計算機硬件功能精選(五篇)

發布時間：2023-11-22 11:00:49

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術，我們為您準備了不同風格的5篇計算機硬件功能，期待它們能激發您的靈感。

計算機硬件功能

篇1

關鍵詞：計算機硬件技術；網絡虛擬實驗；網站互動功能；網絡課件

作者簡介：程啟明（1965-），男，江蘇鹽城人，上海電力學院自動化工程學院，教授；黃云峰（1971-），男，浙江紹興人，上海電力學院自動化工程學院，講師。（上海 200090）

基金項目：本文系上海市教委重點課程建設項目、上海高等教育“085”工程建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）13-0097-02

“計算機硬件技術基礎”是大學理工科的專業基礎課程。本課程任務是使學生了解微型計算機的基本原理及組成，掌握匯編語言程序設計方法，掌握存儲器擴展技術、中斷系統原理和I/O接口的應用，為計算機接口的實際應用打下良好基礎。[1]

由于本課程具有概念抽象、知識點多、涉及的知識面廣、技術更新快、實踐性強，理論與實踐、硬件與軟件相結合等特點，加上課堂教學方式簡單、枯燥，實驗教學與理論教學嚴重脫節等弊病，使學生難以掌握該課程內容，甚至會產生厭煩情緒。因此，本課程的教與學都有一定的難度。[2-3]

為了促進學生對課程內容的學習，培養學生掌握知識和運用理論指導實踐的能力，提高學生創新能力和綜合素質，我們開發建立了本課程的教學網站。該網站包括新聞中心、課程資源、教師隊伍、學習園地、實驗平臺、課程建設、在線交流、學生作品等欄目，其功能包括課前預習、課上教學、課后復習、課內實踐等整個教學過程的各環節。課程網站教學不受時間與空間的限制，增大了課堂教學信息量，增加了學生自主學習功能，實現了師生在線討論和交流，提高了學生的學習興趣，提高了教學效率和質量。通過對本課程網絡功能的進一步開發與應用，探索了新的實驗教學模式[4-5]和新的師生交互方式，[6]取得了良好的教學效果。

一、網絡虛擬實驗室的開發與應用

“計算機硬件技術基礎”是一門實踐性較強的課程，學生通過實驗過程，可加深對所學理論知識的理解，提高實際動手操作能力和分析、解決問題的能力，并且可以開拓學生思維，培養應用及創新能力。

1.傳統的實驗方法

目前該課程的普遍現狀是：課時安排上重理論、輕實踐，教學內容上重軟件、輕硬件。其根本原因還是實驗設備有限、維護困難。目前本課程的實驗主要是通過硬件實驗箱來完成，此方式的缺點有：靈活性差，實驗箱的線路、芯片多已固定，學生只能按照固定步驟進行實驗，不能靈活自由地設計實驗；創新性差，實驗步驟和內容難以擴展，實驗個數有限，實驗內容固定，難以跟隨技術的發展進行更新的創新；開放性差，由于實驗箱少和維護難，實驗課一般需分組進行，實驗保障困難，實驗室的開放性受到限制；經濟性差，實驗箱的價格較貴，且易受損壞，維護較困難，需專人管理。此外，實驗還需專門的場地，并且師生同時、同地進行實驗，實驗效率和設備利用率低，設備的維護和管理成本高。

2.網上虛擬實驗的概念

隨著Internet及網絡技術的發展與應用，實驗系統逐漸由傳統的集中模式轉變為開放性、交互性、共享性、分散性、擴展性、重復性、安全性的（網絡）虛擬實驗系統，虛擬實驗系統能較圓滿地解決傳統實驗的問題。虛擬實驗是指可在Internet/Intranet互聯網上通過軟件模擬技術對真實實驗的虛擬實驗，它利用圖像/聲音、軟件仿真、虛擬現實和遠程控制等技術，在計算機上構建出可輔助、部分或全部替代傳統實驗各操作環節的相關硬、軟件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣從異地計算機設備上完成各種實驗項目，所得到的結果與本地得到的數據結果完全等價，如同現場操作實驗設備一樣。虛擬實驗采用軟件開發工具開發一系列虛擬實驗課件來全真模擬實驗過程，以交互式教學方法實現實驗過程的教學，學生可利用網絡環境完成實驗系統的設計、獲取實驗結果、撰寫實驗報告等各實驗環節，并同時查詢相關資料，接受老師的網上答疑輔導，參與討論實驗相關專題等，明顯地提高了實驗效率，并減少了不必要的實驗損失。

3.網上虛擬實驗的特點

虛擬實驗的優點有：避免真實實驗或操作所帶來的各種危險；降低實驗成本、維護及管理成本；組建系統的效率高；具有豐富的媒體表現及交互形式；無時間和空間的限制，可在任何網絡終端上進行；容易協同和共享；易激發學員學習興趣；利于加強對學生自學能力的培養；具有靈活性，可因材施教，便于實行個性化教學，對學生實施多目標、分層次管理。但虛擬實驗也有一些缺點：實驗的真實感不夠；不能體會在真實實驗中可能出現的多種誤差；難以體會在實際工程中可能出現的多種故障現象；降低了學生分析和解決實際問題的能力。實際上，虛擬實驗應該側重于基本概念、工作原理以及解決問題的方法與能力，而對于行為技能的訓練則差一些，真正的技能與動手能力還必須在實際的實驗情形下才能獲得。因此，如果過分地依賴虛擬實驗，將對培養學生解決實際問題的能力產生一定的影響。

4.網上虛擬實驗的實施

虛擬實驗教學只是實驗教學的輔助手段，它不應該也不可能代替真正實驗教學全過程。在實驗教學中，可采用實際實驗與虛擬實驗相結合的分級教學模式。這種模式將兩種實驗方式有機結合在一起，并互為補充，創造了適合于實驗教學的氣氛和訓練機會，提高了實驗的效果，從而充分培養學生的實踐能力。

5.本課程虛擬實驗所需的軟件環境

虛擬實驗常采用兩種方式。一種為硬軟結合的虛擬實驗。它通過客戶端的操作，借助網絡控制真實實驗設備，并通過網絡反饋給用戶結果信息，但由于網絡的延遲性，該方法多用于局域網。另一種是基于Web的虛擬實驗。它通過直接利用Java虛擬機及對I/O端口讀寫的捕獲技術或編寫仿真匯編解釋器，再借助Web來實現全軟虛擬實驗。

Proteus軟件是英國Labcenter公司開發的一款仿真平臺，可以進行實物仿真和印制電路板設計。Proteus軟件可以對8086CPU或MCS-51單片機及相關接口芯片提供支持，還提供了示波器、信號發生器等虛擬儀表，支持匯編語言，是一個全開放性的仿真實驗平臺，相當于一個設備齊全的綜合性實驗室。因此，可借助于Proteus仿真軟件構建虛擬實驗室。Proteus有單機版和網絡版兩種選擇，采用網絡版配置，將只有一個USB加密狗安裝在服務器上，并鎖定相應的用戶數，在校園網范圍內的PC機都可以得到授權并進行仿真和實驗，但同時在線的客戶端總數不能超過已購買的總授權用戶數。采用網絡版的Proteus，可真正實現實驗室的虛擬化、網絡化以及實驗室的開放。

本文采用網絡版的Proteus構建了“計算機硬件技術基礎”遠程虛擬實驗仿真系統。該系統包含下面模塊功能：實驗選擇系統，學生可根據需要選擇實驗項目；虛擬實驗平臺，給學生提供實驗操作的環境；報告生成系統，用來生成并存儲學生的實驗報告；教師批閱系統，教師可批閱學生實驗報告，并生成學生實驗成績；幫助系統。

二、網站師生互動功能的開發與應用

師生之間的交流是教學過程中一個非常重要的環節，也是改善教學效果的有效手段。只有通過師生之間的交流，教師才能結合學生的反應來進行有針對性的教學。同樣，學生也要通過與教師和其他學生的交流幫助自己更好地學習課程內容。

1.傳統的交流方式

傳統的交流方式一般常采用課堂上提問和課下交流手段。由于課堂教學時間有限，不可能在課堂上進行充分交流，同時，由于我國長期以來實行灌輸式教育，學生又不愿意在課堂上主動提問與交流；他們一般更愿意在課下發表自己的看法，教師可在輕松的氛圍下解答學生的疑惑，了解他們的意見。然而，隨著學生招生人數的大量增加及學分制選課制度的普遍實施，此答疑方式受學生人數、時間和地點的制約嚴重，已經無法適應當前的教學需求。

2.網上互動交流方式的特點與技術

利用現代計算機網絡技術的便捷、實時、共享等特點，可構建出本課程的網上答疑系統。此答疑方式的優點有：提出問題和解答問題不受時間和空間的限制，具有很強的實時性和靈活性，并且對相同的問題不必做重復解答，從而降低勞動強度，提高教學效率。

目前課程網站一般都采用E-mail、QQ、BBS、專門開發的交互軟件等實現網上答疑系統，這些實現技術還不能很好地解決師生互動問題。其中：采用電子郵件E-mail的缺點是實時性差；采用QQ等即時通訊軟件ICQ的缺點是信息有限且私密性差；采用電子公告板BBS的缺點是傳遞文字信息有限且實時差；采用IT公司專門開發的交互軟件的缺點是開發成本高且維護成本也高。博客和微博是近年來新出現的交流方式，它們為師生互動提供了非常好的交流平臺，便于在課程教學實踐中進行交互討論，且不受時空限制。因此，近年來，博客和微博被引入到課程的網絡教學交互平臺上來。其中：博客（blog）是一種通常由個人管理、不定期張貼新的文章的網站，典型的博客結合了文字、圖像、其他博客或網站的鏈接，能夠讓讀者以互動的方式留下意見；微博（Micro Blog，即微博客）可理解為“微型博客”或者“一句話博客”，它是一個基于用戶關系的信息分享、傳播以及獲取平臺，用戶可以通過WEB、WAP以及各種客戶端組建個人社區，以140字左右的文字更新信息，并實現即時分享。兩者的差異在于：博客一般主要在電腦上公開發表網絡的、供人閱讀的日記，它可寫得很長，字數沒有限制，主要適合闡述一些東西；微博一般主要是在手機極為簡短的網絡日記，它主要是抒發一些心情，還有寫一些格言警句，寫一些自己的動態，一條微博最多只能寫140字。

3.本課程的網上互動交流功能開發

可把博客和微博引入到本課程的網絡互動教學中，借助博客和微博的互動就可把教師網上答疑指導、師生交流、生生交流、人機交流有效地整合起來，增進師生之間的感情，達到更好地輔助課堂教學的效果。本課程的網上互動交流功能有：

（1）交流討論區。教師通過微博或博客制作一個課程專題討論區，引導學生進行深度思考，并可在討論中引入適當的競爭機制，鼓勵學生參與和投入。答疑討論區可采用一對一、一對多、集體討論等多種討論方式，針對學生提出的問題，教師應提供具體、及時、具有啟發性的反饋意見，并對討論的問題進行歸納總結和分類管理，以便學生查閱。討論區可分為普通討論區和專題討論區。其中：普通討論區主要用于生生之間、師生之間，并就相關知識點或者相關領域的話題進行討論，一些討論內容還可由教師或管理員整理，將較為典型、關注度高和投票數高的發言列入精華版，并在網站的首頁顯示；專題討論區主要是把學生的反饋意見、作業和考試中出現的代表性問題或者本學科中前瞻性的問題等提出來，來讓大家一起來討論。

（2）作業提交與在線學習。作業提交模塊可以上傳學生的文檔作業，教師可以批量下載作業，并在評分后再將成績上傳供學生查看。在線學習模塊可記錄學生學過的知識、作業完成狀況、考試狀況、互動討論中的發言狀況及其認可度等學習狀態，學生可隨時隨地查獲自己學習效果，這非常有利于學生調整自己的學習狀態，隨時向其他學生或教師尋求幫助。

（3）資源共享。資源共享模塊包含主站資源模塊和論壇資源模塊兩部分。其中：主站資源模塊僅管理員有權限在此資源，它主要一些PPT和Word文件；所有注冊用戶均可通過論壇資源模塊上傳附件，通過附件上傳功能可共享學習資源，上傳可采用flash 機制，并支持批量上傳。學生可在資源庫中獲取其感興趣的資料，并可把資源上傳，實現資源共享。

（4）教學評價。教學評價應是雙向的，它包括教師對學生學習的評價和學生對教師教學的評價。通過對教學形式、教學效果、教學設計等教學多環節的網上問卷調查，積極鼓勵學生多提意見和建設，參與到本課程建設中來，教師根據學生的網絡反饋意見，對課程進行相應的調整和優化，并持續地對教改效果進行跟蹤，從而不斷豐富教改的成果。

三、結束語

本文開發建立了“計算機硬件技術基礎”課程教學網站，探索了新的實驗教學模式和師生交互方式，取得了良好的教學效果。課程改革是一個循序漸進、永無止境的過程，應不斷更新和完善教學內容，改進教學方法，將教學改革推向一個新的臺階。

參考文獻：

[1]程啟明，黃云峰.計算機硬件技術[M].北京：中國電力出版社，

2012.

[2]王昊.“微機原理與接口技術”教學改革探索與實踐[J].中國電力教育，2012，（31）：84-85.

[3]張蘭紅，陸廣平，周云龍.“微機原理與接口技術”課程教學的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2008，30（5）：93-95.

[4]陳越，顧暉，梁惺彥.Proteus 虛擬仿真在微機原理教學中的應用[J].電子技術應用，2012，38（1）：106-108.

篇2

[關鍵詞]計算機；網絡軟件；功能；應用

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.06.103

[中圖分類號]TP393.09 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2017）06-0-01

1 計算機網絡軟件

1.1 網絡軟件

網絡軟件是指在計算機網絡環境中，用于支持數據通信和各種網絡活動的軟件，通常為網絡操作系y、網絡通信協議和應用級的提供網絡服務功能的專用軟件。連入計算機網絡系統后，通常根據系統本身的特點、能力和服務對象，配置不同的網絡應用系統。通常人們把網絡軟件分為通信軟件、協議軟件與應用軟件。其目的是為了本機用戶共享網中其他系統的資源，合理地調度、分配、控制網絡資源。為此，每個計算機網絡都制訂一套全網共同遵守的網絡協議，并要求網中每個主機系統配置相應的協議軟件，以確保網中不同系統之間能夠可靠、有效地相互通信和合作。

1.2 計算機網絡軟件的功能

通常把網絡軟件分為通信、協議與應用軟件，它們功能的體現關乎計算機的運用，因此筆者將對這幾類主要的軟件功能進行著重探討。

1.2.1 通信軟件

通信軟件是監督和控制通信工作的軟件。通信軟件通常由線路緩沖區管理程序、線路控制程序及報文管理程序組成。它除了作為計算機網絡軟件的基礎組成部分外，還可用作計算機與自帶終端或附屬計算機之間實現通信的軟件。它是一個終端服務，可以通過網絡滿足多人之間進行各種形式信息的傳遞，且從網絡體系結構模型不難看出，通信軟件和各層網絡協議軟件是這些網絡軟件的基礎和主體。

1.2.2 協議軟件

協議軟件的實質是共同守則，是網絡軟件的重要組成部分，也是保證軟件制作方權益的重要措施。其按網絡所采用的協議層次模型組織而成，除物理層外，其余各層協議大都由軟件實現。每層協議軟件通常由一個或多個進程組成，其主要任務是實現相應層協議所規定的功能，以及為上、下層提供可靠、安全的接口功能。

1.2.3 應用系統

企業應根據網絡的組建目的和業務的發展情況，研制、開發或購置應用系統。應用系統的任務是實現網絡總體規劃所規定的各項業務，提供網絡服務和資源共享。網絡應用系統有通用和專用之分。通用網絡應用系統適用于較廣泛的領域和行業，如數據收集系統、數據轉發系統和數據庫查詢系統等。專用網絡應用系統只適用于特定的行業和領域，如銀行核算、鐵路控制、軍事指揮等。

1.3 計算機網絡軟件的應用

1.3.1 在高新產業、科研中的應用

第一臺計算機的誕生就已經奠定了信息時代必定到來的局面?，F如今一個國家計算機技術的發達與否是民族綜合實力評判的重要標準。在科研領域，選擇需要、圖像識別、結果數據的計算評定等大都是人為所不能的，而人工智能的精確與細致剛好能代替人工來滿足數據計算的需要，越來越智能的設備的面世給科研帶來了極大的方便。

1.3.2 在人們日常生活中的應用

計算機網絡軟件除了在家庭、辦公場所應用外，目前，基于計算機網絡軟件的支付寶、銀聯等聯機消費也逐漸占領潮流。圖書館、名勝古跡景區也應用計算機網絡軟件管理消費者等的票據收支。此外，智能電器也在人們生活中普及開來。

1.3.3 在生活衍生產業中的應用

應用計算機網絡軟件最為普遍的便是電影電視媒體產業與電子游戲產業了，它們都是為大眾所熟悉的生活衍生產業。從3D到現在的6D的極致觀影體驗，最貼近電影本身的心理身體雙層感受都受益于計算機網絡軟件的應用。這一點從好萊塢大制作電影中就可一覽無余。而電影電視為了追求更加恢弘的場面，細致入微的背景處理，精彩絕倫的場面，光人力或者現有條件是不行的，必須得經過計算機網絡技術而實現；而對于游戲玩家來說，三維圖像、游戲器具的智能，仿佛真的使游戲玩家進入了“真實”的游戲世界，得到身臨其境的游戲體驗，這些都依賴于計算機網絡軟件的發展。

2 計算機網絡軟件發展的必要性與重要性

隨著計算機網絡時代的到來，中國要想在經濟全球化的大背景下，在越來越激烈的世貿競爭下站穩腳跟，不僅要保持現如今飛速平穩的發展趨勢，更要積極促進計算機網絡軟件的發展。這就要求計算機工作者們花費更多的精力心血去消除軟件本身的弊端，提高軟件質量；由于軟件在研發過程中所投入的人力、物力是十分巨大的，因此相關部門要嚴厲打擊非法復制的問題，軟件復制不僅會給企業帶來極大的損失，還對于軟件的發展造成極其惡劣的影響。此外，計算機網絡技術已滲透到國家、企業、人民生活的方方面面，所以大力發展計算機網絡軟件是極為重要的。

3 結語

計算機技術在當今社會中應用越來越廣泛，發揮著巨大的作用。筆者希望我國的計算機軟件開發者們能夠致力于軟件的開發與完善，開拓更多軟件的功能，并能在實踐中獲得良好的效果。

主要參考文獻

[1]喬素艷.淺析軟件安全中的反跟蹤技術[J].無線互聯科技，2012（2）.

篇3

1.1針對性，服務性，人性化網絡軟件根據各個階層，各個工作性質才從不同層次滿足人們的需求，通過制定程序化語言，使得系統有條不紊執行指令。網絡應用軟件具有針對性特點，如針對學生課本中數學方程制定執行口令，解決數學問題，促進學生學習；網絡軟件服務性強，整個系統嚴密有條理，能夠考慮到各個方面問題，更好為人民群眾服務；網絡軟件系統的制定的目的在于解決人們工作生活遇到的問題，人性化色彩濃厚。

1.2系統軟件功能系統軟件是計算機必不可少的軟件程序，用來實施計算機系統的管理，確保系統正常運行。系統軟件通過編譯口令，制定程序步驟來完成對整個網絡環境的整理功能，操作程序是系統軟件之一，編制程序的目的在于實現操作便利。

2計算機軟件應用功能

計算機軟件的應用功能，以其強大的優勢占領市場，各行各業都對計算機軟件功能產生依賴性，應用領域波及廣，影響力大，服務性強，以一定優勢占據重要地位。

2.1經濟功能隨著計算機技術的不斷發展，網絡已經走進千家萬戶。更多的商家看到了網絡帶來的商機，網上購物開始席卷購物商場，淘寶，天貓，京東，等眾多購物平臺的出現給商家帶來巨大的經濟額，針對網上消費的需要，計算機軟件制定相應的程序，給整個購物帶來便利，確保購物環境的安全。除了網上購物，計算機軟件在商場購物有著廣泛應用。網絡軟件通過錄入產品信息，數量，特點，確保了運營環境正常進行。服務員通過信息查詢得知產品所剩數量，根據銷售額，尋找消費者喜好，更好的為人民服務。軟件系統能夠保證消費者的合法權益，掃碼，購物小票，給了消費者消費憑證，從一定程度維護了消費者合法權益。此外購物小票是商家依法進行納稅的標志，保障了國家的經濟利益。

2.2管理功能管理者能夠確保一個公司體制的正常運行，計算機網絡軟件中有專門為網絡管理者設計的管理軟件，起著統籌的作用。管理者通過自身掌握的程序對網絡環境進行維護，以減少在系統應用中給使用者帶來的不便，清理障礙，確保整個網絡程序的正常進行。管理軟件以自身的優勢深入到社會的各個階層，銀行，煤礦，電信，為各個階層帶來了便利。

3計算機網絡軟件功能的不足之處

部分網絡軟件不夠完善，程序設計存在漏洞，使得不法分子有機可乘，他們利用軟件設計中忽視的細節，使用一些不法工具盜取使用者的用戶信息，導致個人信息外漏，財產安全受到侵害。加強軟件的嚴密性，是研發網絡軟件工作者需要特別注意的問題。安全問題得不到切實的保證，會最終導致軟件的研發失去本身的意義。程序設計中的非復制，是確保軟件安全的有效途徑之一。注重對信息的非復制性研制，能夠有效確保用戶信息安全。

4結語

篇4

關鍵詞: 隧道; 遺傳算法; BP網絡; 施工監控; 監測

中圖分類號: TU7文獻標識碼: A文章編號: 1009-8631(2010)03-0079-02

智能計算理論也稱為軟計算(Soft Computing),是新發展起來的一門十分活躍和具有挑戰性的領域,其主要研究對象可以歸納為:神經網絡、遺傳算法、模糊邏輯、概率理論、混沌理論等。軟計算與傳統的“硬計算”有本質的不同,其目的在于適應現實世界普遍的不精確性,其指導原則是開拓對不精確性、不確定性和部分真實性的容忍,以達到可處理性、魯棒性、低成本性求解,土木工程面對的是工程巖土體,具有很大的隨機性、模糊性、信息不完整,因而土木工程特別是特長隧道的許多問題通常具有復雜性、動態性和不可重復的高度非線性特點,問題涉及的變量多,且有噪聲,傳統分析方法常常面臨著困難,而智能計算在處理這些問題方面具有優勢。

一、BP神經網絡模型及遺傳算法[1, 2]

BP神經網絡作為智能計算的一個重要組成部分,神經網絡具有很強的非線性映射和自適應訓練功能,特別是BP 網絡近年來廣泛應用于預測評估、模式識別等領域并取得良好效果。

BP網絡模型處理信息的基本原理是:輸入Xi通過隱層節點作用于輸出節點,經過非線形映射,產生輸出Yk,網絡訓練樣本包括輸入向量X和期望輸出量t,網絡輸出值Y與期望輸出值t之間的偏差,通過調整輸入節點與隱層節點的聯接強度取值Wij和隱層節點與輸出節點之間的聯接強度Tjk以及閾值,使誤差沿梯度方向下降,經過反復訓練,確定與最小誤差相對應的網絡參數(權值和閾值),訓練即停止。經過訓練的神經網絡即能對類似樣本的輸入信息,自行處理輸出誤差最小的經過非線形映射的信息。當隱層神經元足夠多時,這種結構可以保證網絡以任意精度逼近任意的非線性函數。

遺傳算法(genetic algorithm)是一種模擬自然進化過程搜索最優解的方法,具有群體尋優的增強式學習能力及全局性、并行性、快速性和自適應性。遺傳算法的出現使神經網絡的訓練有了一個嶄新的面貌,目標函數既不要求連續,也不要求可導,僅要求該問題可計算,而且它的搜索遍及整個解空間,容易得到全局最優解?？衫眠z傳算法優化神經網絡的拓撲結構。

(一)BP神經網絡模型的確定

1. 輸入和輸出神經元的確定。可利用多種方法對神經網絡的輸入參數進行分析,確定無相關性或相關性較弱的輸入參數(節點),使之盡可能得少,以降低網絡復雜度,減少網絡訓練時間。

2. 隱層單元的數量對網絡影響較大,選擇隱含層的單元數是神經網絡設計最困難的部分之一。若隱層單元數過少,則網絡的泛化能力較差;若隱層單元數過多,又使得訓練時間增加,訓練誤差也不一定最佳。隱層單元數的選取目前尚無公認的理論來指導,一般采用試算法和經驗性的公式來確定。最佳層隱節點數L可參考下面經驗公式計算[1],本文用遺傳算法來優化BP神經網絡結構。

其中m為輸入節點數;n為輸出節點數;c介于1～10的常數。Berk和Hajela建議[3]:隱含層單元數應在(k+i)/2與k+i之間隨機選取。其中k為輸入單元個數;i為輸出單元個數。

3. 選擇訓練樣本,訓練神經網絡。

對系統的輸入輸出數據進行歸一化處理,作為訓練樣本,訓練網絡系統。訓練樣本應盡可能地反映各種狀態。神經網絡的訓練過程,即根據訓練樣本,對網絡的聯接權值和誤差進行反復修正的過程。

4. 確定傳遞函數,一般選擇非線形S型函數等。

二、應用實例

工程概況:橫山特長隧道位于陜北黃土高原梁峁區,溝壑縱橫、地形起伏、沖溝發育。隧道起迄里程為DK333+265～DK344+713,全線長11448m,設計為雙線隧道。隧道最大埋深為283.68m,主洞開挖面積最大177.4m2,最小120.53m2,隧道通過的圍巖主要為新黃土、老黃土、泥巖、砂巖以及砂泥巖互層。

工程地質特點,目前主要以泥巖、砂巖以及砂泥巖互層為主,層理較發育,基巖裂隙水,部分段落滲水呈泉眼股狀流出、拱部滴水呈線。洞內砂巖呈黃褐色薄～厚層狀與泥巖不等厚互層,細粒砂狀結構,泥質膠結;泥巖呈灰黑色,泥質結構,含煤線或薄煤層,自穩能力差,強度較低,遇水易軟化,薄層泥巖或薄層砂巖出現在洞室起拱線以上時容易產生掉頂、滑層、剝落、塌方等現象。

從以上可以看出,橫山隧道地質情況復雜。在開挖之前的原始土體處于平衡穩定的彈性階段。由于開挖成洞后圍巖原有各質點間的應力平衡狀態,受到擾動破壞,應力軌跡發生變化,產生相對位移與調整。巖性軟弱、地質構造發育、巖性風化及地下水作用,使隧道開挖后,原有的應力場平衡狀態遭到破壞,引發應力重分布;若再迭加其它不利因素,例如不利結構面組合、膨脹、崩解等物理化學作用,將出現塌方。所以必須強化施工過程中的監測。圍巖變形時間序列數據中蘊含著系統演化的信息。在施工條件、施工方法不變的情況下,利用神經網絡較強的非線性映射能力,對隧道實測位移變形值直接建模,以獲得高度復雜和非線性的內在變形規律。本文采用上述遺傳算法來優化神經網絡,稱為遺傳神經網絡,利用MATLAB7自帶的神經網絡工具箱和英國Sheffield大學的遺傳算法工具箱,結合橫山特長隧道施工的實例進行研究。

(一)頂拱下沉的遺傳神經網絡預測步驟

1. 樣本的處理

樣本的處理,一般隧道施工頂拱下沉變形有這樣的特點:前期部分位移值變化較大,后期位移值變化較小。據此,筆者將數據轉換到(0.1,0.9)區間。

1. 訓練及測試樣本

本文所采用數據為2007年10月11日至10月30日時間段,DK333+610斷面,開挖的頂拱下沉位移監測數據,開挖時即埋設監測點進行監測。監測期內施工穩步進行,循環周期穩定,位移預測受意外因素干擾少,有利于直接以實測位移建模的可靠性。本文用前15天的相對位移值作為訓練樣本,見表一,用后四天的監測值作為測試樣本,見表二。

(二)預測結果及誤差分析

從測試樣本的結果來看,其誤差比較小,是相當成功的,最大的誤差僅為1.15%,這在工廠上已經是相當不錯,但這只是一個斷面的拱頂沉降的預測。

三、結語

本文利用遺傳算法的全局搜索特性,對變形預測的神經網絡結構進行最優搜索,從而獲得具有最優預測效果的遺傳神經網絡。采用遺傳神經網絡對隧洞施工頂拱變形的動態過程進行預測,解決了在常規采用的回歸曲線預測法效果誤差較大的問題,解決了在神經網絡構建中根據經驗公式和試算法確定神經網絡結構和學習參數的困難,從而減少結構選擇的盲目性。從以上數據表明遺傳神經網絡具有更佳的預測效果,對于圍巖變形監測中異常情況可提前預報,提高預測的準確性,從而為變更設計、調整支護參數、調整施工工藝贏得寶貴的時間。

不足之處及后續要進行的工作,隧道是個三維空間結構,目前的施工監測的斷面還屬于二維空間的范疇,尚有許多工作要做;另外隧道地質情況復雜,各個斷面上的地質條件有許多的差異,智能計算或神經網絡的解決方案還有許多不足之處,尚需不然改進完善。

參考文獻:

[1] 飛思科技產品研發中心.神經網絡理論與MATLAB7實現[M].北京:電子工業出版社,2005.

篇5

關鍵詞：模冪運算；蒙哥馬利算法；FPGA；DSP

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)33-1322-04

Research and Application of a Kind of High Performance Public Key Cryptography Computing Component

YANG Xuan1, HUANG Bin2

(1.International College, Central South University of Forestry and Technology; Changsha 410004,China;2.College of Information Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Abstract: On the basis of analysis on various accelerated algorithm of public key cryptography arithmetic, Cryptography component is designed in this paper by the way of pipeline and non-pipeline on Xilinx Virtex V600FG680-6 FPGA separately as well as on TI corporation’s high performance DSP of TMS320C5402 and TMS320C6201 series. Meanwhile, an analysis of specific application background of different projects in the application area of Campus Card through the comparison to those four projects was proposed in this paper. And a desired outcome is achieved.

Key words: modular exponentiation; montgomery arithmetic; FPGA; DSP

1 引言

PKI的是實現在現代電子政（商）務應用系統中對使用者的身份認證和信息的完整性、不可否認性認證的的關鍵技術，而公鑰密碼是PKI體系中公鑰加密和數字簽名最常采用的加密算法。以公鑰密碼公鑰算法[1]為基礎，來設計具有獨立功能的硬件芯片的公鑰密碼計算構件，以其高速的性能和硬件本身特有的安全優勢得到了廣泛的關注與巨大的投入，國內外對此都做了大量的研究[2-3] 。同時，國內外眾多學者對公鑰密碼及其相關算法的實現研究也取得了不錯的進展。

目前，僅具安全存儲功能的射頻IC卡在學校已經形成了龐大的用戶群體，為了實現校園卡與主機的互操作與數據加密、身份認證等安全計算的功能，可以在校園卡互操作性框架[4]的讀寫設備中配置公鑰密碼密碼計算構件?；谶@種需求，針對不同的應用背景，我們設計了相應的公鑰密碼密碼計算構件實現方案。

2 公鑰加/解密算法介紹

由Rivest，Shamir和Adleman在1978年設計并公布的公鑰算法是最具有代表性的公開密鑰密碼體制，它是一個能同時用于加解密和數字簽名的算法。也是研究得最深入的公鑰算法。它從提出到現在的二十多年中，經歷了各種攻擊的考驗，逐漸被人們所接受，普遍認為是目前最優秀的公鑰方案之一。

公鑰密碼加/解密算法公式表述如下：

加密過程：c=md mod n

解密過程：m=ce mod n

其中，m是明文，d是加密密鑰（或公鑰），e是解密密鑰（或私鑰），n是模數，c是密文，mod是取模函數。

公鑰密碼算法主要難點在于大數的模冪乘運算效率較低。所以，提高大數模冪乘的效率一直都是提高公鑰密碼算法速度的一個非常重要的課題。

3 模冪加速算法的研究

3.1 長整數模冪乘運算

模冪乘運算me mod n不能先計算me然后再求模，這樣me的結果會占用巨大的存儲空間而無法實現必須對me的中間結果進行求模運算，使結果二進制位數始終保持在一定范圍內。計算me mod n最簡單的方法是重復進行c=c*m mod n模乘運算，直到求出me mod n為止，這種方法需要e-1次乘法運算。例如計算m15 mod n需要計算mm2m3m4…m15，其需要14次乘法；而采用mm2m3m6m7m14m15 其需則僅需六次乘法運算。這種平方―乘冪方法也稱之為二進制法。在硬件實現上較為常用的方法是二進制位掃描法，分為從左到右和從右到左兩種。在從左向右掃描法中，主要是面積可以得到優化，而在從右向左掃描法中，主要是速度得到了優化。

在從左到右掃描法中，指數e的位被從最高有效位掃描到最低位，對于每一位要作一次平方求模，如果e的位值是1，還需要做一次模乘；從右到左掃描法則是最低有效位掃描到最高位，需要用中間變量保存中間值。

3.2 用Montgomery算法加速公鑰密碼算法

Montgomery算法是將部分積對任意的n取模轉化為對基數r取模，簡化了計算過程，提高了加解密的速度。這一有效的模約化方法是P. Montgomery1985年在文獻[5]中發表的，并在此后找到了廣泛的實際應用。

原始的Montgomery算法如下：

選擇與（模數）n互素的基數r，為計算方便，它通常是機器字長的整數的倍數；并且選擇r-1及n’，滿足0< 日r-1< n，0< n’< r，使得，r r-1- n n’=1。

Montgomery乘積的計算按以下算法產生。

在R(r,n)中Montgomery乘積mont(a,b)的計算

S1. 置t = a*b;

S2. 置m = t*n' mod r;

S3. 置u = (t+m*n)/r （商取整數）;

S4. 若u≥n，輸出u-n，否則輸出u.

3.3 用中國剩余定理（Chinese Remainder Theorem, CRT）加速公鑰密碼算法