计算机体系结构模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇计算机体系结构，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0260-02

随着现代信息技术的飞速发展，算机已经成为系统设计及信息处理的核心工具。体系结构软件模拟技术对于计算机系统而言是必不可少的技术手段，通过体系结构软件模拟技术能够不但最大程度的降低系统设计的费用以及时间，而且也极大提高了设计效率和质量。计算机体系结构软件模拟技术说白了就是通过现有的计算机应用软件，对系统硬件在计算机系统结构中的使用情况以及性能进行模拟，由于计算机体系结构软件模拟技术具有一定的技术优势和成本优势，因此，其目前已经成为计算机系统设计中必不可少的手段。

1 计算机体系结构软件模拟技术的发展过程及其现状

计算机体系结构软件模拟技术是在计算机系统内部的中央处理单元的变化下产生的。二十世纪末，计算机系统是利用数据信息驱动技术来收集计算机运作的数据信息，并完成执行程序指令。另外，数据信息驱动技术深入把握计算机的运作数据信息，并对计算机系统内部中央处理单元的组成结构以及其具备的特点做详细的分析研究，并坚持其所存在的漏洞问题。因此，数据信息驱动技术在当时也被称为基于执行程序指令而形成的一种静态模拟技术[1]。

随着计算机技术的不断发展，因此，在计算机数据信息驱动技术研发的基础上，也就出现了能够分析计算机性能技术。分析计算机性能技术不仅提高了计算机设计结构质量，而且也实现了降低计算机技术的研发成本以及计算机系统设计的失败概率。此后，分析计算机性能技术广泛应用于各个领域。但由于其不能够准确地反映出计算机系统内部的一些细小问题，且适用范围较小，因此，计算机系统设计人员为了提高了精确程度，扩大适用范围，于是对该技术再次进行改进完善，于是计算机体系结构软件模拟技术就在这个背景下诞生了。

据有关数据表明，计算机中央处理器目前的研究和设计过程中，有百分之六十的科研经费都被投入软件模拟和性能评估两方面。从理论上讲，软件和硬件相比，前者的开发成本及周期要远远低于后者的开发成本和周期，并且软件开发比硬件开发要简单。从这个角度来说，灵活性强以及成本低是计算机体系结构软件模拟技术得到推广使用的主要原因。然而，由于计算机体系结构软件模拟技术的研发的技术性要求极强，所以其也面临着众多技术难题，这些难题对其发展都起到了阻碍作用[2]。

2 与计算机体系结构软件模拟技术相关的一些概念

计算机系统的体系结构经过几十年的发展，现已逐渐建立较为成型的技术规范，在计算机体系结构发展的过程中，有不少具有创造性的模拟技术出现，而且其相关概念也在完善中，但是部分概念由于字面意思非常相近，所以人们都习惯性的将其画上等号，例如仿真和模拟两个概念，通过以下定义区分开模拟和仿真两个概念。

1）计算机体系结构仿真

计算机体系结构仿真是指通过计算机硬件或软件的方式，对计算机模拟器产生的某种模拟结果进行模仿。计算机结构仿真的主要目的是在另一个计算机上实现一个已知的计算机系统功能，使另一个计算机能够实现与原计算机系统一样的计算结果，而对于计算过程是不太重视的。

2）计算机体系结构模拟

计算机体系结构模拟则是根据硬件或软件的工作状态来模拟计算机系统的计算过程，其主要目的是为了开发和预测计算机未来的功能和性能，因为是研究计算机的计算过程，所以对于计算结果也不太重视。

随着计算机体系结构模拟技术的发展，计算机体系结构的仿真渐渐属于计算机体系结构模拟，因为体系结构模拟要先通过正确的输出结果来预测模拟方式是否可行，其次在研究计算的过程。例如在计算体系结构模拟过程中，模拟器运行是按照一个程序进行的，而承载模拟器的主机则是按照领一套程序进行的，这样就会造成指令冲突。因此必须要将模拟器上的运行指令实先翻译为主机上的程序指令，那么能实现由模拟器指令转化为主机运行指令的工具称为指令集仿真器。从这个角度来说，计算机体系结构仿真已经成为了计算机体系结构模拟的一部分，是计算机体系模拟的基础条件。

3 计算机体系结构软件模拟的分类

3.1 体系结构模拟器分类的分类

1）计算机体系结构模拟器的分类标准多种多样，根据处理器的实际数量，计算机体系结构可以分为单个处理器和多个处理器系统模拟两种。单个处理器是利用一个处理系统模拟器来进行系统软件模拟工作，而多处理器是由多个处理器共同工作，从而实现内存资源共享。根据模拟目标的差异，模拟器又可分为功能模拟、耗能模拟、性能模拟及发热模拟技术[3]。其中性能模拟与其他三个模拟相比，其发展的最迅速。但是随着计算机系统的快速发展，人们越来越关注的是计算机的耗能问题，因此，耗能模拟在不久将会成为计算机系统设计的关键。另外，模拟器还可以根据开发模式进行划分，可分为串行结构和并行结构，其中串行结构是利用C语言的编程语言执行编程指令的，能够实现直接描述计算机系统。

篇2

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1952-02

1 概述

当前，人们对于计算机性能提出越来越高的要求，这使得计算机系统变得更加复杂，摩尔定律才能描述处理器的复杂程度增长.截止到现在，单片的处理器已经含有10亿多个晶体管，而制造如此复杂的计算机系统需要付出高昂的资金成本和时间成本.一般情况下，生产一款处理器经过设计体系结构、设计验证与评估、逻辑的设计与验证等多道阶段，其中每个阶段都需要多次重复制造以保证处理器的质量。生产一款处理器在时间上一般需要花费4至7年，有时候甚至需要更长时间，同时整个过程的资金投入也是非常巨大的。在批量生产某款处理器之前，首先需要制造出若干该款处理器，并对其评估测试，不断地发现缺陷并修改，直至设计出符合要求的处理器。虽然这种方法科学，但其并不现实，因为新处理器哪怕生产一个，也需要较高的成本和较长的周期。所以研究人员为了克服这个局限开发出了能够精确到时钟的体系结构软件模拟技术。

2 计算机体系结构软件模拟技术的概述

计算机体系结构软件模拟技术的主要作用就是采用软件技术模拟在系统结构级别中计算机某些系统硬件的性能和功能特征。采用计算机体系结构软件模拟技术验证和评估体系结构设计成为计算机系统制造和设计中必不可少的环节。在设计处理器的过程中，物力与人力资源中大约超过百分之六十都用在了对新处理器的验证与评估中。我们都知道开发软件与开发复杂程度相同的硬件相比，其开发成本较低和开发周期更短，并且与硬件相比软件更容易修改，其灵活性更强，因此如果运用计算机体系结构软件模拟技术进行验证与评估不仅可以大大缩短计算机系统的开发周期还能够大幅度降低开发成本。所以，计算机体系结构软件模拟技术能够在短时间内验证评估许多体系结构的设计方案，在众多方案中选择出最优的方案。

3 软件模拟技术开发面临的问题

3.1 计算机体系结构软件模拟器的开发难度较大

计算机系统是非常复杂的，要想把所有门电路或者晶体管等各个方面的特征都通过软件进行模拟是不现实的。对计算机系统按照层次来抽象是对系统复杂程度进行简化的常用方法，计算机体系结构是将计算机系统根据结构层次进行简化而来的。但是，根据结构层次简化出来的计算机系统仍然非常复杂，这使得开发其模拟器也十分困难。还有目前主要还是运用C或者C++编程语言来开发体系结构的软件模拟器，采用这些串行结构化的语言固有机制，比如函数或者类对计算机系统的部件行为和功能进行模拟，是非常容易出错并且耗时的过程。所以，开发计算机体系结构软件模拟器一般都还是在现存模拟器的基础上进行改进或者二次开发以适应开发者的要求，如果从0开始进行开发是非常不容易的。实际上，改进或者二次开发现存模拟器的方法仍然具有较大的难度，因为人们还是经常怀疑模拟器的结果。所以还需要反复验证模拟器本身，以增强模拟器评估体系结构设计的可信度。这无疑在侧面加大了模拟器的开发难度。

3.2 模拟器在评估新设计时运行时间较长

作为在宿主机上的一个运行程序，模拟器在对计算机系统详细模拟的时候，这个运行程度需要在时钟周期的级别上记录动态指令运行出来的所有结果和处理器状态，比如分支预测器状态、Cache和内存行为和寄存器状态灯，这些都有巨大的数据量，严重降低了详细模拟的运行速度。像比较成功的SMARTS软件模拟器运行速度达到了9 MIPS，跟宿主机的硬件相比而言它的运行速度大约慢了4个数量级。随着处理器的性能日益提高，国际组织SPEC为对通用处理器性能进行评估而不断新标准程序包以测试性能。在这些标准化性能的测试程序包含有多个极大负载的性能测试程序，从多个角度对处理器性能进行测评。为了保证模拟结果更加可信，在模拟器中运行标准化性能的测试程序包是很自然的方法。对硬件来讲运行这么慢的模拟速度也是一个负载极大的测试程序，必定有非常长的运行时间。依据不同的模拟目的，参考使用输入参数的情况下其运行时间有可能也要几年甚至几十年，另外在体系结构层次中有较多参数可以配置，像Cache大小等，况且这些参数并不是独立地影响整个系统，，所以每次修改某个参数时，还需要重新从头开始运行模拟测试程序，查找其对系统的影响。要想得到一个很好的计算机体系结构，模拟运行需要很长的时间。

3.3 模拟器运行结果的精度很低

开发模拟器的过程主要分为理解目标体系结构、针对该结构设计模拟器和实现模拟器的三个步骤，在以上三个步骤中可能存在着很多错误。在第一步中，要正确分析模拟器的需求，这也是在软件开发的过程中需要重点关注的现象，常犯的错误就是未能正确分析其需求。在第二步中，虽然对计算机体系结构目标能够正确理解，但还是经常因为忽略了计算题体系结构设计中的一些细节而导致了错误。在实现模拟器时，对模拟器进行编码是非常容易出现错误的。另外，由于模拟器运行模拟的时间较长，开发人员往往只是执行测试程序中的部分指令来代替整体的效果，这样也严重降低了模拟器运行结果的精度。导致模拟结果的精度较差的重要原因就是选取运行的指令不恰当。所以当前在国际上研究的热点指向了如何在标准化性能测试的程序中选取部分指令来运行。

4 软件模拟技术开发面临问题的解决策略

针对以上三种问题，目前学者已经对其解决策略进行了大量的研究，我认为主要还是从以下两个策略进行改进：

4.1 减少性能测试程序中的输入参数

对性能测试程序中的参数集进行科学地修改以减少模拟器运行性能测试程序时的运行时间。这种方法仍然运行测试程序中的一切指令，只是采用较少的输入参数来运行模拟，并将其模拟运行的结果来代替原本输入参数集运行的结果。这种方法在一定程度上可以提高提高模拟器运行的精度。

4.2 减少运行模拟指令的数量

在采用标准化性能的测试程序中，科学地选取一部分模拟指令对其运行，用这一部分模拟指令的运行结果替代原本运行的结果。提高模拟精度和运行速度的关键就在于如何科学选取用于运行的部分指令，通常有两种方法：直接截取连续指令和采用统计方法抽样选取指令。这两种方法相比而言，第一种方法操作起来比较简单，但是其模拟精度降低，第二种方法运行统计方法进行抽样，操作起来可能比较复杂，但是其精度有所提高。

5 小结

作为现代计算机的系统设计和处理器中的必须工具，计算机体系结构软件模拟技术成为了系统设计的质量水平和处理器制造水平的直接影响因素，这也是该技术成为目前研究热点的重要原因。我认为还需要有更多的专业人员从事研究该技术的工作中来，只有这样才能有效加快我国计算机技术的发展，提升其在国际上的竞争力。

参考文献：

[1] 李经松，陈朝晖.软件总线体系结构的研究与应用[J].空间控制技术与应用，2012（4）.

[2] 闫建红，彭新光.可信计算软件构架的检测研究[J].计算机测量与控制，2011（11）.

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中图分类号：G036 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-00273-01

现在，单片处理器的晶体管数量已超过10亿。这样就给计算机系统的制造带来了资金成本和时间成本上的大幅度增加。一般来说，设计制造处理器需要经很多个设计和制造阶段，包括：体系结构设计评估和验证，逻辑设计评估与验证，电路设计验证，布局设计，最后才能进入生产阶段，才可以走进社会生活中。并且为了保证质量，这些过程通常都要重复很多次。研发一款新的处理器一般需要4――7年的时间，而处理器量产之前，还必须制造出样本进行实测，如果有问题还要重复制造样本并进行不断修改，反复进行评估和验证的过程，我们知道，电子产品在没有量产前，单个的生产成本是非常高的，这些问题就造成了处理器的研发设计的时间成本和资金成本大幅度上升，甚至让许多研发企业无力承受。为了解决这个问题，计算体系结构软件模拟技术就成为研发人员的首选。这种技术可以精确都时钟级别，从根本上解决了计算机体系结构研发的长时间和高成本问题。

1.计算机体系结构软件模拟技术的发展历程

1.1 萌芽阶段

计算机体系结构软件模拟技术的发展经历了一个漫长的过程，最初，计算机软件模拟技术的结构虽然已经建立，但是处理器技术并不完善，对系统运行也不能进行合理控制，由于处理器的工作效率低下，所以控制软件的设计也非常缓慢，计算机体系结构的软件模拟技术在不断的探索中缓慢前行。上世纪八十年代，我国的计算技术有了长足发展，经过长期不懈的研究，我国计算机系统在独立操作数据驱动和处理器高效利用技术两方面有了新的突破。至此，软件系统可以在计算机上进行更好的运行，计算机系统的控制也更为便捷。计算机的运行是以收集和处理技术为基础的。所以，在计算机应用软件技术的研发过程中要收集大量的数据，并结合计算机基础知识在计算机处理器平台上对软件系统进行构建和设计。这是计算机体系结构软件模拟技术发展的重要前提，技术人员由此掌握了计算机软件系统建设的大量数据经验。

1.2 技术研发阶段

在总结了技术探索阶段的各种数据和经验之后，技术研发的方法已经非常明确，研发人员运用性能分析模拟技术改良了计算机系统，这样，团建模拟技术就可以在处理器中进行合理运用。计算系统的质量得到了大幅度的提高，软件模拟技术也开始被广泛运用在计算机系统结构软件的研发中。计算机体系结构软件的模拟技术可以对系统运行进行更加顺利和有效的控制，再结合性能分析模拟技术，计算机系统的研发成本急剧下降。这样就降低了技术研发阶段的风险，从根本上节省了大量的时间成本和资金成本，保障了研发单位的经济利益。在技术研发时，还要考虑到计算机系统升级、实际应用，使计算机技术的实用性大幅度提高，计算机系统的工作能力成倍增加。但是在技术研发阶段，对模拟器运行的状况一定要进行合理和有效的控制，只有准确控制模拟器的运行，才能运用结构软件的模拟技术改良计算机系统，提高模拟技术的实际运用效果。

2.开发计算机体系结构软件模拟技术面临的问题

2.1 设备的研发难度非常之高

计算机是一套非常复杂的系统，要想实现在计算机软件系统上模拟运用计算机的各个电路及晶体管等技术是非常困难的。如果笼统地将计算机的各种特点都运用软件系统模拟是几乎不可能实现的。面对这个问题，研究人员采用了计算机系统的层次划分技术，使原本复杂的计算机系统变得相对简单化。计算机体系结构就是将计算机系统根据组成机构进行层次划分。简化后的计算机系统的复杂性依然很高，给模拟设备的开发造成了很大困难，目前计算机体系结构软件模拟设备的开发主要利用C语言来进行，这种串行结构编程语言给模拟器的实际开发造成了长时间、高成本的问题。

2.2 模拟设备京都偏低，运作效果差

模拟设备的精度低，效率差也是计算机体系结构软件模拟设备开发中遇到的问题，在开发过程中，对模拟器的具体要求未能进行准确的分析研究；未能透彻理解计算机体系结构的真正目的；对设计过程中的细节问题不够重视，这些都大大增加了错误率。另外，模拟器的编码过程要求也非常高，不能出现任何的纰漏。一般的研究开发人员将整体的运行效果用检测流程中的部分程序指令代替，造成了模拟设备精度低的问题。

3.计算机体系结构软件模拟技术开发中问题的应对策略

3.1 将检测流程中的执行指令进行合理减少

性能检测流程中标准化指令是不能改变的，但是可以在此基础上对系统系能检测流程中的执行指令进行科学而合理的减少和更正，使模拟器的运行结构能表现整体运行效果。这样就可以使模拟器的运作时间大幅度减少，缩短运行周期。

3.2 对模拟程序的指令数量进行适当减少

选择准确的模拟程序指令代替原系统整体运作结果，对模拟程序的指令数量进行适当减少，可以提高模拟系统的精确度。在选择模拟程序指令的时候，借以采取抽样选择程序指令或者是直接截获连续性指令的方式。而直接结构连续性指令在实际运用中由于操作容易，准确度偏低；所以，实际操作中一般采用抽样统计的方式选取程序指令。

结语

当前社会已进入数字化和信息化时代，计算机技术在人们的日常生活和工作中运用程度越来越高，人们对计算机的系能也不断提出更高的要求。因此，计算机体系结构软件的模拟技术的运用也越来越广泛，成为软件开发必不可少的条件。计算机应用功能的完善需要开发人员不断探索和研究。在开发过程中，技术人员要采用正确而有效的方式应对开发过程中出现的各种问题。这样才能有效降低软件开发的周期，节省开发成本，并开发出实用性高的计算机应用软件。

参考文献

[1] 李经松，陈朝晖.软件总线体系结构的研究与应用[J].空间控制技术与应用.2012（04）.

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中图分类号：TP303

计算机的发展大体上可以分为两个阶段，这两个阶段分别是：串行阶段以及并行阶段。所谓并行计算机，是在串行计算的基础上，使得许多组处理单元相互协调、相互调度来完成数据以及计算等处理的方式。基于冯诺依曼的计算机体系结构可以分成CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构。

1 计算机体系结构的现状

人们的沟通以及工作的效率因为计算机技术的发展得到了很大程度上的提高。在现代的微处理器中，大体上可以将其体系结构分成两大类，这两大类分别是：基于CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构。基于CISC的体系的芯片有x86（intel）；基于RISC的体系的芯片有power pc、sparc等等。无论是哪一种结构，人们在设计芯片的时候，都会注重以下几个方面的问题：

（1）计算机最重要的功能就是在处理数据等方面，所以计算机的计算处理速度是计算机性能的一个非常重要的指标。计算机的体系结构会在很大程度上决定计算机的处理速度，当然处理速度还与许多其它因素有关：硬件结构、制作工艺等等。对于RISC，其处理速度很快，这是因为它采用的是流水线技术，同时能够直接完成指令的硬件译码；对于CISC，由于其硬件本身的复杂度就足够高，因此也就表明会有更高的处理速度[2]。

（2）CISC能够支持比较高级的计算机语言，而RISC却只能够支持一些精简指令集以及它们的组合。但是这并不意味着RISC没有优势，其能够通过对高级语言的优化编译，实现对高级语言的支持。

对于以上描述的两个目标，人们普遍希望计算机的运算速度越高越好，同时更加希望计算机能够直接支持高级语言，从而使得人们开发计算机相应软件时更加方便快捷。

2 两种体系结构比较

2.1 二者具有不同的实现方式。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[3]。

2.2 具有不同的编译器要求。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[4]。

2.3 两种体系结构具有不同的设计思想。人们通常测量计算机执行速度的方法是测算执行程序的时间。如果我们想要提高计算机的执行速度，主要可以从以下几个方面来着手：（1）减小每个指令的执行周期；（2）要想提高计算机的运算速度，也可以提高某些指令的语义级别；（3）最重要的方法还是提高主频。相对来说，RISC体系结构的指令都比较简单，因此具有较低的指令语义。大部分的指令都是单周期，因此硬件逻辑实现十分方便，可以使用逻辑硬布线的方法。

3 体系结构存在的相应问题

在近六十年来，世界各地的计算机科学家不断丰富和晚上计算机体系结构，成就了现代计算机。对于经典的冯诺依曼结构，主要有以下三点核心：存储模型、二进制以及在某一个特定时间只能够串行操作一个命令。

二进制这个体系已经成为计算机界的标杆，到目前为止基本上没有人能够突破这种二进制的体系结构。人们希望能够将存储模式改变一下，摆脱寄存器这一存储模式。但是，即使使用了很多技术以及先进的理论，这种设想都没有获得成功。人们希望计算机能够在某一操作的过程中，实现大量的并行计算操作，但是基于冯诺依曼的串行处理机制仍然没有得到解决。RISC以及CISC都属于冯诺依曼体系，因此它们都有各自固有的缺陷[5]。

4 计算机体系结构发展趋势

4.1 多线程体系。所谓的多线程技术，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，同时又能够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。多线程技术能够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。但是为了实现多线程技术，就需要很多的硬件同时并行操作，这种硬件的资源损耗十分巨大[6]。

4.2 VLIW体系。所谓VLIW体系，能够通过编译器将许多不同的、相互之间无依赖的操作缩减到一个长指令字中。VLIW体系域超标量有许多相同的地方。超标量能够突破flynn的难题，而VLIW也同样可以。它们两者的不同点是在何处处理好执行多个操作时产生的指令相关问题。对于这个问题，超标量的RISC处理器的调度方案留给芯片，VLIW体系的微处理器将工作交给编译器来决定。从某种意义上来看，VLIW可以是一种特殊的超标量技术，它是基于编译器或者是软件的。VLIW体系结构进行指令并行化的方法是静态调度相应的执行代码。VLIW体系的微处理器具备的这种调度方法，具有许多优点：它能够大大简化硬件的复杂度，同时能够使得处理器功能变强结构变得简单。硬件简单的另一个好处是能够使得时钟具有很大的增长速度。

4.3 单芯片多处理器体系。随着VLSI等工艺水平的不断提高，人们自然会想到制作单芯片的多处理器体系。在不同的制作工艺水平下，单芯片上能够集成的晶体管的个数是不一样的。这种集成个数会随着其制作工艺水平的提高而急剧提高。单芯片的多处理器体系的很大的优势就是其制作非常简单，同时具有较好的伸缩性。其它处理器结构对很多方面都有要求，但是它对单处理器的结构并没有特别的要求。因而具有很大的发展前景，是一种很好的技术。

5 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。在现代的微处理器中，大体上可以将其体系结构分成两大类，这两大类分别是：基于CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构。本论文简要介绍了计算机的发展现状，然后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]王沁.现代VLIW体现研究的技术路线[J].自动控制与计算机系统，1999（08）.

[2]卢凯，胡湘华.高性能计算机的系统分区技术研究[J].计算机科学，2004（31）：179-182.

[3]黄铠，徐志伟.可扩展并行计算技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]李根国，桂亚东，刘欣.浅谈高性能计算的地位及应用[J].计算机应用与软件，2006（23）：3-5.

篇5

中图分类号：TP338 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0088-01

1 可重构并行计算机系统的基本理念

可重构并行计算机系统要依附于软件控制，通过可重用的资源，重构及重组转换为另一个计算体系，以匹配于差异化的相关需要。其具备可重构特性的计算机制我们称其为可重构计算系统。

重构和重组是可重构计算机制转换其基本功能的两种措施，前者即新计算系统的功能外部系统，其在旧的计算系统内并不存在，通过旧计算系统的可重用资源重新组建而成。而后者即新计算系统的功能部件，通常存在于旧的计算系统，经重新组合构建为另一套计算构架。

可重构并行计算机系统的核心体现在可重用资源，在研发FPGA前，可重构计算机系统一般都择取重组的措施；而在FPGA出现后，使重构措施变得具有可行性，经匹配相应的文件，设置各性质与线的链接，进而调节硬件的基本模式。

可重构并行计算机系统是为避免硬件结构和应用无法相适应这一问题。根据处理问题的程度，可把可重构分成下属几种：第一种，门级可重构，以核心门级作为切入点，重构计算机制。也就是把功能部件的逻辑通过FPGA予以深化，在使遇到算法改变的时候，利用调整FPGA的配置去完善其功能。此类重构即电路级可重构；第二种，部件级可重构，初期的重构以功能部件作为切入点，利用对功能部件的重新组合去匹配于差异化的计算机制；第三种，指令级可重构。

在常规处理器单元的基础上设置相应的计算设备，为计算的特殊需要奠定基础，以达到大计算量指令与附属程序的执行，此类深化计算机性能的重构措施即指令级可重构；第四种，芯片级可重构，在多处理器共用的原则上，使处理器位数产生变更、处理设施个数能够和处理器间互连，且能够予以变动的计算机体系，此类体系即芯片级可重构。

2 可重构计算的系统构架

可重构矩阵能够访问指标化处理器单元的高速缓存，不过可重构矩阵能够和常规处理器单元单独执行命令，也能够在指标处理器单元的控制下去执行相应命令。可重构计算的技术核心为可重构矩阵，其中可重构矩阵的组建可以依附于基本门，同样功能部件亦可组建重铸矩阵。可重构计算的技术主要包括下述几类：第一类，可重构阵列元素的组建，明确可重构阵列元泰的功能与其功能实现特性；第二类，可重构阵列元素的物理交互，因为可重构阵列需要匹配于差异化的计算要求，最为有效的物理交互措施即为全连通。第三类，可重构阵列元素的链接控制，差异化的计算需要我们要匹配于差异化的连接模式，怎样控制可重构矩阵元素的连接模式，使其应用更为便捷，需要根据实际情况而定。

3 可重构并行计算机系统计算机体系结构研究的进展

自从计算机发明以来，冯・诺依曼体系结构一直占据计算机体系结构的统治地位，科学家和工程师们在此基础上不断研究硬件和软件，使CPU和存储器技术得到了飞速的发展，也为信息化、网络化奠定了基础。

随着人们对信息化的要求越来越高，冯・诺依曼体系结构已经无法满足人们的技术需求和发展要求，对计算机的要求不再仅仅是高速计算，同时更应具备信息处理和智能升级能力。可重构技术与多核技术的出现为此提供了基础。近年来所发展的计算机体系结构主要包括下述几点：第一，CPU不仅为一核，而是通过多个核组成； 第二，存储设施不在是体系的核心构成因子，取而代之的是信息路径；第三，现阶段计算机已不再是通过五大部件所组成，而是通过一些信息处理节点所构建，每个节点的智能化与集成化越来越高；第四，程序设计涵盖了软件与硬件，生产方给出的产品会是独立封装好的中间件，作为应用方不需要侧重于程序的构架，只要做好专业设计即可。

4 结语

重构和重组是可重构计算机制转换其基本功能的两种措施，前者即新计算系统的功能外部系统，其在旧的计算系统内并不存在，通过旧计算系统的可重用资源重新组建而成。而后者即新计算系统的功能部件，通常存在于旧的计算系统，经重新组合构建为另一套计算构架。

近年来所研究开发的可重构并行计算机系统的核心体现在可重用资源，在研发FPGA前，可重构计算机系统一般都择取重组的措施；而在FPGA出现后，使重构措施变得具有可行性，经匹配相应的文件，设置各性质与线的链接，进而调节硬件的基本模式。

参考文献

篇6

中图分类号：TP3 文献标识码：A文章编号：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

高性能计算机传统上指的是运行速度非常快的计算机，等同于超级计算机，致力于专业用户进行大规模科学和工程计算，追求的性能指标是浮点计算能力。随着对于高性能计算的应用需求由CPU运算密集型的科学和工程计算拓展到I／O处理密集型的商业事务处理，高性能计算机从单纯追求CPU运算能力变为追求包括I／O处理能力在内的综合性能指标，而且随着用户群体的扩大、对价格的日趋敏感以及PC服务器和互连网络等技术的成熟，高性能计算机已经倾向走产业化发展道路，采用开放的软硬件技术[1]。

当前，以机群为载体的高性能计算机已广泛应用于教育、游戏、气象、石油、航空航天、金融、生物、制造、信息建设等各个领域。高性能计算机应用的深度和广度在急剧提高。在深度方面，如北京2008年奥运气象预报要求分辨率从15公里提升到3公里；在广度方面，原来不需要HPC的领域，如政府、企业、诸多行业信息中心，由于信息处理量和访问量剧增，没有高性能计算机已无法完成信息整合和处理能力的提升。机群技术的日益普及已经深刻影响了高性能计算产业的发展，并推动全球高性能计算产业进人一个平民化应用时代，我们也称之为“泛高性能计算时代”[2]。

一、高性能计算机历史回顾

最早的电子计箅机就是为了能够进行大量繁琐的科学计算而产生的。从1960年开始，计算机技术逐渐成熟，在各种商业领域慢慢地开始采用电子计算机，而且应用范围也越来越广，逐渐出现了针对各种不同商业用途的计算机，被称为“通用计算机”。相对于“通用计算机”，具有性能和功能上的优势的一类计算机被称为“高性能计算机”，在当时主要用于科学计算。

20世纪70年代出现的向量计算机可以看作是第一代的高性能计算机。通过在计算机中加入向量流水部件，可以大大提高科学计算中向量运算的速度。到80年代，出现了并行向量多处理机(PVP)，依靠并行处理，进一步提高运算速度。向量机成为当时高性能计算机的主流产品，占领了高性能计算机90%的市场。

20世纪90年代初期，大规模并行处理(massively parallel processor，MPP)系统开始成为高性能计算机发展的主流。MPP模式是一种分布式存储器模式，能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。MPP体系结构对硬件开发商颇具吸引力，因为它们出现的问题比较容易解决，开发成本比较低。由于没有硬件支持共享内存或高速缓存一致性的问题，所以比较容易实现大量处理器的连接。

较MPP早几年问世的对称多处理机SMP系统，是由数目相对较少的微处理器共享物理内存和I/O总线形成的计算机系统（国内最早基于微处理器的SMP为曙光1号）和MPP相比，早期的SMP扩展能力有限，并不具有很强的计算能力。但由于SMP与单机系统兼容性好，是单机系统的升级与增强，被广泛应用于商业计算领域。

20世纪90年代中后期的一种趋势是将对称多处理器结构（Symmetric Multi-Processor，SMP）的优点和MPP的扩展能力结合起来，这一趋势发展成后来的CC―NUMA结构，即分布式共享内存。每个处理器节点都可以访问到所有其它节点的内存，但访问远程内存需要的延迟相对较大。NUMA本身没有在提高性能的角度上进行较大的创新，主要优点是便于程序的开发和与SMP的兼容性。而对于科学计算任务，CC―NUMA结构是否优于MPP系统仍存在争议。

在发展CC―NUMA的同时，集群系统(cluster)也迅速发展起来。类似MPP结构，集群系统是由多个微处理器构成的计算机节点，通过高速网络互连而成。节点一般是可以单独运行的商品化计算机[3]。由于规模经济成本低的原因，集群系统具有比MPP更高的性能／价格比优势。集群系统还继承MPP系统的编程模型，更进一步地加强了其竞争优势[4]。

二、高性能计算机技术发展现状

当前，全球TOP500已经成为高性能计算领域的晴雨表[5]。第35届全球超级计算机TOP500排行榜于2010年5月31日在德国汉堡举行的SC10大会上。排名第一的仍是美国Cray公司研制的“美洲豹”系统；中国曙光公司制造的“星云”超级计算机以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二，此次成绩可谓曙光高性能计算机突破历史的最好成绩，也是我国高性能计算机的历史最好成绩。在TOP10系统中，IBM公司占有4台（一台“走鹃”和三台“蓝色基因”），Cray公司拥有2台（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中国的曙光公司和国防科技大学各占有一台。但我国所制造两台系统（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美国的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可见，美国在高性能计算领域的综合技术实力是无可比拟的。

篇7

依据上海理工大学实施教育部“卓越工程师教育培养计划”的要求，上海理工大学计算机科学与工程系确立了计算机科学与技术、计算机工程两个本科专业定位为培养计算机工程领域需求的工程性人才。在参考ACM/IEEE-CS CC2005[1]对计算机工程(CE)学科课程体系设置的基础上，我们将计算机组成原理和计算机体系结构的知识组织为一门统一的计算机组成与体系结构课程，并采用白中英教授主编的《计算机组织与体系结构》作为理论教学教材[2]。

计算机组成与体系结构课程涵盖两个方面：计算机组成的基本原理和计算机体系结构量化设计的基本方法。计算机组成原理是通用计算机系统结构的一般性逻辑实现方法；计算机体系结构揭示计算机系统的属性，包括概念性结构和功能特性，确定计算机系统软硬件的界面。二者既有区别，又有内在联系，因此，适合于整合为一门综合性专业基础课程。但是，由于计算机组成原理是计算机相关专业全国研究生统一入学考试的专业基础课，因此，我们确定本课程的教学内容侧重于计算机组成原理的教学。

根据教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会制定的《高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案》中关于计算机组成原理课程的实施方案[3]，我们确立了计算机组成与体系结构的教学目标是围绕单CPU计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统讲述计算机硬件系统及功能部件的内部结构、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法，使学生理解计算机硬件系统的组织结构与工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为计算机工程领域培养具有硬件设计和实施能力的工程性人才；主要教学任务是培养学生对计算机硬件结构的分析、应用、设计和开发能力，系统地理解计算机系统各部件的工作原理和运行机制。

1 教学现状和存在的问题

多年来，计算机组成原理被认为是一门既难教又难学的课程。而计算机组成与体系结构则包括计算机组成和计算机体系结构，这使得教学内容更多、学习难度更大。因此，很多同行一直在通过各种方式提高这门课程的教学质量[4-7]。结合我校计算机相关专业的具体情况，我们分析发现造成这一问题的因素有三个。

第一，本课程需要有数字电路、数字逻辑知识为基础。但是，由于大一大二两学年我院采用工科通识教育的缺陷，使得计算机和网络工程两个专业的本科生在学习本课程前没有学习过数字电路和模拟电路，也不了解数字逻辑设计的方法。因此，学生基础差，难以跟上教学进度。

第二，本课程涉及的知识面广、概念多，而且计算机内部芯片高度集成化，学生缺乏对计算机各部件的感性认识。因此，理解其物理结构和工作原理比较抽象，学生难以理解。而且，由于该课程讲授的计算机最基本的原理和方法，课程教学内容的直接应用目标也不可能很明确，学生难以理解该课程的直接应用价值，对该课程的重视度不够。

第三，在计算机软件的学习过程中，学生通过编程技术可以获得可见的结果。而对比计算机硬件课程的学习，学生难以把学到的硬件知识马上应用起来，不容易获得类似软件编程的直观感受，学生普遍的认识有偏差。这导致学生误认为本课程学习内容的实用性不强或者误认为软硬件之间的联系不大，以后自己只从事软件编程工作，不需要掌握计算机硬件设计方面的知识。

基于以上对计算机组成与体系结构课程的定位，结合我校人才培养目标和教学现状，下面，我们将从教学内容设置、理论教学方法、实践教学规划、课程考核制度、师资队伍建设和综合教学平台建设六个方面具体提出本课程的建设方案。

2 核心课程创新建设的综合方案

2.1 教学内容设置

教学内容设置方面的建设主要集中在三个方面：第一是补充本课程的基础知识，包括数字电路中的TTL门、MOS管技术等和数字逻辑课程中的逻辑代数基础及组合电路逻辑设计方法；第二是补充《计算机组织与体系结构》教材中缺失的内容，比如增加计算机体系结构中关于指令级并行软硬件设计方法、Cache失效性分析、多处理机同步与通信机制等。在计算机组成原理的教学内容上，尽量补充计算机体系结构量化分析的方法和设计原理；第三是补充多核处理器技术的最新设计方法和工作机制，这部分内容主要提供给对计算机体系结构感兴趣的、学有余力的学生自学之用。

为保证理论教学和实验教学时间的充裕性，我们将理论教学和实验教学单独开课，实验课的进度和理论课的进度相匹配，其中理论教学安排64学时，实验教学16学时，使得理论教学和实验教学的学时比为4:1。此外，对学有余力和参加竞赛的同学另行再组织和指导创新实验，使得理论教学和实验教学环环相扣，逐步深化，并使得培养的学生具有一定的创新设计和实践能力。理论教学计划如表1所示。

这种教学计划使得计算机组成与体系结构课程的教学内容更加丰富，既避免了本课程只讲授计算机组成原理或者只讲授计算机体系结构知识的弊端，又能保证学生将来参加研究生入学考试时对计算机组成原理知识的全面掌握。

2.2 理论教学方法

在讲授基本原理的过程中，我们注意融入计算机硬件技术发展的新技术并作为学生课后自学的内容，注重基础理论与最新技术的融合。由于计算机组成与体系结构知识比较抽象，理论学习比较枯燥，因此教学过程中我们要与学生交流互动，向学生提出启发式和开放式的问题，引导学生深入思考。讲课中注意触类旁通，采用举例、类比的方法，将深奥、难以理解的问题用学生最容易接受的方式和语言表达。理论课程全部采用课堂教学方式，以多媒体课件为主，适当使用一些板书。充分发挥多媒体教学采用动画技术或Flash技术，充分展现基础性方法和原理的动态执行过程。比如：SRAM读写周期的过程、Cache的访问和替换策略、指令流水线的过程等。

然而，多媒体教学方法对运算方法和运算过程的教学效果却不尽人意。经分析，我们发现问题主要是定点数、浮点数进行加减、乘除的计算过程没有采用传统板书教学并按步骤书写，而是采用多媒体教学且放映速度较快，学生来不及仔细体会其中的设计技巧和验证计算结果。

因此，后期涉及到计算相关的教学，我们都尽量采用传统的板书教学方法；而对于简单的控制流程、运行机制、状态更新等内容主要采用多媒体教学方法，这既发挥了多媒体教学生动、信息量大的特点，又体现了传统板书教学的细致和严谨。

此外，理论教学过程中建议采用引导式教学方法，而不能采用填鸭式灌输教学。讲授第二章运算方法和运算器前，先要介绍计算的基本功能就是进行算术逻辑运算，既然是算术逻辑运算，那就有二进制数参与运算，那么就会介绍各种数的机器表示形式；然后介绍数值数据的加减法和乘除法，包括原码、补码和移码的计算，然后介绍计算过程的硬件逻辑实现过程；最后介绍浮点数的加减乘除运算过程和硬件设计框图。

2.3 实践教学规划

在实践教学方面，我们从实验内容和实验方式开展教学革新。在实验内容上，分别针对基础性原理、综合性知识和创新实验有针对性的开展实践教学。针对基础性原理设计了验证性实验，比如采用多功能运算部件74LS181设计16位运算器的实验电路，验证运算器的功能等；对于综合知识，我们组织设计性实验，比如给每组学生分配一张指令表，指令表中包含十余条不同的机器指令(主要包括设计HALT, MOV, ADD, SUB, MUL, DIV, LOAD, STORE, JUMP)，要求学生根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程，设计微操作控制信号和微指令格式，确定初始微地址和后继微地址的形成，然后根据指令流程和微指令格式编写出每条机器指令所对应的微程序，同时还要针对每条机器指令编写相应的测试程序，以测试微程序的正确性。最终，我们要求学生设计出一个支持简单指令级的16位计算机系统；鼓励和挖掘有潜力的学生组织开展创新型实验，以组织兴趣小组或竞赛小组的形式，开展实际的工程应用开发或创新型实验的设计工作，比如通过EDA软件设计计算机系统的存储部件、控制逻辑电路等，通过软件仿真测试并烧录到FPGA器件上，检验实验的正确性；或者采用单片机、ARM处理器或RISC处理器设计一个嵌入式实验系统。由于课程教学和实验教学学时有限，创新型实验主要安排在学期末最后一个月的短学期内实施。

对于实验方式，我们的教改措施主要有：1)要求理论教学的老师亲自带教实验课程，避免理论教学和实验教学老师分开、责任不明确，导致实验课马虎过关的现象；2)具体实验前，由老师讲解实验步骤和注意事项。授权学生将实验设备或器材带回宿舍进行充分的设计和实验，与此同时他们还可以通过实验老师的即时通讯工具或教学平台提供的学生论坛相互交流实验经验和提出问题；3)实验的教学检查采用分组答辩的形式，由学生团队自由组织并分工，撰写实验报告、答辩PPT及回答答辩提问。

2.4 课程考核制度

理论教学和实验教学单独考核并采用量化考核措施。对于理论教学环节主要考核学生的出勤率(10%)、作业完成情况(20%)、期末考试成绩(70%)。

1) 出勤率：按出勤次数计算，每次出勤计2分，总分10分。

2) 作业完成情况：每学期安排5次作业，每次总分计4分。按作业缴纳次数和作业评价结果记分， ，每次缴纳作业 =1，没有缴纳 =0； 表示每次作业的成绩，如表2所示。

3) 期末考试：成绩占理论课程学成绩的70%。

实验教学环节安排5次实验，主要考核学生的出勤率(10%)、组织与团队协作能力(10%)、实验完成情况(30%)、实验报告(25%)和答辩情况(25%)。

1) 出勤率：按出勤次数计算，每次出勤计2分，总分10分。

2) 组织与团队协作能力：根据团队成员分工情况和安排的组织讨论情况记分，每次计2分，总分10分。

3) 实验完成情况：考核每个学生是否按规定完成制定的实验任务，每次实验总分计6分，分四个等级。按规定独立完成实验任务的记6分，在同学帮助下完成任务的记4分，在指导老师帮助下完成任务的记2分，缺席实验的记0分。如表3所示。

4) 实验报告：考核学生总结、归纳实验任务的能力，是否按规定填写和总结实验任务，是否具有详细的实验分工、实验任务、实验步骤、实验结果、实验分析五大要素。每个要素1分，每次实验总分记5分。

5) 答辩情况：每次实验配以答辩环节，每次答辩总分5分，共计25分。能正确回答答辩中提出的问题的记5分，与同学协商后正确回答问题的记3分，其他记2分。

2.5 师资队伍建设

按照建设一流教师队伍的要求，结合学院师资队伍建设，我们增强本课程讲授的师资力量，引进具有国外留学经历的青年教师，建立完善的教师梯队，同时，加强对青年教师的培养，提高教师教学、科研水平，鼓励青年教师参加国内外访问学者计划或者计算机组成原理和体系结构的理论教学或实验教学培训计划。积极参加计算机学会体系结构委员会和计算机教育委员会组织的活动。

2.6 综合教学平台

建设本课程的教学网站，将每一节课讲授内容的电子课件向学生开放，便于学生课后复习和巩固所学知识。同时，进一步完善本课程网站资源，开辟专门的教学论坛、教学QQ和群组供学生讨论问题。

聘请研究生担任助教，负责与实验课的老师一起完成实验项目、回答学生问题、批改习题作业。保证学生能够随时通过电子邮件和即时通讯工具联系到这些助教，在课程学习过程中遇到困难和问题时就能够及时地得到辅导和帮助。助教将收集到的反馈信息汇总，主讲教师根据这些信息及时调整教学方式和教学内容，满足学生求知的欲望和需求。

综合教学平台的总体功能包括介绍教学内容、师资队伍、教学计划、教学进度、课件资源、在线答疑、论坛讨论、习题库、友情链接等，由专人负责管理和更新，真正实现教学平台作为教师与学生沟通的桥梁作用。

3 结语

通过以上措施，我们获得了较为明显的教学效果，实验教学的质量也得到大幅度的提高。学生由以前害怕、拒绝学习计算机组成与体系结构课程转变为对计算机组成和体系结构设计的热爱，并获得了更多直观的体会，进一步正确理解了计算机组成和计算机体系结构的作用和意义，达到了我们建设核心课程的初期目标。

通过前期的规划和初步实践，我们计划将在以下三个方面进一步推进本课程的建设。

第一，进一步了解学生的学习基础和学习兴趣，根据因材施教的思想，把实验内容分成不同的层次，面向不同的对象。保证必做实验的水平和质量，提高选做实验的数量和种类，满足多方面学生的需求。

第二，进一步与硬件设计、生产企业合作，组织学生参加全国性的设计大赛。既让学生接触、应用到最新技术的芯片或者设备，又能提高本校在企业界和教育界的知名度。

第三，根据本校学生的学习基础、课程教学计划，编制一套更适合本校实际情况的、符合计算机组成和体系结构两个方面知识的理论教材和实验手册。

参考文献：

[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,戴志涛,杨春武,等. 计算机组织与体系结构[M]. 4版. 北京:清华大学出版社,2008.

[3] 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核心课程教学实施方案[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[4] 李山山,全成斌. 计算机组成原理课程实验教学的调查与研究[J]. 计算机教育,2010(11):127-129.

[5] 胡晓婷,王树梅,任世锦,等. 提高计算机组成原理课程教学效果的途径与方法[J]. 计算机教育,2010(11):97-100.

[6] 郑丽萍,秦杰,王献荣. 计算机组成原理与计算机系统结构的教学内容衔接[J]. 计算机教育,2010(11):52-55.

[7] 何会民,潘雪增.“计算机组成与设计”课程教学创新改革[J]. 高等理科教育,2007(4):74-77.

Educational Innovations of Computer Organization and Architecture

PEI Songwen, WU Chunxue

篇8

中图分类号:TP

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)05-0325-01

1 云计算概念及特征

目前,“云计算”还没有一个十分确切和统一的定义,较一致的观点认为云计算(或称云端运算)是在极大规模上将可扩展的信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种网络应用模式;是一种动态的、易扩展的且通常是通过高速互联网提供虚拟化的资源计算方式。它强调了处理无所不在的分布性和社会性――这种新兴的计算模型将任务分布在大量计算机(或具有计算能力的设备)构成的可自我维护和管理的虚拟计算资源池上,使各种应用系统根据需要获取计算能力、存储空间和软硬件服务。

云计算将网络上的计算资源(包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等)集中起来并由软件实现自动管理,无需人为参与。“云”端可在数秒内处理数以千万计甚至亿计的信息,达到和“超级计算机”同样强大的计算效能。2 云计算体系结构

2.1 云计算的基本思想

云计算主要关注如何充分地利用互联网上软件、硬件和数据的能力,以及如何更好地使各个计算设备协同工作并发挥最大效用的能力。其基本思想是“把力量联合起来,给其中的每一个成员使用”,它采用共享基础架构的方法将巨大的系统池连接在一起为用户提供多种IT服务。通过使计算分布在大量的分布式计算设备上,“云”端被作为数据存储以及应用服务的中心,企业可将云端资源切换到其所需的应用上,根据具体需求来选购相应的计算和存储服务。

2.2云计算体系结构

“云”是一个由并行的网格所组成的巨大的服务网络,它通过虚拟化技术来扩展云端的计算能力,以使得各个设备发挥最大的效能。数据的处理及存储均通过“云”端的服务器集群来完成,这些集群由大量普通的工业标准服务器组成,并由一个大型的数据处理中心负责管理,数据中心按客户的需要分配计算资源,达到与超级计算机同样的效果。图1展示了云计算体系结构的模型,并在文中对相应的实体给出具体描述。

图1 云计算体系结构模型

(1)User Interaction Interface:用户交互界面,通过终端设备向服务云提出请求。

(2)Services Catalog:一个用户能够请求的所有服务目录,可根据自身的需求选择相应的服务。

(3)System Management:系统管理,用户管理计算机资源是否可用。

(4)Provisioning Tool:服务提供工具,用于处理终端请求的服务,需要部署服务配置。

(5)Monitoring and Metering:监控和测度,对用户服务进行跟踪和测量,并提交给中心服务器分析和统计;

(6)Servers:服务云,由系统管理和维护,可能是虚拟服务或者真实的。

在云计算体系结构模型中,前端的用户交互界面(User Interaction Interface)允许用户通过服务目录(Services Catalog)来选择所需的服务,当服务请求发送并验证通过后,由系统管理(System Management)来找到正确的资源,接着呼叫服务提供工具(Provisioning Tool)来挖掘服务云中的资源。服务提供工具需要配置正确的服务栈或Web应用。

云计算同时描述了一种平台以及构建在该平台上的一类应用,图2展示了用户获取“云端”资源的基本过程:“云”端为用户提供扩展的、通过互联网即可访问的、运行于大规模服务器集群的各类Web应用和服务,系统根据需要动态地提供、配置、再配置和解除提供服务器,用户只需基于实际使用的资源来支付相关的服务费用。

图2 用户获取服务云资源过程

3 结语

虽然现在的云计算还不能完好地解决所有问题,但是在不久的将来一定会有越来越多的云计算系统投入使用,云计算本身也会不断地得到完善并成为工业界和学术界研究的另一热点。

篇9

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4407-02

进入21世纪以来，信息互联网技术已经遍布我们的生活与工作中，给人们的生活和工作带来一定的便利。然而矛盾经常是对立存在的，计算网络信息的安全问题也会经常发生，给使用人员尤其是一些大型企业公司带来巨大的影响。因此，构建计算机网络的信息安全体系就显得非常必要。

1 安全威胁存在于信息安全中

1.1 共享性存在于通信网络中

构建计算机网络体系的主要目的是实现资源共享，因此给攻击系统安全的黑客提供了一定的机会，他们利用共享资源，给计算机网络体系带来一定的破坏。

1.2 开放性存在于通信网络当中

用户在计算机网络中非常简单的就能够查阅到个人、单位、企业的隐私信息。一定程度上受害人和企业公司无法觉察到自己的信息已经泄漏，对自身或者企业的发展带来巨大的损失与伤害。

1.3 复杂性存在于操作系统中

复杂性存在于计算机的系统当中，会造成复杂性同样存在于通信网络的安全管理工作当中。

1.4 不确定的边界

计算机网络边界的不确定性往往就是因为计算机网络的可扩展性造成的。资源共享的形式存在于计算机网络当中，通信网路的安全边界在访问的时候会受到损害，严重的威胁计算机网络的安全。

1.5 操作路径的不确定性

多条路径会存在计算机用户的宿主机到其他的宿主机当中。因此，在对公司的有关机密资料进行传发的时，从启发点到终结点当中会流经多个路径，或者说会被多个渠道所接收，因此中间节点的可靠性很难得到保证。

1.6 网络信息中的高度集中性

一旦出现网络信息分离的小块时，就会有较小的价值存在于信息当中，只有集中起大规模的有关信息，才能将有效的价值显示出来。

2 具体的结构形式

信息技术在现阶段的一些企业公司中得到了广泛的应用，大大的拓宽了信息安全的内涵要义。网络信息的可用性、可靠性、完整性逐渐取代了最初阶段信息的保密性，因此其中就会存在一定的不可否认性。同时又向着控制、管理、评估、检测、防范、攻击等方面的理论基础和实践形式上演变。之前的信息安全技术通常都在计算系统的防护环节和加固环节上集中存在，一旦应用于安全等级非常高的数据库和操作系统，将相应的防火墙设置在计算机网络的出口处，将加密的技术应用到传输和存储数据信息的过程中，针对单机系统环境来进行设置是传统形式系统安全模式的主要特征，没有办法很好的描述计算机网络环境的安全情况，并且会缺乏有效的措施存在于系统的脆弱性和动态形式的安全威胁当中。因此，静态的安全模式是传形式安全模式的一大特征。

当今社会，计算机网络不断发展，动态变化的互联网问题通过静态安全模型已经很难予以解决。这样一种全新信息安全系统的出现，能够很好的解决上文中所提及的问题。信息安全系统是一种基于时间变化的动态理论提升计算机信息系统和计算机网络的抗攻击性，为了有效提升计算机信息系统和计算机网络的抗攻击性，提升数据信息的不可确认性、可控性、完整性和可用性，就要为信息安全体系结构提出一个新的思路：结合每种不同的安全保护因素。例如，安全漏洞检测工具、防病毒软件、防火墙等将一个防护更加有效相对单一的复合式保护模式建立起来，安全互动、多层的安全防护体系模式对黑客攻击的难度与成本上会提升好几倍。因此，对计算机网络系统的攻击就会大大的缩减。

WPDRRC是这个信息安全体系的主要模型，主要通过下面的形式呈现出来：

图1 WPDRRC安全模式

2.1 W预警

全部信息安全提醒是通过预警予以实现的，可以给网络安全的防护提供正确、科学的分析评估。

2.2 P保护

它的功能是提升网络的安全性，主动的防御一些攻击，对创建的新机制上予以应用，不断的检查安全的情况，评估网络威胁的弱点，确保各个方面是互相合作的，当把政策不一样的情况检测出来时，确保安全的政策存在于整体的环境中，会带来一定的帮助，为了将网络抵御攻击的能力提升上来应用了PKI和防火墙技术。

2.3 D检测

为了将入侵的行为尽快的检测出来，这是应用入侵检测的目的，为将关键的环节尽快的制定出来，对主机的IDS和网络进行应用，将技术性的隐蔽应用到检测系统当中，对攻击者进行抵制，防止它进一步发展破坏临测工作。对入侵的行为及时的予以检测，将更多的时间提供非响应，对和防火墙互防互动的形式上予以应用，将综合性的策略应用到网路安全管理。因此，就应该将一个安全监视的中心构造起来，对整个网络的安全工作情况进行整体性的了解，在对攻击进行防止的时候，检测是其关键的一环。

2.4 R响应

当有攻击的行为出现在计算机中时，为了能够尽快防止攻击，对正确及时的响应上就要立刻的予以实现，对取证、必要的反击系统、响应阻止、入侵源跟踪等就要实时的予以响应，避免再次发生相似的情况。并且还有可能将入侵者提供出来，对入侵者的攻击行为上也能够有效的进行抵御。

2.5 R恢复

防范体系的关键环节就是利用它呈现出来的，不论防范工作做得怎样紧密、怎么完善，也没有办法避免不露出一点的马脚。在对信息的内容利用完善的备份机制进行保障的时候，会有一定的恢复功能存在于其中。对破坏的信息进行控制和修补的时候，可以应用快速恢复、自动的系统来进行，降低个性的损失。

2.6 C反击

应用先进的技术，将入侵的依据、线索提供出来，将合理的法律手段应用在入侵者身上，对其进行法律打击时有法律作为保障。由于证据在在数字形式的影响下很难获得，因此，一定要对证据保全、取证等技术进行发展与应用，在破译、追踪、恢复、修复的方式上进行使用。

信息安全体系的核心是由人员构成的，在信息安全体系建设中，它的主要保障就是管理的体系，以信息安全技术作为支撑。需要根据自身的情况在实际中应用，适当的调配这几个方面，就能很好的完成信息安全体系的建设。在信息安全体系的构成中绝对不能忽视人为这个重要的因素。其现实意义可以借助以下的结构图形表示：

3 结束语

综上所述，多元化的网络发展已经逐渐的应用到企业公司当中，在公司对各种信息进行交流的时候，几乎全是利用网络信息予以实现的，为公司的发展带来了巨大的效益和便利。但是现阶段一些企业公司在使用网络信息的过程中逐渐暴露出一些问题，重要信息失真的情况也会经常的发生，给公司的发展蒙上了一层黑雾。因此，我们要进一步优化计算机安全体系的结构，构建有效的防治措施，在确保公司机密不被窃取的情况下合理的应用计算机网络信息，促进企业在健康的网络环境下，又好又快的向前发展。

参考文献：

篇10

关键词：高层钢结构住宅；结构计算及分析；地震荷载；风荷载

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

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0131-03

0 引言

钢框架结构与混凝土框架结构相比，有很多不同之处。一方面钢材比混凝土材质更为均匀、各方向的力学性能几乎一样，这些有利于结构的分析计算；另一方面，钢材强度较高，在相同承载力下钢构件的截面可以减小很多。这是钢结构的一个优点，但同时也产生一些问题：构件截面的抗弯刚度EI、抗扭刚度GIt、抗翘曲刚度EIw均小于混凝土构件的各个刚度值。刚度小就意味着抗变形的能力比较差，容易产生较大的变形。[1-5]

1 荷载效应的计算

我国《钢结构设计规范》对框架结构的内力计算作规定，但公式只限于弹性分析，而且一般采用一阶弹性分析。由于钢框架结构P-Δ效应较大，采用一阶弹性分析显得保守，这时宜采用二阶分析。国内外学者对钢框架结构二阶效应进行了研究，比较成熟的分析方法有两种：塑性区法和塑性铰法。这两种方法都对材料进入塑性阶段给出了研究结果。但由于计算工作量大，难于在实际结构设计中推广。

本文按照我国钢结构设计规范（GB50017-2014）中的设计方法，通过PKPM软件，对常用的钢结构体系进行分析，从而找出结构性能比最好的结构体系。[1-2]

2 PKPM计算分析

2.1 结构模型

现以昆明某小区12层钢结构住宅为背景，建筑方案为：（高层）地下1层，地上12层，出屋面楼梯、电梯间1层；层高为地下3.6m，地上12层每层均为2.9m，出屋面4.1m；室内外高差：0.45m；地上结构总高度：0.45+2.9×12=35.25m；结构方案为：楼板采用现浇混凝土平板，预应力槽形叠合板，楼面预留70mm建筑做法，轻骨料混凝土填充；主体结构材料为钢材：Q235；混凝土强度等级：钢管混凝土柱C40，其他C30；钢筋：HPB300级、HRB400级。基础采用钢筋混凝土桩基础；填充墙采用200mm厚加气混凝土砌块。抗震设防烈度分别考虑7度和8度，设计基本加速度值为0.10g和0.20g，设计地震分组为第二组，场地土特征周期值选取0.40s。

结构类型分别考虑钢框架-支撑结构和钢框架-混凝土筒体结构两种，结构平面布置如图1和图2所示，其三维模型如图3和图4所示。柱子采用方钢管柱和钢管混凝土柱两种类型。

2.2 计算结果比较

通过PKPM计算，将两种结构计算结果进行比较，期中用钢量对比如表1所示，层间位移角对比如表2所示，应力比对比如表3所示。

通过以上分析可以看出，无论是7度设防区还是8度设防区，采用钢管混凝土柱的结构用钢量少，在水平荷载作用下的层间侧移也比较小。说明钢管混凝土柱的使用效果更好，在高层钢结构中表现更好。此外，从应力比对比结果来看，钢框架-混凝土筒体结构各类构件的应力比比较高，说明构件的承载力更能够充分发挥。

3 结论

本文对高层钢结构常用的结构体系进行了分析与对比。从分析结果可以得出以下结论：

3.1 用钢量

无论是钢框架-支撑结构还是钢框架-混凝土筒体结构，采用钢管混凝土柱的用钢量都比较小。7度时两种结构的用钢量比为1：0.96，8度时两种结构的用钢量比为1：0.92，两种结构的用钢量相当。若是考虑经济性，在结构中采用钢管混凝土柱可以大大降低成本。

3.2 抗侧移性能

7度、8度时，两种结构类型都可以满足水平侧移要求，钢框架-混凝土筒体结构更优。两者的侧移不仅满足了规范规定的限值，而且满足了住宅精装修的要求。

3.3 安全性能

钢框架-支撑结构和钢框架-混凝土筒体结构都能满足安全性能的要求，两种结构的构件应力比都比较大，构件的承载力能够充分发挥。

综上所述：钢管混凝土柱的受力性能要强于方钢管柱，在8度区，用钢梁比后者少了8%左右，优势相当的明显。对于钢框架-混凝土筒体结构，在两个方向上筒体都属于强支撑体系，所以安全性能全面高于其他结构类型。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.GB50017-2014，钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社.

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