硬件系统设计论文精选(九篇)

第1篇：硬件系统设计论文范文

在一般应用软件系统开发时，程序员只需论文联盟要考虑软件系统的功能设计，硬件部分直接根据软件需求购买即可。嵌入式软件的开发则需要软硬件综合开发，这有两方面的原因：一方面，任何一个嵌入式产品都是软硬件的结合体；另一方面，一旦嵌入式产品研制完成后，软件就已经固化在硬件环境中，用户不能对其修改。嵌入式软件的这一特点决定了嵌入式应用开发方式不同于传统的软件工程方法。

1 嵌入式软件开发的特点

嵌入式软件的开发具有如下几方面的特点：

1）需要交叉开发工具和环境。由于嵌入式软件本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机交叉开发的概念，主机用于程序的开发、调试，目标机作为最后的执行机构。开发时主机和目标机需要交替结合进行。

2）软硬件协同设计。软硬件协同设计涉及以下方面：嵌入式软件设计、实时系统设计、硬件设计和软件设计。软硬件协同设计强调硬件与软件的协同性与整合性、软件与硬件的可裁减，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。

3）嵌入式软件开发人员以应用专家为主。通用计算机的开发人员一般是计算机科学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式软件则是要和各个不同行业的应用相结合的，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。

4）软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。

5）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。嵌入式软件的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠，大多对实时性有严格要求。

6）系统软件的高实时性。在多任务嵌入式软件中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾和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。嵌入式软件应用程序虽然可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源，系统一般以成熟的实时操作系统作为开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

2 软硬件协同设计概念

嵌入式软件设计是使用一组物理硬件和软件来完成所需功能的过程。系统是指任何由硬件、软件或者两者的结合来构成的功能设备。由于嵌入式软件是一个专用系统，所以在嵌入式产品的设计过程中，软件设计和硬件设计是紧密结合、相互协调的。这就产生了一种全新的发展中的设计理论——软硬件协同设计。这种方法的特点是，在设计时从系统功能的实现角度考虑，把实现时的软硬件同时考虑进去，硬件设计包括芯片级“功能定制”设计。既可最大限度地利用有效资源，缩短开发周期，又能取得更好的设计效果。

系统协同设计的整个流程从确定系统要求开始，包含系统要求的功能、性能、功耗、成本、可靠性和开发时间等。这些要求形成了由项目开发小组和市场专家共同制定的初步说明文档。系统设计首先确定所需的功能。复杂系统设计最常用的方法是将整个系统划分为较简单的子系统及这些子系统的模块组合，然后以一种选定的语言对各个对象子系统加以描述，产生设计说明文档。其次，是把系统功能转换成组织结构，将抽象的功能描述模型转换成组织结构模型。由于针对一个系统可建立多种模型，因此应根据系统的仿真和先前的经验米选择模型。

3 嵌入式软件开发的方法论

在建立一个完整的嵌入式软件或是产品时，大部分系统都很复杂，不但功能规格很多，还必须考虑例如价格、性能等其他因素，否则很容易做出一个失败的系统或是产品。因此，在进行系统开发之前，必须先了解一些系统设计技术，使得在开发过程中更为顺利。一般来说，产品设计的过程会经历几个步骤，为了确保这些步骤的合理性，我们需要一个设计方法论来面对整个设计过程。采用方法论有以下三个重要理由。

确认所做的每一件事情都是必须要做的，不做无谓的工作，也不漏掉关键性的重要工作，其中包含性能最佳化或是功能测试。

根据设计方法论可以发展出计算机辅助工具或是设计经验累积，汲取每一次产品开发的经验。再经过量化之后，可以发展出一套工具或是方法，让往后的产品设计步入自动化。

开发团队遵循同一套方法论，可以让团队成员更容易彼此沟通。每个人都能在短时间内了解整体过程中将经历哪些过程，需要何种支持与接收到何种结果。此外，也容易通过一套已经定义好的方法论，彼此相互合作协调。设计过程的目标是做出有一定用途且具有创新点的产品。产品的典型规格包含功能性、制造成本、性能表现、省电考虑和其他特性。

4 结束语

第2篇：硬件系统设计论文范文

摘要：本文介绍了我校对计算机硬件实验课程体系及实践教学环节进行的改革，建立了“基础层－应用层－提高层”三层体系结构的硬件课程群实验体系，并对多层次、系列化的硬件实践教学模式及训练模式进行了探讨。

关键词：硬件课程群；实验体系；实验内容；实践能力

中图分类号：G642

文献标识码：B

我校计算机专业自99级开始进行了较大规模的扩招，但由于师资力量跟不上、实验条件和实验内容相对落后等原因，造成计算机硬件教育存在层次单一、教学内容滞后、理论与实践脱节等问题，学生普遍存在着“重软怕硬”的现象，毕业后硬件设计能力差，软件开发缺少后劲。为提高学生的硬件动手能力，增强毕业生的社会适应性，学院自2002年开始进行计算机硬件课程群建设及相应的硬件课程群实验体系建设，包括“计算机组成原理”等九门硬件课程及5门相关的实践课程。本文对我院计算机硬件课程群实验体系建设及硬件实践教学环节的改革进行了探讨与总结。

1构建科学完整的硬件课程群实验体系

在原有的课程体系下，我院为本科生开设的硬件实验教学课程有“数字逻辑实验”、“计算机组成实验”、“微机接口实验”、“单片机实验”。由于实验条件的限制，各课程实验内容相对独立，综合性、系统性较差；尚有部分硬件主干课程没有对应的实验课程，如系统结构。实验课程体系存在诸多问题。

(1) 缺乏对学生系统设计能力的培养。传统的硬件设计和软件设计相分离的设计方法成为阻碍设计和实现复杂、大规模系统的关键因素。系统平台的搭建、软硬件的协同设计验证和软硬件功能模块的可重用性已成为现阶段设计方法的热点。培养学生具有系统设计的思想成为当务之急。

(2) 缺乏对学生可编程芯片设计能力及EDA技术的培养。可编程芯片与EDA技术是现代电子设计的发展趋势，将可编程芯片设计及EDA技术引入实验教学中是时展的需要。

(3) 缺乏综合性的实践课程，学生的创新能力发挥受限。由于实验条件限制，原有的多数实验是基于纯硬件逻辑设计的，只是在面包板上用器件构建小系统，功能扩展性差；并且只能开设数量有限、技术含量较低的实验，学生无法开展自主的综合性设计，无法进行创新能力的培养。

为此，经过充分调研和论证，我院首先从修改03级教学计划入手，对课程体系中的多门课程进行了调整，同时理顺各门课程间的关系，构建起了新的硬件课程体系。该课程体系由必修课程、选修课程及配套实践三部分组成。必修课包括“组成原理”、“接口技术”、“系统结构”等基础课程。为适应社会需求，在选修课中删去原有的“诊断与容错”等一些过时的课程，增加“数据采集”、“计算机控制技术”、“嵌入式系统”等社会需求较强、实用价值高的应用性课程，同时新开了“模型机设计与组装”、“硬件综合实践”等实践课程。在07版教学计划中，又新增了“DSP原理与应用”、“嵌入式系统实践”等新课程，保证课程体系的实用性与先进性。

硬件系列课程从体系结构上划分为三个层次：基础层、应用层和提高层，其课程间的关系如图1所示。基础层为“数字电路”与“组成原理”。“数字电路”课程虽然在教学体系上不属于计算机硬件系列课程，但它是计算机硬件系统的技术基础，是必修的前续课；“组成原理”介绍计算机的基本组成和工作原理，解决整机概念；通过“电工电子实习”与“模型机设计与组装”两门实践课程，强化学生的硬件动手能力。在应用层中，通过“接口技术”介绍应用层的接口和相关外设，以“嵌入式系统”等四门实用性强的课程作为选修课，每门课程都配有相应的实验环节，并通过“硬件综合实践”、“嵌入式系统实践”强化学生对基础知识的掌握和综合应用。提高层为“系统结构”及“性能测试与分析”实践课程，通过学习和实践，能够使学生比较全面地掌握计算机系统的基本概念、基本原理、基本结构、基本分析方法、基本设计方法和性能评价方法，并建立起计算机系统的完整概念。

在硬件课程群实验体系建设过程中，突出强调课程体系的系统性和完备性。从第1学期到第7学期硬件实验不断线，层次逐步提高，实验内容衔接连贯。注意各硬件实践的相互次序和互补，使硬件实践训练层次化、系列化，以此来系统强化学生的硬件动手能力。同时调整各课程的开设顺序，理顺每门课与前导课和后续课之间的关系，从而保证硬件课程体系的系统性和完备性。

注：所有必修课程与选修课程均开设课内实验，包括验证实验(20%)、设计实验(80%)；实践课程单独开设，包括综合实验(80%)、探索实验(20%)。

2改革实验教学内容与模式

计算机硬件系列课程的重要特点之一是工程性、实践性强。为了使学生在学过该系列课程后具备较强的实际动手能力和计算机应用系统的开发能力，应在实验教学内容的设置上体现出基础性、系统性、实用性和先进性，既要重视计算机硬件的基础内容，又要结合当今电子与计算机的最新发展。为此，我们对该硬件系列课程的实验教学内容和教学模式进行了改革创新。

2.1优化实验内容，引进实验新技术，提高硬件设计的效率和兴趣

随着计算机硬件技术的日益发展，各种各样的微处理器不断更新，功能不断增强，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展，嵌入式系统设计也逐步成为主流。为了使学生跟上时代潮流，了解最新技术，需要不断引入新设备、新技术，提高硬件设计的效率和兴趣。如更新的“组成原理”和“系统结构”实验台，通过RS232串口与PC机相连，可在PC机上编程并向系统装载实验程序，还可在PC机的图形界面下进行动态调试并观察实验的运行，使学生像设计软件一样来设计硬件，做到了硬件设计软件化，大大提高了硬件设计的效率和兴趣。“模型机设计与组装”，将CPLD和FPGA等技术引入，用CPLD来设计复杂模型机。“汇编语言”和“接口技术”补充Windows下设备驱动程序的设计与实现，增加PCI、USB的应用等内容。“系统结构”通过局域网组建小型的微机机群，研究探索多处理机操作系统，试验并行程序的运行与任务分配调控等功能。为适应当前嵌入式芯片的迅速普及应用，新开设了“嵌入式系统设计”课程设计。针对学生已学过多门硬件课程，但仍不能完成一个完整的、可独立工作的计算机系统设计问题，新开设了“硬件综合实践”，使同学亲自体会设计一台微型计算机系统的全过程。

2.2建立“验证型－设计型－综合型－探索型”的多层次实践教学模式

在实验教学内容的改革上，本着“加强基础、拓宽专业、注重实践、提高素质”的方针，将实验项目分为4类，即验证型、设计型、综合型、探索型,实验项目由浅入深，循序渐进。在所有硬件必修和选修课程中，全部开设课内实验。课内实验由验证实验(20%)、设计实验(80%)组成。所有实践课程都单独开设实验，包括综合实验(80%)、探索实验(20%)。这样，课内课程中开设“验证型”和“设计型”的实验，在后续课程设计中，开设“综合型”和“探索型”的实验，形成“验证型－设计型－综合型－探索型”的多层次实践教学模式，系统强化学生的综合设计和硬件动手能力。

在验证型实验中，注重使学生巩固基本理论，进一步掌握基本概念和基本技能。在设计型的实验中，注重培养学生的创新意识、设计能力和动手实践能力。在这一类实验中，以学生动手为主，教师辅导为辅，只给定实验的课题及达到的目的，中间过程需学生自己去查阅资料和设计方案，直至最后调试完成。在综合型实验中，注重培养学生综合运用所学知识的能力，使学生受到更为实际、更加全面的科学研究的训练。综合实验的特点是没有现成的模式可循，学生需要独立完成硬、软件设计和调试。在调试过程中，学生自己动手分析解决实验中出现的问题，虽然有一定的难度和深度，但对学生很有吸引力，能使学生从应付实验变为主动实验，不仅提高了基本操作技能，也发挥了学生的主观能动性和创造性。课程设计的部分内容属于探索型实验，学生可以自主选择感兴趣的课题及相关开发工具，写出设计书，交给指导教师审核后实施。在这一过程中，学生需要查阅大量的资料，培养了学生的自学能力、研究设计能力、独立分析问题及解决问题的能力和创新能力。

2.3确立“系列化硬件实践训练”方案

硬件实践训练由“课程实验－课程设计－综合训练－毕业设计”四个系列组成。课程实验――所有硬件课程都开设。课程设计――在“嵌入式系统”、“组成原理”等重点课程中开设，在这些课程的课内实验中进行部件或模块实验，在课程设计中进行综合性、创新性设计。综合训练――通过“硬件综合实践”展开。该课程安排在大四开设，是一门综合性设计实践课程，也是对前面所学课程的一个全面应用和总结，在硬件课程群建设中起着“总练兵”的作用。通过让学生亲自设计一台小型计算机控制系统，包括计算机的各个部件和功能，“麻雀虽小，五脏俱全”，旨在让学生真真切切感受到如何设计一个可独立工作的计算机系统，强化和提高学生的综合实践能力，培养学生的创新思维和创造能力。毕业设计――每年精选一定数量的硬件毕业设计题目，提供实验场所、设备及材料，让对硬件感兴趣的同学去实现自己的设计，放飞自己的理想。学生以接近于实际应用环境，完成高质量综合设计为训练手段，以掌握计算机硬件结构与应用系统设计作为主要训练目的，使学生对计算机的整个硬件系统有较全面、较系统的掌握。要求学生能够根据需要设计出一定规模的计算机硬件应用系统实例，从模板设计、制作、总线的走向、计算机部件选取、工作原理的分析、部件在模板上的部局、部件的焊接、运算能力的调试、结果正误的判断分析等流程的设计到具体的制作，直至最后写出毕业论文，使学生建立系统的概念与工程的概念。

3结束语

上述改革取得了令人满意的效果。大学生对计算机硬件实验课程学习的兴趣增强了，实验室开放期间，有更多的学生走进了硬件实验室。在毕业设计时，有更多的学生选择了与计算机硬件系统设计和开发相关的课题。学生做完硬件综合实习和硬件毕业设计课题后，普遍充满自豪感和成就感，感到硬件设计及底层软件开发不再可怕。通过这样的训练，提高了其综合设计能力和创新能力，同时也锻炼了他们的团队合作精神，步入单位就能直接胜任计算机应用系统设计、开发的工作，实现高校、学生、用人单位等各方面的多赢。同时我们也应该看到，随着新技术的不断发展，计算机硬件系列课程及其实验体系的建设和实验内容的改革是一项长期不懈的工作，需要不断完善。

参考文献

[1] 罗家奇,李云,葛桂萍等. 计算机硬件系统实验教学改革的研究[J]. 实验室研究与探索,2007,26(8):98-99.

[2] 武俊鹏,孟昭林. 计算机硬件实验课程体系的改革探索[J]. 实验技术与管理,2005,22,(10):107-109.

第3篇：硬件系统设计论文范文

[关键词]群文;工作;系统;软件;硬件;综合

系统论是改革开放以后传入我国的西方现代先进的理论与方法,它的内涵丰富,意义重大。广义的“系统论”包括一般系统论、控制论、信息论、集合论、决策论、对策论、自动化理论、电子计算机理论与方法等许多现代化的新理论与新方法。

运用系统论的理论与方法,对群文工作进行系统研究,具有重要的理论创新价值与实践创新意义。本文对此进行探索性研究,即把整个群文工作视作一个大的母系统,分解为三个子系统,既研究各子系统与母系统的关系,又研究各子系统之间的关系,形成全方位、系列化、深层次的理论格局。

一、软件系统

群文工作母系统中的第一个子系统,是它的软件系统。

所谓“软件系统”,也叫“软系统”、“软设备”、“程序系统”,简称“软件”。原指管理计算机系统资源,提高计算机使用效率,扩大计算机功能,提供应用开发工具的程序的总称。例如程序库、编译程序、操作系统等。后来引伸为各项工作中的意识、思想、理念、原则、意义等内涵,它实质上是“务虚系统”。

具体而言,群文工作系统的软系统,主要包含以下几个子系统:

(一)意义系统。意义系统指群文系统软系统中各种重要意义构成的一个子子系统。其中主要是对群文重要地位与作用的认识。众所周知,群文工作是整个文化工作中的基础与前提、核心与关键,没有群文工作,便没有整个文化工作。群文工作直接关系到国民综合素质的提高,关系到国家精神文明与物质文明建设,关系到和谐社会构建。对这些重要意义的明确认识,是搞好群文工作的精神保证与智力支撑。

(二)原则系统。群文工作有自己的工作原则,这些原则构成一个子子系统,便称作“原则系统”。其中主要指普及的原则、业余的原则、群体的原则、多样的原则等等。

(三)特征系统。群文工作具有自己的本体特征,这些特征构成一个子子系统,便称作“特征系统”。其中主要指通俗性、浅显性、平民性、亲和性等。

(四)内容系统。群文工作具有自己的独特的内容,这些内容构成一个子子系统,称作“内容系统”。其中主要有文化内容、艺术内容、体育内容、科技内容等。

二、硬件系统

群文工作母系统中的另一个子系统,是它的硬件系统。

所谓“硬件系统”,也叫“硬系统”、“硬设备”。原指整个计算机系统的物理装置,即由电气、机械及其他器件所组成的所有部件和实体的统称,它实质上是“实体系统”。后泛指一切设施设备、方法手段、有效形式等等,简称为“硬件”。

具体而言,群文工作系统的硬件系统,主要包括以下几个子子系统:

(一)设施系统。设施系统是主要由群文活动的场地、设备等构成的一个子子系统。例如文化活动室、图书室、微机室、球场、室以及各种文化活动用品等等。

(二)手段系统。手段系统是主要由群文工作的各种手段构成的一个子子系统。例如传统的口传心授手段、常规的一般表演手段、高科技的电脑手段与网络手段等等。

(三)方法系统。方法系统是主要由群文工作的各种方法构成的一个子子系统。例如辅导的方法、讲授的方法、讨论的方法、咨询的方法等等。

(四)形式系统。形式系统是主要由群文工作的各种形式构成的一个子子系统。例如个体阅览,上网、文艺创作,群体表演、跳舞、扭秧歌,科技辅导、科技报告、科技咨询、科技大集等等。

三、综合系统

群文工作母系统中的第三个子系统,是它的综合系统,即其软件系统与硬件系统的有机综合,其中主要包括以下几个子子系统:

(一)意义系统与设施系统的综合。即在明确群文工作的重要意义之后,就要在资金投入、设施建设上加大力度,使意义有可靠保证。

(二)原则系统与手段系统的综合。即以原则系统为指导,通过手段系统体现原则系统,使原则系统落到实处。

(三)特征系统与方法系统的综合。即以特征系统为导向,以方法系统与特征系统相适应、相吻合。

(四)内容系统与形式系统的综合。即以内容系统为主导,以方法系统体现内容系统,为内容系统服务,并反作用于内容系统。

第4篇：硬件系统设计论文范文

【论文摘要】本文通过对传统的计算机系统集成进行分析,得出传统的计算机系统集成已经无法满足市场的需求,必须探寻新的计算机系统集成的趋势,本文对计算机系统集成的发展趋势进行了相关探讨探讨。

随着现代社会的不断发展,各行各业也都是现代化的需要。越来越多的单位迫切需要建立一个先进的计算机信息系统。由于不同的单位有自己独特的行业特性。因此,需要的计算机系统的万千变化。从政府系统的医疗单位的管理系统,从工厂的生产管理系统,证券市场证券管理系统。不同系统之间可以说是千姿百态。系统集成应用功能集成,网络集成,软件界面集成等综合技术手段,是指导信息系统的总体规划,逐步实现的一种方法和策略。系统集成是一种思想,概念,哲学,它不仅包括技术集成,更不能缺少艺术构件集成。

1、计算机系统集成的特点

1.1计算机系统集成的相关认识

系统集成通过对综合布线系统和计算机网络技术结构化,将独立分离的设备、功能、信息等集成到相互之间有关一定的联性,而且在协调统一的新系统中,能够充分共享资源,以期实现高效、集中、便利的管理策略。

系统集成是一个需要多个供应商,多协议的各种应用系统的结构,因此,实现系统集成的关键是解决不同系统连接的互操作性问题,专门解决各种分离设备,子系统之间的接口,协议,系统平台,应用程序,和系统,组织和管理,建筑环境,建筑人员,所有需要的一体化问题。系统集成的本质就在于系统的优化设计,为一个大型计算机网络集成系统,包括一对计算机软件,硬件,操作系统,数据库,网络通信等多种技术的集成,以及制造商的产品选择和搭配的集成,集成系统可以实现整体优化目标。

1.2计算机系统集成的特点

(1)没有最好,只有最适合:计算机系统集成不像其他的产品那样,用户都希望拥有最好的。

(2)独创性:由于计算机系统集成工程是根据用户各自的特点和需求而量身定做的,因此每个计算机系统集成工程都是不同的,具有独创性。

(3)高科技:计算机系统集成不单是提供一个设备,更多的是对设备的设计、开发和调试,需要很多高科技技术法能完成的。

系统集成具有最大程度上提高系统的有机组合、完整性、灵活性和性能,对其复杂性进行简化,有着为用户提供全面、切实可行的系统解决方案的重要理论和实践意义。

2、计算机系统集成的分类

依据计算机系统集成项目的相关特点,可以把计算机系统集成分为计算机硬件系统总体设计与工程管理服务、计算机硬件设备集成与安装、计算机硬件设备的技术与服务三大类。以下对这三种项目的管理实施进行简要的定义分类解析。

2.1总体设计与工程管理

计算机硬件系统设计和项目管理服务,也可称为整体设计和项目管理,这主要是买方将正确的计算机硬件系统集成项目。一般情况下,购买者的计算机系统集成项目的结构设计以及性能指标,粒度分布有一定的认识。这类项目的实施要求相关服务提供商设计计算机系统在各种领域,它可以覆盖大部分的电脑系统,同时,相关技术人员专业水平的要求也很高。

2.2设备的集成安装

计算机硬件设备的集成和安装也可以称为一体的设备安装。计算机硬件设备的集成和安装是一种最常见的计算机系统集成项目,但大多数消费者比较常用的计算机硬件系统项目建设模式。在计算机系统集成项目的硬件设备建设,集成和安装要求买方应进行全方位的计算机系统集成框架和设备性能管理等定性选择论点。简单来说,相关设备的供应商,只要依据合同标准实施计算机系统集成项目的设备供应商,采购和安装即可。

2.3技术服务

计算机硬件技术和服务也可以称为工程技术服务。鉴于这种类型的项目,其主要是由它的技术和服务为主要内容的系统集成计算机硬件系统的建设项目。设备技术服务通常是在一个特定的服务指标和技术要求为主要目的的。这使得买方设备问题的技术和硬件的疑虑,提供相应的技术服务培训支持。这类项目的实施需要相关的技术解决方案和技术结合有效的论证。

3、计算机系统集成目前存在的问题

3.1微机系统及工具软件的管理问题

因为目前的电脑系统和软件工具比较大,如果一台设备的问题,需要重新安装操作系统和应用软件,通常需要系统工作了一天。作为一个结果,上网计算机数量巨大,导致系统维护人员疲于奔命,也是很难保证服务质量。

3.2用户管理的问题

用户被限定在固定的机器上,同时,用户的数据和文件也只能保留在该机器上。若要使用其它机器,必须在每台机器上创建该用户帐号,并将用户的文件和数据复制到新机器上。当用户固定使用的机器发生故障时,容易造成用户数据的丢失。

3.3Landmark等专业应用软件方面

在计算机系统集成前,需在每台解释工作站上安装专业应用软件,并创建用户,用户在指定的机器上加载数据,以便开展工作。如此一来,用户和数据与机器捆绑在一起。有些时候,结果有的机器满负荷工作,有的机器却相对闲置。

3.4外设的共享问题

由于彩色绘图仪、彩色激光打印机、磁带机等大型外设价格贵,数量有限,不可能配置到每台机器上,用户只能登录到固定的几台机器使用。

4、计算机系统集成的发展趋势

广泛集成分布式网络环境与市场竞争的全球性激烈,每个企业集成中心也延伸到了企业的整合,使企业应用在分布式网络环境的大型integrated.web为基础的用户界面统一,使部门和地区不同的人,组织,所有用户实现方便,实时获取信息,因此,该网站的用户界面的统一是必然趋势,计算机系统集成。

专业化与多元化系统集成技术,计算机的普及和应用在中国,在很大程度上提高国民综合素质,有越来越多的挑战和机遇。今天的社会是一个网络与信息技术的整合,系统整合模式 不再是简单的结构,功能单一,但基于网络结构的复杂和多功能转型。因此,专业化与多元化系统集成技术是发展的必然趋势,计算机系统集成。电子商务与企业信息系统集成,使企业供应链的有机结合,实现信息和资源充分共享,为企业降低成本,提高效率,电子商务可以说赢得了广大民众的支持,与企业信息系统集成已经成为一个必然。

结语

采用现今先进的域管理技术、网络技术、存储技术,对开发研究工作的主要计算机软、硬件平台进行了系统集成,建立了域控制器、远程安装服务器、文件服务器、软件分发服务器、NIS+服务器、数据库服务器、打印服务器、磁带机服务器等十余套应用服务器,实现了操作系统远程安装、应用软件自动分发、用户数据跟随用户网上漫游、用户数据,应用软件集中管理、磁带库系统、远程自动数据备份等。系统集成尽管提高了系统管理工作的技术难度,但却极大地方便了用户的工作,同时最大限度地实现了网络资源的共享。

参考文献

[1][美]微软公司.Microsoft Windows 2000目录服务基础结构设计与管理[M].北京:北京希望电子比版社,2001.

第5篇：硬件系统设计论文范文

 

1.引言

 

通信原理课程是通信工程专业一门重要的专业课程，由于课程内容理论要求高，知识背景广，同时又具有很强的工程背景，需要大量的实验环节对其知识体系进行补充。良好的实验设置不仅仅需要帮助学生巩固课堂上的理论知识，培养学生的实际动手能力，同时还需要引入工程的思想引导学生解决实际通信电路的设计、分析、调试等种种问题。

 

本文提出了一种新的实验思路，利用xilinx公司提供的system generator工具，可以在simulink的库中搭建开发好的模块，组成通信模型，进行仿真并可以使用虚拟器进行观测。同时，可以生成HDL文件，编译后下载到FPGA中执行，运行在实际的硬件电路上。

 

2.虚拟实验仿真

 

实验的第一步是在虚拟的环境中进行，其设计是在simulink的环境下完成的，实现的方式完全和在simulink中一样，通过拖拽模块和连线，就能完成系统的搭建。学生可以自己构建多种通信系统，完成系统的设计和调试工作，通过虚拟仪器分析信号的波形和频谱，理解通信原理中的理论知识。图 1是在simulink环境下搭建的一个基本的QPSK调制系统，调用了xilinx公司的DDS、乘法器、加法器模块，整个设计过程和通用的虚拟环境基本一致，通过simulink中提供的示波器，频谱仪等模块，可以观测到整个调制的过程。

 

可以看出使用system generator工具所搭建的通信系统完全可以基于虚拟环境使用，丰富的虚拟设备可以让学生清晰而直观地观察信号，不受硬件设备的限制，不需担心设备损坏的问题，降低学生对实验的畏难情绪，激发学生的学习热情。

 

3.硬件平台设计

 

在学生通过自己动手完成虚拟系统的搭建，掌握了基本系统原理，观测了相关信号的波形，调试成功后，就可以直接在simulink环境中生成 NGC或HDL文件，生成可下载文件，在硬件中运行。硬件平台的设计需要考虑以下几个因素：(1)必须要满足通信原理课程的要求，巩固学生的理论知识。(2)能够进行综合性及设计性实验，满足二次开发的要求。(3)便于故障排除和维护，减轻日常实验室工作强度。

 

基于以上的考虑，系统的硬件采用了模块化的设计方法，使用了母板+子板的设计方案。母板上使用了一片Xilinx公司的spartan 6系列FPGA，子板设计了AD、DA、音频、放大器等常用的模块。两者通过digilent公司的PMOD接口连接。母板可以通过板子周边的PMOD接口连接DA子板，将调制好的信号转为模拟信号，由子板接口输出，通过示波器进行观测。

 

结论

 

采用虚实结合的实验方式可以结合虚拟实验和实际硬件实验的优势，虚拟实验的方式实验形式灵活，虚拟模块和设备齐全，实验成本低，效率高，便于学生理解通信系统的基本原理。而实际硬件上的实验能让学生切实地感受真实的电路、元件、测量仪器，真正地提高学生的实际动手能力。因此，让学生首先在虚拟环境中自己动手搭建系统，掌握了基本的原理之后，在通过system generator提供的工具直接生成可下载文件在硬件电路中运行，在真实的电路板上调试，使用真实的仪器进行观测，给予学生直观的认识。通过这样既加强了学生对基本原理的理解，有培养了学生的实际动手能力，使之成为既具有扎实的理论基础，又有很强动手能力的创新型人才。

第6篇：硬件系统设计论文范文

关键词：计算机；课程；教学模式；虚拟机技术

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2014）14-0099-01

《计算机组装与维修》是中职计算机专业的一门主干专业课程，其主要任务是使学生了解计算机各种部件的分类、性能、选购方法，理解各主要部件工作原理、硬件结构、相互联系和作用，熟练掌握各种软件安装，以及计算机的组装与简单故障的维修方法。它是一门实践性很强的课程，需要将理论与实践进行有效结合。

一、《计算机组装与维护》课程的特点

《计算机组装与维护》是一门侧重实践和应用的课程，主要有以下特点：

1.课程内容多，知识面涉及广。这门课程主要包括计算机组成部件介绍、计算机硬件组装、硬件评测、系统设置、硬盘规划、软件安装、计算机日常维护等方面的内容。知识面涉及计算机文化基础、计算机组成原理、Windows操作系统等课程，教学内容多，可扩充性强。

2.课程知识更新周期短，时代特征鲜明。计算机软硬件的发展日新月异，新技术、新产品层出不穷，只有定期更新教学内容，才能满足学生了解新技术和产品的需要。

3.课程侧重实践，培养独立动手能力。《计算机组装与维护》课程的教学目标是通过学习，能认识和了解计算机硬件结构，能完成计算机硬件组装、软件安装和掌握计算机日常维护的技能，提高解决实际问题的能力，要实现这一目标，必须通过大量的实践教学环节来完成。

二、《计算机组装与维护》课程教学的现状

针对该课程的特点，结合培养学生动手能力的目标，大部分学校均采用“理论+实践”的教学模式。

1.以多媒体教室或机房讲授为主的教学模式。多媒体教学是理论教学的主要形式，使用多媒体课件，能比较直观地展现计算机知识。对于计算机硬件部分的知识，从横向展示不同部件外观、连接使用，以及各自不同的功能作用。对于每种部件，可以从纵向介绍与展示其不同时期由低到高的版本发展历程和各个版本的功能特点。从理论课的学习中让学生对硬件系统的各部分都能准确地辨认与识别，形成感性认识。另外，在讲授硬件组装与系统安装时，使用多媒体有选择地播放计算机安装操作视频，让学生学习如何对一大堆硬件进行有序安装，安装过程中有哪些技巧与注意事项等。但由于中职生自控能力不是很强，上课精神状态不集中，理论教学成了教师的独角戏。特别是在软件系统的安装过程中，由于多媒体教室与机房是公共设施，往往不能进行实际操作，学生只能观看教师演示，上实践课时才能去练习，因而不能及时消化知识。如果每个学生都可以在电脑上进行系统安装等操作练习，将减轻学生实践课的压力，提高理论课学习效率。

2.以计算机组装与维修为主要实践内容的实验室教学模式。通过多媒体学习组装的理论知识，然后在组装实验室里接触实物进行实践操作，完成计算机硬件的组装与调试、软件安装、故障排除等实验。通过实践课，学生动手能力提高了，但由于各个学校硬件设施水平的差异，不一定都能满足每个学生的练习需要，部分学校机器设备陈旧，学生在实验过程中也不懂得珍惜，造成部分设备损坏严重，还有部分学生因机器设备陈旧以至于不想动手操作。中职生的抽象思维能力和综合归纳能力较弱，学习积极性不强，因而不能把提高实践能力全部放在实验室。例如，软件安装、BIOS设置等可在机房进行练习，让每个学生都有练习的机会，从而保证利用有限的资源进行有侧重点的项目练习，发挥最大效率。

三、在教学中运用“虚拟机技术”的作用

正如上述分析，如果在理论教学中能使学生获得更多的“实践”机会，将不仅有助于提高理论课堂的教学质量，体现以学生为主体的教学思想，还有利于提高实践课的课堂效率。那么，如何在理论课堂中让学生尽可能获得更多的“实践”机会呢？在计算机机房采用“虚拟机技术”进行理论教学是一种不错的选择。

虚拟机是指通过软件模拟具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全像真正的计算机那样进行工作，可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源，等等。它只是运行在物理计算机上的一个应用程序，但对于在虚拟机中运行的应用程序而言就是一台真正的计算机。因此，在虚拟机中进行软件评测时，系统一样会崩溃，但只是虚拟机上的操作系统，而不是物理计算机上的操作系统，并且使用“Undo”（恢复）功能可以马上将虚拟机恢复到安装软件之前的状态。

使用Vmware可同时运行Linux各种发行版、Dos、Windows各种版本、Unix等，甚至可以在同一台计算机上安装多个Linux发行版、多个Windows版本。VMware 可以在一台机器上同时运行2个或更多Windows、DOS、LINUX系统。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念。多启动系统在同一个时刻只能运行一个系统，切换系统时需要重新启动机器。而VMWare可在主系统的平台上“同时”运行多个操作系统，就像标准Windows应用程序那样切换。而且每个操作系统都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，极其方便。

正因为虚拟机具有以上功能，如果在教学过程中，机房的每台电脑上通过安装VMware都具有虚拟机的功能，那么不仅可以保证公用机房的高效利用，还能满足学生练习的需要，通过虚拟机可完成如操作系统等软件的安装、数据恢复与备份、BIOS设置等操作，使每个学生都获得充分的练习机会。此外，还能完成由于实验室硬件原因无法实现的高难度、复杂性实验，缓解实践教学的压力。

在计算机课程中实施“虚拟机技术”，可使学生在理论学习过程中获得更多的实践机会，提高课堂学习效果。同时也在一定程度上缓解了实训室实践教学压力，从而保证学生在有限的时间内可以进行有侧重点的项目练习，使有限的资源得到高效利用。

参考文献：

[1]郭新房，等.计算机组装与维护标准教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

第7篇：硬件系统设计论文范文

【关键词】数字信号处理 DSP Builder 教学实践环节

【基金项目】论文由“上海理工大学‘精品本科’系列研究项目”专项资助。

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0231-01

数字信号处理是一门的重要专业基础课，由于理论性很强、比较抽象，对于听课的学生和授课的教师均是一个难点。为了能让学生深入的体会和学好数字信号处理的理论知识，教学实践环节是必不可少的。

1.数字信号处理教学实践环节的现状

目前在数字信号处理课程的教学实践环节中，较为普遍的是采用MathWorks公司的数学分析软件Matlab，学生通过Matlab软件编程对数字信号处理的理论知识进行仿真和验证，这种通过纯粹软件编程进行仿真验证的实践方法仍然是比较抽象的，不利于学生对所学知识的深入理解，也不利于理论联系实践。

国内一些高校开始采用Matlab编程与可编程逻辑器件相结合的方法来进行该课程的实践教学，这种将软、硬件平台相结合的方法是一个很好的尝试，但它需要学生在熟悉可编程逻辑器件的基础上，熟练进行硬件描述语言（HDL，hardware description language）的编程，这样就容易使学生在掌握软件使用和熟悉硬件平台等方面花费过多的时间，从而忽视了对数字信号处理课程本身一些重要理论和概念的理解与掌握，达不到教学实践目的。因此，需要对本课程教学实践的方法进行探索和改革。

2.教学实践方法的改革

2.1教学实践方法的思路探索

需要找到一种简单易行的方法，使得数字信号处理的理论算法可以在硬件上得以实现，并且可以通过嵌入式测量软件（如：QuartusII中的SignalTapII Logic Analyzer）对信号的处理结果进行实时在线观测，那么学生必然会对所学的理论知识能有更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力。

鉴于学生在前期课程中已学习过可编程逻辑器件FPGA的相关知识，而FPGA是一种实现数字信号处理的通用硬件器件，如果能够通过一种简单的操作将数字信号处理的理论算法在FPGA器件中得以直接实现，那么就能起到事半功倍的学习效果。

2.2 DSP Builder工具软件的特点

在数字信号处理中Matlab是用作算法开发和仿真的软件，而DSP Builder通过Matlab中的Simulink模块将Matlab的算法开发和仿真与硬件描述语言（HDL）的综合、仿真和Altera开发工具整合在一起，实现了这些工具软件的集成，从而使学生在进行系统级设计、算法设计和硬件设计时共享同一个开发平台，并且不需要过多关注硬件设计方面的知识和硬件描述语言的编程，同时，DSP Builder是作为Matlab中Simulink模块的一个工具箱出现[1]，使得学生可以通过Simulink图形界面调用DSP Builder工具箱中的提供Altera知识产权核（IP core， intellectual propert core）MegaCore进行DSP系统设计，因此学生只需要掌握Simulink的使用即可，并不需要花过多的精力熟悉DSP Builder的使用。

2.3 DSP Builder应用于教学实践

应用DSP Builder在教学实践中进行基于FPGA的DSP系统开发，整个设计流程是基于Matlab的Simulink模块，DSP Builder和QuartusII的，包括从系统描述到硬件实现都可以在一个完整的设计环境中完成，构成了一个自顶向下的设计流程。它主要分为以下几步[2， 3]：

（1）利用Simulink模块、DSP Builder模块以及IP核模块Matlab的Simulink模块中对DSP系统进行建模，只需双击系统中的模块就可以对该模块进行参数设置，同时可以基于Simulink平台仿真验证所搭建DSP系统的功能。

（2）利用DSP Builder具箱中的Signal Compiler模块，将Simulink模块文件（.mdl）转换成RTL级的VHDL硬件描述语言代码描述以及用于综合、仿真、编译的TCL脚本。

（3）在得到VHDL文件后，设计者仍然可以通过Signal Com？鄄piler自动调用综合工具和编译工具。目前DSP Builder自动流程中支持的综合器有QuartusII， Synplify和Leonardo Spectrum。综合后产生的网表文件送到QuartusII中进行编译优化，最后生成编程文件和仿真文件，即利用生成的POF和SOF配置文件对目标器件进行编程配置和硬件实现，同时生成可分别用于QuartusII的门级仿真文件和Modelsim的VHDL时序仿真文件以及配套的VHDL仿真激励文件，可用于实时测试DSP系统的工作性能。另外，设计者也可以在Simulink外手动调用其他C合工具和编译工具。

（4）针对第二步中生成的VHDL，利用自动生成的Modelsim的TCL脚本和仿真激励文件所做的仿真为功能仿真，而当由QuartusII编译后生成的VHDL仿真激励文件和Modelsim的TCL脚本进行的仿真为时序仿真。

（5）最后将QuartusII生成的配置文件下载到目标器件中，形成DSP硬件系统。

2.4教学实践的实施步骤

（1）教授学生使用DSP Builder进行基于FPGA的DSP系统开发的过程。

（2）设计出利用DSP Builder进行数字信号处理教学实践的典型题目。

（3）让学生将Matlab中编写的数字信号处理算法，直接在FPGA器件中得以实现。

（4）对信号的处理结果进行实时测试，解决数字信号处理中的实际问题，切实做到理论联系实践。

3.教学实践的效果

在数字信号处理的教学实践中，应用DSP Builder在FPGA器件上实现数字信号处理的算法，使学生在设计过程中摆脱了繁琐的具体硬件设计，将更多的精力关注在数字信号处理算法设计的实现上，对所学数字信号处理的理论知识能有一个更生动的体会和更深刻的理解，增强学生的学习兴趣，提高学生理论联系实践的能力，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]杨守良. Matlab/simulink在FPGA设计中的应用[J]. 微计算机信息，2005（8）：[98].

第8篇：硬件系统设计论文范文

关键词：硬件；课程体系；教学；教材

中图分类号：G64 文献标识码：B

文章编号：1672-5913 (2007) 21-0023-02

目前高校计算机专业本科计算机教学可以分为三个层次：计算机文化基础、计算机技术基础和计算机应用基础。计算机文化基础包括计算机的基本概念、软硬件基本知识和计算机的基本使用方法；计算机技术基础指软件技术基础和硬件技术基础，包括计算机组成原理、操作系统、微机原理与接口技术、语言、通信和网络原理，等；计算机应用基础指本专业常用软、硬件的应用技术。在这三个层次中，硬件基础课程占有重要的地位，无论是软件开发、网络技术还是工业控制等计算机技术的应用，都必须掌握计算机的工作原理，对硬件支持非常了解。由于目前高校计算机教育中普遍存在着“重软轻硬”的现象，使得计算机应用专业在硬件课程的设置、教学知识体系和内容等方面存在着诸多不尽人意的地方，教学质量难以保证，多数学生的硬件能力都比较差，基本无法胜任计算机硬件方面的相关设计和应用工作。对此本文对计算机硬件课程教学体系及内容中存在的问题和不足进行了分析和讨论，提出了一些教改思路和方法。

1计算机硬件课程教学体系中出现的问题及原因

目前硬件教学中主要存在的问题首先是计算机硬件发展速度太快，教材知识相对落后，学生无法学以致用；其次是实验条件差，缺乏实践环节，学生无法锻炼实践能力，学习困难较大，无法激发学生的学习积极性和创新能力。导致当前状况的原因是多方面的，总的来说有以下几个方面。

(1) 认识方面的偏离：目前计算机教育存在着重软轻硬的倾向。很多学生对硬件课程的了解甚少，认为硬件课程只是学习计算机的内部工作原理，在计算机应用当中无关紧要，认识不到硬件技术在应用方面的重要性，再加上相应的实践环节难以保证、课程考试评价体系(包括社会各类计算机考试评价体系)中对硬件实践能力的不重视，导致学生在学习中缺乏积极性。

(2) 设备条件方面的不足：硬件课程的教学实施比较困难，设备投资大，通常每门课程需要配备专门的实验设备和相应辅助设备，且对实验室辅导和维护人员的要求也比较高。多数高校在硬件课程及实验条件建设方面都明显不足，实践教学的时间过少，而且验证性实验占绝大多数，造成学生硬件动手能力普遍低下，其创造力无法得到训练，这导致了计算机硬件课程在教学上的不足。其中的客观原因是学校缺乏足够的物质条件和经费，没有条件开展自主创新性实践活动；而其中的主观原因是实践能力在考试评价体系中所占比例过小，实验指导教师的工作积极性不高，指导能力也有限。另外，部分理论教学教师和实验指导教师之间缺乏足够的交流与沟通。

(3) 在教材方面的欠缺：一般教材都与实际联系不紧密，且教材知识相对落后，许多客观条件原因限制计算机硬件教学内容的更新。其一，计算机硬件发展太快，真正能反映当今世界微机领域新技术的微机原理教材太少，相应的实验设备和条件几乎没有。其二，计算机硬件知识存在不直观，最新的硬件知识往往包含许多较复杂的技术，讲述起来抽象、枯燥，教学方法可视性和直观性差，致使学生对硬件知识的理解存在困难，学习起来不太容易，教学效果较差。由于组织和实施教学的难度非常大，许多教师偏向于讲述旧的知识。其三，新知识的过快更新给许多教师带来了巨大的工作量和工作压力，熟悉并掌握新的教学知识和内容往往需要几年时间的摸索和实践，因此教师往往跟不上新技术的发展。

(4) 课程教学系统性方面的不完整：课程教学系统缺乏足够的系统性，各相关课程以及教材之间的分工与衔接不够规范。其一，硬件课程知识与软件课程知识之间缺乏足够的交叉和互补，学生无法深入理解计算机的基本工作原理及其在软件系统中的作用；其二，在硬件课程之间缺乏充分的衔接，有些知识点重复，有些知识点缺失；其三，缺乏足够的实践训练。其四，内容多和时间少的矛盾突出。这些都导致了学生的知识体系结构不健全。

根据计算机硬件教学体系中存在的一些主要问题，加强教学体系的系统性、提高硬件教学质量和学生水平、改革教学内容，以适应社会发展的需要，已成为各高校计算机专业迫在眉睫的任务。

2提高硬件课程教学质量的对策

2.1提高认识

计算机系统是硬件和软件的统一，计算机工作的过程，实质上是以硬件为基础执行程序的过程，所有硬件的工作都是软件驱动的结果，而计算机的优良性能是通过复杂的硬件系统结构换取的。只有对软件的载体――硬件、硬件组成、硬件的工作原理理解才能对软件是怎样依附于硬件的全过程有一个飞跃的认识，最终达到对计算机系统软、硬件基本知识的融会贯通。因此，在各硬件课程开设时，应首先给学生介绍该门课程的主要内容、该门课程在计算机专业当中的地位、与相关课程的关系，建立起与软件之间的联系。同时介绍该课程在实际工作中的应用及应必备的知识，以激发学生学习硬件课程的兴趣，让学生真正感觉到，这门课离自己的生活并不遥远。另一方面，在开设各门硬件课程时，可开设相关课程的专题讲座及相关的学术报告，以使学生深入理解计算机的基本工作原理及其在软件系统中的作用，通过对新技术和新产品的了解，开阔学生的视野。其次加大实践能力在考试评价体系中所占比例，以促进学生对硬件实践的重视。从而改变大学课堂上“重软轻硬”的现象。实现学生的全面发展，使其具备一个IT时代大学生必备的基础知识和基本素质。

2.2正确处理内容先进性与教学适用性的关系

由于计算机硬件技术发展非常迅猛，保持先进性与实用性的统一，并力求做到两者的统一，适时跟踪学科技术发展、更新教学内容是必要的。首先作为课程教学，应尽量选用能反映目前计算机领域内硬件新技术、新成就，能体现出知识性、先进性和系统性的计算机硬件教材，重点要突出基本原理思想和基本方法技术的阐述，以使学生能学到先进的硬件知识。其次又要重视其实用性的一面，尽量拉近学校教育与社会上流行技术、流行产品、流行工具的距离，着力培养学生利用计算机处理问题的思维方式和利用硬件、软件技术与先进工具解决本学科专业及相关领域中问题的能力，以及将来独立获取、掌握新知识、跟踪计算机技术新发展、新应用的能力。使课程的组织内容符合计算机基础教育的固有规律、学科的内涵及联系，以及人的认知规律。可以通过在系列课程教学中引入课程设计，鼓励学生参加电子设计大赛和科技创新活动，以及社会实践实习、毕业设计等综合性实践环节来解决。

2.3 保持教学内容的系统性

硬件和软件知识是相辅相成的，它们都包含丰富的知识和先进的技术。计算机硬件知识必须对计算机的体系结构、组成及其核心技术进行系统的描述，以使学生能学到较系统的先进硬件知识。因此，首先在计算机硬件课程教学中完善教学大纲，加强教师之间的沟通，注意课程之间的相互衔接，注意知识点的重叠和互补，以保证教学知识的系统性和完备性。其次要加强计算机软硬件教学之间的勾通，对软硬件课程的教学内容中进行适当的穿插。在“微机原理及接口技术”和“单片机原理及应用”的课程中，可以加入一些利用高级语言对硬件进行编程的实例。在“计算机组成原理”和“计算机系统结构”的课程中，联系“操作系统”课程中I/O管理、内存管理、CPU调度等知识，以引导学生思考，建立必要的知识关联，最终达到对计算机系统(软件、硬件)基本知识融会贯通的目的。同时解决好内容多和时间少的矛盾，计算机硬件技术内涵丰富，学时少和内容多、要求高将是一个一直要面对的主要矛盾，要解决这个矛盾，一要靠系列课程内外体系的整体优化，找到一种相对来说能动态跟上计算机硬件发展步伐的教学和教材新模式；二要靠课程各教学环节功能的统一运筹、合理调动和多种教学方法模式的科学设计、统筹配合；三要靠课堂教学的数字化、现代化。

2.4重视实验和实践环节

计算机应用是一门实践性很强的学科，学生必须具备足够的动手实践能力和社会竞争力才能满足社会要求。计算机专业本科阶段的实践教学对学生理论学习、实践能力、创新能力的培养起到了重要作用。因而一方面必须增加对硬件实践设备的投资，并鼓励教师自主开发一些实验设施，尽可能建设一些与本校教学特点和教学条件相匹配的实验条件；另一方面加强综合性和设计性实验；还要改变现有的硬件实践教学评价体系，增加教学实践的内容，尤其是创新类和设计类的实践环节，并开设硬件综合设计的课程。

3结束语

对计算机硬件课程教学改革，笔者在实践中作了初步的尝试，对推进课堂教学建设，改革课程教学体系，改进教学方法，培养学生的创新精神和实践能力，提高课程的整体教学水平和教学质量起了一定的推动作用。

参考文献

[1] 李玲娟,郑彦,王绍橡. 计算机课程新模式的探讨与实践[J ]. 南京邮电学院学报(社会科学版) ,2002，3 .

[2] 钟乐海,王朝斌,唐新国. 高等师范院校计算机科学与技术专业计算机硬件教学改革. 四川师范学院学报(自然科学版) ,2003.

[3] 王元亮. 计算机教育与素质教育[J] . 云南师范大学学报，2000.

第9篇：硬件系统设计论文范文

关键词：SOPC；FPGA；应用型教学；软核处理器

计算机系统结构是计算机科学与技术本科专业的一门专业基础课，该课程介绍计算机系统中硬件和软件的功能结构及相互转换关系，分析了现代计算机的体系结构，讨论了计算机系统结构的理论和相关技术。从原理、结构和实现技术等方面，侧重对RISC结构、流水线结构、阵列处理机、多处理机系统、智能计算机结构等现代计算机的系统结构进行了较深入的分析和探讨，使计算机专业的学生具有计算机系统结构的基础理论知识和培养学生具有一定的体系结构技术应用能力。为今后从事计算机系统及其应用的研究、开发、工程实现有重要的指导意义。

但这样的一门课程，学生的学习积极性不高，与学生交流时，多数同学认为理论性太强，难度大，更主要的原因是在学生的思想认识上，认为学了没用。于是在课堂上不认真听讲，看一些自己认为有用的书，甚至出现逃课现象。也许是处于各种原因，在一些高校计算机系统结构这门课已经从教学计划中抹掉了，或者把它与计算机组成原理结合，可能只占很少的份额。在2010年5月9日，由教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会和高等教育出版社组织召开福建省高校计算机专业课程建设研讨会上，其他高校也同样存在学生对这门课的学习积极性不高，对应的实践教学难以开展的问题。

如何寻找这门课程的出路，提高教学质量、教学效果，激发学生的学习兴趣呢？其实计算机系统结构的理论和相关技术与SOPC(可编程的片上系统)有着紧密的联系。SOPC是一个面向应用、崭新的、富有生机的嵌入式系统。在计算机系统结构教学中，将课

本的理论知识结合到SOPC的应用开发，加强理论与实践相结合，增加应用型实践教学，必将能激发学生的学习兴趣。

1SOPC的系统概述

随着IC设计和工艺水平不断提高，在一个半导体芯片上完成系统级的集成已成为可能，数字技术进入片上系统SoC(System on Chip)时代。SOPC是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SoC解决方案，它将CPU、存储器、I／O接口、DSP模块、低电压差分技术(LVDS)、时钟数据恢复技术(CDR)以及琐相环(PLL)等系统设计所必须的模块集成到一片FPGA上，构成一个可编程片上系统。SOPC是PLD和ASIC技术的融合的结果。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，是半导体产业未来发展的方向[1]。

实现SOPC的一种解决方案是应用FPGA生产厂商Altera公司推出的NiosⅡ嵌入式处理器。NiosⅡ是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，NiosⅡ以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。用户根据设计要求，利用QuartusⅡ和SOPC Builder对NiosⅡ及其系统进行构建，使嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等全方面满足用户系统设计要求。另外在基于NiosⅡ软核嵌入式的SOPC系统设计中可以通过定制指令的方式，为嵌入式处理器配置专有硬件加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而可以利用FPGA的可重配置的特性向FPGA配置相应的嵌入式系统，从而使SOPC系统高效高速工作。

SOPC在应用和理论知识构成上达到了一种有机融合，由于同时涉及底层的硬件系统和相应的软件设计，SOPC技术使开发者能够在软硬件系统的综合与构建两个方面发挥自己的创造力和想象力，从而多角度、多因素和多结构层面对自己的设计进行优化。SOPC从设计层次上讲分为硬件设计和软件设计；从设计流程上讲是典型的自顶向下的流程；从设计手段上讲，它更广泛和深入地利用计算机这一科研开发的主流技术，在这一平台上设计者可以最大限度地优化系统的性能。SOPC系统的开发流程如图1所示[2]。

图1SOPC系统开发流程

2应用型硬件平台搭建

实验室原有的设备只能用实验箱进行验证性的实验，各种实验集中在一个实验箱上，线路繁杂，出错率高，且设备陈旧，实验的成功率很低，不能达到预期的目的和效果。在这种条件下，要让学生完成某种模型机的设计难度较大，没有多大的实用价值，不能激发学生的兴趣。搭建一个基于FPGA的SOPC嵌入式系统硬件平台，在这样一个具有设计灵活，可裁减、可扩充、可升级并具备软硬件系统可编程的功能系统上，学生可以更自由发挥。利用现有的IP核进行裁剪，设计自己需要的CPU，根据需要增设特殊的功能指令，实用性强，难度不大，有利于激发学生的兴趣。

硬件平台以满足实验最基本需要为主，提供一个简单、清晰和接线方便的FPGA最小系统，降低硬件系统的复杂性，最小系统实验平台如图2所示。系统的核心芯片采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone EP1C6,它具有9 800个逻辑单元，用户I/O有185个，使用最新型的AS配置方式，配置芯片EPCS4。一个JTAG接口和一个AS接口用于系统的调试和下载，Flash闪存用于存储嵌入式操作系统uCLINUX和用户数据程序。该实验平台，学生可以创建一款不管在外设、存储器接口、性能特性等方面，以及在成本上都较为完美的处理器；可在一片FPGA内部实现多个处理器内核的设计；流水线的应用设计；uCLINUX嵌入式操作系统的移植等应用型操作。

图2最小SOPC系统实验平台

若需要有RS232、以太网、VGA、音频接口和USB2.0接口等，可以扩展一块副板，主板与副板间通过扩展I/O连接。

3应用型课程实践项目

从原理、结构和实现技术等方面，将RISC结构、流水线结构、多处理机系统和存储器的理论知识和相关技术结合到一个面向应用、崭新的、富有生机的SOPC嵌入式系统上，可从以下几个方面将课本的理论知识与SOPC系统结合。

1)Nios II处理器设计。

NiosⅡ嵌入式处理器是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，Nios II以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。学生通过使用Altera的QuartusII软件、SOPC Builder工具及NiosⅡ集成开发环境(IDE)，将Nios II处理器嵌入到SOPC系统中。从系统的性能要求、从软硬件取舍的基本原则、从计算机系统的定量设计原理等方面的计算机系统结构的理论知识，来确定是否要为嵌入式处理器配置专有硬件加速器；如为嵌入式处理器配置专有硬件乘法加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而使SOPC系统高效高速工作。另外，根据需要为Nios II系统添加片内存储器、PIO、UART和片外存储器接口等。通过这个实验可以让学生加深对所学的理论知识的理解和应用，同时也加深了对计算机系统的理解。

2)μClinux操作系统的移植。

此项实验主要用嵌入式操作系统来验证自己定制的NiosⅡ嵌入式处理器是否可行，操作系统的移植是SOPC的一个组成部分。时也可与ARM等硬核嵌入式处理器做个比较。

3)流水线的应用设计。

利用流水处理机的工作原理，加快单位时间串行的任务数。这是也开发并行性的途径之一时间重叠，时间重叠(Time Interleaving)是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。在这个应用设计中，可以让学生完成流水线加法器的设计、流水线乘法器的设计、流水线技术的FIR滤波器等应用型实验[3]。从而提高学生对流水处理机相关知识的理解。流水线加法器和流水线乘法器属于流水线分类中的部件级流水，流水线分类的概念在这也得以体现。

4) 多核系统的设计。

所谓多核是指在一个处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核从而提高运行速率和降低能

耗，实现横向扩展提高性能)多核架构能够使目前的软件更出色地运行。并创建一个促进未来软件编写更趋完善的架构[4]。SOPC Builder允许用户轻松添加多个处理器到系统中。因此建立多处理器系统的难点已不再是硬件的排列和连接。而在于多个处理器的软件设计，使它们正常操作，相互之间不产生冲突。

在课程中讲授多处理机的知识。多处理机是指有两台以上的处理机，共享I/O子系统，机间经共享主存或高速通信络通信，在操作系统控制下，协同求解大而复杂问题的计算机系统。使用多处理机有两个目的，一个目的是想通过多台处理机对多个作业、任务进行并行执行来提高求解大而复杂问题的速度，从而提高系统的整体性能。另一个目的则是使用冗余的多个处理机，通过重新组织来提高系统的可靠性、适应性和可用性。多核和多处理机系统有很多相同的地方，可让学生应用多处理机的知识解决多核协调处理的问题。

4结语

计算机系统结构课程的理论和相关技术应用于SOPC系统远不止这些。随着SOPC系统的应用发展，计算机系统结构课程教学将会被更多人所重视。开展应用型实践教学，适当减少理论教学，或通过实践教学使学生自觉学习理论知识，而不是被动学习。学生能够学以致用，对激发其学习兴趣，提高毕业设计水平、工作就业质量等，都将起到积极的作用。

参考文献：

[1] 华清远见嵌入式培训中心．FPGA应用开发入门与典型实例[M]．北京:人民邮电出版社,2008:269-273．

[2] 任爱锋,初秀琴,常存,等．基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2004:197-198.

[3] 崔秀敏．基于FPGA的流水线技术设计与实现[J]．科技信息,2010(7):76-77.

[4] 李欢,王莉莎,董丽丽．基于FPGA的多核嵌入式系统研究[J]．现代计算机,2010(4):33-36.

Based on SOPC the Computer Architecture Application Teaching Discussion

ZHU Shilang

(College of Computer and Information, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract: Analyzed the present situation of the Computer Architecture course, studied the present popular face application SOPC the embedded system and the curriculum relation, points out this curriculum importance. Proposed the teaching approach of integrated the SOPC embedded system and the Computer Architecture curriculum. Designed the teaching hardware platform and the project of application practice teaching.