MIPS体系结构透视.docx

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MIPS体系结构透视

ＭＩＰＳ体系结构透视

“世界潮流，浩浩荡荡，顺之者昌，逆之者亡”。

孙中山先生这句名言道出了伟人的睿智与对真理的不倦追求。

从中我们可以体会到，成功不仅取决于个人的努力，更取决于世界潮流这个大平台。

在计算机工程领域，我们可以清楚地观察到，近年来在世界范围内，计算机微处理器等芯片的设计与制造产业中心有向中国转移的趋势：

在中高端芯片领域，龙芯处理器的研发进展喜人；在中低端芯片领域，中星微、珠海矩力等IC设计公司已实现大规模生产；在晶圆代工领域，中芯国际的赶超国际先进技术水平的速度也越来越快。

“单点突破”正在成为历史，中国芯片产业已经初步形成一个“闭环”，“生态圈”雏形已经形成。

作为计算机体系结构领域的研究人员与工程技术人员，面对如此形势，更要努力学习、深入研究与开发，顺应浩浩荡荡的世界潮流。

　　与计算机微处理器中其他流行体系结构相比，MIPS体系结构在商业上绝不是最成功的。

MIPS体系结构是在20世纪80年代早期从斯坦福大学JohnHennessy教授和他的学生们的工作中诞生的。

他们探寻了精简指令集（RISC）体系结构概念，该概念基于如下理论：

使用相对简单的指令，结合优秀的编译器以及采用流水线执行指令的硬件，就可以用更少的晶元面积生产更快的处理器。

这一概念如此成功以致于1984年就成立了MIPS计算机系统公司对MIPS体系结构进行商业化。

　　但作为最早的RISC微处理器以及较早的超标量与64位微处理器，MIPS体系结构有着辉煌的过去。

现在，在网络设备、多媒体与娱乐设备以及办公自动化设备等领域，MIPS系列微处理器仍占有主要的市场份额。

未来在多核处理器与嵌入式设备普及的背景下，相信MIPS体系结构凭借其内在的简洁性与低功耗特性仍会发出耀眼的光芒。

因此，国内许多大学与科研院所的微处理器研究就是从MIPS体系结构为起点开展的。

　　而在国内单独来讲MIPS的图书只有一本，在某些计算机组成与体系结构方面的图书中也有相关内容涉及比如Hennessy与Patterson合著的经典图书《计算机组成与设计：

硬件/软件接口》、《数字设计和计算机体系结构》。

而唯一单独讲MIPS的这本书正是DominicSweetman先生的SeeMIPSRun,2E，中文书名是《MIPS体系结构透视，原书第2版》。

大多数“体系结构概览”类的书籍对体系结构的汇编语言语焉不详，只是给出了一些简单的概述。

然而这本书却是一个典型的反例，它为所有这类图书树立了一个榜样。

作者不但提供了体系结构参考所必需要的细节，还以对关键体系结构特点（以及原理）富有洞察力的视角表达出这些细节。

　　第2版延续了第1版的可读性传统，通过应用具体的实例对硬件和软件的接口进行强调，并将广泛应用的RISC系统结构MIPS与开源操作系统Linux结合在一起，从MIPS设计原理开始，阐述MIPS指令集和程序员的可用资源。

第2版在描述Linux/MIPS应用代码如何载入到内存、如何连接到库以及如何运行等方面做了介绍。

此外，书中还提供了完整的、经过更新的MIPS指令集指南。

　　《MIPS体系结构透视》第1版的中文译本无疑在中国的MIPS迷中很受欢迎。

我确信本书的第2版因为更加侧重Linux应用将会受到更多的欢迎，就像在嵌入式领域，MIPS体系结构广受各种Linux应用欢迎一样。

　　三年前，MIPSTechnologies进入中国，来自MountainView总部的资深MIPS主任工程师HoYingWai先生也在上海建立了工程办公室。

三年来，我们见证了MIPS体系结构应用方面的重大成功，例如中国最大的半导体公司珠海炬力在PMP设备中的授权使用。

相信《MIPS体系结构透视》第2版的出版更为MIPS在中国的发展锦上添花。

摘要：

本文介绍了我院“计算机原理”课程组在总结课程教学特点的基础上大胆改革，创新性地提出了四维教学模式。

通过两年教学实践表明，新的教学模式可以极大提高学生学习兴趣、巩固课本知识，培养创新能力。

　　关键词：

原理课程；教学模式；教学改革；创新实践
　　　　
　　1引言
　　
　　“计算机原理”作为计算机专业的核心课，学生对其内容掌握的好坏程度直接影响到其后续课程的学习。

然而反馈调查和课堂跟踪发现，学生在传统的“课堂讲授+课后实验”的教学模式下并不能深入体会计算机系统的工作原理和运行过程，尤其对计算机软硬件如何配合、网络远程计算、多核计算等内容掌握不够。

如若在课堂教学中扩充这方面的内容，教师又没有充足的时间让学生掌握经典的计算机原理知识。

如何让学生既深入掌握基本的原理知识，又了解最新的设计技术；既理解现有计算机运行模式，又结合未来发展锻炼创新思维？

这一直是课程组在“计算机原理”课程教学中深入思考的问题[1][2]。

为此课程组经过多次研讨，深入分析原理课程教学的难点，并提出了适应本课程的新教学模式，即“课堂讲授+综合设计+创新实践+网络教学”的四维教学模式。

经过两年多时间的实践，思维教学模式取得了良好的效果，学生掌握的知识面更宽了；对经典原理知识的理解更深了；对未来计算机的设计更有主见了。

“计算机原理”课程也相继被评为湖南省精品课程和国家精品课程[3]。

在此，本人就这种新的教学模式作一个简单阐述，希望得到各位同行的批评与指正。

　　
　　2“计算机原理”课程教学特点分析
　　
　　与其他类型课程不同，原理类课程教学必须一丝不苟、按部就班、环环相扣；同时又要深入浅出，启迪思维。

因此，“计算机原理”课程教学是对教师整体水平的巨大挑战，这种挑战要求教师不能仅仅通过课堂把知识灌输给学生，也要求教师必须不断更新教学和实验内容，跟上计算机发展步伐。

概括起来说，“计算机原理”课程教学具有如下几个要求：

　　1）深入浅出，把经典原理知识讲深讲透。

由于学生是初次接触深奥的专业技能，课程教学的目的就是要让学生了解计算机工作的基本原理和基本过程，教师必须让学生深入掌握经典的原理知识。

　　
　　2）灵活运用，把前述基础课程的知识贯穿起来。

在讲述“计算机原理”课程前，学生学习了“电路分析”、“数字电子技术”、汇编语言等专业基础课程，但他们并不能深入理解这些知识对掌握计算机系统工作原理的作用，课程教学必须要把这些知识穿插起来，灵活运用，让学生感觉到学有所用。

　　3）适时发挥，把前沿技术与经典原理相结合。

由于计算机发展速度之迅猛，教师需要结合经典原理讲解，并进行适当延伸，引导学生利用课余时间学习一些新的技术，以作为课堂教学的有意补充。

　　4）启迪思维，把探索与创新作为教学的根本宗旨。

不论课程教学如何改革，学生永远是学习的主体，发挥学生的主观能动性，积极思考、勇于探索，并通过网络信息检索、课程综合设计、课余实践等活动强化课堂学习内容，拓宽知识面才是“计算机原理”教学的根本宗旨。

　　从上述分析可以看出，传统“课堂教授+课后实验”的教学方法显然不能适应课程在新时期建设的需要，导致学生一方面感觉“说不清”、即理解得不够深入，另一方面感觉“吃不饱”、即了解得不够宽泛。

为此，我们必须从教学时间、教学场地和教学手段上对课程教学方法进行拓展，探索新的教学模式和方法。

　　
　　3四维教学模式阐述
　　
　　“计算机原理”的四维教学模式从传统的“课堂讲授+综合设计”的二维拓展为“课堂讲授+综合设计+创新实践+网络教学”的四维，其中课堂讲授是基础，帮助学生建立计算机系统整机工作原理和过程的概念；综合设计是关键，让学生通过综合实验验证计算机系统的工作原理和过程；创新实践是动力，依托学校大学生创新实验基地和教研室科研条件，提供各种创新实践机会，以此激发学生学习课程的动力；网络教学是平台，为学生营造一个随时随地学习、按需学习的集中的资源平台。

　　当然，四维教学模式不是简单的孤立的四个方面，而是有机协调的整体。

教师掌握四维教学模式必须把握好如下几个方面：

　　
　　3.1发挥课堂教学的基础和引导作用
　　课堂教学就是要给学生一个清晰的整体概念，告诉学生课程的学习目标、学习范围、学习方法，并对重点难点内容进行详细阐述，帮助学生真正理解计算机的工作原理。

同时，课堂教学中需要把本课程与前述课程所学知识贯穿起来，并对后续即将学习的“计算机系统结构”等课程进行简单说明，让学生明确知识的组织脉络，理顺各门课程间的关系和作用。

此外一点，也是课堂教学最重要的一点，即需要充分发挥课堂教学的启发和引导作用，站在学生学习的角度，逐步启发和引导他们对计算机系统工作原理中的各种问题进行探索和思考，激发他们在课余时间查阅资料，自主学习并创新实践。

　　3.2通过综合设计强化动手能力
　　单纯讲解枯燥的原理知识显然难以激发学生的学习热情，也不能消除学生在学习中的各种疑问。

“计算机原理”课程还需要发挥综合设计的强化作用，一方面帮助学生验证各种原理，并切身感受计算机的工作过程；另一方面可以通过调整和补充实验内容，训练他们的动手设计能力，检验他们对所学知识的理解。

由于“计算机原理”综合课程设计的内容具有一定的综合性和复杂性，因此课程教学中需要对学生进行分组，并安排专门的实验辅导老师进行指导。

在具体实践中，课程组采用了自主研发的综合实验平台，设计了一个8位CPU设计实验，使学生真正了解了CPU的工作过程和设计方法。

　　3.3鼓励创新实践，激发学习动力
　　学以致用，这是原理课程教学中必须坚持的基本观念。

那么怎样才能让学生把所学的知识应用起来呢？

一个简单有效的办法就是让学生开阔思维，按照自己的灵感和创意进行一定的设计和制作。

课程组在具体教学中采用了如下几个途径：

①让学生参与各种科研活动，和本专业的博士、硕士一道探寻各种前沿问题；②鼓励学生参加大学生电子设计竞赛、挑战杯等学科竞赛活动；③充分利用学院微电子创新中心，让学生参与各种创新活动，进行学术论文阅读和交流。

通过上述三个方面的努力，大大地激发了学生的学习动力，课堂气氛也逐渐活跃，大家在学习书本知识的同时，还会积极思考自己的作品该如何设计和改进。

　　3.4丰富网络教学资源，满足多样化学习需要
　　借助网络教学平台进行教学是未来教学的必备条件。

开展网络教学的前提是丰富网络教学资源，以满足不同学生对相关知识的多样需求。

课程组充分利用学校网络数字化教学平台积极开展网络教学活动。

先后开辟了“计算机历史溯源”，“光计算机技术”，“生物计算机技术”和“多核计算机技术”等专题栏目，由专门教师负责收集、整理相关材料。

由于课堂教学电脑已经接入教学平台所在网络，教师上课也可以利用丰富的网络教学资源对课堂内容进行补充。

学生可以随时随地查阅相关资料，开展相关讨论和交流。

网络教学平台的建设与利用大大拓展了教学空间。

　　
　　4结束语
　　
　　原理课程教学天生存在内容抽象、讲述枯燥、疑难点多等问题。

课程组对“计算机原理”课程教学进行了历时两年的大胆改革，通过总结归纳本课程教学特点，创新性地提出了“计算机原理”课程四维教学模式。

文章对这种新的教学模式进行了详细阐述，给出了相关注意事项。

四维教学模式强调了网络教学和实践教学思想[4][5]，可以应用到其他原理类课程教学中。

下一步教学研究将更多关注该教学模式中四个方面的内部关系，力争四个方面相互配合、形成整体合力。

　　
　　参考文献
　　[1]姚伟.计算机教育应用发展模式的现实思考[J].开封大学学报,2005,19（4）.
　　[2]韩君,张淑芳.也谈在计算机课程教学中实施创新教育[J].宿州教育学院学报,2006,9（3）.
　　[3]彭丽英.从做精品课程看计算机课程教学[J].电脑知识与技术（学术交流）,2007,3（18）.
　　[4]张小巧,郭根生.浅析网络教学与传统教学的优势互补关系[J].电化教育研究,2008,

（2）.
　　[5]印文霞.强化实践教学培养创新人才[J].成人教育,2008,（6）.

摘要：

操作系统是一门综合性课程,内容庞杂涉及面广，使得该课程的教学过程相比其他专业课更加复杂。

本文针对操作系统课程内容抽象、讲解内容有限等特殊问题，分析了传统操作系统课程教学中的不足，提出了运用图形化教学方式辅助课程讲解的思想，介绍了基于Solaris操作系统中DTrace的图形化教学方式的实践。

结果表明，图形化教学方式可以将课程中的抽象概念具体化，有助于教师的讲解与学生的理解实践。

　　关键词：

操作系统；图形化；教学方式
　　　　
　　操作系统课程是理论性和实践性都很强的学科，也是计算机学科最为重要的专业基础课程之一。

随着计算技术进入各个行业，与信息技术相关的专业，如通信工程、软件工程、信息安全、自动化控制等，也将计算机操作系统列入到专业课程计划中。

近年来操作系统在理论和技术上都有很多发展，原来的课程内容和实践内容显得有些过时，教学内容与方法的改革就显得非常必要。

“对用户友好”这一口号出现于上世纪80年代，随着IT产业的发展，这一口号逐渐演变成时下最流行的“可用性”的概念[1]。

图形化应用程序极大地方便了用户的使用，人们不用像DOS时代那样要记一大堆枯燥的指令来操作计算机。

将图形化教学方式应用于操作系统教学中，向学生形象地展现操作系统的理论知识，不仅可以提高学生的学习兴趣，还可以帮助学生更好地理解操作系统的知识。

　　
　　1传统教学中的不足
　　
　　操作系统课程教学长期以来以理论教学为主，辅以少量的实验教学。

学生学习操作系统，往往局限于基本理论知识的掌握和一些典型算法的实践，很少有机会去了解操作系统的内部结构和实现技术[2]。

当前，开源软件日益深入人心，开源操作系统软件已成为学生尤其是研究性学生学习、研究计算机基础支撑软件的首选，这为操作系统课程提供了更好的实验平台，但也提出了更高的要求。

　　对于学生而言，由于学习过程有很大的难度，教学效果很难达到较为理想的水平。

目前，教学中存在的问题主要表现在以下几个方面：

（1）教学方法不够灵活，形成一种“灌输式”的教学方法，对启发式、讨论式的教学方法采用得比较少，没有充分调动学生的主观能动性，忽略了学生的主体地位。

（2）教学内容理论性过强。

由于该课程知识点多、概念性强而抽象，一些教师在教学中又缺少理论与实践相结合的具体内容，授课枯燥抽象，学生在学习过程中感到不易理解。

实践性环节也薄弱。

学生缺少自己动手设计或解剖一个具体的操作系统实例的过程，参与研究性学习的机会少，不能激发学生学习的兴趣。

很多学生虽然学了操作系统课程，但是由于没有亲手编写过操作系统源代码，没有看到操作系统是如何对资源进行分配与回收的过程，所以只掌握了一些的概念，而对操作系统的基本原理仍是似懂非懂，学习效果不佳。

　　（3）缺乏一本好的教材。

长期以来，国内操作系统课程的教材都是理论性较强，内容抽象，内容较陈旧或较窄，缺乏与前沿技术的结合，教材中的知识点多且杂，因此一本好的教材是重要的。

作为一本好的操作系统教材，不仅要注重论述经典的操作系统原理，紧密联系当代流行的设计问题以及当前操作系统的发展方向，又要做到基本原理与当代流行操作系统实例相结合。

　　
　　2图形化教学方式
　　
　　2.1图形化教学方式的优势
　　开源操作系统在近几年发展迅速，它为操作系统课程教学提供了良好的实验平台，使得学习者可以深入了解操作系统的内核，观察操作系统的内部结构和系统运行的状态[3]。

但是由于其图形化应用程序开发方法及标准的不统一导致开发效率低、界面不友好，教师无法高效地将操作系统知识教授给学生。

　　图形化教学方式是一种学习容易、成本低、效率高的教学方式，从教师和学生两个方面来看，其优点主要如下：

（1）有利于教师教授知识。

操作系统知识偏于理论化、复杂化，教师单纯的讲解，很难让学生快速地理解教师所讲述的知识，很多学生在尚未真正理解操作系统知识时便失去了兴趣，没有正确地对待这么门课程，使得老师的讲解也兴趣索然。

采用图形化教学方式，教师可以将枯燥复杂的理论知识在图形化界面上形象地展示给学生，讲述与展示兼备，使得教师的讲解更加方便。

（2）有利于提高学生的学习兴趣，促进学生自主学习。

对于复杂知识的学习，学生很容易在未能深入了解时失去兴趣，放弃对该课程的学习。

通过图形化方式，使得学生可以更好地入门，不再只有枯燥简单的文字和命令，而是可以深入系统的内部观察系统真正的运行状态。

有了良好的开始后，学生才能更自主地深入学习操作系统知识。

　　2.2教学方式的实现
　　利用多媒体和计算机模拟技术，将深奥、抽象的概念和原理用生动的图片或动画来表现，便于学生理解。

或者采用提问式授课方式，在课堂中实现互动[4]。

也可以采取小组讨论的形式。

图形化系统不仅可以满足上述的教学目的还可以拓展更多的形势辅助课程讲解。

　　
　　首先，教师在需要讲解的内容中确定抽象的课程概念，在图形化系统的辅助下，教师通过形象化即可表达抽象概念。

图形化系统可以由教师自行设计，也可以作为课程作业布置给同学，让学生在理解概念的前提下尝试具体化的过程更加有助于理解课程中的抽象概念。

如图1所示。

图形化系统的教学方式可以进行实际操作演示，例如在多媒体电脑上安装图形化系统软件，学生可以通过系统中提供的演示进行课程内容的学习与实际操作，为后面的上机实习和课程设计打下基础。

同时，图形系统的网络接口，丰富了课程的答疑形式。

在课堂中教师与学生一起讨论问题，学生在课后产生疑问时，可以通过图形化系统在网络中发送问题，老师可以及时解答学生的问题。

　　
　　3具体实现
　　
　　操作系统课程以原理、概念和算法等基础知识为主，所以必须设置与之配套的实验课程。

计算机专业的学生不应仅仅是一个普通的计算机用户和一般程序员，更应该系统深入地学习计算机操作系统的原理、

相关算法和理论，具备开发系统程序和进行系统分析的能力。

以下将阐述基于Solaris操作系统中DTrace的图形化教学方式的实践[5]。

图形化教学方式可以将课程中的抽象概念具体化，有助于教师的讲解与学生的理解实践。

　　3.1Solaris操作系统的优势
　　采用Solaris操作系统作为教学实例，优势如下。

（1）Solaris作为一个开源的操作系统，近几年发展迅速，由于其源代码公开，学生可以仔细阅读、分析，并与书中介绍的原理、方法进行比较，探究它是如何实现现在操作系统的常规功能的。

剖析一个操作系统代码对于掌握操作系统设计与实现的精髓是大有裨益的。

（2）Solaris是一种多用户、多任务的操作系统，在大型公司和教育机构中有了越来越广泛的应用，基于Solaris的应用程序也是未来的发展趋势之一。

　　（3）Solaris不再只能安装在Sun公司的SPARC平台的计算机上，现在的Solaris10拥有了专门针对普通用户计算机的x86版本，它支持目前的大多数台式计算机，可以在学校的实验机房安装，教师也可以将PC机作为服务器进行教学工作。

　　（4）Solaris中多个调度程序可以并行操作，每个调度程序拥有自己的调度算法和优先级别，调度程序以内核模块的形式提供，被动态装入操作系统。

提供这种可配置的调度环境便于学生更深入细致地了解操作系统的内核。

　　（5）在Solaris操作系统中，虚拟文件系统（VFS）框架允许多个文件系统配之在系统中，该框架实现了几个基于磁盘的文件系统（UNIX文件系统、MS-DOS文件系统、CD-ROM文件系统等等）以及网络文件系统（NFSV2、V3和V4）。

学习Solaris的多文件系统，有利于学生全面深入地了解各个系统的文件系统。

（6）Solaris10提供的DTrace工具，用户能够动态检测操作系统内核和用户进程。

使用DTrace，可以让学生更精确地掌握系统的资源使用状况，发现先前隐蔽的系统问题，让学生更主动更明了地观察操作系统的内核。

　　（7）利用Solariscontainers技术，甚至可以在同一系统中同时运行Linux和Solaris应用程序，使用户既可以保护在现有Linux应用上的投资，又充分享受Solaris带来的创新体验。

　　以Solaris为学生学习操作系统课程的实验平台，不仅可以教授学生经典的操作系统理论知识，同时由于其是开源的操作系统，可以让学生更深入透彻地了解操作系统的内部结构和工作原理[6]。

　　3.2图形化系统体系结构
　　DTrace（DynamicTracing）是一个构建到Solaris内的综合动态跟踪工具，可以让系统管理员、应用开发者、技术支持人员对系统内核和用户程序的行为进行采样、监控、诊断而不影响生产系统的运行。

DTrace包含一种新的脚本语言，D语言。

使用D语言，用户可以很容易地编写一下用于动态启用系统探测器、收集信息和处理信息的脚本，用户可以方便地与他人共享其信息和故障排除方法。

通过DTrace，用户不再只是简单地使用这个操作系统，更可以深入了解操作系统的内核，这在很大程度上可以让学生真正地理解操作系统，而不是死记硬背理论知识[7]。

　　虽然DTrace有强大的功能，但是目前Solaris平台下DTrace工具还只局限于命令行操作，对于学生而言，如果对该操作系统平台或者命令行操作不熟悉，就无法享受这个工具带来的便利，深入透彻地了解操作系统的内部原理。

通过图形化的界面，学生可以通过简单的操作快速地进行实验，认识并分析操作系统的内部结构。

由于图形化界面的简洁、可操作性，可以有效地提高学生学习操作系统课程的兴趣，使学生不再因枯燥复杂的理论知识而却步，能更有效地调动起学生学习操作系统的积极性。

系统框架如图2所示。

　　
　　3.3系统实现
　　DTrace图形化系统能有效地辅助操作系统课程教学，该系统主要界面如图3所示。

　　
　　选择Solaris操作系统作为实验环境，可以使用DTrace统运行状态，观察操作系统内核结构

摘要：

高职信息安全教育是填补我国信息安全人才不足的一个重要途径。

高职信息安全的人才培养与传统高校信息安全专业教育模式应有所区别。

本文以高职教育的理念通过对高职院校信息安全教学的现状分析，就如何在高职院校加强信息安全专业建设，建立科学的人才培养模式的方法进行了研究和讨论。

　　关键词：

信息安全；课程体系；模块化；项目教学；“双主”教学
　　　　　　
　　1引言
　　
　　信息安全是一门新兴学科，是以信息科学技术为基础，随着社会对信息技术的需求增加而发展起来的。

在很多高职院校，对于该专业的教学都处于起步摸索阶段，还未完全形成一套行之有效的培养模式和体系，大多是照搬高校模式，这样就违背了高职教育培养技能型应用人才这一总体目标要求。

我们应认真地开展市场调研，根据经济、社会的发展需要和就业状况以及本校的实际来确定教学目的和任务，并按照职业资格标准的要求，围绕培养信息安全能力对教学内容和教学计划作相应调整。

作为以生产、管理、建设、服务第一线输送应用性、实用型人才[1]为办学宗旨的高等职业院校，要适应经济建设和社会发展求，培养有一定的理论基础、较强的创新能力和扎实的实践动手能力的应用型人才，建立以基本素质和技术应用能力培养为特征的教学新体系。

而信息安全专业教学在这一基础上，应建立起更加细化和有特色的培养模式。

　　
　　2高职信息安全人才培养目标
　　
　　以培养学生工作能力、技能为核心目标，知识的掌握应服务于能力的建构。

所谓工