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1、嵌入式系统原理与开发嵌入式系统原理与开发第第3讲讲南京大学计算机系 俞建新主讲第第3章章嵌入式微处理器技术基础嵌入式微处理器技术基础l本章主要介绍以下内容：l嵌入式微处理器典型技术l主流嵌入式微处理器l嵌入式处理器的调试技术l边界扫描测试技术JTAG2008年6月19日2南京大学计算机系3.1嵌入式微处理器典型技术嵌入式微处理器典型技术lI/O端口统一编址与特殊功能寄存器l哈佛结构l桶型移位器l正交指令集l指令密度l看门狗定时器l地址对准与端序l地址重映射lFIFO缓冲寄存器l主存控制器2008年6月19日3南京大学计算机系3.1.1I/O端口统一编址端口统一编址与特殊功能寄存器与特殊功能寄存
2、器l计算机的两种I/O端口地址空间l独立编址lx86处理器系列l统一编址l8051系列和ARM系列处理器l特殊功能寄存器（SFR）l接口控制器的端口寄存器l实际为片上（片内）的物理存储单元2008年6月19日4南京大学计算机系三星公司嵌入式处理器三星公司嵌入式处理器S3C44B0X存储器地址映射图存储器地址映射图2008年6月19日5南京大学计算机系3.1.2哈佛结构哈佛结构l哈佛结构是一种计算机体系结构l哈佛结构基本特点：l程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。l可以使指令和数据有不同的数据宽度。l如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。l优点：l
3、较高执行效率和数据吞吐率2008年6月19日6南京大学计算机系哈佛结构示意图哈佛结构示意图CPU程序计数器程序计数器PC指令存储器数据存储器地址总线地址总线数据总线指令总线指令总线2008年6月19日7南京大学计算机系冯冯诺依曼结构示意图诺依曼结构示意图CPU程序计数器程序计数器PC存储器存储器地址总线数据总线2008年6月19日8南京大学计算机系Motorola公司公司DSP56311型数字信号型数字信号处理器的存储系统结构处理器的存储系统结构2008年6月19日9南京大学计算机系哈佛结构哈佛结构Cachel片内Cache分为两类。l一种是数据和指令都放在同一个Cache中，称为普林斯顿结构
4、或者统一化结构Cache（统一型Cache）。l另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中，称为哈佛结构Cache。这后一种Cache也叫做分离型Cache。2008年6月19日10南京大学计算机系3.1.3桶型移位器桶型移位器l通常的移位器都是一个时钟脉冲左移或者右移1位。l桶型移位器采用了开关矩阵电路，可以做到用1个时钟脉冲移位任意位。l参看下面的开关矩阵工作示意图。2008年6月19日11南京大学计算机系不移位操作示意图不移位操作示意图2008年6月19日12南京大学计算机系循环左移循环左移3位操作示意图位操作示意图在这里循环左移3位相当于循环右移1位2008年6月19日13南京
5、大学计算机系3.1.4正交指令集正交指令集l正交指令集（ orthogonal instruction set ）lAn instruction set where all (or most) instructions have the same format and all registers and addressing modes can be used interchangeably.lThe choices of op code, register, and addressing mode are mutually independent.llooselyspeaking,thech
6、oicesareorthogonal.lThiscontrastswithsomeearlyIntelmicroprocessorswhereonlycertainregisterscouldbeusedbycertaininstructions.lExamples include the PDP-11, 680x0, ARM, VAX.2008年6月19日14南京大学计算机系正交指令集正交指令集l例例3-1：一个正交的两地址指令集中的运算类指令常采用以下格式：定长操作码 + 寻址方式编码 + 定长格式的目的寄存器集+ 定长格式的源寄存器集。l例例3-2：ARM处理器有16个通用寄存器，分别命
7、名为R0到R15。ARM处理器的数据处理类指令中的立即数移位指令格式如下：d3128d2725d2421d20d1916d1512d117d64d3-0执行条件000操作码SRnRd#shiftSHRm2008年6月19日15南京大学计算机系例例3-2的说明的说明l其中的执行条件字段是该指令执行的条件，共有15种条件，加上无条件，一共有16种可能，用4位二进制数表示，可以取其中一种；操作码字段有4位，表示执行的是哪一种算术逻辑运算，一共有16种运算，可以取其中任何一种；SH字段表示移位类型，可以有5种移位指令的编码可供选择，这些指令都用到了桶型移位器；Rn、Rd、Rm字段是操作数寄存器字段，可
8、以取16个寄存器R0R15中的任何一个；#shift是立即数移位长度值。2008年6月19日16南京大学计算机系3.1.5双密度指令集双密度指令集l指令密度：计算机指令集的一个技术指标，与处理器的体系结构密切相关。它表示该机器指令程序占用存储器空间的大小。有高密度指令和低密度指令之分。与低密度指令相比较，高密度指令执行同样的机器指令序列所需要的指令存储空间较小。l双密度指令集处理器：指令集包含有指令密度不相同的两套指令集。2008年6月19日17南京大学计算机系双密度指令集举例双密度指令集举例lARM微处理器是32位设计，配有定长32位的指令集。但ARM微处理器也配备16位指令集，称为Thum
9、b指令集。它允许软件编码为更短的16位机器指令。早期16位Thumb指令集称为Thumb-1指令集，其指令密度远高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技术 。这三种指令集的代码尺寸比较与性能比较请参看下图。2008年6月19日18南京大学计算机系3.1.6看门狗定时器看门狗定时器l嵌入式处理器专用的部件。l它能够让嵌入式处理器处理器自动脱离死锁工作状态。时钟发生器预分频器16位可编程定时器看门狗定时器使能信号NMI2008年6月19日19南京大学计算机系S3C44B0X处理器的看门狗定时器处理器的看门狗定时器l该看门狗是一个16位数的间隔定时器，用来产生中断服
10、务请求信号。它可在128个存储器时钟周期之内产生复位信号。2008年6月19日20南京大学计算机系S3C44BOX的看门狗定时器的看门狗定时器lIn S3C44B0X processor, the prescaler value and the frequency division factor are specified in the watchdog timer control register, WTCON.lThe valid prescaler values range from 0 to 28-1. The frequency division factor can be sele
11、cted as 16, 32, 64, or 128.lUse the following equation to calculate the watchdog timer clock frequency and the duration of each timer clock cycle:2008年6月19日21南京大学计算机系看门狗定时器的时间间隔计算举例看门狗定时器的时间间隔计算举例l以S3C44B0X为例：l时间间隔= 1 / (MCLK / (预分频值 + 1) / (除法系数)lMCLK是存储器主频，在option.h中定义为67,500,000l预分频值就是PRESCALER l
12、除法系数就是DIVISIONl带入公式计算结果是：l 1 / (MCLK / (MCLK / 1000000 - 1) + 1) / 128)l = 0.000128 (second)l注意：Prescaler_value=MCLK/1000000-1 做到在0-255的范围内2008年6月19日22南京大学计算机系3.1.7地址对准和端序地址对准和端序l边界地址：l从0号单元开始，按照2字节、4字节或者其他2的整倍数长度划分内存的读写块，读写块的首地址就是边界地址。l地址对准访问l从边界地址进行内存访问。l端序，字节序l多字节数据存放时，最高字节存放在最低地址单元还是最高地址单元。l有大端序
13、和小端序之分2008年6月19日23南京大学计算机系3.1.8地址重映射地址重映射l开始启动时，将存有启动代码的Nor Flash地址空间映射到0x00000000。l嵌入式系统的中断向量和异常向量表在启动时也从0号地址存放。lFlash ROM的读出速度慢 l地址重映射：把SDRAM地址空间迁移到0地址开始处，把Flash ROM的地址空间迁移到系统存储器的高端地址。2008年6月19日24南京大学计算机系术语：异常术语：异常l异常（Exception）是计算机运行时发生的异常控制流。l它是程序控制流中的突变，用来响应处理器状态中的一些变化。l一部分由硬件产生l另一部分由操作系统产生l异常的
14、分类l中断（Interrupt），陷阱（Trap），故障（Fault），终止（Abort）2008年6月19日25南京大学计算机系含有异常的处理流程图解含有异常的处理流程图解应用程序发生事件异常处理异常处理异常返回（可选）2008年6月19日26南京大学计算机系AT91M55800A处理器处理器地址重映射前后的地址分配地址重映射前后的地址分配2008年6月19日27南京大学计算机系3.1.9FIFO缓冲寄存器缓冲寄存器lFIFO（First In First Out）也即先入先出lFIFO寄存器或者FIFO缓冲寄存器l按照FIFO方式进行数据读写的寄存器lFIFO常常用于嵌入式系统l提高数据传
15、输效率l两种使用形态l一种是分立的专用器件l集成在CPU某个控制器的专用寄存器2008年6月19日28南京大学计算机系S3C44B0X的的UART方框图（含方框图（含FIFO）lS3C44B0X处理器内建有两个UART接口。每一个UART的最高传输速率是115.2K bps，并且带有两个接受和发送的FIFO缓冲器。2008年6月19日29南京大学计算机系3.1.10主存控制器主存控制器l主存控制器lMC，Memory ControllerlMC功能：l确定处理器所使用的存储区（Bank）个数；l确定各存储区起始地址；l确定各BANK寻址空间大小和数据线宽度；l确定所有Bank的可编程访问周期；
16、l动态存储器的自动刷新等。2008年6月19日30南京大学计算机系东南大学博芯公司东南大学博芯公司SEP3203微处理器方框图微处理器方框图MC2008年6月19日31南京大学计算机系3.2主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器l几种嵌入式处理器概览lARMlPowerPClArcalMIPS2008年6月19日32南京大学计算机系3.2.1ARM处理器处理器l下面介绍以下内容：lARM处理器lARM处理器应用lARM处理器实验平台2008年6月19日33南京大学计算机系ARM处理器简介处理器简介lARM 即Advanced RISC Machines的缩写。lARM公司是设计公司，是知识产权（
17、知识产权（IP:Intellectual Property）供应商，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。l有30多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议。lARM处理器的3大特点：l小体积、低功耗、成本低、高性能l16位32位双指令集l全球众多的合作伙伴2008年6月19日34南京大学计算机系ARM公司以知识产权核为主营公司以知识产权核为主营业务业务lIP核以三种形式存在。l硬核l软核l固核lARM公司研发的处理器核以上面的三种形式销售2008年6月19日35南京大学计算机系ARM公司的公司的IP销售与服务销售与服务ARM公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例：服务
18、付款技术支持2008年6月19日36南京大学计算机系ARM发展简史发展简史l1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。l20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。l1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（简称ARM公司）。l20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。2008年6月19日37南京大学计算机系ARM体系结构的扩充体系结构的扩充l
19、ARM 32位处理器体系结构是市场占有率高的32位嵌入式RISC微处理器结构l市场占有率大约为75%l所有ARM处理器共享同一个体系结构。lARM体系结构的扩充包括：lThumb：16位指令集，用以改善代码密度；lDSP：用于DSP应用的算术运算指令集；lJazeller：允许直接执行Java字节码的扩充。2008年6月19日38南京大学计算机系ARM处理器应用处理器应用lARM系列处理器提供的解决方案包括：l在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台l智能卡和SIM卡的安全应用l嵌入式系统教学实验设备l网络设备：路由器、调制解调器等l移动电话、智能手机等2008年6月19日39南京大学计算机系
20、ARM核的技术优势核的技术优势lARM核的优点包括：l引入新颖的称为Thumb的压缩指令格式，降低了小型系统的成本和电源消耗；lARM9、ARM10和StrongARM处理器系列的性能得到了显著提高；l具有先进的软件开发和调试环境；l基于ARM处理器核的芯片得到了广泛的嵌入式应用。2008年6月19日40南京大学计算机系ARM处理器系列产品概况处理器系列产品概况lARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。lARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的
21、需求。lSecurCore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的。l来自于合作伙伴的产品l例如：Intel XScale微体系结构和StrongARM产品。2008年6月19日41南京大学计算机系ARMCortex系列处理器系列处理器lThe ARM Cortex family comprises three series, all implement the Thumb-2 instruction set.lARM Cortex-A Seriesapplications processors for complex OS and user applications.Supports th
22、e ARM, Thumb and Thumb-2 instruction setslARM Cortex-R Seriesembedded processors for real-time systems.Supports the ARM, Thumb, and Thumb-2 instruction setslARM Cortex-M Seriesdeeply embedded processors optimized for cost sensitive applications.Supports the Thumb-2 instruction set only 2008年6月19日42南
23、京大学计算机系ARMCortex-A8简介简介lThe ARM Cortex-A8 processor is the first applications processor based on the ARMv7 architecture and is the highest performance, most power-efficient processor ever developed by ARM. With the ability to scale in speed from 600MHz to greater than 1GHz, the Cortex-A8 processor c
24、an meet the requirements for power-optimized mobile devices needing operation in less than 300mW; and performance-optimized consumer applications requiring 2000 Dhrystone MIPS. 2008年6月19日43南京大学计算机系ARMCortex-A8简介（续）简介（续）lThe Cortex-A8 processor is ARMs first superscalar processor featuring technology
25、 for enhanced code density and performance, NEON technology for multimedia and signal processing, and Jazelle RCT (Runtime Compilation Target) technology for efficient support of ahead-of-time and just-in-time compilation of Java and other bytecode languages.2008年6月19日44南京大学计算机系Cortex-A8内核的应用举例内核的应用
26、举例TI公司的公司的OMAP3430处理器处理器l具有先进超级标量Cortex-A8内核的处理器l业界第一个采用 65nm CMOS 工艺技术设计的ARM处理器，提高了处理性能 l集成的图像信号处理器（ISP ）可提供更快、更高品质的图像捕捉功能，并且可以降低系统成本l复合视频和 S 端子 TV 输出 lXGA（1024x768 像素）、16M 色（24 位定义）显示支持 l高速 USB2.0 OTG 支持2008年6月19日45南京大学计算机系TI公司的公司的OMAP3430处理器架构图处理器架构图2008年6月19日46南京大学计算机系Cortex-M3内核的应用举例内核的应用举例意法半导
27、体的意法半导体的STM32微控制器微控制器l不支持ARM指令集，只支持Thumb-2指令集l中断向量表与其他ARM处理器有明显区别lSTM32微控制器有两个系列lSTM32F103“增强型”系列，72MHz主频lSTM32F101“基本型”系列，36MHz主频l2.0到3.6V电源，当复位电路工作时，在待机模式下最低功耗2A，最适合电池供电的应用设备。l比同级别的基于ARM7TDMI的产品快30%。换句话说，如果处理性能相同，STM32产品功耗比同级别产品低75%。2008年6月19日47南京大学计算机系Intel公司生产的公司生产的ARM系列处理器系列处理器l从所周知，Intel公司是PC平
28、台的x86系列微处理器生产商。但是，它也生产嵌入式处理器，不过该公司生产的嵌入式处理器并不是自主知识产权的产品。Intel公司购买了ARM的IP核先后生产出了两种嵌入式处理器：StrongARM和XScale。除了维持指令集不变之外，Intel公司凭借自身强大的技术开发实力，在功能上和性能上对这两款嵌入式处理器做了改进和提高，使得它们成为性能优秀的嵌入式处理器。2008年6月19日48南京大学计算机系3.2.2PowerPC处理器处理器l自从1994年第一个PowerPC处理器PowerPC 601问世以来，已经有几十种PowerPC独立微处理器与嵌入式微处理器投放市场，其主频范围从32MHz
29、到1GHz不等。l嵌入式的PowerPC 405（主频最高为266MHz）和PowerPC 440（主频最高为550MHz）处理器内核可以用于各种集成的系统芯片（SOC，system-on-a-chip）设备上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。2008年6月19日49南京大学计算机系IBMPowerPC路线图路线图PPC 400系列产品是嵌入式处理器2008年6月19日50南京大学计算机系Motorola高性能处理器高性能处理器2008年6月19日51南京大学计算机系介绍几款介绍几款PowerPC架构的架构的MPUlPowerPC 405GPlPowerPC MPC823elPowe
30、rPC MPC7457和MPC7447lPowerPC 8260（QUICC II）lMPC860 PowerQUICC2008年6月19日52南京大学计算机系IBM公司开发的公司开发的PowerPC405GPlPowerPC405GP嵌入式处理器的特性：PowerPC405GP专门应用于网络设备扩展了PowerPC处理器系列产品的可伸缩性应用软件源代码兼容所有其他的PowerPC处理器利用最高可达133MHz外频的64位CoreConnect总线体系结构提供了具有创新意义的CodePack的代码压缩比较优越的低功耗解决方案高性能总线结构、可用于定制SOC研发2008年6月19日53南京大学计
31、算机系Motorola公司的公司的PowerPCMPC823el一个高度模块集成的片上系统，属于Power PC QUICC通信处理器产品家族的一个成员。l包含嵌入式PowerPC内核、系统接口单元、通信处理单元和LCD控制器。配备大容量数据Cache和指令Cache。l具有双处理器结构，即：通用RISC整数处理器和特殊32位标量RISC通信处理器。l为满足通信的需要，MPC823e的外设接口功能优良，能提供嵌入式数字信号处理功能，支持高速数字通信。2008年6月19日54南京大学计算机系MPC7457和和MPC7447l摩托罗拉G4系列PowerPC处理器的新成员MPC7457和MPC744
32、7于2003年2月投产，它们的时钟速度最高可达到1.3GHz。由于制造上采用了SOI（绝缘体硅）工艺，当这两款处理器运行在1GHz时，其功耗才不到10W，因此可广泛应用于对功耗敏感的网络和通信应用领域，例如：路由器、交换机和网络控制平台。2008年6月19日55南京大学计算机系PowerPC8260（QUICCII）lMotorola公司研发，飞思卡尔公司维护l该产品是功能较强的多协议集成通信处理器，具有双核双总线结构，适合用于构建多协议路由器、多协议交换机等网络接入设备和交换设备。2008年6月19日56南京大学计算机系MPC860PowerQUICClMotorola公司研发，飞思卡尔公司
33、维护lMPC860 PowerQUICC是一款集成了微处理器和外设组合的通用单一芯片，可以用在各种各样的控制应用中，尤其在通信和网络产品的应用中表现得更加出色。2008年6月19日57南京大学计算机系3.2.3MIPS嵌入式微处理器嵌入式微处理器lMIPS处理器lMIPS计算机公司研发l一种高端嵌入式内核标准lMIPS的英文原文：lMicroprocessor without Interlocked Pipeline Stagesl中文意义是内部无互锁流水级微处理器l尽量利用软件办法避免流水线的数据相关问题2008年6月19日58南京大学计算机系MIPS计算机公司简史计算机公司简史lMIPS处
34、理器最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的lMIPS公司的R系列处理器是在此基础上研发成功的RISC工业微处理器产品l1984年，MIPS计算机公司成立l1992年，SGI收购了MIPS计算机公司l1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司2008年6月19日59南京大学计算机系MIPS处理器发展简史处理器发展简史lMIPS处理器诞生于二十世纪八十年代初l1986年到1997年先后出产了6个R系列的微处理器l其中的R4000是世界上第一款64位商用微处理器l1999年MIPS32和MIPS64架构标准发布，为后来MIPS处理器
35、的开发奠定了基础。1986年年R2000处理器处理器1994年年R8000处理器处理器1988年年R3000处理器处理器1996年年R10000处理器处理器1991年年R4000处理器处理器1997年年R12000处理器处理器2008年6月19日60南京大学计算机系MIPS指令体系版本指令体系版本lMIPS指令系统有两种类型：l通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS Vl嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64l在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。2008年6月19日61南京大学计算机系MIPS3224
36、KE内核系列内核系列l2000年MIPS公司开发了高性能、低功耗的32位处理器内核MIPS32 24KE内核系列。l该内核系列采用高性能24K微架构，同时集成了MIPS DSP特定应用架构扩展(ASE)。l24KE 内核系列包括 24KEc、24KEf、24KEc Pro和24KEf Pro。l目标市场包括机顶盒、DTV、DVD刻录机、调制解调器、住宅网关和汽车远程信息处理等。2008年6月19日62南京大学计算机系MIPS3224KETM内核的功能方框图内核的功能方框图2008年6月19日63南京大学计算机系MIPS3274K内核内核l2007年6月19日MIPS公司推出了MIPS32 74
37、K（以下简称74K）内核产品。该产品采用标准硅工艺，是目前嵌入式市场速度最快的可综合处理器内核，主频速度达到1GHz以上。下图给出了74K内核的内部架构。lMIPS32 74K按照普通单元和EDA标准流程设计，采用65nm制造工艺，内核面积为1.7平方毫米；内含自主研发的嵌入式微架构，在同类产品之中的性能/芯片面积比很高。具有如下特点： 2008年6月19日64南京大学计算机系MIPS3274K内核（续内核（续1）l具有CorExtendTM功能，该功能可供用户自定义指令。l具有二进制兼容的特性，它可以直接替代原有的MIPS32 24K系列内核，而不需要对应用代码进行任何修改；l74K内核运行
38、速度可达到24K内核的1.5倍到1.6倍。2008年6月19日65南京大学计算机系MIPS3274K内核（续内核（续2）l双流水线架构，支持非对称双发l一条6级地址生成（AGEN）流水线可处理存储转移负载/存储，并控制传输分支/转移指令。另外一条5级ALU流水线处理所有的与算数、逻辑和计算相关的指令。l提供加快DSP和媒体处理应用的增强型指令集DSP ASE（第2版）。2008年6月19日66南京大学计算机系MIPS公司的公司的74KcTM核方框图核方框图2008年6月19日67南京大学计算机系第第3讲重点讲重点l嵌入式微处理器典型技术lI/O端口统一编址、哈佛结构、桶型移位器、正交指令集、指
39、令密度、看门狗定时器、地址对准与端序、地址重映射、FIFO缓冲器、主存控制器l主流嵌入式微处理器lARM处理器lPowerPC处理器lARCA处理器lMIPS处理器2008年6月19日68南京大学计算机系第第3讲讲复习题和思考题复习题和思考题l为什么讲弄懂嵌入式处理器的存储器地址映射图是理解该处理器硬件特性的最重要步骤之一？l哈佛结构的计算机有什么优缺点？l试叙述你对FIFO的理解？l主存控制器的作用是什么？l请说明按照地址边界对准的方式进行存储器访问有什么优点。lARM处理器的基本特点是什么？l试描述ARM Cortex-A8处理器核的特性。lSTM32微控制器与其他ARM处理器有哪些不兼容
40、的特点？2008年6月19日69南京大学计算机系第第3讲讲复习题和思考题（续）复习题和思考题（续）l看门狗定时器的作用是什么？l基于ARM核的XScale处理器有什么特点？l地址重映射是怎么一回事？l有哪几种主要的嵌入式PowerPC处理器？l试在因特网上检索MPC860 PowerQUICC的资料，并编写该处理器的技术评价报告。l嵌入式MIPS处理器核有哪几种？它们的主要特点是什么？ MIPS32 24KE内核系列有什么特点？l阅读OMAP3430处理器的结构框图，试说明该处理器有哪些功能？适合应用于哪一种嵌入式产品开发。l检索资料，分析说明PowerPC处理器与MIPS处理器适用于什么场合？2008年6月19日70南京大学计算机系第第3讲结束讲结束谢谢大家的使用！欢迎大家提出宝贵意见和建议！2008年6月19日71南京大学计算机系
