计算机软件体系结构风格研究论文

计算机软件技术基础是仿真工程与自动化专业的核心课程之一，该课程是整合课程，主要包括c++面向对象程序设计、算法与数据结构、操作系统、软件工程等方面的内容，知识庞杂且难以掌握。下面是我给大家推荐的计算机软件技术基础浅谈论文，希望大家喜欢!

《计算机软件技术基础课程的案例建设》

摘要：案例教学能有效提高学生分析问题和解决问题的能力，是现代教育的常用教学方法之一。文章分析案例教学中的案例特征，以实际工程项目的一个子系统为背景，设计实时仿真监视系统案例并介绍案例的具体建设情况，指出该案例对提高学生的学习兴趣以及分析问题和解决问题的能力具有明显的效果。

关键词：软件技术基础;案例教学;案例建设;实时仿真;监视系统

1、计算机软件技术基础课程中案例教学的必要性

计算机软件技术基础是仿真工程与自动化专业的核心课程之一，是一门应用性很强的专业基础课。该课程是整合课程，主要包括c++面向对象程序设计、算法与数据结构、操作系统、软件工程等方面的内容，知识庞杂且难以掌握。学生在学习该课程之后常常感到困惑：所学知识有什么用，怎样运用所学知识?一些学生虽然能够在考试中考出高分，却不知道怎样解决实际问题。如何使学生认识所学知识的用途，融会贯通并灵活运用，是这门课应重点考虑的问题。目前，案例教学在法律类和管理类课程教学中的地位和作用已在教育界达成共识。教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会于2006年6月发布了《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求(试行)》白皮书，明确指出在教学方法和手段上运用案例教学的必要性，因此，将案例教学作为一种教学方法引入工科类课程的教学，具有可行性和必要性。

2、认识案例

案例教学法就是在教师的指导下，根据教学目的和要求，以案例为基本素材，把学生带人特定的教学情境中进行思考，以此加深学生对基本原理和概念的理解，进而培养并提高学生运用理论知识分析问题和锯决问题能力的一种教学方法。

案例是案例教学的基础，离开了案例，案例教学就无从谈起。案例与一般教学中的例题有着本质区别，案例教学中的案例是将多个知识点融人一个整体来解决实际问题，涉及的知识面广，知识间具有连贯性和系统性，涵盖的知识具有综合性的特点，知识和原理蕴藏于案例之中。一般教学中的例题往往是配合某一章节或某一知识点，从某个角度、某个方面或某个层次反映所学理论和方法，起着验证和说明作用，常常带有为讲知识而杜撰例子的痕迹，各个例题之间相对独立，涵盖的知识单一，知识和原理孤立地呈现在学生面前。一般说来，工科类课程的案例应具有以下基本特征。

1)真实性。

客观真实性是案例的基本特征。教学案例应源于真实，取材于工程实际或科研课题，但是又要高于真实。为了突出主题，可以对真实做一定的删减处理。

2)综合性。

案例应是综合知识的载体，既要以学生已掌握的知识为依据辐射足够多的知识点，又要在匹配教学内容的基础上对知识有一定程度的扩展。

3)完整性。

案例是完整过程的载体，涉及了解背景、查询资料、分析信息、发现问题、探求方法、采取行动、解决问题的全过程。

4)启发性。

案例教学着眼于能力的培养，希望得到的不是案例的标准答案，而是解决问题的思维方法和能力。案例中，解决问题的方式是开放性的，可以留给学生想象的空间和发挥的余地。

5)实践性。

学生可以对案例进行复现、改进和完善，也可以按照自己的思考去实现，增强理论应用于实际的能力，实现从理论到实践的转化。

3、案例建设

案例教学的前提是高质量的案例，高质量的案例既要覆盖足够的知识，又要控制合适的规模。规模过小，则不能溶入足够的知识，也不能提供足够的研讨与思维空间;规模过大，则在短时间内难以被学生接受，不能得到预期的教学效果。笔者以实际工程项目卫星实时仿真系统的一个子系统为案例背景，在突出主题的前提下，进行了适当的详略及删减处理，形成了“实时仿真监视系统”案例。

案例背景简介

卫星实时仿真系统能够对卫星的方案、设计、集成、测试和运行各个阶段进行仿真验证，是提高卫星总体设计水平的重要手段，其网络关系连接如图1所示。在此系统中，仿真模型解算、物理设备接口等苛刻实时约束的节点通过反射内存互联，构成实时内环，外环则通过普通网络互联，将人机交互、可视化、数据处理等实时约束弱的节点互联，内、外环都可以根据需要扩充且内环不受外环影响，苛刻实时得到保障。转发计算机完成内存数据的提取并转发外环，仿真管理计算机则同时管理内、外环系统。卫星仿真监控是卫星实时仿真过程中的重要一环，它将抽象的仿真活动形象化，并及时将信号数据以各种方式反馈给用户，以利于用户分析、理解和决策。卫星实时仿真监控系统，能够模拟通过控制、监视和测量星上设备的工作状态实现实时连续地记录工作过程、测试数据和描绘曲线。图1中，人机交互计算机、曲线显示计算机和三维显示等外环计算机共同实现仿真监视功能。我们将人机交互计算机和曲线显示计算机的功能提取出来，要求系统具有一定的通用性，能够适应不同监视任务和不同数据类型，形成“实时仿真监视系统”案例。

实时仿真监视系统案例

实时仿真监视系统的工作原理为：转发计算机完成内存数据的提取并转发外环，外环上的实时仿真监视系统首先进行初始化，随后自动生成系统主界面。系统支持两种运行模式：监视模式和回放模式。在监视模式下，系统既要处理主界面信息，又要处理网络数据。主界面信息的处理包括响应用户交互消息、更新实时监视界面、实时绘制曲线;网络数据的处理包接监听网络端口，接收、解析和保存数据包，将有效数据写入共享数据结构，供给系统绘制曲线。在回放模式下，不再需要对网络进行监听，直接读取监视模式下保存的原始数据文件，然后进行相应处理即可。

为实现上述目的，使系统具有一定的通用性，我们设计了如下方案：

(1)在软件工程思想指导下，进行需求分析、总体设计、详细设计、编码实现以及综合测试。通过该案例，让学生对软件工程思想指导下的软件开发全过程有一个感性认识;

(2)采用多线程技术实现监视模式下的主界面信息处理和网络数据处理，仅用单线程实现回放模式;

(3)设计一个数据包发送测试程序，模拟转发计算机的功能。

为此，我们结合本课程的基本知识点将系统的主要功能模块划分为界面管理和数据处理两大部分，界面管理部分主要承担主界面信息的处理，数据处理部分则主要负责数据的处理。

界面管理

系统运行过程中始终需要对系统主界面进行管理。从运行初期的生成主界面，到运行中的监视过程的显示，再到最终的系统结束，都需要对主界面进行即时的调整。为了提高通用性，系统采用基于配置文件的方式，通过用户提供的配置文件，动态改变系统监视任务，也就是说，系统能够改变每次运行时的任务，主界面显示的内容具有不确定性。

1)读取配置文件，获取初始化信息。

系统运行之前，需要进行初始化，这就需要系统读取配置文件，包括全部信号、实时显示信号、数据包类型等配置文件。用户必须按照约定的正确格式提供配置文件，否则系统有可能无法正确识别相关信息。从软件工程的角度，配置文件的设计与确定应在总体设计阶段完成。配置文件的类型、组织方式以及数据正确性的检验，都是学生可以自由发挥和扩展的内容。

2)自动生成实时监视界面。

监视对象的不确定性使得系统的监视界面无法固定，然而，不能将界面的生成工作完全交给用户完成，这就需要设计一种适用于不同监视任务的界面生成算法，使系统将界面生成工作承担下来。另外，系统界面的尺寸等信息是用户所不知道的，因此被监视的信号在系统主界面中的显示位置无法由用户设定，这就需要系统自己完成界面的排布任务。因此，要求设计一个具有较强通用性的监视界面自适应生成算法，这部分涉及算法设计和计算机系统配置的获取等基础知识，算法设计是学生能够自由发挥并出彩的部分。

3)定时更新监视界面。

为了实现实时监视功能，系统需要对监视界面进行定时更新，以显示当前被监视信号的实时数据。为了满足用户的不同需求，系统提供、1s、2s三种刷新频率。系统可以根据用户选择的刷新频率对主界面进行更新。这部分主要涉及定时器的使用。

4)处理用户交互消息。

系统需要对用户的交互消息进行处理，主要为鼠标消息，包括运行模式的切换、仿真的开始与结束、加载历史数据包文件等。这部分涉及所选编程环境下的消息响应机制问题。

数据处理

系统在运行过程中，需要对数据包进行接收、解析和存储，还要为曲线绘制提供原始数据，因此需要设计一个专用的数据结构。

1)接收网络数据包。

在监控模式下，系统既要处理主界面信息，又要通过网络接收数据包。为了避免“漏掉”数据包，系统必须对网络持续进行监听。如果主线程将大量时间用在网络监听上，势必无法对用户的交互做出及时响应。因此，需要将数据包的接收放在一个单独的线程中。这涉及操作系统进程管理的相关概念，是多线程程序设计技术的典型应用;也涉及网络通信技术，需要了解网络通信协议等相关知识。

2)解析数据包。

在接收到数据包后，需要将数据包内的数据进行解析，获得数据包内的数据，将最新的数据更新至系统对应的变量中，以供实时显示。解析数据包涉及网络通信程序设计技术。

3)保存原始数据包。

系统要求有回放功能，因此需要将接收到的数据包写入文件，进行永久保存。数据包的保存有两种方式：解析后按段保存和作为整体进行二进制保存。第一种方法耗时，需较大工作量。第二种方法简便，工作量小。显然第二种方法更适合本系统。由于系统必须适应两种类型的数据包，因此，进行数据保存时，采用以形参类型为区别的方式进行同名函数的重载，实现两种类型数据包文件的存储。这部分功能涉及C++面向对象程序设计中的重载技术以及文件操作技术。

4)读取数据文件，获取数据包。

在回放模式下，系统不再对网络进行监听，不进行数据包的接收，需要通过读取之前保存的原始数据包文件获得数据包。原始数据包文件保存的是二进制形式的数据包，系统每次读取之后需要对数据包进行解析，这与接收到数据包的过程是一样的，不同之处在于回放过程不再需要将数据包进行保存。这涉及C++面向对象程序设计中的文件操作，同时，通过监视模式下的多线程程序设计与回放模式下的单线程程序设计的对比，使学生真切感受并理解多线程程序设计技术及其应用场合等。

5)共享数据。

系统嵌套了曲线绘制模块，因此，数据处理与曲线绘制之间需要有一块共享数据内存。在收到数据包并解析后，马上将有用的信息写入该共享内存。写入操作由数据包接收线程处理，读取操作由主线程内的曲线绘制模块完成，因此，需要对两个线程进行同步。这涉及数据结构的设计和操作系统的同步与互斥。

6)快速查找。

系统支持大数据量下的仿真监视，对数据的快速查找有较高的需求，因此，需要设计支持快速查找的哈希表数据结构，包括哈希函数的确定、冲突的解决等，这涉及数据结构的哈希表技术。

4、结语

“实时仿真监视系统”案例，涵盖了软件工程、c++面向对象程序设计、算法与数据结构、操作系统和网络通信等计算机软件技术基础课程及其先导与后继课程的知识点，是一个与学生所学专业密切相关的实际应用系统，容易引起学生的兴趣，也容易被学生理解和接受。这样的案例既与教学目标相吻合，又便于教师驾驭和把握。

从学生反馈的情况看，学生普遍认为，案例教学法方式新颖，实时仿真监视系统案例与专业基础结合紧密;能引导学生积极思考，提高学生的学习兴趣以及分析问题和解决问题的能力。该案例在教学过程中取得了明显的教学效果。

为了更好地开展案例教学，我们必须把建设高质量的案例作为重点来抓，选择合适的案例背景，制定合理的案例建设计划。实践证明，只有经过长时间的积累、认真的思考、精心的选择和多次教学实践，才能获得高质量的教学案例;只有经过团队的长期努力，才能建设高质量的教学案例库。

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军事领域的多媒体技术应用二次世界大战以后,人类在高新技术领域取得的一系列重大突破和进展中,最引人注目的是信息技术的发展。联接世界各地的高速度、大容量、多媒体、自动化的信息网络,极大地提高了信息传输能力,在促进未来世界经济和社会生活发生深刻变革的同时,在军事领域内正引发一场新的革命。80年代以来,世界各地爆发了一系列高技术下的局部战争。海湾战争是用旧方式进行的一场新武器装备战争,它是信息时代高技术战争的雏形。总结海湾战争的经验可以看出,以微电子技术为基础,以计算机为核心,包括激光、传感器、多媒体、人工智能等新技术在内的现代信息技术是当代影响战争和军队发展的各种新技术中具有关键性作用的高技术,是未来"对武器装备水平以及军事力量结构的发展起第一位推动作用的技术",是这次军事革命的核心和基础。因此,高技术战争从某种意义上说就是信息技术的战争。随着军事技术革命的不断深入,部队的组织指挥机构已经从面向武器系统进行组织的战斗集体转变成为面向信息系统进行组织的战斗集体。所有这一切必然提出非常严格的信息要求,如何切实有效地收集、掌握、处理、传送和表现诸如战场环境、敌我友三方兵力编成、武器性能、指挥员特点等纷繁复杂的信息资料,则成为未来信息高技术战争要突出解决的关键问题。而迅速崛起的多媒体技术,由于其自身的特点,在解决上述问题中表现出不可替代的作用,以致于随着多媒体应用的普及,在军事领域内也相应地掀起一个多媒体技术应用的热潮。一、多媒体技术在军事领域中的应用历史上,许多新技术一出现便首先在军事领域中得到应用,多媒体技术也不例外。目前,多媒体技术在军事领域中的应用主要有以下几方面:1.作战指挥与作战模拟这方面的典型应用有作战指挥自动化(C3I)系统。该系统在情报侦察、网络信息通信、信息处理、电子地图、电子沙盘、战场态势显示、作战方案选优、战果评估等方面均大量采用了多媒体技术。其它如多媒体作战对抗模拟系统、多媒体作战指挥远程会议系统、虚拟战场环境等也都大量采用了多媒体技术。2.军事信息管理系统多媒体技术主要用于军事信息查询以及在军事情报信息的采集、存储、处理、传送、检索过程中表现出的多媒体化,即分布式多媒体数据库的应用。这方面的典型应用有多媒体装备信息管理系统、多媒体后勤支援系统、多媒体情报信息管理系统等。3.军事教育与训练在这方面,多媒体技术应用的实例最多。如军事院校自行研制了大量的军事基础课和专业课的多媒体教学课件。为了节省使用实际武器装备的费用,各军兵种均研制了武器装备操作使用的多媒体仿真模拟系统,以及武器装备维护、保养等多媒体指导与训练系统。4.武器装备的研制、生产及应用在武器装备研制生产过程中,由于采用了多媒体数据和模型可视化技术,使武器的研制与生产周期大大缩短,产品质量得到提高,差错率大大降低。在战斗机驾驶员座舱中,由于采用了多媒体综合控制,有效地减小了驾驶员的紧张心理,提高了作战反应能力。5.军事娱乐与游戏随着多媒体技术的发展,许多高档的军事型电子游戏光盘软件纷纷出现。操纵各种战斗机的空战、驾驭舰艇的海上大战、反空袭的地空大战、两军对峙的坦克大战等,栩栩如生的画面、绘声绘色的场景使人们在消闲中学到了现代军事技术和知识。近年来,虚拟现实技术的出现将多媒体的应用提到了一个新的更高的境界。从多媒体技术在军事领域中的应用模式来看,大致有三种情况:一是终端用户方式的应用二是开发式应用模式;三是为面向军事应用而进行的开发方法与开发工具的研究。当前,军事系统各部门、各专业都把多媒体技术的应用作为本部门学习和应用高新技术的主要标志之一,而且这种应用的成果也最直接、最明显。在这种情况下,我们特别要注意应用系统的开发策略与总体规划的研究,避免盲目性。这样才能使多媒体设备和资金合理投入,所研制的系统具有开放性、升级性,其标准化、通用化程度高,互联性强。多媒体应用系统是一个资金与技术投入均较高的工作,各单位主管部门均要统筹安排,充分发挥多媒体开发平台和开发工具的效益,避免重复投资和资源浪费。二、典型的军事多媒体应用系统1.美军作战仿真网络SIMNET该系统是一个分布式广域网多媒体仿真系统。这个系统将分布在美国和德国11个城市的设备和人员用计算机网络联接成一个大的系统,如图1所示。该系统包括了约260个地面装甲车辆仿真器和飞机飞行模拟器,以及通信网络、指挥所和数据处理设备等。通过这个系统可以训练多兵种多层次的军事人员和团组,也可对武器系统的性能进行研究和评估。之后又在SIMNET的基础上发展了DIS(分布式交互仿真)技术,范围扩展到包括陆、海、空各军兵种武器平台综合仿真环境,实现了体系对抗仿真。系统在分布交互仿真、网络接口与通信、仿真客体的表现形式和数据传输、火力与兵力的计算生成等方面大量采用了多媒体技术与虚拟现实技术。使"作战"参与者可以看到在地面行进的坦克和装甲车,在空中飞行的直升机、歼击机和导弹,在水面和水下游弋的舰艇;可以看到坦克行进时后面扬起的尘土和被击中时燃烧的浓烟;可以听到飞机或坦克的隆隆声由远而近,并能从声音辨别出目标的方向和速度。参与者可以用自己驾驭的武器瞄准、射击上述目标,也可以驾驭操纵各种仿真装备。总之,在作战或实战演习中的各种能被人感知的信息均被系统以多媒体综合处理与表现形式再现出来,形成了一个逼真的战场环境。2.飞行模拟器(Flight Simulator)现代军用飞机是多种高技术集于一身的武器装备,其高性能的动力装置、精确的导航系统及复杂的电子系统要求飞行员必须具备精湛的驾驶技术。由于在真实飞机上训练驾驶员耗资大,又受到空域场地的限制,多年来人们都采用飞行模拟器来训练飞行员。在实现飞行模拟器的种种技术中,多媒体与虚拟现实技术占有重要而不可缺少的地位。一般飞行模拟器由下列四部分组成:(1)座舱系统具有和真实飞机(所仿真的飞机)一样的布局。主要包括:·仪表显示系统 实时显示飞机的各种飞行参数和机载系统的运行状态。·操纵负荷子系统 给飞行员提供操纵杆、舵时的负荷力的感觉,与在真飞机上一样,随着飞行速度、飞行高度、舵偏角大小的变化而变化。·音响子系统 给飞行员提供如发动机噪音、气流噪音、轮胎滚动的隆隆声等各种音响效果。(2)视景系统为飞行员提供座舱外的前视景象,包括机场跑道、田野、建筑物、灯光、河流、道路、地形地貌等。还能模拟天气的能见度、雨、雪、云等气象条件以及昼夜景象、空中及地面的活动目标的图像,使飞行员有身临其境的感觉。(3)运动系统为飞行员提供了动感。通常采用六自由度伺服液压系统将整个座舱托起,模拟飞机飞行中的各种姿态。@@;图1 SIMNET作战仿真系统网络@@(4)计算机系统是飞行模拟器的核心,其模拟训练软件具有对多媒体信息进行综合、实时交互、控制、表现等多种处理的功能,是一个典型的高档多媒体计算机系统。图2是飞行模拟器的原理框图。@@;图2 飞行模拟器原理示意图@@飞行模拟器是最早,也是最全面地运用多媒体技术的典型系统之一。由于其巨大的经济和军事效益而得到了迅速发展。目前我国有关单位也已研制了多种型号飞机的飞行模拟器。3.多媒体导弹仿真训练系统该系统是一套基于多媒体技术的导弹训练仿真系统。它充分体现了多媒体技术的集成性和交互性,使操作手摆脱了第一代训练仿真器单调乏味、以字符文本为主的交互方式,代之以生动逼真的实弹仿真操作控制台和操作训练环境,使训练人员能以更直观生动、方便的方式完成教学训练任务。该系统由三部分组成:(1)操作模拟子系统采用触摸屏模拟实际操作面板。模拟面板上显示了实际操作面板的各种开关、按钮与扳键等操作部件和系统的各种仪表、指示灯等反应体部件的图像。操作手根据操作规程(系统可以语音形式提示)对导弹系统操作时(触摸有关操作部件的图像),相应的系统状态反应就在反应体图像中显示出来。(2)环境仿真子系统逼真地显示或再现了实际操作现场的场景及各种音响效果。(3)导弹原理与结构子系统以多媒体形式供教员和指挥员对部队战士进行基础知识训练,是交互式课件系统。整个系统不仅能真实再现训练场景及操作面板的外观布局,在操作训练中正确模拟各种操作口令和控制面板上的各类响应及显示现象,还具有对错误操作系统的提示(语音及文字方式)及评定训练成绩的功能。系统研制中采用了面向对象的设计方法,所研制的系统软硬件稍加修改即可用于其它以操作面板为主的训练器材中。4.军队院校多媒体网络教学系统随着军事信息高速公路建设突飞猛进的发展,军事训练和院校教育手段的现代化也加快了步伐。采用多媒体技术和网络技术,适应现代教育思想、教育理论和教育模式的"军队院校多媒体网络教学系统",最近在空军工程学院研制成功,并投入运行。图3是系统网络结构图。@@;图3 系统结构图@@系统采用交换式以太网、多级树状星型拓扑结构,由三部分组成:(1)控制台子系统 是整个系统的指挥调度部件,教师用其控制课堂的教学活动,系统的大部分功能都是通过它来完成的。(2)教师机子系统 是系统的主体用户——教师操作的部件,主要完成用于教学演示课件的运行,以及诸如实物投影仪、电子白板等工具的运行。(3)学生机子系统 是系统的客体用户——学生操作的部件,主要完成教学信息的接收及电子举手功能等。该系统从全面培养人才素质入手,设计并实现了网络教学平台、网上常用操作、课件管理等三个方面的系统功能。系统通过网络将传统机房或电脑教室的微机、各专业教室的电化教学设备联成一个整体,从而实现了各种软件教学资源共享,尤其是各种教学课件的多媒体信息能通过网络传输实现共享,从而实现了教学中的教师与学生、学生与学生之间的交流。使整个教学过程生动、直观、形象,提高了教学质量。网络与全军和国家教育科研网联网后可进行远程多媒体教学。系统在多媒体信息综合处理、实时传输、控制及表现等方面克服了一些技术难点,达到了实时性的要求。三、展望在军事领域中,多媒体技术的应用已从武器模拟仿真领域发展到作战指挥、军事信息工程、教育训练、武器装备革新直至办公自动化等各个方面,应用前景日益广阔。但是,我们也应看到,多媒体技术还是一门新兴技术,无论在其基础理论技术还是开发方法和工具平台等方面都还处于逐步发展完善之中,也还有许多难题需要攻关解决。当然,目前距离多媒体技术的最终目标——多维信息处理的"人性化"(或适人化)还相差甚远。随着越来越多的军事技术人员投身于多媒体技术的理论研究和实际应用中来,可以预计,在不远的将来,多媒体技术在军事领域中的应用水平必将迈上一个新的台阶,多媒体必将为新军事革命的发展做出更大的贡献。