一、多媒体资源与认知过程的整合
多媒体技术的发展，为历史学习提供了丰富的信息资源。运用多媒体进行历史教学，必须在新课程标准的理念下设计、制作和使用多媒体课件，使多媒体资源的使用与学习主体的认知融为一体，实现师生互动，“人机交互”。如在学习《秦王扫六合》时，通过展示“秦始皇兵马俑”的图片，创设认知情境；播放“秦灭六国”的动画，配以战马奔驰的音响效果，使学生认识统一的历史过程；展示战国时期不同的文字和货币图片，使学生感知统一措施的必要性；展示秦长城和明长城的图片，使学生通过对比加深对万里长城的感知等。每一媒体信息，都为一定的教学目标服务。在设计历史教学课件时，必须树立“以学生为中心”的教学思想，在课件结构上，可采用模块化思想，变线性结构为“非线性结构”，将课件设计成学生学习的导航器，并注意增强课件的交互性及其界面的人性化，使课件流向能够根据教学需要随意调度。那种让计算机教师把历史课件设计成顺序式结构，上课就是按键和顺序播放的做法，只不过是由“教师中心”演变为“电脑+教师中心”，由“人灌”变成了“机灌”，它强化的只是教师的主动性和学生的被动性，甚至于教师也成为计算机的“奴隶”。因此，利用多媒体进行初中历史教学，必须符合学生的认知规律，必须注意课堂的宏观调控和引导，同时根据教材内容，充分利用计算机的强大交互功能，高屋建瓴地创设一些情景引导学生自学、思考和分析，而不是受课件限制和左右，失去教师在课堂的主导地位。
二、多媒体手段与传统手段的整合
计算机有着其他媒体无法比拟的优越性，在多媒体教学中占据核心地位，特别是动态演示更是常规教学手段所能企及。但常规教学手段的许多特色功能也不容忽视。如投影机的放大演示功能，展示台的实物静态展示功能，教学模型的空间结构功能等，都是计算机所不能完全替代的。如果在历史教学中纯粹以计算机代替小黑板和挂图，单纯让计算机“唱戏”，而忽略教师的板书、语言和教态，那将会使历史教学变得更加呆板和僵化。实际上，教师的讲授仍是目前历史教学的主要形式。生动幽默的语言、入木三分的分析、和蔼可亲的教态，加深了学生对历史知识的理解和掌握，更能培养学生的思维，丰富学生的情感。例如，让学生在预先准备好的小黑板挂图上填写“战国七雄”的方位，再辅以教师的“口决”（“东齐西秦南楚北燕，赵魏韩在中间”），其效果要远胜过单纯的计算机地图展示效果。实践也证明，那种“用鼠标代替教鞭”，“用屏幕代替黑板”的提法未免过于偏激和片面。在初中历史教学中，只有根据教学需要，选择合适的媒体，让现代手段与传统完美整合，灵活运用，才能提高学习效益。
中国青年政治学院计算机中心 马竹青(mazhuqing@263.com)
摘要：通过对计算机软件发展的四十多年历史的回顾，详细论述其发展的三个不同阶段：开创阶段、稳定阶段以及发展阶段的过程与特点，让读者了解计算机软件发展的特性与历史，从而更好地掌握计算机软件的开发与应用。
关键字：计算机软件、计算机语言、软件开发
自软件开发到现在已有四十多年历史了，在整个软件发展历史过程中，已经取得了划时代的成就，为了更好的理解计算机软件是计算机的灵魂并了解她的今天，这里让我们一起来回顾她的昨天。
我们将悠久的计算机软件历史分成三个阶段：
开创阶段：1955年到1965年
稳定阶段：1965年到1985 年
发展阶段：1985 年到现在
开创阶段
计算机在1946年出现时，占地2百余平方米，用电数千瓦，价值百万美元，而运行速度只有每秒千次，但它却为破译密码和武器弹道运算立了大功。六十年代大型计算机已发展到每秒百万次以上，能够进行快速复杂的计算，随着科研、金融和政府部门的需要而逐步形成了较大的计算机市场。
而计算机软件历史真正开始是在美国和欧洲的实验室里，大多数研究结果也产生于实验室。它们多数来自于学术界，其余产生于政府和私人公司。
在1955年到1965年这个期间，运算速度越来越快、价格越来越便宜的新计算机不断涌现，软件工作人员就需要不断针对不同计算机写出新的软件。这种变化速度令软件人员应接不暇。
在此阶段，计算机硬件向着专门用途发展，科学与商业领域需要的是完全不同的机器硬件。商业计算机具有变字长的特性，即有“清字标记”和“置字标记”，指令集为十进制。而科学计算机使用的是固定字长，当时定36位为一个字，而不是采用二进制计算。这种不同用途的机器使用不同字长，这给编程带来难以想象的困难。
频繁重写相同的软件触发了另一思想——软件移植，工业界中的软件研究人员试图将一台机器上汇编语言自动移植到另一台，但是却失败了。原因是60%或80%代码较容易移植，而余下的40%或20％必须人工移植，又是较复杂的代码，因此非常困难。多年来仍然不能完全解决问题，直到高级语言的产生。最早的FORTRAN语言在五十年代中期诞生的，五十年代后期出现了第一版COBOL语言，而ALGOL语言产生于六十年代早期。当时，高级语言不能被编制人员所接受，他们认为真正的编程人员应当使用汇编语言。
之后，软件业从计算机工业中独立出来，成为一枝新秀。那时，硬件厂商开放了他们的系统软件（由于没有这种开放，不能进一步推销他们的产品），有几个公司开始提供定制软件的服务，然而那时没有专门经销软件的公司。由于软件免费，用户相互赠送，使软件不断重用与推广，并鼓励共享软件的发展。例如，IBM科学用户组织SHARE提供了软件重用的目录清单，包含了三角函数分类和合并计算的多个数学程序，并对进入了SHARE目录中的软件产品，能给予此领域的最高荣誉。
60年代初期，学术上还没有计算学科、计算机科学和信息系统，然而却在实践中产生了以后称为“软件工程”的萌芽。软件工作者开始学习模块编程的方法，并涵盖了基本数据结构有关的子程序，从而使其易访问。现在，人们称为数据提取，并进一步拓宽到面向目标，但是那时的软件人员就已经意识到它的思想与价值。
此阶段，曾经出现过软件危机。即软件方面投入的资金和人力无法控制，软件开发完成的时间无法确定，软件的可靠性等等。例如，1962年7月22日美国飞往金星的火箭控制系统中的指令，DO 5 I = 1，3 误写成DO 5 I = 1.3，使火箭偏离轨道，被迫炸毁。
此阶段是激动人心的年代，随着计算机硬件以令人生畏和惊奇的快节奏发展，计算机软件在计算机业中越来越占据着重要的地位，她开创了自己的事业，从计算机业中独立出来。
稳定阶段
这期间，出现了IBM等计算机大公司，是大型机硬件导向占主导地位的阶段。此时计算机成为专业人员使用的专门设备，普通老百姓用不了，也用不起。年产量不足数万台，市场有限，这样IBM360计算机将软件工业带入了稳定发展阶段。
IBM360采用了系列机的思想，开创了CISC时代（复杂指令系统计算机），目的能使指令系统兼容。新型机或高档机的指令系统在原有机型上只能扩充而不能减少任何一条指令，以达到软件兼容的目的，这样就导致日趋庞大的指令系统使计算机硬件的研制周期变长、运行速度慢、可靠性差、难以调试和维护。为了改进，提出了RISC（精简指令系统计算机）技术。RISC技术使指令数量大大减少，再加上一些其他措施（如指令系统面向寄存器，使数据能直接存储），从而大大减少指令执行所需要的周期数，极大的提高了计算机的计算速度。同时IBM360机为软件领域带来了重要发展。它使科学与商业应用合二为一，且同时使用十进制和二进制两种算法，它不再有讨厌的变字长。
随后，又产生了笨重的工作控制语言（JCL），使程序员只要把卡片塞进读卡机，然后按“启动”就可以运行程序。JCL要求用全新的语言编写程序，它能告诉计算机和操作系统按人的需求做相应工作。JCL太繁琐，这也许因为它包括了科学和商务所需的一切服务功能。然而JCL是360机上最不受欢迎的程序语言。
随着360机汇集科学和商务应用在一台计算机上，IBM也希望将所有的计算机语言合成一种语言。PL/1就这样诞生了，它不仅包含科学计算FORTARN和商务计算COBOL语言的功能，而且还具有新生语言ALGOL的功能。
除了IBM360带来的软件发展外，在稳定阶段，形成了软件的独立经销。几个敢于冒险的软件商开始销售他们的软件产品。这在当时极其不易，因为硬件厂商为阻碍软件发展，防止软件分离以形成独立行业，故意将软件的价格压得很低，无利润可赚。随着软件领域的稳定发展和新软件产品的问世，它们逐渐成为公司和市场的商品，价值连城。软件维护与更新也成为一项日益重要的工作。从而形成了计算机软件市场经济。
稳定阶段中开始出现了计算机学科的学术讨论。第一个计算机科学程序在六十年代晚期奠基，不久以后又编制了第一个管理信息系统程序。当时计算机软件工程还没有从计算机学科中分离出来，直到微型计算机年代才独立成为一门学科。尽管当时没有形成学科，然而软件工程研究一直在进行，重点聚集在计算机语言的问题上。
在此阶段，一些计算机科学家大力宣传他们引入的新思想。人工智能就是第一个竭力宣扬的学科，即称之为“有知觉”的机器，可以模仿人类大脑的功能，并期望代替人类大脑去做任何事情。
随后又出现了“控制领域”的议题。反控制反垄断的战斗打响了，美国司法部门起诉IBM公司，声称它发展太快，且正在垄断计算机行业。当时，许多人将硬件工业比喻为“白雪公主和七个小矮人”，这里IBM是白雪公主，其他计算机硬件小公司是七个小矮人。例如RGA、GE和Xeroe等等公司。这些小公司逐渐萎缩，直到从计算机行业中消失。标准化组织也成为当时反控制反垄断的急先锋。它坚持只有统一计算机标准，各个公司才能参与并达到公平竞争。
同时，软件商与硬件商也开始竞争。硬件商努力保持软件的低价，以阻碍软件行业的形成。但是无论怎样阻挡，总有一些软件商脱颖而出，成为胜利的娇娇者。
此阶段由于计算机硬件变化节奏缓慢一些，属于较平稳的年代，计算机软件随着平稳发展，并确立软件在市场的重要地位，成为商品并逐渐变得被人们理解和接收。
发展阶段
此阶段是再一次激动人心年代，计算机已经普及和无处不有，同时软件业在计算机行业成为不可缺少部分并取得了辉煌胜利。
这个阶段是软件发展过程中最重要的时期。因为PC机和工作站以半年更新一代的令人目不暇接的速度，势不可挡地入侵小型机、中型机甚至大型机领域，从而使计算机无处不在，计算机走出了象牙塔，走进了平常百姓家庭，走进了普通人办公室。在家里、办公室、银行、邮局等生活工作的周围，处处可见计算机的应用业绩，普及流行速度极快，蓬勃向前。
过去存在的大量问题被解决了。老的JCL问题已经由友好用户、友好程序界面解决。图形用户界面（GUI）普及与流行，业已成为八十年代计算机领域最伟大的功绩。以前的FORTRAN和COBOL语言都没能解决用户界面的友好问题，而可视化软件编程才改变了这一现状。
由于VLSI的迅速发展，RISC的控制器又很简单，这就使RISC能集成在一个芯片上。CISC控制器需占芯片面积50%以上，而RISC的控制器仅占6 - 10%，这使RISC芯片具有极高的性能。到九十年代RISC技术被引入了到PC机内，使同样功能的计算机成本只有CISC的一半不到。随着VLSI进一步发展，已使巨型机上使用的并行处理技术能融入到RISC中。一方面采用新材料、新工艺，进一步提高主频，另一方面采用了超级流水线技术、并行流水线技术和超长指令字VLIM技术，极大地提高了RISC芯片的并行处理能力，使RISC进入了具有划时代的时期。
软件作用和价值牢固地树立起来了。人工智能、知识工程、专家系统以及神经网络领域的研究得以发展与深化。软件市场在世界范围内比较快的速度增长，在美国犹他州已出现以软件为主的第二高技术产业区。目前软件的发展速度已超过硬件产业，占信息产业的主导地位。美国垄断世界软件市场的格局，一时很难发生变化。微软公司软件巨头比尔.盖茨在五年前已成为美国首富，现在又是世界首富。随着市场分割，过去反控制反垄断的竞争也被分解了。IBM公司成为大型机之首；Intel公司是计算机芯片之王，也可以称为计算机硬件之王；Microsoft公司成为微机软件之冠。但是希望成为大型机软件之王的竞争仍然在继续。
软件特性体现为：软件进入结构化生产时期，以结构化分析和设计，结构化评审，结构化程序设计以及结构化测试为特征；从八十年代中期开始，软件生产进入以过程为中心的开发阶段；从1995年开始，逐步进入以软件过程，面向对象和构件重用等技术为基础的软件工业化生产时代。
此阶段软件业绩为：
关键词：初中生；信息文化；素养
中图分类号：G631 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）33-0234-02
初中生的信息技术教育已不仅仅是单纯的应用层面的计算机技术训练和知识的传授，而必须融入更多的信息文化素养的培养。信息文化素养是一种以培养学生信息意识、信息处理能力和人格教养为目标的教育，它首先包括运用各种计算机及网络工具获取、处理、创造、表达、应用信息的能力，还包括培养和提高信息时代公民的道德、情感、以及法律意识与社会责任。在信息技术教学中，教师要获得理想的教学效果，在传授基本计算机知识和操作技能的同时，应注重学科文化建构。全面提高学生信息素养是初中信息技术教学的发展方向。
一、初中信息文化素养培养现状分析
在现在的初中信息技术教学过程中，教师往往注重引导学生学习操作技能，采用任务驱动，强化学生的技术应用；但对技术所蕴藏的丰富文化信息挖掘不够，也不注重引导学生对技术背后人文因素的感悟与理解，使得在课堂上学习获得的技术成为了一种冰冷、枯燥的工具，缺失了信息技术学科最起码的文化内涵。在轻视、放弃信息技术教学中信息文化素养培养的同时，伴随着计算机技术和网络的发展，各种不良影响正逐渐影响着初中生人生观和世界观的形成。形成这种局面的原因有以下两个方面：一是信息技术教学理论相对薄弱。信息技术与其他学科相比，教育研究的普及性及深度、广度上存在着明显的差异。信息技术发展迅速，技术更新快，学科教学研究把更多的注意力聚集于技术更新的学习与研究，而学科教学理论相对滞后，教师也缺乏信息文化素养方面的实践研究经验和理论指导。另一方面，学校与社会对信息技术学科认识存在偏差，部分人认为初中信息技术只是一门学习计算机技术的“副科”，没有必要关注其背后更多的内涵和文化建设。
二、信息文化素养的培养
在信息技术课堂进行信息文化素养的培养，信息技术教师必须敏锐、准确地对教学内容进行分析和提炼，让信息技术学科文化成为学生喜欢了解、乐于探索的内容。初中信息文化素养培养是多方面的，笔者根据自己的一些教学体会，讲述其中的几条途径供参考。
1.与实际相结合，给课堂融入计算机硬件文化。信息技术分硬件部分和软件部分，通常教师比较关注软件部分的教学。硬件部分无论从原理、结构上都是比较难的知识，因此，要将信息学科文化融入教学比较困难。教师在教学时融入实际的计算机硬件拆解和虚拟采购，可以提高学生的兴趣的同时，将计算机元件的价格、选型、外观等信息融入到教学中来，可以培养初中学生对计算机硬件有更加直观和深入的认识。笔者在课前预先准备了四台报废的计算机，将其拆解，并在各种硬件设备上贴上了名称标签，在操作课前，让学生分小组讨论交流，并做好网上查找内容的任务清单，让学生在网上了解相关知识后，告诉学生虚拟购机的网址。学生根据已经了解的硬件设备特点和价格后，挑选自己喜爱的硬件进行虚拟购买。学生从这个虚拟购机的过程中进一步认识了计算机硬件及其价格知识，取得了良好效果。注重包含现实意义的计算机知识的教学，能够激发了学生的学习兴趣，同时使计算机硬件文化有效地融入到课堂教学中。
2.立足史料，关注技术背后文化的渗透。关注信息技术发展的历史，可培养学生对信息技术作为一门学科的思想体系、文化内涵和创造价值的认识能力。在信息技术教学中可以经常穿插计算机发展史料和IT界的风云人物及他们的小故事，这些信息技术史料的渗透，对学生所产生的感召力，比让学生多学几步操作技能更有深远的意义，学生能从诸如此类的史料文化中终生受益。如浙教版信息技术七年级上册第七课《编辑文字》，其编辑的文字内容是计算机发展史，笔者把这课分成两课时。第1课时设计如下：先让学生看史蒂夫・乔布斯2005年在斯坦福大学演讲视频和演讲稿，以激起学生对于计算机发展史的兴趣，然后让学生通过网络了解计算机的发展史，最后让学生完成事先准备好的有关计算机发展史知识点的“分类游戏”，通过“分类游戏”，学生们进一步掌握计算机发展史。第2课时则用计算机发展史素材进行排版，引导学生在这些计算机史料之中体会其中丰富的文化内涵，同时也体会其中蕴含的丰富的人类文明的创造价值的风采，从而让学生对于信息技术产生学习的信心和动力。
3.立足学科整合，有效开展文化渗透。信息技术与其他学科课程整合分为两部分，一是利用计算机和网络技术作为工具和载体，辅助其他学科的课堂教学和自主学习过程，用更加直观有趣的方法表现数学、英语、语文、物理、化学、生物和其他学科的知识点和难点，有静态媒体无法实现的优点。另外一方面，在其他学科里面有很多知识是与信息学相关的，在这些知识的教学时，结合计算机技术可以让学生更加深入了解这些知识的意义，使学生在信息技术与学科课程的整合中获得智力开发和创造能力的培养，了解了知识背后的原理和学习意义。例如，计算机的数制转换通常是在初中数学课中出现，学生往往只能学习如何求解这些题目。实际上，这个内容可以融入到信息技术课程中，引领学生理解在数字电路和计算机中，利用开关电路实现“0”和“1”运算和存储的原理，使学生在知其所以然的情况下轻松解答这类题目，理解这类题目的意义所在。
4.加强信息伦理道德的渗透。由于网络技术的突飞猛进，同时家用电脑、笔记本、平板电脑、智能手机等硬件设备普及率非常高，多数初中学生可以非常容易获取庞大的网络信息资源。面对没有归类和屏蔽的网络社会，如何获得有价值的信息必须基于学生信息伦理道德的培养。初中生需要有良好的信息道德观，善于区分信息的好坏，是学生信息文化素养重要的因素。
在课程教学的同时，教师要逐步让学生知道如何辨别网络信息中的真实性，在信息时要遵守道德行为规范，要有责任心，共同维护网络；要让学生理解软件的版权问题，不能够通过网络剽窃；对网络的效率要有认识，错误的信息通过简单的传播会迅速造成恶劣的影响，无法控制，因此不可以传播虚假的信息；在教学中融入“知识产权”、“盗版”、“黑客”等涉及计算机网络安全和道德的内容，可以非常有效地将信息伦理道德渗透到教学过程中。
5.立足自我，提高教师文化素养。提高教师的信息技术文化素养，才有可能让信息技术课堂充满文化气息。教师可以通过参加学科教研活动获得实践研究经验和理论指导，通过学习和总结形成必要的知识结构。教师备课要充分，不但要准备各种虚拟素材、实物素材，而且要对原理和方法追本溯源、引经据典，充分准备相关材料。教师要提升自己的信息学知识结构，提高自己的网络信息道德修养，掌握更多的计算机及网络相关知识，可以将这些融入日常教学中，达到提升学生素养的目标。
三、总结
在初中信息技术教学过程中，我们要关注对学生信息文化素养的培养，构建和完善信息文化素养培养理论体系。我们可以从给课堂融入计算机硬件文化、关注史料、学科整合、加强信息伦理道德的渗透、自觉地提高自身文化修养等方面入手，将那些凝结在技术上的丰富的文化信息“润物细无声”地渗透至学生的思想深处，从而潜移默化地影响初中学生对信息技术的正确认知和学习，培养出合格的、有现代信息素养的新人，真正把素质教育推向前进。
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关键词：中职；计算机硬件；实践教学；系统教学
随着计算机技术在各个行业应用的不断深入，基础计算机人才的需求日益加剧。作为我国基础技术人才培养的基地，中等职业院校计算机教育工作对我国基础技术人才的综合能力有着重要影响。如何从实际应用出发培养学生的实践能力、培养学生计算机理论知识的系统性是现代中职院校计算机教学工作开展的重点。
一、以人才需求为基础进行中等职业院校计算机硬件教学工作
现代社会对专业技术型人才的需求正在向着具有系统理论知识结构、具有较强实践动手能力的方向发展。这一需求的改变使得中等职业院校培养方向必须以实际需求为导向，优化计算机硬件教学内容，使学生的计算机硬件理论知识结构更加完善。同时注重学生实践能力的培养，为其走上工作岗位后快速进入工作角色奠定坚实的基础。教改后的中职院校培养目标加大了对实践能力培养的力度。针对这样的情况，现代中等职业院校计算机相关专业的硬件课程教学中，必须强化理论知识系统性及实践能力，紧跟计算机硬件技术的发展，为中职院校实践型人才培养奠定良好的基础。
二、计算机硬件教学——以实践教学与系统教学的结合为重点
（一）改进计算机硬件教学方式，促进计算机硬件教学实践能力与系统性的提高。
中等职业院校生源结构使得其生源基础较差，学习方式不科学、学习兴趣较低是普遍存在的情况。针对这样的情况，中等职业院校计算机硬件教师必须以科学的教学方式与教学模式提高学生的学习兴趣，同时注重改善学生的学习方法，以促进计算机硬件教学质量的提高，为计算机硬件教学中培养学生良好的实践能力、系统的理论知识奠定良好的基础。
（二）注重理论教学的总结与归纳，提高学生计算机硬件理论知识系统性。
系统的理论知识是培养学生计算机硬件实践能力的基础，是现代中等职业院校计算机硬件教学中的重点。现代中等职业院校的计算机硬件教师应在教学过程中通过理论教学的总结、归纳、回顾性复习等方式帮助学生提高计算机硬件的理论知识系统性，为其实践能力的培养奠定基础。在进行理论教学的过程中，针对学生在具体应用中可能遇到老旧型号计算机的情况。现代中等职业院校计算机硬件教学，除初步对主流硬件技术的介绍与讲解外，还应对计算机硬件发展的历史沿革、技术情况进行教学，以此为学生的实际工作奠定良好的理论基础。通过有针对性的、系统的理论教学使学生获得计算机硬件技术方面的基础知识、基本思想、基本方法和基本技能，培养学生利用硬件与软件相结合的方法，分析解决本专业及相关专业领域问题的思维方法和初步能力，使学生掌握计算机硬件中具有基础性、系统性、先进性和实用性的基本知识，了解计算机硬件系统结构和工作原理，了解计算机硬件技术的历史、现状和发展趋势，掌握微型计算机使用、组装和维护等方面的技能，能为学生的实际工作提供坚实的理论基础。
（三）以基础实验巩固学生理论基础的同时，培养其实践能力。
在进行计算机硬件理论教学的同时，中等职业院校计算机硬件教学工作还应注重学生基础实验的教学工作，以此巩固学生理论基础的同时，培养学生实践能力。在计算机硬件基础实验教学中，教师要培养学生良好的计算机硬件组装、维护习惯，如维修前断电操作、接触硬件前消除静电等。以此为学生养成良好的实践习惯奠定基础，为其工作中的安全提供基础保障。在计算机硬件教学中，教师还应着重对学生硬件系统检验能力进行培养，减少和降低由于硬件匹配问题造成的硬件故障。
（四）以教学一体化模式促进培养学生系统教学与实践教学相结合的综合运用能力。
现代中等职业院校的计算机硬件教学的理论与实践教学是分开进行的，为了提高学生理论学习的积极性及其对理论知识的“消化”理解，中等职业院校应以教学一体化的模式，压缩单纯的理论课，将理论知识在实践课程中穿行，以此提高学生的学习积极性，促进学生理论知识掌握的同时，培养学生理论指导实践的意识。针对中等职业院校学生毕业方向，在进行计算机硬件教学过程中，还要以学生工作方向为导向，突出实践能力培养的重要性，开展以理论结合实践的实践课程教学。同时，模拟学生可能在工作中遇到的问题，将传统实践教学转变为以模仿工作情景的方式促进学生理论基础与实践的结合。
（五）运用多种教学方式提高学生计算机硬件课程学习的系统性与实践能力。
针对中等职业院校学生基础、接受能力等实际情况的差别，计算机硬件教师要采用多种方式相结合的教学方式来开展计算机硬件的教学工作。通过具有针对性的差异教学方式使不同基础、不同理解能力的学生都能够在教学活动中完成学习任务，达到教学目的。同时，在教学过程中适当应用问题教学法，提高学生的学习兴趣，精讲多练，达到“教学做一体化”满意的教学效果。
三、以高效的课堂教学促进系统教学与实践教学的结合
在进行中等职业院校计算机硬件教学过程中，以系统教学与实践教学为重的教学活动开展还应注重高效的课堂教学，以此在有限的教学课时内提高教学质量。采用基于项目学习的教学方式，培养学生的学习能力和利用所学到的知识解决实际问题的能力。通过学生亲自参与配置计算机，体验选购计算机硬件的过程，以及教师设置的常见问题等加深他们对计算机系统的组成思考与感悟，从而激发学生探究创新的兴趣和愿望，逐步形成勇于质疑、勤于思考、乐于在探究中获得新知的意识和习惯。通过教学方式、方法的改革提高课堂教学的高效性，促进教学工作中系统教学与实践教学的结合，促进学生理论知识系统性及实践能力的提高。
四、结语
根据上述三点的论述可以看出，中等职业院校计算机硬件教学工作的科学开展是基于学生实际应用、工作为基础的教学活动。其需要中职院校计算机硬件教师具有良好的理论与实践基础的同时，还要具有较高的教学理论知识，针对学生的实际情况、工作需要科学的设计教学方式，以此促进教学工作系统教学与实践教学的结合，促进学生实际应用能力的培养，为计算机应用的基础人才培养奠定良好的基础。
（作者单位：梅州农业学校）
参考文献：
[1]陈为国．关于中等职业技术院校计算机硬件教学活动开展的分析[J]．职教资讯，2009，（12）．
[2]韩丽华．中职院校计算机硬件教学中学生实践能力的培养[J]．中职教育信息，2008，（12）．
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2.1 发展历史
众所周知，IBM是个人计算机的鼻祖级企业。在上世纪60年代，IBM推出了第一台个人计算机。但是，工程师们却发现一个问题，当时计算机的指令都是存储在内存中的，而内存在断电之后，所有的数据都会被抹去。再这样的情况下，IBM的工程师们就希望能够制造出一种移动设备来存储指令。因此，8英寸软盘诞生了。
但是，8英寸软盘体积太大，不便于携带。当时鸡尾酒餐巾的尺寸是5.25英寸，因此，5.25英寸的软盘也横空出世。一时间，5.25英寸软盘在市场上产生了剧烈了反响，人们都对这种新奇又便携的事物产生巨大的好感。虽然5.25英寸取得了成功，但是大多数的企业还在寻求更为先进的软盘。
1980年，索尼公司率先推出了之后使用最为光盘的软盘――3.5英寸软盘。直到2002年U盘的诞生，3.5英寸软盘一直都是市场上便携存储设备的不二之选。当时所有的PC在出厂时都会标配3.5英寸软盘驱动器，这是它一生中最为辉煌的时刻，这一个绝对垄断的地位也持续了20多年。下图就是当时盛极一时的3.5英寸软盘。如图1所示。
2.2 内部结构
软盘的内部结构和硬盘的非常类似。盘片的表面被划分为多个同心圆式的磁道，一个磁道大约有几个毫米的宽度，每个磁道会被划分为存储信息的扇区。扇区是软盘的基本存储单位，但是对软盘的每一次读写都是以若干个扇区进行的，这若干个扇区我们称之为一个簇（在软盘中，通常为一个扇区。但是在硬盘中，还由其他因素决定）。在存储的时候，簇为分配单位，即一个簇中不能包含两个文件的内容。
以3.5英寸软盘为例，其上下面各被划分为80个磁道，每个磁道被划分为18个扇区，每个扇区的固定存储容量为512字节。
2.3 读写原理
通常来说，我们需要软盘读写器来对软盘进行读写。软盘读写器是由控制电路板、马达、磁头定位器和磁头组成的。在运行的时候，马达会带动盘片转动，然后磁头定位器会把磁头定位到正确的磁道上，最后由磁头来完成读写的操作。这与硬盘的工作原理是基本上一样的。
2.4 优缺点
要说优点的话，软盘可以算是非常少了，毕竟已经是被淘汰的产品。如果硬要说有点的话，软盘相对而言比较安全，因为目前来看能够驱动软盘的设备已经不多了，也因此在机场，军事方面还有一些软盘会被使用。
软盘的缺点是非常显然的，体积太大，容量太小，读写速度又很慢。也因此软盘逐渐的退出了历史的舞台，被之后发明的U盘所取代。
3 USB闪存盘
http：///zzwu/article/details/46527119
USBW存盘，又称U盘，是目前使用的最多的便携式存储设备。其体积较小，方便携带，收到了广大用户的喜爱。
3.1 发展历史
2002年，中国朗科公司获得了U盘的发明专利，填补了中国计算机存储领域20年来发明专利的空白。虽然有一些公司对这个专利权进行了质疑，但是无一例外都是以中国朗科公司的胜利结束争夺。2006年，朗科控告美国PNY侵犯了朗科的美国专利。最终在2008年，朗科与PNY在庭外和解，PNY向朗科支付1000万美元的专利许可费，这也是中国企业第一次在美国本土收到巨额专利许可费用。
3.2 内部结构
U盘的内部结构和固态硬盘有些许的相似之处，主要由五个部分组成：USB端口、主控芯片、闪存芯片、PCB底板、外壳封装。USB端口负责连接电脑，是数据输入或者输出的通道；主控芯片相当于计算机的CPU，向U盘的其他部件下达指令和管理；闪存芯片是保存数据的实体，断电后数据也不会消失；PCB底板就相当于计算机的主板，将各个部件链接在一起，提供相应的数据处理平台；最后，外壳封装就是最终包装在U盘外面的保护壳，也是用户能够看到的部分。
3.3 存储原理
U盘的存储并没有软盘那么复杂的物理原理，仅仅是通过电平的高低，由计算机将信号转换成二进制的数字信号读写到USB接口中，最后由主控芯片分配地址，实现存储。对于U盘细节方面的存储原理，需要大量的电子信号方面的知识，因此这里就不在叙述了，感兴趣的读者可以自行搜索相关资料。
因为电子的传播速度非常快，因此在读写方面，U盘比软盘会快很多。也因此，U盘在诞生之后迅速取代了软盘在便携存储的地位。一直到今天，U盘还是便携存储的首选。
3.4 优缺点
U盘作为目前便携存储设备之王，其优点也是非常明显的：小巧，容量大，价格便宜等。而且，对于目前绝大多数的计算机来说，U盘都是即插即用的，即不需要安装什么额外的驱动软件。
U盘的缺点，也可以说是所有闪存盘的缺点，就是其总读写次数有上限。通常来说，一个U盘的读写次数可以达到数10万次。并且随着使用时间的增长，U盘的读写速度也会有明显的下降。
4 移动硬盘
移动硬盘，本质上就是普通的机械硬盘，是一种计算机之间交换大容量数据，强调便携性的存储产品。移动硬盘的结构，原理均与机械硬盘一致，因此这里就以机械硬盘为例，介绍一下其相关的知识。
4.1 发展历史
说到移动硬盘的发展历史，也是非常的有意思。他比U盘诞生的时间更早，但是比U盘火的时间更晚。原先移动硬盘的价格是非常高昂的，技术也是相当复杂。经过十几年的改造与发展，移动硬盘已经成为了普及度最广、应用率最高、发展最快的IT产品之一。
在国内，最早诞生的移动硬盘是USB移动硬盘存储王，它也开启了人们对海量数据移动化的历史进程。
4.2 内部结构
移动硬盘的内部结构和机械硬盘是较为类似的，由盘片，盘体，磁头，转盘转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口和缓存等几部分组成，如图2所示。
硬盘的磁头通过特殊的系统操作后，能够在极短的时间内精确的定位在由计算机指令制定的磁道上。控制磁头的磁头臂只能在盘片的内外磁道之间移动。因此不管开机还是关机，磁头永远在盘片上。
从逻辑上来说，硬盘被划分为了磁道、柱面以及扇区。磁盘在格式化的时候被分为许多同心圆，这些同心圆的轨迹叫做磁道，从0开始，由外到内进行编号。些同心圆并不会连续的记录数据，而是被划分成一段段的圆弧，每一个圆弧称作是一个扇区，从1开始编号。所有盘面上的统一磁道会构成一个圆柱，这个圆柱我们称之为柱面。每个柱面上的磁头由上而下从0开始编号。
4.3 工作原理
在移动硬盘中，信息是以扇区的形式被存储在磁盘上的，每个扇区包含512个字节的数据和一些其他的信息。系统将文件存储到磁盘上时，是按照柱面、磁头、扇区的方式进行的。即最先是第1磁道的第1磁头下的所有扇区，然后是同一柱面下的下一个磁头。在一个柱面存储满之后就推进到下一个柱面，直到将所有的内容写入磁盘。
硬盘读取数据时时，会先将读写磁头沿着径向移动，移动到要读取的扇区的所在磁道的上方。这段时间我们称为寻道时间。到达磁道之后，通过盘片的旋转，使得要读取得扇区转到读写磁头的下方，这段时间成为旋转延迟时间。通过这两个步骤，我们就能够读取用户所要的信息了。
4.4 优缺点
对于移动硬盘来说，它的优点就是容量非常大，当然，这也牺牲了一部分的便携性作为代价：移动硬盘的体积比U盘大了不少。
至于它和U盘之间如何选择，我想还是因人而异吧。如果是一些独立的小文件，日常需要在不同的计算机上访问的，使用U盘更好。如果是对大量数据进行备份的话，移动硬盘是首选。
5 未来的便携存储设备
目前，已经有科技公司在研发一些新颖的便携存储设备。
2012年，Intellipaper公司了纸U盘。简单来说，它用纸来代替闪存芯片和塑料外壳，是世界上第一款可以折叠、撕开的U盘。
水晶硬盘，可以使数据永远存储在玻璃上，具有存储量大，稳定性强的优点。目前，南安普顿大学光电子学研究中心的研究人T和一家立陶宛的公司正在合作，共同研发这种玻璃晶体。
对于我而言，我希望能够诞生一种类似于银行借记卡那样的便携存储设备。每次使用时，需要在计算机上刷一次卡，然后输入相应的密码。这样希望的原因有二：第一，很多时候我们在他人的电脑上使用完U盘后会忘记拔下来。如果只是在使用一开始刷一下，就不会将U盘落下。第二，输入密码可以提高U盘的安全性。目前的家用U盘大多数都是不需要密码的，也就是说，一旦U盘遗失或者被偷窃，其中相关资料都会落入他人的手中。增加一个输入密码的环节也可以更好的保护用户的隐私。
参考文献
[1]Abraham Silberschatz.Operating System Concepts[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]Randal E.Bryant，David R.O’puter Systems：A Programmer’s Perspective[M].北京：机械工业出版社，2016.
作者简介
李笛出乘（1999-），男，浙江省台州市仙居县人。
关键词:多媒体资源 历史教学 整合
随着计算机多媒体技术步入初中历史课堂,传统的历史教学方式开始发生巨变,初中历史教学进入了全新的境界。多媒体强大的交互功能把历史文字材料、历史图片、历史过程等配以视频、音响和动画效果,“真实”地再现了历史,突破了历史的时空限制,控制了历史的运动变化,契合了初中学生以形象思维为主的特征,激发了学生学习历史的兴趣,有效地提高了课堂效率。如果把多媒体资源与初中生的认知过程以及传统教学手段进行有机整合,将现有的硬件设备与课件资源充分整合,将会使计算机多媒体在初中历史教学中更加熠熠生辉。
一、多媒体资源与认知过程的整合
多媒体技术的发展,为历史学习提供了丰富的信息资源。运用多媒体进行历史教学,必须在新课程标准的理念下设计、制作和使用多媒体课件,使多媒体资源的使用与学习主体的认知融为一体,实现师生互动,“人机交互”。如在学习《秦王扫六合》时,通过展示“秦始皇兵马俑”的图片,创设认知情境;播放“秦灭六国”的Flas,配以战马奔驰的音响效果,使学生认识秦统一六国的历史过程;展示战国时期不同的文字和货币图片,使学生感知统一措施的必要性;展示秦长城和明长城的图片,使学生通过对比加深对万里长城的感知等。每一种媒体信息,都为一定的教学目标服务。在设计历史教学课件时,必须树立“以学生为中心”的教学思想,在课件结构上,可采用模块化思想,变线性结构为“非线性结构”,将课件设计成学生学习的导航器,并注意增强课件的交互性及界面的人性化,使课件流向能够根据教学需要随意调度。那种把历史课件设计成顺序式结构,上课按顺序播放的做法,只不过是由“教师中心”演变为“电脑+教师中心”,由“人灌”变成了“机灌”,它强化的只是教师的主动性和学生的被动性,甚至于教师也成为计算机的“奴隶”。因此,利用多媒体进行初中历史教学,必须符合学生的认知规律,必须注意课堂的宏观调控和引导,同时根据教材内容,充分利用计算机的强大交互功能,高屋建瓴地创设一些情景引导学生自学、思考和分析,而不是受课件限制和左右,失去教师在课堂的主导地位。
二、多媒体手段与传统手段的整合
计算机有着其他媒体无法比拟的优越性,在多媒体教学中占据核心地位,特别是动态演示更是常规教学手段所不能企及。但常规教学手段的许多特色功能也不容忽视。如投影机的放大演示功能,展示台的实物静态展示功能,教学模型的空间结构功能等,都是计算机所不能完全替代的。如果在历史教学中纯粹以计算机代替小黑板和挂图,单纯让计算机“唱戏”,而忽略教师的板书、语言和教态,那将会使历史教学变得更加呆板和僵化。实际上,教师的讲授仍是目前历史教学的主要形式。生动幽默的语言、入木三分的分析、和蔼可亲的教态,加深了学生对历史知识的理解和掌握,更能培养学生的思维,丰富学生的情感。例如,让学生在预先准备好的小黑板挂图上填写“战国七雄”的方位,再辅以教师的“口诀”(“东齐西秦南楚北燕,赵魏韩在中间”),其效果要远胜过用单纯计算机地图展示的效果。实践也证明,那种“用鼠标代替教鞭”“用屏幕代替黑板”的提法未免过于偏激和片面。在初中历史教学中,只有根据教学需要,选择合适的媒体,让现代手段与传统手段完美整合,灵活运用,才能提高学习效率。
三、硬件设备与课件资源的整合
初中历史多媒体教学尚处在发展阶段,由于硬件设备缺失、相关课件的匮乏和制作困难、历史教师信息技术水平有限等原因,使得历史课件的利用率很低,往往是公开课现形,随堂课匿迹;即使是多名教师费尽心机苦战多日精心制作的课件,也仅在公开课上露露脸,而在平时教学中则被束之高阁了。要改变这一现象,必须将现有的硬件设备与课件资源充分整合,另辟蹊径,才能化难为易,让更多的课件走进课堂,把更多的精彩呈现给学生。一是可以因地因人制宜,选择制作课件的软件。一些难度较大要求较高的课件,可用比较流行的功能强大的Authorware Director等多媒体课件制作软件,辅以专门的图形图像、音频及动画软件制作完成。但是对硬件条件要求较高,制作复杂,对多数历史教师平时教学而言,不太适合。因此个人建议对于一般性的课件可用Powerpoint制作,它易学易用,省时省力,可收事半功倍之效。二是可以给课件“减肥”。设计课件时应集中精力在每堂课的重点、难点上,切忌堆砌素材,面面俱到;图片的处理宜简洁,切忌滥用色彩,哗众取宠。否则就会分散学生注意力,淡化授课效果。七年级学生宜更多地播放音像资料和动画,增强直观性,八、九年级学生可适当增加理性分析。但是将历史知识的板书和逻辑推导写入课件,在课堂上展示,实际教学效果并无明显增强。三是可采取“拿来主义”,将市面上的历史课件拿来,采用抓图、动画截取等软件选取其中所需部分,重新组合加工制作,过程会轻松得多。笔者相信,随着现代化教育信息技术的发展,多媒体资源整合的空间会日益拓展,初中历史教学将会迎来一个崭新的春天。
参考文献
[1]李克东.信息技术与课程整合的目标和方法[J].中小学信息技术教育,2002,4:22～28
1、始于微型机时代的嵌入式应用:
电子数字计算机诞生于1946年,在其后漫长的历史进程中,计算机始终是供养在特殊的机房中,实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代,微处理的出现,计算机才出现了历史性的变化。以微处理为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点,迅速走出机房;基于高速数值解算能力的微型机,表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,实现对象体系的智能化控制,例如,将微型计算机经电气加固、机械加固,并配置各种接口电路,安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样一来,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称作嵌入式计算机系统。因此,嵌入式系统诞生于微型机时代,嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去,这些是理解嵌入式系统的基本出发点。
2、现代计算机技术的两大分支
由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中,实现的是对象的智能化控制,因此,它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。
通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算;技术发展方向则是:总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。 而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力;技术发展方向则是:与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。
早期,人们勉为其难地,将通用计算机系统进行改装,在大型设备中实现嵌入式应用。然而,对于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元…),无法嵌入通用计算机系统,况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同,因此,必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统,这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。
如果说微型机的出现,使计算机进入到现代计算机发展阶段,那么嵌入式计算机系统的诞生,则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代,从而导致20世纪末,计算机的高速发展时期。
3、两大分支发展的里程碑事件
通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展,导致20世纪末、21世纪初,计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术,不必兼顾嵌入式应用要求,通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列;操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力,使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。
嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路,这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士,接过起源于计算机领域的嵌入式系统,承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务,迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。
因此,现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于:它不仅形成了计算机发展的专业化分工,而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域,使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。
第二章 嵌入式系统的定义与组成
1、嵌入式系统的定义
有些人把嵌入式处理器当做嵌入式系统,但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统的的含义,因此,只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统,并作为嵌入式应用时,这样的计算机系统可称作嵌入式系统。
嵌入式系统与对象系统密切相关,其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求,不断扩展对象系统要求的电路(如ADC、DAC、PWM、、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等),形成满足对象系统要求的应用系统。因此,嵌入式系统作为一个专用计算机系统,要不断向计算机应用系统发展。因此,可以把定义中的专用计算机系统引伸成,满足对象系统要求的计算机应用系统。
如果我们了解了嵌入式(计算机)系统的由来与发展,对嵌入式系统就不会产生过多的误解,而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。
(1) 嵌入式系统的定性
按照历史性、本质性、普遍性要求,嵌入式系统应定义为:“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。
(2) 嵌入式系统的特点
嵌入式系统的特点与定义不同,它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。
与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境(小型)、电气/气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求的特点。
与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性。满足对象要求的最小软、硬件配置等。
与“计算机系统”的相关特点:嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应,这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。
另外,在理解嵌入式系统定义时,不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备,例如,内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。
(3)嵌入式系统的种类与发展
按照上述嵌入式系统的定义,只要满足定义中三要素的计算机系统,都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级(工控机)、板级(单板、模块)、芯片级(MCU、SoC)。
2、嵌入式系统的组成
嵌入式系通常由嵌入式处理器、设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。
1、嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有有利于嵌入式系统设计趋于小型化,并具有高效率、高可靠性等特征。大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器,因而现今市面上有1000多种嵌入式处理器芯片,其中使用最为广泛的有ARM 、MIPS、PowerPC、MC6800等。
2、设备
设备是指在一个嵌入式系统中,除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据设备的功能可以分为 存储器、接口和人机交互。
3、嵌入式操作系统
在大型嵌入式应用系统中,为了使嵌入式开发更方便、快捷,需要具备一种稳定、安全的软件模块集合,用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应,以及提供多任务处理等,即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大的提高了嵌入式系统的功能,方便了应用软件的设计,但同时占用了宝贵的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式系统。嵌入式系统常常需要有实时要求,所以嵌入式操作系统往往又是“ 实时操作系统 ”。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的,从而或多或少都有些实时要求,所以从前“嵌入式操作系统”实际上是“实时操作系统”的代名词。今年来由于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现,也有了不带实时要求的嵌入式系统。另外一方面,由于CPU速度的提高,一些原先认为是“实时”的反应速度现在已经很普遍了。这样,一些原先需要在“实时”操作系统上才能实现的应用,现在已不难在常的操作系统上实现。在这样的背景下,“嵌入式操作系统”和“实时操作系统”就成了不同的概念名词。
4、应用软件
嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域,基于相应的嵌入式硬件平台,并能完成用户的预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入操作系统的支持,但在简单的场合下不需要专门的操作系统。由于嵌入式应用软件对成本十分敏感,因此,为减少系统成本,除了精简每个硬件单元的成本外,应尽可能的减少应用软件的资源消耗,尽可能的优化。
第三章 嵌入式系统的两种应用模式
嵌入式系统的嵌入式应用特点,决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含,要求计算机领域介入其体系结构、软件技术、工程应用方法的发展。然而,了解对象系统的控制要求,实现系统控制模式必须具备对象领域的专业知识。因此,从嵌入式系统发展的历史过程,以及嵌入式应用的多样性中,可以了解到客观上形成的两种应用模式。
1、客观存在的两种应用模式
嵌入式计算机系统起源于微型机时代,但很快就进入到独立发展的单片机时代。在单片机时代,嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中,以电子技术应用工程师为主体,实现传统电子系统的智能化,而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此,电子技术应用工程师以自己习惯性的电子技术应用模式,从事单片机的应用开发,这种应用模式最重要的特点是:软、硬件的底层性、随意性;对象系统专业技术的密切相关性;缺少计算机工程设计方法
虽然在单片机时代,计算机专业淡出了嵌入式系统领域,但随着后PC时代到来,网络、通信技术的发展;同时,嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升,为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入,形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点:即基于嵌入式系统软、硬件平台,以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。
2、两种应用模式的并存与互补
由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造。因此,以通晓对象专业的电子技术队伍为主、用最少的嵌入式系统软、硬件开销,以8位机为主,带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用,但囿于对象专业知识的隔阂,其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面,不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此,客观存在的两种应用模式会长期并存下去,在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中,学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术;计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中,了解嵌入式系统应用的电路系统特性,基本的电路设计方法和对象系统的基本要求等。
3、嵌入式系统应用的高低端
由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路,大多是基于8位单片机,实现最底层的嵌入式系统应用,带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员,都是对象系统领域中的电子系统工程师,加之单片机的出现,立即脱离了计算机专业领域,以“智能化”器件身份进入电子系统领域,没有带入“嵌入式系统”概念。因此,不少从事单片机应用的人,不了解单片机与嵌入式系统的关系,在谈到“嵌入式系统”领域时,往往理解成计算机专业领域的,基于32位嵌入式处理器,从事网络、通信、多媒体等的应用。这样,“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于“单片机”是典型的,独立发展起来的嵌入式系统,从学科建设的角度出发,应该把它的统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点,可以把嵌入式系统应用分成高端与低端,把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用,含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。
第四章 嵌入式系统的低端应用:8位单片机
1、单片机开创了嵌入式系统独立发展道路
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而,微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
在探索单片机的发展道路时,有过两种模式,即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式,它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后,集成在一个芯片上,构成单片微型计算机;“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的,满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统(单片微型计算机),MCS-51是在MCS-48探索基础上,进行全面完善的嵌入式系统。历史证明,“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路,MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。
2、单片机的技术发展
单片机诞生于20世纪70年代末,经历SCM、MCU、SoC三大阶段
SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
MCU即微控制器(MicroController Unit)阶段,这阶段主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面最着名的厂家当数PHILIPS公司。PHILIPS公司以其在嵌入式应用方面巨大优势将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和PHILIPS的历史功绩。
单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
嵌入式系统的高端应用
1、概述
由于网络与通信技术的发展,嵌入式系统在经历了近20年的发展历程后,又进入了一个新的历史发展阶段,即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展 ,并且不断提升低端应用技术水平的时代,其标志是近年来32位MCU的发展。
32位MCU的应用不会走8位机百花齐放、百余种型号系列齐上阵的道路,这是因为在8位机的低端应用中,嵌入对象与对象专业领域十分广泛而复杂;而当前32位MCU的高端应用则多集中在网络、通信和多媒体技术领域,32位MCU将会集中在少数厂家发展的少数型号系列上。
在嵌入式系统高端应用的发展中,曾经有众多的厂家参与,很早就有许多8位嵌入式MCU厂家实施了8位、16位和32位机的发展计划。后来,8位和32位机的技术扩展侵占了16位机的发展空间。传统电子系统智能化对8位机的需求使这些厂家将主要精力放在8位机的发展上,形成了32位机发展迟迟不前的局面。当网络、通信和多媒体信息家电业兴起后,出现了嵌入式系统高端应用的市场;而在嵌入式系统的高端应用中,进行多年技术准备的ARM公司适时地推出了32位ARM系列嵌入式微处理器,以其明显的性能优势和知识产权平台扇出的运行方式,迅速形成32位机高端应用的主流地位,以至于使不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己的32位发展计划,转而使用ARM内核来发展自己的32位MCU。甚至在嵌入式系统发展史上做出卓越贡献的Intel公司以及将单片微型计算机发展到微控制器的PHILIPS公司,在发展32位嵌入式系统时都不另起炉灶,而是转而使用ARM公司的嵌入式系统内核来发展自己的32位MCU。
网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来,无疑为32位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发展空间;同时,也为力不从心的8位机向高端发展起到了接力作用。一般来说,嵌入式系统的高、低端应用模糊地界定为: 高端用于具有海量数据处理的网络、通信和多媒体领域,低端则用于对象系统的控制领域。然而,控制系统的网络化、智能化的发展趋势要求在这些8位机的应用中提升海量数据处理能力。当8位机无法满足这些提升要求时,便会转而求助32位机的解决办法。因此,32位机的市场需求发展由两方面所致: 一方面是高端新兴领域(网络、通信、多媒体和信息家电)的拓展;另一方面是低端控制领域应用在数据处理能力的提升要求。
后PC时代的到来以及32位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专业人士的介入,加之嵌入式系统软/硬件技术的发展,导致了嵌入式系统应用模式的巨大变化,即使嵌入式系统应用进入到一个基于软/硬件平台、集成开发环境的应用系统开发时代,并带动了SoC技术的发展。
在众多嵌入式系统厂家参与下,基于ARM系列处理器的应用技术会在众多领域取得突破性进展。Intel公司将ARM系列向更高端的嵌入式系统发展;而PHILIPS公司则在向高端嵌入式系统发展的同时,向低端的8位和16位机的高端应用延伸。Intel公司和PHILIPS公司的发展都体现了各自的特点,并充分发挥了各自的优势。因此,在32位嵌入式系统的应用中,ARM系列会形成ARM公司领军,众多厂家参与,计算机专业、电子技术专业以及对象专业人士共同推动的局面,形成未来32位嵌入式系统应用的主流趋势。这种集中分工的技术发展模式有利于嵌入式系统的快速发展。
2、ARM
ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域,比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。
随着嵌入式系统处理器的不断发展,典型的32位RISC芯片——ARM处理器,不论是在PDA,STB,DVD等消费类电子产品中,还是在GPS,航空,勘探,测量等军方产品中都得到了广泛的应用。越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景,比如Intel, NS, Atmel, Philips, NEC, CirrusLogic等公司都有相应的产品。他们把更多的功能集成在ARM芯片中,使其成为了高集成度,低功耗的典型代表。
ARM将其技术授权给世界上许多着名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。
ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。
ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行(理论上如此)。典型的产品如下。
①CPU内核
--ARM7:小型、快速、低能耗、集成式RISC内核,用于移动通信。
-- ARM7TDMI(Thumb):这是公司授权用户最多的一项产品,将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起,以减少内存容量和系统成本。同时,它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计,并用一个DSP增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。
--ARM9TDMI:采用5阶段管道化ARM9内核,同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下,性能可达ARM7TDMI的两倍之多。常用于连网和顶置盒。
②体系扩展
-- Thumb:以16位系统的成本,提供32位RISC性能,特别注意的是它所需的内存容量非常小。
③嵌入式ICE调试
由于集成了类似于ICE的CPU内核调试技术,所以原型设计和系统芯片的调试得到了极大的简化。
④微处理器
--ARM710系列,包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器,配有高速缓存(Cache)、内存管理、写缓冲和JTAG。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。
--ARM940T、920T系列:低价、低能耗、高性能系统微处理器,配有Cache、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。
一、引言
随着中国的开放,科学技术的国际交流日益深入,现代化意义上的计算机产品与技术被不断介绍并引入到国内,且在短时间内取得了迅http://猛的发展。然而,作为一名计算机基础教学工作者,笔者深切地感受到:计算机是一种多学科共同研究和推动的科研成果,哲学、数学、物理学、人工智能等都对其发展起到巨大的推动作用。当下的学习者受到各种客观与主观因素的影响,主要是对计算机产品的一种自我环境下的适应性使用。缺失对计算机发展过程的整体了解和把握(无论是软件还是硬件),学习者的学习效果大打折扣。笔者在已有的研究成果基础上,在本文中提出,在计算机发展史研究的策略上应以需求的产生与实现为引子,以软硬交替发展为主线,以性能不断提高为成果,以突出学科交叉为亮点。
二、计算机发展史概述
历史是一种文化,文化是一种巨大的精神力量。
计算机(computer)是历史名词。算盘,被人们公认为是人类最早的计算机,体现了中华民族数学方面的伟大智慧。然而,由于历史的原因,现代意义上的计算机发展脉络,中国几乎没有亲历者。尤其在以计算机为代表的信息技术发展的关键期(上世纪中叶),中华民族一度落后西方发达国家若干年。没有亲历计算机发展的历史,则意味着在骨子里缺乏一种精神力量。而这种力量是进一步推动计算机的发展,利用计算机推动相关学科与产业的发展所不可或缺的。
三、计算机发展史研究的基本情况概览
在主流中文网络数据库中,以“计算机发展史”为关键字搜索所得到的结果是:三大主流数据库所收录的文章总数为18篇(如图1所示)。WwW.lw881.com这说明:对计算机发展史的研究比较薄弱。
四、探究研究策略的依据
笔者认为开展计算机发展史研究的一种思路是:本着实用主义的态度,分阶段提取计算机发展过程中的关键问题,围绕这些问题展开研究,尤其要着力于问题解决过程中碰到的困难,以及问题解决后发现的新问题。
1.“实用主义”无褒贬之分
弥补对计算机发展的历史认知,不宜再去重做实验,推倒人类已有的技术规范重来;只能进一步的学习和研究,在研究和学习中发现问题,找出规律。同时,“实用”也是发挥后发优势的应有之义。
2.紧紧围绕“问题”
在科学发展的历史进程中,问题要比问题的解决更重要,“一个好的问题堪比一所好的大学”。计算机的发展也是在不断地提出问题、解决问题中发展进步。每一次问题的提炼和解决都促进了计算机水平得到一次升华和提高。
3.事物的发展是动态的,已有问题的解决必然带来新的问题
新的问题是对已有问题解决方法的挑战与审视,抑或是新科学新技术寻找用武之地发挥作用的要求。尝试主动提出可预见的问题并设法解决是现代思维方式的一个显著特征。爱因斯坦曾说,提出一个问题往
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往比解决一个问题更重要,正是这个意思。提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看旧的问题,这一切需要有创造性的想象力,往往是获得认识突破的契机,这种习惯或者素养是极其宝贵的。
4.分阶段
事物的发展不是一蹴而就的,在时间轴上是一种动态的螺旋的进化过程。每一个阶段都是提高,每一个阶段都将被否定。如图2所示,计算机的发http://展也必然遵守人造物发展的一般规律,也有其自身的萌芽期、发展期、普及期、成熟期。[2]
后期对前期的关照、否定或肯定,每一个时期都呈现出其特定的标志性历史事件或文化符号。正是在对每一个时期的阶段性标志事件和符号的研究和把握中,了解计算机发展史的基本面貌,启迪和教育后来的研究者。
五、策略的提出与案例分析
结合上面的思路,笔者提出一种研究策略,即分时间段展开,辨析勾勒出在某一时间段内人们对计算机有哪些需求;为了实现这些需求,科学家对软件和硬件从哪些角度提出问题并寻求突破,突破后在性能上取得了哪些成果;问题解决后又出现哪些新问题;跨学科的研究在推动计算机发展方面有哪些贡献;该阶段有哪些尤其值得纪念的人和事。
简要分析案例一则,内容如表所示。[3]人类历史上经历了两次世界大战。在第二次世界大战中,人们发明且使用了弹道导弹、雷达等先进的武器设备。为了提高武器的精确打击能力,需要根据导弹的射程能力,射击目标计算其导弹弹道,如导弹发射的方向和角度等。
一开始是若干人通过笔头计算,速度慢而且容易出错,亟需一种能够代替人们计算导弹弹道的机械设备。在先前已有的研究成果的基础上,尤其是在冯·诺依曼对布尔数学的研究和发展基础上,人们设计出通过二进制编码表示数据及数据间运算的指令。
遗憾的是,世界上第一台数字电子计算机“eniac”成本非常高,占地方,非常耗电。这些成为需要人们进一步研究的问题。
有意思的是,莫克利(“eniac”开发课题组成员之一)盗用了约翰·阿坦那索夫及其助手克利夫·贝瑞的研究成果并申请了专利;与冯·诺依曼几乎齐名的另外一个大数学家莱布尼茨说计算机的原理雏形可以追溯到中国几千年前的八卦周易。
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