计算机运行的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇计算机运行的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：计算机；信息安全；防拷贝系统

中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 24-0000-01

Computer Information Security Copy Protection System

Tian Yunliang

(Changshou Beibu Xincheng Investment&Development Co.,Ltd.,Chongqing401228,China)

Abstract:In this paper,information security vulnerabilities exist in the current computer system and come up with copy protection system will be a combination of computer hardware and software systems,which demonstrated the anti-copy system to ensure that the input of the entire computer data security.play a crucial role and significance in the storage,transmission and output process.

Keywords:Computer;Information security;Copy Protection System

我们需要清醒的认识到一点：传统意义上的计算机系统虽然实现了大量纸质档案信息资料的管理与储存，但并没有设置相应的访问权限平台，这就使得计算机系统内部所储存的各种信息数据很有可能在计算机各种输出终端的作用下非法拷贝到其他储存终端当中。可以说，计算机端口非法信息拷贝已成为当前计算机信息时代最为普遍，也最具危害的一种犯罪形式。据此，如何在新型信息技术的支持下优化计算机端口的管理与控制系统已成为当前计算机信息安全工作人员最亟待解决的问题之一。本文所研究的计算机信息安全防拷贝系统正是解决这一问题的最有效途径。笔者现结合实践工作经验，就这一问题谈谈自己的看法与体会。

一、计算机信息安全防拷贝系统的功能特点分析

信息安全系统作为网络环境下计算机信息安全的最关键保障，需要在设计、运行、维护的方方面面杜绝任何形式的漏洞问题，因为在计算机信息系统当中，任何一个细微的漏洞都很有可能危害到整个信息系统的安全运行。笔者认为，计算机信息安全防拷贝系统要想做到这一点，光依靠传统意义上的身份验证与密码审核是远远不够的，为此我们在进行该系统的设计工作时，务必需要将非法进不去、进去看不见以及看见拷不出这三点作为整个系统设计的基本原则。与此同时，高质量的计算机信息安全防拷贝系统还应当兼顾内外部的信息泄露问题，在不断强化自身信息安全保护能力的同时，有效抵御来自外界的干扰与破坏。具体而言，这种系统需要具备的基本功能与特点可以概括为以下几个方面。

（一）设备控制功能。计算机信息安全防拷贝系统能够自动控制整个计算机系统的全部外接设备，各种外接终端接口设备都会该系统的控制下主动关闭或附加密码认证，进而从接口方面确保计算机信息系统的安全运行。

（二）网络控制功能。计算机信息安全防拷贝系统最大的特点在于它能够全方位参与并掌控计算机的网络连接作业，任何非法的网络接入都会直接反映到防拷贝系统处理终端，从而及时关闭计算机网络连接功能，阻断非法入侵。

（三）互联网控制功能。互联网控制功能与网络控制功能之间最大的区别在于系统虽然限制与禁止了各种通过计算机信息系统进行互联网上传的信息，但计算机终端操作用户仍然能够操作计算机进行互联网网页的浏览与信息数据的单向下载。

（四）拷贝加密功能。可以说，拷贝加密功能是整个计算机信息安全防拷贝系统的核心与关键。在这种功能支持下，需要通过计算机信息系统进行数据信息考出的一切文件都具备了高强度的加密特性或是多重身份验证特性。

（五）文件加密功能。在计算机信息安全防拷贝系统提供了多种多样的信息数据加密服务。计算机终端操作用户能够根据意愿选取重要信息文件对其进行加密处理。一旦加密成功，任何用户要想读取该信息文件就必须通过相应的身份验证，输入正确的验证密码与口令，从而确保了整个计算机信息安全系统的可靠运行。

二、计算机信息安全防拷贝系统的组织架构与基本原理分析

针对上文有关计算机信息安全防拷贝系统应实现的功能分析，笔者认为要想将这些系统管理功能变为现实是离不开计算机硬软件系统共同支持的。信息安全卡硬件子系统作为整个计算机信息安全防拷贝系统的硬件系统核心，需要同服务器管理与监控软件以及客户端功能软件之间形成良好的合作关系，共同确保整个计算机运行的安全性与稳定性。

（一）信息安全卡硬件子系统基本原理分析。由上图我们不难得知，信息安全卡硬件子系统是整个计算机信息安全防拷贝系统的核心与中心。在这一系统当中，高速微处理器又是整个硬件子系统的核心，它能够确保计算机硬件子系统之间的协调共处。该硬件子系统最大的特点在于信息传输与处理速度快，协同控制能力强，存储器终端接口多样。在设计过程中我们需要特别关注一点：各种信息数据文件加密与控制功能要求整个硬件子系统具备较强的实时数据连续处理能力，而这种能力恰好需要与整个计算机主反应器处理能力相适应。

（二）服务器管理与监控软件原理分析。在这一平台上，计算机信息安全防拷贝系统能够实现包括网络分组、端口控制以及认证管理等在内的诸多信息数据安全控制与管理功能。其主要工作内容在于确保整个计算机信息系统的安全与稳定运行，与此同时兼顾各种数据信息实时监控，从而为硬件子系统的运行提供更为全面与可靠的数据支持。

（三）客户端软件原理分析。功能子程序作为客户端软件的最主要构成部分能够对计算机任何一次的端口访问进行深入的研究与分析，通过网络功能、端口配置等指标参数作出下一步动作，进而确保客户端操作不会对计算机信息安全系统产生隐患或是构成威胁。

三、结束语

信息时代的到来要求计算机系统在确保传输质量与效率的同时做好各种数据信息安全管理。本文从功能特点以及组织架构与基本原理两个方面对新时期的计算机信息安全防拷贝系统做出了简要的分析与说明，希望能够为今后相关实践与研究工作的开展提供一定的参考与帮助。

参考文献：

[1]刘密霞.基于策略的信息安全模型及形式化建模的研究[D].兰州理工大学,2004

[2]陈勇,蔡淑琴.管理信息系统的发展动因及趋势研究[J].商业研究,2005,14

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关键词：真空皮带机；PID控制；变频；模糊

1、真空皮带机运行控制分析与改进

在脱水系统中，，每套真空皮带脱水子系统装有一就地控制柜，控制柜上设有皮带电机手动/远程、启动/停机、增速/减速运行/跳闸和用于检查其性能状况指示灯测试开关或按钮。皮带机的两侧各设计有一个皮带跑偏、滤布跑偏、拉索安全开关，在真空箱密封水管道和皮带水管道上装设有3个流量开关，这些开关信号均作为在DCS系统中启动或停机的联锁条件，如果运行过程中，任何一个开关动作，并且一直保持存在着动作的状态，则控制回路设计时间延时5S皮带机的保护回路动作，DCS回路送出跳闸信号，停脱水皮带机。

在真空皮带机运行启动前各设备的状态及各开关信号的状态必须处于正确位置，即启动前拉索安全开关、皮带，滤布跑偏开关必须处于正常复位状态，同时变频器不能处于故障状态以及皮带油/真空箱密封水流量必须高于“低”设定点，当DCS操作员在远程模式启动皮带程序时，脱水机驱动电机将自动启动。在真空脱水皮带机控制系统中，一般的真空脱水变频控制思路是：现场操作人员可从DCS操作站给真空皮带机变频传动控制下达石膏厚度设定值，同时超声波测厚仪向DCS反馈实际值，这样就形成了一个自动闭环控制调节回路（见图二）。在真空皮带机正常运行时，皮带脱水机速度可连续调整以维持皮带上方石膏饼的厚度，石膏饼厚度减少，则速度降低，厚度增大则速度提高[2]。实践证明，实际运行的系统存在严重滞后，采用常规的PID控制，其效果并不理想。本文设计出了模糊控制器，使系统的稳定性得到了改进。

2. 基于常规PID控制的真空皮带机运行

PID控制作为传统的控制方法，由于其简单有效，广泛应用于各种工业过程控制中，尽管现今提出了各种现代控制理论，其理论效果很完美，但却很难普遍应用于实际。PID控制是根据测量值与设定值之间的偏差经过比例、积分、微分计算来得到输出值，并将该值输出到执行器上。PID控制的算法可以表示为：

（3-1）

式中，u（t）为PID算法的输出；e（t）为输入偏差；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

在计算机控制系统里，PID算法的实现形式主要有以下两种：

（1） 位置式

将式（3-1）离散化便可以得到在计算机控制系统中使用的数字PID位置式算法：

（3-2）

式中，Ki为积分系数；Kd为微分系数。

（2）增量式

将第k个采样周期的算法输出与第k-1个采样周期输出相减，经整理后便得到：

（3-3）

增量式算法与位置算法本质上无大区别，但却带来不少的优点：算式中不需要累加，控制增量Δu（k）的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动―自动切换时冲击小，当控制从手动向自动切换时，可以作到无忧切换。

3. 基于模糊控制的真空皮带机运行

采用模糊控制算法进行真空皮带机运行控制能较好地克服控制对象的纯滞后问题，提高控制精度。真空皮带机运行模糊控制系统一般可分为五个组成部分，如图3-2所示：1）模糊控制器，是各类自动控制系统中的核心部分。2）输入/输出接口。模糊控制器通过输入/输出接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换电路。3）真空皮带机变频器。用来调节真空皮带机电动机转速。4）被控对象。真空皮带机的运行难以建立精确数学模型，更适宜采用模糊控制。5）超声波测厚仪传感器。传感器是将被控对象或过程的被控量转换为电信号的一类装置。

针对皮带机脱水的特性，选择对控制过程中影响最大的厚度偏差e及偏差变化率de作为输入，构成二维模糊控制，e=r-y，其中r表示参考输入石膏厚度，y表示系统输出实际石膏厚度，de=et-et-1其中et为t时刻的输出误差，et-1为t-1时刻的输出误差。输出为真空皮带机的频率u，刻划偏差e与偏差变化de和输出u的语言项有：e或de为{负，零，正}={Negative，Zero，Positive}；u为{负大、负中、负小、零，正小，正中，正大}={ZB，ZM，ZS，ZO，PS，PM，PB}。真空皮带的厚度调节为了防止系统在自动控制方式下出现振荡发散的失控现象，当厚度偏差的绝对值超过20mm时，系统控制切换到手动调节方式下，并发出声音报警[3]。因此厚度偏差e的基本论域可选中[-8，8]，厚度变化率de的基本论域为[-2，2]。输出变量u为真空皮带频率，其基本论域为[15，40]。隶属函数都取三角形，解模糊采用工业控制中广泛使用的加权平均法。

4 结束语

石膏脱水系统是湿法脱硫系统重要的组成部分，关系到石膏的品质、废水的排放、以及脱硫综合成本的高低，真空脱水皮带机的稳定运行是石膏脱水系统的有力保障。采用常规PID控制时，不能保证收敛与调节速度都能达到满意的效果，实际应用系统的调节速度缓慢，有时出现振荡失稳。采用模糊控制时，效果得到了明显的改善，对于较大的波动都能够较快的稳定下来，稳定性大为提高参考文献

[1] 阎维平，刘忠，王春波等.电站燃煤锅炉石灰石湿法烟气脱硫装置运行与控制[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 吴跃鹏.浅析沙角A电厂300MW机组FGD脱水率的设计和控制[J].自动化与仪器仪表，2005年第3期：17～19

[3] 吴锦源，徐丽杰，李亘军，曹玉山.基于模糊PID的湿法脱硫系统石膏厚度控制的研究[J].电气应用，2006年第7期：116～118

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[关键词]飞机 飞行控制系统 设计 特征结构

中图分类号：TJ765.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0032-01

飞行控制系统是飞机的重要组成部分，是飞行控制算法的运行平台，它的性能好坏直接关系着飞机能否安全可靠的飞行。随着航空技术的发展，飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。高精度要求飞行控制系统的精度高，稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此控制算法比较复杂，计算速度快，精度高；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统的性能越高越好，体积越小越好。此外，飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。因此，急需优化设计新型飞控系统处理软件。

1、飞行控制系统的构成与原理

1.1 飞行控制系统的基本构成

飞行控制系统主要包括三个基本回路，其中：导航回路，用以实现对飞机飞行轨迹的控制，又被称作为外回路；驾驶仪回路，主要用于确保系统的稳定性，确保对系统控制时具有稳定性特征，一般还被称作为内回路；伺服网路，该回路是控制命令的执行机构，确保控制系统的控制命令得以可靠执行，又被称作舵回路；驾驶仪回路，该回路是具有独立功能的分系统，不但能够保持飞机员设定的飞行姿态稳定飞行，同时还可以实现透明驾驶、自动配平等功能。

1.2 系统原理

在启动驾驶设备之后，驾驶计算机中的存储设备将对飞机的即时飞行状态进行记忆，并将之作为基准值。而飞机上各个部位设置的传感设备将探测得到飞机此时的姿态信息，并将这些信息实时的传递到自动驾驶设备的计算机当中。在和计算机设备中存储的基准值对比之后，对与基准值不符的相关数据通过发出飞行指令进行调整，从而达到控制飞行的目的。驾驶设备在工作过程中总需要保持控制系统处于完全平衡的状态，利用对飞机飞行姿态的控制达到是飞行误差为零的目的，或者是尽量使得飞行姿态稳定在一个相对稳定的基准值附近。

在飞行系统实现自动控制的过程中，传递函数f=B/（E―S）通常被称作是自动驾驶设备的控制律，系统的所有的控制指令都是基于这个控制规则发出的。根据PID控制理论，这个控制规则主要包括与偏差变化率相关的导数项、比例项和偏差积分项等几个部分构成。其中，比例项是控制规则的主要控制项，当飞机在飞行过程中若由于其他原因导致其偏离基准值过远时，飞行驾驶控制系统的计算机将发出与误差成对应比例的飞行姿态调整指令。但是，考虑到信号传递延迟以及飞机飞行过程中的惯性作用，飞机执行机构在响应指令时刻的飞行姿态已经发生了对应的变化，这将导致飞行姿态控制命令存在对应误差。所以，为了控制这种变化，系统控制规则中的导数项，则是通过增加系统的阻尼的方式，对飞机的飞行姿态进行调节，控制飞行姿态调节过程中的调节质量。所以，在实际的飞行控制系统设计过程中，为了避免出现飞行姿态变化过大、控制常值扰动等问题，通常在系统设计过程中引入一个对应的积分电路，通过其驱动与之并联的舵机来达到积分控制的目的。然后利用它来对存储在计算机中的姿态基准进行适当修改，进而实现对驾驶设备的比普配平。

2、飞行控制系统设计过程中存在的典型故障

2.1 飞行控制系统性能故障诊断流程

在故障诊断模块中，采用故障树最小割集的Fussel方法对飞行控制系统的故障进行准确定位。首先将飞行控制系统的被检测组件插件的故障树结构存入故障库中，在故障检测过程中通过不断更新换测试点实现对飞行控制系统的全方位检测。然后再将测试结果与故障库中的各种标准情况进行对比分析，并且快速的找出导致被检测组件出现故障的各种原因，此时系统会对这些原因进行逐一的判断和分析，并且最终找出产生故障的真正原因以及故障出现的部位和具体的元器件。其中值得注意的是，故障库中的故障树的结果都是在综合大量的故障检修记录以及分析电路原理的基础上产生的，因此具有很高的准确性和可靠性。

2.2 扭矩信号接口的不匹配问题

同样在对系统进行地面通电检查时，发现控制系统的扭矩信号显示值和正常值之间存在一个0.03左右负偏差。在对飞行控制系统的计算机进行拆除重装之后被解除。通过对该问题的分析和观察，认为由于发动机参数系统与飞行控制系统采用一个共用的扭矩传感器对扭矩信号进行输出。但是，两者之间存在着接口不匹配的问题。这主要是因为，飞机扭矩传感器设备发出的信号是小信号，其负载能力和电源负载能力相比，差距较大。例如，扭矩传感器的内阻是500Ω，而飞行控制计算机等效电源的电阻值则达到了20kΩ。

另外，在设计飞行控制系统的过程中，为了确保飞机安全飞行，设计时引入了扭矩信号。而飞行控制系统则是利用得到的发动机扭矩信号的和值发出对应的控制指令的。一旦该值超过95%时，自动控制系统将会自动切断，确保飞行控制系统不会对飞行安全造成影响。同时，为了确保其与发动机参数系统的接口相协调，一般采用根据发动机参数系统进行双发扭矩和的计算，当该值超过95%时，将发送信号给飞行控制系统。这样就很好的解决了接口不匹配的问题。

2.3 自动驾驶系统舵机抖动问题

在地面通电检查工作中，在连通三轴自动驾驶设备时，驾驶系统的舵机发送剧烈抖动的故障问题。在连通自动驾驶系统之后，自动驾驶计算机内部的存储器记录了连通瞬间飞机的姿态值，并将之作为基准姿态。这时，自动驾驶系统将尽量将飞机的飞行姿态控制在基准值附近。而舵机出现抖动，主要原可能为：其一，自动驾驶系统的相关部件存在相关故障，致使驾驶结构响应过程中出现对应的故障反应；其二，传感器在单元信号的输出过程中存在故障，例如传感设备的输出信号的发射呈现持续跳动时，舵机将对应的发生抖动；其三，存在电磁干扰问题，由于逻辑处理单元在逻辑命令输出过程中，受到干扰，导致机构响应出现误差，造成舵机抖动。

从该型飞控系统的实际使用情况来看，整个系统设计的功能较多，而且各个功能之间存在较大的关联度，导致系统设计工作十分庞杂。因此，在设计过程中还可以将可靠性技术应用到其中，提高飞控系统的整体可靠度。

参考文献

[1] .某型机自动飞行控制系统设计与应用[J].自动化技术与应用，2012（3）.

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关键词：计算机组成原理 教学方法 实践教学 考核

中图分类号：G642.0 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.123

1 目前存在的主要问题

《计算机组成原理》是我国高等教育计算机及相关专业的核心课程，与计算机专业的多门课程有着紧密的联系。课程不以某种类型的计算机为模型，而是从原理上介绍计算机各部件的结构、功能和原理，理论性强、概念多、知识抽象，与学生们一贯认知的PC机有较大差别。有的学生提出，每堂课老师都介绍那么多新名词很难接受；有的学生把这门课程当作文课程来学，认为只要考试前突击背题就能通过；有的学生甚至认为自己的兴趣和就业方向是应用程序开发，硬件原理根本没必要掌握。针对这些偏见，要求教师在教学过程中，从教学目标、教学方法、实践教学和考核方式几个方面着手，帮助学生树立正确的学习态度，运用合理的学习方法，以达到良好的教学效果。

2 明确教学目标

根据教学大纲和计算机专业人才培养的需求，一般来说教学目标主要是：熟悉计算机硬件基本原理，掌握冯诺依曼计算机的总体结构，能够运用所学知识完成简单的硬件系统设计。在教学过程中，不仅仅要研究具体硬件模块的原理，更要强调对硬件结构的设计思路以及系统级的认知。

3 注重联系科学施教

《计算机组成原理》和其他课程一样，需要教师采用科学的教学方法，生动的语言，良好的课堂互动，来和学生共同完成教学任务。要想把纷繁复杂的概念，各种设计完全理解，就不能孤立地研究各个知识点，需要联系地看问题。

3.1 把握课程间的联系

《计算机组成原理》在计算机专业课程的学习中具有重要的地位，起到了承上启下的作用。《计算机导论》、《模拟电路》、《数字电路》、《汇编语言》、《高级程序设计》等先修课程中的许多知识点，在本门课程中都有所体现，与《操作系统》、《计算机体系结构》等后续课程也有着紧密的联系。课堂上的新知识如果联系上学生们的已知知识，能更好地引起共鸣；而对未来将要学到课程的拓展，强调课程间的紧密联系，也有助于提高学习注意力。

3.2 建立硬件系统的整体概念

学习计算机系统的硬件结构，不但要研究计算机各部件的原理，更需要引导学生建立计算机硬件系统的整体概念，把握自顶向下的计算机硬件系统结构。在教学过程中，经常能看到不少学生只是对单个知识点深挖细抠，把本应该紧密联系的各个知识点孤立看待，不能建立一个整体概念。缺乏对课程整体的把握，使得各个知识点显得杂乱无章，增加了对课程理解的难度。

3.3 抓住计算机设计者的思路

计算机设计者的目的就是要让整机运行速度更快，消耗资源更少，这是本门课程贯穿始终的一条线索。多总线的使用、多级存储器的设计、DMA方式、指令流水，都是这条线索的体现。如果学生在学习过程中能够把握这条主线，以设计者的角度去思考问题，枯燥的问题将迎刃而解。

4 实践教学

计算机专业教学中的每一门课程几乎都离不开实践教学，硬件相关课程的实验通常都是利用综合实验设备来完成，学生做实验往往不关心其内在原理，实验课成了按图连接电缆，按说明书按按钮、拨开关。为了杜绝这种现象，必须从实验过程和实验报告两个方面入手。实验中需要教师全程跟踪学生的实验过程，让他讲原理，分析步骤。实验报告要坚决杜绝雷同，也不能抄袭实验手册，必须用自己的语言来描述，同时要求在实验结论后详细叙述实验心得，讲述实验过程中的体会和个人对实验原理的理解。每次实验都要根据实验原理预习、实验过程、实验报告这三方面进行打分，督促学生按要求完成实验任务。

5 考核方式

相对于教学，不少学生更关心如何考核，因为成绩与奖学金、评选优秀、就业等切身利益相关。采用235的分值比例，即课堂表现和出勤占20%，实验和综合设计占30%，末考成绩占50%，相对于传统的一考定英雄而言，更有利于对学生学习过程和总体学习效果的统一评估。但是这一分值比例设计在执行的过程中加入了更多的主观因素，就可能造成打分的不公平。例如，合班授课时学生人数很多，教师通常只是对坐在前排并且课堂表现活跃的学生印象较深，最终这些学生的平时成绩通常较高，而一些性格内向不善言表的学生，虽然也认真听讲和思考，但是却不能得到老师的青睐。

因此，教师在整个教学过程中不但要注意施教内容，研究自己怎么教，还要关心学生怎么学，帮助他们更好地掌握所学习的内容，同时客观地评估每名学生的学习效果，给出相对公平的成绩。

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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

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关键词：变频调速技术 消防给水设备

l传统水泵控制技术的弊端

在传统的水泵控制方式中，靠调节出口或人口闸阀方式来进行，人为增加管网阻力达到变化流量和压力的目的。因此，在控制过程中，流程阻力损失相应增加，而此时水泵的特性曲线不变，叶片转速不变，电机输入功率并无减少，而是白白地损失在调节过程中。经测算，当水泵的流量由100％降到50％时，若分

别采用调节出口和入口阀门的方式，则电机的输入功率分别为额定功率的84％和60％，而水泵的轴功率仅为12．5％，即损失功率分别为71．5％和47．5％。这说明不采用先进的控制措施，即使水泵的设计效率为100％，其实际的运行效率可能只有百分之十几或更低。

传统的控制方式，造成水泵长期处于高速、满负荷状态下运行，因此维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。

2变频调速技术的原理

变频调速技术(vaiahle vaiahle firequency technology)是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。

变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，即均匀改变电动机定子绕组的电源频事，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。

众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即P=Kn3。其中P为水泵消耗功率；n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术，可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较低的功率，获得节能效果。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗。

3变频调速技术用于消防给水系统的控制方式

l继电接触器控制方式

这是最简单的一类控制方式。根据工艺或外界条件的变化，依靠传统的模拟电子技术，采用继电接触器来控制水泵电动机运转，达到调速目的。

3.2逻辑电子电路控制方式

这类控制电路往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。控制方式较为先进，但难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦，且工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但系统成本较低。系统工作原理为：当消防管网压力降至某一规定值(低限值)时，由压力传感器发出信号自动开启稳压泵对管网补水加压，当压力升至另一规定值(高限值)时自动停泵。根据需要系统可设置消防中心联动接口，当消防中心发出火警信号或按动消火栓按钮，电控柜自动开启消防主泵进行灭火。

3．3单片机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电子电路，但在不同管网、不同供水情况时调试较麻烦。因系统程序预先固化于芯片中，需要追加功能时，就要对电路进行修改，重新刷新设置程序，不灵活也不方便，控制电路的可靠性和抗干扰能力也不高。

图l所示为笔者参与研制的ZBW系列微机控制全自动恒压供水系统的电路控制原理图与系统图。系统通过高性能单片机控制变频调速器拖动多台水泵，逐台变频调速启动，实现全自动恒压供水。变频稳压泵由具有恒压供水控制功能的变频器控制运行。平时无火警时，由变频稳压泵向消防管网充水稳压，使系统随时能够满足消防给水要求。当管网充水稳压到设定恒压，稳压泵流量趋近于零并维持一段时间(时间通过程序可控制)后，变频稳压泵自动停泵，进入等待状态，由贮能罐维持稳压。当管网压力下降至某一设定的压力值时，变频稳压泵自动启动恢复恒压稳压。当系统接收到火灾信号后，由单片机控制主消防泵(可以根据需要为一台或数台)依次工频启动，以提供额定的消防流量和压力。在主消防泵已投入运行的情况下，如管网压力不足，由单片机控制备用消防泵自动投入，以满足消防用水流量要求。通过与消防控制中心联网，可按设计程序进行自动或手动巡检，从而实现消防联动控制功能。

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关键词：不间断电源；应用；电力系统；发展

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0091-02

随着经济的发展，计算机技术被广泛地应用于各行各业，而不间断电源也是在这种环境被应用进来的。不间断电源的主要优势是在电网不正常运转或是在发生故障时，仍然能够为负载提供不间断的高性能电源。正因为这种优势，其应用也越来越广泛。当然，我国不间断电源的发展离不开国家行业政策的支持，所以了解行业发展动态具有必要意义。

1 不间断电源的行业定义

不间断电源，又作UPS（Uninterruptible Power Supply），指的是能够提供持续、稳定、不间断电能供应的电力电子设备。主要的组成部分是逆变器、整流器，以电池为主要的储能装置，不仅能够为用户提供备用电源以防止重要设备因电能中断而遭受损失，并且可改善电能质量，使设备免受高低电压、突波、杂讯、频率不稳及电磁的干扰，满足用户对电能质量的需求。

2 不间断电源的基本原理和分类

前述已经提到了UPS的主要构成，对于一般的UPS结构，除了整流器和逆变器之外，还有升压部分，控制部分、充电部分以及电池部分。UPS的基本工作原理如图1所示。

UPS电源还搭载了微处理器，它可以将输入、输出、电池、坏境等数据进行相关的运算，并且控制整流器、逆变器以及静态开关等装置，对外部的指令进行响应。而整流和充电单元的主要功能是整流控制信号和及时充电的作用，电池组和直流的总线是并联运行的，所以整流器可以对电池完成充电。当然，电池电压如果比浮充电压更低时，整流器处在恒流模式，微处理器就要对充电电流反馈和用户设置的电池容量进行计算分析。

应用UPS的目的就是能够为一些装置提供稳定的电源，这也就是我们划分UPS种类的依据之一。按照逆变器的工作方式来分UPS分为后备式（或称离线式OFFLINE）和在线式（ONLINE）两种。后备式UPS的逆变器在UPS正常工作时处于后备状态，只有在市电异常时才起到逆变作用，而在线式UPS的逆变器无论在市电模式还是电池模式一直都在工作状态。后备式UPS功率比较小、价格便宜，主要用在对电源质量不高的地方，比如个人电脑；在线式UPS输出的电源精度高，价格也比较高，主要用在对电源质量要求较高的场合，比如机房。

按照UPS的后备时间UPS可以分为标准机和长延时机。标准机后备时间比较短，一般只有几分钟，长延时机可以根据需要配置电池延长UPS的后备工作时间。

按照UPS外形结构UPS可以分为塔式UPS、机架式UPS、以及含机柜的模块化UPS。

按照UPS对市电的相数要求可以分为单相机和三相机。三相机功率比较大，一般都在10 kVA以上。

按照供电渠道的不同将UPS划分为以下几种工作模式，即：市电模式、电池模式、旁路模式、维护模式。

市电模式：市电正常时UPS的正常工作模式。

电池模式：市电异常时UPS的正常工作模式。

旁路模式：UPS异常的供电模式。

维护模式：UPS出现故障，需要不断电进行UPS维修时的供电模式。

3 不间断电源在我国的发展现状

在使用电池的时代之前，UPS不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式UPS不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时UPS不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。由轮式UPS不间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音，同时体积也较大，因此被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下，不间断电源会使用蓄电池来提供电力。

随着电子技术和信息技术的应用和发展，不间断电源随之产生并得到了不断的发展，自1984第一台UPS从香港进到中国，UPS在我国的应用和发展经历了30多年，UPS也不断地从国外进口到国内生产，进而出口外销。

在技术上，不间断电源随着电子技术和信息技术的发展也不断地提高，UPS从最初的后备式电源发展到在线式不间断电源，从最初的低频机发展到后来的高频机，从开始的单机运行，发展到第二代双机热备份。第三代的n+x并联冗余，到目前发展到无线并机技术的应用，以及利用网络实现远程的检测与操控。从功率大小来看，从最初的500 VA发展到1 100 kVA。目前模块化UPS也得到了广泛的应用，可实现在线维护，不断电进行UPS维护，确保在UPS发生故障的情况下用户的设备可以正常运行。UPS随着贴片技术和DSP技术的应用，在结构上不断地得到发展UPS从最初的分立元件，发展到后来的集成块，CPU的应用，从体积上不断减小，从重量上也不断地减轻，从而节省了生产成本、运输成本以及使用成本。从用户群体看，早期的用户主要是银行、邮电、证券税务等部门，后来发展到政府、企业、事业等单位，以及个人用户等等。

3.1 不间断电源的行业发展坏境分析

3.1.1 不间断电源行业政策发展分析

因为不间断电源的巨大发展潜力，国家为不间断电源的发展制定了许多相关的政策，制定了《电力需求管理办法》，主要是泛指通过价格、行政等手段，帮助电力用户提高电力资源利用效率，改进用电方式，实现科学用电、节约用电、有序用电所开展的相关活动。而《农村电网改造升级项目管理办法》明确对农村的电路改造升级提出了相关的政策，并且针对运行农网设施局部或整体就地或异地建设、增容、更换设备等做出了相关的规定。

国家发改委办公厅关于当前推进高技术服务发展有关工作作了工作重点指示，主要包括四个方面：

①信息服务，发展面向市场的高性能计算和云计算服务和下一代互联网应用服务、促进软件服务化发展和引导数字文化产业创新发展。

②生物技术服务。

③研发设计服务。

④技术创新服务。

后来又相继出台了一些规定，这些政策非常有利于行业的发展，也为行业的发展奠定了基础。从专利的申请人分布情况来看，艾默生、科华恒盛和易事特分别以17.6%，14.3%和12.0%位于前三位，APC以11.3%的份额位列第四。

3.1.2 不间断电源行业技术环境分析

我国的UPS专利申请状况从1994～2014年大致可以分为三个阶段：1994～1998年为缓慢发展阶段，1999～2006年较为快速的发展阶段，2006～2014年为爆发式增长阶段，2014年，我国UPS相关专利申请数量达到三百余项。专利申请的分布情况如图2所示。

从图2中可以看出，虽然我国的UPS技术发展空间还很大，但是因为行业政策的鼓励，我国本土的UPS技术实力越来越强，与世界500强公司的差距逐渐变小。从我国UPS相关专利申请人技术分布情况来看，H02J，I3-02是各家企业争夺的焦点，艾默生在H02J和I3-02两方面的专利均较多，科华恒盛的专利主要集中分布在I3-02方面。

3.2 不间断电源行业发展状况分析

2014年，我国UPS销售总额约为89亿元，同比增长3.1%，具体数据见表2，增速较上年进一步放缓，受大数据对ICT行业的影响，4G建设的需求以及宽带中国项目的刺激，我国信息设备用UPS电源的需求将快速增长，根据相关推算，2015年我国UPS市场规模有望突破100亿元。

4 UPS的最新发展动态

随着计算机网络的快速发展，对未来我国的UPS行业的发展指明了方向，这也是新形势下UPS行业发展的最大动力，其最新的动态有以下几点。

4.1 智能化和网络化

将RS232接口、RS485接口，SNMP卡和MODEM等应用于UPS，使得系统具有了非常优秀的性能。可以对一些相关的模拟量进行实时的监控，而且可以通过相关的数据库来进行自我诊断，自动判断UPS是否存在故障，如果存在故障则根据相关的需求进行自我保护。将UPS和计算机控制技术集成到一起，这样就实现了对于UPS的远程管理和控制，这也是未来无间断电源的发展方向。

4.2 数字化

以前的UPS的主要控制方式是模拟控制的方法，所以其局限性也非常明显，主要有：

①因为电路的结构比较复杂，所以元器件很多，其差异性造成了电源无法完全一致。

②如果想改变原来的控制方法，只能通过修改硬件控制板，这样不但周期长而且工作量很大。

③硬件电路的固化导致了更加先进的控制方法很难在这样的电路上实现。

但是要想发展高档的微处理器就必须使其实现先进算法和智能算法。正因为这些弊端的存在，也就为高速、更加廉价的数字化处理器的发展提出了要求。数字化的控制方式的优势在于能够避免模拟信号的畸变、失真等现象，也便于调试和自我诊断，正因为这些优势，在线UPS也是未来发展的重要趋势。

4.3 绿色化

传统的UPS电源存在一定的谐波干扰和污染，对于其稳定性和可靠性以及环境的伤害还是很大的。所以，绿色无污染的UPS是未来发展的方向，其提出可以加强抗电磁干扰能力，有助于降低辐射干扰，最重要的是可以大大提高对电能的利用率。

4.4 并联冗余技术

如何提高UPS电源的可靠性和稳定性一直是需要解决的难题，而传统的UPS只是依靠单台电源来实现相关的功能，这并不能达到很高的可靠性，而新型的解决方法就是冗余式并机方式，其优势性能在近年的应用当中逐渐凸显出来，主要表现在：

①可以根据需求调节电源的总体容量。

②这种系统本身具有相当高的稳定性。

③由于系统有多台电源构成，所以其维修和更换更加便捷。

4.5 高频化

传统的UPS电源存在动态响应能力差，变压器和电感的音频噪声高等缺点，这就催生了高频电源的发展，高频电源不仅可以使得笨重的隔离变压器变得不必要，减小了装置本身的体积和重量，而且可以减小甚至是消除电感的音频噪声。

5 结 语

计算机网络技术以及通信技术等相关技术的发展为UPS行业的发展提出了更高的要求，同时也为其提出了技术保障。UPS电源的发展也可以促进、推动其它产业的发展，因此，研究更高档的UPS电源在未来具有巨大的潜力。

参考文献：

[1] 陈文实，许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报，2002，（4）.

[2] 王清，雷升印.UPS技术现状及发展动态[J].山西电子技术，2007，（1）.

篇8

关键词：嵌入式计算机；嵌入式系统设计；性能评测；基准程序

Research of Embedded Computer Performance Evaluation echnology

ZANG aitao,GONG Longqing

(Xi'an Institute of Microelectronics echnology,Xi′an,71007,China)

Abstract：Closely related to its application and the market,the embedded system design is subjected to many factors,such as the cost,power dissipation,chip area,and the development cycleMeeting the given required performance of a embedded system design,there is no need to make a larger margin of the system performance designIn a product development cycle,the key point to make a project success is to design a performance satisfied system in a lower material cost and lower development costFor this reason,it is necessary to make an evaluation and analysis in the embedded micro-processor and entire embedded system for gist of the system performance designIn this paper,by introducing the principle and methods used in the embedded system performance evaluation,describing the several Benchmarking and their applicabilityAnd then,by analyzing the application case of those Benchmarking,with regard to the need of early performance evaluation in embedded system level design,introducing an E3 Benchmark and the system level performance evaluation methods,and giving a prospect of the embedded system design performance evaluation methods

Keywords：embedded computer;embedded system design;performance evaluation and estimation;benchmarkingオ

1 引 言

嵌入式计算机的设计不同于通用的计算机设计，它的设计过程较复杂。对于嵌入式计算机的设计，是针对具体的应用问题，通过对问题的描述、建模，分解嵌入式计算的任务需求后，在建立的计算模型上，进一步地向设计的领域转换，即：将需要完成的计算任务向可以有效地解决该问题的嵌入式计算机系统结构与组成映射。

嵌入式计算机的设计，涉及到软件和硬件的分别设计。硬件的设计，主要是需要考虑处理器的类型及数量，系统组成部件（包括处理器、存储器、专用部件及可编程部件、I/O部件等）之间的互联拓扑结构（即选择通信部件，以什么样的总线协议进行系统各组成部件的互联）。嵌入式计算机，由于其设计时间要求、应用环境的限制，对它的设计成本、设计性能都有特殊的要求。

嵌入式计算机的设计评价指标，可以是多种指标的综合，例如：处理速度（主要以任务的计算时间度量）、设计体积、设计成本、实时反应能力、系统的功耗、可靠性与可信度等。由于嵌入式计算机设计本身的复杂性及特殊性，不同的设计要求，评价的方式方法对不同的设计过程各不相同，同时，对这些评价指标的偏好程度及侧重点也不相同。有的环境要求很苛刻的实时性，有的应用场合要求很小的设计体积，有的要求在较小的设计成本下获得尽可能快的处理速度等。因此，嵌入式计算机的设计评价与测量是复杂的。

本文主要就嵌入式计算机的设计评价指标、评价方法，使用到的评测技术及用于设计过程中的评测基准方法进行分析，并对未来的嵌入式计算机设计中用到的评测基准技术进行探讨。

2 嵌入式计算机的设计性能测试指标

对于嵌入式计算机的设计性能进行评价，需要对构成嵌入式计算机系统的组成部件，如嵌入式微处理器、编译器、运行库等关键的系统构件的评价性能特征，定义一系列的性能指标。用于嵌入式计算机设计性能评测的常用指标有以下几种：

(1) 系统的执行时间(Execution ime)和加速比(peed Up)

嵌入式计算机设计对于运行的应用程序执行时间衡量，是嵌入式计算机系统设计性能测试中最重要的性能指标。用于评测的基准程序运行时间，即基准程序的运行速度，直接反映了嵌入式系统的性能。这一性能指标，主要由嵌入式微处理器、存储系统的层次结构和I/O系统的整体性能决定，同时，也与应用程序向嵌入式计算机目标处理器编译过程有关。编译器的优化能力、支持程序运行的运行库性能对应用程序的运行时间，有着密切的关系，同时，也受操作系统的开销和同时运行的其他用户任务的影响。这一性能指标，通常会选择系统对应用测试程序的最大峰值速度作为为度量的指标。

通过对比测试，可以评测2个嵌入式系统及构成系统的关键构件设计的改进加速比:

[JZ]peedUp=PerformanceNewestPerformanceOldest=ExecutionimeOldestExecutionimeNewest

(2) 代码尺寸(Code ize)

代码尺寸是指将应用程序的源程序，由编译器编译后生成的二进制代码大小。嵌入式系统是资源受限的系统，它的内存资源往往受应用需求与成本的限制，要求应用程序的目标代码在达到一定性能的条件下，尽可能降低代码尺寸，以减少对有限内存资源的占用量。通过编译后的基准测试程序代码尺寸，可以反映微处理器的代码压缩性能和用于这种微处理器上编译器的存储优化性能。

(3) 系统功耗(Energy Consumption)

目前的嵌入式系统，对于电源的要求也较为苛刻。由电池供电的嵌入式系统，一般都尽可能节省电源的要求。低功耗的嵌入式系统设计，不仅节省了系统的电源耗费成本，而且在很程度上可以有效地延长系统使用寿命。因此，对于系统的功耗评价，也是嵌入式系统的一项重要性能指标。嵌入式系统的能量消耗主要由各芯片的工艺属性和电路规模决定，受芯片电源管理控制。进一步的系统设计，进入片上系统（ystem-on-a-Chip，oC）的设计时代后，系统的功耗就将会有硬件本身维持运行所消耗的静态功耗及进行软件任务的计算所表现出的系统芯片逻辑门翻转而引起的动态功耗。在目前普通的嵌入式计算机中，硬件芯片的功耗管理，可以最终通过指令序列和软件编程控制，分别由编译器指令调度和操作系统功耗管理模块完成。嵌入式系统的功耗指标，表征着嵌入式系统硬件、操作系统和编译系统的省电属性。

(4) 执行的指令数(Instructions Executed)

执行的指令数是应用程序在一个时钟周期或者机器周期中，嵌入式处理器可以执行的指令个数。目前的嵌入式微处理器，可以使用基于RIC核的处理器，也可以是用于数字信号处理的DP处理器，也可能是多种异构处理器组成的处理单元（Process Element）。RIC结构的嵌入微处理器，大多数指令为单周期指令，在一个机器周期都可以处理完成。使用运行于嵌入式系统中的测试基准程序执行的指令数，可以表征嵌入式系统中编译器的速度优化能力及微处理器完成指令运算的运行性能。

这些指标，可以是每指令平均时钟周期CPI(Cycles Per Instruction)、每时钟执行的平均指令数IPC(Instructions Per Cycle)、每秒执行的百万指令数MIP(Millions of Instructions Per econd)等。这3个性能指标的定义分别如下:

[JZ(Z]CPI=CyclesInstructionsExecuted

IPC=InstructionsExecutedCycles

MIP=InstructionsExecutedExecutionime[JZ)]

其中，Cycles是执行应用程序经历的时钟节拍数。3种性能指标都可以用于描述应用程序的执行效率，反映编译器的速度优化性能及嵌入式计算机的处理器核心的指令处理能力。

() 高速缓存未命中率(Cache Miss Rate)

[JZ]CacheMissRate=CacheMissCacheAccess

其中Cache Miss为Cache未命中数，Cache Access为Cache总的访问次数。缓存未命中率（Cache Miss Rate）表示在应用程序执行过程中，访问存储器的性能，以及存储器对处理器所需要使用到的指令、数据的高速支持能力，可以用来表征表示编译器的数据分布、存储器系统的组织和访问优化能力。

在以上种性能指标中，前3种可用于描述整个嵌入式系统、微处理器、编译器、运行库的性能评测指标，后2种主要用于评测编译器的优化性能。除此以外，某些嵌入式应用还需要使用其他性能指标，如总线/网络带宽(MBps)和浮点运算速度(MFLOP)等。

3 嵌入式计算机设计中的常用测试方法

嵌入式计算机系统设计中常用到的测试方法，可以是基于静态分析的解析方法，也可以是进行模拟仿真的方法，也可以是直接运行应用程序进行测量的方法。

31 解析法

采用分析技术，假定计算机系统参数与性能指标参数之间存在某种关系，按工作负载的驱动条件列出方程，用数学方法求解直接得出系统的性能。解析法采用的公式还是很完善，需要假设系统处于一系列理想状态，一般用在系统的设计阶段，结论的正确性需要经过测量方法的验证。使用解析法，进行系统的性能评价，需要完备的性能评价模型。这方面，由于设计的层次（板级设计、芯片级设计、系统级oC设计等）不同，需要建立的评测模型也各不相同。往往会有面积的评测模型、功耗的评测模型等。

32 模拟法

按照被评价的系统的运行特性建立一个系统模型，按照系统可能有的工作负载特性，建立工作负载模型并编制出模拟程序，在被评价系统上运行模拟程序，并通过在其他的系统上运行这一模拟程序，通过程序在不同系统运行获得的性能参数对比，就可以得出设计的优劣。模拟法也用于系统的设计阶段。软件模拟的方法，往往会带来的误差，建立的工作负载模型不可能对结果具有相接的影响，使得这一方法得到的结果往往不能如实地反应系统设计的真实性能。

33 测量方法

测量技术是对投入运行的现有嵌入系统进行直接测量，因此它的结论是真实、精确和可信的。分析、模拟技术是基于对以前的测量结果积累归纳得来的，所以说测量是最基本的评价技术。测量方法需要相应的系统测试环境与工具，这样的测试组成，可能是专门的测试硬件设备、软件及相应的计算机检测系统。

测量方法要求得出精确的数值，就需要从概念上和具体的结构上对待测系统进行大量的分析，设计专门的测量工具，根据需要考虑的因素和环境，进行多次的反复测量并统计分析测量的结果，因此这一方法也是比较耗时的。

4 嵌入式计算机的性能测试原理及测试环境构成

41 性能测试原理

嵌入式系统由硬件子系统和软件子系统2部分组成。硬件子系统包括微处理器内核、高速缓存、存储器、外设接口等，这些逻辑功能部件通常集成在一个嵌入式处理器(Embedded Processor)中。软件子系统包括嵌入式操作系统(RO)、中间件(Middle Ware)、嵌入式编译器(Compiler)和运行库(Runtime Library)等。嵌入式应用程序的可执行代码通常包括3部分：编译应用程序生成的目标代码、链接程序从运行库中提取的库例程代码和操作系统功能调用。一个嵌入式应用程序(Application)的执行时间(Execution ime)受上述多种因素的影响，可用以下函数描述:Executionime(Application)=f(EProcessor,RO,MiddleWare,Compiler,Library)

上述函数的个参数中，改变其中1个参数，保持其余4个参数不变，进行性能测试，收集测试结果并进行对比分析，可实现整个嵌入式系统和关键构件的性能测试。主要测试项目的测试方法如下:

(1) 改变Embedded Processor，保持其他参数不变，并比较测试结果，可以评测不同嵌入式微处理器的性能差异;(2) 改变RO，保持Processor不变，以评测不同RO的性能差异;

(3) 改变Compiler，保持其他参数不变，可评测嵌入式编译系统编译优化能力;

(4) 改变Library，保持其他参数不变，可以评测不同运行库的性能;

() 比较两个个嵌入式平台的性能指标，可以评测二者的性能差异;

(6) 将执行测试基准程序获得的性能指标与嵌入式应用要求的性能指标进行比较，可以评测嵌入式系统性能是否满足应用需求。

42 性能评测环境

嵌入式系统性能评测环境，通常包括用于嵌入式系统评测的测试主机和将要被测评的嵌入式系统，基本结构如图1所示。

测试主机运行测试管理控制程序，控制性能测试过程的执行，编译、加载和启动性能测试基准程序，收集性能数据，分析测试结果，生成测试报告。被测评的嵌入式系统则运行下载的测试基准程序，测定和采集性能数据，并通过测试反馈给测试主机。两者之间通过某种连接(如串口、以太网等)方式，进行数据的通信与交互。

43 性能测试过程

建立好测试环境后，性能测试过程描述如下:

(1) 用户确定测试项目、选择性能测试基准和被测嵌入式平台，测试管理控制程序建立测试主机与被测嵌入式系统之间的通信连接、启动测试；

(2) 测试管理控制程序选择，设置编译优化选项，选择测试环境构件，调用嵌入式编译器编译基准测试程序；

(3) 通过测试，将测试基准程序下载到被测嵌入式系统，并控制完成基准测试程序的运行；

(4) 性能数据采集监视基准测试程序的执行，测试和采集与性能指标相关的性能数据；

() 测试将测试结果和性能数据发回测试主机；

(6) 测试管理控制程序调用性能分析程序，分析和处理测试结果和性能数据，生成测试报告。

性能基准程序测试方法

在计算机设计中用到的性能基准程序，是以单个某一领域典型的一个计算任务或者一组计算任务采用某种语言编写的程序的形式出现，它可以用来度量计算机系统或构件性能的在某一领域的典型计算性能。用来进行性能评测的基准程序，可以称为工作负载。在基准程序中，必须明确规定所选用的基准程序及其特性、运行方式，并规定评估指标体系。一般需要重复多次运行基准程序，对获取的性能指标进行统计分析后，才能获得有意义的评测结果。

性能基准程序评价法是采用软件的方法评测系统的性能，其较高的灵活性、较低成本加上易于在线实现的特性，使这一方法成为普遍流行的评测方法。但是通过软件得到的测量结果精度较低，并且执行基准程序会影响系统的性能，进而影响结果的可靠性。基于软件任务的软件方法，进行测试时，不可避免地占用到系统上的有限资源，所以干扰度大、精度低、分辨率低，但是同时，具有灵活性高、成本低、安装使用方便的特点。这一方法，不适用于测量精度要求很高的系统参数。在构建测量工具环境时，应发挥软件测量的优势，注重于功能的测试，考虑选用实际的应用程序或与它们功能相同的专用测试程序。这样，可以弥补硬件方法所不能解决的问题缺点。

性能基准程序测试系统性能的常见方法有：时钟频率、指令执行速度、等效指令速度方法、核心程序法、综合程序法、应用程序法等。时钟频率、指令执行速度、等效指令速度法属于计算机发展初期阶段常用的手段，随着计算机系统复杂性的提高，这几类方法不能反映系统的整体性能；核心程序法、综合程序法占用内存空间较小，在有Cache的系统中只能测量系统的CPU性能。

用于计算机性能评测的基准程序法可以分为两种：测量系统级参数(如响应时间、上下文切换时间等)的微观基准程序，以计算任务提供的工作负载、通过工作负载的运行得到待测系统宏观方面参数(如任务执行时间)的宏观基准程序。以被测试对象来对基准程序分类，经常把性能基准程序分为通用性能基准程序与实时性能基准程序，通用性基准程序针对一般的计算机系统，实时性能基准程序针对实时系统，测量系统的实时性能。

从系统角度看,一个嵌入式系统的主要构件是微处理机、操作系统和应用软件(包括开发工具) 。这样,嵌入式系统的性能基准程序可分为如下3 类：

(1)面向微处理机的基准程序,主要是为了帮助设计人员合理地选择嵌入式微控制器、通用微处理机或DP；

(2)面向操作系统的基准程序,帮助设计人员了解操作系统的量化性能指标；

(3)面向专门应用的基准程序,帮助设计人员确定最终目标系统的性能。在嵌入式系统中，由于面向微处理机的基准程序和面向操作系统的基准程序极大地依赖于应用领域，因此，面向专门应用的基准程序相对来讲用的就比较少。这一方面，在嵌入式系统的应用与设计越来越成熟的情况下，会在不久的将来有所改变。

1 通用性能基准程序

11 PEC

PEC (the tandard Performance Evaluation Corporation)是为了建立、维护并许可一组被标准化的相关的性能基准程序的非盈利性组织［3，4］，该组性能基准程序主要用于评测最新的高性能计算机，以对VAX11/780机的测试结果作为基数，其他计算机的测试结果以相对于这个基数的比率来表示。PEC性能基准程序分为CPU、高性能计算、图形应用、Java客户/服务器、邮件服务器、网络文件系统、网站服务器几大类。

CPU2000是PEC中测量CPU功能的最新版性能基准程序组，目的是为不同计算机系统计算密集型的工作负载提供性能评估的测量工具，PEC CPU 2000包含2组性能基准程序：CIN2000测量比较计算密集型定点运算，CFP2000测量比较计算密集型浮点运算。最新版本为CPU2000 V13。 CPU2000为被测系统提供性能参数，主要测量系统的处理器、内存以及编译器性能。

12 PC

PC (ransaction Processing Council)成立于1988年［］，已有40多个成员，PC系列基准是现在流行的商业基准组，主要服务器和数据库企业都派代表加入了这一组织，用于评测计算机的事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持等方面的性能。PC不给出基准程序的代码，而只给出基准程序的标准规范(tandard pecification)。任何厂家或其他测试者都可以根据规范，最优地构造出自己的系统(测试平台和测试程序)。1989年以来相继发表的PC基准测试程序包括PC-A,PC-B,PC-C,PC-D,PC-W,PC-R和PC-等。其中PC-A用于在线事务处理下更新密集的数据库环境下的性能测试，PC-B用于数据库系统及运行它的操作系统的核心性能测试，PC-C则用于在线事务处理测试。有2种评价指标:吞吐率(hroughput，tpmC)、性价比(Price/Performance，Price/tpmC)。tpmC定义:PC-C的吞吐量，按有效PC-C配置期间每分钟处理的平均交易次数测量，至少要运行12 min。PC-D用于决策支持系统测试，PC-是基于PC-D基础上决策支持基准测试，PC-W是用于电子商务应用软件测试。

13 Whetstone

它是用FORRAN语言编写的综合性测试程序，主要包括浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移、超越函数，测试结果用单位Kwips表示，1Kwips表示机器每秒钟能执行1 000条Whetstone指令。在实时性能基准程序artstone中被调用。

篇9

[关键词] 红外成像；电气设备；应用

中图分类号：U224.9文献标识码：A

红外成像技术是不接触电气设备，在不停电的情况下进行电气设备故障检测和诊断的现代化手段。本文主要介绍红外成像技术在电气设备监测和故障诊断中的应用。

1红外成像技术原理：

红外热像仪是一种新型的光电探测设备，此技术是利用物体辐射出不同波长的红外线原理，将被测目标表面的热信息瞬间可视化，确定故障部位，并且在专业的分析软件帮助下，进行分析完成安全检测和电气预防性维护工作，这就是电力设备红外监测和故障诊断的基本原理。

2红外成像技术特点：

红外成像仪能很清晰地显示设备的温度场，对设备的整体发热情况作很直观的观察，对同一设备的不同点温度的异常也能很快发现，它具有稳定、可靠、测温迅速、分辨率高、直观、不受电磁干扰以及信息采集、存储、处理和分析方便等优点。红外成像采用非接触性测量，测量时可距被测设备几米甚至几十米，因此对工作人员十分安全；不需设备停电，它可以在设备正常运行的情况下直接测量，特别是高电压设备，也易于进行计算机分析、实施状态性检修，还可以利用软件进行分析比较，做出可靠的判断。

3红外成像技术应用

发热常常是设备损坏或功能故障的早期征兆，近年来，利用红外成像技术进行监测和故障诊断，发现了大量的电气设备缺陷，如隔离开关发热，断路器内部故障发热，变压器和电抗器套管内故障发热，高压电缆接头发热、高压电机线棒故障、互感器缺油等。另外红外成像技术的应用，不仅替代了母线零值绝缘子串的带电检测，还可对避雷器进行在线检测。我们知道，电介质在高温状态下耐热性、稳定性劣化，如长期在高温状态下运行，会发生击穿现象，从而丧失它的电气绝缘性能。因此通过监视设备性能并在需要时安排维护、检修，可降低因设备故障而发生的非计划性停产的可能性，减少维护费用和设备维修的成本，延长设备资产的寿命，并最大限度地提高维护效果和生产能力。

1）检测要求及周期

被检测设备应为带电运行设备（设备通电时间不小于6h ，最好在24h 以上），应尽量避开视线中的封闭遮挡物，如门和盖板等。

环境温度一般不低于5℃，相对湿度一般不大于85%；天气为阴天、夜间或晴天日落2h 后，夜间图像质量为佳；不应在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行，检测时风速一般不大于5m/s。

户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头，在室内或晚上检测应避开灯光的直射，宜闭灯检测。

检测电流致热型设备，最好在高峰负荷下进行。否则，一般应在不低于30％的额定负荷下进行，同时应充分考虑小负荷电流对测试结果的影响。

正常运行变（配）电设备的检测应遵循检修和预试前普查、高温高负荷等情况下的特殊巡测相结合的原则。一般220kV及以上交（直）流变电站每年不少于两次，其中一次可在大负荷前，另一次可在停电检修及预试前，以便使查出的缺陷在检修中能够得到及时处理，避免重复停电。

110kV及以下重要变（配）电站每年检测一次。

对于运行环境差、陈旧或有缺陷的设备，需适当增加检测次数。

新建、改扩建或大修后的电气设备，应在投运带负荷后不超过l个月内（但至少在24h以后）进行一次精确检测，对原始数据及图像进行存档。

建议每年对330kV及以上（有条件的单位可开展220kV 及以下设备）变压器、套管、避雷器、电容式电压互感器、电流互感器、电缆头等电压致热型设备进行一次精确检测，做好记录，并将测试数据及图像存入红外数据库，进行动态管理。

输电线路的检测一般在大负荷前进行。对500kV 以上架空线路和重要的220 ( 330 ) kV架空线路接续金具，每年宜检测一次；110kV线路和其他的220 ( 330 ) kV线路，可每两年进行一次。新投产和做相关大修后的线路，应在投运带负荷后不超过1个月内（但至少24h 以后）进行一次检测。

对于线路上的瓷绝缘子及合成绝缘子，有条件和经验的也可进行检测。

对正常运行的电缆线路设备，主要是电缆终端，110kV 及以上电缆每年不少于两次；35kV及以下电缆每年至少一次。

对重负荷线路，运行环境差时应适当缩短检测周期。

旋转电机运行中的检测主要包括碳刷及出线母线的检测，可每年一次，或在机组检修前。

进行定子铁芯损耗试验时，应使用红外热像仪进行温度分布测量。

必要时可利用红外热像仪进行定子绕组接头的开焊、断股缺陷的查找，以及用于线棒通流试验的检查。

2）判断方法

判断方法有表面温度判断法、同类比较判断法、图像特征判断法、相对温差判断法等。通过这些方法诊断分析故障原因，采取适当的处理，消除设备隐患。

3）具体应用

（1） 电气设备运行状态检测与分析。

（2） 电气接头、线夹、引线氧化腐蚀、接触不良缺陷。

（3） 隔离刀闸刀口与触片以及转动帽与球头结合不良缺陷。

（4） 互感器绝缘不良缺陷、缺油以及内中心铁芯、线圈异常不良过热缺陷。

（5） 电容器过热、耦合电容器油绝缘不良和缺油（低油位）缺陷。

（6） 避雷器内中心受潮缺陷、内中心元件老化或非线性特性异变缺陷。

（7） 绝缘瓷瓶表面污秽缺陷，零值绝缘子检测，劣化瓷瓶检测。

（8） 发电机运行状态检测、电刷与集电环接触状态检测、内中心过热检测。

（9） 电力变压器箱体异常过热，涡流过热，高、低压套管上、下两端连接不良以及充油套管缺油（低油位）缺陷。

（10） 各类电动机轴瓦接触不良以及本体内、外中心异常过热。

（11） 高压开关触头接触不良缺陷。

（12） 大型电动机直阻超标故障的查找。

例如给水泵电机（2500kW6000V）直阻互差超标检查。高压电动机特点是接头数量繁多，另一个重要特点是外面包有很厚的绝缘层，很难查出过热故障点，如不查出局部过热会导致股线绝缘的胶和剂加速分解老化变脆，导致绝缘分层，形成气隙，严重时丧失线棒整体性，在电磁力的作用下引起振动，形成股线短路断股并磨损绝缘，最后导致绝缘击穿。我们运用红外成像技术在故障相施加160A电流持续20分钟，很快成功的查找到了过热点，拆开绕组绝缘发现此故障属于端部断股缺陷，通过焊接处理后，直阻合格，运行良好。

另外，还能在保温方面、阀门内漏方面、凝汽器管子找漏方面有良好应用。

4 结论

红外成像能够快速、准确的确定故障点的准确位置，并测出故障点的温度，为设备正常运行和检修提供保障和依据，我们要充分应用这一手段，不断摸索、积累经验，通过检测诊断、故障分析，使成像技术在设备管理中得到最大限度的发挥，为安全生产保驾护航。

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关键词：计算思维；实践案例；工程项目；多学科融合

1 背景

计算思维是一个抽象的理论概念。所谓思维是指人类大脑认识世界的活动，人们在学习、理解和掌握新鲜事物过程中，常常是通过搜集各种有用信息，然后对其进行分析、整理、加工和改造，从而形成自己特有的思维方法和理解手段，以认识事物的本质和规律。在思维过程中，数学即计算起着非常重要的作用，它是实现从理论思维到实验思维的重要方法。1975年图灵奖共同获得者Herbert Simon和Allen Newell提出思维就是计算认知，就是计算的思想。由此可见，计算和思维是密不可分的。理论思维、计算思维和实验思维统称为3大科学思维。

计算思维主要是由美国卡内基·梅隆大学的周以真教授提出的，她认为计算思维就是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动脚。计算思维的本质是抽象和自动化，计算思维中的抽象最终要求能够机械地一步步自动执行。那么，在整个计算思维活动中，谁负责抽象？谁又进行自动化呢？这就涉及计算思维的2个对象主体，即人和计算机。在解决实际问题时，计算思维对象主体之一的人对问题进行抽象和处理，将实际需求转化为问题空间的求解模型，再用编程语言加以实现，最后由计算机按照人的指令自动执行和求解程序。

通俗地讲，计算思维就是通过人的思维进行计算，即人通过特定的思维活动使用计算机解决实际问题。计算机在解题过程中充当媒介的作用，它是人和机器相结合的产物。当然，人也可以取代计算机实现计算，即计算思维是可以完全脱离机器的，但是在某些方面，计算机的性能要优于人，如机器执行指令的速度、精确度和可靠性等方面远远高于人类；而人的思维能力则是计算机无法模拟的。计算机赋予人强大的计算能力，而人给予计算机激情。因此，电子计算机的创造给计算思维带来深远的影响。计算机实现了人和机器、思维和计算的完美结合，同时也使得人们有勇气实现“只有想不到，没有做不到”的境界。

2 计算思维与计算机科学

计算思维与计算机科学有着密不可分的联系，计算思维促进计算机科学的发展和创新，计算机科学推动计算思维的研究和应用。

随着以计算机科学为基础的信息技术迅猛发展，计算思维对各个学科的影响尤其是对计算机学科的作用日益凸显。计算思维的本质是抽象和自动化，核心是基于计算模型和约束的问题求解；而计算机科学恰恰是利用抽象思维建立求解模型并将实际问题转化为符号语言，再利用计算机自动执行的。其中，抽象是计算机学科的最基本原理，而自动计算则是计算机学科的最显著特征。计算思维反映的是计算机学科最本质的特征和最核心的方法。计算思维虽不是计算机科学的特有产物，甚至它的出现要先于计算机科学，但是计算机的发明却给计算思维的研究和发展带来根本性变化。计算机在数学计算和信息处理中无可比拟的优势，使得原本只有在理论层面可以构造的事物变成了现实世界可以实现的实物，拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围，推进了计算思维在形式、内容和表述等方面的探索。

因此，计算机学科是最能反映计算思维能力的学科，将计算思维引入计算机学科教学也是十分有必要的。计算思维能力是计算机专业人才所应具备的最基本和最重要的能力之一。

3 计算机学科教学现状

目前，计算机学科教学面临一些问题，主要体现在以下几个方面。

1）课程设置无优势。很多工科院系都开设了与计算机相关的各门课程，制定的课程体系比计算机专业要求还高。在毫无课程优势的条件下，计算机专业学生又缺乏其他学科知识背景，解决特定领域问题时存在沟通和开发障碍。单就从利用计算机解决实际问题的层面看，计算机专业学生与非计算机专业学生相比无明显优势。

2）理论和实践衔接不紧密。计算机学科具有明显的理工科特征，是一门集科学、工程和应用于一体的学科。在计算机学科中，很多课程都设置有理论教学和配套实验2个环节，但实际教学中存在理论知识和实践内容衔接不紧密，实验案例更新较慢，实验内容的设计难易不均或偏离理论教学等问题，导致学生很难通过实践课程的学习深入理解、掌握和验证所学理论。

3）重教轻育。目前，很多教师非常重视课程内容的更新、教学方法的改革和授课技能的提高，却时常忽略学生思维和能力的培养。教师只关注如何将知识以成品形式灌输给学生和检验学生对知识“复制”程度等“教”的培养，而缺乏对学生主动获取知识、重新构建知识、再次利用知识等“育”的延伸。现有的教学过程是间断的，没有延续性。在授课学时和课程容量等客观因素限制下，教师传授给学生的是经过抽象、加工和简化后的现成模型和理想化系统，学生所学的学科知识和现实世界的实际应用基本上是脱节的。即便理论知识掌握的再高深和实践技能锻炼的再娴熟，学生依然是纸上谈兵，无法独立解决真实世界中的各种问题。

4 注重计算思维培养

从上述分析不难看出，教师在计算机学科中加强学生计算思维的培养是基本的，也是必须的要求。那么，如何将计算思维融入计算机学科中，实现思维与教学的无缝连接呢？我们主要从以下几个方面实现。

1）利用实践案例“教”计算思维。

有过计算机学科教学经历的教师都有这样的体会，教给学生一门知识或技能相对容易，但教会学生某种能力或思维却很难，原因在于计算机涉及的很多内容都具有非物理特征，如程序执行、系统调用和内存分配等活动都是透明的，无法被感知。学习者不能直接获取感性认识，更难建立起理性认识并指导实践活动。另外，抽象是使用计算机解决实际问题的第一步，但它也是无形之物，是人脑的思考过程。我们如何找到一个有效载体，将这些“只可意会”的模型和理论赋予其中，让学生更好且更容易地体会计算机系统及其工作原理呢？答案是寓抽象于实践。实践是将思维形象化和具体化的重要手段。在授课过程中，教师应注重理论知识和实践能力的结合，设计各种典型案例并着重讲解如何将实际问题转化成形式化描述的思考过程，加强学生抽象思维和逻辑思维的培养。这就是目前常用的案例化教学模式，而在融入计算思维的前提下，它又要满足更高要求。

①案例既要源于现实世界，又不能过于复杂和难以理解。教学案例可分为3个层次：底层为现实世界中的事物模型；中层为信息世界中的抽象模型；顶层为机器世界中的数据模型。以计算思维为特征的教学案例的3个层次如图1所示。

与现存的基于中层或顶层的案例设计不同，以计算思维为特征的案例教学要以现实世界中的具体事物为研究对象，旨在让学生能够身临其境地理解“计算机科学家”将事物模型一步步转化为计算机所能理解的符号模型的求解过程，从而减少学生只会解答理想模型而不能求解现实问题的现象。另外，案例设计要难易适中和繁简得当，要对实际问题进行裁剪和提炼。教师应结合相关理论内容，模拟“精化后”的、更理性、较直接的知识发现过程。学生则通过循序渐进的思维锻炼，逐步掌握高度的抽象思维和严密的逻辑思维，努力构建计算机模型的概念。

②案例既要体现人的思考过程，又要有计算机的行为。以计算思维为特征的案例教学要能体现人和计算机协同解决问题的全过程，即演示人如何从现实世界抽象模型转而到信息世界，再如何从信息世界描述数据转而到机器世界，计算机如何在机器世界执行程序并反馈结果的各个阶段。

教师要让学生理解人和计算机之间的辩证关系，即人指挥计算机工作，计算机约束人的操作；更要进一步让学生体会人和计算机在高效处理、性能优化和便捷使用等方面的互制作用，即人的思维越深入，模型构建越合理，计算机运行效率越高，系统可靠性越强，而计算机性能越高、运算速度越快，人需顾忌的因素越小，思维受限越低。学生在探究型教学模式的培养下，从实际案例中体会人和计算机在问题求解过程中的不同角色和任务分工，逐渐将计算思维的思想和方法融入一般事务的处理中，形成自己的经验和思路，构成以教促学的回路。计算思维模式下的教学如图2所示。

2）利用工程项目“学”计算思维。

教学的最终目的是学以致用。作为教育者，我们不希望培养出来的只是会解决书本问题的“读书机器”，而期盼能培养出像计算机科学家那样思考问题的优秀人才。对于产生的任何思想和建立的模型，我们最终都要将其运用到实际项目中加以验证和检验。因此，当学生具备一定的理论基础和对客观事物的抽象能力，学会如何对具体问题建模后，教师最好能以工程项目的实现为最终考核目标。

项目式培养模式的引入既能最大程度地发挥学生的知识和技能，又能极力缩短理论和现实之间的距离，是打通课堂教学和实际应用的最好手段。它实现了理论和实践、思维和能力的无缝连接。教师在将工程项目引入课程教学时，应注意以下几点。

①工程项目既要紧扣理论知识，又要高于书本中的知识内容。教师在以工程项目为主要教学手段的学生计算思维能力培养中，以工程项目的选取作为最关键的环节。工程项目的选取直接影响学生是否能成功迈出从现实世界进入信息世界的第一步。工程项目不同于普通案例，它源于现实世界的复杂系统并且具有实际意义，在难度、深度和广度上均高于普通案例。学生在学习过程中会遇到较大阻力。教师要在项目内容的选取、难易程度的设置、书本内容和课外知识的结合等各方面下工夫和花精力，可结合理论内容对所选项目进行适当删减和修改以适应教学实情，添加一定的注释和题解以帮助学生理解，最好还能根据学生的不同水平制订不同的实现目标。

②工程项目应尽量涵盖多个知识点。工程项目的实现是一个相对较长的过程，若教师为每个知识点都配置一个与之对应的工程项目，既不现实又无意义，但要想仅依赖一个实际项目讲解所有知识点更不可能。因此，教师需要根据课程大纲和学时要求采取分模块教学的方法，以模块形式组织知识点，以模块内容构建项目。每个项目应包含若干相关知识点且项目容量要适度，既不能大而全，又不要小而碎。

3）利用多学科融合“促”计算思维。

计算思维的培养不是计算机单一学科或信息技术某几个学科的要求，而是整个大学通识教育的重要组成部分。思维可以不受学科限制，不同专业背景的学生在思考问题的角度、解决问题的方法、处理问题的手段等方面具有共通性。计算机学科的普及和发展使得自身与各学科的联系越来越紧密，以计算机学科为中心的多学科交叉融合的网状研究形态正在逐渐形成。以计算机学科为中心的多学科交叉融合如图3所示。

为了让学生尤其是非计算机专业的学生更好地理解和掌握计算机的原理和本质，更好地应用计算机技术解决本学科实际问题，教师在计算机课程教学中应以计算机的核心概念、重要原理和先进技术为依托，以计算思维的解决思路为主线，以多学科融合的典型案例为延伸，打破各学科之间的壁垒，实现思维的迁移。