拓扑这个名词是从几何学中借用来的，网络拓扑是网络形状，或者是它在物理上的连通性。构成网络的拓扑结构有很多种，网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来，从而根据拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构等。
1.1总线的结构
总线结构主要是指连接端用户的物理媒体由所有设备共享，各工作站地位平等，无中央节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络，各个节点在接受信息的同时都需要进行地址的检查，看是否与自己的工作站地址相符合，只有相互符合的网络地址入网用户才能够连接到此网址信息。
1.2星型的网络拓扑结构
计算机网络中，网络拓扑的星型结构是一种相当于电话的结构性质，它是计算机网络拓扑结构中最传统最古老的连接方式。主要是通过一个计算机网络中以中央节点为中心与网络中其他节点的连接，这种杜老的连接方式又被称为集中式的网络连接方式。
1.3环形的网络拓扑结构
环形结构的网络连接方式在LAN中最常使用，这种连接方式在一定程度上大大减少了入网端用户在通信连接过程中对中心网络系统的依赖性作用。
1.4混合型的网络拓扑结构
此结构功能主要是通过两种或两种以上的网络拓扑结构相互连接混合的一种网络拓扑型结构。它主要运用于大型的局域性网络中，混合型网络拓扑结构同时具备了星型网络拓扑结构和总线型网络拓扑结构的两种优势。解决了很多局域网中的各种局限性问题。
2计算机网络应用中的安全、可靠性
在当下社会经济的快速发展进程中，科学信息技术的不断创新、提高，使得计算机互联网技术逐步嵌入在人类的日常生活中，小至个人的生活领域，大到一个国家的安全发展稳定性，都离不开计算机网络。由此可见提高、加强计算机网络的安全、可靠性是计算机相关研究技术人员为之研究、奋斗的必要性问题。
3详细分析如何优化计算机网络的安全、可靠性
3.1计算机入网用户对互联网网络的安全可靠性影响
计算机入网用户在使用计互联网运行过程中网络的安全可靠程度，要看使用者平时对计算机网络运行的频繁性维护以及对各种网址的慎重点击浏览，如果计算机入网用户终端的交互能力越高，那么计算机网络在运行过程中的可靠性也相应越高。
3.2传递交换设备功能对计算机网
络安全可靠性带来的影响在计算机网络的日常建设、运行过程中，通过计算机相关技术研究人员的多次试验研究表明，由网络布线导致的网络故障时极其复杂的计算机网络故障问题，对此消耗的经济投入也是最高的。正是这样我们采用了标准的通信线路和合理的布线系统，为了提高计算计算的网络可靠性和日后计算机的发展需求，就必须要有冗余以及容错的相应能力，从而计算机网络技术人员在对网络布线过程中多采用双向布线的布线方法，这样成双线布置法能够有效切换计算机网络在出现故障问题时的安全切换。
3.3计算机的网络维护管理对网络
安全可靠性造成的影响在通常情况下一个大型的计算机网络是由来自不同生产厂商的不同网络产品和设备所构成的,规模大且结构分布复杂，如果要保证信息传输完整性、降低故障发生率、降低信息丢失率、减少误码及差错,提高计算机网络可靠性,就应采用先进的网络管理技术,进行实时采集网络运行参数并统计网络信息,监视网络运行状态,及时查找故障和排除故障。
4结语
国库集中支付即国际上的国库单一账户制度，它是指将政府所有的财政性资金集中在国库或国库指定的银行开设的账户，进行归口管理，所有财政资金的收支都通过这一账户进行集中收缴、拨付和清算，收入直接缴入国库或财政专户，支出通过国库单一账户体系支付到商品和劳务供应者或用款单位的运行模式。国库集中支付制度是我国财政支出管理制度改革的核心内容，是一项全新的工作。建立国库集中支付制度是在社会主义市场经济条件下，构建公共财政基本框架的一项重要内容，也是财政支出管理方式的一场根本性变革，是整个预算执行机制和财政收支管理的制度性创新。但预算会计如何适应国库集中支付制度，才能促进财政国库制度改革，是一个需要探讨的课题。
预算会计与国库集中支付制度不协调的主要表现
(一)预算会计核算基础与国库集中支付制度不协调
预算会计制度规定：总预算会计、行政单位会计的会计核算和事业单位会计非经营性收支业务的核算实行收付实现制。财政国库集中支付制度“两个直达”的精神实质也是收付实现制。但是，为了解决年终结余的核算问题，财政部规定实行国库制度改革的地区财政总预算会计年终结余资金核算可以实行权责发生制；对于行政事业单位结余的用款额度，财政部规定年终要收回，同时要求单位记入“拨人经费”或“财政补助收入”。预算会计和国库集中支付制度会计核算基础不协调，预算会计核算收支结余的标准不统一，就难免出现人为操纵收支和结余数字的现象，从而导致会计信息失真。
(二)财政总预算会计支出列报口径和国库集中支付制度不协调
财政国库集中支付制度实施后，预算单位向财政部门提出用款申请，财政部门批复的是用款额度。财政部门根据国库支付执行机构的财政直接支付(财政授权支付)汇总清单列报支出，其实质是以实际支出数列报支出。而我国《财政总预算会计制度》规定，财政总预算会计以财政拨款数列支、列报。这样就造成实行国库集中支付的地区，预算支出进度相对比较缓慢。在实行收支统管，定额或定项补助、超支不补，结余留用的情况下，财政支出如按实支数列报，产生的财政结余就是虚假结余。
(三)预算会计和财政国库集中支付制度核算的范围不协调
财政国库支付执行机构上连财政总预算会计，下接行政事业单位会计，成立此机构的重要目的是为了对行政事业单位的财政性资金进行全面、全程监控。然而该机构却只核算当年的财政拨款支出，对于行政事业单位的其他收支业务、以前年度结余和暂存、暂付往来业务则不核算。可见，财政国库集中支付制度核算的范围明显小于预算会计核算的范围。
(四)预算会计和财政国库集中支付制度在会计信息的提供上不协调
目前，财政国库支付执行机构虽然执行《财政总预算会计制度》，但财政总预算会计报表中只反映预算收支，不显示预算单位的用款额度使用情况、国库存款中有多少是未支付预算单位的资金等内容。
协调预算会计和国库集中支付制度的对策
预算会计和国库支付制度的协调问题处理的好坏，直接关系到财政国库制度改革的成败。笔者认为可以采取如下对策。
(一)财政国库集中支付制度的程序基本保持不变，但相关内容调整。
1.对于财政机关下达各预算单位的财政直接支付、财政授权支付用款额度，财政国库支付执行机构要按照收付实现制进行会计核算；
2.财政国库支付执行机构停止使用“已结报支出”科目。办理财政直接支付(财政授权支付)手续，向财政国库机构结算资金时，不再作为一般预算支出、基金预算支出，而作为用款额度支出核算。
(二)财政总预算会计
1.财政总预算会计以批复的用款额度数列支，用款额度剩余退回时，作冲减支出处理。年终预算结余资金核算不实行权责发生制。
2.《财政总预算会计制度》负债类增设一个“待结算支付资金”科目，此科目用于核算与国库支付执行机构的往来待结算款项。财政机关下达用款额度时，借记“一般预算支出(基金预算支出)”科目或者“行政事业支出(专项支出、基本建设支出)”科目，贷记本科目；财政国库支付执行机构办理财政直接支付(财政授权支付)手续与财政国库机构结算资金时，借记本科目，贷记“国库存款”科目或者“财政专户存款”科目。本科目借方余额，反映财政国库机构超拨财政国库支付执行机构的现金数；本科目的贷方余额，反映财政国库机构欠拨财政国库支付执行机构的现金数。
(三)国库支付执行机构会计
作为财政机关资金调度中心的国库支付执行机构，目前主要承担两项任务：一是根据财政机关下达预算单位用款额度，办理财政直接支付、财政授权支付手续；二是负责监管预算单位的财政性资金。那么其会计核算的重点就应放在预算单位用款额度收支结余情况及单位其他收支结余情况上。据此，财政国库支付执行机构可以实行以下一套会计科目财政国库支付执行机构会计科目表。
除上述之外，行政、事业和建设单位会计仍按现行会计制度及相关的补充规定进行会计核算即可。
预算会计和国库集中支付制度协调对策的优越性
上述方案不仅能够解决预算会计和财政国库集中支付制度不协调的问题，而且具有如下优越之处：
(一)预算单位从单位零余额账户提取现金支出后，可能有少量的结余。
预算单位的财政性资金在没有支付给供应商或劳务提供者之前，都沉淀在财政国库账户上。
(二)财政总预算会计掌握和提供的会计信息更加全面，便于领导进行科学决策。
1.以“用款额度”列报支出，能够及时地核算预算支出和结余。
2.通过“待结算支付资金”科目可以清楚地了解国库单一账户和预算外资金专户存款余额中包括的未支付预算单位资金数额。“待结算支付资金”科目年终余额，实质上就是预算单位当年的经费结余数。
3.通过计算一般预算支出、基金预算支出和待结算支付资金的差额，可以随时掌握预算单位当年的实际支出数。计算公式为：
预算单位当年的实际支出数=(一般预算支出+基金预算支出)-待结算支付资金=(一般预算支出+基金预算支出)一预算单位经费结余数
4.可以计算广义预算结余数。通过上述改革，我们就可以很容易计算出包括预算单位经费结余数在内的广义预算结余数：
广义预算结余数=预算结余+预算单位经费结余数=预算结余+待结算支付资金
(三)扩大了国库集中支付制度的监管范围
1.可以及时掌握用款额度结余即预算单位国库集中支付年终预算结余资金情况，即：
用款额度结余=上年用款额度结余+拨人用款额度-用款额度支出
2.可以了解预算单位其他资金的收支结余情况，即：
关键词 高职学生 计算机自我效能 计算机焦虑
中图分类号：TP3-05 文献标识码：A
0引言
当今社会变革日新月异，各组织为提高战略竞争力，频繁地投资引进新信息科技，高职院校用于信息化的投资很大，但回报与期望却总有落差。如何帮助职院学生提升计算机相关技能和系统的使用，对于高职院校提高技术水平非常重要。实证研究表明，计算机自我效能（CSE）是预测个人对信息技术和使用态度的重要指标。计算机自我效能感（CSE）是个体对自己使用计算机能力的一种判断。计算机焦虑可能是影响计算机自我效能最主要原因之一。本研究是分析计算机自我效能感（CSE）与计算机焦虑在高职学生计算机使用过程中的影响。了解目前我国大学生的计算机自我效能感和计算机焦虑关系研究，对开展计算机教育有积极的作用和意义。
1研究方法
1.1被试
根据方便取样的原则，在河南某高职学校发放问卷800份，回收有效问卷700份。
1.2研究工具
（1）采用的Marakas、 Johnson and Clay （2007）《计算机自我效能问卷》。
（2）采用Rose and Weil编制的《计算机焦虑问卷》。
1.3 施测程序
以班级为集体施测，由本人亲自施测，宣读指导语，时间大约为15分钟，当场统一收回问卷。
1.4数据统计工具
本研究采用SPSS16.0进行数据录入与统计分析。
2.结果分析
2.1高职学生计算机自我效能的总体状况
为了了解高职生计算机自我效能的总体状况，运用描述性统计，对CSE六个维度进行总体情况分析（见表1）。
从表中可以看得出，计算机自我效能的六个维度中，WindowsCSE最强，就是说高职学生在操作Windows桌面时，CSE自我效能感较强，第二是数据库CSE，第三是基础操作CSE，第四是网络CSE，第五是文字处理CSE，最后是表格的CSE，由此可以看出，高职院校学生在表格、文字处理两方面的CSE自我效能较弱。
2.2 高职学生计算机自我效能在性别上的差异
本研究运用了独立样本T检验，比较了不同性别高职学生计算机自我效能的差异。在一般操作CSE、数据库CSE、windowsCSE、网络CSE、表格CSE、文字处理CSE六个维度中均不显著。
2.3高职学生计算机自我效能在年级上的差异
本研究采用了单因素方差分析，比较不同年级间的计算机自我效能差异。由于大三数据较少，故由大二合并，分析结果，不同年级的计算机自我效能差异显著。
在一般操作CSE维度中，大一（M=21.5522，SD=5.91917），大二（M=23.2625，SD=5.81636），不同年级的计算机自我效能在一般操作CSE上差异显著（F=5.647，P=0.004），大二显著高于大一。在WindowsCSE维度，大一（M=27.9739，SD=6.49624），大二（M=30.000，SD=6.37672），不同年级的计算机自我效能在WindowsCSE上差异显著（F=6.152，P=0.002），大二显著高于大一。在文字处理CSE维度中，大一（M=14.2444，SD=5.02126），大二，（M=16.2236，SD=4.58391），不同年级的计算机自我效能在文字处理CSE上差异显著（F=10.071，P=0.000），大二显著高于大一。
多重比较发现，在一般操作CSE、WindowsCSE、文字处理CSE三个维度上，不同年级差异显著。在数据库CSE、网络CSE、表格CSE维度上差异并不显著。
2.4高职学生计算机自我效能在专业上的差异
本研究运用了独立样本T检验，比较不同专业的计算机自我效能差异。由于大三数据较少，故与大二合并，分析结果，不同专业的计算机自我效能部分差异显著。
在一般操作CSE维度中，文史（M=21.2269，SD=6.24064），理工（M=22.6667，SD=5.51032），不同专业的计算机自我效能在一般操作CSE上存在显著差异（T=-3.237，P=0.001）。在WindowsCSE维度上，文史（M=27.2073，SD=6.62449），理工（M=29.7143，SD=6.15064），不同专业的计算机自我效能在WindowsCSE上差异显著（T=-5.184，P=0.000），理工显著高于文史。在文字处理CSE维度中，文史（M=13.8796，SD=4.65851），理工（M=15.5481，SD=5.17782），不同年级的计算机自我效能在文字处理CSE上差异显著（T=-4.486，P=0.000），理工显著高于文史。多重比较发现，在一般操作CSE、WindowsCSE、文字处理CSE三个维度上，文理科差异显著。在数据库CSE、网络CSE、表格CSE维度上差异并不显著。
2.5高职学生计算机自我效能在居住地上的差异
本研究运用了单因素方差分析，比较不同专业的计算机自我效能差异。分析结果，居住地的计算机自我效能差异显著。
在数据库CSE维度中，城市（M=24.9692，SD=5.28115），县镇（M=24.0068，SD=6.23191），农村（M=21.6778，SD=5.53058），居住地不同的计算机自我效能在数据库CSE上存在显著差异（F=11.289，P=0.000），城市显著高于农村，县镇显著高于农村。在网络CSE维度上，城市（M=18.7863，SD=3.38778）县镇（M=18.3020，SD=4.07813），农村（M=17.1459，SD=3.88383），居住地不同的计算机自我效能在网络CSE上差异显著（F=11.429，P=0.000），城市显著高于农村、县镇显著高于农村。在表格CSE维度上，城市（M=14.7405，SD=3.14664），县镇（M=13.9329，SD=3.72295），农村（M=13.3690，SD=3.11888），居住地不同的计算机自我效能在网络CSE上差异显著（F=9.139，P=0.000），城市显著高于农村，县镇显著高于农村。多重比较发现，在数据库CSE、网络CSE、表格CSE三个维度上，居住地差异显著。在一般操作CSE、WindowsCSE、文字处理CSE维度上差异并不显著。
3高职学生计算机焦虑研究
3.1高职学生计算机焦虑现状、总体情况
从表中可以看出，高职学生在计算机焦虑各维度上平均分值都较高水平，即是大部分高职学生都能体验到不同程度的计算机焦虑。
3.2 高职学生计算机焦虑的性别差异
本研究采用了独立的样本T检验，比较性别对计算机焦虑的差异。结果表明，计算机焦虑总分及高度焦虑和低度焦虑两个维度上，均未达到统计学上的显著水平。
3.3 高职学生计算机焦虑的年级差异
本研究采用了独立的样本T检验，比较不同年级对计算机焦虑的差异。结果表明，计算机焦虑总分及高度焦虑和低度焦虑两个维度上，高度焦虑无显著，低度焦虑显著，大一学生高于大二学生。
3.4 高职学生计算机焦虑在文理科差异
本研究采用了独立的样本T检验，比较文理科对计算机焦虑的差异。结果表明，计算机焦虑总分及高度焦虑和低度焦虑两个维度上，均无达到统计学上的显著水平。
3.5高职学生计算机焦虑在居住地上的差异
为比较居住地上的计算机焦虑差异，本研究采用了单因素方差分析，通过分析表明，计算机焦虑总分及高度焦虑和低度焦虑两个维度上，均无达到统计学上的显著水平。
4高职学生计算机自我效能与计算机焦虑的关系
4.1计算机自我效能与计算机焦虑的相关分析
采用Pearson积差相关分析的统计方法将被试在计算机自我效能问卷的得分与在计算机焦虑问卷上的得分及其高级焦虑、低级焦虑两个维度上的得分做了相关分析，结果呈现如表3。
表中列出了高职学生计算机自我效能与计算机焦虑的Pearson相关系数，计算机自我效能问卷得分与在计算机焦虑问卷的高度焦虑、低度焦虑两个维度呈负相关。
4.2计算机自我效能与计算机焦虑回归分析
为了解高职学生计算机自我效能对计算机焦虑的预测作用，本研究在相关分析基础上做了计算机自我效能对计算机焦虑的回归分析，采用逐步回归的方法，首先将各人口学变量转化成虚拟变量，然后与计算机自我效能一起放入回归方程。从下表可以看出，只有计算机自我效能进入了回归方程，计算机自我效能能负向预测计算机焦虑状况。
5结论
通过上述统计分析，可以发现，高职学生计算机焦虑在人口学统计变量，性别方面不存在显著差异，年级方面高度焦虑无显著，低度焦虑大一学生显著大于大二学生，文理科方面差异不存在显著差异、居住地方面不存在显著差异。因此，计算机焦虑在人口学统计变量中，部分假设成立。
通过相关分析和回归分析发现，高职学生计算机自我效能与计算机焦虑及其高度焦虑和低度焦虑两个维度之间存在显著负相关，计算机自我效能能负向预测计算机焦虑状况，符合假设。
参考文献
[1] 吴明隆.SPSS统计应用务实―问卷分析与应用统计[M].科学出版社，2003.
[2] 曾晓雯.组织中的计算机自我效能感、任务技术匹配对个体工作结果的影响[D].浙江大学，2006.
关键词：计算机组成与体系结构；核心课程建设；教学创新
依据上海理工大学实施教育部“卓越工程师教育培养计划”的要求，上海理工大学计算机科学与工程系确立了计算机科学与技术、计算机工程两个本科专业定位为培养计算机工程领域需求的工程性人才。在参考ACM/IEEE-CS CC2005[1]对计算机工程(CE)学科课程体系设置的基础上，我们将计算机组成原理和计算机体系结构的知识组织为一门统一的计算机组成与体系结构课程，并采用白中英教授主编的《计算机组织与体系结构》作为理论教学教材[2]。
计算机组成与体系结构课程涵盖两个方面：计算机组成的基本原理和计算机体系结构量化设计的基本方法。计算机组成原理是通用计算机系统结构的一般性逻辑实现方法；计算机体系结构揭示计算机系统的属性，包括概念性结构和功能特性，确定计算机系统软硬件的界面。二者既有区别，又有内在联系，因此，适合于整合为一门综合性专业基础课程。但是，由于计算机组成原理是计算机相关专业全国研究生统一入学考试的专业基础课，因此，我们确定本课程的教学内容侧重于计算机组成原理的教学。
根据教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会制定的《高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案》中关于计算机组成原理课程的实施方案[3]，我们确立了计算机组成与体系结构的教学目标是围绕单CPU计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统讲述计算机硬件系统及功能部件的内部结构、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法，使学生理解计算机硬件系统的组织结构与工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为计算机工程领域培养具有硬件设计和实施能力的工程性人才；主要教学任务是培养学生对计算机硬件结构的分析、应用、设计和开发能力，系统地理解计算机系统各部件的工作原理和运行机制。
1 教学现状和存在的问题
多年来，计算机组成原理被认为是一门既难教又难学的课程。而计算机组成与体系结构则包括计算机组成和计算机体系结构，这使得教学内容更多、学习难度更大。因此，很多同行一直在通过各种方式提高这门课程的教学质量[4-7]。结合我校计算机相关专业的具体情况，我们分析发现造成这一问题的因素有三个。
第一，本课程需要有数字电路、数字逻辑知识为基础。但是，由于大一大二两学年我院采用工科通识教育的缺陷，使得计算机和网络工程两个专业的本科生在学习本课程前没有学习过数字电路和模拟电路，也不了解数字逻辑设计的方法。因此，学生基础差，难以跟上教学进度。
第二，本课程涉及的知识面广、概念多，而且计算机内部芯片高度集成化，学生缺乏对计算机各部件的感性认识。因此，理解其物理结构和工作原理比较抽象，学生难以理解。而且，由于该课程讲授的计算机最基本的原理和方法，课程教学内容的直接应用目标也不可能很明确，学生难以理解该课程的直接应用价值，对该课程的重视度不够。
第三，在计算机软件的学习过程中，学生通过编程技术可以获得可见的结果。而对比计算机硬件课程的学习，学生难以把学到的硬件知识马上应用起来，不容易获得类似软件编程的直观感受，学生普遍的认识有偏差。这导致学生误认为本课程学习内容的实用性不强或者误认为软硬件之间的联系不大，以后自己只从事软件编程工作，不需要掌握计算机硬件设计方面的知识。
基于以上对计算机组成与体系结构课程的定位，结合我校人才培养目标和教学现状，下面，我们将从教学内容设置、理论教学方法、实践教学规划、课程考核制度、师资队伍建设和综合教学平台建设六个方面具体提出本课程的建设方案。
2 核心课程创新建设的综合方案
2.1 教学内容设置
教学内容设置方面的建设主要集中在三个方面：第一是补充本课程的基础知识，包括数字电路中的TTL门、MOS管技术等和数字逻辑课程中的逻辑代数基础及组合电路逻辑设计方法；第二是补充《计算机组织与体系结构》教材中缺失的内容，比如增加计算机体系结构中关于指令级并行软硬件设计方法、Cache失效性分析、多处理机同步与通信机制等。在计算机组成原理的教学内容上，尽量补充计算机体系结构量化分析的方法和设计原理；第三是补充多核处理器技术的最新设计方法和工作机制，这部分内容主要提供给对计算机体系结构感兴趣的、学有余力的学生自学之用。
为保证理论教学和实验教学时间的充裕性，我们将理论教学和实验教学单独开课，实验课的进度和理论课的进度相匹配，其中理论教学安排64学时，实验教学16学时，使得理论教学和实验教学的学时比为4:1。此外，对学有余力和参加竞赛的同学另行再组织和指导创新实验，使得理论教学和实验教学环环相扣，逐步深化，并使得培养的学生具有一定的创新设计和实践能力。理论教学计划如表1所示。
这种教学计划使得计算机组成与体系结构课程的教学内容更加丰富，既避免了本课程只讲授计算机组成原理或者只讲授计算机体系结构知识的弊端，又能保证学生将来参加研究生入学考试时对计算机组成原理知识的全面掌握。
2.2 理论教学方法
在讲授基本原理的过程中，我们注意融入计算机硬件技术发展的新技术并作为学生课后自学的内容，注重基础理论与最新技术的融合。由于计算机组成与体系结构知识比较抽象，理论学习比较枯燥，因此教学过程中我们要与学生交流互动，向学生提出启发式和开放式的问题，引导学生深入思考。讲课中注意触类旁通，采用举例、类比的方法，将深奥、难以理解的问题用学生最容易接受的方式和语言表达。理论课程全部采用课堂教学方式，以多媒体课件为主，适当使用一些板书。充分发挥多媒体教学采用动画技术或Flash技术，充分展现基础性方法和原理的动态执行过程。比如：SRAM读写周期的过程、Cache的访问和替换策略、指令流水线的过程等。
然而，多媒体教学方法对运算方法和运算过程的教学效果却不尽人意。经分析，我们发现问题主要是定点数、浮点数进行加减、乘除的计算过程没有采用传统板书教学并按步骤书写，而是采用多媒体教学且放映速度较快，学生来不及仔细体会其中的设计技巧和验证计算结果。
因此，后期涉及到计算相关的教学，我们都尽量采用传统的板书教学方法；而对于简单的控制流程、运行机制、状态更新等内容主要采用多媒体教学方法，这既发挥了多媒体教学生动、信息量大的特点，又体现了传统板书教学的细致和严谨。
此外，理论教学过程中建议采用引导式教学方法，而不能采用填鸭式灌输教学。讲授第二章运算方法和运算器前，先要介绍计算的基本功能就是进行算术逻辑运算，既然是算术逻辑运算，那就有二进制数参与运算，那么就会介绍各种数的机器表示形式；然后介绍数值数据的加减法和乘除法，包括原码、补码和移码的计算，然后介绍计算过程的硬件逻辑实现过程；最后介绍浮点数的加减乘除运算过程和硬件设计框图。
2.3 实践教学规划
在实践教学方面，我们从实验内容和实验方式开展教学革新。在实验内容上，分别针对基础性原理、综合性知识和创新实验有针对性的开展实践教学。针对基础性原理设计了验证性实验，比如采用多功能运算部件74LS181设计16位运算器的实验电路，验证运算器的功能等；对于综合知识，我们组织设计性实验，比如给每组学生分配一张指令表，指令表中包含十余条不同的机器指令(主要包括设计HALT, MOV, ADD, SUB, MUL, DIV, LOAD, STORE, JUMP)，要求学生根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程，设计微操作控制信号和微指令格式，确定初始微地址和后继微地址的形成，然后根据指令流程和微指令格式编写出每条机器指令所对应的微程序，同时还要针对每条机器指令编写相应的测试程序，以测试微程序的正确性。最终，我们要求学生设计出一个支持简单指令级的16位计算机系统；鼓励和挖掘有潜力的学生组织开展创新型实验，以组织兴趣小组或竞赛小组的形式，开展实际的工程应用开发或创新型实验的设计工作，比如通过EDA软件设计计算机系统的存储部件、控制逻辑电路等，通过软件仿真测试并烧录到FPGA器件上，检验实验的正确性；或者采用单片机、ARM处理器或RISC处理器设计一个嵌入式实验系统。由于课程教学和实验教学学时有限，创新型实验主要安排在学期末最后一个月的短学期内实施。
对于实验方式，我们的教改措施主要有：1)要求理论教学的老师亲自带教实验课程，避免理论教学和实验教学老师分开、责任不明确，导致实验课马虎过关的现象；2)具体实验前，由老师讲解实验步骤和注意事项。授权学生将实验设备或器材带回宿舍进行充分的设计和实验，与此同时他们还可以通过实验老师的即时通讯工具或教学平台提供的学生论坛相互交流实验经验和提出问题；3)实验的教学检查采用分组答辩的形式，由学生团队自由组织并分工，撰写实验报告、答辩PPT及回答答辩提问。
2.4 课程考核制度
理论教学和实验教学单独考核并采用量化考核措施。对于理论教学环节主要考核学生的出勤率(10%)、作业完成情况(20%)、期末考试成绩(70%)。
1) 出勤率：按出勤次数计算，每次出勤计2分，总分10分。
2) 作业完成情况：每学期安排5次作业，每次总分计4分。按作业缴纳次数和作业评价结果记分， ，每次缴纳作业 =1，没有缴纳 =0； 表示每次作业的成绩，如表2所示。
3) 期末考试：成绩占理论课程学成绩的70%。
实验教学环节安排5次实验，主要考核学生的出勤率(10%)、组织与团队协作能力(10%)、实验完成情况(30%)、实验报告(25%)和答辩情况(25%)。
1) 出勤率：按出勤次数计算，每次出勤计2分，总分10分。
2) 组织与团队协作能力：根据团队成员分工情况和安排的组织讨论情况记分，每次计2分，总分10分。
3) 实验完成情况：考核每个学生是否按规定完成制定的实验任务，每次实验总分计6分，分四个等级。按规定独立完成实验任务的记6分，在同学帮助下完成任务的记4分，在指导老师帮助下完成任务的记2分，缺席实验的记0分。如表3所示。
4) 实验报告：考核学生总结、归纳实验任务的能力，是否按规定填写和总结实验任务，是否具有详细的实验分工、实验任务、实验步骤、实验结果、实验分析五大要素。每个要素1分，每次实验总分记5分。
5) 答辩情况：每次实验配以答辩环节，每次答辩总分5分，共计25分。能正确回答答辩中提出的问题的记5分，与同学协商后正确回答问题的记3分，其他记2分。
2.5 师资队伍建设
按照建设一流教师队伍的要求，结合学院师资队伍建设，我们增强本课程讲授的师资力量，引进具有国外留学经历的青年教师，建立完善的教师梯队，同时，加强对青年教师的培养，提高教师教学、科研水平，鼓励青年教师参加国内外访问学者计划或者计算机组成原理和体系结构的理论教学或实验教学培训计划。积极参加计算机学会体系结构委员会和计算机教育委员会组织的活动。
2.6 综合教学平台
建设本课程的教学网站，将每一节课讲授内容的电子课件向学生开放，便于学生课后复习和巩固所学知识。同时，进一步完善本课程网站资源，开辟专门的教学论坛、教学QQ和群组供学生讨论问题。
聘请研究生担任助教，负责与实验课的老师一起完成实验项目、回答学生问题、批改习题作业。保证学生能够随时通过电子邮件和即时通讯工具联系到这些助教，在课程学习过程中遇到困难和问题时就能够及时地得到辅导和帮助。助教将收集到的反馈信息汇总，主讲教师根据这些信息及时调整教学方式和教学内容，满足学生求知的欲望和需求。
综合教学平台的总体功能包括介绍教学内容、师资队伍、教学计划、教学进度、课件资源、在线答疑、论坛讨论、习题库、友情链接等，由专人负责管理和更新，真正实现教学平台作为教师与学生沟通的桥梁作用。
3 结语
通过以上措施，我们获得了较为明显的教学效果，实验教学的质量也得到大幅度的提高。学生由以前害怕、拒绝学习计算机组成与体系结构课程转变为对计算机组成和体系结构设计的热爱，并获得了更多直观的体会，进一步正确理解了计算机组成和计算机体系结构的作用和意义，达到了我们建设核心课程的初期目标。
通过前期的规划和初步实践，我们计划将在以下三个方面进一步推进本课程的建设。
第一，进一步了解学生的学习基础和学习兴趣，根据因材施教的思想，把实验内容分成不同的层次，面向不同的对象。保证必做实验的水平和质量，提高选做实验的数量和种类，满足多方面学生的需求。
第二，进一步与硬件设计、生产企业合作，组织学生参加全国性的设计大赛。既让学生接触、应用到最新技术的芯片或者设备，又能提高本校在企业界和教育界的知名度。
第三，根据本校学生的学习基础、课程教学计划，编制一套更适合本校实际情况的、符合计算机组成和体系结构两个方面知识的理论教材和实验手册。
参考文献：
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Educational Innovations of Computer Organization and Architecture
PEI Songwen, WU Chunxue
(Department of Computer Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
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总线测试还广泛用于飞机测试、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，其重视程度显著提高。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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【关键词】二乘二取二 同步进行 数据交叉连接
1 二乘二取二安全计算机的总体结构组成
（1）二乘二取二安全计算机的主要功能是由两个功能完全相同的子系统组成。两个子系统构成相互补充的体系。每个系统都有独立的计算机信号输入运算，通过两个子系统运算结果进行比较可以得出一些技术上的情况是否发生变化，如果两个子系统的运算结果一致则说明没有故障发生，如果两个子系统的运算结果不同说明这项技术在某个方面需要给改进，这时我们就应该对这项技术进行仔细的检查，找出发生故障的原因，并及时解决。
（2）在二乘二取二安全计算机中子系统1的计算机是独立进行工作的，为了能让两个子系统同时进行数据的采集输入和数据交换，我们可以让两个子系统同步进行数据的采集。当前双系统的同步实行工作的方式有命令同步和任务同步两种。命令同步指的是使用两个系统完全相同的CPU，这主要是为了能进行一致性的对比。在应用计算机技术时系统的连接口和与安全相关的零件使用不同的双种代码，这样可以避免因为使用同一个代码而发生故障。但是命令没有使双码同时运行的功能，所以无法使用这种命令同步方式，所以我们要采用任务同步方式，任务同步方式指的是在系统程序运行的管理下，结合外部零件的指示作用，进行传输，根据指示对两个子系统的运算结果进行分析比较，最后得到程序的成果。
2 二乘二取二的算法设计
假设二乘二取二安全计算机只有一个子系统可以输出，在对系统进行全面检查之后，系统要进行主次方式的选择，具体分为以下几种状态。
（1）两个运算系统检查情况均正常，主系统可以随机进行选择，如果选择子系统1为主要运算程序则子系统2就是备用运算程序。
（2）两个运算系统检查情况均正常，但主系统无法运用，则随机选择一个子系统，然后删除另一个子系统，这样就可以保证运算程序的正常运行。
（3）如果两个子系统在检查的过程中发现有一个系统不符合检查标准，则检查正常的子系统为主要运算程序而那个检查异常的子系统就被安全删除。
（4）当两个子系统均自检失败，则两个系统都安全删除，由主系统进行程序运算。
系统内的同步包括两种形式：最初同步和周期同步。最初同步程序的任务不是需要马上执行的任务，在主系统开始执行的时候，主系统中的子系统2要完成初始准备工作，因此在主系统进入运行状态之前，管理安全进行的计算机就开始令两个子系统进行同步，若是同步失败，就要进行最初故障的处理，若是同步成功就可以进行实时任务的执行。周期同步可以确保两个子系统同时工作。比如在2000次的周期任务中，要进行两次周期的程序操作，第一次是在主系统中程序发生变化的时候，两个子系统都各自进入各自的同步程序，且当两个子系统的得到指示器的指示时，进行同步第二中操作过程。当同步之后再进行其他操作。第二次的同步过程是在输出数据之前，要先进行两个系统的同步，然后再进行数据的输出。所以，当采用两种任务同步时结合硬件同步进行任务的执行。
3 二乘二取二安全计算机交叉模块的设计
3.1 交叉模块的设计
双路计算机的相互通信采取的方式是数据交叉连接，它可以分为串连和并连两种通信方式。数据交叉连接是通过运用共同的储存器来实现运输的。这种方式适用于双机之间运输大量信息的情况。但它与串连的设计相比，它的设计较为复杂，且抗干扰能力比较弱，这种交叉模式的优点不是很明显。但是在通过对对交叉串连口进行数据交换，就能够提高抗干扰能力。
3.2 数据采集模块设计
数据采集模块的作用是为另一个数据采集模块（在下面我们称之为I/O模块）之间的一个衔接作用，最终目的是为了实现I/O模块与总系统的通信，并且还要将I/O模块中的所有数据通过设置在外部的传感器储存到共享储存器上。数据模块通过总系统获得的数据进行表决，表决的结果可以断定这个程序是否能执行下去，如果表决通体则可以进行通讯，数据采集模块的最终作用就通过这种方式表现出来的。
3.3 同步表决模块的设计
在每一个总系统的二乘二取二子系统中，两个子系统的表决设计模块之间的连接都是通过网站以数据的条换为条件实现的。同步表决模块包含两个核心处理器，核心理器1的主要作用是运行任务软件，完成想要执行的命令。核心处理器2的主要作用是运行平台软件，以此来实现表决功能。这两个核心处理器共同作用，是同步表决顺利进行不可缺少的两部分。在总系统的每个运行流程图上，核心处理器2从数据采集模块上得到数据，然后将得到的数据进行分析，得到表决结果，再讲表决结果通过双口计算机交给核心处理器1进行合理运算。运算出来的结果再由核心处理器1传输给I/O模I/O模块块就会通过计算机的处理得出表决情况。在应用计算机技术时系统的连接口和与安全相关的零件使用不同的核心处理器，这样可以避免因为使用同一个核心处理器而发生特殊情况。若是命令没有使核心处理器同时运行的功能，所以无法使用这种命令同步方式，所以我们要采用任务同步方式，任务同步方式指的是在系统程序运行的管理下，结合外部零件的指示作用，进行传输，根据指示对核心处理器的运算结果进行分析比较，最后得到程序的成果。
3.4 通信模块的设计
每一个二乘二取二安全计算机系统都含有通信模块这一部分。通信模块是由两块通信模板构成。通信模板的主要作用是对外提供连网接口。通信模板的主要任务就是负责二乘二取二安全计算机系统内与外的联系功能，它主要是通过连网的方式给主机发送所要执行的命令，是得出最终结果的计算机部分。这一部分的构建对于整个计算机的使用来说具有决定性的作用。通信模块的组成模式是它与数据采集模块相连接，然后一起通过背板与网络连接，以此来实现信息的传递。
3.5 转换模块的设计
在二乘二取二安全计算机的过程中，两个系统之间是通过感应的方式构成二乘二取二的结构。总系统的主用方法和备用方法是根据系统的检查结果进行自动转换的。具体步骤我们已经在前半部分的二乘二取二的算法设计讲过，这次我们又提出一种新的转换方案。我们可以通过输出回路的方法来实现主备方案的转换。我仍以子系统1和子系统2来表示。当总系统正常运行时，子系统1的输出路线是运行状态，这说明子系统1是主用方案，子系统2的输出路线处于关闭状态，表明子系统2是备用方案。当子系统1的核心处理器检查出故障时，要将与总系统的转换模块通过网络总线进行通信，这时转换模块会立即打断总系统的输出路线，且与子系统2的转换模板进行通信，这样可以使总系统打开子系统2的输出路线，以此达到主备方案灵活切换的目的。
4 总述
这篇文章主要写的是二乘二取二安全计算机解决方案的设计。在本文我们重点对二乘二取二安全计算机交叉模块的设计进行了论述。二乘二取二安全计算机技术是一种具有安全性、便捷性、可靠性的网络技术。从这篇文章中我们得到一下结论：
二乘二取二安全计算机安全技术是通过动态电路来进行I/O模块的数据输入和输出的，以此来确保I/O模块电路出现问题时会自动安全断开连接，这样可以避免错误程序的产生。与此同时核心处理器部分的软件会用二乘二取二的计算方法进行表决，当子系统1的核心处理器检查出问题时，要将与总系统的转换模块通过网络总线进行通信联系，这时转换模块会马上打断总系统的输出路线，并且与子系统2的转换模板进行通信，这样可以使总系统打开子系统2的输出路线，这样就可以实现主备方案的灵活切换。
这种新型的二乘二取二安全计算机安全技术，主要是通过连网的方式来实现表决功能的。二乘二取二安全计算机安全技术可以将同步表决功能与计算功能支配到不同的核心处理器上进行快速准确的计算。二乘二取二安全计算机安全技术的转换模块运用的是输出输入回路限制的方法，从外部条件上实现了模块与模块之间的灵活切换。二乘二取二安全计算机安全技术可以有效的检测出计算机系统是否稳定可靠，，同时他也是提高计算机系统稳定性的主要途径之一。二乘二取二安全计算机安全技术具有很高的可行性，它可以节省成本，节省时间，具有广阔的使用空间，可以高效的运用于网络集成技术领域。它的运用将会给我们公司技术的发展带来巨大的效益。
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作者简介
张天莹（1976-） 男。大学本科毕业。现供职于北京通建泰利特智能系统工程技术有限公司（高级职称）。研究方向为大智能系统开发。
关键词：客机；总体设计；客机族；优化设计；通用性
中图分类号：V221
文献标识码：A
文章编号：1005-2615（2012）05-0718-07
商用飞机制造商为了占领更多的市场份额，在开发飞机产品时往往采用飞机族（或称飞机系列）策略。飞机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。由机族中许多部件或子系统具有通用性，可以缩短设计周期，降低生产成本，同时也使得飞机的使用和维护的费用大大降低。因此，飞机族的理念已成为飞机工业界研发飞机产品的重要策略，也是民机取得商业上成功的重要策略之一。
飞机族策略分为“事后”和“事前”系列化两种方式。所谓“事后”系列化，是指首先设计一种基本型，然后根据不同市场需求，通过对基本型的改型来发展成系列型号；而“事前”系列化，是在飞机研发初期，就开始主动地考虑未来市场的不同需求，同时对飞机族中各型号的方案进行设计。“事前”系列化是从更高的系统层次（整个飞机系列）来考虑飞机设计问题，属于一种更先进的飞机设计理念。近期研制的客机往往采用“事前”系列化策略。例如，波音公司在开发B787客机时，就同时设计了基本型（B787-8）、高密短程型（B787-3）、加长型（B787-9）等几种型号；空客公司在研制A350时，也同时考虑了基本型（A350-900）、缩短型（A350-800）、加长型（A350-1000）3种型号；中国商飞在C919总体设计阶段就对C919的基本型、缩短型和加长型3种型号同时进行了方案论证。
由机族的设计要同时考虑多个机型的设计要求与目标，与之相应的设计方法有别于传统的单机型的设计方法。在总体设计阶段的一个重要问题就是飞机族总体参数优化。传统的飞机总体参数优化方法已不能直接应用机族总体参数优化问题，必须研究新的方法。
虽然飞机族策略已被飞机工业界广泛采用，但从公开发表的文献来看，关机族总体参数优化的方法研究并不多。在有限的可查阅到的国外文献中，Simpson等应用多目标遗传算法对2座、4座和6座的通用飞机族的总体参数设计进行了初步研究；Pate等研究了模块化无人机族的优化方法；Willcox等对翼身融合布局客机族的总体设计中有关问题进行了初步研究；Allison等应用基于分解的方法来确定飞机族的总体参数。近几年国内学术界也开始重视这方面的研究，雍明培等对飞机族总体设计中的有关问题进行了一些探索，蒙文巩针对民机应用多学科优化方法初步研究了总体参数优化问题。但这些方法还不够成熟，离工业界的实际应用还有一定的距离。
本文以开发中短程客机为背景，研究客机族初步方案设计阶段中总体参数设计优化问题，试图从客机族总体布局、综合分析模型、总体参数优化模型和优化方法几个方面，探索一种有效的客机族总体参数优化方法。
1 客机族总体布局形式
以开发一种中短程客机族为研究背景，在总体初步设计中要求同时考虑3种型号，即基本型、增程型和加长型。3种型号的座级和航程见表1。这3种机型的起飞和着陆性能的设计要求明显高于同类飞机，3种机型的起飞和着陆性能的具体要求见第3节中的设计约束。
中短程客机族将配装2台先进的高涵道比涡扇发动机，其基本型总体布局形式如图1所示。总体布局特点：（1）采用尾吊二台发动机布局，目的是为以后配装新型发动机（开式转子发动机）预留了安装空间；（2）采用大展弦比的下单翼，同时为满足较苛刻的起飞和着陆性能要求，增升装置采用了前缘缝翼和双缝后退襟翼；（3）尾翼布局采用T形尾翼。
增程型外形与基本型一致，但在机翼里需要储放更多的燃油，因此最大起飞质量较基本型更大。考虑到增程型的起飞质量较大，可配装最大起飞推力更大的发动机。
加长型的机身是在基本型机身基础上增加3.25m，如图2所示。由于加长型的商载大于基本型的商载，最大起飞质量较基本型更大，可选用最大起飞推力更大的发动机。
上述客机族总体布局形式中，3种机型的机翼、尾翼、起落架等部件完全一样，基本型的机身和增程型的机身完全一样，加长型的机身是通过加长基本型机身而获得。在该客机族中，不同的商载和航程要求，只需配装不同的发动机和加长机身来实现。这充分体现了客机族中部件共享的原则，既降低了设计、制造和使用成本，又能满足航空公司对不同座级和航程的需求。
为了满足3种机型的设计要求，同时又能兼顾3种机型的经济性，需要确定出合理的客机族总体参数。面向客机族的总体参数优化方法，为确定出合理的总体参数提供了一种有效的方法。
2 客机总体设计综合分析模型
客机总体设计综合分析程序是总体参数优化的基础，其主要功能是对总体设计方案的气动、质量、性能和经济性等特性进行综合评估。
在总体初步设计阶段，各学科分析模型主要采用工程算法。在本文研究中，应用了南京航空航天大学和中国商飞上海飞机设计研究院合作开发的面向客机总体初步设计的计算工具（客机总体设计综合分析程序）。该程序主要包括几何、动力、气动、质量、性能、操稳、直接运营成本（Direct operation costs，DOC）等几个学科的分析模型。几何分析模型描述飞机各主要部件的外形，包括机翼、机身、尾翼、鼓包、发动机短舱以及翼梢小翼的外形尺寸及位置参数。这些参数确定后就可以绘制出三面图，计算出飞机的平均气动弦长、外露面积，客舱容积和油箱容积。动力分析模型根据发动机的主要设计参数（海平面最大静推力、涵道比、比推力及总压比等），估算出发动机的推力和油耗特性、特征尺寸和质量。质量分析模型的功能是计算各部件结构质量、基本空重、使用空重、零燃油质量、最大起飞质量以及飞机在使用时的重心变化范围。气动分析模型用于计算飞机高、低速构形的升力特性、阻力特性、力矩特性、气动导数和操纵导数。性能分析模型主要用于起飞性能、着陆性能、航线性能和商载航程的分析。操稳分析模型主要用于对飞机的平衡特性、稳定性和操纵性进行校核。DOC模型用于估算轮挡成本和座公里成本。
上述各分析模块均采用MATLAB语言编写。气动导数计算则是通过动态链接库的方式在MATLAB环境下直接调用DATCOM程序。各模块计算精度已经过初步测试，满足总体初步设计阶段的精度要求。通过一个统一的数据文件来存储和传递各类数据，将各专业的分析模块集成在一起，形成喷气客机总体综合分析模型，如图3所示。
在应用该程序时，只需输入客机的主要几何数据、发动机主要参数、巡航速度和高度、运营环境参数，通过计算（1min以内），便可输出该方案的几何、发动机的推力和油耗、质量、气动、性能和操稳特性以及直接运营成本。在客机总体参数优化计算过程中，这些输出数据中部分数据将用于设计约束和设计目标的评估。
上述综合分析模型是针对单个型号设计开发的，在将其应用于客机族总体参数优化时，还需对质量分析模型进行适当修改。这是因为在质量分析模型中，机翼和起落架的质量与最大起飞质量有关，而实际上各机型的最大起飞质量并不一样，这样会导致各机型的机翼和起落架的质量不一样，不符合客机族中机翼和起落架共享的原则。因此，在客机族总体参数优化计算时，机翼、起落架的质量应该按客机族中最大起飞质量的状态进行估算。在优化计算结果出来之前，尚不能确定在客机族中具有最大起飞质量的机型是加长型还是增程型，因此首先需要对加长型和增程型的质量分别进行单独计算，以确定哪个机型的起飞质量更大。在此基础上，选取最大质量机型对应的机翼与起落架质量，对另外2个机型中的相应部件质量数据进行替换，并重新进行全机质量计算。这样得到的各机型具有统一的机翼和起落架质量。客机族质量计算分析流程如图4所示。
3 总体参数优化问题及求解方法
由于客机族总体参数优化要兼顾3种型号，其优化模型的表述与单个机型的优化模型明显不同。本节首先定义客机族总体参数优化问题，然后阐述该问题的求解方法。
3.1总体参数优化问题
定义工程设计优化问题的三要素是设计目标、设计变量、设计约束。对于客机总体参数优化问题，一般用直接运营成本作为设计目标；机翼外形参数、发动机的海平面最大起飞推力和燃油质量作为设计变量；设计要求中提出的性能指标构成设计约束。
与传统的单一机型总体参数优化相比，面向飞机族的总体参数优化的特点：（1）要同时考虑多个机型的设计要求（约束条件）；（2）设计变量划分为两类，一类为通用设计变量，它表示飞机族内通用部件的变量；另一类为专用设计变量，用来表示飞机族中各型号总体参数差异；（3）目标函数应反映整个飞机族的直接运营成本，而不仅仅是单个飞机型号的直接运营成本。
中短程客机族总体参数优化问题中的目标函数、设计变量和设计约束定义如下：
（1）目标函数
设计目标是使DOC1、DOC2、DOC3尽量小。其中，DOC1、DOC2、DOC3分别为基本型、增程型、加长型的轮挡直接运营成本，其值的大小主要与飞机的质量特性（最大起飞质量、使用空重和基本空重）、发动机特性（起飞最大推力、质量、压气机轴数、涵道比、总增压比等）、商载、航段距离、轮挡油耗、燃油价格以及运营环境和经济环境有关，它能较全面地反映出客机的经济性。
（2）设计变量
应选取对设计目标和设计约束有重要影响的参数作为设计变量。客机族设计变量包括通用设计变量和专用设计变量。通用设计变量包括机翼参考面积、展弦比、1/4弦处后掠角，其取值范围见表2。专用设计变量包括3种型号起飞时襟翼偏度、发动机海平面静推力和燃油质量，其取值范围见表3。
（3）设计约束
设计约束包括设计要求规定的性能指标要求，包括航程、起飞和着陆、爬升、初始巡航高度、抖振升力系数余量、油箱容积等，其中增程型和加长型起飞和着陆性能稍低于基本型（表4）。为减少优化计算量，操稳要求未直接作为优化计算过程中设计约束，而是在优化计算后，用客机总体设计综合分析程序评估操稳特性，若操稳特性不满足要求，可适当调整尾翼参数，直至满足操稳特性要求。各机型设计约束的取值范围见表4。
上述设计约束中，有3个设计变量（燃油质量、发动机推力、机翼面积）对设计约束的值有重要影响，其中燃油质量对设计航程有重要影响；发动机推力对起飞场长、第二阶段爬升梯度、初始巡航高度的最大爬升率有决定性的影响；机翼面积对着陆场长、进场速度、油箱容积、抖振升力系数有决定性影响。
3.2优化问题的求解
应用工程优化软件（OPTIMUS）求解上述客机族总体参数优化问题。该优化问题的求解过程为：首先在优化软件中集成客机总体设计综合分析程序，建立客机族总体参数优化计算环境，如图5所示。然后按照上述客机族总体参数优化问题，定义设计变量、设计目标和约束。最后选定合适的优化算法，进行优化计算，获得优化结果。
3.1节中客机族总体参数优化问题是一个多目标优化问题，而且设计变量中既有连续变量（机翼面积、展弦比等），又有离散变量（襟翼偏角），同时考虑到客机总体设计综合分析程序运行一次的时间不长，因此优化算法选用OPTIMUS软件中提供的一种自适应进化算法。进化算法是一种高效并行随机搜索算法，它通过交叉和变异算子，使得高适应度的个体有更高的概率被选中，从而加快算法的收敛速度。自适应进化算法中的交叉概率和变异概率可以随个体适应度的变化而变化，提高了进化算法的性能，更加适合于设计变量多、可行域分散的复杂优化问题寻优，提高全局最优解搜索的能力。
4 优化结果及分析
首先用传统的优化方法（每个机型优化时不考虑部件的通用性）分别对每个机型总体参数进行优化计算，然后用面向飞机族的总体参数优化方法（考虑部件的通用性）同时对3个机型进行优化计算，目的是对比两种优化结果之间的区别。
4.13个机型单独优化结果
针对3种不同机型，选取其轮挡DOC为优化目标，分别进行优化计算，结果如表5所示。优化结果中可以看出，增程型的展弦比和后掠角稍大，这与其航程长、燃油量大的特点相对应。同时，由于增程型的航程增加了1/3，其轮挡DOC变大。加长型具有最大的起飞质量，因此相应的机翼面积最大。
4.2客机族优化方法的结果
应用面向客机族的总体参数优化方法时，选取适当的权重系数，通过对3个机型的DOC加权求和，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。考虑到基本型是该机型设计的主要机型，而增程型与加长型均为需要兼顾考虑的机型。因而选取基本型、增程型和加长型的DOC目标权重分别为0.5，0.25和0.25。
表6～8中给出了客机族优化的结果，其中表8中的Mf为设计燃油质量，Mto为最大起飞质量，Rdes为设计航程。
4.3对比分析
对比表5和8中的数据可以看出，若单独从某一个机型的角度来看，面向客机族所得到的优化方案（考虑通用性）的经济性不如单个机型优化方案（不考虑通用性）的经济性。在考虑通用性的情况下，基本型、增程型和加长型的最大起飞质量分别增加2.23%，1.32%和0.34%，DOC分别增加0.76%，0.69%和0.22%。由于单独机型优化时没有考虑机翼参数的通用性要求，导致优化计算出的机翼外形尺寸各不同，3个机型需要分别设计和制造3个机翼，因而会增加设计制造的周期和费用。而考虑了机翼通用性的总体设计方案，能大大降低整个飞机族的设计制造的周期和成本，所付出的代价只是每种型号的经济性有少量的损失。
对比表5和6，面向客机族优化得到的机翼面积介于基本型单独优化的机翼面积和加长型单独优化的机翼面积之间。该机翼面积能满足3种机型的设计要求，且综合权衡了3种机型的设计目标（直接运营成本）。
从表7可看出，加长型对发动机推力的需求最大，但3种机型的发动机推力需求相差并不大。因此从提高客机族中部件通用性的角度出发，基本型和增程型的发动机可选用与加长型一样的发动机型号。进一步的计算结果表明，若基本型和增程型采用与加长型一样的发动机（即推力为87kN），它们的DOC将分别增加0.069%和0.067%，对经济性的影响微乎其微。
5 结论
基于“事前”系列化飞机设计理念，本文研究了一种面向客机族的总体参数优化方法。以中短程客机族（基本型、增程型和加长型）总体参数设计为例子，进行了优化计算。计算结果表明：
（1）在考虑通用性的条件下，优化获得的机翼参数既能满足3种机型的设计要求，又能权衡3种机型的设计目标（直接运营成本）。虽然每种型号的经济性有少量的损失，但能大大降低整个飞机族的设计制造的周期和成本。
关键词：超级计算；CAE集成平台；架构设计；第1个原型
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A
Architectural Design of CAE Integration
Platform Based on Super Computation
DENG Ziyun1，2 ， ZHANG Jing1，BAI Shuren2，LIU Zhaohua2，CHEN Lei2，ZHANG Wei2
（1.College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China；
2.National Supercomputing Center in Changsha， Changsha， Hunan 410082， China）
Abstract：CAE Integration Platform based on Super Computation can solve some problems in industrial products design， such as CAE software integration， calculation speed and parallel computer using. This paper proposed the overall structure and the overall architecture of the platform for development. The platform consists of 5 layers and 7 subsystems. The front end system adopts SSH architecture， ESB bus and middleware uses Spring， Hibernate and Tuscany combination. Cluster system is mainly on the “Tianhe No.1” super computer scheduling system improvements. According to the overall architecture design， the prototype platform was developed.
Key words： super computation； CAE integration platform； architectural design； first prototype
1 问题提出
企业在应用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）软件进行工业领域产品设计的过程中普遍发现存在以下问题：
1）CAE软件集成问题
CAE软件的品种有许多种，如CATIA，ABAQUS，ANSYS，LSDYNA，Fluent，SINOVATION等，行业应用、软件功能各有侧重，相互孤立，需要将这些软件通过接口统一集成起来，从而可以共同工作[1-2]，如能以云计算形式供企业共享使用则更为节约资源和成本.
2）计算速度问题
一个模型从初始建模、计算到优化处理，最终成型，要进行各种环境条件、材质、载荷下的仿真与计算，往往需要反复调整参数、计算、评估许多次，而CAE仿真需要进行大量的计算，现有计算机单机性能仍然存在瓶颈[3]，需要使用超级计算机来支持大规模的并行计算来缩短工业设计仿真的计算时间.
3）并行计算机使用问题
使用超级计算机的技术门槛较高，需要操作人员掌握的专业技术知识较多，比如Unix或Linux操作系统、应用行业专业知识、并行计算，甚至系统分析设计及程序开发[3].超级计算机的计算资源如能以Web的方式提供给公众用户使用则更为便利.
解决这些问题的根本办法就是研发出一个“基于超级计算的CAE集成平台”（以下简称“超算CAE平台”）.要研发出“超算CAE平台”首先要考虑的问题就是根据业务需求来理清平台的构成，搭建起先进而又稳定的平台总体架构，再进行下一步的设计和编码.
2 研究现状与趋势
“超算CAE平台”是工业设计领域的新兴发展趋势，国内国际的研究水平差距较小，但我国在超级计算机系统和CAE软件的无缝集成技术方面，尚缺乏研究基础和工程应用经验[4-5].
大型工程和复杂产品，例如盾构机、火星着陆器、飞机、轮船等，结构及其仿真都很复杂，依靠PC机、普通工作站无法完成其结构、功能与可靠性一体化的优化设计，这就必须依靠超级计算机技术来解决问题[6-8].
以第三方软件为平台集成CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）/CAE软件是构建集成设计系统平台的一种趋势.适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术，多种专业领域的CAE计算分析软件的集成化及其联合仿真，建立多物理场、多场耦合、不确定性的大型工程和复杂产品的计算模型，实现对大型工程和复杂产品的全面仿真分析和优化设计，是解决其多目标优化设计问题的必然途径[4-5].
3 主要业务过程描述
“超算CAE平台”的主要用户是工业设计中的设计人员，其目的是利用该平台实现工业设计中各类产品的设计、分析、计算、仿真和试验，并且让用户可以通过互联网环境使用该平台.“超算CAE平台”中的主要业务流程有三种：
1）针对各种CAE商业软件的求解器应用.
这种应用的主要过程要经历用户作业生成、作业提交、作业监控、结果运用4个阶段[9].
2）针对各种CAE商业软件的前后处理的应用.
该流程有前处理和后处理.前处理流程包括CAD模型的导入、相关参数的设置、前处理结果的导出、网格的划分、载荷的施加等.在拥有超级计算机的情形下，可将网格划分较细以得到更加优质和精确的计算结果[10].后处理流程包括计算结果的导入和计算结果的展示，即将求解的结果导入到CAE软件中，查看并进一步分析计算结果，计算结果可以图形化的方式来展现.
3）多种CAE软件的综合应用.
这种应用主要是复杂业务流程的组合，例如机电液一体化联合仿真、流固耦合、CAE参数的迭代优化等复杂过程.
4 平台总体构成
“超算CAE平台”由5层7个子系统构成，如图1所示.
表现层为“超算CAE平台”门户网站；应用层为作业提交与监控系统、计算资源管控系统；表现层和应用层合为平台的前端系统部分.
ESB（Enterprise Service Bus，企业服务总线）层为服务构件装配与复杂业务流程组合系统；中间件层为“超算CAE平台”中间件系统；ESB层和中间件层合为平台的ESB总线与中间件系统部分.
HPC（Hign Performance Computing，高性能计算）层则分别在Linux集群（“天河1号”超级计算机）和Windows集群中驻留研发的软件，比如完成作业调度的功能、资源监控的功能，以供中间件层进一步整合资源，形成共同和相对独立且机制灵活的任务调度；HPC的两个集群驻留软件系统合为平台的集群端系统部分.
安全管控系统贯穿于其它系统之中，但各个系统中有关安全的部分又能组合形成一个综合的解决方案.
5 平台总体架构设计
5.1 平台总体架构
“超算CAE平台”的总体架构设计如图2所示.下面针对该平台的总体架构各层分别描述如下.
1）门户层
可针对不同的用户类型和用户对界面进行个性化配置；可对集成的应用系统，包括作业提交与监控系统、计算资源管控系统进行界面集成、信息集成，形成统一的Portalets；可对不同的用户类型做出不同的权限配置；子系统集成可实现单点登录，用户登录时应当使用USB Key进行身份认证.
2）应用层
应用层的系统主要包括作业提交与监控系统和计算资源管控系统.用户在使用作业提交与监控系统时可生成作业、提交作业、监控作业、监控作业的执行过程、获取作业结果、进行作业的前处理和后处理，展现计算结果和查看作业的计费情况；计算资源管控系统可查看执行的作业的情况，进行能耗管理，生成资源热图和资源统计报表，进行必要的账务处理，如针对不同的用户设置账户预留资金、对账户进行充值等，可查看平台生成的各种日志，可查看Linux集群（“天河1号”超级计算机）和Windows集群的网络状况，可对用户的作业进行必要的干预，可对用户的类型、信息、账户数据进行适当的审批和调整.
3）ESB总线
ESB总线即服务构件装配与复杂业务流程处理系统，利用开源的Tuscany SOA（ServiceOriented Architecture，面向服务的架构）软件对各种服务构件在协议解藕的基础上进行统一的封装，形成与其它系统集成与通信的接口[11-12]；在通信上统一采用XML（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）报文，支持使用XML Schema进行数据校验；可将XML报文利用路由配置接收来自其它系统的报文，再根据报文处理的需求和情况发送到目标系统；采用Spring开源软件对各种构件使用AOP（AspectOriented Programming，面向切面的
程序设计）编程技术进行前置、后置等增强处理，形成不同业务的处理流程，支持复杂业务流程的处理.
4）中间件
中间件主要功能是屏蔽Windows集群和Linux集群（“天河1号”超级计算机）之间的差异，根据目标集群来生成不同的指令或脚本，提交目标集群执行，并获取到中间结果和最终结果；可获取集群的结点状态，CPU/GPU、License等资源的分配情况和使用情况；作业执行的情况，以及对作业可进行干预；支持在一个作业中执行多个任务或作业步，从而可在一个作业中进行协同作业.
5）HPC层
在Windows集群和Linux集群（“天河1号”超级计算机）中会装有各种CAE大型商业行业应用软件，可执行结构力学、流体力学、电磁学等学科的有限元分析与计算，通过集群内的调度软件来进行大规模分布式计算作业；改进集群端的调度软件，以支持优先级调度、CAE行业应用软件License管理等功能.
5.2 前端系统架构
前端系统主要包括门户、作业提交与监控系统、计算资源管控系统，各层次划分及功能描述如图3所示.
1）展示层
展示层负责处理与操作者的交互，收集操作数据提供给应用服务者，并根据应用服务者的反馈将返回的数据通过一定的形式在界面上展示.展示层包括客户端界面逻辑和应用服务端数据表示逻辑.
2）业务层
业务接口层对上层传递来的数据进行解析并分别送入不同的逻辑处理，向用户返回底层逻辑处理结果.
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