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計算機研究領域內已經有愈來愈多的人提出了自己關于解決計算機模擬軟件技術的觀點和看法。

一、計算機軟件的發展現狀

計算機體系結構模擬技術軟件誕生于20世紀80年代。而且,早期的計算機處理設計結構當中主要采用的是數據驅動,就是對計算機的性能進行整體的分析。主要步驟:1.收集數據、2.執行指令、3.分析性能和計算機結構特征、4.統計數據、5.解釋程序。需要說明的是,數據驅動是一種軟件開發之后的數據分析,對計算機體系結構軟件的開發能夠提供的幫助很少,這也是為什么數據驅動逐漸被社會淘汰的緣故。

本著提高計算機體系結構的目的,相關研究人員在數據驅動的基礎上又提出了性能分析這一概念。性能分析關鍵是建立數據之間的資源模型。因為模型的直觀性能,研究人員可以更好的檢測計算機的資源開發與利用情況。減少研究的時間和經費使用。宏觀的來講,計算機體系結構主要包含硬件與軟件兩部分。微觀的來講,計算機體系結構是指將一系列系統元素恰當地組織在一起,系統元素之間互相配合、協作,通過對信息進行及時的處理而完成設定的目標。這些系統元素有:計算機體系硬件、人員配備、程序。其中,程序和相關數據的整合,用于實現所需要的邏輯方法和控制過程。具有計算能力的電子設施和提供外部功能的電子設施是軟件運行的必要裝置;人員是硬件和軟件的實際操作者,可以實現對軟件的訪問,而且具有規模性和組織性兩大特征;文檔是詳細闡述系統使用方法的手冊。而計算機體系結構模擬軟件主要包含數據、模型、指令、程序等一些子概念。數學建模工具包括:計算機系統統計法、馬爾可夫建模等等。數學建模對研究人員的數學理解能力提出了很高的要求。但不能否定的是,這種方法確實能起到很大的作用。研究人員對模型進行了簡化處理,極大的方便了計算機體系結構軟件的開發。

二、計算機體系結構軟件模擬技術的定義

計算機體系結構定義眾多。有人稱之為模擬技術,也有人稱之為仿真技術。計算機體系結構模擬,即用軟件來模仿計算機的處理過程。同時,要求兩者之間>:請記住我站域名/

計算機體系結構包括部分計算機結構和全部計算機結構兩部分。它的步驟是:數據結果、指令接收、模擬運算、翻譯指令等等。計算機的緩存命中率、訪問的存儲等都是計算機體系結構需要注意的指標。

三、 計算機體系結構分類

計算機體系因為結構復雜,所以不可能只有一種。從數量方面可以分為單核處理器模擬和多核處理器模擬;從指令方面可以分為單指令模擬結構和多指令模擬結構;從損耗角度分為性能模擬結構和能耗模擬結構;從模擬器的角度可以分為執行模擬結構和開發模擬結構;根據以上分類我們不難發現,計算機體系結構種類繁多。一方面,它為我們研究計算機體系結構模擬提供了許多參考價值;另一方面,它又為研究計算機體系結構增加了許多困難。

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中圖分類號：G036 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）22-00273-01

現在，單片處理器的晶體管數量已超過10億。這樣就給計算機系統的制造帶來了資金成本和時間成本上的大幅度增加。一般來說，設計制造處理器需要經很多個設計和制造階段，包括：體系結構設計評估和驗證，邏輯設計評估與驗證，電路設計驗證，布局設計，最后才能進入生產階段，才可以走進社會生活中。并且為了保證質量，這些過程通常都要重復很多次。研發一款新的處理器一般需要4――7年的時間，而處理器量產之前，還必須制造出樣本進行實測，如果有問題還要重復制造樣本并進行不斷修改，反復進行評估和驗證的過程，我們知道，電子產品在沒有量產前，單個的生產成本是非常高的，這些問題就造成了處理器的研發設計的時間成本和資金成本大幅度上升，甚至讓許多研發企業無力承受。為了解決這個問題，計算體系結構軟件模擬技術就成為研發人員的首選。這種技術可以精確都時鐘級別，從根本上解決了計算機體系結構研發的長時間和高成本問題。

1.計算機體系結構軟件模擬技術的發展歷程

1.1 萌芽階段

計算機體系結構軟件模擬技術的發展經歷了一個漫長的過程，最初，計算機軟件模擬技術的結構雖然已經建立，但是處理器技術并不完善，對系統運行也不能進行合理控制，由于處理器的工作效率低下，所以控制軟件的設計也非常緩慢，計算機體系結構的軟件模擬技術在不斷的探索中緩慢前行。上世紀八十年代，我國的計算技術有了長足發展，經過長期不懈的研究，我國計算機系統在獨立操作數據驅動和處理器高效利用技術兩方面有了新的突破。至此，軟件系統可以在計算機上進行更好的運行，計算機系統的控制也更為便捷。計算機的運行是以收集和處理技術為基礎的。所以，在計算機應用軟件技術的研發過程中要收集大量的數據，并結合計算機基礎知識在計算機處理器平臺上對軟件系統進行構建和設計。這是計算機體系結構軟件模擬技術發展的重要前提，技術人員由此掌握了計算機軟件系統建設的大量數據經驗。

1.2 技術研發階段

在總結了技術探索階段的各種數據和經驗之后，技術研發的方法已經非常明確，研發人員運用性能分析模擬技術改良了計算機系統，這樣，團建模擬技術就可以在處理器中進行合理運用。計算系統的質量得到了大幅度的提高，軟件模擬技術也開始被廣泛運用在計算機系統結構軟件的研發中。計算機體系結構軟件的模擬技術可以對系統運行進行更加順利和有效的控制，再結合性能分析模擬技術，計算機系統的研發成本急劇下降。這樣就降低了技術研發階段的風險，從根本上節省了大量的時間成本和資金成本，保障了研發單位的經濟利益。在技術研發時，還要考慮到計算機系統升級、實際應用，使計算機技術的實用性大幅度提高，計算機系統的工作能力成倍增加。但是在技術研發階段，對模擬器運行的狀況一定要進行合理和有效的控制，只有準確控制模擬器的運行，才能運用結構軟件的模擬技術改良計算機系統，提高模擬技術的實際運用效果。

2.開發計算機體系結構軟件模擬技術面臨的問題

2.1 設備的研發難度非常之高

計算機是一套非常復雜的系統，要想實現在計算機軟件系統上模擬運用計算機的各個電路及晶體管等技術是非常困難的。如果籠統地將計算機的各種特點都運用軟件系統模擬是幾乎不可能實現的。面對這個問題，研究人員采用了計算機系統的層次劃分技術，使原本復雜的計算機系統變得相對簡單化。計算機體系結構就是將計算機系統根據組成機構進行層次劃分。簡化后的計算機系統的復雜性依然很高，給模擬設備的開發造成了很大困難，目前計算機體系結構軟件模擬設備的開發主要利用C語言來進行，這種串行結構編程語言給模擬器的實際開發造成了長時間、高成本的問題。

2.2 模擬設備京都偏低，運作效果差

模擬設備的精度低，效率差也是計算機體系結構軟件模擬設備開發中遇到的問題，在開發過程中，對模擬器的具體要求未能進行準確的分析研究；未能透徹理解計算機體系結構的真正目的；對設計過程中的細節問題不夠重視，這些都大大增加了錯誤率。另外，模擬器的編碼過程要求也非常高，不能出現任何的紕漏。一般的研究開發人員將整體的運行效果用檢測流程中的部分程序指令代替，造成了模擬設備精度低的問題。

3.計算機體系結構軟件模擬技術開發中問題的應對策略

3.1 將檢測流程中的執行指令進行合理減少

性能檢測流程中標準化指令是不能改變的，但是可以在此基礎上對系統系能檢測流程中的執行指令進行科學而合理的減少和更正，使模擬器的運行結構能表現整體運行效果。這樣就可以使模擬器的運作時間大幅度減少，縮短運行周期。

3.2 對模擬程序的指令數量進行適當減少

選擇準確的模擬程序指令代替原系統整體運作結果，對模擬程序的指令數量進行適當減少，可以提高模擬系統的精確度。在選擇模擬程序指令的時候，借以采取抽樣選擇程序指令或者是直接截獲連續性指令的方式。而直接結構連續性指令在實際運用中由于操作容易，準確度偏低；所以，實際操作中一般采用抽樣統計的方式選取程序指令。

結語

當前社會已進入數字化和信息化時代，計算機技術在人們的日常生活和工作中運用程度越來越高，人們對計算機的系能也不斷提出更高的要求。因此，計算機體系結構軟件的模擬技術的運用也越來越廣泛，成為軟件開發必不可少的條件。計算機應用功能的完善需要開發人員不斷探索和研究。在開發過程中，技術人員要采用正確而有效的方式應對開發過程中出現的各種問題。這樣才能有效降低軟件開發的周期，節省開發成本，并開發出實用性高的計算機應用軟件。

參考文獻

[1] 李經松，陳朝暉.軟件總線體系結構的研究與應用[J].空間控制技術與應用.2012（04）.

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中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）08-1754-03

1 《計算機體系結構》教學設計分析

教學設計是現代教育技術的基礎，也是計算機輔助教育最重要的基本原理，用教學設計理論指導計算機多媒體課件的設計是課件設計走向科學化的保證。教學設計是以教學過程為研究對象，運用系統方法分析教學問題和確定教學目標，建立解決教學問題策略方案，試行解決方案、評價執行結果和對方案進行修改的過程。教學設計以系統方法為指導，分析教學問題和需求，運用系統方法設計教學過程，確立解決的程序綱要，使之成為一種具有操作性的程序。《計算機體系結構》課程教學設計應用整體優化理論和系統科學方法，對課程系統進行分析、設計、開發和測評。

1.1 學習者分析

認知理論認為，人的認知是在原有認知結構基礎上，通過對外界刺激的反應，根據學習者態度、學習興趣等，對當前學習內容作出選擇的信息加工過程，學生是主動地對外部刺激所提供的信息進行選擇和加工的主體。按照學院人才培養方案，《計算機體系結構》課程是計算機科學與技術專業本科的一門專業必修課，這門課開設時間為第三學年第二學期，學生已經先修了計算機組成原理、數據結構、操作系統、匯編語言程序設計等先修課程，掌握了計算機專業相關軟硬件知識，為本課程的學習積累了前期基礎；本專業學生求知欲旺盛，學習興趣濃厚，自學能力強，并且思維活躍，能積極參與教師組織的活動。在教學內容的取舍上，根據先修課程，規劃本課程內容側重點；在教學活動的組織上，根據學生的學習特點，除基本概念和基本理論的闡述外，還應留有一定的課外探索性課題，讓學生對計算機體系結構學科的最新發展有更全面了解。

1.2 學習任務和學習目標分析

計算機體系結構是計算機領域的一門重要課程，學習計算機體系結構對認識計算機系統、建立計算機整機概念有重要的作用。本課程包括理論和實驗教學環節。從教學大綱講授章節來看，包括：述計算機體系結構的概念、計算機指令集結構設計、流水線技術、指令級并行、存儲層次、輸入輸出系統、多處理機。對本科生而言，課程教學重點和難點是單機系統中指令集結構、流水線技術和存儲層次。對流水線技術，可通過流水線相關實驗對DLX流水線技術有更深入直觀理解。學習計算機體系結構實驗是不可缺少的，而這兩章的學習，實驗尤其重要。通過實驗，可以更直觀的了解流水線技術。

計算機體系結構教學目標是提高學生從總體、系統這一層次來研究和分析計算機系統的能力，幫助學生建立完整計算機系統的概念，使學生掌握計算機系統結構的基本概念、原理、結構和設計方法，掌握基本的性能分析方法。計算機體系結構課程強調培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統地分析和解決問題的能力，強調培養學生的創新思維和創新能力。

1.3 情感、態度與價值觀目標分析

情感態度和價值觀是學習者內心所想：感受計算機體系結構給人類工作和生活帶來的變化，感悟人類的聰明才智；在協作式的集體研究活動中，表現出成功解決問題的喜悅感、成就感，體會與他人交流、協作的樂趣；通過對計算機體系結構發展的探討，激發更進一步學習計算機專業知識興趣。

2 計算機體系結構多媒體課件制作原則

多媒體課件以其形象、直觀、快捷、高效方式，為優化課堂教學，起到了很大的作用。多媒體課件制作有其自身的規律，在課件制作過程中，只有遵循這些規律，才能使課件的制作切實地為教學改革發揮作用，進而提高教學效率。計算機體系結構的多媒體課件制作應遵循以下幾條原則：

2.1 教學性原則

教學性原則是指在多媒體課件設計過程中把教師的教與學生的學結合起來，課件除了能用于輔助教師教學，發揮教師的指導作用外，還應具備學生自主學習功能，體現學生的主體地位。《計算機體系結構》課程內容由于和計算機發展前沿技術密切相關，教學重難點多。教學中除采用以教師“教”的傳統教學方式，應發揮多媒體課件教學，引導學生針對課程知識積極探索。在計算機體系結構多媒體課件設計中遵循教與學的有機結合，可以使學生學習從被動接受傳統模式轉變為利用學生認知結構、學習興趣和學習需求為主要目的的主動接受模式。

2.2 集成性原則

多媒體課件是由文字、圖形、圖像、聲音、動畫等集成的多媒體制品，集成的特點使課件能提供多樣性的外部刺激，有利于知識的獲取與保持。實驗心理學家特瑞赤拉（ Treicher）做過一個關于人類獲取信息的途徑的著名實驗，結果證實：人類獲取的信息83%來自視覺，11%來自聽覺，3.5%來自嗅覺，1.5%來自觸覺，1%來自味覺。課設計過程中，應有效利用集成性特點，充分調動學生的各種感官，調動學生的注意力，使其更好地理解和掌握課堂教學內容。

在計算機體系結構的課件設計中，恰當選擇素材，各種信息媒介的表達和組合優化設計、精心選擇、相輔相成。本課件設計中采用大量的動畫演示來分析抽象的概念和理論，如層次結構概念、流水線的實現中DLX指令的數據通路、定向路徑等，Cache實現的相關問題這些都是課程的重難點知識點，動畫的每一步過程都有說明解釋，對難懂的理論知識直觀、形象和詳細的展示，也能吸引學生的注意力。同時課件素材在集成時不能喧賓奪主，畫面不宜過于花俏以致忽略了課件教學。

2.3 交互性原則

課件的交互性是指所運用的課件和課件使用者間的信息傳遞是雙向的，多媒體課件可以向學習者輸出信息，也可以接收學習者的輸入命令，并根據命令進行相應處理。交互性是多媒體課件的最基本的特點，有利于教師掌握學生的學習情況，調整學習內容，安排學習計劃，也有利于學生的自主自學和自我學習狀態的測試，多媒體課件設計應充分體現這一特點。

《計算機體系結構》課程多媒體課件制作過程，設置有大量控制按鈕方便使用者控制課件內容的展示，對多級內容的展示可方便的返回上一級和進入下一級，課件中動畫的播放設置多種播放速度，且可隨意拖放播放內容。

3 計算機體系結構課件設計

通過學習者分析和教學設計，在教育教學理論和課件理論的指導下，確定課件的總體框架，從而形成清晰而完備的制作模板。本課程在課件中呈現的課件總體結構和課件交互性圖標界面如下：

4 測試評價

課件設計后，提供給專業學生使用，同學們認為課件條理清晰、圖文聲像結合、界面優美，普遍反映本課件在創設情景、材料形象方面有較好的效果，課件的使用可擴大知識視野、幫助全面把握知識點，特別是準確理解重難點知識點，提高學習效率。要使多媒體教學模式在《計算機體系結構》課程教學中的作用，前提是選擇或制作適用的多媒體課件，供課堂教學和學生學習、練習使用。

參考文獻：

[1] 張晨曦.計算機體系結構[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 皮連生，等.教育設計[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3] 方其桂，等.Authorware多媒體CAI課件制作實例教程[M].北京：清華大學出版社，2000.

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0 前言

數據庫系統作為計算機體系結構的重要組成部分，其在構成上主要以數據庫、計算機系統、管理系統以及應用程序等為主。其中各部分功能的發揮都可能對數據庫系統產生影響，如數據庫系統需由計算機系統進行硬件環境的提供，而數據庫負責數據的存儲等。因此，如何做好數據庫系統的優化成為現行計算機體系結構完善中需考慮的重要內容。

1 計算機體系結構的相關概述

關于計算機體系結構，其實質為系統元素的集合，在集合內系統元素能夠協調配合的基礎上，便可根據預先定義目標完成信息處理過程。常見的系統元素主要有計算機硬件與軟件、數據庫系統、文檔以及人員等方面。其中硬件負責電子設備或機械設備的提供以使得計算機能力以及其他外部世界功能得以實現；而軟件可作為文檔、數據庫與程序的稽核，提供計算機運行中需要的邏輯方法；數據庫則用于集合所有軟件訪問的信息；文檔用于描述計算機系統中的所有圖形、表格等信息。現行在Internet網絡普及的背景下，要求計算機體系結構在完善過程中能夠做到對各類型信息資源進行輸入、輸出以及管理，而這些信息資源管理活動的開展便需依托于數據庫系統，其是計算機領域中發展極為迅猛的技術，同時也是保障計算機體系結構作用發揮的關鍵部分[1]。

2 數據庫系統在計算機體系結構中的具體體現

計算機體系結構中，數據庫系統的應用主要體現在四種模式，包括分布式服務器系統、服務器模式、工作站模式以及終端模式等，各種模式在整個計算機體系結構中應用的效果也存在一定的差異。在網絡技術快速發展的背景下，現今計算機體系結構中數據庫系統模式又傾向于web服務器模式。實際應用中，以往四種數據庫系統模式即表現出明顯的優勢，也存在許多弊端，具體體現在以下幾方面。

2.1 從主機/終端模式角度

該模式是計算機體系結構中應用的最早結構模式，其結構具有明顯的集中式特征，要求在主機上進行數據庫以及管理系統的設置，其他相應的應用程序也需在主機中體現出來。但這種模式下，數據信息共享性極差，僅用戶終端能夠進行數據的使用，若需對數據庫進行訪問，要求用戶采取撥號形式或利用本地終端以獲取需要的數據。其中的本地終端大多不具備數據處理能力，僅以通信軟件、鍵盤與顯示器為主。然而不可否認，這種集中式的系統結構對于存儲設備中數據區能夠安全處理，不同類型的并發用戶都可為該結構所支持。從其應用的弊端看，主要表現在系統維護較難，計算機體系結構本身在硬件、軟件等耗費較多成本，加上數據庫體系結構中的終端系統成本與維護費用，將使計算機應用難以獲取應用的經濟效益。另外，該模式應用下，網絡性能完全取決于主機性能，若有多個用戶共同聯網，計算機系統的整體性能將表現出明顯的下降趨勢[2]。

2.2 從文件服務器/工作站模式角度

該模式應用下主要需在計算機體系結構中文件服務器處進行管理系統的設置，在所有PC工作站中都有相應的處理程序存在。一般文件服務器在功能上更側重于接收與發送文件，并將共享數據向用戶提供，但在協同處理方面卻較為缺失。事實上，從計算機系統運行中便可發現，即使文件服務器具備較為明顯的運行速度優勢，但PC中數據庫管理系統處于運行狀態時仍會限制文件服務器的性能。而且文件傳輸過程中多以整個文件為主，一旦數據庫訪問用戶數量增加時，傳輸量也將隨之上升，系統運行因此受到影響[3]。

2.3 從客戶機/服務器模模式角度

對于這種服務器模式，其主要在服務器處設置數據庫管理系統，服務器端與客戶端都可利用管理系統進行數據處理。相關的數據處理或數據存儲等，可在管理系統運行于服務器端時實現，而在處理輸入或輸出問題以及屏幕交互時，要求管理系統運行于客戶端。此種數據庫系統模式在優勢上主要表現為能夠利用兩個系統完成數據的處理，無需考慮系統難以承受過大信息流量的問題，且在維護管理或系統升級中不會耗費過多的成本。而且使數據庫管理系統在服務器端或客戶端運行時，也可使計算機整個系統的性能得以提升。但該模式應用過程中也表現出一定的弊端，如數據庫需保持一定的獨立性，為用戶使用帶來較多難題，如企業中各部門應用數據庫時如何做到數據庫關聯等。因此，計算機體系結構中數據庫系統的應用需考慮到引入“無縫隙”訪問技術，典型的如分布式處理技術等[4]。

2.4 從分布式系統角度

相比前幾種數據庫系統應用模式，分布式數據庫強調同一系統中數據保持一定的邏輯關系，并在整個計算機網絡中使數據在不同節點處分布。實際應用中，為保證用戶能夠遠程獲取數據信息，不同位置服務器都需將數據庫管理系統設置其中，用戶數據獲取時如從本地數據庫系統一般，直接將請求數據向數據庫服務器中發送，若服務器中未尋找到用戶數據，可直接通過網絡將用戶請求向其他數據庫服務器中發送，完成信息搜索后會將相應的信息傳輸給用戶，大多情況用戶都難以判斷是哪個數據庫服務器為其提供的數據信息。因此，這種模式的應用可滿足現代企業需求，對于解決遠程數據傳輸與共享問題可起到明顯的效果[5]。

3 優化數據庫系統的相關建議

現行數據庫系統為適應計算機技術快速發展步伐，除采取分布式數據庫系統模式外，也將Web技術融入其中，許多數據庫廠家多采取數據庫管理系統與Web技術相結合的方式，使數據庫內容檢索僅需通過Web瀏覽器的訪問便可完成，對該類型數據庫系統可稱其為Web數據庫系統。為使數據庫運行效率進一步提高，在數據庫系統優化過程中需做好系統框架的設計，優化數據庫的同時考慮數據對連接池進行優化，具體優化策略主要表現在以下幾方面。

3.1 系統框架設計的思路

系統框架設計過程中首先考慮系統結構問題，從計算機體系結構中傳統數據庫系統結構的應用現狀可發現，其中存在弊端不僅制約系統整體性能的提高，而且易產生過多的成本。對此，在系統結構設計上可選取B/S結構，其優勢主要表現為：①客戶端負載問題得以解決。如C/S結構下，數據處理功能、顯示功能都需由客戶端負責，承受的負載較大，特別當前客戶端應用程序不斷增加的背景下，客戶端的有效運行更面臨較多難題。此時將B/S結構引入其中，服務端會承擔部分客戶端的數據處理任務，許多數據訪問或計算都可在服務端完成；②兼容性較高。該結構下主要以JSP為前端界面，將Java語言融入后可使服務器執行壓力得以緩解；③靈活性較強。B/S結構下各層都以獨立的形式存在，即使其中一層出現異常也不會對整個系統產生影響；④維護成本較低。由于該結構應用下需將瀏覽器安裝于客戶端中，服務器可完成相關的系統升級或維護工作，不會對客戶端產生影響，有利于維護成本的控制。本文在系統框架設計中考慮在B/S結構應用的同時，使其與傳統C/S結構以及web技術相結合，以此構建集數據庫、服務器以及瀏覽器于一體的結構體系，將其稱為B/S/S結構體系。

框架設計中還需做好開發語言以及數據庫連接的充分考慮。其中在開發語言選擇方面，現行較為常見的主要以PHP、JSP以及ASP為主。相比之下，為滿足數據庫系統優化需求，要求開發語言應以簡潔高效、便于移植等特征為主，所以可將JSP作為系統開發語言。而從數據庫連接角度，應用較為廣泛的技術主要以JDBC為主，但需注意的是該技術應用時要求數據庫使用后保持斷開，一旦數據庫連接過多將導致內存發生泄漏，甚至使服務器癱瘓。這就引入連接池技術，將JDBC訪問技術下的弊端進行解決[6]。

3.2 數據庫的進一步優化

為適應計算機體系結構要求，數據庫系統優化中首先需考慮數據庫設計問題。以SQLServer數據庫優化為例，設計過程中主要需在解決邏輯庫規范化弊端的基礎上進行物理數據庫的生成。其中邏輯庫規范化弊端方面，可采取將重復屬性、計算字段等融入數據庫實體內。但應注意設計中往往易出現數據庫歷史記錄保存問題，因歷史記錄使用頻次較少，所以需分離歷史數據與其他訪問數據。而物理數據庫生成方面，要求對計算機體系結構中的硬件資源、數據庫訪問格式進行判斷，在此基礎上利用數據行的設置使I/O操作得以減少，或直接對SQLSever利用同一物理設備存儲圖像或文本數據，可使系統性能得以提高。

其次，應做好調整硬件工作。調整中如在磁盤子系統方面，通常數據庫系統中應用的磁盤驅動器極易出現超載問題，影響系統性能，對此可考慮增設磁盤驅動器，可保證I/O子系統性能問題得以解決。而在內存方面，通常提升數據庫性能的方式主要以物理內存的增加為主，但這種方式涉及的成本較高，應考慮對數據庫實際內存進行優化配置，如對其內存數值的調整等。

最后，做好SQL語句與查詢計劃的優化。在優化SQL語句中，主要要求避免SELECT*語句、DISTINCT的使用，二者都可能使數據庫應用邏輯出現錯誤，同時對于其他非操作符聚以及ORDER BY等應正確使用。另外，在查詢計劃優化方面，需保證索引、主鍵、連接、臨時表等能夠正確使用。在SQL語句以及查詢計劃得以優化下，才可使數據庫系統性能得到提升[7]。

3.3 連接池的優化

連接池在數據庫中的應用主要使緩沖池中融入相關的物理連接，這樣在數據庫訪問過程中用戶可直接進行數據庫連接的獲取，且在連接使用結束后，可將其重新置于連接池中，無需執行關閉連接操作，這樣數據庫的訪問效率將得到很大程度的提升。具體構建連接池過程中，可直接由服務器進行連接池的提供，或采取JDBC連接池。實際上，現行大多服務軟件中多將連接池直接設置其中，僅需保證使用效果得以發揮并做好管理工作既可。另外，連接池在優化中還需考慮到參數設置問題，如其中最小或最大連接數，其設置不合理很可能造成系統資源被過多占用，訪問效率也因此被降低，連接池整體性能因垃圾信息過多而受到影響。所以在參數的設定是連接池優化中需考慮的重要問題，常見的方式主要引入相應的測試工具，通過反復測試以使參數值更為合理[8]。

4 結論

數據庫系統的優化設計是完善計算機體系結構的重要途徑。實際優化設計過程中應正確認識計算機體系結構，分析計算機體系結構中不同數據庫系統模式應用的優勢與弊端，在此基礎上提出Web數據庫系統。對該系統實際優化過程中要求做到設計具體的系統框架，從數據庫設計、調整硬件以及優化查詢計劃以及SQL語句，并注重連接池的構建，以此使數據庫整體性能得以提高，發揮其在計算機體系結構中的重要作用。

【參考文獻】

[1]馬亞明.嵌入式空間數據庫理論與技術研究[D].信息工程大學，2011.

[2]李尚勇.有色金屬熱力學數據庫的計算模型與架構體系研究[D].昆明理工大學，2012.

[3]李志剛.空間信息技術在礦區可持續開發與管理中的應用研究[D].成都理工大學，2012.

[4]于永強.計算機數據庫系統在信息管理中的應用研究[J].黑龍江科技信息，2011，03：82.

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中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2010) 15-0000-02

Review of High Performance Computer System Structure

Tang Shaoyu

(China Petroleum&Chemical Corporation Catalyst Fushun Branch,Fushun113122,China)

Abstract:This paper reviews the developments of high performance compute architecture from the 1960s.According to TOP500 data,introduces the recent developments about high performance computer technique of various countries including the popular architecture technology.And according to the recent developments condition,try to forecast developmental tendency of high performance compute architecture in the future.

Keywords:High performance computer;Architecture;Cluster;

Interconnect technology

高性能計算機傳統上指的是運行速度非常快的計算機，等同于超級計算機，致力于專業用戶進行大規模科學和工程計算，追求的性能指標是浮點計算能力。隨著對于高性能計算的應用需求由CPU運算密集型的科學和工程計算拓展到I／O處理密集型的商業事務處理，高性能計算機從單純追求CPU運算能力變為追求包括I／O處理能力在內的綜合性能指標，而且隨著用戶群體的擴大、對價格的日趨敏感以及PC服務器和互連網絡等技術的成熟，高性能計算機已經傾向走產業化發展道路，采用開放的軟硬件技術[1]。

當前，以機群為載體的高性能計算機已廣泛應用于教育、游戲、氣象、石油、航空航天、金融、生物、制造、信息建設等各個領域。高性能計算機應用的深度和廣度在急劇提高。在深度方面，如北京2008年奧運氣象預報要求分辨率從15公里提升到3公里；在廣度方面，原來不需要HPC的領域，如政府、企業、諸多行業信息中心，由于信息處理量和訪問量劇增，沒有高性能計算機已無法完成信息整合和處理能力的提升。機群技術的日益普及已經深刻影響了高性能計算產業的發展，并推動全球高性能計算產業進人一個平民化應用時代，我們也稱之為“泛高性能計算時代”[2]。

一、高性能計算機歷史回顧

最早的電子計箅機就是為了能夠進行大量繁瑣的科學計算而產生的。從1960年開始，計算機技術逐漸成熟，在各種商業領域慢慢地開始采用電子計算機，而且應用范圍也越來越廣，逐漸出現了針對各種不同商業用途的計算機，被稱為“通用計算機”。相對于“通用計算機”，具有性能和功能上的優勢的一類計算機被稱為“高性能計算機”，在當時主要用于科學計算。

20世紀70年代出現的向量計算機可以看作是第一代的高性能計算機。通過在計算機中加入向量流水部件，可以大大提高科學計算中向量運算的速度。到80年代，出現了并行向量多處理機(PVP)，依靠并行處理，進一步提高運算速度。向量機成為當時高性能計算機的主流產品，占領了高性能計算機90%的市場。

20世紀90年代初期，大規模并行處理(massively parallel processor，MPP)系統開始成為高性能計算機發展的主流。MPP模式是一種分布式存儲器模式，能夠將更多的處理器納入一個系統的存儲器。MPP體系結構對硬件開發商頗具吸引力，因為它們出現的問題比較容易解決，開發成本比較低。由于沒有硬件支持共享內存或高速緩存一致性的問題，所以比較容易實現大量處理器的連接。

較MPP早幾年問世的對稱多處理機SMP系統，是由數目相對較少的微處理器共享物理內存和I/O總線形成的計算機系統（國內最早基于微處理器的SMP為曙光1號）和MPP相比，早期的SMP擴展能力有限，并不具有很強的計算能力。但由于SMP與單機系統兼容性好，是單機系統的升級與增強，被廣泛應用于商業計算領域。

20世紀90年代中后期的一種趨勢是將對稱多處理器結構（Symmetric Multi-Processor，SMP）的優點和MPP的擴展能力結合起來，這一趨勢發展成后來的CC―NUMA結構，即分布式共享內存。每個處理器節點都可以訪問到所有其它節點的內存，但訪問遠程內存需要的延遲相對較大。NUMA本身沒有在提高性能的角度上進行較大的創新，主要優點是便于程序的開發和與SMP的兼容性。而對于科學計算任務，CC―NUMA結構是否優于MPP系統仍存在爭議。

在發展CC―NUMA的同時，集群系統(cluster)也迅速發展起來。類似MPP結構，集群系統是由多個微處理器構成的計算機節點，通過高速網絡互連而成。節點一般是可以單獨運行的商品化計算機[3]。由于規模經濟成本低的原因，集群系統具有比MPP更高的性能／價格比優勢。集群系統還繼承MPP系統的編程模型，更進一步地加強了其競爭優勢[4]。

二、高性能計算機技術發展現狀

當前，全球TOP500已經成為高性能計算領域的晴雨表[5]。第35屆全球超級計算機TOP500排行榜于2010年5月31日在德國漢堡舉行的SC10大會上。排名第一的仍是美國Cray公司研制的“美洲豹”系統；中國曙光公司制造的“星云”超級計算機以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二，此次成績可謂曙光高性能計算機突破歷史的最好成績，也是我國高性能計算機的歷史最好成績。在TOP10系統中，IBM公司占有4臺（一臺“走鵑”和三臺“藍色基因”），Cray公司擁有2臺（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中國的曙光公司和國防科技大學各占有一臺。但我國所制造兩臺系統（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美國的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可見，美國在高性能計算領域的綜合技術實力是無可比擬的。

篇（6）

中圖分類號：G 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）07-0027-03

1 引言

“計算機體系結構” 課程是普通高等學校計算機科學技術專業本科生的專業基礎和核心課程。國防科技大學計算機學院作為我國高性能計算機研發和全軍高水平計算機人才的培養基地，十分注重“計算機體系結構”課程建設，在教學改革、師資隊伍、教學內容、教學條件、教學方法等多方面成果顯著，形成了自己的特色和優勢。該課程一直被列為學校的重點建設課程，2004年入選軍隊院校優質課程建設計劃，2005年被評為軍隊優質課程和國家精品課程。

“計算機體系結構”課程主要介紹計算機系統設計所必須了解和掌握的基礎知識和專業知識，包括計算機體系結構的基本概念、設計原則、關鍵技術以及性能評價方法等，內容多、涵蓋廣、系統性強。課程的主要目標是使學生能夠系統全面地理解計算機體系結構技術的基本思想，具備衡量工藝、性能、價格、主流技術等多種因素對設計計算機系統的影響和判斷能力，具備合理設計計算機系統以及對計算機系統進行定量分析評價的能力。

2 課程主要特色與經驗

2.1 注重教學科研相結合，深化教學改革，更新課程內容

作為擔負著國家和軍隊計算機及其相關領域重點科研任務的研制單位，國防科大計算機學院取得了豐碩的成果。同時，學院積極推動課程教學改革，積極吸收國際上計算機體系結構領域以及學院科學研究中的先進成果，不斷將計算機體系結構主流思想和創新思想引入到課堂之中，更新課程內容，形成教學科研的良性互動。而且，為使學生更好地理解和加深對課程內容的理解，學院也有意識地促進學院內部人才流動，讓具有參與大型工程項目的經驗的教師直接走上講臺參與教學工作，將其在科研實踐中積累的經驗帶入課堂，更新教學內容。正是通過這種良性互動，使“計算機體系結構”課程內容常教常新，促進了課程的全面建設，提升了課程的內在品質和生命力，保持教學內容的穩定性和先進性協調發展。

2.2 注重高水平師資隊伍建設，確保教學質量

計算機體系結構學科與課程建設是在我國電子計算機事業的開拓奠基者、國防科技大學計算機系第一任主任、中國科學院學部委員慈云桂教授的領導下建設和發展的。從課程設立到現在，學院十分注重師資隊伍建設，把建設高素質、高水平的師資隊伍作為提高教學水平、確保課程建設和教學質量的基礎。經過多年教學和科研實踐，形成了一支以兩院院士領銜、以博士為主體、主管教學副院長負責、擁有全軍優秀青年教師、全國高校優秀骨干教師、學校優秀教師的高水平師資隊伍。另外，中心實驗室負責實驗教學和實踐的教師與工程師12人配合課程的教學，每年還安排計算機系統結構方向博士研究生及碩士研究生10人左右參加輔導答疑和批改作業。課程負責人及主要骨干教師先后到美國、加拿大、荷蘭、英國、日本、澳大利亞等計算機科學技術發達國家的著名大學考察調研，或做訪問學者；教學梯隊年齡結構合理、學術層次高、學緣結構良好、可持續發展能力強。教員的數量和質量完全滿足講授、輔導和實驗等各個環節的教學任務。

在師資隊伍建設過程中，始終堅持教學科研緊密結合這一優良傳統，使教師在承擔教學工作的同時承擔多項計算機體系結構方向的科研工作。研究方向覆蓋了計算機系統結構二級學科下的各個領域，在“銀河”巨型機等大型型號任務的研制中承擔著重要任務，發揮了巨大的作用，取得了豐碩的成果，同時也極大地促進了課程建設水平的不斷提高，確保了課程質量。

2.3 自編與引進相結合，加強高水平教材建設

多年來，學院確立了“突出素質教育和創新能力培養”、“穩定性和先進性相協調”和“自編與選用相結合”的教材選編和使用原則。在課程建設初期，學院結合當時國際計算機科學技術的發展趨勢，特別是自主研制銀河系列巨型計算機及各類計算機的科研技術成果和跟蹤技術前沿的情況，將科研實踐最新技術和成果與教材建設結合起來，使計算機體系結構課程的教材始終保持領先水平。在此基礎上，在國內率先編寫出版了“計算機體系結構”教材（國防科技大學出版社，李勇、劉恩林著，1988年）。該教材多次修訂再版，在國內20多所學校使用，多次被評為學校優秀教材。

在教材引進方面，學院持續跟蹤國際最新發展，數度引進國際公認并被廣泛采用的Computer Architecture: A Quantitative Approach系列原版教材，在教學實踐中應用消化，同時將學院在計算機體系結構和微處理器設計方面的最新研究成果及時補充進教材之中。通過“引進―消化―編著”的多次迭代，2000年出版了《計算機體系結構》（高等教育出版社，普通高等教育“九五”國家級規劃教材，即面向21世紀課程教材，張晨曦、王志英等編著）。該書2002年獲得全國優秀教材二等獎，共印刷6萬多冊，被20多所大學作為教材使用。2004年，《計算機體系結構》第二版再次被列入普通高等教育“十五”國家級規劃教材，并于2005年6月由高等教育出版社出版。

2.4 注重現代化教學手段建設和教學方法研究，不斷改善教學效果

為改善教學效果，提高教學水平，“計算機體系結構”課程組不斷改革教學手段，研究實踐教學方法，在國內率先研制成功我國第一套計算機體系結構多媒體教學課件，該課件將學院幾代教師積累的科學教育思想和教學經驗涵蓋其中，精選動畫200多個，通過動畫、語音和文字三結合的方法，將一些重點、難點和疑點用鮮明的色彩、形象的架構、動態的演示予以展現，達到寓教于樂、事半功倍的效果，深受學生的歡迎。

不斷加強網絡課程建設，“計算機體系結構”網絡課程2002年入選教育部“新世紀網絡課程建設”。網絡課程不但包含了豐富的教學資料（如教學大綱、多媒體課件、課程實驗所需軟件等），同時還配備了大量高水平的動畫學習課件，幫助學生更快更好地掌握重點、難點內容。教師組還依托學校數字化校園網絡教學平臺，積極開展實時討論、輔導答疑、提交/批改作業、模擬考試等教學活動。

多媒體課件和網絡課程的建設，極大地提高了學生的學習興趣，加強了師生交流，提高了教學效果和教學質量。

2.5 構建課程建設基礎平臺，強化實踐環境

學院十分注重多層次實踐體系的建立，通過多種途徑構建課程建設的基礎性平臺。在實踐體系方面，學院將實驗分解為一般性課內實驗、綜合性課程設計、小型科研課題以及大型科研課題，這些實踐環節各有側重，難度由淺入深。學生既可依托課程實驗加深對所學知識的理解，又有機會參與和感受計算機體系結構和微處理器設計等方面的科研實踐。在這種多層次的綜合實踐體系中，學生不僅可在信息系統設計、系統分析、系統集成、系統評估等方面有所收獲，同時又培養了學生參與現代大型工程項目所必備的團隊合作和頑強拼搏精神。在課堂教學方面，為配合課程教學，學院還自主開發研制了計算機系統綜合實驗平臺，精心設計了相關實驗內容。在前導課程實驗的基礎上，學生可在較短的時間內完成流水線和存儲層次的FPGA實現，在交互式演示和軟件模擬的基礎上，進一步發展到FPGA設計和實現，強化了實驗效果，增強了課程效果。在課外研究方面，課程組教師向學員提供大量最新的高水平文獻資料，方便學生開展課外學習和自主研究活動。這些活動的實施，為培養學生的綜合素質創造了良好的條件，也為計算機體系結構課程的不斷發展奠定了基礎。

2.6 規范教學管理，保證教學質量

嚴格規范的教學管理制度是教學質量的保證，學院在1999年通過了ISO 9000質量管理體系認證，并借鑒其“過程化管理、按要素評估”的思想，將其成功應用于教學過程的各個環節之中。學院根據教學規律特點，將教師的授課過程分解為教學準備、課程試講、課程實施、課程評價、課程考核、課程總結等環節，按環節提出目標任務，學院通過教學督導組和教學指導委員會進行動態跟蹤、全面監控，及時發現問題，解決問題。通過該體系的實施，增強了課程準備的針對性，積累完善了教學檔案資料，規范了教師的教學活動，培養了年輕教師，保證了教學質量穩定提高。

3 結束語

計算機體系結構是計算機科學與技術學科發展的重要動力和研究方向，處于不斷的變革之中，只有不斷深入開展計算機體系結構課程教學研究，緊跟學術前沿，改革創新，把它作為一個系統工程來進行研究和部署實施，合理取舍教學內容，全面加強師資隊伍建設，采取科學的教學方法和手段，重視實踐教學，才能真正起到培養合格人才、提高教學質量、推動學科發展的作用。

參考文獻：

[1] 王志英，寧洪，等.綜合型人才創新能力與素質培養[J].《高等教育研究》，2005，（2）.

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計算機系統結構教學存在如下問題:(1)教學內容涉及數字邏輯、計算機組成原理、操作系統、編譯原理、數據結構、匯編語言程序設計等專業課,綜合性強,概念多而抽象;(2)教材內容無法與新技術發展同步;(3)實驗教學缺乏。上述三個問題導致了教師授課難和學生學習難的兩難局面。為此,本文將基于理論講授、專題討論和開放性實驗的“三位一體”教學法引入到計算機系統結構的授課過程中。利用精心組織的課堂講授解決授課內容綜合性強,概念抽象的問題;在授課過程中穿插專題討論,讓學生立足于經典的設計方法,探討新技術的發展;合理安排開放性實驗,理論與實踐相結合,進一步提高教學效果。

1授課內容安排和授課方法探討

計算機系統結構與計算機組成原理在課程內容上有一定的重疊,明確兩門課程的授課內容,既避免內容上的重復,又保證課程之間的無縫銜接,是提高授課質量的前提。計算機組成原理主要研究計算機各功能部件的組成和工作原理,以及各部件之間的協同工作。計算機系統結構著重介紹如何最佳、最合理的實現軟硬件的功能分配。計算機組成原理強調部件細節,而計算機系統結構強調系統全局,重點闡述高級語言、編譯、操作系統和硬件結構的關系,及性能分析中各方面的影響,避免對軟件層面的忽視[4]。

合理安排系統結構課程的授課過程是提高授課質量的重點。根據授課經驗,各知識模塊的安排順序如下:計算機系統結構的基礎知識、指令系統、流水線處理技術、存儲系統、輸入輸出系統、多處理機技術。計算機系統結構基礎中主要介紹計算機系統結構的概念,包括經典定義和廣義定義;計算機系統設計的量化方法,包括Amdahl定律、常見事件優先原則、程序的局部性原理等。指令系統中主要明確指令集在計算機系統中的位置;指令集設計的基本準則,重點介紹RISC和CISC設計的出發點和特點。流水線處理技術中重點介紹流水線性能指標及計算方法;流水線設計時遇到的一些相關和沖突問題,闡述這些問題產生的原因、造成的性能損失和相應的解決方法。存儲系統中主要介紹存儲層次存在的原因;衡量存儲層次的性能指標;Cache優化技術,包括從失效率、失效開銷、命中時間等三個方面進行優化的,并在實際中廣泛采用的技術;采用一個實例如Alpha 21064或者Opteron介紹經典的存儲層次,對前面所闡述的各種存儲技術和思想進行總結,加深同學們的理解。輸入輸出系統中重點介紹輸入輸出系統的重要性以及RAID。多處理機系統重點介紹Cache一致性問題。

采用適當的授課方法,運用合理的教學手段是提高授課質量的靈魂。由于計算機系統結構課程綜合性較強,概念抽象,難以理解。采用傳統教學方式,學生會感到枯燥無味,無法維持學習興趣。因此在教學過程中采用了各種方法激發學生的學習興趣。比如對于在講解存儲系統中Cache的映像規則時,同學們對于“直接映像”、“組相聯”、“全相聯”這幾種映像規則相聯度越高,利用率越高,但是查找越復雜的特點不好理解。此時,可以用同學們進入教室時是按照學號入座還是隨便坐的例子來很方便的理解這些特點。

2穿插專題討論

本課程中引入專題討論主要基于一下兩方面原因。

一方面計算機系統結構技術發展很快,方向很多。但是不可能在原有授課體系中加入過多新技術,也沒有更多的課時來系統講授新技術。另外,教學內容中對新技術的補充有時是把“雙刃劍”,教學內容既要跟上技術的發展,是知識不致落伍,又有保證教給學生的是立足于經典知識的思維方法,而不是熟練某些技術細節[4]。為了解決這個問題,我們可以采用專題討論的形式。每當完成某一章或者某一部分的講解之后提出相關知識的討論題目,同學們基于已經學習的基本技術、基本思想,查閱參考資料,對新知識、新技術進行探究,思考,乃至預測其發展方向,并以文獻綜述、調研報告的形式總結自己的觀點,然后在課堂上交流討論。題目的選擇要適當,既新穎又要注意知識的銜接,比如在微處理器結構方面的“指令融合”、“間接轉移預測”;存儲結構方面的“混合寫回策略”;多處理機結構方面“高性能計算機體系結構發展”等。

另一方面,這也是大學教育中以學生為主體,教師為主導思想的具體體現。并且計算機系統結構課程開設在大三下學期或者大四上學期,具有了一定的專業基礎。通過引入專題討論,可以啟發學生獨立思考,發展學生的邏輯思維能力和獨立解決問題的能力。而當學生經過認真的思考,對討論題目深入理解后,他樂于將自己的成果與同學們分享,從而感染其他學生進一步提出自己感興趣的問題參與討論。這樣就可以加深學生對于知識的掌握程度,提高學習興趣[6]。

3實驗設計

計算機系統結構課程理論性較強,課程中的流水線技術及相關問題、指令動態調度、存儲層次等內容比較抽象,使得學生在學習過程中難以理解,影響學習興趣。通過實驗研究對系統結構進行量化分析,從而更好理解相關內容,是國際上流行的一種方法。

當前國內外存在多種實驗方法和手段。有的使用硬件,有的使用軟件;有的側重I/O部分,有的側重流水部分;有的側重實際設計,有的側重理論理解。通過多年的教學研究,本課程組傾向于實驗中主要使用模擬器進行模擬實驗,幫助學生理解抽象的理論內容,對于流水線、Cache設計實驗進行講解后由學生課下完成。

對于實驗內容,以幫助理解理論內容為目的,根據本文第二部分中闡述的課程內容進行安排,主要包括流水線沖突、指令調度、分支延遲、Cache性能分析、Cache一致性協議等。對于具體實驗步驟,本文不再展開。

4結語

綜上,通過引入三位一體教學方法,在計算機系統結構課程教學中實現了理論和實踐相統一,以教師為主導和以學生為主體相統一,新知識新技術與經典思想相統一,較好的解決了該課程教學中存在的部分問題,提高了該課程的教學質量。

參考文獻

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中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4407-02

進入21世紀以來，信息互聯網技術已經遍布我們的生活與工作中，給人們的生活和工作帶來一定的便利。然而矛盾經常是對立存在的，計算網絡信息的安全問題也會經常發生，給使用人員尤其是一些大型企業公司帶來巨大的影響。因此，構建計算機網絡的信息安全體系就顯得非常必要。

1 安全威脅存在于信息安全中

1.1 共享性存在于通信網絡中

構建計算機網絡體系的主要目的是實現資源共享，因此給攻擊系統安全的黑客提供了一定的機會，他們利用共享資源，給計算機網絡體系帶來一定的破壞。

1.2 開放性存在于通信網絡當中

用戶在計算機網絡中非常簡單的就能夠查閱到個人、單位、企業的隱私信息。一定程度上受害人和企業公司無法覺察到自己的信息已經泄漏，對自身或者企業的發展帶來巨大的損失與傷害。

1.3 復雜性存在于操作系統中

復雜性存在于計算機的系統當中，會造成復雜性同樣存在于通信網絡的安全管理工作當中。

1.4 不確定的邊界

計算機網絡邊界的不確定性往往就是因為計算機網絡的可擴展性造成的。資源共享的形式存在于計算機網絡當中，通信網路的安全邊界在訪問的時候會受到損害，嚴重的威脅計算機網絡的安全。

1.5 操作路徑的不確定性

多條路徑會存在計算機用戶的宿主機到其他的宿主機當中。因此，在對公司的有關機密資料進行傳發的時，從啟發點到終結點當中會流經多個路徑，或者說會被多個渠道所接收，因此中間節點的可靠性很難得到保證。

1.6 網絡信息中的高度集中性

一旦出現網絡信息分離的小塊時，就會有較小的價值存在于信息當中，只有集中起大規模的有關信息，才能將有效的價值顯示出來。

2 具體的結構形式

信息技術在現階段的一些企業公司中得到了廣泛的應用，大大的拓寬了信息安全的內涵要義。網絡信息的可用性、可靠性、完整性逐漸取代了最初階段信息的保密性，因此其中就會存在一定的不可否認性。同時又向著控制、管理、評估、檢測、防范、攻擊等方面的理論基礎和實踐形式上演變。之前的信息安全技術通常都在計算系統的防護環節和加固環節上集中存在，一旦應用于安全等級非常高的數據庫和操作系統，將相應的防火墻設置在計算機網絡的出口處，將加密的技術應用到傳輸和存儲數據信息的過程中，針對單機系統環境來進行設置是傳統形式系統安全模式的主要特征，沒有辦法很好的描述計算機網絡環境的安全情況，并且會缺乏有效的措施存在于系統的脆弱性和動態形式的安全威脅當中。因此，靜態的安全模式是傳形式安全模式的一大特征。

當今社會，計算機網絡不斷發展，動態變化的互聯網問題通過靜態安全模型已經很難予以解決。這樣一種全新信息安全系統的出現，能夠很好的解決上文中所提及的問題。信息安全系統是一種基于時間變化的動態理論提升計算機信息系統和計算機網絡的抗攻擊性，為了有效提升計算機信息系統和計算機網絡的抗攻擊性，提升數據信息的不可確認性、可控性、完整性和可用性，就要為信息安全體系結構提出一個新的思路：結合每種不同的安全保護因素。例如，安全漏洞檢測工具、防病毒軟件、防火墻等將一個防護更加有效相對單一的復合式保護模式建立起來，安全互動、多層的安全防護體系模式對黑客攻擊的難度與成本上會提升好幾倍。因此，對計算機網絡系統的攻擊就會大大的縮減。

WPDRRC是這個信息安全體系的主要模型，主要通過下面的形式呈現出來：

圖1 WPDRRC安全模式

2.1 W預警

全部信息安全提醒是通過預警予以實現的，可以給網絡安全的防護提供正確、科學的分析評估。

2.2 P保護

它的功能是提升網絡的安全性，主動的防御一些攻擊，對創建的新機制上予以應用，不斷的檢查安全的情況，評估網絡威脅的弱點，確保各個方面是互相合作的，當把政策不一樣的情況檢測出來時，確保安全的政策存在于整體的環境中，會帶來一定的幫助，為了將網絡抵御攻擊的能力提升上來應用了PKI和防火墻技術。

2.3 D檢測

為了將入侵的行為盡快的檢測出來，這是應用入侵檢測的目的，為將關鍵的環節盡快的制定出來，對主機的IDS和網絡進行應用，將技術性的隱蔽應用到檢測系統當中，對攻擊者進行抵制，防止它進一步發展破壞臨測工作。對入侵的行為及時的予以檢測，將更多的時間提供非響應，對和防火墻互防互動的形式上予以應用，將綜合性的策略應用到網路安全管理。因此，就應該將一個安全監視的中心構造起來，對整個網絡的安全工作情況進行整體性的了解，在對攻擊進行防止的時候，檢測是其關鍵的一環。

2.4 R響應

當有攻擊的行為出現在計算機中時，為了能夠盡快防止攻擊，對正確及時的響應上就要立刻的予以實現，對取證、必要的反擊系統、響應阻止、入侵源跟蹤等就要實時的予以響應，避免再次發生相似的情況。并且還有可能將入侵者提供出來，對入侵者的攻擊行為上也能夠有效的進行抵御。

2.5 R恢復

防范體系的關鍵環節就是利用它呈現出來的，不論防范工作做得怎樣緊密、怎么完善，也沒有辦法避免不露出一點的馬腳。在對信息的內容利用完善的備份機制進行保障的時候，會有一定的恢復功能存在于其中。對破壞的信息進行控制和修補的時候，可以應用快速恢復、自動的系統來進行，降低個性的損失。

2.6 C反擊

應用先進的技術，將入侵的依據、線索提供出來，將合理的法律手段應用在入侵者身上，對其進行法律打擊時有法律作為保障。由于證據在在數字形式的影響下很難獲得，因此，一定要對證據保全、取證等技術進行發展與應用，在破譯、追蹤、恢復、修復的方式上進行使用。

信息安全體系的核心是由人員構成的，在信息安全體系建設中，它的主要保障就是管理的體系，以信息安全技術作為支撐。需要根據自身的情況在實際中應用，適當的調配這幾個方面，就能很好的完成信息安全體系的建設。在信息安全體系的構成中絕對不能忽視人為這個重要的因素。其現實意義可以借助以下的結構圖形表示：

3 結束語

綜上所述，多元化的網絡發展已經逐漸的應用到企業公司當中，在公司對各種信息進行交流的時候，幾乎全是利用網絡信息予以實現的，為公司的發展帶來了巨大的效益和便利。但是現階段一些企業公司在使用網絡信息的過程中逐漸暴露出一些問題，重要信息失真的情況也會經常的發生，給公司的發展蒙上了一層黑霧。因此，我們要進一步優化計算機安全體系的結構，構建有效的防治措施，在確保公司機密不被竊取的情況下合理的應用計算機網絡信息，促進企業在健康的網絡環境下，又好又快的向前發展。

參考文獻：

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中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）33-0131-01

一、引言

隨著當前我國經濟社會的飛速發展，網絡信息技術也獲得了長足的發展，計算機網絡體系已經滲透了各行各業，為社會的進步做出了不可磨滅的貢獻。在許多企事業單位中，計算機網絡作為學習、生活、工作不可缺少的載體，其安全問題更是受到了極大的關注。在當前對計算機網絡安全的研究中，大多都是從細節入手，而對整體安全體系的考慮甚少。筆者認為，對計算機網絡系統的整體安全體系考慮，不僅可以顯著增強計算機的安全性能和可靠性，還可以對發現的攻擊、入侵行為做出及時的響應和恢復等。基于此，本文首先對計算機網絡中面對的主要風險進行了列舉，在此基礎上提出了整體安全體系結構，希望可以為相關的理論和實踐提供一定的借鑒意義。

二、計算機網絡面對的主要風險分析

計算機網絡面對的主要風險來自于以下四個主要方面：

（1）計算機系統面對的風險

計算機系統內部的主要風險來自于外界的較多毀壞性因素，造成了計算機系統內部資源的破壞。比如，來自于外部的威脅造成了計算機系統訪問權限的泄露，從而無法控制任意用戶對計算機系統的訪問。同時，計算機系統中的硬件或者軟件故障造成了計算機的突然暫停工，使得計算機的數據無法讀取。或者其他比如地震、火災等不可抗拒性的因素造成了計算機系統的破壞。

（2）網絡運行環境面對的風險

網絡運行環境下的風險主要來自于計算機所處的網絡環境，網絡運行環境主要是數據和網絡為基礎，而且造成網絡環境不安全的因素具有多樣性的特點。比較典型的風險是網絡運行環境中的病毒木馬、或者文件傳輸中的風險。網絡環境是病毒木馬傳播的載體。再有，在網絡運行環境中傳輸文件時如果沒有采取良好的加密等保護措施，就容易被黑客等不法分子竊取，從而帶來一定的損失。

（3）信息使用途徑中面對的風險

信息使用途徑是指計算機系統信息和數據的應用，其風險的存在主要體現在硬件設備的使用以及安全機制的建立。硬件設備的使用主要是以信息存儲和數據輸出為中心，存儲與輸出大多依存網盤、硬盤和U盤與計算機USB接口聯系，USB接口非常容易發生信息數據的丟失；安全機制的建立是針對信息使用過程中出現的危險進行提示，如缺乏完善的安全機制，則不能及時處理信息使用過程中的威脅。

三、對計算機網絡的信息安全體系結構的建立

本文通過對計算機網絡系統中面臨的各種風險，本文提出了WPDRRC結構，以保障計算機網絡中的信息共享和數據傳遞。相關計算機網絡的信息安全體系結構示意圖如圖1所示：

在WPDRRC體系結構中，分別代表預警（W）、保護（P）、檢測（D）、響應（R）、恢復（R）、反擊（C）。在該結構中，六個部分依據計算機網絡實踐的變化進行著實時的反饋。

首先，對于預警（W）來說，其是計算機網絡的信息安全體系中的基礎所在，通過預警系統可以提供相應的預防性防范措施，并且通過對計算機網絡的性能進行研究，給出科學合理的評估報告。保護（P）機制可以有效對計算機網絡的使用安全進行保障，有效防范外來的攻擊和入侵。通過安全體系中的安全設置，重點對計算機網絡中的攻擊點和漏洞進行重點檢查，并采取相應的防范措施，從而使計算機網絡中的各個環節都可以通暢的運行。當計算機網絡受到了攻擊或者入侵時候，計算機網絡系統中的隱藏檢測（D）模塊主要是防止黑客發現檢測程序，對其進行惡意修改，不僅無法對計算機網絡進行保護，而且降低了檢測系統自身的保護能力，此檢測模塊經常與保護模塊配合使用，增加計算機網絡整體的保護能力和檢測能力。可以看出，這三個模塊主要是計算機網絡的預防性保護手段，雖然采用這三種預防性模塊已經可以防范大部分的攻擊行為，但是還是需要引入以實際解決問題為主的手段，這就是響應（R）、恢復（R）、反擊（C）三種。

對于響應（R）來說，當計算機網絡信息安全體系中發現有相應的攻擊或者入侵行為時，就會啟動相應的凍結措施，將攻擊或者入侵行為進行切斷，同時做出相應的預防響應措施。比如，信息安全體系結構中采取的實施阻斷響應系統、跟蹤攻擊源系統等系統技術，保障WPDRRC結構響應的及時性和準確性，以便防止黑客更深程度的入侵。恢復（R），顧名思義，當計算機網絡遭受到黑客攻擊之后，要及時對攻擊或者入侵之后的信息進行恢復。主要采取的手段便是備份，通過備份會對信息文件和數據資源進行有效的備份處理，同時借助自行恢復系統，對損壞的文件進行修復。反擊（C）是一種比較高級的手段，利用以標記跟蹤為主要方式的反擊行為，對攻擊的攻擊和入侵行為進行標記，偵查攻擊和入侵行為的手段，對入侵地址進行解析，保留相關的證據，同時采取一定的反擊措施，防止相關的入侵行為再次發生。

四、對計算機網絡安全入侵檢測技術的發展展望

在當前，有著許多的入侵檢測手段，在維護計算機網絡中發揮著不可估量的作用。入侵檢測技術不僅能夠及時對入侵和攻擊行為進行檢測，預防非法訪問中發揮作用，而且在檢測中不需要對計算機的配置進行更改，保持計算I/O、CPU等硬件的系統，甚至在發生故障的時候不需要影響到其他系統的運行。不過也需要看到的是，雖然當前的入侵檢測技術取得了很多的成效，但是其在檢測方面還有一定的局限性。比如，其可以檢測到特征比較明顯得攻擊行為，但是對于復雜的攻擊卻檢測的相對比較困難。

針對當前計算機安全入侵檢測技術，筆者認為，未來智能化技術的融入，將會給計算機網絡安全帶來一定的進步。比如，神經網絡、遺傳算法在識別入侵特征中的使用，可以顯著改善收集數據、入侵分析以及自動響應等方面的效率，利于充分發揮系統資源的優勢。

五、結語

綜上所述，計算機網絡在人們的日常工作和生活中扮演著重要的角色，需要對其安全性提高重視。在實際應用中，除了對計算機網絡信息安全體系進行完善以外，還應該積極采取先進的入侵檢測技術，以保證我國信息化進程的順利發展。

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中圖分類號：TP303-4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)06-0122-01

隨著社會進步和信息化時代的發展，計算機應用能力變得越來越必要。如何掌握計算機相關知識也成了大家關心的話題。在計算機的硬件知識體系中，知識點紛繁復雜，因此，構建合理的計算機硬件知識體系框架有重要意義。筆者就如何構架計算機硬件知識體系框架幾點淺薄的認識：

1、計算機硬件知識體系的特點

1.1 硬件知識整體性強、富有層次性

計算機硬件知識的許多知識點都是密切相關的，相互影響的。在某個知識點的掌握程度和理解如何直接影響著對其它知識點的把握，如門陣列控制器就一知識點的學習就需要有“可編程陣列邏輯”為基礎。除此之外，富有層次性也是硬件知識體系的一個重要特點。比如在計算機硬件的設計中，就需要經過三個過程，從概念結構到邏輯結構，再到物理結構，這三個模塊層次分明。

1.2 計算機硬件知識體系的特征

一般而言，計算機的硬件知識點難度都不小，如在存儲系統中，就會涉及局部的存儲和訪問，以及如何精心相關的替換算法和存儲系統的應用諸多問題。同時，計算機硬件知識的理論知識和實際的要求卻相差甚遠，例如說電腦中都會有CPU這一核心配置，但我們卻很難看到CPU的具體內部結構。

1.3 知識體系的重點和界限變化快

以往的硬件知識體系培養的是人們設計電腦硬件的能力和底層使用的硬件，而從上世紀八十年代后期開始，硬件知識體系則是以嵌入式系統的設計、軟件和硬件的結合為目標。同時，硬件知識的重點也有了很大改變，同時，界限也在變化。

2、計算機硬件知識體系結構框架

2.1 計算機硬件知識的教學目標

計算機硬件知識的教學目標主要有以下三個：讓學生掌握相關的計算機硬件知識，為以后的計算機軟件和其他知識的學習奠定基礎；學會嵌入式系統的相關技術和設計方法；形成能夠直接以已有的基礎知識來運用計算機。計算機硬件所研究的包括對計算機的工作原理、結構的分析和以及一些編程和技術的運用。

2.2 計算機硬件知識體系結構框架

計算機硬件的知識體系可以分成以下四種：工作原理知識系列、編程應用知識系列、組成結構知識系列和技術方法的知識系列。這四者的具體的構建方法和如何構建各有不同。比如說工作原理的知識系列通過一定手段讓理論知識轉化為現實，這可以通過一些相關的過程驅動、指令執行等來實現；而編程應用知識系列則不同，編程應用看重的是從基礎知識到具體應用和操作的一種轉變，編寫程序可以通過一些特性結構、指令系統等來實現。具體來說：

工作原理的知識系列的重要內容是計算機的組成和結構方面的一些知識，它是計算機硬件的基礎知識，也是重要根據。工作原理相關的主要知識包括：順序程序驅動的含義和重要性、電腦指令的表現形式、控制器的使用以及程序設計的一些基礎知識。

作為計算機硬件知識體系中的核心，組成結構方面的知識對于計算機的使用有著十分重要的意義。組成結構方面的知識涵蓋了計算機的組成原理、數字邏輯和系統結構等多方面的知識，如運算器和邏輯代數等重要部件的設計方法和相關的存儲系統等。

除了以上兩種知識系列，編程應用知識系列也是重要的知識系列之一。編程應用是計算機硬件技術的目標之所在，介紹的是匯編語言和相關的程序設計、計算機系統結構等相關內容，如指令系統、接口芯片和微型計算機的結構等都是編程應用知識體系中的重要知識點。

此外，作為計算機硬件技術的一大思路，技術方法的知識體系的重要性越來越受到肯定。技術方法方面的知識體系主要涉及了計算機組成原理、微型計算機的組成原理和相關的接口技術等，具體的包括數字指令的種類、流水線技術和互聯網的網絡技術等等。

3、如何構建計算機硬件的知識體系結構

正如前面我們所提到的計算機硬件知識體系的四種系列，在構建相關的知識體系的時候也應當加以區別對待。

3.1 工作原理的知識體系的構建方法

在構建工作原理的知識體系時，應當本著從理論到實踐的想法來構建。計算機硬件方面的知識有許多是理論性強，較抽象的，這就需要我們能將這個抽象轉化為具體的操作。如計算模型本身是一個較抽象的概念，在這個概念的表達中，我們要加深對計算過程的程序和驅動的認識，以及加深對數字指令的和運行方面的認識，這樣就能更加明白的理解誒怎樣通過控制計算機中的相關元件和配備來達到計算的目的。

3.2 編程應用知識體系的構建方法

在構建編程應用知識系列的鍋中中，要遵循從基礎到應用的指導思想。我們直接通過給計算機指令來讓機器運行，這時的計算機指令的能夠和執行的基礎就是計算機的外部特征，同時，機器之所以能夠執行這些指令，依靠的又是在計算機里編寫好了的程序，在這個基礎上，計算機才能夠計算和解決那些實際意義的應用難題。

3.3 組成結構知識體系的構建方法

和工作原理知識系列的構建不同的是，組成結構的知識體系應當遵循從部分到整體的方法。部分是局部的概念，要將部分納入到整體中去。如邏輯元件是計算機系統中的最小組成單元，我們通過對邏輯元件等小的計算機器件的內部結構及其功能的認識，進一步能夠加深對整個計算機操作系統的組成和功能設計等的認識，這就是通過部分認識整體的一個方面。

3.4 技術方法知識體系的構建方法

技術方法知識體系的構建應當遵循抽到到具體的轉變。計算機的功能如何是計算機程序設計等的重要基礎，概念性的結構較為抽象、不容易理解，而計算機的物理性結構則較為具體，因此，應當以某種邏輯形式或聯系來將它們連接好。

4、結語

總之，在計算機應用如此廣泛的今天，如何掌握計算機的硬件和軟件方面的必備知識是我們都需要關注的問題。因此，計算機硬件知識體系的構建也日益重要。筆者相信，在不斷的探索之下，計算機硬件知識體系的結構框架會越來越完整。

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0．引言

本文介紹的是一款具有流線外形，采用輕量化設計，適合在城市高架線路上運營的全新b型鋁合金鼓形車體。得益于鋁合金型材擠壓技術和折彎技術的日益成熟，車體輕量化設計的可靠性和穩定性得到了有力保證。 本設計存在兩大技術難點：其一是據現有擠壓和焊接工藝，設計滿足全壽命使用要求的輕量化車體結構；其二是設計滿足流線形頭罩安裝的功能情司機室骨架結構。本文將就上述兩點分析車體結構，并利用有限元方法對其結構強度和模態振型進行分析。

1．車體結構設計

本輕量化車體為整體承載的鋁合金全焊接結構，由底架、側墻、端墻、車頂和司機室骨架結構等部分組成，如圖1所示。其主要技術參數如下： 長度/mm 19300 最大寬度/mm 2800 高(軌面至車頂)/mm 3687 車輛定距/mm 12600 車門間距/mm 4450 車體自重／t6.6 整備重量／空載( awo)/t 31 超載( aw3)／人 326 設計時速/km/h 90 車體鼓形斷面以車輛限界為基礎確定車體外部輪廓線及車體鼓形拐點，充分利用了限界空間，擴展了車輛內部的乘客站立空間。圖2為車體結構斷面圖。

1.1 車體主體結構型材設計

車體的主體結構均為大斷面中空型材，主要有底架邊梁、車頂邊梁、端墻、門立柱、側墻板、底架地板等，其總重占車體重量達80%。目前，國內企業能擠壓出滿足鐵路應用要求的鋁合金型材最小壁厚為2mm，隨著截面增大和內部筋板厚度的降低，擠壓難度增加；在車體焊接方面，國內主要采用mig焊，且隨著鋁合金板厚的降低，其焊接難度和變形是不斷增大的。同時，考慮焊接質量和安全性，主體結構須保證連接處型材外壁具有足夠的厚度。

一般情況下，車頂邊梁和長梁型材均采用大斷面、稀疏而厚度較大的筋板，直接導致了車頂重量的增加。這里通過合理配比筋板數量、截面材料利用率等，使重量大幅下降。與以往在長梁型材上加工空調梁不同，本結構單獨設計空調梁并阻焊在長梁上，節省了大量的材料和加工成本，如圖3車頂邊梁、長梁和空調梁組裝圖。

側墻板型材斷面大量采用三角形或梯形截面，3 -4mm的外壁和2-3mm的內筋板，保證了側墻的平面度和剛度，其型材見圖4。門立柱采用“日”字型腔，較小的壁厚就能達到很好的折彎性能和剛度，結構如圖5。

底架邊梁內筋板厚度為3-4mm，外壁厚度約5mm，保證了結構剛度和焊接性，如圖6底架邊梁型材圖。為簡化安裝和增加長地板的設備懸掛能力，長地板上分布了大量的c形槽，如圖7a長地板型材圖。

端墻包括端墻立柱和墻壁，為了保證端墻的穩定性，采用了一塊整體型材，如圖7b端墻型材。

1.2 司機室結構設計

司機室采用流線形設計，其骨架結構須滿足三個功能：一是強度要求；二是使司機室空間最大化；三是匹配頭罩，預留足夠的安裝空間。

圖8是司機室骨架結構圖，其設計重難點包括以下幾個部分：

1)主橫梁及支撐立柱。為增加連接的可靠性，應增加主橫梁與門立柱的焊縫長度，同時預留頭罩粘接區域。主橫梁與門立柱焊接區域要避開門立柱的折彎區，同時應考慮司機操縱臺的主要是安裝及視野開度等對主橫梁的高度要求。

2)縱梁。司機室門立柱變形主要是主橫梁縱向擠壓引起的。為減小門立柱的變形，分散縱向力，這里設置縱梁與主橫梁相接，將縱向力傳遞到車頂，并在縱梁彎曲前段設置了三根彎橫梁，向門立柱上部傳力。此外，縱梁仰角、折彎半徑和斷面尺寸是設計中優化的重點。

3)彎橫粱。結構設計的關鍵在于設計適當的彎曲半徑、u型材的截面和撐板等。

4)與接口有關的功能結構設計，主要有前窗上橫梁和短縱梁。

2．有限元建模

2.1有限元模型

本計算采用i-deas仿真軟件，根據車體型材和板材的不同厚度，將三維模型簡化為不同板厚的幾何中面，而后離散為具有相同材料屬性的網格模型。計算模型包括196687個節點，250688個殼單元，其中四邊形殼單元( she11)245329個，三角形殼單元5357個，剛體單元2個。

2.2計算工況

參照標準en12663—2000:鐵路車輛車體的結構強度要求，共計算了22種工況，主要考核工況如下。

工況o:awo空載工況；

工況1:aw3超載工況，客室區站立區9人/m2；

工況2：1.3倍aw3工況；

工況3：工況1+縱向800kn壓縮力；

工況4：工況l+縱向640kn拉伸力；

工況5：工況0+縱向300kn前窗壓力；

工況6：工況0+縱向300kn后端墻壓力；

工況7：帶轉向架四點架車，每個轉向架5.75t；

工況8：復軌工況，垂向awo+頂車端轉向架重量5.75t，；

工況9：牽引梁三點架車，垂向awo，一頂車點放開垂向約束；

工況10:枕梁三點架車，垂向awo，一架車點放開垂向約束。

3．結果分析

3.1車體變形

aw3狀態下，相對于無重力狀態，底架邊梁的最大垂向位移為7.3mm。根據gb/t7928-2003《地鐵車輛通用技術條件》標準，“在最大垂直載荷作用下車體靜撓度不超過兩轉向架支撐點之間距離的1%‰”，該車的兩轉向架支撐點之間距離為12600mm，所以該鋁合金車體的剛度符合要求。

3.2應力分析

設計許用應力[σ]是由材料極限應力除以相應的安全系數得到的。應用中根據設計工況出現的概率和重要程度來確定安全系數的大小。如運營載客工況，選用較高的安全系數1.3，復軌架車工況等選用較低的安全系數1.1。根據材料和制造工藝的不同，計算結果應相對安全系數有一定的裕量。

超載狀態下車鉤壓縮載荷工況，車體各主要零部件的應力如表1所示。

圖10-13是各極限工況下的危險點應力云圖。計算結果顯示，各工況下車體結構及焊縫的計算應力均小于相應許用應力，滿足設計要求。

4．模態分析

模態分析可以計算車體結構的固有頻率和確定車體的振型，而固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，模態分析還可用于判斷結構的整體或局部的剛度。為提高車體剛度，保證車輛在要求的空間限界內，避免由于外界激振引起車體的不良動態響應，提高車輛舒適度提供參考。 此次分析用質量塊模擬設備重量加載在車體上，并采用了拉格朗日算法。計算分兩種工況，即空車自由模態和整備狀態自由模態。表2是車體空車自由模態和整備狀態自由模態的前6階計算結果。

通常，轉向架的振動頻率為4-6 hz。而車體整備狀態下一階垂向彎曲頻率為9.82 hz，為轉向架振動頻率的1.6倍以上，不會與轉向架產生激振，符合設計要求。圖14和圖15是車體整備狀態自由模態的前兩階振型。

5．結束語

通過對車體結構進行有限元分析，其結果表明車體的結構強度和剛度均滿足en12663-2000標準要求。其流線形的司機室骨架結構和輕量化設計為b型地鐵鼓形車體結構的優化設計提供了技術基礎。