计算机硬件概述范例6篇
开云真人开云真人随着计算机网络技术的飞速发展，无纸化考试逐渐成为一种新的发展方向。在无纸化考试系统的开发中，除一般试题库的设计、试卷的组织管理以及考试过程的控制外，计算机自动阅卷模块的设计是一个重要的内容。对于完善的无纸化考试系统来说，自动阅卷模块除了提供客观试题自动评阅的功能，还必须能够解决好主观题自动阅卷问题。由于考生答案的灵活性和多样性，主观题评阅会涉及到人工智能、模式识别和计算机自然语言理解等多方面系统知识，这就使得主观题的自动评阅成为自动阅卷设计中的技术难点。
主观试题的自动评阅可以理解为的计算机对自然语言的处理过程。汉语与英语等欧式语言相比，在结构和组织方式上有很大的不同，计算机对汉语言的处理不仅要考虑词与词之间的关系，还应考虑句子结构之间的关系，因此计算机处理上相比欧式语言难度增加了很多。目前在这方面有代表性的算法有：李辉阳等根据有限概念领域中简述文字的自动判读过程提出的一种基于关系的带权匹配技术[1]，文献[2]提出的基于动态规划的语句相似度算法，黄康等提出的基于带权概念网络进行分层的语义相似度技术[3]，文献[4]从汉语自然语言理解的语义分析角度提出的一种基于概念图理论的模糊含权概念图法，以及文献[5]引入模糊理论中严格贴近度的概念来计算贴近程度得分等。
上述方法研究的重点主要集中在三方面：一是知识库的构建，如有限领域、概念图、概念网等；二是句子结构的处理，如动态规划法、分层语义相似度技术等；三是相似度算法，如带权匹配技术、模糊概念图法、基于模糊理论的严格贴近度法等。一般来说，研究重点的不同，带来的只是结果上的差异，而最有效的解决方案应该是针对待处理的问题构建最合适的知识库、选择最佳的句子结构处理办法、确定最有效的相似度算法。本文研究的对象是在线考试系统中简单问答题的自动评阅技术；主要思路是从简答题题型结构出发，基于试题答案知识点构建识库，重点分析研究知识库中概念节点的分布特点，最终采用由概念到句子的主观试题自动评阅处理流程。
实现主观试题的自动评阅功能的一般方法是，通过访问领域知识库，使计算机获得特定领域内的专业知识，并在此基础上计算标准答案和学生答案之间的相似度，由此可见，领域知识库的创建对于自动评阅的实现是极其必要的，建立高效的领域知识库是计算机自动阅卷的基础。语义相似度的计算需要建立相应领域的知识库，实现起来不但工作量大、且需要耗大量的时间进行比较和匹配，这样对于在线考试系统的实时性来说不太现实。因此，对于特定领域问题的解决应该具体问题具体分析，采用的特定的、符合实际的解决方法。目前，受限于自然语言理解领域的研究水平，直接让计算机从自然文本中获得专业领域知识还比较困难，所以一般采用计算机辅助的人工录入方式来建立领域知识库。
本文以计算机基础课程为例，分析了大量的试题的结构和特点，从试题答案组织结构关系出发，对知识库的构建提出了以下原则。
⑴ 借鉴“知网”、“概念图”等概念词典，仅采用简单的“包含”、“从属”、“类同”等结构来表示概念之间的关系。
⑵ 对于概念的描述尽可能详细，且必须以试题答案所涉及到的知识点为基础，进行全面的扩展，必要时包含同义词描述等，以保证知识库能涵盖所有可能的概念组合，并能根据考生答案实际进行扩充。
⑶ 知识库从上到下，概念表示应该由抽象到具体，由简单到详细，以保证最底层的概念尽量达到“义元”级别，即概念的最小意义单位。
与概念相似度密切相关的一个概念是语义距离(semantic distance)，通常认为它们是概念关系特征的不同表现形式。可以建立一种简单概念词相似度用来描述概念树中两个节点之间的语义接近程度，对此，一般最常用的是刘群提出的以《知网》为基础的相似度计算方法[6]：
式⑴中p1和p2表示两个概念节点，是树状结构中两节点间的最短距离，α是一个调节参数，表示相似度为0.5时的路径长度，一般取1。
Agirre和Rigau在利用WordNet计算英文词汇相似度时，同时引入了层次树深度和密度的因素[7]。他们认为，在词语层次树中，路径长度相同的两对节点，深度越大(远离树根)的节点对，语义距离越小。因为深度越大，语义网中的概念分类由小到大，由抽象逐渐到具体，也意味着分类越详细。例如，对于路径长度相同的2对节点来说，由于他们所处区域的节点密度较高，所以语义距离相对较小。因为概念密度越大，表明对概念的描述越详细。如图1中，同层节点“处理器”、“总线”、“系统软件”和“应用软件”路径距离相同，但“处理器”、“总线”所处的区域节点密度较高，从一般常识来看，“处理器”、“总线”之间的语义相似度要高于“系统软件”和“应用软件”。因此，计算概念相似度，只考虑节点之间的路径长度这个单一因素显然不够合理，应同时考虑概念网中概念节点之间的纵向和横向因素，以及他们之间的相互制约量，综合考虑，才能取长补短，消除概念之间的相似度计算结果的影响因素。
式中，调节参数，l(p1，p2)为分别遍历概念网中节点p1，p2到达其最小公共父结点所历经的父结点（包括最小公共父结点）数的最大值。w(p1，p2)为p1，p2所在层概念数的最大值。在该调节参数的作用下，当w(p1，p2)增大时，密度因素对相似度的贡献值大；而当p1，p2离最小公共父结点较远，深度因素对相似度的贡献值较大。同时式中约定当p1，p2的父结点和最小公共父结点相同，且同层只有p1，p2两个节点时，调节参数为0.5。
一般认为句子相似度计算包括两个步骤[9，10]：首先，经过词的结构相似度计算，得到句子的结构相似度，然后，在句子结构相似的基础上，再进行句子语义相似度的计算。
设学生答案和标准答案分别表示为P和Q，P经自动分词处理后可表示为概念向量组P=(P1，P2，…，Pm)，Q包含的概念向量为Q=(Q1，Q2，…，Qm)。
式中，元素Sim(pi，qj)表示词语pi和词语qj间的语义相似度，通过前文讲述的概念相似度公式计算获得。矩阵中的每一行表示句子P中的某个词语与句子Q中所有词语的语义相似度。
⑵对矩阵中的每一行取最大值max(S(pi，qj))，即求句子P中的某个词语和句子Q中的所有词语的语义相似度的最大值，得到词语最大组合序列，则句子P中所有词语与Q句子之间的语义相似度可以表示为：
前面我们分析了主观试题的自动评阅问题的基本思路，按照一般教师的试卷评阅过程，把该过程分解为概念语义相似度的处理和句子语义相似度的处理两个流程，对每一个流程给出了解决方案。下面将在上述基础上给出主观试题计算机自动评阅模型的流程。
已知标准答案A，将其表示为关键词序列：A=(a1，a2，…，an)；考生答案B，表示为关键词序列：B=(b1，b2，…，bn)；标准分值S0。
提取考生答案中每一个关键词，对照先前创建好的知识库，从底层开始遍历搜索，当找到对应的概念节点时，提取该节点的高度、密度等属性信息，并保存起来，搜索完成后即可进行相似度的计算。
概念相似度的计算采用语义相似度技术。设标准答案A可以表示为知识点的一个向量组A=(a1，a2，…，an)，则通过概念语义相似度算法可得到任意两概念之间的相似度Sin(ai，bj)，其中i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。
把标准答案A与考生答案B之间的相似度表示为概念相似度矩阵，并把该矩阵处理为[0,1]区间上的一个归一化相似度量。
为了考虑不同知识点对得分的贡献值，本文把不同知识点对得分的贡献值以权值λj的形式分配到模型中。λj由出题老师在出题的时候根据不同重点的知识点直接给定，其中j=1,2，…，n。通过加入权值因素，本文最终确定的主观试题自动评分结果如下：
下面我们以一个实例来介绍试题的评阅过程。设试题题干为：“计算机硬件由什么组成？”。
考生乙的答案是：“计算机硬件包括CPU、总线、内存、硬盘、键盘、显示器”。
标准答案是：“计算机硬件包括处理器、总线、存储器、输入输出设备”。标准答案关键词序列为：“计算机；硬件；处理器；总线；存储器；输入输出设备”。
考生甲的答案可表示为关键词序列：“计算机；硬件；处理器；总线；存储器；输入输出设备”。
考生乙的答案可表示为关键词序列：“计算机；硬件；CPU；总线；内存；硬盘；键盘；显示器”。
考生丙的答案可表示为关键词序列：“计算机；硬件；中文；分词；技术；语义；相似度”。
设该题总分为10，对应关键词权值序列为：“0.3；0.3；0.2；0.2”。本文把考题中出现的关键词如“计算机；硬件”按权值为0对待。最终计算结果如下：
从计算结果可以看出，考生甲得满分，符合判断结果；考生乙的答案与标准答案只有一个关键词是相同的，而其他答案只能算是与标准答案相近或者相似，最终模型给出7分，其结果基本与人工评阅结果相近；至于考生丙的答案完全与标准答案无关，但模型给出了一个很小的分值，这是因为，对于完全不相关的概念，本文认为它们之间的语义距离为无穷大，直接按照相似度为0.01处理。
为了进一步验证模型实际应用效果，本文随机抽取100道简答题进行在线测试，并与的人工阅卷结果作了对比。统计结果表明，其中完全符合的8例，不完全符合但准确率90%以上的40例，准确率在80%-90%之间的18例，完全不相关的8例，剩余26例。如果认为准确率在80%内都算合格，则有66例符合评阅要求，占总数66%，不符合要求的34例，占总数34%。其中
实际上对于与标准答案完全不相关的答案来说，经过分词处理后并没有在知识树网络结构中找到对应的节点。本文把这些词按照未登录词进行处理，同时把这些词录入到未登录词数据表中，在后续的试题管理中，由老师根据知识树网络结构需求进行处理，对于符合要求的添加到知识库中，不合要求的则抛弃，这样当下次考生给出相似答案的时候，系统会相应给出更为准确的计算结果。本文处理后剩余4道试题的评阅结果在相对误差范围内，这样符合要求评阅结果的比例上升为70%。
本文分析了目前在线考试系统自动评阅技术的现状，从知识库的构建、概念相似度的处理、语句相似度三个方面给出了主观试题自动评阅问题的详细解决方案，并详细介绍了计算机自动评阅模型的流程。在模型的设计和实现过程中以计算机基础课程为研究对象，基于试题答案的组织结构构建了专业领域知识库，并采用一种改进的多因素语义相似度算法来解决概念级相似度求解问题。实例运算结果表明，模型基本实现了主观试题的自动评阅功能。
[1] 李辉阳,韩忠愿.有限领域简述文字的自动判读及其在CAI中的应用[J].
[3] 黄康,袁春风.基于领域概念网络的自动批改技术[J].计算机应用研
[4] 刘佩琦,李增智.基于模糊含权概念图的主观题自动方法研究[J].计
[5] 李晓捷.基于Web的在线考试管理系统的设计与实现[D].(天津)天津
[6] 刘群,李素建.基于知网的词汇语义相似度计算[C].第三届汉语词汇
[9] 党丽琼,刘文辉.一种改进的多因素语义相似度计算方法[J].计算机
[10] 穗志方.语句相似度研究中的骨架依存分析法及应用[D].博士学位
随着出租车行业的发展，对出租车计费器的要求也越来越高。二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得到了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。同时为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专业集成电路（ASIC）逐渐取代了通用全硬件LSI电路，而ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。目前，业界大量可编程逻辑器件（PLD），尤其是现场可编程逻辑器件（FPLD）被大量地应用在ASIC的制作当中。在可编程集成电路的开发过程中，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果的电子设计自动化（EDA）技术主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计,电子电路设计以及PCB设计
理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求：它能够支持不同结构的器件，在多种平台运行，提供易于使用的界面，并且有广泛的特征。此外，一个设计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。Altered公司开发的MAX+PLUSⅡ开发系统能充分满足可编程逻辑设计所有要求。
MAX+PLUSⅡ设计环境所提供的灵活性和高效性是无可比拟的。其丰富的图形界面，辅之以完整的、可及时访问的在线文档，使设计人员能够轻松、愉快地掌握和使用MAX+PLUSⅡ软件。
编程器是一种专门用于对可编程器（如EPROM,EEPROM,GAL,CPLD,PAL等）进行编程的专业设备
PLD器件的逻辑功能描述一般分为原理图描述和硬件描述语言描述，原理图描述是一种直观简便的方法，它可以将现有的小规模集成电路实现的功能直接用PLD器件来实现，而不必去将现有的电路用语言来描述，但电路图描述方法无法做到简练；硬件描述语言描述是可编程器件设计的另一种描述方法，语言描述可能精确和简练地表示电路的逻辑功能，现在PLD的设计过程中广泛使用。常用的硬件描述语言有ABEL,VHDL语言等，其中ABEL是一种简单的硬件描述语言，其支持布尔方程、真值表、状态机等逻辑描述，适用于计数器、译码器、运算电路、比较器等逻辑功能的描述；VHDL语言是一种行为描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时，非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是未来硬件设计语言的主流。
VHDL就是超高速集成电路硬件描述语言。覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。
电子设计技术的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术已有30年的发展历程，大致可分为三个阶段。70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段，人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段。
中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。
在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。
中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。
在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开花并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年复合增长率分别达到了50%和30%。
EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平还很有限，需迎头赶上。
可编程逻辑器件自70年代以来，经历了PAL、GALGPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD／FPGA高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门／片，它将各模块ASC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转换掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。
硬件描述语言（HDL）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输人500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行“A＝B＋C”即可。而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL、HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言VHDL，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEESTD－1076）。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门多个设计层次，支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件俄语言的功能，整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点：（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。（4）VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法，即根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，简称HDL）。但这些硬件描述语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是，美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL，称之为VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage，简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行仿真，再自动综合到门电路，最后用PLD实现其功能。
覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。
使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。
支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。
当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点：
即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在设计的过程中，对系统自上而下分成三个层次进行设计：
第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质上就是对整个系统的数学模型的描述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用何种方法来实现，而是考虑系统的结构及其工作的过程是否能到达系统设计的要求。
第二层次是RTL方式描述。这一层次称为寄存器传输描述（又称数据流描述）。如前所述，用行为方式描述的系统结构的程序，其抽象程度高，是很难直接映射到具体逻辑元件结构的。要想得到硬件的具体实现，必须将行为方式描述的VHDL语言程序改写为RTL方式描述的VHDL语言程序。也就是说，系统采用RTL方式描述，才能导出系统的逻辑表达式，才能进行逻辑综合。
第三层次是逻辑综合。即利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件（门级网络表）。此时，如果需要，可将逻辑综合的结果以逻辑原理图的方式输出。此后可对综合的结果在门电路级上进行仿真，并检查其时序关系。
应用逻辑综合工具产生的门网络表，将其转换成PLD的编程码，即可利用PLD实现硬件电路的设计。
由自上而下的设计过程可知，从总体行为设计开始到最终的逻辑综合，每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统的设计周期。
由于目前众多制造PLD芯片的厂家，其工具软件均支持VHDL语言的编程。所以利用VHDL语言设计数字系统时，可以根据硬件电路的设计需要，自行利用PLD设计自用的ASIC芯片，而无须受通用元器件的限制。
EDA系统框架结构EDA系统框架结构（FRAMEWORK）是一套配置和使用EDA软件包的规范。目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如CADENCE公司的DesignFramework，Mentor公司的FalconFramework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计施的实现基础。
EDA技术的每一次进步，都引起了设计层次上的一次飞跃，从设计层次上分，70年代为物理级设计（CAD），80年代为电路级设计（CAE），90年代进入到系统级设计（EDA）。物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。
仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行PCB后分析，其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真。后仿要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。
由此可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就可以全面地了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段，缩短了开发时间，降低了开发成本。
虚拟仪器是基于计算机的信号测量技术,最早由美国国家仪器公司提出。1986年,NI公司提出“软件即仪器”的口号,打破了传统仪器的设计思想[1]。与传统仪器相比,虚拟仪器在各个方面都具有明显的技术优势。根据采用的总线标准,虚拟仪器可分为PCI总线式虚拟仪器、VXI总线式虚拟仪器、PXI总线式虚拟仪器等。自USB2.0总线总线就以其便携、快速、即插即用等优点得到了迅速的推广应用,将USB总线技术与虚拟仪器的设计相结合得到了众多仪器开发商的广泛关注。
USB就是通用串行总线,以其方便、快捷、传输速率高等优势受到广大计算机用户的青睐,并得到迅速的推广应用。USB通过四芯电缆来传输信号,VBUS、GND提供了+5V电源,D+、D-是一对差模信号线 USB电缆
USB总线有四种传输方式,分别为控制传输、中断传输、同步传输和批传输。每种方式对应各自的通道。USB的信息传输以事务处理的形式进行,每个事务处理一般由3个信息包组成:标志包、数据包、握手包。USB协议规定了5类描述符,分别是设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。用来提供必须的信息来识别设备,同时指定端点和端点的功能[2]。
USB总线式虚拟仪器系统的硬件系统设计需要满足以下基本要求:具有良好的通用性和扩展性、具有稳定可靠的性能和具有较强的抗干扰能力。在遵循以上要求的基础上,USB总线式虚拟仪器系统的硬件系统主要由计算机模块、USB接口模块、干扰抑制模块、单片机模块及被测设备模块组成,其组成框图如图2所示。
其中:计算机模块是虚拟仪器系统强大的数据处理中心,也是软件系统的平台;USB接口模块是与计算机进行数据通信的核心,负责USB协议的转换,将接收到的数据及控制信息传送给后面的单片机模块;干扰抑制模块用来抑制USB数据总线上的电气噪声,保证数据的可靠性传输;单片机模块是测控的核心,通过编写固件程序来完成系统的功能设计要求;被测单元模块是虚拟仪器技术应用的平台。
驱动程序是开发计算机设备软件的关键部分,只有通过驱动程序,计算机才能识别接入的设备。USB驱动程序由总线驱动程序和功能驱动程序组成。可以采用微软的驱动程序模型WDM来开发驱动程序。在WDM驱动模型中,USB总线驱动程序由操作系统提供,负责与硬件打交道,USB设备开发者只需编写功能驱动程序。功能驱动程序通过向总线驱动程序发送IRP,来实现对USB设备信息的发送和接收。USB驱动程序通常由即插即用PnP模块、初始化模块、I/O模块和电源管理模块等组成。
固件程序辅助控制芯片及单片机完成通信及数据处理任务,以实现系统的预期功能。编写固件所要完成的工作有以下几点:(1)初始化工作,包括设置一些特殊功能寄存器初始值以实现所需的设备属性或者功能。(2)辅助硬件完成设备的重新列举过程,包括监测设备的断开与连接,对接收到的设置包进行分析判断,从而对主机的设备请求做出适当的响应,完成主机对设备的配置任务。(3)对中断的处理。(4)数据的接收与发送。(5)电路的控制。
应用程序是系统的虚拟仪器面板,是用户进行具体功能应用的操作界面。应用程序设计主要包括两部分:驱动层与应用层通信模块及面板功能控制模块。驱动层与应用层通信模块主要是用来实现应用程序与USB设备驱动程序之间的底层通信。在WINDOWS系统中,应用层与驱动层完成通信实现I/O操作,主要是通过调用WIN32系统的API函数。功能模块也就是虚拟仪器面板模块,主要是用来实现用户对USB设备的控制操作。用户可针对不同的应用来设计不同的操作界面,利用计算机的多媒体处理能力使系统操作变得更加直观、简便、易于理解,大大提高系统的可操作性。
随着计算机技术的发展,虚拟仪器以特有的优势广泛应用于各个领域。USB总线具有方便、快速、价廉和即插即用等优点,为虚拟仪器的发展及应用开辟了新的空间,为研制低成本、便携式虚拟仪器开辟了新的途径。
随着移动互联网、物联网、云计算和大数据等新一代信息技术的兴起，大量智能硬件如智能手机、传感器、电子标签、可穿戴设备等进入到人们日常生活中，计算机科学与计算机产业正在发生深刻的变革，需要一大批“综合应用硬件和软件进行计算机系统设计”的卓越工程师。因此，对计算机专业人才的培养要求正在由“程序”设计向“系统”设计层面转移。ACM和IEEE联合公布的CS2013计算机科学课程指南特别强调加强系统能力的培养。教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会提出：计算机专业人才应具备四大专业能力，包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力、系统能力，其中系统能力占总能力点的75%。因此，在移动互联时代，培养具备系统能力的计算机专业人才已成为国内外教育专家的普遍共识。吉林大学珠海学院是广东省普通本科高校向应用型本科高校转变的试点单位，顺应产业转型升级和创新驱动发展需求，围绕区域经济社会发展战略重点，实施了面向系统能力培养的计算机专业应用型人才培养模式，纠正学生“欺软怕硬”的学习观念，提高学生软硬件协同设计的能力，培养学生成为一名具有系统能力的“软硬件贯通”的计算机专业创新人才。
计算机专业传统课程体系是按照层次结构划分各门课程，无意中割裂了计算机系统各个层次之间的关联，客观上导致了每门课程只是关注各自的知识体系的完整性，课程讲授内容是相互独立的。学生虽然学习了各门课程中计算机系统的相关知识，但是就如“盲人摸象”一样，很难形成一个对计算机系统的整体认识。所以面向系统能力培养的课程体系需要重构培养学生对计算机系统认知、分析、设计和应用能力的教学模块，其中最关键就是要求学生能以程序员的视角理解计算机硬件设计，从硬件设计者的角度理解程序的执行，掌握计算机系统各抽象层的实现及其相互转换机制、计算机软硬件间的关联关系及相互影响。我们分析了应用型计算机专业学生所需知识结构，坚持“因材施教，分类指导”的指导方针，制订了注重系统能力培养的课程体系：一是专业基础课程，如数字逻辑设计、程序设计基础等；二是专业核心课程，如计算机组成与结构、操作系统、计算机系统综合课程设计等；三是专业应用课程，如嵌入式系统设计、嵌入式操作系统、智能手机软件设计、物联网控制技术等。作为一所应用型本科高校，考虑学生实际情况和培养目标，没有设置编译原理、形式语言与自动机等理论性较强的课程。
计算机系统由于涉及多门计算机专业的软、硬件课程，知识体系庞大，各门课程的教学内容交叉多。所以计算机系统能力建设需要多门课程之间的衔接与联动，仅仅对某一门课程进行教学内容调整并不能取得良好效果，我们确定要以数字逻辑设计、计算机组成与结构、操作系统等课程作为主线，将所有与计算机系统密切相关的课程都有机串联融合起来，构建基于课程群的系统能力建设模式。课程教学内容的调整思路是：从程序设计视角出发，改变传统软硬件分离的教学方法，理顺各层次课程之间的衔接关系，改变各门课程知识结构离散、部分内容重叠的现象，给学生提供了一个完整而清晰的学习路线。数字逻辑设计课程的教学重点在逻辑器件应用和数字系统设计能力。因此，以组合逻辑与时序逻辑作为基础，加入FPGA设计知识，引入EDA设计工具和Verilog硬件描述语言，加强以计算机功能部件作为设计实例的教学，能设计基本逻辑部件与组件如编码器、译码器、计数器、寄存器、多路选择器、算术逻辑运算单元等，掌握复杂系统状态机设计能力和时序分析能力，为计算机系统的设计打下基础。计算机组成与结构课程重点解析计算机硬件系统基本组成、运行原理和协同工作机制，分析计算机组成对系统性能的影响，阐述计算机系统的基本设计方法，帮助学生建立计算机整机系统的概念。课程教学需增加有关计算机硬件系统、操作系统、软件系统如何协同工作的知识点，例如将指令执行过程和异常、中断、存储访问、I/O访问等重要概念和技术结合起来进行介绍；讲述与程序设计有密切关系的体系结构内容，如数据表示、信息存放、操作数寻址、过程调用、程序访问局部性等。操作系统课程的理论教学定位于操作系统的组成及运行机理，侧重从系统软件角度管理计算机软硬件资源，以Linux为例讲述操作系统的基本概念和方法、设计原理和实现技术，主要内容包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理、系统调用与中断处理、任务调度和切换等知识点，特别需强调软硬件依赖关系和协同工作机制，即操作系统与CPU之间在中断、同步等方面的衔接关系。
计算机系统课程如果按照传统教学方式，一般是先在课堂讲授相关理论知识，再到实验室做实验。由于计算机系统各层次课程涉及的知识点十分繁杂而抽象，学生只会越学越觉得计算机系统高深莫测，既枯燥无味又不容易掌握，久而久之就会产生对硬件的畏难情绪，而且在实验之前还需要花费时间进行复习。计算机系统课程教学借鉴CDIO工程教育模式，以解决“教师本位”向“学生本位”转变的问题，将课堂教学与实验教学融为一体，采用“做中学”和“按需教”的教学组织模式。其目的就是通过对计算机系统课程的教学与实验环节的一体化设计，综合设计教学与实验内容，使学生在“做”的过程中，通过自己的动手体验，通过自己对知识的获取、归纳与总结，能够深刻理解计算机系统整体概念，获得远超课堂教学的教学效果。计算机系统课程将采用“项目驱动、案例导向”的教学模式进行启发式教学，以计算机系统设计项目为手段，采用FPGA+ARM+Linux作为统一实验平台，按照“基本逻辑部件、计算机功能部件、计算机综合系统”的思想逐层开展，将计算机系统设计实践完整地贯穿于各层次课程之中，构建了一个阶段化、层次化、系统化的教学实验体系，形成“学习、构思、设计、实现”的CDIO工程教育完整过程。首先，数字逻辑设计课程需要从门电路开始来设计基本逻辑部件如译码器、选择器、寄存器等，使学生能熟悉EDA设计的全过程；然后，计算机组成与结构课程通过计算机功能部件如运算器、控制器、存储器和I/O接口的设计，锻炼学生的工程实践能力；最终，计算机系统综合课程设计则增加指令系统、中断、数据通路的设计，并将计算机各功能部件通过总线互联为一个完整的计算机系统，使学生全面理解计算机系统层次结构，理清软硬件之间的联系，加深对计算机整个系统的理解。
在移动互联时代，计算机专业人才培养由强调程序设计变为强调系统设计，学生是否能够建立计算机系统观、具备计算机系统设计能力是计算机专业创新人才培养关键标志。我们根据学校发展定位、师资学生情况和课程建设现状，重新规划计算机系统课程体系，调整优化教学内容和教学方式，将系统能力的培养落实到计算机专业教学实践中。计算机系统能力的培养是一项系统工程，面向系统能力培养的教学改革仍需要在实施过程中不断进行完善。
[1]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.高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养[M].北京：机械工业出版社,2010:19-20.
[2]王志英,周兴社,袁春风,等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育,2013(9):1-6.
[3]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学,2014(8):53-57.
[4]刘卫东,张悠慧,向勇,等.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J].中国大学教学,2014(8):48-52.
针对微机原理与接口技术课程理论教学的改革，最突出的矛盾就是该课程涉及的知识点和内容较多，硬件方面包括数字电路逻辑设计基础、计算机组成与结构以及接口技术等，软件方面包括汇编指令和语言程序设计。通常给定的教学课时偏少，要使非计算机专业的学生系统掌握汇编语言程序设计基本方法和微机硬件接口技术，建立微机系统的整体概念，具有一定的难度，造成学生课堂积极性不高。采用传统的教授方法，根本无法出色地完成教学任务达到满意的教学效果。
首先需要改变以教师讲授为中心的传统的接收式学习模式，利用计算机和多媒体技术等手段，创造一个以学生为中心的开放的，以探索知识发现知识为主要目标的教学环境，激发学生的学习积极性，以利于培养更多创新型人才[2]。其次在内容取舍方面，着重从非计算机专业的特点出发，知识点讲解力求深入浅出，采用浅显、清晰、循序渐进的描述方法，注重系统性、实用性和先进性，便于学生自习，以期提高学生学习的积极性和主动性。在每章的授课中，安排1到2个课时的课堂讨论，讨论主题根据每章的学习内容由学生给出，有助于提高学生自主再学习能力，加深对知识点的巩固。
利用计算机进行辅助教学已然成为大家的共识，为适应现代化的教学手段―多媒体教学手段的需要，可采用“微型计算机系统原理多媒体CAI课件”，该课件中引入多媒体技术，利用声音、图像、文档及动画等手段，使课堂教学更加生动、直观、形象，有利于提高教学效果及效率，激发学生的学习主动性和积极性[2]。
作为一门实践性和应用性很强的课程，微型计算机原理与接口技术的实验教学环节必不可少。实验教学内容主要包括软件实验和硬件实验，软件实验通过编写程序、上机调试测试并且运行的过程，以期提高学生的编程能力；硬件实验通过给定任务培养学生设计硬件，编制接口程序，以提高学生解决实际问题的综合能力。然而实际情况是大部分实验内容为验证性实验，使得学生无法将所学理论知识和实践内容灵活结合起来，无法让实验教学成为理论教学的延伸，更难以激发学生对实验课程的兴趣和创造性想法。传统的实验教学考核机制采用出勤点名签到和实验报告批改结合的方式，最后可能造成动手能力好的同学成绩不如动手能力差的同学，达不到培养学生理论联系实际能力、综合分析解决问题能力、创新能力以及动手能力的目标[3]。
首先，改革实验考核方式，通过设置课程设计题目以学生最终完成的结果作为考核手段，激发学生的实验积极性，培养学生的发散性思维和创新能力[4]。另外可以开展一些电子设计大赛，有助于提高学生的综合应用能力。其次，设立固定的开放实验室时间段，所有对微机原理课程感兴趣的学生都可以利用开放实验室进行学习探讨，有利于微机原理知识的拓展和推广，有利于学生自身潜能的发挥和主动学习能力以及创造意识。针对实验教学内容往往以验证为主要目的存在的问题，无法真正的去思考、分析问题，可以精选课程设计题目，培养学生的团队合作精神，采取启发式的教学方式，对于学生在实验中提出的问题，老师不立即给出正面解答，鼓励学生独立解决问题能力。最后在实验教学中采取优差生搭配提高动手能力，让更多学生对微机原理实验充满兴趣，为以后的专业课以及工作打下坚实的基础。
在实际教学中，统计与概率是很多老师头疼的一部分内容，大家对其有点“望背兴叹”的意思。上课时，要么让学生死记概念，然后做题；要么教师举例子，学生“被理解”了概念，然后再题海。虽然中考对这部分知识的考察占得分数不多，而大部分学生也不会在这方面丢分，但是等中考结束后再问学生，可能有的人已经记不清这部分内容了，这给其下一阶段学习统计与概率留下了硬伤。
为什么这部分内容会让教师的教与学生的学都觉得难呢？这是由于统计与概率研究的对象、研究的思路与方式及获得的研究结论的性质，都与过去学生所接触到的数学内容有根本的不同有关：以往学的代数、几何属于“确定性”数学，学习时主要依赖逻辑思维和演绎的方法，它们在培养学生的计算能力、逻辑思维能力和空间观念方面发挥着重要作用。而统计与概率属于“不确定性”数学，要寻找随机性中的规律性，学习时主要依靠辩证思维和归纳的方法，它在培养学生的实践能力和合作精神等方面更直接、更有效。
观念，是写不出来算不出来的，是一种需要在亲身经历的过程中培养出来的感觉。
对于统计观念来说，它反映的都是由一组数据所引发的想法、所推测到的所有可能的结果、自觉的联想到运用统计的方法解决有关的问题等。我们的教学重视知识点的传授，对统计知识的考核也局限在知识点的考核。因此在教学过程中，重点放在有关数据的计算上，学生没有经历统计过程，难以形成正确的统计观念。既然观念的建立需要人们亲身的经历，那么在活动的过程中，学生不仅要收集数据、填写统计表、绘制统计图、计算数据，还要感受统计图表的作用，并从中得出相关的结论。教学的重点是帮助学生挖掘这种潜意识，注重培养学生有意识的从统计的角度思考问题，也就是当遇到有关问题时能想到去收集数据和分析数据。
而对于随机观念来说，就是从随机现象中去寻找规律，这对学生来说是一个全新的观念。特别是如果学生缺乏随机现象的丰富体验，往往很难建立这一观念。造成概率学习中的困难。随机事件是研究独特的或者是特殊的一类不确定现象。它强调的是这类随机事件是可以重复实验的、重复出现的；强调的是结果是可以随机发生的。就像投硬币或者是掷骰子都是这样的事件。所以使学生对随机现象有初步的理解，必须在大量的实验过程中，才能丰富学生对概率意义的理解，形成随机观念。
我们总是有这样的困惑：明明学生对统计量的计算挺熟练的，怎么过段时间大部分学生就对这部分知识“失忆”了，更不用说灵活运用了。我觉得其原因就是对统计量的含义的理解不深入。在统计的教学中，让学生熟记公式，熟练计算并不是重点，而是要淡化统计量的计算技巧，突出统计量的特征和作用。应在教学中设置合理的问题情境，使每一概念来源于生活，反之应用于生活，这样学生才能有较深刻的体会。
与过去的精确数学相比，概率较抽象，不像学统计量那样，有公式代入计算即可。概率是随机事件发生的可能性的度量。事件发生的可能性大小的度量，直观看不见，也无法感知。虽然学生具有一些生活经验，但其中往往有一些是错误的。例如，某每周开奖一次，每次提供万分之一的中奖机会，若你每周买一张，连续坚持十年获奖的可能性有多大？按题设，每次中奖
0.9493，这个概率表明十年中你少有中奖是正常的，与人们的直觉有很大的差异。逐步消除错误的经验，建立正确的概率，直觉是概率教学的一个重要目标。在教学中，我们要多结合实例，让学生亲自经历随机现象的探索，亲自动手进行实验，收集实验数据，分析实验结果，并将所得结果与自己的猜测进行比较。
教学中，经常听到学生这样叙述：“实验次数越多，用频率估计概率越准确”。事实上，频率和概率是两个不同概念，频率与实验的次数有关，而频率的稳定性又说明了概率是一个客观存在的数，是随机事件自身的一个属性，它与实验次数无关。
概率描述事件发生的可能性大小，它是事件本身唯一确定的一个常数；频率反映在n次实验中，事件发生的频繁程度。一般地，如果一个事件的概率较大，频率也较大；概率较小，频率也较小。反之也对。
通过大量重复实验，借助图形表示频率的稳定性规律：随着实验次数的增多，频率的波动越来越小，逐渐稳定在一个常数附近。但应该认识到频率的不确定性，即当实验次数较少时，频率的波动可能较大。
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