《数字逻辑》课程网络虚拟实验系统设计综述报告

数字逻辑课程网络虚拟实验系统设计一设计概述11课题背景数字逻辑课是计算机相关专业的必修科目，数字逻辑实验是该课程的最重要的一个环节。数字逻辑实验时实验使用的是价格昂贵且容易损坏的传统的由硬件组成的实验平台。由于价格的关系，大多数学校没有让学生能够独立使用一台机器而是以小组的方式多人使用一台仪器实验。这样导致实验所达到的效果有所降低。同时课堂时间有限，因此喜欢数字逻辑的同学们在其他时间无法再次体会数字逻辑实验的乐趣。通过软件我们能够模拟实际情况中的一些简单的数字逻辑实验，同样能达到现实实验平台的效果。我们通过C语言的编程能够编写一个模拟数字逻辑实验平台的虚拟数字逻辑实验平台。然后我们可以通过网站进行发布，只要有电脑并且能联网就可以随时随地的登录远程服务器通过我们的系统进行数字逻辑实验。这样能够很好的解决上面的问题。在本设计中将开发一种工具软件通过网络进行发布，该软件能够模拟现实中数字逻辑实验平台。该软件的开发对学习数字逻辑的人来说是福音，同时也使得教师能随时进行课堂演示成为可能，对数字逻辑这门学科具有重要意义。同时对于爱好数字逻辑的人来说这是一大福利，只需登录远程服务器就可以通过自己的电脑在任何地方通过我们的系统进行数字逻辑的相关简单实验。同该系统开发和维护价格低昂，和实际的实验平台相比较有很大的优势。同时由于开发的语言是C语言，现在的大学与计算机相关科目都把其作为专业课，因此在开发成功后维护人员的寻找也比较容易。因此该软件的开发成本和维护成本都比较低。因此为该平台的推广提供了很好的保证。该系统给广大学习“数字逻辑”课的学生提供了一种互动的虚拟“数字逻辑”的实验环境。同学们可以在系统中找到各种仿真实验仪器和设备。同学们只需轻点电脑鼠标操作软件的各种功能（如布局、布线等），就可以自主设计实验程序和装配虚拟实验仪器，完成和现实实验室中一样的各种实验过程。虚拟实验技术在远程教育中的运用。近几年远程教育在摸索和探讨中取得了很大的进步，但由于远程教育的特点和实验条件的限制，远程教育中的实验教学成为制约远程教育发展的瓶颈，开展网上虚拟实验成为远程教育的必然，如何在网络环境下建立为远程学习者提供交互的虚拟实验教学环境成为远程教育关注的热点。基于虚拟现实技术的远程教育是现代教育发展的主要方向之一，随着虚拟现实技术的不断发展和完善、网络技术的不断进步以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟实验作为一个新型的远程教育媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到远程教育工作者的重视和青睐，最终在远程教育领域广泛应用并发挥其重要作用。12开发工具及环境简介1开发语言本设计采用的程序设计语言为C语言。C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言，它是一种比较容易学习的编程语言。C语言的应用十分广泛，大量的软件都是用它进行开发的。同时该语言的代码简单易懂，而且功能强大，同时几乎是大学计算机相关科目必修的科目。因此在软件开发后，维护人员比较容易寻找。C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为系统设计语言，编写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。2开发环境开发环境选用的是MICROSOFTVISUALC60（微软公司的开发工具），具有集成开发环境的功能，可提供编辑C语言，C以及C/CLI等编程语言。VISUALC集成了MFC60。VISUALC是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年MICROSOFT公司推出VISUALC10后，随着其新版本的不断问世，VISUALC已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。虽然微软公司推出了VISUALCNETVISUALC70，但它的应用的很大的局限性，只适用于WINDOWS2000,WINDOWSXP和WINDOWSNT40。所以实际中，更多的是以VISUALC60为平台。VISUALC60不仅是一个C编译器，而且是一个基于WINDOWS操作系统的可视化集成开发环境（INTEGRATEDDEVELOPMENTENVIRONMENT,IDE）。VISUALC60由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导APPWIZARD、类向导CLASSWIZARD等开发工具。这些组件通过一个名为DEVELOPERSTUDIO的组件集成为和谐的开发环境。3开发技术B/S（BROWSER/SERVER，浏览器/服务器）模式又称B/S结构。它是随着INTERNET技术的兴起，对C/S模式应用的扩展。在这种结构下，用户工作界面是通过IE浏览器来实现的。B/S模式最大的好处是运行维护比较简便，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式（比如LAN,WAN,INTERNET/INTRANET等）访问和操作共同的数据。MFC（MICROSOFTFOUNDATIONCLASSES）实际上是微软提供的用于在C环境下编写应用程序的一个框架和引擎。MFC同VCL类似，是一种APPLICATIONFRAMEWORK，随微软开发工具发布。MFC是WINAPI与C的结合。MFC应用程序的总体结构通常由开发人员从MFC类派生的几个类和一个CWINAPP类（应用程序对象）组成。MFC提供了MFCAPPWIZARD自动生成框架。WINDOWS应用程序中，MFC的主包含文件为“AFXWINH”。MFC实际上是微软提供的，用于在C环境下编写应用程序的一个框架和引擎。VC是WINDOWS下开发人员使用的专业CSDKSDK,STANDARDSOFTWAREDEVELOPKIT,专业软件开发平台，MFC就是挂在它之上的一个辅助软件开发包。MFC作为与VC血肉相连的部分注意C和VC的区别C是一种程序设计语言，是一种大家都承认的软件编制的通用规范；而VC只是一个编译器，或者说是一种编译器源程序编辑器的IDE（IDE的英文全称为“INTEGRATEDDEVELOPMENTENVIRONMENT”，即“集成开发环境”），WSPLATFORM，这跟PASCAL和DELPHI的关系一个道理。PASCAL是DELPHI的语言基础，DELPHI使用PASCAL规范来进行WIN下应用程序的开发和编译，却不同于BASIC语言和VB的关系。BASIC语言在VB开发出来被应用的年代已经成了BASIC语言的新规范，VB新加的BASIC语言要素，如面向对象程序设计的要素，是一种性质上的飞跃，使VB既是一个IDE，又成长成一个新的程序设计语言。MFC同VC集成的VCL一样是一个非外挂式的软件包类库，只不过MFC类是微软为VC专配的。WINSOCK是一种标准API（APPLICATIONPROGRAMMINGINTERFACE，应用程序编程接口），主要用于网络中的数据通信，它允许两个或者多个应用程序（或进程）在同一台机器上或通过网络相互通信。WINSOCK是一种网络编程接口，而不是协议。使用WINSOCK编程接口，应用程序可通过普通网络协议如TCP/IP（TRANSMISSIONCONTROLPROTOCOL/INTERNETPROTOCOL，传输控制协议/网际协议）或IPX（INTERNETPACKETEXCHANGE，INTERNET数据包交换）协议建立通信。WINSOCK通信的基础是套接口SOCKET，一个套接口是通讯的一端。在这一端上你可以找到与其对应的一个名字。一个正在被使用的套接口都有它的类型和与其相关的进程。套接口存在于通讯域中。通讯域是为了处理一般的线程通过套接口通讯而引进的一种抽象概念。套接口通常和同一个域中的套接口交换数据（数据交换也可能穿越域的界限，但这时一定要执行某种解释程序）。WINDOWSSOCKETS规范支持单一的通讯域，即INTERNET域。各种进程使用这个域互相之间用INTERNET协议族来进行通讯（WINDOWSSOCKETS11以上的版本支持其他的域，例如WINDOWSSOCKETS2。套接口可以根据通讯性质分类；这种性质对于用户是可见的。应用程序一般仅在同一类的套接口间通讯。不过只要底层的通讯协议允许，不同类型的套接口间也照样可以通讯。用户目前可以使用两种套接口，即流套接口和数据报套接口。流套接口提供了双向的，有序的，无重复并且无记录边界的数据流服务。数据报套接口支持双向的数据流，但并不保证是可靠，有序，无重复的。也就是说，一个从数据报套接口接收信息的进程有可能发现信息重复了，或者和发出时的顺序不同。数据报套接口的一个重要特点是它保留了记录边界。对于这一特点，数据报套接口采用了与现在许多包交换网络（例如以太网）非常类似的模型。2系统分析21需求分析我们开发数字逻辑课程网络虚拟实验系统的初衷，便是让更多的人了解简单的逻辑电路的工作原理，相较于其他同类软件，我们希望开发一套有着友好的界面、操作简单、结果输出直观化等特点的系统。并使之适用于更广泛的人群，进行科学普及教育的探索与研究。在程序开发之前，设计人员要对系统进行需求分析，要认真了解数字逻辑课程网络虚拟实验系统需要实现那些功能。然后设计的程序确定由那些模块组成，这样能方便开发人员更高效的对程序进行编写。在虚拟数字逻辑实验平台中，模拟现实中数字逻辑实验平台是主体，远程网络服务器是其外部框架。虚拟实验平台主要有以下几大部分组成电平信号和脉冲信号的控制实现、七段显示器的实现、发光二极管的实现、芯片的选择功能实现、芯片的逻辑功能实现和布线的实现。远程网络服务器的主要模块用户注册、用户登录、用户信息的修改和对虚拟逻辑实验平台的发布。根据实际情况与整个程序的工作流程抽象描述如下包括用户名，账户，密码，家庭住址和电话等用户信息的记录的用户信息的注册的功能。用户登录和信息的修改，可以与远程服务器端的用户信息进行匹配，当正确时可以在网上使用服务器发布的虚拟实验平台。进入实验平台。通过对实验平台的导线连接、芯片选择和信号的输入等操作获得实验结果。程序工作流程图虚拟实验平台工作流程通过用户界面进入实验平台界面。按实验要求选择芯片。连接导线，当确定选择芯片和接线连接无误后，进行下一步。打开平台开关。按实验要求点击脉冲开关或电平开关，进行信号输入。输入信号通过芯片的逻辑处理函数进行处理。处理后的结果通过七段显示器或者发光二极管进行显示。虚拟实验平台工作流程图功能需求经过以上分析，在现行程序工作流程图，基本可以确定系统设计必须达到的目标。以下是本程序必须具备的功能用户账户信息的注册与保存。用户账户的登录和信息的修改。远程网络服务器授权用户虚拟数字逻辑实验平台的发布。用户使用数字逻辑课程网络虚拟实验系统实现模拟实际数字逻辑实验平台的功能。运行需求数字逻辑课程网络虚拟实验系统软件配置如下系统软件WIN7数据库管理软件SQLSERVER2000及以上版本22可行性分析在系统调查的基础上，针对本设计的开发具有可操作性，对其进行从经济、技术、社会三方面进行分析和研究。可行性研究的目的就是用最小的代价在尽可能短的时间内确定问题是否能够解决。该程序的可行性分析包括以下几个方面的内容。1经济可行性数字逻辑课程网络虚拟实验系统开发成本较小，仅需要一台计算机来进行开发，软件方面需要正版软件VISUALC60和SQLSERVER2000作为开发工具，总计花费在一万元以内。同时该软件适用于多数与计算机相关的专业的数字逻辑方面的实验。使用人数多，有很大的商业价值，同时由于会C语言的人比较多后期的维护人员不难寻找，因此维护费用不会太昂贵。同时对该平台的管理也比较简单，不需要太多的人即可实现。传统的实验室都是由硬件设备构成的，虽然硬件设施的仿真运行速度比较快，运行结果与真实效果也比较接近，但是由于硬件设施价格昂贵,实验室所能提供的实验设备种类、数量都有限，并且性能和仿真要求也不可能随着社会科技的发展而同方向前进，仿真结果总是落后最新的科学技术，同时,实验设备每年的维护费用也很高。由此而发展出来了在计算机上做仿真实验，仿真结果同样可以达到实验的要求。而计算机仿真平台软件可以随着社会的不断要求而更新和发展，这样既节约了资源也提高了教学质量。2技术可行性本程序采用MICROSOFT公司的VISUALC60作为开发工具，操作简单，代码易懂，因此维护比较简单。通过大学期间我对VISUALC60的学习，在编程方面有一定的积累，对本次的软件使用的是C语言进行编写。同时C语言的学习人数比较多，在软件开发出来之后的维护人员的寻找比较简单。使用VC网络地址类型UNSIGNEDSHORTSIN_PORT服务端口STRUCTIN_ADDRSIN_ADDR无符号长整型的IP地址CHARSIN_ZERO8填充字段常用的套接字的操作用GETSOCKOPT和SETSOCKOPT来获取和设置SOCKET属性。用BIND来绑定套接字到本地网卡地址INTBINDSOCKETS,已经创建的套接字CONSTSTRUCTSOCKADDRFARNAMESOCKET地址结构INTNAMELEN地址结构的长度数字逻辑课程网络虚拟实验系统组成远程服务器，主要模块为用户信息的注册界面、修改界面和平台发布。网络虚拟实验平台，主要包括电平信号和脉冲信号的控制实现、七段显示器的实现、发光二极管的实现、芯片的选择功能实现、芯片的逻辑功能实现和布线的实现。芯片由与门、非门、或门、与非门和异或门等门电路组成，但是有些芯片我们可以通过简单的代码实现，不一定要实现其内部复杂的门电路组成，我们要做的只是模拟其逻辑功能。电平和脉冲信号控制实现通过界面上对应的电平开关和脉冲信号按钮进行信号控制。当点击屏幕上的电平开关图片处可以控制对应输出控所对应的电平状态。当开关显示的图片为向下方向的图片时说明当前对应孔输出低电平，当点击该开关后变为向上方向的图片时的开关图片后，对应的孔输出的为高电平。通过点击脉冲开关可以为相应的插孔提供脉冲信号。当点击脉冲信号图片处会使得对应的孔产生一个脉冲信号。布线的实现当点击软件界面的孔时可以进行接线操作，当点击点1后在点击点2可以时1和2间显示一条联线，表示1与2间的接口有电源线连接，同时使得连接后的两点间的孔对应的参数相同，用于模拟电路的连通时两接口间的电平相同。同时当在软件界面上选择对应接线时可以进行该线的删除操作。接线插孔和芯片插孔的实现接线插孔和芯片插孔都是通过对插孔图在界面上按一定排列实现的，即按一定排列顺序在界面上显示接线插孔和芯片接口。同时每个插孔的位置坐标保存在数组里面，方便连接时找到对应的接口为其赋值。芯片插孔和电源线接口都是在运行程序时就在界面上显示的，可以在程序开始时就进行处理。七段显示器和发光二极管的实现同电平的开关类似，七段显示器的数字变化和发光二极管的明与暗都是通过对图片的显示实现的。发光二极管，当对应接口处的值表示低电平时对应位置显示暗的灯图片，当对应接口的值表示高电平时显示灯亮的图片。七段显示器则复杂点，7个接口的电平满足对应数字的电平时显示该数字的图片，当电平变化时显示的图片相应进行改变。芯片逻辑实现或门1或门，又称或电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个2输入或门构成。只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。与门2与门（英语ANDGATE）又称“与电路”。是执行“与”运算的基本逻辑门电路。有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。非门3非门（英文NOTGATE）又称反相器，是逻辑电路的基本单元，非门有一个输入和一个输出端。逻辑符号中输出端的圆圈代表反相的意思。当其输入端为高电平（逻辑1）时输出端为低电平（逻辑0），当其输入端为低电平时输出端为高电平。也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。4与非门由与门与非门组合而成。或非门由或门和非门组合而成。其中，非门和或非门在数字电路中较为常见。数字逻辑课程网络虚拟实验系统中的各种芯片基本是由以上几种门电路构成，在编码时我们需要了解各种实验需要芯片的结构图，方便我们进行芯片逻辑功能的实现。但是有的芯片功能我们可以通过简单的代码实现我们不必严格的模拟出内部的门电路，我们的目的只是模拟出其逻辑功能。数字逻辑课程网络虚拟实验系统的层次概述总体上分为用户管理和平台管理的远程网络服务器和虚拟数字逻辑实验平台两部分。远程网络服务器由以下几部分组成1、用户注册界面用于填写用户姓名、住址、账户、密码等信息并提交到数据库存储。2、用户登录界面用于用户输入账户密码，并和数据库进行匹配。3、用户修改界面用于更改用户的注册资料。4、用户登录后平台使用授权当用户账户和密码与数据库相同时，用户进入用户界面。5、进入实验跳转到服务器发布的虚拟数字逻辑实验平台界面。数字逻辑实验平台由以下几部分组成1、电平信号和脉冲信号的控制主要功能为产生脉冲信号和高低电平。在实验软件中可用不同的值代替以上各种状态。2、布线功能用于实现各芯片、元件间的引脚赋值和在平台界面上显示各元件间如何连接的。3、芯片的选择功能用于按照用户的选择调用对应的芯片函数。按照实验平台的需求编写相应芯片对应的实现芯片逻辑功能的函数。4、实验结果的显示主要是通过七段显示器和发光二极管的状态来显示电平信号通过芯片函数的处理后的变化。24与实际平台的比较传统的实际数字逻辑实验平台，以简单的实验板为载体，以简单的门电路、电子元件、导线、开关、LED为主，搭建实验电路；通过开关的不同组合，人为的给电路提供输入信号，观察LED亮、灭的状态，判断电路设计是否正确。由于电子元件和门电路等实验材料和数量有限，且容易损坏导致使用传统的实验平台实验的代价比较高，而且由于操作不当往往造成实验平台短路、严重的甚至可能烧坏实验平台。因此在成本方面和安全方面都不容乐观。数字逻辑课程网络虚拟实验系统很好的解决以上问题、由于其只是一个软件，不会出现操作部当而损坏的问题。同时理论上来说，导线、芯片等元器件基本等于无限提供，不存在损坏问题。因此大大的节省了实验成本。同时只要有电脑和网络，随时随地都能进行数字逻辑方面的实验，使得教师在课堂上的随堂演示成为可能。同时也为对数字逻辑有浓厚兴趣的同学提供了方便，只要通过软件的下载和账户的注册，家里面也能成为虚拟数字逻辑实验平台的实验室。因此如此的方便、价格的低廉使得除了学生外的电子爱好者也能体会学校里面做数字逻辑实验的乐趣。3总体设计31开发设计思想程序开发设计思想有以下几点1尽量采用现有的软硬件环境及先进的开发技术，从而达到充分利用现有资源，提高程序开发水平和应用效果的目的。2程序应实现实际中数字逻辑实验平台的一些简单功能。3系统采用模块化程序设计方法，既便于程序功能的各种组合和修改，又便于未参与开发的技术人员对其功能的补充。4开发的语言要选用简单易懂的，而且使用人数比较广的，这样方便使得开发出来的软件的后期维护代价更低，C语言就是其中的一个很好的选择。32系统功能设计系统设计是根据需求分析的结果，设计系统的模块和结果之间的内在联系。系统功能模块图系统的功能模块图33各模块功能设计远程网络服务器功能主要是用户注册、登录、信息修改和虚拟数字逻辑实验平台的发布。数字逻辑课程网络虚拟实验系统的主要功能有提供类似实际中数字逻辑实验平台的各种虚拟插槽、接线、芯片、七段显示器、发光二极管、高低电平产生开关和脉冲发生器。331远程服务器本模块的是用来进行用户信息的注册，通过用户注册界面进入用户信息的输入，当正确填写完信息后才能注册成功。通过注册后，能使用正确注册的账户进入数字逻辑课程网络虚拟实验系统开始试验。如果在登录时可以对自己的信息进行完善，保证自己账户的安全。同时服务器通过数据库保存用户数据，以便下次用户登录时进行信息对比。同时也能对软件维护者对用户信息进行掌握。可以对非法用户进行相应的处理。332虚拟数字逻辑实验平台主要功能为为用户提供实验所用的软件平台。该平台上有类似显示中的数字逻辑实验平台的的各种元件和接口。用户可以通过自己的需求选择实验所需的芯片，通过鼠标可以实现电平发生器的接口和芯片的引脚相连、芯片和芯片间引脚相连和芯片和发光二极管接口或七段显示器的相连。程序运行图333数字逻辑课程网络虚拟实验系统远程传输我们可以通过远程服务器控制用户是否有软件的使用权限，通过客户端可以进行用户账户和密码的输入并通过WINDOWSSOCKET通讯发送给服务器端，与服务器端的用户信息进行比较，当正确时服务器端将回馈给用户相应信息，使得用户能够从登陆界面进入虚拟实验平台界面。我们需要用到套接字与WINSOCK编程。套接字是网络编程的接口，在进行网络编程时，为了进行数据的传输，一般使用套接字进行与网络协议的交互。WINDOWSSOCKET是一套开放的WINDOWS下网络应用程序编程接口，是基于SOCKET模型的API。使得人们可以方便地使用WINDOWS的消息映射机制进行编程。套接字有三中情形，分别是流式套接字，数据报套接字和原始套接字。在调用SOCKETINTAF,INTTYPE,INTPROTOCOL创建套接字的时候可以根据第二个参数来指定其类型。具体如下SOCK_STREAM流式套接字SOCK_DGRAM数据报套接字SOCK_RAW原始套接字原始套接字用来处理低层的协议机制，因此这里使用原始套接字。使用的套接字的地址结构如下STRUCTSOCKADDR_INSHORTSIN_FAMILY网络地址类型UNSIGNEDSHORTSIN_PORT服务端口STRUCTIN_ADDRSIN_ADDR无符号长整型的IP地址CHARSIN_ZERO8填充字段34程序系统设计重点网络服务器主要由登录界面、用户信息修改界面和用户注册界面组成。当用户正确登录后将转到虚拟数字逻辑实验平台界面。用户信息将通过数据库进行存储，当用户登录时将会将用户输入信息和数据库中的数据进行匹配，当相同的时候才能正确进入虚拟数字逻辑实验平台，否则返回登录界面。同时如何将软件在网上发布也是难点。远程服务器与客户端的虚拟数字逻辑实验平台间的交流时通过WINDOWSSOCKET编程实现的。用户通过软件的注册界面输入用户相关信息，通过网络发送给远程服务器，如果通过验证将会将用户账户信息存储进服务器的数据库中。用户通过登录界面输入账户和密码，通过网络发送给服务器，服务器将通过与数据库的对比确认用户信息是否正确，如果不正确则返回信息要求用户输入正确信息。如果信息通过验证则服务器发送指令让用户进入虚拟数字逻辑实验平台界面，并且正常进行实验。本软件的主体为芯片功能的调用，代码中将各种芯片的功能将是通过在用户选择芯片时调用该芯片对应的函数实现的，因此在编程时需将所需要的各种芯片的功能以部同的函数编写出来。同时编写一个芯片的选着函数，设定一个变量，其值为各芯片的编号，当用户通过界面选着芯片时，芯片选着函数能通过芯片编号找到程序运行时需要调用芯片的函数。要模拟出实际的数字逻辑实验平台的开关的开与关、发光二极管的暗与灭、芯片的插与拔和七段显示器的不同数字，我们都可以通过C语言对图片的显示来实现。比如发光二极管我们可以通过在界面上对应区域在程序运行后显示一张灯灭的图片，当其接口处获得高电平时，取消灯灭图片的显示，用灯亮的图片替代灯灭的图片在对应位置显示，这样就能产生当接口处没有电平或输出为地电平时灯不亮、当接口处获得的为高电平时灯亮的效果。实验平台的开始界面可以通过对各种接口图片，插孔图片在界面上的排列显示达到模拟实际数字逻辑实验平台的样子的模拟。芯片的选择我们可以通过鼠标的右键弹出菜单来进行选择。35程序优点1降低学习成本，可替代实验仪器，完成数字逻辑试验设计的仿真；2包含完整的数字逻辑教程，能指导用户进行自主学习；3具有良好的用户界面，更贴近用户的使用习惯