讨和制定培养方案过程中两次到天津对专业规范进行的讲解和指导。
计算机体系结构方向篇2
【关键词】HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述；控制；数据流图表示
【中图分类号】F224-39【文献标识码】a【文章编号】1672-5158（2013）07-0351-01
随着计算机技术的快速发展，计算机语言程序表示方式也在不断更新。HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制和数据流图表示，是近年来新出现的一种计算机语言程序描述和表示方式。这种方式是面向系统软件与硬件分类的中间描述方法，它吸收了层次控制方法和数据转换方法的优点，并对这两种方法进行了补充和扩展；它通过引进计算机内存的访问点，来处理语言程序中的数据组和指针结构，采用并发方式表示相应的并发构造。同时，HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制和数据流图表示采用了控制流的内部构造，方便了数据语言的转换，为计算机系统的软件和硬件分类提供了更加精确的信息。
一、系统描述控制和数据流图表示的必要性
计算机芯片，是集成电路中的核心组成部分。随着计算机电路内部结构的完善和总体规模的扩大，电路内部芯片的构造也越来越复杂；芯片已经成为相关领域学者们研究的重点。如果将整个计算机程序编入到一个独立的芯片之中，那么计算机程序算法的复杂性将会大大增加，这会给计算机语言的设计者带来全新的挑战。要想实现计算机软件和硬件的协调工作，就必须首先正确划分计算机软件和硬件；然而，近年来，人们的研究重点集中在分类算法的改进方面，很少有学者研究分类算法的输入方式问题。事实上，衡量一个计算机系统能否高效有序运转，一个重要的标准就是计算机软件和硬件的分类算法是否科学，这种算法得出的信息是否精确。
计算机软件和硬件协调工作模式设计的出发点，应该是对计算机系统的功能进行科学表述。设计人员通常采用专业的设计语言，如C语言来描述这种系统功能，并使用手动或者自动的工具来进行表示方式的中间转换。研究一种新型的语言系统描述和控制方法，有利于提高分类算法的精确程度，并帮助人们完善系统功能。HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制和数据流图表示，既适应了计算机C语言的编程特点，方便了语言程序之间的转换，又适应了不同的软件和硬件分类算法，为计算机系统提供了运算需要的各种信息。
二、HCDFG-Ⅱ内部结构
HCDFG-Ⅱ是面向计算机软件和硬件分类的表示方法，它的基础是计算机C语言描述，它是一种中间描述方式。HCDFG-Ⅱ的内部结构适应了C语言和其他计算机语言之间的差异性转化需要。具体而言，HCDFG-Ⅱ的内部结构主要包括内存的访问点和并发构造两部分：前者主要用来处理信息和数据，方便规模较大的数据群组的处理；后者主要用来表示计算机程序中可以并发的结构部分，确保并发执行的时间符合总的执行要求。
（一）内存的访问点
内存中访问点的作用是处理C语言程序中的数据群组和相关指针。访问点具有很强的综合性，在通常情况下，每一个变量都对应一个存储装置，包括数据群组。如果将数据群组中的元素都看成变量，那么C语言中的数据信息就可以被赋予具体的数值。但是这样的操作方法比较复杂，会浪费操作人员的时间和精力。因此，为了适应计算机C语言的特殊性，我们可以将这种编程语言中的每个符号当做一个计算符号，用虚线来表示对应的控制信号，用实线来表示对应的数据信号，从而将对于数值的访问与赋值控制有机结合起来。
（二）并发构造
并发构造通常存在于串联的程序中，我们可以用这样的结构来表示计算机C语言中可以并发执行的部分。例如：某个分类方案中含有三个依次被执行的结点，其中有的结点由计算机硬件负责执行，有的结点由计算机软件负责执行。如果忽略程序的并发特点，那么执行这三个点所需要耗费的总时间为三个独立执行的时间之和；然而，这三个点之间是彼此独立的关系，其中的数据没有联系，它们是可以被并发操作的。由于计算机的软件和硬件资源互相独立，彼此不存在冲突，因此，计算机的软件和硬件可以分工执行这三个访问计算机的结点。
三、HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制和数据流图表示
HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统以并发操作为主要操作方式。因此，这种系统中的数据信息比较清楚。C语言程序具有串联的特性，为了使控制流程更符合这种特点，我们采用了以控制性的数据流为主要构造的结构方式，这种结构更能方便不同程序之间的互相转化。以控制性数据流为主要构造的结构，包括分支模式与循环模式两种模式，这两种模式分别应用不同的语句作为控制指令。这种数据流的构造还包括专用于操作数据的结点和专用于输出数据的结点，对于这两种结点的控制，也是系统控制中的重点部分。
用于操作数据的结点分为很多层次，这些层次包括具体操作步骤、操作语句单元、函数单元以及完整的操作程序。在HCDFG-Ⅱ模式下，内存的访问点还包括数据群组和相关指针。另外，函数的结点还可以表示函数的具体运算过程，以及从其他地方被调过来的语句模块。HCDFG-Ⅱ模式允许不同系统实现信息和数据的共享。
用于输出数据的结点也分为很多层次，输出数据的操作也需要调用C语言程序中的数据与信息，而这些被调用的数据实现方法都是一样的。HCDFG-Ⅱ通过引入函数结点来统一调用和处理信息，这些函数结点不同于旧式的操作点，因为函数结点将输入系统和输出系统的数据都表示为参数的形式。参数的具体数值要根据函数被调用的具体情况来确定。
总结
HCDFG-Ⅱ非常适合描述并控制计算机C语言的系统。这种中间表达方式保留了传统表达方式的合理之处，又对传统的表达方式进行了适当扩展。因此，HCDFG-Ⅱ更适合于计算各种数据，并给计算机的软件和硬件系统分类。目前，HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制和数据流图表示方法还在进一步完善的过程中，我们相信，随着计算机技术的发展，这种新型的表达方式更加成熟。
参考文献
[1]牛亚文.边计年.吴强.HCDFG-Ⅱ-面向C语言系统描述的控制/数据流图表[J].计算机辅助设计与图形学学报，2004（11）
计算机体系结构方向篇3
关键词建筑设计结构设计计算方法
适用、安全、经济、美观、便于施工是进行建筑结构设计的原则。这五个方面各有所重，又互为矛盾，一个优秀的建筑结构设计往往是这五个方面的最佳结合。往往设计人员注意到适用、安全、经济、美观，而忽略了便于施工。有时设计人员为图方便，用偏于安全的简化方法计算，虽然既省事又保证安全，却增加了造价。
结构设计一般在建筑设计之后，“受制”于建筑设计，但又“反制”建筑设计。结构设计不能破坏建筑设计，建筑设计不能超出结构设计的能力范围。结构设计决定建筑设计能否实现，在这个意义上，结构设计显得更为重要。但是，一栋标志性建筑建成后，往往建筑师便成为了人们心目中的建造者，为了实现该建筑设计而付出辛勤劳动的结构师并不为人们所知。无论如何，设计一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计方案是结构设计人员的责任。
笔者根据对建筑结构的理解，建筑结构设计可分为整体设计和部件设计两部分。
整体设计包括结构体系的选择、柱网的布置、梁的布置、剪力墙的分布、基础的选型等。
整体设计一般分主体和基础两部分进行。设计人员要根据建筑物的性质、高度、重要程度、当地的抗震设防力度、风力情况等条件来选择合适的结构体系，是采用砖混结构、框架结构、框剪结构、框支结构、筒体，还是巨型框架……选定结构体系后，就要具体决定柱、梁、墙（剪力墙）的分布和尺寸等。
在进行主体结构内力计算后，主体结构底截面的内力成了基础选型和计算的重要依据。内力计算一般尽量简化为平面体系来计算，但有时必须采用空间受力体系来计算。无论怎样，内力计算最终是对柱、梁、板、墙（剪力墙）和块体这五种部件的计算。也就是说，进行整体设计后，就要进行部件设计。梁和柱一般可看作细长杆件，内力情况与计算体系相符合。单向板可简化为单位宽度的梁来计算，双向板的计算理论也较成熟，异型板的计算就较为复杂，应尽量避免。对于单片的剪力墙，一般把它视作薄壁柱来近似计算，有时要考虑翼缘的作用；对于筒体结构中的剪力墙则要用空间力学的方法来计算。块体不同于梁、柱、板、墙，它在空间三个方向的尺寸都比较大，难以视作细长杆件或简化为平面体系来计算。如单独基础，桩的承台，深梁都是块体，受力情况很复杂，难以精确分析，所以在计算中往往加大安全系数，以策安全。
目前，国内结构设计所用的设计方法是概率极限状态设计法，作用效应S必须小于等于结构抗力R，结构要满足强度条件和位移条件。内力计算采用的力学模型一般是弹性模型，要考虑塑性变形内力重分布时，往往是把利用弹性模型计算所得的内力乘以一个调整系数。
手算和计算机算所采用的计算方法、理论、计算模型是有差别的。结构计算的工作量是很大的，采用手算时要在工作量和计算精度之间折中。手算为降低工作量，受力体系尽量简化为平面力系，计算中作一些假设，利用经验值和查用图表。随着高层、超高层建筑的日益增多，结构越来越复杂，抗震要求越来越高，手算的工作量和计算精度难以满足要求，计算机已被大量利用到结构计算中来。计算机的工作量和速度非人所及，机算采用更科学、精度更高的计算方法，机算的能力远远超出了手算。要充分发挥计算机的优势，进行合理的结构内力计算，需要优秀的结构计算程序。这些程序一般以空间力系作计算模型，以有限元的方法计算。例如著名的tBSa的计算模型是空间杆件体系。要编写优秀的结构计算程序，开发人员除了必须具备编程技巧外，还要掌握科学的先进的结构计算方法。
作为结构设计人员也应学习计算机所用的计算理论，不应只停留在会用结构计算程序，而不知所以然。结构设计程序的出现并没有降低对设计人员的要求，相反，它要求设计人员学习更先进的计算理论。目前结构计算程序有一个弊端：就是计算过程的屏蔽。使用者只管输入数据和会看结果，对计算过程一无所知，不知道计算是建立在什么基础上，不知道适用范围，这是潜在的危险。一个优秀的结构计算程序还应该提供程序采用的计算理论的详细说明，说明其采用的计算模型、计算假设、适用范围等，另外应允许使用者干预计算过程，充分发挥设计者的主观能动性和创造力。
结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。
概率极限状态设计法更科学、更合理。作用效应S小于等于结构抗力R是结构计算的普遍适用公式。目前，结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。笔者把提高抗力R的设计方法称之为被动设计法。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样便会出现为抵御地震而配的钢筋，因为增加了结构的刚度反而使地震作用效应增强的情况。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？笔者把降低作用效应S的设计方法称之为主动设计法。国外在抗震设计中，已有在基础与主体之间设一弹性层，以降低地震作用效应的设计；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从而对建筑物的振动产生阻尼作用，减少建筑物的位移，降低地震作用效应。国内的设计以被动设计为主，当然也有主动设计，如设置“塑性铰”。笔者认为结构设计应该被动设计与主动设计相结合，但要实现主动设计需要先进理论和高科技的支持。随着社会的需求，计算理论的发展、应用，新型建材的研究与应用，建筑结构设计将面临前所未有的机遇。
最后，笔者想大胆地预测今后结构设计的方向――概念设计将发挥越来越大的作用。
计算机体系结构方向篇4
关键词：数据结构；算法；教学方法；教学实践；创新
中图分类号：G642文献标识码：a文章编号：1002-7661（2012）12-008-03
《数据结构》是一门重要的综合性专业基础课程，数据结构是对计算机内存中的数据的安排，它涉及现实世界数据在计算机中的存储、表示、组织和处理，以及算法对这些数据结构进行各种处理的初步性能分析技术。
数据结构研究思想和研究方法在计算机科学深度研究领域有着广泛应用，它是计算机专业人员从事理论研究、应用开发、技术管理工作而必需学习的重要理论基础。通过各种基本数据结构及相应算法学习，使学生掌握把现实世界的客观问题转换为计算机内在表现形式，理解数据结构内在的逻辑关系，数据与关系在计算机中存储表示，以及在这些数据结构上的运算和算法执行。该课程具有相当的抽象性和动态性，如何学好《数据结构》这门课，让学生理解教材的理论结构体系需不断积累教学的经验，总结科学教学方法，以达到良好的教学效果。
《数据结构》的学习也是程序设计的学习过
程，通过对学生数据抽象能力的培养，使学生掌握软件工程的规范，能够编写正确易读，结构清楚的程序，具备一定的程序设计能力。本文将从教学方法，教学手段，启发式案例式教学研究，理论教学和实践教学的整合几个方面进行讨论。
一、明确数据结构课程的知识体系与教学目标
数据结构的研究涉及到计算机软、硬件方面，对于编译程序和操作系统都涉及到数据元素在存储中的分配问题，硬件的研究的方面涉及到编码理论、存储装置和存取方法，它是介于软硬件和数学三者之间的核心课程，是设计实现编译程序、操作系统和数据库系统等系统程序和大型应用程序的基础。数据结构作为主要研究数据的各种逻辑结构和存储结构以及对致据的各种操作的学科，对数据结构的教学应灵活运用与把握数据结构间纵向联系和纵横联系之中。从根本上掌握数据结构理论体系，这是数据结构教学工作做好的必备条件。数据结构课程的教学目标，是使学生学会分析计算机所加工数据的数据结构特性，为程序设计涉及的数据选择适当的逻辑结构、存储结构及相应的算法，并初步掌握算法的时间效率分析和空间效率分析的技术。
1、数据结构课程的基本知识体系
一批具有某种逻辑关系的相关数据，按一定的存储方法被存储组织于计算机中，并在这些数据上定义了一个运算的集合，即是数据结构，它包括三个方面：逻辑结构、存储结构和数据的操作运算。数据结构的研究首先应对这三方面有一个清晰的探讨，针对每种数据结构均从逻辑结构、存储结构和操作运算等方面进行研究，是贯穿数据结构研究始终的主线。课程的基本知识模块是以数据的逻辑结构为主线，介绍线性结构、树形结构、图结构和文件结构，在介绍每种数据结构时，再讨论其存储方法以及相关的算法，存储方法有：顺序方法、链接方法、索引方法、散列方法。
数据结构课程的基本知识模块是以数据的逻辑结构为主线，顺序介绍线性结构、树形结构、图结构和文件结构。在介绍每种数据结构时，再讨论其存储结构以及相关的算法。基本模块教学，从以下几方面探讨：
（1）逻辑结构、存储结构、操作运算是数据结构间的横向联系。逻辑结构的定义、存储结构的实现、操作运算的实现是对数据结构研究的基本思想，研究数据结构首先应对这三方面进行详细清晰的探讨。
（2）数据结构间的纵向联系。以简单数据结构为基础实现对较复杂数据结构的研究，教学中让学生知道遍历操作对树、图结构是非常重要的运算。虽然从树、图的递归定义能设计出树、图遍历的递归算法，但从线性结构到树、图的发展是数据结构从简单到复杂的逐步发展过程。对于较复杂的数据结构树、图的遍历可用较简单的线性结构栈和队列来实现，这体现了数据结构间的纵向联系。
（3）数据结构间纵横联系。运用把握这种纵横联系，对从抽象数据类型（aDt）的角度进行数据结构的学习与研究有着重要的意义。aDt的操作就是实现对象的封装，把aDt和面向对象技术和抽象数据类型结合起来，更容易理解一些。和面向对象结合起来讲，aDt继续发展就是object，aDt的操作就是对象的方法，StL(C++StandardtemplateLibrary)是aDt的经典实现，介绍StL的实现让学生知道aDt究竟是如何作使用实现的。
2、课程教学目标
通过学习数据结构的概念、各种数据结构与算法的实现方式，不同数据结构和算法的特点比较。使学生能够提高用计算机解决实际问题的能力。
基本数据结构和基本算法分析技术部分，对常用基本数据结构的aDt及其应用介绍，包括线性结构（线性表、串、栈和队列）、二叉树、树、图等；针对遍历二叉树这一教学内容，首先从遍历的概念讲起，引导学生掌握概念并理解遍历的本质就是非线性结构的线性化。
同时基于各种数据结构所实施的运算讨论算法分析的基本技术，掌握时间和空间权衡的原则。排序、检索和索引技术部分主要讨论插入排序、Shell排序、堆排序、快速排序、归并排序、基数排序等常用的各种排序算法及其时间和空间开销，并介绍文件管理（数据在外存中的组织形式）和外排序技术，以及自组织线性表、散列表、倒排文件、B/B+树等常见的检索和索引技术，及其各自相应的时间和空间开销。
本课程的学习将使学生基本掌握数据结构和算法的设计分析技术，提高程序设计的能力；根据所求解问题的性质，选择合理的数据结构并对时间空间复杂性进行必要的控制。
二、创新课堂教学方法，培养学生学习兴趣
1、基于任务问题教学，实施启发式教学
主要数据结构包括栈、队列、列表、字符串、表、树、图、排序、查找等；在数据结构的讨论中渗透典型的算法策略:分治法、回溯法、贪心法、递归技术等；使用典型的分析方法:渐进分析法、缓冲分析技术等进行算法分析。数据结构课堂教学应以问题求解为导向，培养和提高学生理论、抽象、设计的能力。例如XmLDom树解析器、后缀树、搜索引擎等。激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维能力。
通过新的教学方法训练学生的数据结构思维，使其认识到数据结构的内在有趣，问题驱动的教学方法体现如下：掌握结构化问题解决技术和数据抽象原则；从架构师和设计师两个角度解决具体与抽象之间的难度；教授精巧数据结构给程序所带来的巨大改善；概括性地评价一个数据结构和程序的成本方法；数据结构来解决实际问具体应用。例如，搜索引擎问题询问，通过程序设计来实现搜索引擎会用到哪些数据结构，使用何种数据结构更有效。我们先尝试不用任何数据结构，发现无法构建搜索引擎；在用了简单的数组结构后可以构建搜索引擎，但效率很低；因此我们需要一步步引入构建更为精巧的矢量结构、树结构、索引表、哈希表结构等。再如教材管理问题，首先要考虑教材的各种信息，一般的方法是建立一个表，如表1所示，实际上，它就是1种称为线性表的数据结构。借助一个问题，围绕搜索引擎程序设计的实现，串起一系列的数据结构，学生看到了各种数据结构不是抽象的空的，而是因实际问题驱动、经过逻辑上的逐次演进推理而出现，从而帮助学生更加有趣地学习数据结构。逻辑上的数据结构反映数据成分之间的逻辑关系，物理上的数据结构反映数据成分在计算机内的存储安排。数据结构是数据存在的形式，以问题为驱动，以应用为轴线，对每一种数据结构的出现动机、发展逻辑、表示方式进行演绎，阐述如何从一种想法转换为一种设计，又如何从设计转化为具体程序，对每种数据结构都辅以程序设计中的实际应用，从而化抽象为具体，帮助学生利用数据结构思维解决实际问题。
2、结合实际问题，加强课堂互动
数据结构是反映数据的内部构成，即由哪些数据成分构成，构成方式，呈什么结构，也就是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合，数据结构是数据存在的形式。数据结构有逻辑上的数据结构和物理上的数据结构之分。目前国内较好的教材有清华大学出版社的严尉敏著《数据结构-C语言描述》及其配套的《数据结构题集-C语言描述》，殷人昆编著清华大学出版社出版的《数据结构(用面向对象方法的C++描述)》等，preiss著《数据结构与算法-面向对象的C++设计模式》以及电子工业出版社的Clifforda.Shaffer著《数据结构与算法分析》都是很好的教学参考书。
课堂教学是教学有效的关键，课堂教学
中结合许多实际的讲解，如栈和车库停车、队列和火车站等地方的顺序服务；树和人类的族谱、各种社会组织机构；图和哥德斯堡七桥问题、四色定理等。结合现实问题，可以一定程度地提升教学效果。同时要充分进行课堂互动。讲解一个知识点时，而是要加强启发式引导，让学生接话，之后再重复强调如何理解。这样既能促进学生的思考，又能使学生加深理解课堂授课内容。
三、选择合适经典算法，科学讲授基本原理
1、选取经典算法算例
表1
计算机科学家n.沃斯提出“程序=数据结构+算法”，说明算法是对合理数据结构的操作(运算)，是数据处理的核心。《数据结构》课程中介绍的基本数据结构有线性表、堆栈、队列、数组、树、二叉树、图以及相应的算法。一个算法是建立在某种数据结构的基础上，一个算法不可能脱离数据结构而孤立存在。只有通过学习算法，才能真正掌握某种数据结构。学习《数据结构》的过程基本上是学习各种算法的过程，典型算法见表1。
在众多的算法中如何选择少量的典型算法进行分析讲解，往往能起到以点带面的关键作用。通过典型算法的分析，一方面让学生加深对数据结构基本理论的理解，另一方面让学生学习程序设计方法。例如在讲授线性表顺序存储教学内容时，可利用典型算法说明其存储特征，线性表的优点能对每个数据元素随机访问，其存储密度高，其缺点是插人、删除操作时需要移动大量的数据元素，操作效率低。可利用“向有序(由小到大或由大到小)的线性表(顺序存储)插人一个新的数据元素”，这一典型算法反映线性表顺序存储的特点。
算例：将一个值为X的数据元素插人到有序(由小到大或由大到小)的线性表(顺序存储)中，可以分两步进行，首先查找到值为X的数据元素在线性表中应有的位置，采用从头到尾循环比较的方法确定其位置i，然后，将第i个以后的全部数据元素向后移动一个存储单元，最后将值为X的数据元素存放到第i个位置上，线性表元素个数增1。线性表的元素插人(对数据的操作或算法)在线性表中进行元素插人，其示意图见图1所示：
图1
L=(a1，…ai-1，ai，ai+1，…，an)中的第i(1≤i≤n)个位置上插入一个新数据元素e，使其成为线性表:L=(a1，…ai-1，e，ai，ai+1，…，an)，除非i=n+1，否则必须将第i个到第n个数据元素均向后移动1个位置，然后将e存人第i个位置。
算法1
pRoCeDUReinSeRt(V，m，n，X)
//将值为X的数据元素插人到V数组中，(线性表顺序存贮在V中)m为最多元素个数，n为当前实际元素个数
iF(m=n)
tHen("oVeRFLow"；RetURn}
FoRi=1tonDo
iF(X(V(D)tHenBReaK
FoRJ=ntoiBY-1DoV(J+1)=V(J)
V(i)=X
n=n+1
RetURn
该算法的优点是简单，便于理解，缺点是循环体内有提前退出语句，不利于结构化程序设计；确定新数据元素位置和移动数据元素分两步进行，有重复操作，那么可将两步合并一步以改进，即将循环比较与移动数据元素同时进行。从线性表的尾部开始向前循环比较，比新数据元素大者后移，直到小于等于时停止。
[算法2]
pRoCeDUReinSeRt(V，m，n，X)
iF(m=n)tHen("oVeRFLow"；RetURn}
i=n
wHiLe(i)=1)anD(V(i))X)Do(V(i+1)=V(i)；i=i-1}
V(i+1)=X
n=n+l
RetURn
算法2中循环条件，当循环结束后i=0或V(i)(=X，新数据元素的位置为i+l，C算法1的时间复杂度为0(2n)，而算法2的时间复杂度为0(n)，循环结构采用结构化程序设计，该算法要归纳循环条件是关键，可改进推广应用。
[类C插人算法(数组的下标从0开始的)]
#definemaXLen线性表可能达到的最大长度
typedefstruct
elemtypeelem[maXLen]；intlength；
}Sqlist；
StatusListinsert(Sqlist&L，inti，elemtypee)
{//在线性表L中第i个元素之前插人新的元素e
//i的合法值为0≤i≤ListLength(L)
if(i<0i{i>L..lengthL.length>=
maXLen)returneRRoR；
for(q=L.length-1；q≧i；q--)L.elem[q+1〕=L.elem[q]；
//将第i个元素及其后的元素后移
L.elem[i-1〕二e；//插人元素
L.length++；//线性表长度增1
returnoK；
通过对算法的分析要有助于程序设计能力的提高，有助于学生理解线性表的数据结构。还可使用流程图描述算法，进一步帮助学生更好地直观地理解算法。
3.2优化实践教学，培养创新能力
数据结构课程，上机实习题的设计、学生的实习训练的数量和质量对学习效果都非常重要。通过适当的实习训练，使得学生深刻理解和掌握课程知识体系中的理论和抽象概念，以及各类设计实现方法，提高在复杂软件系统中的实践能力。以学生自主探究和开发活动为主体，培养学生学习的兴趣和能力。强化创新意识和创新能力，相应地提高理论联系实际能力、实践动手能力和科研能力，也能提高学生的学习和研究积极性，学生通过文献调研、开题、项目分析、项目设计、成果汇报、总结评价展开设计训练，可以把理论课上的很多算法得以实现，并且进行深入的数据结构和算法时间、空间效率讨论，达到理论与实践水平共同提高目的。
四、结语
本文针对数据结构课程进行了教学方法上的探讨，从广度和深度上把握课程的知识体系，了解基本数据结构和经典算法，掌握理论、抽象和设计方法进行探讨。以期为本课程的教学提供借鉴。文中讨论选取实际问题，选择合适的数据模型，选择经典算法，剖析重要数据结构与算法思想方法，突破常规教学方法，研究设计教学案例，通过这些例题让学生知道利用所学知识的对实际问题问题求解，助学生理解数据结构原理和算法技术，这样才能充分培养学生学习本课程的兴趣。
参考文献
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[5]庞晓琼.案例驱动的《数据结构》课程设计教学改革实践.计算机教育[J]，2009.1:53~64.
[6]沙宗尧,边馥苓.图示教学法在数据结构与算法教学中的应用［J］.计算机教育，2009(18):80-82.
计算机体系结构方向篇5
关键词：操作系统；结构；功能
中图分类号：tp316
操作系统作为计算机的核心组成部分，在计算机系统中占据重要地位。自计算机诞生以来，人们一直致力于研究和革新计算机操作系统，不断挑战实用性和完美性的计算机与系统的结合。计算机的种类繁多，包括个人计算机、服务器、大型计算机、超计算机等，应用范围也不同，从个人使用、办公、科学研究、网络服务器、工业自动化控制等等。而不同的计算机，不同的应用范围都需要不同的操作系统支持计算机在各自领域的应用。随着计算机的应用范围越来越广，计算机系统的结构和功能也必须不断更新和进步。此外，计算机的硬件技术也不断发展，高度集成化、智能化的技术不断应用到计算机硬件的研发中，短短数十年，计算机的CpU从单核发展到双核、多核，现在已经出现了8核的CpU。此外，计算机的硬盘容量和显卡控制系统也不断更新，存储量和存储效率不断提高，以满足更高的用户需求标准。例如十年前，一部高清DVD格式的电影也就500mb左右，而现今的高清电影动辄十几个G，因此计算机硬件也不得不跟上时展的需要。在此情况下，计算机操作系统技术的不断发展技术发展和社会进步的必要，也是不断满足用户需求，为用户提供更加高效、快捷的计算机需求的必然[1]。
1计算机操作系统的发展
1946年世界上第一台计算机在美国诞生，半个世纪来，计算机不断进化、发展，已经成为近代社会对世界影响最大的发明之一。计算机的进化过程中不断以提高运算速度、缩小体积、增大容量为发展动力，整个发展过程不仅要求计算机硬件不断应用新技术不断发展，同时也要求能适应硬件发展需求和计算机进化需要的操作系统。
计算机诞生之初并没有操作系统，人们通过各种按钮来控制计算机，随着计算机功能的不断增加，应用范围不断增大，传统的按钮已经不能满足计算机操作的需要。后来，科学家们研究了针对计算机控制其工作的汇编语言，这种汇编语言是计算机操作系统的雏形。操作者将汇编语言打制成有孔的纸带，并输入计算机中，供计算机编译。此后，为了更好的使计算机运行和管理应用程序，科学家们通过不断研究发明了操作系统，计算机操作系统很好地实现了对计算机程序的控制和共用，能够对计算机的硬件资源进行高效管理，同时得益于集成电路技术的高度发展，微型计算机开始走向了改变世界的开始。
计算机发展至今，已经成为一门完整的学科，它的应用领域越来越广泛，已经成为现代信息社会的基础。二十一世纪是信息时代，信息时代离不开计算机技术的支撑，无论是大型计算机还是微型计算机，必须有硬件和软件共同组成，硬件技术随着机械、电子技术的发展不断前进，而软件技术中的最重要的组成部分―操作系统也必须不断优化结构，不断开发新的功能，以适应现代社会的需要。
2操作系统的结构
操作系统作为典型的软件，是具有特殊结构的知识产品。软件的结构是软件功能和操作方式的体现，是反映计算机硬件程序的客观存在。由于客观世界的不断变化，软件系统作为为客观事物服务的系统，也必须不断改变，以适应新的需求和新的技术进步。软件的结构设计决定了软件的功能和性能，是计算机软件工程师们一直研究的问题，而计算机操作系统作为大型的软件结构，需要更科学、强大的结构系统。计算机的操作系统的结构通常有整体式结构、层次结构、模块结构和内核结构等部分组成，以下分别介绍各个结构的功能与特性。
2.1模块组合结构
模块组合结构在早期的开发思路是“各司其责”。结构化的程序设计为早期的模块组合结构系统的开发提供了开发思路，在设计模块化的组合结构时，设计人员为了响应多通道程序同时运行的需求，设计了“进程”的系统概念，并且设计了分时系统。在操作系统中首次应用了虚拟存储器的概念，使当时内存较小的计算机能够同时运行多个程序。为了更加优化系统多进程问题，研究者们设计了条件变量机制，并且针对结构中核内实体间的不安全因素提出了权能系统，典型的基于权能的系统如Hydra、eRoS等[2]。随着计算机系统规模的不断扩大，模块之间的交互影响越来越繁琐，模块组合结构已经不能适应大型操作系统的发展需要，于是科学家们开始寻找更加高效的系统结构的设计方法，在此情况下，分层结构和层次结构开始应运而生了。
2.2层次结构
层次机构是解决系统中多程序同时运行占用共享资源的矛盾的重要解决思路。在进程分层结构中，系统按照依赖关系分层实现系统功能，下层模块为上层模块提供功能结构，同时利用其更下层的模块提供的接口来为本层的系统服务，通过严格的层次调用，规定只能由上层模块调用下层模块，制约了模块结构中的系统交互，使系统的结构更加简单明了。而层次结构中也因为过多的层次降低了计算机系统的性能，同步分散，导致任务控制存储资源浪费较大，同时无限制的分层使系统膨胀化。基于层次结构中的优点和缺点，上世纪80年代后期，科学家们根据模块结构和层次结构的优缺点，研究出了微内核结构，试图用微内核结构解决层次结构中的一系列问题。
2.3微内核结构
微内核结构又叫服务器与客户结构。在此机构中，绝大部分的系统服务用于空间执行，系统中的基本功能在内核模式下运行，其它服务都以进程的形态与用户存在于特权级中。内核中的基本功能包括线程管理、空间映射、中断处理、异常处理、和消息机制的任务通信。微内核机制的有诸多优点，例如内核精简，可移植性好；稳定性、安全性好；易于维护；可扩缩性好，直接支持分布式应用。而早期的微内核结构并不被业界看好，因为进程间的通信都通过微内核，是通信切换开销过于复杂。指导二十世纪九十年代后期，科学家们提出了第二代微内核结构的思想，针对ipC机制进行了优化，极大地提高了系统的性能，微内核结构才开始被广泛应用。
截至到现在，模块组合结构、整体式结构、层次结构、微内核结构仍然在不同的计算机操作系统中被应用，因为这几种结构都具有自身的特点和优点，同时也有各自的缺陷，因此适用于不同的计算机系统。层次结构从纵向管理操作系统，是“垂直结构”，主要特点是低层服务与高层；微内核结构的特点是横向管理操作系统，是“水平结构”，两种结构都可以应用于虚拟操作系统，是分别面向过程和面向指令的操作系统。
3操作系统的功能
操作系统的主要功能如下：
3.1系统管理功能
（1）进程管理功能，通过系统的调度使用户在单任务下，采用独占的方式运用处理器处理任务，在多程序和多任务下使用处理器调度任务、分配任务和资源并回收任务[3]。
（2）存储管理分为几种功能：存储分配、存储共享、存储保护、存储扩张。
（3）设备管理分有以下功能：设备分配、设备传输控制、设备独立性。
（4）文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理、文件保护[4]。
（5）作业管理是负责处理用户提交的任何要求。
3.2协调功能
计算机操作系统还具备协调功能，系统充分利用计算机资源，协调资源使用过程中的关系，合理调度各种计算机资源，使高速设备和低速设备都能充分发挥作用。
3.3提供系统环境
计算机操作系统为用户提供使用计算机的环境，而非原始计算机的按钮操作或打孔纸条程序，使用户在友好的界面下向计算机各种命令，实现各种功能。操作系统通过自身程序，将计算机的硬件资源和软件资源的具体资源抽象化、形象化，并表现出来，使用户能够快捷方便地使用计算机满足自身需求[5]。
4结束语
二十一世纪是信息时代，计算机是信息时代的支撑基础，计算机操作系统必须不断创新结构和功能，满足网络时代、信息时代的不断更新的需求，满足社会发展和各行各业的应用的需要，才能开发出更科学完善的、人性化的、实用性更强的操作系统。
参考文献：
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[3]于莉.操作系统结构与功能分析[J].软件导刊，2011（01）：144-145.
计算机体系结构方向篇6
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JohnL.Hennessy和UCBerkely大学的Davida.paterson在其名著《Computerarchitecture--aquantitativeapproach》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（pipelinetechnology）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（pipelinestage），流水线的段数称为流水线的深度（pipelinedepth），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-functionpipeline）：只能完成一种固定功能的流水线
2.多功能流水线（multi-functionpipeline）：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（staticpipeline）：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（dynamicpipeline）：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（componentlevelpipeline）：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（processorlevelpipeline）：把解释指令的过程按照流水方式处理。
7.处宏流水线（macropipeline）：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（Scalarpipelineprocessor）：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（vectorpipelineprocessor）：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（linearpipeline）：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
11.非线性流水线（non-linearpipeline）：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（orderpipeline）：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-orderpipeline）：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（structurecorrelation）：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（datacorrelation）：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（controlcorrelation）：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（pipelineconflict）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（structureconflict）：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（dataconflict）：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（controlconflict）：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（instructionsystem）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。
2.2.2CiSC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JohnCocke提出了精简指令系统（RiSC）的设想。到了1979年，[4]美国UCBerkely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michaelSlater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。
2.3.2RiSC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。
2.4RiSC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（multithreadingtechnology）[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（highperformancecomputer，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：
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计算机体系结构方向篇7
关键词：计算机基础课程；能力培养；教学模式；课程体系；实验教学体系
一、大学计算机基础课程的教学改革目标
大学计算机基础课程承担着培养学生计算机能力的重要任务。计算机能力是学生利用信息技术解决专业领域问题的能力。计算机能力包括三个层次：第一层次是操作使用能力，它是学生熟练使用计算机的基本技能；第二层次是综合应用和设计能力，它是利用计算机解决专业领域问题的专业能力；第三层次是创新能力，它是前两个能力基础上的进一步扩展。为了培养学生的计算机能力，计算机基础课程教学有必要改“知识传授为导向”为“能力培养为导向”，运用多元化的教学模式，在知识传授和技能训练的基础上，更加重视培养学生的信息素质和解决问题的能力，并将能力培养渗透到整个专业学科课程教育中，全面提高教育教学质量。
基于此，大学计算机基础课程的教学改革目标是：以计算机知识为载体，以能力培养为导向，运用多元化教学模式，对非计算机专业学生进行以计算机为基础的知识、能力和素质的教育，着力培养学生信息素养和计算机应用能力。
二、大学计算机基础课程教学改革的思路和策略
1．以能力培养为导向的课程体系构建
由于信息技术的快速发展和向各学科专业的不断渗透，大学计算机基础教育必须与其他各学科专业交叉与融合。因此大学计算机基础课程体系的构建必须凸显“面向应用、突出实践、着眼能力”的特点，同时做到大学非计算机专业学生信息素养和计算机应用能力的培养四年不断线。
课程体系构建的指导思想是根据我校学生的特点，以能力培养为导向，从各专业对学生能力和知识结构要求出发，以实践和应用为主线构建课程体系。具体而言，根据专业对学生计算机应用能力的要求，确定与能力要求相对应的知识结构，在此基础上设计以能力培养为导向的大学计算机基础课程体系。
大学计算机基础课程体系分为三个层次（见下图）。层次一为“大学计算机基础”课程，通过该课程达到提高学生计算机应用能力、自主学习能力的目标。层次二为重点核心课程，通过该类课程达到培养学生信息素养、逻辑思维、应用能力的目标。层次三是一系列满足专业需求的计算机课程，通过该类课程达到培养学生利用计算机技术解决专业问题和研究创新能力的目标。大学计算机基础教学实行分层次教学。由于学科专业需求的不同和学生个性化培养的需要，各专业在课程设置中总体采用“1+X”模式，即“大学计算机基础+若干门必修/选修课程”。
2．“大学计算机基础”课程的教学改革
“大学计算机基础”课程是非计算机专业的计算机导论课程。2009年起，广州大学从教学方法、学习模式、考核方式等方面对“大学计算机基础”课程进行了全面改革。
（1）基于导学的新教学方法。“大学计算机基础”课程的教学方法采用“导学+辅导+自主学习+通过性考试”的教学模式。依托多元化教学资源，以2个自然班
大学计算机基础课程体系图
为单位安排10学时的课堂导学、10学时的上机实践辅导；安排专任教师，进行为期1个月的课后辅导和网络答疑；通过校园网开放测试系统，提供在线的课程信息资源；由学校实验中心提供40学时免费上机学时，加大学生自主学习的力度。导学课程的教学目的是对每章节的重点和难点进行分析，着重介绍立体化教材、网络学习平台、测试系统等学习资源和平台的使用方法，通过导学有意识地引导学生进行自主学习，分5次进行教学。
（2）多元化的学习模式。多元化的学习模式包括：基于多元化课堂教学的学习模式、基于教师导学的学习模式、基于多元化教学资源的学习模式3种。学生可以根据自己实际情况和具体问题，合理运用多种学习模式，使学习过程更切合实际，更好地激发学习热情。
（3）教考分离的“第三方”课程考核方式。在第一学期的12月份和第二学期的5月份以学生所在学院为单位集中报名，采用“第三方”的广东省教学考试管理中心的计算机水平考试标准试题集中进行通过性考试。课程总评成绩直接采用“通过性考试”成绩。
通过“大学计算机基础”课程的改革，达到了如下目标：①解决了大学新生对计算机基础知识掌握程度参差不齐的问题；②创建了新型的既能发挥教师主导作用又能充分体现学生学习主体地位的“双主体”教学结构。在保证教学质量的前提下，使学生的计算机应用能力、自主学习能力和终身学习能力得到较大的提高。
3．第二层次重点核心课程的建立
课程体系中第二层次课程为重点核心课程。根据广州大学专业需求和特点，确定了“数据库技术”、“VisualBasic程序设计”、“网页设计”、“计算机网络技术”、“计算机辅助设计”、“C程序设计”、“多媒体应用技术”7类课程，其知识结构涉及系统平台与计算环境、算法基础与程序设计、数据管理与信息处理、应用系统分析与设计4个领域。每类课程的知识结构包括概念与基础、技术与方法、相关专业应用3个层次，以此来确定课程的教学内容。这与教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会确定的计算机基础教学“4个领域×3个层次”的知识体系和实验体系也是一致的。
各专业根据专业需求，在7类课程中选择1门作为公共必修课。同时每学期以公共选修课的方式开出7类课程中的若干门课程，以满足学生更多的兴趣和需求。
计算机体系结构方向篇8
关键词：产业升级;高职;计算机专业;人才培养模式
中图分类号：G710文献标志码：a文章编号：1006-8228（2014）12-59-03
Researchontrainingmodelofcomputerspecialtyadaptedtotheindustrialupgrading
wangQiankun
（wuxiCityCollegeoftechnology，wuxi，Jiangsu214153，China）
abstract：withtheupgradingofindustrial，thedemandfortalentsischanging.takewuxiCityCollegeoftechnologyasanexample，thetargetofthecomputerspecialty'strainingmodel，adjustingstructureofspecialties，modularcurriculum，theconstructionofteachersandoptimizationofschool-enterprisecooperationareresearchedinordertoformanewtalenttrainingmodelwhichcanadapttotheupgradingindustrial.
Keywords：industrialupgrading;vocationalcolleges;computerspecialty;trainingmodel
0引言
根据“十二五”《无锡产业升级行动计划》，无锡市近年来不断进行产业调整与结构优化，此次产业调整对象中涉及计算机类的有电子信息、物联网、软件与服务外包、工业设计与文化创意等。随着区域经济转型和产业结构升级对人才需求的新变化，无锡市的各高职院校计算机类专业急需优化人才培养方案，调整人才培养目标。为此，我们以无锡城市职业技术学院计算机专业为例，对计算机类高职人才培养模式进行系统研究，构建适应产业结构升级的人才培养模式。
1无锡市产业结构升级现状
“十二五”期间《无锡产业升级行动计划》明确指出，到2015年，将形成以新兴产业为先导、现代服务业为主体、先进制造业为支撑、现代农业为基础的现代产业体系[1]。因此，进一步加大产业结构调整力度，提升城市产业结构层次，转变发展方式，创新发展模式，是新一轮无锡经济发展的着力点[2]。
根据无锡市的产业集群规划，电子信息业将成为重点打造的特色产业集群之一，战略性新兴产业中又包括物联网、软件与服务外包、工业设计与文化创意等，这些产业结构的调整和发展方向都有利于计算机类专业的发展。
2产业升级下无锡市计算机行业的人才需求趋势
2012年，无锡市人力资源和社会保障局对紧缺专业人才需求进行调研，出台了《无锡市2012年紧缺专业人才调查研究报告》，并在此基础上了《2013年度紧缺专业人才需求目录》，研究报告与目录内容显示：①行业需求市场特征明显随着对新兴产业的扶持力度进一步加大，软件与服务外包、物联网与云计算、电子信息、工业设计与文化创意等行业净雇佣前景指数分别为+85%、+80%，+64%、+58%，位居前列;②随着无锡市产业结构调整取得较大突破，这些新兴产业对具有合适技术专长与就业能力的人才需求越来越大;③随着产业结构的进一步优化，市场分工愈加细化，除了对高技能人才重点需求外，具备较强综合素质的专业咨询人才、网络营销人才开始紧俏。当网络营销成为新趋势，熟悉行业业务、又具有营销素养的商务服务型人才成为新一类企业紧缺型人才。
3无锡市高职院校计算机专业发展形势分析
据调查，目前无锡市范围内高职院校均开设了计算机类专业，专业方向涉及计算机应用、计算机网络技术、网站建设与管理、计算机平面设计、计算机动漫与游戏制作、电子与信息技术、软件与信息服务等，但是这些专业设置比较常规与传统，没有和原学校的特色专业交叉融合，针对性不强，没有形成自身的专业特色。而且各学校之间的专业设置缺乏互补性，布局不合理，热门专业方向争相开设，造成教育资源的重复与浪费，短缺专业方向却由于师资和教学设备的缺乏依旧受到冷落。一些培养适应产业需求的应用性人才专业（如物联网与云计算专业）始终紧缺，高职院校中还没有或很少有与其相关的专业。
正是由于各高职院校之前在开设计算机类专业时对市场分析不够，不能有效进行专业调控，导致人才培养目标比较模糊，人才培养计划缺乏针对性，就业人才的市场适应性较差。调查发现，在产业结构调整与升级的大趋势下，计算机行业人才的需求在类型、数量和能力层次方面有较大调整，而许多高职院校的人才培养模式缺乏与产业升级有效而全面的对接。因此，为适应人才需求方面的变化，各院校的计算机专业应积极调整专业人才培养层次，大力培养无锡新兴产业所需的专业技能型人才，形成适应产业升级的人才培养模式。
4基于产业升级的高职计算机类专业人才培养模式探讨（以无锡城市职业技术院为例）
4.1适应产业升级需求，整合专业资源，优化专业结构
无锡城市职业技术学院（以下简称我校）现包含计算机专业（动漫、软件）、会计专业、商贸专业等，这些专业各有特色。为培养适应当前无锡市因产业升级所需的计算机类专业技术人才，使学生就业后能迅速适应岗位，我们适当整合专业资源，优化专业布局，构建计算机专业群，包括：①计算机应用与软件专业，主要培养计算机软、硬件维护，数据处理及信息维护，web与手机端开发人才;②数字媒体专业，主要培养平面设计、广告创意、三维设计、影视动漫人才;③电子商务专业，主要培养计算机网络管理、网站设计与管理，企业信息化、网络营销人才，以适应产业升级中产生的战略性新兴产业（物联网、软件与服务外包、工业设计与文化创意、网络营销等）所需。
4.2依据产业升级需求，明确计算机类专业人才培养定位
经过专业资源整合和专业结构优化，我校已初步确定了人才培养的基本方向，但还需要进一步明确人才培养的具体定位。通过对产业升级后的一些相关企业行业所需计算机类高职人才类型的调查以及对往届毕业生的就业跟踪调查，我们发现，普通的计算机应用人才（如电脑录入员、电脑等级操作员等）的社会需求逐渐饱和，行业性质或专业性质较强的计算机应用人才却相对短缺[3]。特别是产业升级后，市场分工更加细化，除了对高技能人才重点需求外，计算机专业基础知识扎实、专业能力较强的，以及具备较强综合素质的跨岗位甚至跨职业能力的毕业生更适合企业需求。因此，根据专业群确定的三个专业方向，我校计算机专业人才培养定位为“多层次”培养方式，即在培养适应大多数计算机企业所需的技术工人型人才基础上，重点培养产业升级中的战略性新兴产业企业所需的生产维护和售后技术服务型人才，加强培养高端计算机企业所需的辅助研发型人才（图1）。
4.3构建动态模块化课程体系，培养计算机类专业人才职业能力
专业群建设中包含的计算机应用与软件专业、数字媒体专业、电子商务专业，虽然表面上分属三个不同的专业，但在起始阶段有相同的公共基础课程，随着专业知识的深入课程才会逐渐分化。因此，我们对原来各专业课程体系的有关课程进行整合，构建专业通用课程模块、专业核心课程模块、专业方向课程模块、职业方向课程模块，根据专业需求的变化，形成动态的模块化课程体系[4]。
专业通用课程模块，集合了计算机类相关职业所必需的入门知识、理论和技能，侧重培养从事计算机类企业基础岗位所需要的基本能力。
专业核心课程模块由“基础核心模块”和“提升核心模块”组成，属于深一层次的学习，包含计算机专业必需的核心知识和专业理论，重在培养从事各计算机岗位所必需的专项能力。
专业方向课程模块，开发实施基于工作过程的系统化课程，强调理论实践相结合，重在培养从事计算机行业中某职业方向所必需的综合应用能力。
职业方向课程模块，关注产业升级后相关产业的技术内容，通过深度校企合作方式将技术发展的内容引入专业教学，并结合不同的职业标准，将职业资格考证与常规教学有效对接，提升学生的职业技术水平和综合职业能力。
各专业方向的模块化课程可以按照实际需要进行模块组合与取舍，实现高职教育人才培养的层次性和多样性。
4.4加强师资队伍的建设，提升人才培养质量
高素质的教师队伍是实现教育教学计划的关键，也是人才培养能否适应产业升级需求的前提。构建能服务于区域产业升级的师资建设方案，包括指导思想、教育理念、教育资源、企业支撑等，从而保证人才培养计划的实施，提升人才培养质量。
引进新教师时要考虑到新兴产业的发展要求，做好青年教师的“双师型”梯队培养计划;可聘请新兴产业的专业技术人员到学校兼职，或让教师到高新企业兼职，形成适应产学紧密合作的“互通、互融、共建、共管”的师资队伍模式。
4.5携手新兴企业，创新和完善校企合作模式
携手新兴企业，创新和完善校企合作模式，是适应产业升级的根本之路，能更好地强化对学生职业综合能力的培养。一方面，校企双向参与，产学紧密合作，有效跟踪新技术，使学校比较深入、真实地了解产业发展需求，增强与企业相适应的主动性，进而使专业结构设置、人才培养方案、教学内容和实训环节等更贴近产业升级的需要。另一方面，采用“企业化管理、市场化运作”的模式，即学生在校实训过程采用企业化管理方式，而对于实训管理实行市场化运作，进一步完善校企合作模式。
5新人才培养模式的预期效果
第一，在区域产业升级时，密切关注政府的经济发展决策和产业发展动态，淘汰旧专业，开办新兴专业，同时考虑到相关专业、衍生专业，以保证一定区域内各类人才的“生态平衡”，有利用于高职学校及时形成有效的新型人才培养模式。
第二，依据适应产业升级的新型人才培养模式，学校可以根据行业的人才需求类型、层次和数量及时调整专业方向，使专业结构与劳动力需求协调发展，从而使专业结构得到调整与优化;依据适应产业升级的新型人才培养模式，学校还可以及时科学地调整人才培养结构，防止高职学校毕业人才的结构性失业，并与企业的产业升级与转型实现有效对接[5]。
第三，在新人才培养模式指导下，开发的契合区域产业升级的计算机专业课程体系，具有较强的开放性和社会性，并能在市场的指导下不断完善，能使学生具有多方面就业能力，从业后更好更快地适应新技术新经济形势，也为个人的终身学习打下良好基础。
第四，新人才培养模式能深度推动校企合作，将学生的培养过程与产业升级中的新兴产业、高新产业紧密结合，采用“企业化管理、市场化运作”的模式，有利于学生更好地学习企业岗位所需的职业知识和素质，形成职业能力，也有利于学校形成更可行、更适应产业升级的人才培养方案和课程体系。
6结束语
综上所述，为了适应无锡区域产业升级的大趋势，我校进行了计算机专业集群建设，构建了适应产业升级所需的计算机类专业人才培养模式，开发了动态的模块化课程体系，培养了师资队伍，完善了校企合作方式。专业集群建设是一项系统工程，我们还需要不断在实践中探索，不断积累经验，从而进一步验证人才培养模式的时效性和有效性，以及模块化课程体系的融合性和合理性等。
参考文献：
[1]无锡市政府.无锡市产业升级行动计划[n].锡政办发，2011-10-25：
〔2011〕288号
[2]阙明坤.基于区域产业结构调整的高职院校专业建设实践――以江
苏信息职业技术学院为例[J].职业技术教育，2008.29：11-12
[3]张学军.试论计算机教育的现状及存在问题[J].新课程（教师版），
2007.9：53-53
[4]浦慧忠.适应产业升级需要的高职计算机专业模块化课程体系研究[J].
常州信息职业技术学院学报，2014.3：49-51
计算机体系结构方向篇9
【关键词】：隧道工程，盾构姿态，自动测量，系统开发
1引言
盾构机姿态实时正确测定，是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。在盾构机自动化程度越来越高的今天，甚至日掘进量超过二十米，可想而知，测量工作的压力是相当大的。这不仅要求精度高，不出错；还必须速度快，对工作面交叉影响尽可能小。因此，为了能够在隧道施工过程中及时准确给出方向偏差，并予以指导纠偏，国内外均有研制的精密自动导向系统用于隧道工程中，对工程起到了很好的保证作用。
1.1国内使用简况
国内隧道施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统有：德国Vmt公司的SLS—t方向引导系统；英国的ZeD系统；日本toKimeC的tmG—32B（陀螺仪）方向检测装置等等。所采用的设备都是由国外进口来的。据了解，目前有些地铁工程中（如广州、南京）在用SLS—t系统，应用效果尚好。
总的来看，工程中使用自动系统的较少。究其原因：一是设备费或租赁费较昂贵；二是对使用者要求高，普通技术人员不易掌握；三是有些系统的操作和维护较人工方法复杂，在精度可靠性上要辅助其它方法来保证。
1.2国外系统简况
国外现有系统其依据的测量原理，是把盾构机各个姿态量（包括：坐标量—X.Y.Z，方位偏角、坡度差、轴向转角）分别进行测定，准确性和时效性受系统构架原理和测量方法限制，其系统或者很复杂而降低了系统的运行稳定性，加大了投入的成本，或者精度偏低，或者功能不足，需配合其他手段才能完成。
国外生产的盾构设备一般备有可选各自成套的测量与控制系统，作业方式主要以单点测距定位、辅以激光方向指向接收靶来检测横向与垂向偏移量的形式为主。另外要有纵、横两个精密测倾仪辅助[7]。有些（日本）盾构机厂商提供的测控装置中包括陀螺定向仪，采用角度与距离积分的计算方法[1][2]，对较长距离和较长时间推进后的盾构机方位进行校核，但精度偏低，对推进只起到有限的参考作用。
2系统开发思路与功能特点
2.1开发思路
基于对已有同类系统优缺点的分析，为达到更好的实用效果，我们就此从新进行整体设计，理论原理和方法同过去有所不同，主要体现在：其一，系统运行不采用直接激光指向接收靶的引导方式，而是根据测点精确坐标值来对盾构机刚体进行独立解算，计算盾构姿态元素的精确值，摈弃以往积分推算方法，防止误差积累；其二，选用具有自主开发功能的高精度全自动化的测量机器人，测量过程达到完全自动化和计算机智能控制；其三，在理论上将平面加高程的传统概念，按空间向量归算，在理论上以三维向量表达，简化测量设置方式和计算过程。
目前全站仪具备了过去所没有的自动搜索、自动瞄准、自动测量等多种高级功能，还具有再开发的能力，这为我们得以找到另外的测量盾构机姿态的方法，提供了思路上和技术上的新途径。
系统开发着眼于克服传统测控方式的缺点，提高观测可靠性和测量的及时性，减少时间占用，最大限度降低人工测量劳动强度，避免大的偏差出现，有利于盾构施工进度，提高施工质量，在总体上提高盾构法隧道施工水平。系统设计上改进其他方式的缺点，在盾构推进过程中无需人工干预，实现全自动盾构姿态测量。
2.2原理与功能特点
盾构机能够按照设计线路正确推进，其前提是及时测量、得到其准确的空间位置和姿态方向，并以此为依据来控制盾构机的推进，及时进行纠正。系统功能特点与以往方式不同，主要表现在：
(1)独特的同步跟进方式：本系统采用同步跟进测量方式，较好克服了随着掘进面推进测点越来越远造成的观测困难和不便。
(2)免除辅助传感器设备，六要素一次给出（六自由度）。
(3)三维向量导线计算：系统充分利用测量机器人(LeicatCa全站仪)的已有功能，直接测量点的三维坐标（X，Y，Z）,采用新算方法——“空间向量”进行严密的姿态要素求解。
(4)运行稳定精度高：能充分满足隧道工程施工对精度控制的要求以及对运行稳定性的要求。
(5)适用性强：能耐高低温，适于条件较差的施工环境中的正常运行（温度变化大，湿度高，有震动的施工环境）。
图1系统主信息界面示意
系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态，和设计轴线进行比较获得偏差信息。在计算机屏幕上显示的主要信息如图一所示。包括：盾构机两端（切口中心和盾尾中心）的水平偏差和垂直偏差及盾构机刚体三个姿态转角：1)盾购机水平方向偏转角（方位角偏差）、2)盾构机轴向旋转角、3)盾构机纵向坡度差（倾斜角差），以及测量时间和盾构机切口的当前里程，并显示盾构机切口所处位置的线路设计要素。
2.3运行流程
系统采用跟踪式全自动全站仪（测量机器人），在计算机的遥控下完成盾构实时姿态跟踪测量。测量方式如图二所示：由固定在吊篮（或隧道壁）上的一台自动全站仪[t2]和固定于隧道内的一个后视点Ba，组成支导线的基准点与基准线。按连续导线形式沿盾构推进方向，向前延伸传递给在同步跟进的车架顶上安置的另一台自动全站仪[t1]及棱镜，由测站[t1]测量安置于盾构机内的固定点{p1}、{p2}、{p3}，得到三点的坐标。盾构机本体上只设定三个目标测点。该方式能较好地解决激光指向式测量系统的痼疾——对曲线段推进时基准站设置与变迁频繁的问题。
2.4刚体原理
盾构机体作为刚体，理论上不难理解，刚体上三个不共线的点唯一地确定其空间位置与姿态。由三测点的实时坐标值，按向量归算方法（另文），解算得出盾构机特征点坐标与姿态角度精确值。即通过三维向量归算直接求得盾构机切口和盾尾特征部位中心点o1和o2当前的三维坐标（X01、Y01、Z01和X02、Y02、Z02）。同时根据里程得到设计所对应的理论值，两者比较得出偏差量。
2.5系统初始化操作
系统初始化包括四项内容：
1)设置盾构机目标测点和后视基准点；
2)固定站和动态站上全站仪安置；
3)盾构控制室内计算机与全站仪通讯缆连接；
4)系统运行初态数据测定和输入。
在固定站[t2]换位时，相关的初态数据须重测重设，而其他几项只在首次安装时完成即可。
F1键启动系统。固定的[t2]全站仪后视隧道壁上的Ba后视点（棱镜）进行系统的测量定向。[t2]和安装于盾构机车架顶上的[t1]全站仪（随车架整体移动）以及固定于盾构机内的测量目标（反射镜）p1、p2、p3构成支导线进行导线自动测量。
2.6运行操作与控制
本系统在两个测站点[t1]、[t2]安装自动全站仪，由通信线与计算机连接，除计算机“开”与“关”外，运行中无须人员操作和干予，计算机启动后直接进入自动测量状态界面，当系统周而复始连续循环运行时，能够智能分析工作状态来调整循环周期（延迟时间），直到命令停止测量或退出。
3系统软件与设备构成
3.1软件开发依据的基础
测量要素获得是系统工作的基础，选用瑞士Leica公司tCa自动全站仪（测量机器人）及相应的配件，构成运行硬件基础框架。基于tCa自动全站仪系列的接口软件GeoCom和空间向量理论及定位计算方法，实现即时空间定位，这在设计原理上不同于现有同类系统。系统通过启动自动测量运行程序，让ipC机和通讯设备遥控全站仪自动进行测量，完成全部跟踪跟进测量任务。
3.2系统硬件组成的五个部分
全自动全站仪
测量主机采用瑞士徕卡公司的tCa1800自动测量全站仪，它是目前同类仪器中性能最完善可靠的仪器之一。tCa1800的测角精度为±1”、测距精度为1mm+2ppm；仪器可以在同视场范围内安装二个棱镜并实现精密测量，使观测点设置自由灵活，大大提高了系统测量的精度。
测量附属设备
包括棱镜和反射片等。
自动整平基座
德国原装设备，纠平范围大(10o48’)，反应快速灵敏(±32”)。
工业计算机
系统控制采用日本的ConteCipCRt/L600S计算机，它能在震动状态、5。~50。C及80%相对湿度环境中正常运行，工矿环境下能够防尘、防震、防潮。其配置如下：
——pentiun(r)-mmX233HZ处理器
——32m内存
——10G硬盘或更高
——3.5英寸软驱
——SuperVGa1024*768液晶显示器
——pC/at（101/102键）键盘接口
——标准pS/2鼠标接口
——8串口多功能卡（内置于计算机扩展槽）
双向通讯（全站仪D计算机）设备
系统长距离双向数据通讯设备采用国内先进的元器件，性能优良，使得本系统通讯距离允许长达1000米（通常200米以内即满足系统使用要求），故障率较国外同类系统低得多，约减少90％以上。通讯原理如图三所示。
3.3系统硬件组成简单的优势
从设备构成可知，系统不使用陀螺仪，也不必配装激光发射接收装置，并舍去其他许多系统所依赖的传感设备或测倾仪设备，从而最大限度地简化了系统构成，系统简化提高了其健壮性，系统实现最简和最优。
带来上述优点的原因，在于机器人良好的性能和高精度以及定位原理上直接采用三维框架，通过在计算理论和方法上突破过去传统方式的框框，使之能够高精度直接给出盾构机上任意（特征）点的三维坐标（X，Y，Z）以及三个方向的（偏转）角度（α，β，γ），这样在盾构机定位定向中，即使是结构复杂的盾构机也能够简单地同时确定任意多个特征点。比如Dot式双圆盾构需解决双轴中心线位或其他盾构更多轴心、以及铰接式变角等问题，可通过向量和坐标转换计算解出而不必增加必要观测。
由此可知，本构架组成系统的硬件部件少，运行更加可靠，较其他形式的姿态测量方式优点明显。实际上本系统的最大特点就是由测量点的坐标直接解算来直接给定测量对象（刚体）的空间姿态。
另外特别说明一点：本系统由两台仪器联测时，每次测量都从隧道基准导线点开始，测量运行过程中每点和每条边在检验通过之后才进行下步。得到的姿态结果均相互独立，无累积计算，故系统求解计算中无累计性误差存在。因此，每次结果之间可以相互起到检核作用，从而避免产生人为的或系统数据的运行错误。这种每次直接给出独立盾构机姿态六要素（X，Y，Z，α，β，γ）的测算模式，在同类系统中是首次采用。
冗余观测能够避免差错，也是提高精度的有效方法。最短可设置每三分钟测定一次盾构机姿态，由此产生足量冗余，不仅确保了结果的准确，也保证了提供指导信息的及时性，同时替代了隧道不良环境中的人工作业，改善了盾构隧道施工信息化中的一个重要但较薄弱的环节。
4工程应用及结论
4.1工程应用
上海市共和新路高架工程中山北路站～延长路站区间盾构推进工程，本系统在该隧道的盾构掘进中成功应用，实现实时自动测量，通过了贯通检验。该工程包括上行线和下行线二条隧道，单线全长1267米。每条隧道包含15段平曲线（直线、缓和曲线、圆曲线）和17段竖曲线（坡度线、圆曲线），线型复杂。
盾构姿态自动监测系统于2001年12月11日至2002年3月7日在盾构推进施工中调试应用。首先在下行线（里程SK15+804～SK16+103）安装自动监测系统，调试获得成功，由于下行线推进前方遇到灌注桩障碍被迫停工，自动监测系统转移安装到上行线的盾构推进施工中使用，直到上行线于2002年3月7日准确贯通，取得满意结果。
4.2系统运行结果精度分析
盾构机非推进状态的实测数据精度估计分析
通过实验调试和施工运行引导推进表明，系统在盾构推进过程中连续跟踪测量盾构机姿态运行状况良好。测量一次大约2~3分钟。在“停止”状态测得数据中，里程是不变的，此时的偏差变化，直接反映出系统在低度干扰状态下的内符合稳定性，其数据——偏差量用来指导盾构机的掘进和纠偏。盾构不推进所测定盾构机偏差的较差<±1cm，盾构推进时测定盾构机偏差的误差<±2cm。表三中和人工测量的结果对比，考虑对盾构机特征点预置是独立操作的，从而存在的不共点误差，由此推估测量结果和人工测量是一致的，在盾构机贯通进洞时得到验证。
4.3开发与应用小结
经数据随机抽样统计计算得出中误差（表一、表二）表明：以两倍中误差为限值，盾构机停止和推进两种状态偏差结果的中误差均小于±20毫米，满足规范要求。
为了检核盾构姿态自动监测系统的实测精度，仍采用常规的人工测量方法，测定切口和盾尾的水平偏差和垂直偏差，并与同里程的自动测量记录相比较（表三），求得二者的较差()。由于二者各自确定的切口中心点o1和盾尾中心点o2不一致偏差约为2cm，所以各自测定的偏差不是相对于同一中心点的，即二者之间先期存在着系统性差值。
通过工程实用运行，对多种困难条件适应性检验，系统表现出良好的性能：
1)实时性——系统自动测量反映当前盾构机空间(六自由度)状态；
2)动态性——系统自动跟踪跟进，较好解决了弯道转向问题；
3)简易性——系统结构简单合理，操作和维护方便，易于推广使用；
4)快速性——系统测量一次仅需约两分钟；
5)准确性——结果准确精度高，满足规范要求，在各种工况状态都小于±20毫米；
6)稳定性——适应震动潮湿的地下隧道环境，系统可以长期连续运行。
本系统已成功用于上海市复兴东路越江隧道?11.22米大型泥水平衡盾构推进中。我们相信对于结构简单，运行稳定，精确度高，维护方便的盾构姿态自动监测系统，在盾构施工中将发挥其应有作用。
[参考文献]
[1]隧道工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[2]地铁一号线工程，上海科学技术出版社，1999年7月，刘建航主编
[3]tpS1000经纬仪定位系统使用手册，Leica仪器有限公司
[4]盾构姿态自动监测系统研究与开发报告，2002年4月，上海市政二公司
[5]杭州湾交通通道数据信息管理系统设计与开发，华东公路，1998.3，岳秀平
[6]GeoComReferencemanualVersion2.20，LeicaaG，CH-9435Heerbrugg(Switzerland)
计算机体系结构方向篇10
【关键字】排架结构；工业厂房；设计
一、大型排架结构工业厂房的设计要点
1、基本体系
单层排架结构的承重体系主要是由横向平面排架和纵向平面排架组成。横向平面排架一般是由若十榀跨度和截面相同的横向柱列和屋架组成，是厂房的基本承重结构。厂房结构承受的竖向荷载(结构自重、屋面活荷载和吊车竖向荷载)及横向水平荷载(风荷载、吊车横向水平荷载和横向水平地震作用)等都主要是通过横向平面排架传到基础和地基的。纵向平面排架则是由纵向柱列和柱间支撑、屋架支撑、抗风柱等组成，其主要作用是保证厂房的纵向刚度和稳定性，并承受纵向风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用等。
2、计算方法
目前，在设计过程中，为计算方便，普遍假定各个横向平面排架之间以及各个纵向平面排架之间是互不联系、独立工作的。而且由于厂房一般都较长，纵向平面排架的柱列较多，抗侧刚度较大每根柱实际承受的水平力较小，因此，往往不进行纵向排架计算而只进行横向排架计算可采用的是中国建筑科学研究院开发的pKpm系列软件中的pK软件进行横向排架汁算。建模时考虑以下2个假定条件：
（1）柱下端与基础固接，上端与屋架交接。屋架简化为刚度无限大的刚性杆，其变形忽略不计：
（2）不考虑排架之间的空间作用，即各榀排架之间是独立工作，互不联系的平面体系，因此只需要选取其中任意一榀排架进行计算即可。
3、排架柱
单层厂房竖向荷载一般并不太大且混凝土受压承载力较高，因此宜采用工型柱，这样做不仅能降低造价还能减轻自重，对基础的受力有利。排架柱的截面及牛腿尺寸(含所需埋件等)均可根据厂房吊车起重量、轨顶标高等按国标定型图合理选用，不应过大。设计中更重要的工作是确定牛腿、轨顶和柱顶等处的标高，标高确定的依据是甲方单位提供的将采用的吊车的各项准确参数．一般应保证屋架下铉的最下部位距吊车的最高部位的净空尺寸不小于200毫米。
4、抗风柱
抗风柱的主要作用是承受纵向风荷载，其下端一般做成固端，上端一般与屋架上弦铰接．抗风柱的柱顶标高应低于屋架上铉中心线5o毫米。设置时应注意必须对应屋架的上弦节点位置。不可随意设置。若是与屋架下弦连接，则屋架相应位置须设置下弦横向水平支撑。抗风柱与排架柱均宜预制，柱脚采用插入现浇基础杯口。
5、支撑设置
一般端跨需设置屋架上下弦支撑和垂直支撑，仅设上柱支撑。在间距不超过66米的中部跨，需设置上下柱柱问支撑。当单元长度超过66米时，尚应在中部柱问支撑上部设置屋架垂直支撑。对标准模数厂房，可直接按网集设置。
6、墙体与柱(抗风柱)的拉结
应在墙体不同高度设置3—5道闭合圈梁并按构造要求与柱或屋面板拉结。一般屋盖处需设置一道，其余圈梁应尽可能与门窗过梁、连梁结合起来，使一种梁能起到多重作用，以节约材料、方便施工。在抗震条件下，还应沿柱高设置8@500的拉结筋与墙体拉结。
二、大型工业厂房排架结构设计的实例分析
某热力站厂房为地面式厂房，主厂房(包括安装问)总长l12.8m，其中安装间长32.1m，宽24m，主厂房内设4台水轮发电机组，机组间距为19.05m，主厂房最大高度(主机间)46.43m。发电机层高程为l289.02m，水轮机层高程为1280.60m，厂房底板高程l262.91m。
该发电厂房为排架结构，排架应具有必要的抗震承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
1、排架布置根据机组尺寸确定
主机间机组间距l9.05m，除l机组段长23.5m外，其余机组段均为l9m。根据设备布置要求，确定厂房上游侧宽15m，下游侧10.5m，共4台机，2，3，4号机机组间距相同，1号机不一样；每台机组段设置l条伸缩缝，每个机组段布置3榀排架，因此在伸缩缝间左、右两边各设置l个排架柱，形成双柱形式，主机间排架柱间距为8.95m与4.5m两种；柱断面下柱为1.1m×2.2m，上柱为1.1m×1.4m，抗风柱断面0.5m×0.7m，B轴砌体填充墙内设构造柱，断面0.3m×0.3m，连系梁尺寸为b×h=0.7m×1.1m，扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m。安装间排架柱间距为7.75m，柱断面下柱为1.1m×2.2m，上柱为1.1m×1.4m，抗风柱断面为0.5m×0.7m，B轴砌体填充墙内设构造柱，断面0.3m×0.3m，连系粱尺寸为b×h=0.7m×1.1m，扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m，排架顶部横杆系钢屋架下弦杆。
2、排架简化计算
（1）横向平面排架：计算中、边排架，钢网架视为两端铰接杆件，只传递轴力。排架柱底部，主机间固定在高程l272.20m和l280.60m大体积混疑土上，安装固定在高程l289.02m上，造独立基础。排架上、下柱为变截面，内力计算时考虑上柱对下柱的偏心影响。
（2）纵向平面排架：主机间取1个机组段，安装间取整个为计算单元，主要计算纵向连系粱。
3、参数设置
地震设计烈度8°，且只考虑水平地震荷载，排架结构按2级建筑物设计，排架结构首先进行刚度验算，然后进行构件强度计算，温度荷载：不考虑内外温差的影响。
4、荷载及组合
主厂房排架主要承受屋盖系统的重量和吊车荷载，还有发电机层，水轮机层楼板及纵向连系梁(承重墙梁)的重量。
（1）恒荷载
自重a1：包括(防水层+找平层+保温层+找坡层+屋面板+屋架)；砖墙重a2：主厂房纵向连系梁梁底无填充墙砌筑；发电机层和水轮机层板梁自重传来的荷载a3(安装问只有发电机层板梁自重传来的荷载a3)；吊车梁自重a4l
（2）活荷载
屋面均布活荷载包括上人荷载Bl；屋面雪荷载B2；
雪荷载：Sk=?r×S。
式中S为雪荷载标准值，kn/㎡
?r为屋面积雪分布系数
S。为基本雪压，kn/㎡
发电机层和水轮机层板梁传来的活荷载B3(安装间只有发电机层板梁传来的荷载B3)；
吊车满载时的轮压B4；吊车横向水平荷载B5；吊车竖向荷载B6；风荷载B7；地震荷载C；设计烈度8°，场地类型i类，效应调整系数1.35，剪力和弯矩增大系数2.5。
基本组合：al+a2+a3+a4+Bl(或B2)+B3+B4+B5+B7
特殊组合：a1+a2+a3+a4+Bl(或B2)+B3+B4+B5+B7+C
三、结束语
综上所述，对于这种结构形式目前没有规范依据，设计者只能通过自己的经验来进行设计，如对屋面钢梁的挠度限制。在建立计算模型时，应该整体建模，以考虑钢梁同混凝土框排架的整体作用；要做到分析模型与具体的连接构造处理相统一。只有做到理论与实际的统一，才能保证设计成果的安全可靠。
参考文献
[1]GB50017—2003钢结构设计规范[S]．