计算器总结范文1
【关键词】蒸汽发生器；一次侧流动阻力；数值模拟
0 前言
蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备，是核电厂一、二次侧的重要枢纽。在压水堆核电厂中蒸汽发生器一次侧阻力约占反应堆冷却剂系统总流动阻力的40%左右[1]，因此，准确的计算蒸汽发生器一次侧阻力对反应堆冷却剂系统的水力计算和系统布置具有重要意义。
在蒸汽发生器的工程设计中，通常采用专用热工水力程序进行蒸汽发生器的水力计算，如岭澳核电站55/19型蒸汽发生器采用GVSPA程序进行蒸汽发生器一次侧流阻计算，秦山二期核电站60F蒸汽发生器采用GENF程序进行一次侧流阻计算。在上述专用程序中，流动阻力采用经验公式计算，利用经验公式手册查得对应结构的流动阻力关系式，通过简化完成压降计算。这种计算方法需对应于特定结构，针对性较强。目前随着CFD技术的成熟，有学者采用CFD手段开展了蒸汽发生器一次侧流动特性研究[2]。
本文针对AP1000核电站蒸汽发生器的结构特点，采用经验公式方法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧流阻进行了计算，并对两种方法的计算结果进行了分析和讨论。
1 经验公式法计算
针对AP1000蒸汽发生器的结构特点，蒸汽发生器一次侧流动阻力可分为5个部分进行计算，如图1所示。其中包括一次侧入口接管突扩局部阻力K1、一次侧出口接管突缩局部阻力K5、传热管入口突缩局部阻力K2、传热管出口突扩局部阻力K4和传热管阻力K3。
蒸汽发生器流阻计算相关参数可由蒸汽发生器稳态热工水力计算获得。
采用经验公式计算时，选用不同的摩擦阻力系数计算公式，摩擦阻力系数略有差别，但最大差值为3.1%，在工程计算误差可接受范围内。
2 数值模拟计算
2.1 几何模型
由于蒸汽发生器传热管数量众多，且传热管长度较长，横向和纵向尺度差别大，如果对蒸汽发生器一次侧整体进行数值模拟，则会由于网格数目过于巨大，难以实现，因此本文将蒸汽发生器分为进口部分、传热管部分和出口部分，分别进行模拟，最后将结果相加获得总压降。
图2为进口部分流体区域，与进口部分相连接的传热管截取高度为150mm，内径为15.4mm，这样高度大约为内径的10倍，可以保证流体充分发展而不受进口条件的影响。出口部分流体域的确定采用类似方法，传热管截取高度为150mm。
2.2 网格划分
本文利用Ansys中的ICEM CFD进行网格划分，对于变径面以及弧面进行了局部网格加密，对于管束区的网格通过网格拉伸完成，对和流体流向不垂直的壁面添加了附面层网格。进口部分总网格数为4986万，出口部分总网格数为2400万。
工程实际中传热管的数量巨大，难以按照实际情况进行模拟，传热管沿程压降利用最短一根传热管和最长的一根传热管进行数值模拟，通过求取二者压降的平均值作为U型传热管的压降损失。最短的U型管的网格总数为274300，最长的U型管的网格总数为386960。
2.3 边界条件
蒸汽发生器发生器一次侧进口部分水的温度和压力基本相同，且下封头不存在热交换，因此可采用绝热模型，流体区域内水的物性参数根据进口部分水的物性参数确定。进口流速为v=23m/s，温度T=321℃。
蒸汽发生器发生器一次侧出口部分同样可采用绝热模型，流体区域内水的物性参数根据出口处水的物性参数确定。
蒸汽发生器传热管需要与二次侧进行热交换，U形换热管数量巨大，导致换热量较大，但是单根传热管内冷却剂的温度并没有发生很大改变，因此传热管内冷却剂的物性参数根据进出口处水的平均温度给定，根据传热管内平均流速给定入口流速。
2.4 计算模型
本文将蒸汽发生器一次侧分为3部分进行数值模拟，单独考虑进口部分或出口部分，流体温差不大，且为单相液体流，水的密度近似为常数。因此，蒸汽发生器一次各部分侧流场可视为三维定常不可压粘性等温流场。湍流模型分别选用k-ε湍流和SST湍流模型。本计算中的压力为相对压力。
2.5 计算结果及分析
2.5.1 局部流动特性
从计算结果发现，采用k-ε和SST这两种湍流模型对计算结果影响不大，两种计算模型的总压降差值仅约为3.2%，属于工程计算误差可接受范围，下文以k-ε模型的结果为例进行说明。
蒸汽发生器一次侧进口部分总压力分布和速度矢量图如图3和图4所示。由图3的进口总压力分布可以看出下封头的进口接管至传热管的压降较大，说明进口部分阻力较大。
蒸汽发生器一次侧出口部分总压力分布如图5所示。由图5可以看出传热管至下封头的出口接管的压降不是很大，说明出口部分阻力很小。
2.5.2 传热管流动特性
因为传热管束长短不一，由于条件所限，无法对传热管全部进行模拟，本文根据传热管内平均流速给定入口流速。分别对最短的和最长的传热管进行了数值模拟，并将二者的模拟结果取平均值作为传热管的压降。
3 结果分析
3.1 阻力分布
采用经验公式法和CFD方法计算得出的蒸汽发生器一次侧各部分阻力占总流阻的百分比如图6和图7所示。从图中可知，蒸汽发生器一次侧阻力主要是传热管的沿程阻力，约占蒸汽发生器一次侧阻力的65%（CFD方法）和51.1%（经验公式法），这是因为传热管长度较长，导致沿程阻力较大；其次是进口部分的阻力，占一次侧阻力的31%（CFD方法）和37.3%（经验公式法）；出口部分的阻力相对较低，仅占一次侧阻力的4%（CFD方法）和9%（经验公式法）。
蒸汽发生器一次侧进口阻力大于蒸汽发生器一次侧出口阻力，这是因为蒸汽发生器一次侧进口流速较大，且突扩结构的局部阻力系数相比突缩结构的局部阻力系数大。
3.2 两种方法阻力计算结果的比较及分析
CFD方法和经验公式法计算的蒸汽发生器一次侧各部分压降对比如图8所示，其中ΔP1为CFD方法计算压降平均值，ΔP2为经验公式法计算的压降。由图可知，采用CFD方法计算的传热管压降和采用经验公式计算的传热管压降计算结果非常接近，差值约为4%。说明本文在传热管流阻数值模拟时，采用的方法是可靠的。
对于蒸汽发生器进口部分及出口部分的压降，采用CFD方法的计算结果和采用经验公式法的计算结果相差较大。采用CFD方法计算的进口部分压降为经验公式法计算结果的61%，采用CFD方法计算的出口部分压降为经验公式法计算结果的29%，其原因分析如下：
1）经验公式法中，计算进口部分和出口部分的阻力系数时，采用的是突扩和突缩结构的阻力系数计算公式，该计算公式是基于狭窄管道截面上流体速度均匀分布和湍流的情况下得出的，该局部阻力系数取决于窄面积与宽面积的比值。蒸汽发生器的进、出口均位于球封头上，因此并不属于典型的突扩、突缩结构。典型的突扩和突缩结构在流动面积变化处均形成强烈漩涡，正是这种漩涡存在导致能量耗散从而产生压降。从蒸汽发生器进口和出口部分流场可知，在进口和出口处未存在强烈旋涡。
2）对于蒸汽发生器出口部分，由于存在两个出口，在经验公式计算中，采用的是等效截面积方法按突缩结构计算局部阻力系数。这种处理方法导致使用经验公式计算的出口部分压降计算结果与CFD方法计算结果存在较大差别。
总体来说，采用经验公式计算蒸汽发生器进、出口部分阻力是一种偏保守的方法。对于蒸汽发生器进、出口这种特定结构的局部阻力系数，目前无特定的经验公式可用，因此，可在突扩和突缩结构阻力系数计算公式的基础上进行必要的修正，以适应蒸汽发生器进口和出口的特定结构。
4 结论
1）分别采用经验公式法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧阻力进行计算，其中传热管沿程阻力占一次侧阻力的主要部分。
2）采用CFD方法计算阻力时，采用不同湍流模型对计算结果影响较小。
3）CFD方法模拟传热管压降与经验公式法计算结果吻合良好。
4）采用经验公式方法计算进出口阻力与CFD方法计算结果差别较大，在使用经验公式计算蒸汽发生器进出口阻力时，应进行必要修正，修正系数的确定可根据CFD模拟结果并结合实测结果确定。
【参考文献】
[1]丁训慎.立式蒸汽发生器一次侧水阻力计算[J].核电工程与技术，2003，6（2）：16-21.
[2]张勇，宋晓明，黄伟.低流量下蒸汽发生器一次侧流量分配研究[J].核动力工程，2009，30（5）：56-64.
[3]华绍曾，杨学宁，李世铎.实用流体阻力手册[M].国防工业出版社，1985.
计算器总结范文2
关键词: 测试系统;VXI总线; PXI总线
测试技术涉及到众多学科专业领域,如传感器、数据采集、信息处理、标准总线、计算机硬件和软件、通信等等。测试技术与科学研究、工程实践密切相关,两者相辅相成,科学技术的发展促进了测试技术的发展,测试技术的发展反过来又促进了科学技术的进步。
测试仪器发展至今,大体经历了5 代: 模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。自上个世纪80年代以来,伴随微电子技术和计算机技术飞速发展,测试技术与计算机技术的融合已引起测试领域一场新的革命。1986 年美国国家仪器公司提出“虚拟仪器”即“软件就是仪器”的概念。虚拟仪器是卡式仪器的进一步发展,是计算机技术应用于仪器领域而产生的一种新的仪器类型,它以标准总线作为测试仪器和系统的基本结构框架,配置测量模块,通过软件编程实现强大的测量功能。在虚拟仪器系统中,用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,用人的智力资源代替物质资源,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”,而由计算机的硬软件资源来完成它们的功能。另外,通过软件可产生许多物理设备难以产生的激励信号以检测并处理许多以前难以捕捉的信号。虚拟仪器是计算机技术和测试技术相结合的产物,是传统测试仪器与测试系统观念的一次巨大变革。
测试技术和设备涉及国民经济和国防建设的各行各业,先进的电子测试设备在众多行业的科研、生产和设备维护使用过程中起着举足轻重的作用。特别是在电子产品、航空航天、武器装备、工业自动化、通信、能源等诸多领域,只要稍微复杂一点的涉及到弱电的系统(或装置)都要考虑测试问题。测试系统是设备或装备的一个必不可少的组成部分,如武器系统的维护维修离不开测试设备。一个系统(或装置)测试功能的完备与否已成为衡量其设计是否合理和能否正常运行的关键因素之一。
测试仪器和系统在国民经济和国防建设中起着把关和指导者的作用,它们广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和国防科研等行业。测试仪器和系统从生产现场各个环节获得各种数据,进行处理、分析和综合,通过各种手段或控制装置使生产环节得到优化,进而保证和提高产品质量。在武器系统科研试验现场,测试仪器和系统可获得试验中各个阶段和最终试验数据,用于及时发现试验中出现的问题和给出试验结论,并为后续相关试验提供依据。因此,测试仪器与系统对于提高科研和试验效率,加快武器试验进程和保证试验安全至关重要。以雷达、综合电子战为代表的军事电子领域,以预警机、战斗机、卫星通信、载人航天和探月工程为代表的航空、航天领域及以导弹武器系统为代表的兵器领域等都离不开测试设备,它是这些装备和系统正常使用和日常维护及维修所必备的。
1 系统类型
现代的测试系统主要是计算机化系统,它是计算机技术与测量技术深层次结合的产物。随着计算机技术的发展,构成测试系统的可选择性不断加大,按照测试功能要求,可构成多种类型的计算机测试系统。在计算机测试系统分类问题上并没有严格的统一规范,以硬件组合形式划分,测试系统可分为基于标准总线的测试系统、专用计算机测试系统、混合型计算机测试系统和网络化测试系统等4种类型。
(1)基于标准总线的测试系统
基于标准总线的测试系统种类非常多,如ISA总线、PCI总线、STD 总线、GPIB 总线、CPCI总线、VXI总线和PXI总线等。这类系统采用各种标准总线,在PC计算机主板的扩展槽或者扩展机箱插槽上、工控机底板插槽上、VXI和PXI机箱背板总线上,插入各种A /D, I/O等功能和仪器模块,构成测试系统。
目前各类标准总线功能模块和模块化仪器品种齐全且商品化程度高,因此系统集成容易。此类系统具有标准化、模块化、可靠性高、可重构等特点。
(2)专用计算机测试系统
专用计算机测试系统是将具有一定功能的模块相互连接而成。专用计算机测试系统又可分为2大类,一类是专业生产厂商设计生产的大型、高精度的专用测试系统;另一类是专业生产厂商生产的小型智能测试仪器和系统。
专用计算机测试系统最重要的特征是系统的全部硬软件规模完全根据系统的要求配置,系统的硬软件应用/配置比高。因此,系统具有最好的性能/价格比,在大批量定型产品中采用这种类型比较合适。根据所采用微处理器的不同,专用计算机测试系统又可分为标准总线计算机系统和单片机系统。
(3)混合型计算机测试系统
这是一种随着8位、16位、32位单片机出现而在计算机测试领域中迅速发展的结构形式。它由标准总线系统与由单片机构成的专用计算机测试系统组成,并通过各种总线(串行或并行)将2部分连接起来。标准总线系统的计算机一般称为主机,主机承担测试系统的人机对话、计算、存储和处理、图形显示等任务。专用机部分是为完成系统的特定功能要求而配置的,如各种数据的现场采集,通常称为子系统。
(4)网络化测试系统
利用计算机网络技术、总线技术将分散在不同地理位置、不同功能的测试设备集成在一起,加上服务器、客户端以及数据库,组成测试局域网系统,通过网络化的虚拟仪器软件,共同实现复杂、相互组合的多种测试功能。网络型计算机测试系统的灵活性较大,可用多种方式及时地索取现场数据。
2 发展现状
测试系统采用标准总线硬软规范使得测试系统向开放性、集成化发展,推动了测试系统标准化、模块化、虚拟化等进程。目前测试系统可选用的、主流的标准总线包括ISA总线、PC I总线、VXI总线、CP2C I总线和PXI总线及工业现场总线等,其中VXI总线和PXI总线最具有代表性。
VXI总线是上世纪80年代末期在VME总线的基础上扩展而成的仪器系统总线。VXI总线由于采用模块化开放式结构,易于扩展、重构和系统集成。它依靠有效的标准化,采用模块化的方式,实现仪器模块间的互换性和互操作性,使得不同厂商生产
的测量模块能容易地组建一个高性能的测试系统。其开放的体系结构和即插即用方式符合信息产品的要求。缩短了测试系统的研制周期,降低了成本,减小了风险。因此,VXI总线一经问世便受到了测试界的认可并迅速得到推广。
VXI总线系统已在美国国防、航空航天、工业等领域得到较广泛应用。美国国防部对其三军武器维护维修的自动测试系统要求广泛采用现成的基于标准总线的COTS或商用硬件和软件产品。为了实现武器维护维修自动测试系统的标准化、通用化,陆海空军分别采用了综合测试设备(AFTE) 、联合自动保障系统(CASS) 、新型通用测试站(CTS) 。美国许多生产自动测试系统的公司正在把标准的ATLAS语言转换为面向目标的Ada语言,将Ada为基础的测试环境(ABET IEEE - 1266)转换为更广泛的测试环境(ABBET) 。ABBET是一种易于修改和扩充的模块化开放式结构,而VXI总线和其V ISA为能够满足这种环境的规范。为此,美国三军广泛使用VXI总线测量系统完成武器系统的维护维修,达到了降低费用、减少测试设备体积和提高测试效率等要求。
美军F - 22战斗机从生产制造测试到现场维护维修测试过程都采用了商用的通用自动测试系统。此系统采用了VXI总线产品硬件、ABET 软件、UN IX/POSIX/W INDOWS操作系统、局域网LAN、PC /工作站、专家诊断系统、可编程仪器标准指令( SCP I)等等。该系统具有体积小、价格低、测试速度高及性能高等特点。另外, VXI总线测试还广泛用机测试、导弹测试、风洞数据采集、喷气发动机测试、工业生产过程控制和波音757, 767 和777客机测试设备等等。
VXI总线测试系统不仅涉及到电子测量领域,而且已延伸到微波、毫米波和通信领域。在数字域、频率域和时间域的测试得到了较广泛的应用,譬如通信卫星、雷达和电子对抗测试中的任意波形发生器、频谱仪、逻辑分析仪、网络分析仪、微波/射频模块等。VXI总线不仅在军事上获得了应用,而且还在通信、铁路、电力、石化、冶金等行业得到了广泛应用。
全世界有近400 家公司在VXI总线联合会申请了制造VXI总线产品的识别代码,其中大约70%为美国公司, 25%为欧洲公司,亚洲仅占5%。在大约1300多种VXI产品中, 80%以上是美国产品,其门类几乎覆盖了数据采集和测量的各个领域。在市场方面, 2002年以前,美国VXI市场的总销售额虽然仍以每年30% ~40%的增长。近两年来,由于PXI和CPC I等产品的掘起,VXI产品销售增势已趋缓。
1997年美国国家仪器公司N I了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范———PXI总线标准。PXI的核心技术是Compact PCI工业计算机体系结构、MicrosoftW indows软件及VXI总线的定时和触发功能。PXI总线其实是PCI在仪器领域的扩展,它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范,从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订PXI总线规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PC I总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来,形成一种主流的虚拟仪器测试平台。
PXI总线的基础一是当今计算机技术,二是借鉴和吸取了VXI总线特点。VXI基于VME总线,而PXI基于PC I总线。由于标准PC I总线带宽是132MB / s,标准VME总线只有40MB / s,因此PXI总线性能优于VXI总线。由于PXI插卡尺寸小,所以它能够为便携式、台式与固定架式装置提供一个通用平台。开放的PXI总线规范可组成模块化的测试系统,它可以容易地整合多个厂家的测试产品。
PXI总线规范也能把不同平台的仪器集成到PXI测试系统中。如为了兼顾已有的VXI总线系统和保护用户投资,已开发了跨接VXI总线系统和PXI总线系统的转接卡。
近几年, PXI总线产品种类和数量增长迅速。PXI总线系统联盟( PXISA)就有60多家公司参与,这些公司生产或集成基于PXI总线的测试模块和测试系统。现在已有数百种不同的3U或6U PXI模块供用户选用。随着其应用范围和领域的不断扩大,市场份额也将迅速增大。
目前,测试系统发展方向主要表现在以下几个方面:
(1)基于标准总线的硬件平台
测试系统采用模块化开放式标准总线体系结构,易于扩展、重构和系统集成。于是,不同厂商生产的测量模块能容易地组建一个高性能的测试系统。测试系统集成强调基于COTS,不仅可降低系统成本和研制周期,而且可使系统容易升级换代。
(2)分布式、网络化结构
在工业生产和科研试验现场,由于被测系统(或装置)一般均采用分散布置或安装,因此,测试系统应可采用分布式或网络结构,以解决被测信号因长距离传输所造成的测试精度下降问题。同时,测试系统其内部电缆将明显减少,解决了过去复杂的连接问题。网络化测试系统具有资源共享、集中管理、分布测量和处理、功能多样化和操作便捷等特点。
(3)同步授时
测试系统要保证与测试对象的时间同步,此外其本身也应有时间基准要求。因此,测试系统必须要有统一的时间基准即时统,时统一般采用IR IG -B码。GPS授时为首选的一种时间基准。GPS授时型接收机不受时间、地点和气候的限制,可提供高精度、连续的实时授时信息。在测试系统中,应采用具有自主授时、内外同步功能的GPS模块以实现与测试对象同步。
(4)虚拟仪器
虚拟仪器技术的出现,大大增强了测试系统的功能。虚拟仪器的测量功能模式是“动态的”,可根据用户需要来定义或扩展,而不是“静态的”即固定的、不可变更的。除示波器、任意波形发生器、数字表、频谱分析仪等通用测量与分析仪器外,对不同的参量测量类型和需求,通过虚拟仪器平台,依各自测量参数的测量原理,利用信号分析与处理技术,通过编制软件程序,就能实现用户定制的各种测试仪器。因此,虚拟仪器在构建和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性,且可缩小测试设备的体积、减少其重量。
3 基本功能特点
传统的测试系统主要由“测试电路”组成,所具备的功能较少,也比较弱。随着计算机技术的迅速发展,使得传统测试系统发生了根本性和革命性变革。测试系统采用计算机代替常规电子线路作为主体和核心,从而产生了计算机测试系统。将计算机引入测试系统中,不仅可以解决传统测试系统不能解决的问题,而且还能简化电路、增加或增强功能、降低成本、易于升级换代。计算机测试系统具有高精度、高性能、多功能的特点。
计算机测试系统应用专业领域很广,不同的应用领域使用的测试系统或仪器在名称、型号、指标等方面有所区别,组成计算机测试系统的类型也不尽相同。但一般都应具备以下功能特点。
(1)自动校零
可在每次采样前对传感器的输出值自动校零,从而降低因测试系统漂移变化造成的误差,提高测试精度。
(2)自动修正误差
许多传感器的特性是非线性的,且受环境参数变化的影响比较严重,从而给仪器带来误差。可用软件进行在线或离线修正;也可把系统误差存贮起来,便于以后从测试结果中扣除,提高测试精度。
(3)量程自动切换
可根据被测量值的大小自动改变测量范围,从而提高分辨率。
(4)多参数实时测量
可同时对多种不同参数进行快速测量,对一些参数还可多次重复测量或者连续测量,多次重复测量有利于误差的统计,以更真实地反映参数变化规律。
(5)强大的数据处理、分析和评估
对测量的数 据进行各种数学运算、误差修正、量纲换算,以及时域和频域分析等工作。对参数测量的结果具有分析和评估能力。
(6)虚拟仪器功能
通过软件编程设计实现仪器的测试功能,而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。
(7)模拟仿真
通过软件可实现对被测试信号的模拟,以用于系统调试和自检,也可将采集的信息进行回放,用于模拟或仿真被测设备的输出。
(8)资源共享
利用计算机的网络口和串并口,可完成测试系统与外部设备之间的数据传输,实现远距离测量控制和资源共享,便于分布式测量、集中控制等。
(9)在线监测和故障诊断
可对测试系统自身进行实时监测,判断测试结果的正确性,并能自动记录和显示;一旦发现故障则立即进行报警,显示故障部位或可能的故障原因,可利用专家系统对故障排除方法进行提示。对于采用硬件热备份的系统,还可进行热切换,保证测试工作不中断。
4 设计原则
计算机测试系统的研制过程一般应从分析测试任务需求开始;然后进行系统总体方案设计、硬件设计、软件设计、系统调试和现场调试;直到测试系统正式投入运行,并达到所要求的功能和性能指标为止。
测试任务需求分析阶段非常重要,此阶段主要分析系统的技术指标和功能,确定系统的输入通道类型和数量(模拟、数字和开关) 、量程范围、采样频率和精度、传感器类型、测试结果评定标准、输出结果形式等。
对于计算机测试系统硬件设计,首先应综合测试任务需求规模、测试功能指标和测试环境等要素,确定系统结构的基础即选何种标准总线。由于测试任务需求的各异,对于相同硬件构架,通过软件编程可以构成各种不同功能和用途的测试系统。测试软件一般包括系统配置和标定、数据采集和存储、数据处理和分析、数据交换和结果输出、被测信号模拟仿真等5部分。
计算机测试系统设计时,一般应遵循和参照以下原则:
(1)高性能原则
测试系统可容纳接口种类要多;通道容量要大;采样频率要高;采集精度要高;仿真模拟/信号发生器要具备;数据存贮器容量要大;实时采集与处理能力要强;综合分析和评估要强;具备远程诊断能力。
(2)软件设计原则
软件设计应遵循标准化、模块化和可移植性强、代码效率高等原则。
(3)小型化与自动化原则
系统硬件结构要小型化和标准化,以便于运输和安装;自检功能要完备;智能化水平要高,便于操作。
(4)电磁兼容性原则
依据有关国军标,确保系统自身的电磁兼容性;系统在实际工作环境下能可靠地正常地运行;不对其它设备有影响或造成干扰。
(5)可重构原则
能对测试系统硬件和软件进行重新组合和配置,以适应不同测试对象的需求,从而提高投资效益。
5 结束语
计算机测试系统在众多行业的科研、生产和设备使用过程中起着举足轻重的作用,其重视程度显着提高。伴随着信息技术的迅速发展,计算机测试系统将进一步向着开放性、标准化、模块化、重构性强、虚拟化和网络化等方向发展,其在工程技术的各个领域将得到更广泛地应用。
参 考 文 献
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计算器总结范文3
关键词处理器、安全处理器、安全模块、密码模块
1引言
现有的安全技术似乎始终存在着局限性，防火墙被动防御无法阻止主动入侵行为、应用级过滤检测与处理能力存在矛盾，背负众望的IPv6技术也无法鉴别主机、用户真实身份，无法阻止攻击报文。当系统的安全越来越岌岌可危，人们开始尝试从芯片的角度去解决安全难题。要保证信息安全首先要保证拥有自有版权的安全芯片。目前，安全芯片设计在信息安全领域已取得了很大成绩，在密码学研究方面已经接近国际先进水平，嵌入式密码专用芯片也已开发成功，但密码芯片在功能与速度方面还滞后于系统和网络的发展，特别在高速密码芯片方面与国际先进水平有很大差距。同时，在CPU方面，不管是通用处理器、嵌入式处理器还是专用微处理器技术已经很成熟，国内多个单位都把嵌入式处理器作为切入点，如中科院计算所的“龙芯”、北大微处理器中心的“众志”、中芯的"方舟"等，嵌入式CPU已作为SOC芯片的核心，但很少考虑安全方面，特别是针对国内的专用密码算法。具有自主版权的CPU才是安全的CPU，只有具有自主知识产权的CPU不断取得新突破，对我国的信息安全才具有重大现实意义。随着网络速度的不断提高，微电子技术的不断发展，在芯片中加入安全功能成为一种趋势，特别是在个人电脑的芯片设计中。研制安全处理器将是今后安全产品的发展趋势。
2安全处理器的技术跟踪2.1嵌入式处理器
目前处理器的划分从应用角度出发，分三类：通用处理器、嵌入式处理器、专用处理器。这些分类都是相对的，只是在一定程度上反映CPU的特性。
根据CPU的特性，选择嵌入式处理器[2]为主要的研究对象。它的有利方面表现在：
(1)芯片设计技术，EDA工具已有很大发展，完全可将一个完整的系统集成在一个芯片上，即SOC(SystemOnChip)。这一技术使开发速度大大加快，可实现自主的知识产权。
(2)与嵌入式CPU配套的软件，从嵌入式OS(包括Linux和其他自主OS)到在它上面运行的应用程序，不像PC的软件那样受到微软垄断的影响，完全可以自主开发。
(3)嵌入式CPU对半导体生产工艺的要求适合我国的国情。多数不必采用最先进、昂贵的半导体工艺，能充分发挥国内现有的半导体生产能力。
系统芯片技术使嵌入式应用系统的开发越来越倾向于以32位CPU为核心，传统的8位微处理器由于芯片面积小，开发方便，得到了广泛的应用。但由于其总线宽度仅为8比特，性能相对较低。而随着应用的不断扩展，系统控制部分越来越复杂，对微控制器的性能要求也日趋提高。32位CPU核是发展趋势，掌握了自主32位CPU核的技术，在安全应用领域具有重大意义。纵上所述，我们研究的安全处理器采用的是32位嵌入式处理器。
2.2安全处理器
目前，市场大部分的安全产品采用传统的应用电子系统设计，其结构都是通过CPU软件运算密码算法或者将密码算法用硬件FPGA实现，然后用CPU控制。这样的结构使安全产品的速度受到约束，产品的集成度不高，不能降低产品的成本。
对于安全处理器来说，不是以功能电路为基础的分布式系统综合技术，而是以功能IP为基础的系统固件和电路综合技术。因此，安全处理器是集处理器和安全技术于一体。其功能的实现不再针对功能电路进行综合，而是针对系统整体固件实现进行电路综合。电路设计的最终结果与IP功能模块和固件特性有关，而与PCB板上电路分块的方式和连线技术基本无关，从而使所设计的结果十分接近理想设计目标。当前，国外已经有些公司研制生产出了安全协议处理器，如Hifn公司近日推出最具性价比的HIPPII8155安全协议处理器，适用于路由器、交换机及VPN网关等IPsec和SSL等应用。但是这些产品使用的是标准的公开算法如AES,DES等，不能满足国内安全产品的需要。文章所设计的安全处理器是基于专用算法的32位处理器。
3安全处理器的设计
安全处理器的设计将包括嵌入式操作系统、嵌入式系统程序和应用程序的开发；软件与硬件的划分、协同设计、协同仿真；电路的综合、布局布线等等。在完成对当前微处理器、SOC设计技术和安全处理器等新技术的跟踪后，结合对CPU和密码芯片的实践，设计了安全处理器的结构、算法核的结构和软件。
3.1安全处理器结构
安全处理器采用的基本体系结构如下：
采用这种系统结构，CPU能通过内部总线控制各个模块部分，DMA控制器也能通过内部总线控制各个模块之间的数据传输。且CPU能响应各个模块的中断，中断控制器控制着优先级和响应模式；总线控制器控制着内部总线的状态；安全模块能产生中断并具有状态值可供查询和使用。
安全处理器能独立作为数字信号处理器DSP使用；也能通过PCI、存储器扩展等通用接口连接显示器、硬盘等外设、存储器可以组成微计算机环境。
作为专用芯片时，一般用来研制安全设备，对用户的数据进行保护。将密码算法模块挂在系统总线上，(系统总线采用ARM公司的AMBA2.0规范[1])，密码算法模块有主模式和从模式两种工作模式，通过微处理器核来初始化、配置密码模块。这样，单个的SOC[3]可以实现网络加密，当安全处理芯片接受一个从MAC发来的数据包后，由操作系统的TCP/IP应用程序分析数据包，根据协议提取加/脱密操作有关的数据，将密码模块设置为从设备，安全处理器按照密码模块的要求，送相关的地址、长度、或者密钥等参数，然后将密码模块置为主设备，由密码主设备申请总线传输，从MAC或存储器中读入数据，进行加、脱密算法运算，添加一些必要的信息，将结果数据送到MAC或者目的存储器中。采用这种结构不但实现了使用一个安全处理器就完成了网络数据包的加脱密，而且由于密码模块直接挂在系统总线上，提高了加脱密速度。同时由于集成在一个芯片上，增加了密码模块的安全性。从而根据不同的用户需求，研制开发成不同种类的安全保密设备。安全模块分为专用密码算法核、公开密码算法核、运算加速器和快速驱动引擎。安全模块核心部件挂接在系统的高速总线上，为了提高其利用率，采用虚拟部件的结构和算法部件驱动引擎。不同的算法操作对应不同的指令，这些指令为专用指令，需要编译器的支持或者通过微指令执行。物理寻址范围一般较窄，输入/输出支持DMA、I/O、Burst等总线结构的所有操作。操作的策略实现预置/预测机制，采用4位指令执行状态标记。密码算法核预设两组物理实体，实体间相互独立。算法的逻辑位宽128bit，为部件级流水线的工作方式。数据处理按序进行，操作结果按序写入，回写操作受指令的执行状态控制。算核中还嵌入部分微代码，支持特定的应用和专用算法的测试、密码算法的自动配置和参数下载，从而确保密码算法硬件的可靠性和安全性。
密码算法部件的结构如下：
Reset(复位)来自芯片的复位控制器模块，中断及响应与芯片的中断控制器相连，状态反映在芯片的状态寄存器中，CLK来自芯片的PLL模块，最高频率为160MHz，地址线、数据线等与芯片的内部总线相连，扩展控制可以连接已有的外部安全密码模块。
密码算法核采用两种工作方式主设备模式和从设备模式。当工作在主设备模式时，写完密钥后，密码模块按AHB规范[1]申请总线，在请求总线成功后，密码模块将源地址发送到总线上，将源地址中的数据读入SFIFO中，释放数据总线，处理器可以并行完成其余任务。同时，模块内部从SFIFO中读出数据，进行算法运算，同时将加密结果写入EFIFO中。通过这种工作方式，可以提高加脱密速度，并行完成任务。密码模块工作在从设备模式时，处理器以存储器模式访问专用算法核，适应于低速产品的需要。
3.3安全处理器的软件特征
安全处理器的软件是实现嵌入式系统功能的关键，对安全处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。
(1)软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或作为BIOS。
(2)软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。
(3)系统软件(OS)的高实时性是基本要求。
(4)在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。
(5)多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。
4安全处理器的应用
安全处理器的应用很广阔，既可以用来设计终端加密设备，又可以设计线路式加密设备，完成批信息加/脱密处理、数字签名、认证和密钥管理等功能。安全处理器具有PCI、MAC、USB等接口，直接与接口器件相连。线路上的数据流通过接口芯片流入安全处理器芯片的相应接口模块，数据被接受。CPU对收到的一帧（包）数据进行处理，支持SDLC/HDLC、PPP、DDN、FR等协议，需要加（脱）密的数据通过处理器芯片的内部总线与密码模块进行交换，由密码模块完成加（脱）密操作，处理完的数据最后由CPU控制通过相应的接口发送出去。安全处理器将专用密码算法核和处理器集成在一个芯片上，最大限度的减少了部件之间的连接，提高了系统的安全性和可靠性，充分保证了高性能和高性价比，优越性会越来越明显，必将会得到更广泛的应用。
参考文献
〔1〕AMBASpecification（AdvancedMicrocontrollerBusArchitectureSpecification）
计算器总结范文4
关键词：可配置处理器；指令扩展；Xtensa；TIE
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2010)20-5474-02
Xtensa Configurable Processor-based SoC Design
CONG Xue
(PLA 94860 Army, Nanjing 210049, China)
Abstract: A processor which can be configured and extended gets industry's great concern. Designers can tailor the processors according to the specific algorithm. Designers can increase special registers and execution units and expand the data bus. Configurable processor has the advantage of short development cycles, flexibility, faster processing speed and so on.
Key words: configurable processor; instruction extension; xtensa;TIE
目前研发人员在进行SoC设计时，一般采用三种方法，其一是基于标准微处理器内核进行设计；其二采用定制ASIC的设计方法；其三是选择可配置处理器进行设计。相较于前两种方法，可配置处理器最大的优势在于具有强大的可编程能力，可针对特定应用优化处理逻辑，设计时间短，处理速度快。
1 可配置处理器简介
可配置处理器不仅能处理大量密集计算型数据，处理性能接近ASIC硬件实现，同时，基于该处理器的设计又比硬件实现更加灵活快速。同时它提供了强大的指令扩展功能，利用指令扩展，可以使得运算速度大幅提高。
一个完整的可配置处理器工具集包括一个预先定义好的处理器核和一个设计工具环境，这个设计工具环境允许设计人员对基本处理器核进行大幅度修改以满足特殊应用的需求。典型的配置形式包括添加、删除和更新存储器、外部总线宽度、总线握手协议以及公共的处理器外设部件。
作为可配置处理器的一个重要子集，可扩展性可以让系统设计人员能够为处理器增加指令，这是原先的处理器体系结构设计人员从来没有考虑过或者想象过的。添加高度量身定做的指令能够让处理器更适合算法，更适合特殊的应用。
可配置处理器技术有诸多好处，但真正有实力做出来的厂商寥寥无几，目前唯一能够提供完整成熟的解决方案的只有Tensilica公司。
2 基于Xtensa 处理器的开发流程
Tensilica公司的Xtensa7处理器是一个高度可配置的、可扩展的32位的精简指令集处理器。这个精简指令集处理包含了取指、指令译码、执行、访存以及寄存器写回5级流水线设计。Xtensa处理器提供了共80种不同的指令。包含载入、回存、转移、移位、算术、逻辑、跳转、循环以及流水线控制指令。
开发需要使用Tensilica提供的开发环境Xtensa Xplorer。首先，根据算法的特点和复杂度，设计者可灵活配置处理器并生成处理器配置文件(Xtensa Configuration File, XCF)，该文件除了包括Xtensa处理器的基本指令集结构以外，还含有针对特殊算法所用到的配置功能，如乘累加运算模块、各种调试接口以及总线接口等。然后，设计者需要把该文件上传给XPG作自动处理，经过一段时间XPG把处理的结果又自动下载给设计者。在该阶段，XPG根据用户选择的硬件实现技术(目前130或180nm)来估计该配置处理器的面积、功耗以及运算频率等，方便用户设计。同时，XPG根据XCF还能自动生成适合于自定义处理器的各种软件开发工具，包括编译器、汇编器、连接器、调试器以及指令集仿真器等。
在这些工具基础之上，设计者就能实现算法的各种编译、调试和仿真等软件开发工作。在软件开发阶段的另外一项重要工作就是设计者根据处理器指令集的特殊结构以及算法的特点，利用指令扩展技术开发出设计者自定义的执行单元，辅助处理器的运算，大规模提高处理器的处理性能。如果该自定义处理器的性能、面积、功耗以及运算频率等满足用户的设计要求，配置文件XCF和TIE文件就固定下来，利用它们完成处理器的硬件实现。如果该处理器不满足设计要求，则可重新开始设计流程的第一步，不断反复设计优化，直至开发出设计者满意的自定义处理器内核。
3 指令扩展（以数字滤波器设计为例）
指令扩展实际是为算法量身定做指令，使处理器更适合算法。Xtensa处理器扩展是通过Tensilica指令扩展(TIE Tensilica Instruction Extension)来实现的。设计者可以增加专用的、可变宽度寄存器，增加专用执行单元和宽的数据总线等，从而为特定的算法达到最佳的处理器配置。
通过代码剖析，定制处理器的优化点是很明显的。优化的目标一般都在最内层的软件循环中，这些运算每秒要执行几千次甚至几百万次。减少这些循环中的目标代码的指令数量可以极大地提高系统的性能。
以下用数字滤波器的设计为例，进行指令扩展。数字滤波器的基本运算单元主要是延时器、加法器、乘法器。延时器在实现中主要是靠移位操作来实现。Xtensa处理器提供了可选、可配置的乘法器，另外TIE 模板也提供了高性能乘法运算单元（因此，配置处理器时也可以不附加乘法器，这样可以减小处理器面积）。
当大量数据需要处理时，移位操作会消耗大量处理时间。而TIE技术提供单指令多数据(SIMD)功能，该功能允许在一个处理器指令内同时对多个数据进行操作。在滤波器的移位操作中利用该技术，可同时对多个数据进行移位。
乘累加操作也是主要运算工作，减少该操作的执行时间是提高处理器性能的有效途径之一。TIE技术提供融合(fusion)功能，允许设计者把多个连续的指令加入到一个指令中，即用一个指令就能执行多个连续的处理动作。对于乘累加操作，在传统的通用DSP设计之中，总是先进行乘法运算再作加法运算，它们是两个连续的操作，需要两个处理器指令。而利用融合技术，可以把乘法和加法这两个连续的指令融合在一个指令中，使得处理器在一个时钟周期内就能够完成乘累加操作。同时，结合SIMD技术可同时对多个输入数据和冲击响应进行乘累加操作，进一步减少处理器的运算时间。
滤波器的乘累加操作必须等待移位操作完成之后才能进行，而且需要反复对储存器读和写。在Xtensa处理器中可以运用state和regfile这两种用户自定义的特殊寄存器，在state寄存器中存放乘累加的结果，在regfile寄存器中存放移位操作结果，这样，利用融合技术可以在移位的同时进行乘累加操作，而且不再需要对储存器读写而是直接调用寄存器操作，在减少存取操作的同时提高数据处理的并行性。 利用上述方法，可节省大量的处理器运行时钟数。
作者利用Xtensa可配置处理器实现了IIR低通数字滤波器、FIR低通数字滤波器、CIC滤波器三种滤波器，并根据各自算法特点进行了指令扩展优化。扩展后，性能分别提升了54倍、137倍、2.3倍。以上实验结果表明，运用Tensilica提供的TIE技术，设计者可以方便快速地开发出自定义执行单元辅助处理器的运行，大幅度提高处理器性能，满足用户的需要。但需要注意的是，作为辅助执行单元，TIE技术会增加处理器的面积，执行频率也可能会受到影响。设计者应当根据需求，在性能与面积和速度间做出选择。
4 小结
Xtensa处理器可以针对用户专用算法进行自由配置和灵活扩展，而且自动产生适合于该处理器的一系列软件工具和硬件实现模型。运用Tensalica的Xtensa处理器实现的FIR滤波器利用TIE扩展技术使得处理器性能提升了一百多倍，而且这种处理器开发周期很短，设计灵活具有软件可编程性，在复杂SoC设计中更能体现其强大优势。
参考文献：
[1] Leibson S. 可配置处理器：技术与应用[M].Tensilica Inc,2004.
计算器总结范文5
（空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安710051）
摘 要：针对目前武器装备计算机设备原理课程普遍存在的教学内容枯燥、编排难度大和逻辑性不强等问题，阐述武器装备计算机设备原理课程的目标与特点，探讨存在的问题内在原因，在计算机原理课程教学内容组织结构的基础上，分析两种计算机设备原理教学内容组织案例优缺点，结合教学实践经验，提出一种基于武器系统作战能力的计算机设备原理教学内容组织模式并介绍教学内容组织案例。
关键词 ：武器装备；计算机设备原理；课程教学
基金项目：教育部高等教育司项目“适应空军信息化建设人才培养需求的大学计算机系列课程改革研究”（2-1-ZXM-03）。
第一作者简介：狄博，男，讲师，研究方向为信息安全，86311305@163.com。
0 引 言
在武器装备设备原理教学中，计算机设备原理是重要的组成部分之一，占据着基础性、贯穿性的地位。尤其是对信息化、智能化程度较高的武器系统而言，更是发挥着举足轻重的作用。计算机设备原理课程目标是使学员掌握装备中计算机设备类型、功用、组成结构、工作原理等，理解计算机设备在装备战术技术性能中发挥的支撑作用，为学员分析和解决装备计算机系统相关问题打下牢固的基础。计算机设备原理本质上属于特定领域计算机类课程，但同时计算机设备原理课程又不同于一般的计算机专业课程，如计算机组成原理、体系结构、计算机网络等，而是这些课程内容在特定领域应用的集中体现。
1 课程特点与教学中存在的问题
计算机设备原理课程的目标是使学员能够系统地掌握装备中计算机系统的功能、性能、软硬件组成、体系结构和工作原理，理解装备中不同计算机设备在实现装备战技术性能中起到的作用，掌握计算机设备和装备中其他设备之间的功能联系和接口，并着力培养学员具备一定的分析与解决实际问题的能力。
1.1 课程的特点
计算机设备原理课程属于特定领域计算机类课程，是计算机科学与技术专业课程内容在特定领域应用的集中体现，不仅具有一般计算机专业课程的特点，还具有鲜明的领域特色。
（1）领域性强，与装备结合紧密。计算机设备原理课程与特定领域密切相关，计算机设备的功能、性能和体系结构与领域应用要求是相适应的，如在很多应用中，要满足组件化、实时性、可靠性要求。
（2）内容比较庞杂，涉及计算机种类多。目前大多数装备的信息化、智能化程度较高，在装备中不同的子系统内，根据需求采用了各种各样不同的计算机设备，有通用计算机设备、嵌入式计算机设备、实时计算机设备和网络计算机设备等。
（3）专用计算机设备较多，结构复杂。装备中的很多计算机设备需要满足一些特殊的要求，因此采用了很多特殊的专用计算机设备，如专用的处理器设备，它的指令集和执行部件与一般的处理器均有较大差异，因这些设备并不常见，如何将这些设备的内容讲授清楚，也是面临的一大问题。
1.2 教学中存在的问题
目前该类课程普遍存在的问题主要有3点。
（1）计算机设备原理课程是计算机类课程，由于其具有鲜明的领域特色，内容上与领域知识结合非常紧密，只将计算机设备的内容隔离出来单独讲授，造成“知其然，不知其所以然”的教学效果，过多涉及领域知识，在学时有限的情况下，难以将计算机设备的内容讲解透彻。
（2）因为计算机设备原理是在讲现成的计算机设备，课程内容庞杂，还涉及很多专用计算机设备，如果内容取舍不当、教材编排不深入，就容易出现在讲用户说明书或者操作的现象，违背了开设这门课程的目的，无法达到课程目标。
（3）因各种客观条件制约，不像一般性计算机课程，拥有大量的素材、教具、实物和模型可以从不同角度展开讲解，计算机设备原理课堂讲授缺少必要的教具和实物，课堂内容讲授难以做到生动形象，学员学完本课程后对知识一知半解或者感受不深，因装备作为一个整体和完整的系统存在，即使组织学员参观操作装备也难以完全弥补这一缺陷，影响了教学效果。
2 计算机设备原理教学内容的组织
计算机设备原理课程教学内容与领域相关，不同领域的计算机设备大不相同，没有普遍性，但不同领域计算机设备原理课程教学内容的组织，具有一般性的指导和借鉴意义。
首先分析一般的计算机原理课程的教学内容组织，如表1所示。从表1可以看出，一般的计算机原理课程就教学内容组织是按照“总—分—总”的思路展开的。先从总体上介绍计算机系统的组成与结构，再按各组成部分逻辑顺序，由内到外逐一进行讲解，最后回归到更复杂的多处理机与机群系统。应该说这种组织方法是比较科学合理的，符合人的认知习惯。计算机设备原理能否采用这种教学内容组织模式？表2是按照表1的模式生成的一个计算机设备原理教学内容组织方式案例1，我们对这个案例分析如下。
一般来说，武器装备计算机设备原理讲述的是武器系统主要部分的计算机设备，在这个案例第一章计算机设备概论中，将计算机设备进行总体介绍，包括功能、分类、组成与结构。在第二章中，对武器装备计算机设备涉及的主要相关理论基础进行介绍，这些理论基础与领域密切相关，除了计算机基础理论外，可能还会包含领域基础理论，如信息融合、目标识别等。从第三章到第九章，也是按各组成部分逻辑顺序，由内到外逐一对武器装备计算机设备具体型号进行讲解。第十章再从装备的角度对担负不同功能的计算机设备进行综述，如火力控制计算机，如果在第一章已经涉及这方面内容，也可以去掉第十章内容。
仔细分析就会发现，这种组织方式有一个很大的问题，就是武器装备计算机设备原理讲述的是武器系统主要部分的计算机设备，这些计算机设备涉及一般的PC结构计算机、单板机、嵌入式计算机和片上计算机系统等，按照案例1的组织，第二章到第九章每一章的内容都可能会包含这些不同种类计算机的指令系统、控制器和存储系统等，同时割裂了各个不同计算机设备之间的功能联系，这显然是不合适的。
为避免这个问题，这里再给出计算机设备原理教学内容组织案例2，如表3所示。
案例2这种内容组织方法是“总—分”的组织思路，第一章计算机设备概论中，将这些计算机设备进行总体介绍，包括功能、分类、组成与结构，后续章节每章都讲述一个具体的计算机设备，这种方案避免了案例1不同类型计算机设备内容混合在一起讲解的问题，但同时仍然存在各计算机设备之间功能联系不清楚，没有形成一个系统的知识框架，各章之间逻辑关系不明显。
为避免产生上述两种问题，我们提出一种基于武器系统作战能力的计算机设备原理教学内容组织模式。这种组织模式的核心思想就是以形成武器装备战斗力的各种作战能力为单位，以作战能力之间的支撑关系为逻辑纽带来组织教学内容，案例3如表4所示。
第一章计算机设备概论先从总体上将武器系统功能、性能和体系结构进行介绍，将武器系统的体系结构从信息的角度转换成信息处理过程框架，实质上就是OODA循环过程，再根据OODA循环每一过程引入其中的计算机设备，这样就自然的在这些计算机设备中建立起之间的逻辑关系。第二章到第七章的组织依据的是从核心到，从前端到末端的双重组织原则，对信息化武器装备来说，指挥控制系统无疑是其中枢，负责将武器系统其他部分有机联系起来构成指挥控制回路，完成OODA循环过程，因此在第二章就引入指挥控制系统计算机。第三章到五章是从前端到末端的组织思路，与武器装备作战过程信息流动方向一致。第六章和第七章属于基础设施和保障内容等，安排在课程的最后自成一块较为独立的内容。
从整体来看，这种课程内容组织案例条例清楚，符合武器装备作战过程与信息流动方向，极大减少了不同内容之间的混合，保留了很好的逻辑关系，同时又将领域内容与计算机设备原理的内容自然地结合起来，避免了知其然，不知其所以然的问题。
3 计算机设备原理课程教学应注意的几个问题
有了好的教学内容组织，要把这门课教好学好，还需要把握以下3个问题。
3.1 教学方法问题
由于武器装备计算机设备原理课程的特点，教学过程中要尽量避免造成在讲用户说明书或者操作这种现象。从第3部分教学内容组织可以看出，本课程采用启发式的教学方法是比较适宜的，课程教学目的不是为了学计算机而讲计算机内容，而是有着非常鲜明的领域特色，因此非常有利于以问题为导向的启发式教学法的运用。如第一章计算机设备概述的内容组织是从总体上将武器系统功能、性能和体系结构进行介绍，再将武器系统的体系结构从信息的角度转换成信息处理过程，同时根据OODA循环每一过程引入其中的计算机设备，这样就自然地在这些计算机设备中建立起逻辑关系。这一章的教学就可以从OODA循环出发，分析循环的每一步武器装备战技参数，提出为了完成这些战技参数应该需要什么样的计算机设备等问题，这样自然而然打开了学员的思路，引导学员主动运用以前学过的专业课知识来构建问题的答案，按照OODA循环环环相扣，推进教学内容展开。
3.2 授课教师问题
计算机原理课程的第一个特点决定了授课教师不仅要有深厚的计算机专业知识，更需要扎实的领域知识背景，熟知相关武器装备的作战对象、功能、性能、组成结构、作战运用及与同类武器装备差异。只有达到这个层次，才能从全局掌控这门课程，做到讲解深入浅出、内容翔实准确，既能传授知识，又能培养学员分析解决问题能力，达到课程目标。
3.3 教材教具问题
需要指出的是教材编排应尽量避免直接采用用户说明书或已有资料的编排结构，我们的教学内容组织案例3已经给出了一种教材内容编排参考模式。本门课程应尽可能采用相关的教具进行授课，有条件的院校可以采用专业教室进行授课，以达到形象生动的教学效果，仅武器装备的外部参观讲解和操作对于原理教学是不够的，需要对相关计算机设备进行拆卸，运行和演示才能起到良好的效果。对于像信息流动和信息处理等难以通过实物展示的内容也应尽可能通过动画来进行描述。
笔者在教学实践中大量采用以问题为导向的启发式教学法，并将一些真实的计算机设备部件及研制的计算机设备工作原理仿真软件用于课堂演示，取得了良好的教学效果。
4 结 语
武器装备计算机设备千差万别，但只要抓住支撑武器系统作战能力这条主线不放，并基于其逻辑关系来进行计算机设备原理教学内容组织与教材编排，采用基于作战能力问题的启发式教学方法，就一定能取得良好的教学效果。
参考文献：
[1] 张道光, 周兵. 计算机原理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2009: 3-6.
[2] 王勇, 于宏坤. 机载计算机系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007: 4-9.
[3] 李蕊, 徐志红. 以问题为导向的启发式教学方法应用研究[J]. 云南警官学院学报, 2012(6): 41-44.
计算器总结范文6
关键词：SimpleScalar；CMPP；模拟器；实验机箱；验证；设计创新
中图分类号：G642 文献标识码：B
1引言
“计算机系统结构”课程是计算机科学与技术专业中重要的专业课程，是一门从组织和结构角度上学习、总体把握和领会计算机系统的课程。因为其理论性较强，知识结构较为复杂，它的实验课设置一直是一个空白。但是，作为一门针对本科高年级学生的计算机综合设计课程，没有相应实验课对学生理解能力的提高和创新能力的培养，所谓的综合设计课程也成了一句空谈，为此，我们使用WinDLX、DLXView、SimpleScalar模拟器(安装在微机上)来仿真计算机，让学生在这个虚拟计算机上设置各种不同高端计算机系统结构技术，然后通过统计数据得到不同计算机系统结构技术对计算机性能的不同影响，最后给出统计结论。
但在实际教学过程中，我们发现，此种“PC机+模拟器”的实验方式形式过于单一，所有的实验都是先在模拟器中给出计算机系统结构技术参数设定，然后运行测试程序，最后根据程序运行结果给出实验结论。对学生而言，所做的工作只是系统结构参数的给定，然后面对一堆运行出来的枯燥数据给出实验结论。由于这些实验全是验证型实验，使得学生没有真正的实验体会，感觉也比较抽象，一个学期下来，整个实验课程没有收到它应有的效果，同时也没能激发出学生的创新性。
为了让学生更加有硬件实验体会，并发挥学生的创新性思维，我们在原有的“PC机+模拟器”模式下增加一个实验机箱，变成 “实验机箱+PC机+模拟器”模式，经过一个学期的实践，计算机系统结构实验课程有了突破性的进展，取得了较好的效果。
本文其他部分内容如下：第二节介绍原有的“PC机+模拟器”实验模式的具体细节及其弊端；第三节阐明“实验机箱+PC机+模拟器”新模式的由来；第四节说明新模式具体的实验项目改革；最后给出本实验课程教改的特色与创新之处，并作出结论。
2“PC机+模拟器”模式
“计算机系统结构”课程中的实验课程在以往的教学中一直是一个空白。为响应微软亚洲研究院的大力倡导，本课程初期引入由卡内基・梅隆大学提出的“Learning by doing”这一适用于工程教学的行之有效的先进教学理念，对“计算机系统结构”实验课程建设进行初步尝试。
由于这门课程的实验是从无到有的一个过程，因此，在建设初期，我们首先采用的是一个生搬照学的方法。为此，我们找到张晨曦教授在同济大学使用的“计算机系统结构”实验教学资料，然后根据本校学生具体情况对实验内容进行部分筛选，总结出“PC机+模拟器”模式，然后运用到实际教学中。
PC机是我们计算机系统结构实验课程开展的硬件平台，软件平台即我们的Windows操作系统以及安装在其上的各种模拟器，包括WinDLX、DLXView、SimpleScalar模拟器。实验过程中，学生在这些模拟器中设置各种不同参数而获得不同虚拟处理器，然后通过测试程序检测不同系统结构技术对处理器性能的影响。
WinDLX是一个基于Windows的模拟器。它能够以图的方式演示DLX流水线是如何工作的。学生通过改变流水线的结构和时间要求、存储器大小和其他几个控制模拟的参数，获得不同流水线的性能。实验一的流水线相关实验，实验二的循环展开及指令调度实验都是使用此模拟器。
DLXview是一个图形化、交互式的DLX流水线模拟器。该模拟器能够实现对基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法的模拟。通过对内存访问延迟、功能部件的数目、功能部件的延迟的配置，实现不同流水线的模拟。实验三的记分牌和Tomasulo算法实验使用的是此模拟器。
而SimpleScalar模拟器是目前学术界最为流行的体系结构模拟器，是一个单处理器架构的性能模拟器工具集。其工具集包含了非常丰富的工具,可以配置成许多不同体系结构的模拟器。同时，其源代码公开，具有良好可移植性和可扩展性，是开发微处理器芯片前期进行系统结构验证的重要工具。也是使用软件手段模拟和研究CPU系统结构的主要手段。实验四的Cache性能分析中和实验五的虚拟Cache与伪相联Cache使用的是此模拟器。
以上所述实验都是使用模拟器进行计算机系统结构技术参数设定，然后运行测试程序，最后根据程序运行结果给出实验结论，其实验属性全部是验证型实验。对于学生而言，所做的工作仅仅只是系统结构技术参数的给定，和测试程序的运行，最后从一堆运行出来的数据中得到实验结论。
这种软件模拟的方式适合研究生程度以上的学生进行学术研究和理论验证，这也是这些学生对于新思想新理论进行学术论证的常用方法与手段，但是对于发展目标为应用型的本科学生而言，此种实验形式与方法都过于枯燥与单一，整个实验做下来，学生感觉比较抽象，收不到实际效果，更谈不上激发学生创新意识，实验做到最后便流于一种形式，一种走过场。
3新模式的引入
基于计算机系统结构实验课程建设初期所遇到的问题，我们决定重新规划系统结构实验内容。
计算机系统结构实验课程是一门综合实验课程，既然是综合课程，即说它是一个软硬件结合体。在“PC机+模拟器”模式实验中，模拟器的引入可以很好的体现其软的方面，而硬的方面我们则选用学生在前期课程计算机组成原理中使用的教学设备(TND-CM++唐都教学仪器实验箱)入手，以达到事半功倍的学习效果。
计算机组成原理课程是专业必修课程，其教学与实验方面已经形成一个完整而成熟的体系。这是一门在整个计算机科学与技术专业课程中份量很重的课程，也是一门非常重视实验课的课程，除开课程本身的70学时中包括20学时的实验课程，学生还有专门2周的课程设计工作需要完成。这些大量的前期学习与实验实践，为学生熟练掌握和使用实验设备以及对计算机是软硬件综合体的理解打下坚实基础。而计算机系统结构课程本身就是计算机组成原理的后续和提高课程，利用前期的基础作进一步的理论提高和实验提高成了顺理成章的事情。
因此，“实验机箱+PC机+模拟器”模式引入到计算机系统结构实验教学中。在以前的教学中，“实验机箱+PC机”和“模拟器+PC机器”模式是分开使用的，因此PC机分别与两者的结合不是问题，但是当这三者(实验机箱、PC机和模拟器三者)结合在一起时，则需要对它们进行重新分工组合，以达到理想的实验效果，这将在文章的第4节的具体实验项目中详细叙述。
4“实验机箱+PC机+模拟器”模式
4.1“实验机箱+PC机+模拟器”模式简介
“实验机箱+PC机+模拟器”模式是“PC机+模拟器”和“实验机箱+PC机”两者的结合，但这种结合不是简单机械的结合，而是一种有机的结合。在以前的教学中，“PC机+模拟器”方式用于计算机系统结构初期实验课程，“实验机箱+PC机”方式用于计算机组成原理实验课程。但是，由于前一节“PC机+模拟器”方式所提到的弊端，即数据的枯燥性和理解的抽象性问题，我们把具有硬件动手优势的“实验机箱+PC机”方式中的计算机实验机箱引入到此课程实验中。
实验条件准备如下：首先在PC机器中安装Windows操作系统，然后在此操作系统中安装WinDLX、DLXView、SimpleScalar模拟器，同时安装CMPP模拟器(实验设备厂家随实验设备匹配提供)。然后通过RS-232串口与PC微机联机，这样，利用PC机上具有的这些模拟器我们可以在PC 机上编程、向实验机箱系统装载实验程序、然后在图形界面下进行动态调试及运行。另外，系统具有的两路逻辑信号测量平台，使得可在PC机上看到信号测量波形。
我们实验的中心思想是：以计算机硬件为基础，通过软件配置扩充功能，形成一个可能是相当复杂的有机组合的计算机系统。最后通过模拟器中测试数据的统计获得此系统性能的结论数据。
其中的硬件是指我们通过实验机箱把计算机系统中的基础模块通过总线(数据总线、地址总线和控制总线)连接好；而配置软件是指通过CMPP、SimpleScalar模拟软件来进行一些高级配置的扩充，从而形成我们需要的系统结构；最后，通过(WinDLX、DLXView、SimpleScalar)模拟器跑动测试程序以获得此系统结构的性能参数及结论数据。
4.2模式的可行性论证
“实验机箱+PC机+模拟器”模式的可行性论证主要讨论如下问题(其中系统指实验系统，即实验设备)：
(1)PC机与系统的关联：
实验系统安装有一个标准的DB型9针RS-232C 串口插座，使用配套的串行通讯电缆分别插在实验系统及PC 微机的串口，即可实现系统与PC 的联机操作。系统通讯电缆连接方式如图1：
(2)CMPP与系统的关联
系统配套的集成操作软件CMPP具有专为联机操而开发的图形方式操作界面，其操作简便、直观且具有动态调试功能，可完全根据实验系统的数据通路图来实时、动态的显示用户设计的实验数据流的流向、数据值、控制线和各单元的内容。CMPP软件界面如图2：
本系统软件CMPP通过PC 机串行口向实验系统上的单片机控制单元发送指令，由实验系统的单片机直接对程序存储器、微程序控制器进行读写，控制单拍或单步微程序、单步机器指令和程序连续运行等操作，实时监测各数据流和控制流的情况，从而实现实时动态图形方式下的系统跟踪调式和运行。
(3)SimpleScalar模拟器与系统的关联
SimpleScalar工具集是一个用于构建各种模拟程序的系统软件框架，可用于构建各种体系结构模拟器．它提供了一套参考模拟器，包括快速的功能模拟器，用于分支预测评估的模拟器，用于Cache层次评估的模拟器以及一个详细的、动态调度的、多级存储层次的微体系结构模拟器．SimpleScalar还包含一个机器定义框架，允许绝大部分体系结构细节和模拟器的具体实现分离．除了模拟器，SimpleScalar工具集还提供统计分析、调试、验证和可视化支持．SimpleScalar工具集被广泛用于计算机体系结构的研究和教学．例如在2000年，顶级体系结构会议上超过三分之一的文章是使用SimpleScalar来评价设计。
由于Simplescalar的使用广泛性和完整性，我们把它引入我们的实验课程中，但由于这个模拟器与我们的实验系统是各自独立的个体，因此当把这两者融合在一起时就存在一个有机组合问题。Simplescalar模拟器是一个原代码公开的软件，具有良好的可移植性和可扩展性，因此我们希望通过代码的更改，获得SimpleScalar模拟器与实验设备的有机整合。虽然这部分工作我们已经展开，但是工作做得还很不够，这也是我们下一步要继续进行的重点工作之一。
4.3存在的问题
(1) 实验延续性的问题
通常，计算机组成原理课程会开在第五学期，计算机系统结构课程开在第七学期，因此，这两门课程之间有一个学期的间隔，由于这两门实验课程的顺延性较强，因此在计算机系统结构实验课程的设计中，初始实验应先重复计算机组成原理实验课程中综合性强，并在后续系统结构实验课程中需要应用到的实验内容。
(2) 课时偏少而实验内容偏多的问题
计算机系统结构实验课时偏少，一般是8个课时(4个学时)。但是由于其实验内容综合性强，复杂度大，因此很难在一个学时(2个课时)完成一个实验。这就要求老师和学生在实验课之前要做较多的工作，包括老师在实验课之前详细的讲解，学生在课前完成实验预习工作，这样，才能充分利用一个学时的时间完成一次的实验。
(3)SimpleScalar与实验系统的整合问题
前面说过，我们利用SimpleScalar模拟器的开放性代码把SimpleScalar模拟器和实验系统整合在一起，这个工作还需要继续完善。这个工作也是整个计算机系统结构实验课程改革的一个重要的步骤。它是一个需要长期验证、修改和调试以及完善的工作，不是短时间就能完成的工作。
4.4实验项目的设计
(1)CISC(复杂指令集计算机)实验
此实验要求先按照实验连接图把计算机的主要模块通过总线连接起来(这个操作在实验机箱内进行)，然后为这个模型计算机设计包括16条机器指令(包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令)的指令集，编写相应的微程序，通过PC机中CMPP模拟器装载和调试程序，以使同学们通过这个过程掌握整机概念，并能综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。
此实验是在前计算机组成原理实验课程中掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统。同时也是对以前所学知识的温习。
(2)RISC(精简指令集计算机)实验
RISC是针对CISC结构存在的问题所提出的思想。它选取使用频率最高，以及很有用但不复杂的指令，这些指令大部分能在一个时钟周期内完成，并且只有Load和store两条指令访存等思想设计的计算机，在此实验中，我们选取使用频度比较高的五条基本指令：MOV、ADD、STORE、LOAD、JMP。然后寻址方式采用寄存器寻址及直接寻址两种方式来设计这个RISC计算机(依照前一实验方法，也是由CMPP模拟器进行调试)。
然后，我们通过在SimpleScalar模拟器中设置参数来比较RISC计算机和CISC计算机，这是通过跑同一测试程序来完成的。结论是：RISC机器执行的速度和效率大大提高。如对于此实验中设计的机器指令在RISC处理器中执行完需9个机器周期，而在复杂模型机实验中，需34个机器周期才能完成。
这样的实验程序的设计，可以让同学们深刻体会到两种不同处理器的运行效率，同时让同学们体会到实验直观性。
(3) 重叠实验
此实验是在RISC模型机实验的基础上，进一步将其构成一台具有重叠功能的模型机。
一条指令的执行包括“取指”和“分析执行”两个阶段，而重叠技术是指把前条指令的“分析和执行”与后条指令的“取指”重叠在一起执行。
在此实验中，计算机“执行部件”数据通路的控制由微程序控制器来完成，而“指令预取”部件的数据通路由一片CPLD 来模拟。以原基本模型机的五条机器指令为例，编写相应的微程序，然后具体上机调试掌握重叠概念。
然后，在SimpleScalar模拟器中设置参数比较RISC计算机和重叠计算机。结论是：重叠计算机执行的速度和效率明显提高。如前所述的同段机器指令在重叠处理器中执行完需要20个机器周期，而在RISC模型机的实验中，需要27个机器周期。
(4) 流水实验
流水可以看作是重叠的引申，一次重叠是一种简单的指令流水线。在流水计算机中，一条指令的执行包括“取指令”、“指令译码”、“取操作数”、“执行”四个子过程(前三阶段由指令分析部件完成，而第四阶段由指令执行部件完成)，而每个子过程可以与其他子过程同时进行，这叫并行性中的并发性。
这种并行性大大提高了计算机的处理效率。本实验除“指令执行部件”为板上的“ALU UNIT”和“REG UNIT”电路构成外，其余全部由CM＋＋板上的一片CPLD 芯片设计，输入设备、输出设备、RAM 及时序仍由板上输入单元、输出显示单元、存储器单元及时序单元电路给出。
实验过程类似于前述实验。
5实验特色与创新
新设计的“实验机箱+PC机+模拟器”实验模式有如下功能特点。
(1) 结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机。系统采用部件单元式结构，包括运算器及数据通路、存储器、控制器、信号及时序控制、内总线、外总线、接口及输入输出设备、大规模可编程逻辑器件等计算机部件的单元电路，可使用排线连接方式(实验机箱)或计算机电子自动逻辑设计方式(SimpleScalar等模拟器)，根据自己所设计的模型计算机结构方案，来构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机，使学生能够对计算机组成结构有清楚的认识和理解。
(2) 对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力。系统所具有的软硬件结构(实验机箱和模拟器)对实验设计具有完全的开放性，其数据线、地址线、控制线都由学生来操作连接，系统中的运算器结构、控制器结构及微程序指令的格式及定义均可根据教学需要来做灵活改变或重新设计。这对于自行设计各种结构及不同复杂程度的模型计算机提供了强大的软硬件操作平台，从而避免了单纯验证性的实验模式，极大提高了学生计算机系统的综合设计能力。
(3) 通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生。系统采用通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件并用的方式，既能给熟练掌握复杂逻辑系统设计的学生提供高档的实验平台，又能对不熟悉这些内容的学生提供易操作的实验平台。符合循序渐进、先基础后提高的教学原则。
(4) 具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学。系统具有与PC微机联机实时调试的功能，提供了图形方式的调试界面(CMPP模拟器)，在调试过程中可动态实时显示模型计算机各部件之间的数据传送以及各部件和总线上的所有信息。这种图形调试界面也可用于多媒体辅助教学，从而获得极佳的教学效果。
(5) 多种输入输出方式及逻辑信号测量功能，实验操作及观察更容易。系统提供多种输入输出方式。通过RS-232 串口与PC 微机联机，可在PC 机上进行编程并向系统装载实验程序，在图形界面下进行动态调试及运行。另外还具有两路逻辑信号测量平台，可在PC 机上看到信号测量波形；如单独使用本系统，则可通过开关及LED以二进制码形式进行编程、显示及调试运行。
(6) 实验电路的实时在线检测功能，便于检查接线错误。系统具有实验电路检测功能，通过人机交互方式可实时在线检测各实验单元电路的好坏以及模型机实验线路连接是否正确。
(7) 测试功能的完备性。SimpleScalar工具集所自带的SimpleScalar Spec2000测试程序使得学生可以及时对自己设计出来的计算机系统结构方案进行测试，然后根据测试结果对所设计计算机结构进行及时调整，以提高学生的实验直观性。
6小结
实践证明，此模式把计算机系统结构实验设计成一门软硬件结合的综合实验课程，并真正实现从呆板的“验证为主”到创新的“设计为主”的飞跃。试用一年以来获得较好效果。
参考文献：
[1] 张福新,章隆兵. 基于SimpleScalar的龙芯CPU模拟器Sim-Godson[J]. 计算机学报,2007,30(1).
