（计算机应用技术专业论文）计算机硬件实验虚拟仿真平台的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 计算机硬件实验教学犬都粟用专用设备作为实验平台，成本高，功能受硬件配 置限制，操作不便且设备易损坏。开发一种计算机仿真软件来替代专用实验设备， 癌拟地进行计算机硬转实验具有一定的理论意义和实用价值。 计算机仿真磷件实验平台有四个关键的技术：电路仿真模溅、仿真数据存储、 模拟运行算法、可视化操作界面。 电路仿囊模型可使用电路的输入输出函数关系式或真值表来表示，必要时还可 使用函数方程组米表示。时序电路、可编程电路、处理器、程序存储嚣、数模转换 电路、模数转换电路通过适当的处瑾也可以适用该模型。 仿真数据可以用标准化数据的组合来表示，既能实现仿真数据的标准化管理与 存储，也有荦j 予实现电路的自动组合。数据类型可无限扩充的存取机剩为末标准化 数据的存取提供了可能。这种数据表示技术也适用于知识表示、智能表示等领域。 根据已知电路状态点逐个计算组件电路的未知状态点是仿真电路运行算法的关 键。由于备组件电路相互关联，并非每个组件电路都能立即计算出结果，可先计算 可计算的组l 牛电路。必要时可通过解方程组求求解。 可视化操作界面可以体现虚拟实验的真实感，主要簧解决电路组件的绘制、拖 曳、引线连接、图像透明等问逛。 采用层次忧、模块化设计的思想，不仅简化了设计难度，既有利于软件的重用。 关键词：计算机仿真，虚糍交验，计算机硬件，仿真模型，数据表示 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e rh a r d w a r ee x p e r i m e l 】tt e a c h i n gm o s d ya d o p t ss p e c i a l _ p u f p o s ee x p e r i m e n t a l f b i l i t i e sa st h ee x p e r i m e n tp l a t f o m kt h ee x p c r i m e mi sw i 也h i g hc o s t s ，m e m c t i o ni s 1 i m i t e db yt h ch a r d w a r ec o i l f l g u r a t i o n ，ni sv e r yi n c o n v e i l i e mt oo p e r a t e ，e x p e d m e l l “ f k i l i “e s 盯ee a s yt od a m a g e d e v e l o p m e n t0 fac o m p u t e rs i i r m l a t i o ns o n w a r ct or c p l e s p e c i a l p l l r p o s ee x p e r i m e n 诅lf a c i l i t i e sf o ft h ev i r 【u a le x p e r i e t so fc o m p u t e rh 盯d w a r e h a v ec e r 七a i nt h c o r c t i c a ls i 鲫f i c a n c ea i l dp r a c n c a ls i 舀l i n c a n c e c o m p u t e rs i l n u l a n o nt op l a t f o m lo f e x p 谢m e n t sh a r d w a r eh a sf o u rk e yt e c l l l l o l o g i e s ： c i r c u i t s i m t 】1 a t i o nm o d e l s ，s i m l l l a t i o nd a t a s t o m g e ， v i n l i a l o p c r a 幢o na i g o r i m m s ， v i s u a l i z a t i o no p e r a t i o ni m e r f a c e c i r c u “s i m u i a t i o nm o d e l sc a nb ee x p f e s s e db yc i r c l l i tj n p u t o u t p u tr e l a t i o n sf u n c t i o n o rt n j mt a b l e ，a n d 、v h e nn e c e s s a r yb y如n c 廿蚰 e q u a t i o n s t i m es e r i e sc i r c u i t p r o g 阳m m a b l ec i r c u i t s ，p r o c e s s o r s ，p r o c e d l h 谢m 伽o r y d i 画t a m a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t a n da r i a l o g d i g i 诅ic o n v e r s i o nc i r c u i tt 1 1 r o u g l la p p r o p r i a t e 廿t m e mc a i ib ea p p l i e dt om e m o d e l s i m l l l a t i o nd a t ac a nb ee x 口r e s s e db vas t a n d a r d i z e dc o m b i t i o no fs t a i 】d 删z e dd a t 钆 w h i c h u l da c h i e v es t a n d a r d j z a “o no f t h em a 1 1 a g e e n t 1 1 1 ds t o r a z eo fs i m u l a t i o nd a t a ，i s a l s oh e l d f u lt or e a l i 日et h ea u t o m a t i cc o m b i n a 廿o no f c i r c u i t t h ea c c e s sn i e c h 咖s mo f d a t a w p et l l a tm a vb el i m i t l c 嚣i vc ) 【p 蚰d e dl l a so 恐r c dp o s s i b i u 婶f o rt h ea c c e s st h a td o e sn o t s t a n d a r d i z ed a t a t h i sk i n do ft e c l l l 】o l o g yo fd a t ap r e s e n t 撕o na l s o 印p l i e st 0t l l ef i e i d s s u c h 嬲k n o w l e d g ee x 口f e s s i o na n di n t e l l i 窑e n te x p r e s s i o n a c c o r d i n gt 0 h ec i r c u ns t a t ep o i tt 0c a l c l l l a t et l e 曲o w s t a t ep o i n to fm o d u l e c i r c u i ti st h ec n 】c i a i p o i n to fc i r c u i ts i m u j a t e do p e r a t i o na l g o r i l h m b e c a u s ev a o u s m o d u l e se l e c i cc i r c l l i ti n 储d e p e n d e n c e ，e a c hm o d u l ee l e c 埘cc i r c u i ta l lc a nc a l c u l a t et h e r e s u l ti m m e d i a t e l vb vn om c a n s ，m a v6 咖c a l c u l a t et h em o d u l ee l e c t d cc i r c u i tw h j c hm a v c a l c u l a t c i tc a nb es o l v e db ys o l v i n gd l ee q u a t i o ng r o u pi f n e c e s s a m t h ev i s i b l eo p e r “o ni m e r f k em a ym a n i f c s th y p o t i l e s i z e de x p e r i m e n t a it h et n l e f e e i j n g ，m a i n l ym u s ts o 】v ei h ee l e c t cc i r c u tm o d u l ep l a n ，l h et o 训n g ，t h el e a dw j 陀 c o 衄e m o n ，t h ep i c t u r et m l l s p a r e n c e 卸ds oo n w i i ht h et 1 1 0 u g h to fl e v e ld e s i 盟a i l dt h em o d u l a rd e s i g n ，i tn o t0 1 1 1 ys 沛p l m e d 也e d e s i g 皿d i f n c u l t ha l s o 、v a sa d v a n t a g e o u st os o f t w a r cr e u s e k e yw o r d s ：c o n l p u t e rs i m l l l “o n ，v i n u a le x p e r i m e m ，c o m p u t e rh a r d w a 陀，s i m u l a t i o n m o d e l ，d 丑i ac x p r c s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除史中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已存文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 歪好 开期：占年牛月；牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完仝了解学校有关保留、使用学位论史的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 小保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名娩字 日期：妒6 年牛月j j ：1 日 指导教师签名： 1 期：五年掣 、 嗲 2 ，芦 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 尚等院校计算机相关专业的专业课程和专业基础课程开设了一系列的硬件类实 验，以增加学生的感性认识，提高动手能力。比如数字逻辑、计算机组成原理、微 机原理、接口技术、单片机等课程都开设了相应豹硬件类实验。早期的实验方法， 需要焊接电路芯片或在面包板上接插电路芯片。这虽然有助于学生增加感性认识， 但工作的繁琐性大大限制了实验的复杂程度。有些实验根本无法傲，或无法获得应 有的效果。 现在一般采t i = | j 专用的硬件实验教学设各作为实验平台。目前有多个厂商开发这 类专用的硬件实验教学设备。其形式大多为集成了实验所需电路豹实验箱。除极少 数实验类型的设备之外，一般都古有处理器系统，甚至是多处理器系统。除实验对 象本身豹目标处理器之外，还需要管理处理器，以处理实验设备的内务。实验设备 内部已包含了实验类型所需的电路元件，一般z ；需要更换电路元件。实验设备内部 也完成了电路元件的基本连线，操作者一般只需根据实验内容改变部分连线，可以 使用跳线、开关等方式。麓察实验维栗可以通过撵示灯等形式。带有处理器的实验 设备一般都提供了小键盘和l e d 数码显示屏，以方便操作。不少现代的机型都提供 了与通用计算机联机操作的机制，可以使用通用计算机的键盘、鼠标，在显示器上 进行编程、调试等操作，但硬件电路的连线操作仍需要手工进行。更有一些规型提 供了纯软件方式的操作，但其功能非常有限，局限于少数几种预先定义好实验类型， 不能自由的搭配电路。 这些专用实验设备的技术含量远不如通用计算机，但由于其生产规模远小于通 用计算机，因此成本反而高于通用计算机。不同实验课程的实验，其实验原理、实 验层次、实验方渡都不尉，涉及盼电路元件更是千差万别，因此每门实验课程郝需 要配备专门的实验设备。实验操作采用跳线、开关等操作。很容易产生机械、电子 故障，实验设备的使用寿命一般很短。所以采用专用实验设备进行实验，经济成本 是丰日当高的。 专用实验设备内部完成了电路元件的基本连线，因此实验时减少了连线的工作 量，有利于加快实验进程，但另一方面也减少了学生对电路结构的旗性认识，与在 华中科技大学硕士学位论文 书本上看到的电路图没有多少区别。因为电路元件及其连线已经基本固定，所以实 验内容也就基本固定了。实验过程中需要完成的电路连线也只是依样画葫芦，不容 易发挥主动性。实验数据的输入、实验现象的观察，采用实验箱单独操作时，也是 非常不便的，与现代计算机的概念相差甚远。采用联机方式时效果较好，甚至可以 单步运行以观察各部分的状态变化。 综上所述，专用硬件实验教学设备成本高f i 】，实验内容受硬件配置的限制嘲，操 作不便【3 】，容易损坏1 4 】。这是与计算机技术的发展现状不相适应的。利用软件仿真技 术来虚拟硬件系统进行实验不仪可以大大地降低实验成本【”，也有利于提高教学效 果。 利用仿真软件在通用计算机上虚拟的进行计算机硬件类实验，所需成本仅为 次性的软件开发和维护费用，以及每台通用计算机的使用费用。如果仿真软件能够 通用于多门课程的实验，则成本可以成倍数的降低。特别是如果该软件是可以由用 户自行扩充的，则二次开发的成本也可免去。 利用仿真软件的可视化界面，学生可以实现电路设计、元件选择、布局、连线、 设定数据、编写程序、运行电路、观察运行状态等一系列的操作，对整个硬件电路 的结构、运行过程以及电路的开发过程会有更清楚的认识 。学生可以不受限制的发 挥想象，实现各种电路的设计1 7 】。还可以自行开发元器件，实现仿真软件自身的扩充。 纯软件的仿真实验也有其弱点，不能直接对硬件电路进行测试。可以考虑外接 一个接u 电路，用于连接需要测试的硬件电路。因为该接口电路只起连线作用，所 以可以连接不同的电路。该接口电路的成本也会相当低廉。 这样的仿真软件不仅可用于教学实验，也可用于教师的课堂教学演示。当仿真 软件在功能、精度和时间特性上进一步提高以后，也可用于研究实验和开发实验。 1 。2 技术和理论基础 1 2 1 虚拟电子实验技术 虚拟实验是当今国内外最热门的技术之一 “j 。虚拟实验可以大大降低实验成 本，实现一些现实环境中无法完成或难以完成的实验。许多高科技、高投入、高风 险的项目，都采用了虚拟实验技术【”。q 。例如核能、宇航、天体、气候、洋流、地 壳运动，都可以进行模拟。 华中科技大学硕士学位论文 虚拟实验在民用领域主要用于产品研发和实验教学”。其中电子电路的设计和 分析是虚拟实验在民用领域发展最成熟的应用”，” 。电子电路的设计和分析现在已 基本可以在计算机上的实现，无需搭建实际电路，这就是电子设计自动化( e d a ) 1 1 8 】。 电子设计自动化有相当多的商业化产品【1 9 】，如s p i c e 、p s p i c e 、e w b 、p r o t c l 、 m a x + p 1 u s i i 、s y s t e mv i e w 、i s p b x p e r c 、f d a d o ns e r i e s 、q u a r t i l s i 产、m u t i s i m 口”、 i c a p 4 等【2 2 l 。这些软件既可用于产品开发与测试，也可用于实验教学。 s p i c e ( s i m u l 撕o np r o g r 锄w i t 1i n t e r g i 叫e dc i r c u ne m p h a s i s ) 是由美国加州大学 推出的电路分析仿真软件，是2 0 世纪8 0 年代世界上应用最广泛的电路设计软件， 1 9 8 8 年被定为美国国家标准。1 9 8 4 年，美国m i c m s i m 公司推出了基于s 口i c e 的微机 版p s p i c e ( p e r s o n a l - s p i c e ) 【“。p s p i c e 是功能最强大的模拟和数字电路混合仿真软 件，包括对中规模集成电路( m s i ) 和大规模集成电路( l s i ) 提供多种分析功能， 而且仿真精度高，并可自行建立元器件及元器件库。 e w b ( e i e c o i c sw 酬【b e n c h ) 是加拿大i n t e r a c t i v el i n a g et e c h n o i o g i e sl t d 在2 0 世纪9 0 年代推出的电路仿真软件。它体积小，但对模数电路的混合仿真功能却十分 强人。它具有界面形象直观、操作方便的特点，还提供了多种虚拟仪器。使用者使 用虚拟仪器对电子电路进行仿真如同置身于实验室使用真实仪器调试电路样。 e w b 的高版本已改名为m u l b s i m b 。 p m t e l 是澳大利亚p m t e l 公司在2 0 世纪8 0 年代米推出的c a d 工具，是p c b 设 计者的首选软件。现在它是完整的全方位电路设计系统。 m a x + p l u s 【”1 是美国a l t e m 公司自行设计的e d a 软件工具，其界面友好，使 用便捷，具有原理图输入和文本输入两种输入方式。m a ) ( + p 1 u s i i 具有门级仿真器， 可进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果，还可以把电路图或电路描 述程序变成基本的的逻辑单元写入到可编程芯片中。 s y s t e mv i e w 是美国e l a l l i x 公司推出的，基于w i n d 0 、v s 环境下运行的用于系统 仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块去描述程序，无需与复杂的程序语言 打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速的建立和修改系统， 访问与调整参数，方便的加入注释。利用s y s t e m e w 可以构造各种复杂的模拟、数 字、数模混合系统和各种多速率系统，因此可用于各种线性或非线性控制系统的设 计和仿真。 从上面介绍的e d a 软件可以看出，e d a 技术已十分成熟，仿真能力和精度都达 华中科技文学硕士学位论文 到了很高的水平，操作也极为方便。虽然各种软件侧重点有所不同，但基本上都具 备了仿真功能，用于呶子实验是绰绰有余了。存在的问题主要是仿真软件使用仍然 很复杂，缺乏所需的仿真模型，软件购置成本太商。 e d a 软件主要是针对电路和芯片设计发展起来的，其仿真算法主要是基于连续 信号的即使可以用于数字信号的仿真，但这与计算机系统的仿真要求还是有很大 区别的。计算机系统的仿真侧熏的是状态及其变迁，而e d a 软件强调的是统计状态。 劳举关心每一个具体的状态。当然从理论上来流，由晶体管和门电路来仿真任俺一 个电路都是可以的，但实际情况远不是如此，一是这样做难度很大，二是没有必要 这样做，可以找到更好的办法。单片祖，就有一姥专用的仿真开发软件，如k a i l 、 p r o t e u s 等。实验仪器，就有专用的虚拟仪器软件，如l a b v i e w 2 6 】，l a b w i n d o w s ，c v i 辞。 匡内的许多研究，都是基于e d a 软件在某个领域的应用。出于e d a 软件本身 功能的限制，这姥研究的理论意义不大，这里不再叙述。 虚拟实验技术最新的发展趋势是借助计算机黼络实现的远程实验系统阱o ”。腹 技术上讲，这并无太多的勰意。但实际意义却很大。通过网络虚拟实验室，可以实 现远程多人协同实验，实现远程实验资源的共享。网络虚拟实验室在远程教育领域 也有十分重要驰意义。 1 2 2 计算机仿真技术 当现有的e d a 软件不能满足计算机硬件虚拟实验的需求时，唯一的办法就是从 更底层做起。虚拟实验的技本基础是计算机仿真技术。计算机仿真按术是建立在系 统论、控制理论、相似理论、信息处理技术、计算机技术等基础之上的，是当前应 用最广泛的技术之1 。 1 系统论 系统是人们认识世界、改造世界的一种思维模式。世界是一个整体，人通过各 种感官来感受世界。感爱并不是任何情况下都是糯同的，根据感受及感受组合的差 异大小，人区分出了最讶的各种事物。这是人类认识世界的最飘始的途径。事物之 间有着明显的差异性，事物内部表现出相对的一致性。但是差异是绝对的，事物内 部回掸存在着差异。随着对事物认识豹加深，在事物内部又可以区分出事物来。事 物内部的事物之所烈一开始区分不出来，是因为豢物内部的事物之间的差异远小于 华中科技火学硕士学位论文 最初的各种事物之闯的差异，事物蠹部的事物之闽的相互关联性要大于最初的各种 事物之间的关联性，这就是事物内部的整体性的表现。随着对事物认识的加深，人 们又认识到最扔的各种事物之问的差异性和相互关联性也是不相同的，潮此又可以 根据耀互荚鼗性的大小缀台出新的事物。由此人们认识到世界的屡次性。瓣以想见， 如果不是具备这样分解和综合的认识能力，那么人们眼中的世界要么像轫生婴儿般 片混沌要么像精 串障碍者那样是个个毫不相关的个体。 类似的事物，可以根据类似选一相关性，缀合成一个新的事物。这个新的事物 是台弃了原来事物不招同的部分而得到的，这是一种妇纳的方法。这个耨的事物就 是魇来类似的事物的类型。类型也就是模扳，透过添搬原衷被台去的部分就可以莰 复成原来的事物。类型代表了这类事物燕同的部分。类型所具有的，这类事物的符 6 个也都箕有，这是“种演绎的思想。 系统论正是对这群韩认知模式的方法模拟。人们把相互关联的事物看作一个 翳体，这个熬体就是系统。系统内韶相互关联、相曩作用。系统对外表现出相对的 独立投。系统与其它系统之闯的联系体现为系统的功能。按照系统论的懋想，显然 系统是具有层次结构的。 舅前系统论已成为科学研究最重要的方法之一。 2 系统仿真 对一个系统的研究有两种基本的思路，一是由内而外的方式，是由外而内的 方式。由内丽终的方式是报据系统内部的组织缝季句泉研究系统的功能，般采用理 论分析的方法。由外面内的方式闲为不知道系统内部麴组织结孛句，一般采用实验的 方法。由于迓域代研究的系统结构复杂，用解析方法分析困难，多胡实验研究方法。 剥于现实的系统，可在实际系统上进行实验研究。但是有很多系统，由于各种原因， 比如实验条件危险、实验成本高、或实验周期太长，不能直接进行实验。更有一些 系统，剪未真实的存在。遮对蘸霈要用到系统仿真技术。 系统仿真是为研究或演示系统性能面构造并运行这种真实系统模型辩方法。模 型就是对实际系统的一种抽象、本质的摇述。模型必颁包含系统中的主要因素，至 少应当包古那些决定系统本质属性豹重要因素。为了进行定量分析，攘颦中必须厦 魄出备主要因素之间的逻辑关系和数学关系，使模型对系统具有可操作性。仿舆模 型同样必须符合以上各项要求，并且适合于仿真环境下，递进模仿系统的行为采求 解问题。 华中科技大学硕士学位论文 仿真模型可以有多种形式，比如按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型# 对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型。物 理模型可以得到最接近实际系统的效果，但成本也最高。数学模型具有高度的抽象 性，可以用抽象的方法来处理，但真实感较差。利用计算机强大的计算能力来实现 数学模型计算，利用计算机强大图形显示能力，来显现数学模型所要表现的真实系 统的场景，成为现代仿真技术的主流，这就是计算机仿真技术眇l 。 3 数学建模方法 一个系统可以定义成如下的集合结构： s = r 代表时问基。时间基r 是描述时f 剐和为事件排序的个集合。通常，为整数 集j 或实数集r ，相应的s 分别被称为离散时间系统或连续时间系统。 代表输入集。输入集是系统界面的一部分，外部环境通过它与系统发生关 系。可以认为系统在任何时刻都受着输入流集合j 的作用，而系统本身并不直接控 制集合丘通常取j 号f ，h e _ 厂，即代表h 个实值的输入变量；有时取糊u a ， 其中是外部事件集合，o 是空事件。 d 代表输入段集。一个输入段描述了在某时间间隔内系统的输入模式。s 可以是 某个大系统的一个组成部分，考虑到重构，妇应该包括s 所能接受到的所有模式。 q 代表内部状态集。内部状态集q 表示系统的记忆，即过去历史的继承它影 响着现在和未来的响应。集合q 是内部结构建模的核心。 d 代表状态转移函数。状态转移函数d 是一个映射j ：9 x 臼一9 。任意时刻的内 部状态和从该时刻起的输入段唯一地决定了段终止时的状态。 y 代表输出集。输出集r 是系统界面的一部分，系统通过它作用于环境。 代表输出函数。输出函数是这样一个映射 ：qx 工x7 t l 通常 是多对1 的映射。 上述数学式子是系统模型的抽象化表示，它反映了影响系统行为的各方面的因 素，是实际建模的理论依据。实际建模根据建模途径的不同可以分为三个水平。 ( 1 ) 行为水平。根据丑7 t 、y 求a 、q 、6 。可以把系统视为个黑盒，对它 旌加。个输入信号，然后观测其输出信号。一个基本的描述单位是“轨迹”，它是从 一个时间基的区间到表示可能的观测结果的某个集合上的映射。一个“行为描述” 是这样一组轨迹的集合组成的，这种描述也可称为系统的“行为”。 华中科技大学硕士学位论文 对于曾、d 比较简单的系统，行为水平的建模方式非常有效。行为水平描述系统 的最基本的数学工具是微分方程或状态空间方程。将系统模攫转换为仿真模型，可 以使用数使积分法、离散化处理方法和面向结构翻的方法等仿真手段。对于q 、d 影 响不可忽酶的系统，采用行为水平的建模方式时，一种办法是其取统计结果，而不 考虑状态过程，另一种办法是通过假定q 、d 来使问题褥解。对于一卟实际系统，往 往很难事先知道a 、q 、d ，所以行为水平的建横方式是最常用的建模方法，也是仿真 科学重点研究的内容。 ( 2 ) 状态缋梅水平。已知gd 、 ，然后根据鼠z 求褥扎仿真科学本身弗 不研究具体系统豹9 、6 、l ，可以由曩统所瘸学科的研究来确定。实际的系统一般只 是在某种抽象程度上已知9 、d 、 ，仍需部分假定q 、d 、z 。 ( 3 ) 分鳃结构水平。将系统分解为耪干个子系统，每个子系统都可以给出确切 的输入集氲输出集r ，这就是系统的内部状态集q 。在此基础上群适用状态结构 水平的建模方法或行为水平的建模方法。每个子系统必要时又可以进一步分解删。 1 2 1 3 诗算枕磋锋电路仿襄技术 鉴于用通用编程语言直接从底层开始开发仿真系统面i 描大量的理论、技术问题， 和设计、编码的难度，很少见到用通用编程语言直接从底层开始仿真计算枫硬件电 路的案铡。 从所见到豹开发寨例来看，计算机硬件电路仿真用到的技术主要包括：丽向对 象技术9 ”、数据库技术、可视化操作技术、网络技术。 面向对象技术是系统论在计算机算法实现领域的应用。在面向对象技术中系统 的概念转变成了娄和对象。系统的成员也就是类或对象的成员。系统的功能变成了 类和对象的属性、方法和事件。因此箍向对象技术与传统的瑟向过程的程痔设计方 法相比更加符合人的认知规律。 翅向对象投术将相互关联的数据和程序看作个整体，这秭封装技术，改交了 面囊过程程序设计方法中数据和程序相分离的状况，减少了管理工作量，这瓣于大 型程序的开发有着极为熏要的意义。类是对对象的抽象，通过类这样一个模板来建 立剥象，大大减少了编码工作最，提高了代妈重用率。继承机审0 通过一个耀似类柬 华中科技大学硕士学位论文 建立新类。模版或范型技术可以同时完成支持各种数据类型的代码。这些技术更进 一步提高了代码重_ ； 零，降低了编玛工作量。多态技术使程序豹智辘纯程序迸一步 提高。目前面向对象编程已成为大型软件开发的最佳模式。 当然面向对象技术也还是有不足的。在获得编程的高效率的同时也降低了程序 运行时的效率。因为在选择更好建支持自诣还是支持入的选择中，岿然逡有取有舍。 在计算机性能已有较大的改善的情况下，效率降低似乎已变得不那么重要了。面向 对象技术支持计尊机自动的分析和演绎，不支持机器自动的归纳和练台。范型技术 也仪使问联稍有改善。这使褥蘑向对象技术在智能化编褪方面受到限制。 面向埘象技术在计算机仿真领域有着重要的作用。对于电子电路的仿真来说， 电子元器件的仿真模型就可看作是个类。电子元器件内部的结构就是类的成员。 电子元器件的功能可l 奠用类蚋属性、方法、事件来实现。电子元器件的每次引粥， 都只需要建立一个对象。由基本的电子元器件组成的电路，甚趸是整令实验电路或 实骑方案，都可着作是一个类或对象。由于面向对象技术不支持自动的归纳和综合。 因此也不支持自动建立电路组件。 为每种电子元器件建立一个类，这是一个相当大的数据量，葬加上为每个类 的对象保存的数据，这都需要有恰当的数报管理机制。类和对象可以维护自身在内 存中的数据。类可以将自身的数据保存在程序文件中，但过于庞大的类数量会使得 程序文件变得庞大，这会降低程序的启动和运行效率。对象的序列化可以将对象的 数据保存在磁盘文件中。为了实现对象数据的随机读取，需要由开发者来设计数据 存驭的机制。 计算机硬件电路仿真的开发案例中，数据存储主要的还是采焉关系数据痒陋删。 关系数据库具有存储效率高，数据操作规范等优点，但也要求数据类型必须具有赢 度的规范性。对于像电子电路仿真数据这样类型复杂、结构可变的数据，虽然关系 数据库通道建立复杂的袭关系，也能够实现这种数据韵存取，但关系数据库的优势 也就h i 存在了。 计算机硬件电路仿真的开发案例中。值得改进的主要有这样几个方面： 1 元器 牛及箕功能的表示。这些案铡都采用了丽向对象的编程技术。每一个元 华中科技大学硕士学位论文 器件用一个类来表示。元器件的功能用类的方法来实现1 4 1 j 。这样做带来的直接问题 是添加元器件类型是非常困难的，必须由编程人员来完成，普通的操作人员是无法 完成的，更不用说由计算机自动完成了。有些设计案例提供了动态编译的机制m ， 这只是解决了在什么地方添加元器件类型的问题，建立元器件类型仍然需要由编程 人员来完成。为了简化编程工作，添加元器件一般只提供基于继承机制的改进方法 和组合的方法，并不能真正建立新的元器件 4 ”。 2 数据的表示与存储。采用类来表示元器件类型之后，数据用对象和对象成员 来表示，其存取操作由类的方法来实现。也就是说数据自己负责自己的结构和存取， 所以对象级数据表现为不定长二进制序列，现代的关系型数据库完全可以存储这样 的数据。问题是这种数据表示和存储机制同样不适应添加元器件类型i 埘j 。另外当需 要在对象级数据之间建立层次或网状关系时，关系数据库就需要大费周折了h ”。 由于这两个囚素的存在。这些开发案例一般没有提供用户自己添加元器件的机 制。因为每一个元器件都需要由开发人员来设计，设计通用的仿真软件并无开发成 本上的优势，所以这些丌发案例仿真的适用范围一般比较狭窄。这样的问题小是具 体设计的问题，而是系统架构的问题。 1 3 研究内容 高等院校计算机硬件类实验，需要一种通用的计算机硬件实验仿真软件来替代 专j l j 的计算机硬件实验平台。该软件系统要有方便的可视化操作界面，能够完成各 种类犁的计算机硬件实验，能够由用户自行扩充冗器件，能够通过电路的继承和组 合自动生成新的电路元什。现有的商业化软件不能完全满足这样的要求。计算机硬 件仿真理论和技术也不能完伞满足这样的要求。 本课题的研究，首先需要构思一种统一的计算机硬件仿真模型，辅之以统一的 数据表示与存储技术，最终规划出符台上述要求的仿真软件设计方案。 全文分8 章： 第一章为绪论，主要介绍课题的来源和要求、课题研究的理论和技术摹础、课 题拟完成的研究内容。 华中科技大学硕士学位论文 第二章分析系统设计需求，规划设计流程。 第三章研究建立电路仿真模型的方法。 第四章研究数据表示与存储技术。 第五章介绍主要的仿真算法。 第六章介绍前台可视化操作界面的相关问题。 第七章进行软件的整体装配，并给出一个模拟的府用实例。 第八章总结全文，对设计的主要思想、存在的问题以及改进方案提出意见。 全文最后对课题研究和论文写作过程巾给予指导的导师和给与帮助的同学表示 衷心的感谢。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 总体设计方案 作为软件产品的开发，自顶向下，逐层分解是流行的趋势。但是本课题的研究 并不是现有理论和技术的简单应用。从创新的角度来看，先从具体问题的研究获得 启发，进而将其推广，更符合思维的本质。本设计将采用两者相结合的方法，先根 据需求确定几个关键技术，然后对关键技术各个击破，最后再给出完整的设计方案。 2 1 需求分析 敦学实践所需要的计算机硬件实验虚拟仿真平台，是一个计算机硬件系统的仿 真软件，它能够仿真计算机硬件电路的行为，模拟完成计算机硬件实验任务。 选择用仿真软件替代专用硬件实验设备，有三个基本的出发点：更全面的功能、 更方便的操作、更低廉的成本。这三个基本出发点同样应该贯穿于整个设计过程。 在采用软件平台的基础之上，更全面的功能体现在：拥有更多的元器件、能够根据 需要设计实验方案进行实验、能够扩展元器件、能够显示更多的状态细节；更方便 的操作体现在：可视亿操作环境、快速的实验操作、智能化的操作选项和提示；更 低廉的成本体现在：软件的通用性和软件的自我扩张性，这样可以减少软件的重复 开发费用和_ ：= 次开发费用。 作为计算机硬件实验的虚拟仿真平台，至少应包含这样三个部分：虚拟元器件、 实验系统的仿真、可视化操作界面。虚拟元器件应该包括：模拟电路、简单的数字 电路、带时序的数字电路、带寄存器的数字电路、带指令系统的数字电路、存储器、 刖d 和d ，a 转换电路、虚拟仪器等。模拟电路相比较而言可以稍有简化。实验系统 的仿真应包括：数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、单片机等课程 的实验类型。可视化操作包括电路元件的选择、电路的输入和组建、电路状态的设 定和显示，以及系统的内务操作。这三点构成了系统的用户需求。 连接这三者的是共同的数据基础。仿真元器件将其数据存储在数据集中，组建 实验电路时根据可视化操作界面的指令从数据集中取出相关元器件的数据，然后连 接成实验电路，实验电路的数据仍需存储在数据集中。实验电路运行时，由仿真运 华中科技大学硕士学位论文 行程序计算实验电路的状态数据的变化，这些数据同样需要保存在数据集中。实验 电路或其一部分因为其数据已经保存在数据集中，因此需要时可以像元器件一样调 出来使用。 数据集的描述可以分内、外存两个层次来考虑。内存中的数据可以随机访问， 但内存中可容纳的数据量是有限的，数据不能实现硬存储。考虑到数据的规模和重 复利用的需要，研究的重点应放在外存层次。内存中的数据集只是外存中数据集的 个子集。当然内、外存中的数据形式可以是不同的。 图2i 需求的分解与台并 可以根据每一个元器件和实验模式的特点设立一种单独的仿真模型，相应的也 就有单独的数据结构、运行模型和操作方式。这种设计思想比较简单，但实际工作 量非常之大，难以实现元器件和电路的扩充。根据更全面的功能、更方便的操作、 更低廉的成本这三个基本出发点，系统的设计在理想的情况下应该实现元器件和实 验模式的无限扩充能力，而且应该能由最终用户自行扩充元器件和实验模式，可以 在现有元器件和实验电路的基础上通过继承修改或组合更方便的得到新的元器件和 2 华中科技大学硕士学位论文 实验模式。这一切都要求有统一的数据结构，相应的也就要求有统一的仿真模型、 统一的运 亍模型和统一豹操作模型。这构成了设诗需求的主体雠分。 需求分析的思路可以简单的用图2 1 来示意。用户需求可以用图2 2 概括的来表 示。 錾 继 组 甥设 囊承 合 萎 晟 运瑾基修 验 行行 本 改 咒 m兀 器 电参 状 器 器 件 数态路 丁弋丁弋丁弋 f用户界蕊 if 仿真数据库ki仿真运算程序 2 2 系统模块划分 图2 2 用户需求 整个系统根据功能的相对独立性可划分为四个模块：可视化操作界面模块、仿 真运算程序模块、数据存取模块、仿真数据模块。可视化操作界面负责接受用户操 作指令，显示运行结果。仿真运算程序模块工作于后台，主要负责创建元器件、创 建实验电路、设置电路状态、仿真运行电路，是程序的主体部分。数据存取模块负 责实际的数据存取操作，使这一部分操作从仿真运行程序模块中分离出来，成为一 个公共的模块，降低仿真运行程洋的复杂度，筒化设计王作。仿真数据模块负责存 储元器件、实验电路的模型数据，以及实验电路的运行数据。另外还毒一些系统的 内务操作以及尚未考虑到的操作，将视情况分配到备模块中。四个模块的相互关系 可简单的用图2 3 来表示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 系统模块划分 2 3 小结 本章简要的介绍了系统设计的基本思想，对系统需求做出了原则性描述，对系 统功能进行了总体模块设计，提出了设计的关键技术和设计流程。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 仿真模型的建立 上一章介绍了系统设计的模块划分，本章研究仿真模型的建立问题。仿真模型 是整个设计工作的基础。系统设计需求的是统一的仿真模型，或至少有一部分是统 一的仿真模型。这没有现成的经验可供参考。研究的思路是首先对各种类型的元器 件单独进行分析，然后探索建立统一模型的方法。 3 1 模拟电子电路的仿真 一个m 个输入端、n 个输出端的电子器件可以用下列数学模式来表示： y 1 = f i ( x 。| l i mj ) ，l j n 其中y i 表示第j 个输出端的量值；x 表示第i 个输入端的量值；f i 表示相对于 第j 个输出端函数关系。 f i ) 称为数学仿真模型。 模拟电子器件输入端与输出端并不是能够截然分开的。比如，一个电阻有两个 引脚，这两个引脚都是输入端，也都是输出端。为使描述更加准确，将上述模式说 明中的“输入端的量值”改为“输入量”，“输入端的量值”改为“输出量”。 f f l l 是与具体的器件和电路环境有关的。为使仿真模型具有相对的完整性，便于 实际操作，同时考虑到仿真模型还应具有广泛的代表性，把器件的某些参数和电路 环境的某些参数也作为输入量。此时如果能够得到确定的 f i ) ，则上述模式依然成立。 此时的 f | 代表了一类器件在一类环境中应用时的函数关系。一个简单的模拟电子器 件可以利用已知的电子学知识求得 f ， 。比如，一个电阻，两个引脚分别用a 、b 表 示，如图3 1 。 迄d 兰k 7= = 一卜= ， i a1 8 图3 1 电阻 可以将两个引脚的电位v a 、v b ，流入电流i a 、i b ，电阻阻值r 作为输入量，v 、 v b 、i a 、i b 作为输出量，得到下列数学仿真模型； v a = v b - l b + r 或v a = v b 十1 矿r v b = v a - i a + r 或v b = v a + i b + r 华中科技大学硕士学位论文 i a = 一i b 或i a = ( v a - v b ) ，r i b = 一i a 或i b = ( v b v a ) ，r 对于复杂的模拟电子器件或内部结构未知的器件，可以利用实测数据的统计值 隶得经验公式。还是以上述电飙为倒，可以通过实验取褥实验数据，根据实验数据 的统计值绘制出曲线圈，然后求得近似的盐线方程。对于电阻这样简单的电子器件， 实测得到的经验仿真模型与前面利用日知的电子学知识求得的数学仿真模型应当是 一致的，因为电孑学也是剥用园样的方法求得电匿的电子学模型的。 对于由模拟电子元件组成的模拟电子电路，可以在电子元件仿真模型的基础上 通过计算来获得其电路状态。例如，一个由两个电阻串联而成的电路，如图3 2 。 迤d 兰兰七姿a二二刊h i ，到卜= = r 4 l l l 博 圈3 2 1 2 1 2 b 串联电阻 可得下列关系： v 2 a _ v i b 1 2 a = 一i l b 加上rl 、r 2 的仿真模型，可e 王求得该电路各输入、输出量的状态。由于模拟 电子电路的输入输出量相互关联，因此必须通过勰方程组才能求解。上例中r2 的 输入量v 2 a 、1 2 a 取决于v l b 、i l b ，但v 】b 、i l b 并不仅仅取决r 1 。可以想见当 电路比较复杂时，计算量是非常大的，而且需要用到电子学知识。如果这个电路会 被多次用到，为7 减少每次应耀时的重复计算，可以把该电路视为一个整体，仅从 外部来观察其输入输出情况。比如上面的串联电阻，如果不需要观察连接点的状态， 则可褥其视为一个阻值r l + r 2 的电阻，直接可以按电阻的仿真模型来处理；即使这 个电路不能套用一个现成的仿真模型，一般情况下其整体的仿真摸型也会比临时计 算内部电路的模型组合要快捷。把将电路视为一个糖体，不再考虑内部电路组成， 直接使用其仿真模型的做法，称为电路的合成。把电路秘为一个整体，僵使用时需 要根据内部电路的组成结构临时计算其仿真模型的做法称为电路的组合。电路组合 适用于不需要反复引用的电路，或是个还需要修改的电路。缎合算法也适用于具 体的廊用电路的计算。 华中科技大学硕士学位论文 显然对于个内部结构已知的电子器件，也可以使用组合或合成的方法来求得 其仿真模型。 计算机硬件实验涉及的模拟电子电路不多，而且对于模拟电路的精度要求不高， 对模拟电路的仿真可以采用较为概略