（计算机应用技术专业论文）计算机硬件虚拟实验室的设计与研究.pdf

摘要 虚拟实验室足一剥重要实验教学的资源。汁并机硬件虚拟实验室对于汁算机 硬件课稃的实验教学方式和手段的改革订着重要f 用，研究计算机硬什虚拟实验 京对1 二推行丌敞式i 嘲络实验教学具有重要意义。 本文针对f 1 简汁算机硬件虚拟实验室较为缺乏，教学需求髓大特别足刚络远 程教学需求量大的情况，提出了建芷计算机硬仆虚拟实验室的设训恐想与实现方 案。根删 1 算机哑什课程的特点j o 要求，通过抽象元器p l ：数抛模型，建立虚拟元 器件数据库；采儿】丝j 二纽什纳a c t i v e x 窀竹技术，设计和实现r 算机硬仆虚拟 实验1 l ? 台，提供】虚拟实验环境。文巾对实现计算机硬件虚拟实验室所采 ；l j 的一1 1 要技术做了洋细的阐述。 汁弹机硬1 _ l | _ j 盥拟实验系统虚拟元器件设备数据库、虚拟实验平台、虚拟 实验仿真运行三个部分组成。采j ：| 组件技术封装虚拟元器什及虚拟设备，使之具 有与平台无关、i j l = 发软件无关的特点：虚拟元器件数据库的建立也为不断扩充 新的虚拟元件提供支持；以虚拟实验室、f 台为丛础，使用纽什j 眵式提供试验用虚 拟元件i j 虚拟1 5 l 笛，支持动态引入及创建实验元什与没备对象。采用多线腔技术 实现j f 行；_ r 算，提高执行效率。模拟计算机硬斜：系统的运行机制，编辑编译程序； 通过引入不同的虚拟c p u 一出j 可在同一虚拟、r 台上实现1 i 州类型的微型机硬 中 ：虚拟实验。采朋连线方式传递信号，使信弓的处理更接近真实的计算机硬件实 验；虚拟实验电路采用烈两嘶j 线方式，解决以往l 【王子i 乜路虚拟实验室连线繁杂的 缺，k 。系统订效地解决了现有虚拟实验室系统巾普遍存在的交，l ：性差、矸：便于扩 充维护、软件功能模块难以重用等问题，同时降低系统丌发维护费用，缩短了_ 丌 发周期，为计算机硬件虚拟实验室的设计与实现进行有益尝试。 关键字：虚拟实验窒，计算机硬件，组1 ，j ：，a c t i v e x a b s t r a c t t h ev i r t u a ll a b o m c o r yj si h er c s o u r c e so f a ni m p o n a n te x p e r i m e n tt e a c h i n 舀t h e r e i si m p o r t a n tf u n c t i o nf o rt h ec o m p l i t e rh a ld 、r cs y s t e mv i n u a l l a b o r a t o wt or e f 0 兀n a t 把a c h i n gm e t h ) df o rc o m p u t e rh a r d w a r ee x p e 而m e n c o u r s e t h e r ei st h ci m p o n a n t m e a n i n gf o rr e s e a r c l l i n gi h e1 1 a r d w a r ev i r t u a l l a b o r a t o r yt op r o m o t et h eo p e nt y p eo f t h en e t w o r ke x p e r i m e n tt e a c h i n g a c c o r d i n g t ot h es h o r t a g eo f t h ec o m p u t c rh a r d w a r es y s t e mv i n u a l i a b o r a t o r ya n d t h el a r g ed e m a n do fl c a c m n gs p e c i a in e t w o r kr c m o t ct c a c h i n g ，l h j sp a p e rb r i n g s f o r w a r dt h ed e s i g nj d e aa n di m p l e m e n is c h e m eo fc o m p u l e rh a r d w a r es y g t e mv i n u a i l a b o r a t o r y t h ev i n u a lc o m p o n e n t sd a _ t a b a s e | i a sb c e ns e tu pb ya b s 打a c t i n g m a f h e m a t i c a lm o d e l i n go f e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sj nv i r t l l a le x p c r i m e n t s ，a c c o r d i n ga s c h a r a c t e r i s t i c sa n dn e e d so ft h eh a r d w a r cc o u r s e ，a d o p l i o nt h ea c t i v e xc o n t r o l l e r t e c h n o l o g i e sb a s e do d m ，w ed e s j g na n di m p l e m e n tt h ec o m p u t e rh a r d w a r ev i r t u a l e x t ) e r i m e n t i n gp l a m ) r ma n dp r o v i d e m p i e t ev i r t u a ie x l ) c r i m e n te n v i r o n m e n t 协i n t e c h n o l o g i e su s e db ya i ea l s od e s c r i b e di nt h ep a p e r t b ec o m p u l e r1 1 a r d w a r ev i m 吼le x i ) e r i m e n ts y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a n s ： v i r t u a lc o m p o n e n t sa n de q u i 胛e n t sd a h 出a s e ，v i r t u a le x p e m e n tp l a t f o n n ，v j r t u a l e x p e i m e n ti m i 协【ep e r f o n n ，a n dh a st h ef o i i o 、“n gn a t i v ea d v a n t 锄g c s ：c a p a b l eo f r u n n i n go na l m o s ta l lc o m m o np l a t f o n l l s ：t b ev i n u a lc o l n p o n e n t sd a t a b a s es y s t e m s u p p o r ie n i a r g i n gt h en e wv i r t u a lc o m p o n e n t si n t ot h ed a t a b a s e ：b yd y n 啪j c a l l y i m p o r t i n g ，c r e a t i n ge x p e r i m e n tc o m p o n e n ta n df a c i l i t yo b j e c t s ；b ya d 叩t i n g m u l t i t h r c a dt e c h n o i o g yt oj m p i e m e n tp a r a i l e lc o m p u t i n g ；l m i t a t i n gr u nm e c h a n i s mo f t h ec o m p u l c rb a r d w a r cs y s t e m ，e d j ta n dt r a n s l a t et h ea s s e m b i e rp r o g r a m so ft h e v i n u a lc o m p u t e r ；i m l ) 0 r t i n gt h ed i 仃e r e mv i n i l a 】c p uc h i p ，c a nj m i t a l e 西腩州t y p e e x p e “m e n to nt h es a m ev i n u a lp l a t f o m l ；a d o p t i n gt h el i n em e t h o dt od e l i v e rt h e s i g f l a l ，c a n m a k et h eh a n 曲n go fs i g n a la p p r o a c h 打u eh a f d w a r ee x p e r i m e n t s 汕y u s i n gd o u b l es j d e “n em e t h o di nv i r t u a le x p e “m e mc i r c u i t ，s o i v et h ec o m p l i c a t e dl i n e o ff b m e re l e c i r i cc i r c u i tv i r t u a ll a b o r a t o r y a l lh a v es o i v e dt h ep r o b l e m so ft h c c u r r e n tv i r t u a ll d b o r a t o r ys y s t e m a tt h es a m et i m e ，w eh a v cn o to n l yr e d u c c dt h e d e v e l o p m e n tc o s tb u ta l s os h o 疵n e dl h ed e v c l o p m e n tt i m e ni sb e n e f i c i a lt r i a if o r d e s i g nw i t hj m p l e r n e n to f t h ec o m p u t e rh a r d w a r e “n u a l l a b o m t o i y 1 ( e yw o r d s ：v i n u a ll a b o m t o r y ，c o m p u t e rh a f d 眦f es y s t e m ，c o m p o n e n t ，a c t i v e x - l | 南大学硕i ：论文 第一章绪论 虚拟实验室与虚拟实验技术足近年信息技术与计算机刚络技术迅猛发展的 产物，足促进教育方式、方法和科学实验进步的重要手段川，虚拟实验室的建 殴和虚拟实验相关问题的研究已成为迫切的问题。 1 1 虚拟实验室的意义、发展、研究现状 在当今| l j = 界范嘲内，信息化社会的到来l l 三推动着高等学校教育改革，在唰 络j ：建立数字化教室i ”、电子黑板 ”、虚拟实验室j 2 1 i3 1 ，它们已成为教学活动中 必不可少的部分n 对于理工学科体系的一些课程，如物理1 7 】、化学、计算机 组成原理等实践性很强的课程实验教学环节对学好这些课程足至关重要的。 学生通过足够的验证性实验和一定数量| | 勺综合性实验，才能真正理解和掌握该 学科的理论知识，获得一定的综合测试技能和实践能力，拼：初步具有处理实际 测试工作的能力。缺少了实验动手的机会，课程的教学效果将大打折扣。一个 设备良好、管理先进的实验室是学爿青快速、深刻地狱取各种知识和技能重 要场所。 虚拟实验室与虚拟实验技术可以说足网络远程教育领域应用信息技术的一 种创新：它允许人们通过网络访问和使俐自己没有的设备资源，使得处于不同 地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验操作，可以接触最新的仪 器。门纳起来，虚拟实验室对实验教学具有多方i i l i f 的促进作用ib l ： ( 1 ) 可以精确地演示桀些特征、过程等，以支持理论学习：( 2 ) 允许在很 近的地方考察一个对象，提供从物体的内部进行观察的机会，培养观察分析、 计划组织和问题解决能力：( 3 ) 允许学玎菁根据自己的节奏来完成实验体验： ( 4 ) 学习者可以通过实际使，廿虚拟设备获得对新技术的体验，掌握相关技术和 设备的知识，拓宽知识面：( 5 ) 提供很好的交互性。 此外，在高校教学经费普遍不足，物理资源的相对缺乏( 包括实验没备和 教职员丁) 情况下，利月j 虚拟实验室能及时满足学生对实验的需求，增强并扩展 r 实验教学的功能，虚拟实验窒以f j 所未有的方式将学生与实验环境和实验过 中南大学硕士论文 程有机联系起来，同时也加大实验教学的强度，提升实验教学对学员创新能力 平i l 实践能力培养的力发，降低实验教学对客观物质条什的依赖，突破1 专统教 学手段，为学生构建r 一利- 全新的实验教学模式，也为实现开放式实验教学提 供了姒有力的支持p j 。 虚拟实验室的研究，国际始二9 0 年代。代表性的成果有：美因1 1 l i n o i s 大 学的n m r s c o p e 系统俐。通过i n t e m e t ，研究人员确! 任何地方都能使用t l l i n o i s 大 学的仪器。负jn m r i ( 核磁萸振仪) 的使川，只要阳该大学递交了一个样。 f ，之 后，经过授权的研究人员就可以与服务器联机，服务器将显示f 1 1 一张表示仪器 设置的表格和功能清单，通过点击屏幕，j 二的按钮就可以进行实验。生成的图像 将被传刨到研究人员的计算机屏幕上。 虚拟工 晕科学实验系统，i _ f _ ij o h n sh o p k i n s 大学化学工程系为配合课程 “w h a ti se n 舀n e e r i n 9 7 ”的教学而建的州，实验的日的足引导学生尽快地掌 握实验、蒯题求埘、数捌采浆_ _ j ：j 1 科学分析的方法。孩实验系统尚在建设过程j ， 日前能够提供如下实验项【：l ：逻辑i 乜路实验、石汕勘探实验、机器人手臂控制 实验、声音传播实验、热传导实验、概率分析j 实验等。 v e t l ( v i n u a le n v i r o n m e n tt e c h n o l o g yl a b o r a t o f y ，简称玎l ) 实验室， i o u s t o n 大学和n a s 刖j o h n s o n 航天中心联合建立j 。该实验室主要致力于 虚拟现实技术在教育、训练和科学，t 程数据可视化领域的研究和开发工作，同 前已经取得r 多项砑究成果，其q ，包括：( 1 ) 开发r 一纽功能强大的软件工具， 普通的非专业程序设汁人员即可利川这些工具米创建多感知l 的、连接到特定硬 件上的三维环境；( 2 ) 研究虚拟现实技术在科学教育领域的应用。该项研究的 j 三要门标是创建一个具有高度交f ：性的智能虚拟环境，兀前青海洋学虚拟实验 室、天体物理学虚拟实验室、分了生物学虚拟实验室、核科学领域虚拟实验窒。 我国已经初步开胜了虚拟实验家方而的研究工作，并 j 现实现实验性质的 教学单元。清华大学、：| 匕京人学、一l ：海交通大学、华中科技大学等高校分别建 立了电子教室，其中有少数i u 予教室提供了有限的虚拟实验功能，如：清华大 学的二维气象系统、华i _ = l 科技大学的现代工程测试虚拟实验室和虚拟仪器实验 室f i 3 1 ，都取得r 一定的效果，似这些虚拟实验室的研究开发尚处于较初级的 阶段，j e 交互性、适应性不强，仍需要进行大量的研究与开发工作才能实现功 t p 南大学硕士睡文 能强大的虚拟实验室。 传统的用于教学的计算机硬件实验室通常是以某种类型的微型计算机( 如： 单板机、单片机) 为基础，结合其他的接口电路所构成的简单实验系统。实验 室蔓要配备有丽包扳、集成电路芯片、电线、探测棒、信号发生器、数字示波 器、七段显示器几e d 、开关等设备和工具。当学生从事硬件电路实验时，将微 型机电路、外接电路、所需的测试设备川电线连接起来，当电路设计完成后， 便可以将l 也路的脉冲信哆的接入端接至信号发生器，并调整旋钮米获得所需要 脉冲信钒或者输入微型机机器指令程序，直接把该实验h _ 】微型机系统与显示 器棚接进行系统性的实验，通过l e d 七段显示器观察电路的动作情形，或者通 过数字示波器观察所产生波形的正确性。上述的传统实验方式虽然非常适合初 学者，但仍有下列几项的缺点： 1 仪器殴备费用商，因此学，i 必须在设备完善的实验室中从事整个实验， 难以利用垛余对婀进行。 2 集成电路芯片i c 元件取得不易，而f 1 零件的好坏乜必须借助t c 测试 器来检查，无法以肉眼辨识故障与否。因此当电路有问题时，很难判 断是接线闷题或是圮组件的闷题，造成使用者胞学习障碍。 3 计算机硬件实验不象一般数字电路实验，通过简单的i 乜路连接也可进 行相应的实验，必须把计算机与外接电路相连构成完整的计算机系统 才能完成实验，蹶此具有一定连贯性，不同的学生建立不同的实验对 象f l 具有不同的实验进程，实验对象需要专人专用。 4 实验电路是用电线和插座连接的，容易发生短路或接触不良等状况， 因而造成实验上舸团扰。 5 乜路较复杂时，除错是一件非常小易的事情，一般都是用数字示波器 进行侦错，通常学生没有这些的设备，大多数采用重接方式处理。 6突发式阿题如接也路时不小心造成短路而不知或是也源接错。造 成元件损坏甚至爆裂等。 以上这些闷题严重影响学生对计算机原理的深入理解和学生动手能力的培 养，而使用虚拟实验室完成实验，壤软件仿真实验系统环境。将给计算机硬件 实验教学环境与实验过程带来全新的方法与手段。 中南大学颁士沦文 纵观虚拟实验窀的解决方法利用虚拟实验室来进行教学的情况【1 4 | f ”j ，它们 有的足魁1 二i u 路j f 【l 了技术的仿真软仆，需要长时问f 内练爿j 能熟能小巧 1 1 7 l ；有些虚拟实验室是以文字及少诈的蚓案为接口，采用被动仿真式的学 习i ” 【2 “，口学习者在此环境下类似背诵答案，仿真画而出现图文要求时，学习 者即按下几个控制键来反应，缺乏随机应变能力及临场感一旦缸：实际操作时 若出现错误时便不知所措。而且它们不具有开放性，只能在这些软件自身的环 境进行，无法实现仿真技术与多媒体技术的有机结介，较难川于计算机硬件及 各种接l j 实验，因此近年米虚拟实验室的研究j 开发已经朝着以虚拟环境 ( v i n u a le n v i r o n m e n t ) 为基础，提供给学习者最接近真实情况学习环境f 2 1 1 1 2 2 l 的 方向发展。 计算机硬什实验的特点是：实验i 【! 路连线复杂、涉及的元器什多、实验的 操作过程繁杂、计算机硬件实验多与接【：】一起操作等。针对这些特点，有必要 研制一套结合虚拟技术、仿真技术乖j 网络技术的计算机硬什实验教学系统，模 拟实际实验环境利内容，川虚拟技术构建“虚拟计算机硬件实验窒”，实现以 “软”代“硬”1 2 ”，使计算机硬什深程的实验可以在一般微哩机j ：完成，为此 我们研究开发了计算机硬件虚拟实验室c h s v l ( c o m p u t e rh a t d w a r es y s t e m v i r c u a ll a b o r a i o r y ) ，以提供学生从事计算机硬件实验的刁i 受时空限制的实验环 境。 1 2 研究内容 h 前有关计算机硬件虚拟实验室的研究主要涉及三个方面的内容：仿真、 ，i 动和适应性。c i i s v l 就魁提供集仿真( r e a l i s “c ) | ：2 5 l 、互动( 【几i e r a c t i v e ) 、 适应性( i r l e x i b l e l ”7 j 三者于一体的计算机硬仆实验环境。 ( 1 ) 仿真：在计算机系统r | l 采刚虚拟环境的设计方式米构造虚拟实验室 耻”，使学习存在虚拟吱验家巾如l i i 其境，融入整个计算机硬什实验教学课程1 1 1 ， 可以取得在真实环境； t 所取得的学习或训练效果。 c h s v l 直接采j _ j5 j 集成i u 路芯片柏仿的外观元器件及与计算机硬件实验 室所使用的设备棚似的外观没备，这样既可以【i ：使j 1 j 者。设计计算机硬什结构， 利j | 1 】各种“虚拟芯片”任意搭按i u 蹄，也可以实时的仿真验证刚刚所设计的i u 4 南大学颂j ：论文 路，实时得到仿真绵果，减少真正从事实验的困难度。 ( 2 ) 互动：虚拟实验室跫一个创造和弓f 导模拟实验的交互环境，即实验场 所，虑提供高度互动能力，使学生对虚拟对象进行操作与控制练习。它m 实验 所依赖的仿真程序、实验、工具和参考资料组成。用，、可以通过增加新的实验 元件与实验设备、建立新的实验t 具来扩充实验室。 c h s v l 需要解决以往虚拟实验室系统庄交互性、扩充性和软件重用性方 而所存存的不足，如用户不能定制实验无法将i 己开发的实验设备力入实验 室i j ，从：i 扩充实验室功能，较难重j l f | 已有的功能模块。c h s v l 利用面向对 象技术和组纠：技术开发虚拟设备和虚拟i 器件，建立虚拟元 ， ：数据库和虚拟设 备数据库，没立常川实验单元库，设计与实现交互性强的虚拟实验室平台，可 视化地定制实验者的实验对象，提高开发效率，实现软件重用。 ( 3 ) 适应性：虚拟实验室应让使用者神：最蘑乖的汁算机软硬件条件下，也 可进行虚拟实验。 虚拟实验室应具有充分的适应性，c h s v l 必须与网络技术相结合，让使 ，h 者无论何时何地都可通过网络浏览器w 曲b r o w s e r 进入虚拟实验室，即使在 最基本的计算机软硬住条件下也可进行实验。 系统采用建立虚拟元器件的数拓：模型米构造虚拟元器什数据库。虚拟元器 件的模酗通过抽象虚拟) 亡器竹的物理特征与外观特征，以数据模型的形式米描 述虚拟元器件，使虚拟元器什的建立可以分类完成。 为了使c h s v l 具有较好的运行效率与交互性，通过对开发方案、开发技 术等方面进行研究，系统采用多线程技术实现所：行处理，提高系统执行效率。 计算机删件实验涉及汁算机结构设汁不f 乜路连线，电蹄的连接成为计算机 硬什实验的重要环节，为使c h s v l 虚拟实验室操作界面更为真实，系统模仿 真实的计算机硬件实验，对系统连线使用的算法进行研究，改善了电路布线 舶方法与环境。 1 3 论文结构 本论文共分为赢章。 第一章为绪论。简要介绍虚拟实验室特点、国内外研究发展的状况、对高 f - 惰大学顶_ ：沦文 校实验教学的促进作用、虚拟计算机垤什实验室c h s v l 的特点，叙述了虚拟 计算机硬件实验家设计的背景、依据、技术的可行性，捕述了虚拟试验平台的 基本特点和论文研究的内窬。 第：章介绍c h s v l 虚拟实验室的总体设计。介绍了虚拟实验室的系统结 构、系统组l 成及各组成部分的功能、虚拟微型机实验的数学模型。分析了虚拟 实验环境巾的实体与行为之问的关系，提出了虚拟实验环境r - 实体建模的方法。 第三章介绍了虚拟实验室的平台殴计。从虚拟电路实验与虚拟计算机实验 两个方而介绍丁虚拟实验平台的设计。 第四章介绍r 虚拟实验室的并行处理技术，采取了多缓冲区多线程技术实 现虚拟机仿真运行过程中多个功能模块的、并行控制。 第五章总结_ 本文研究的i 1 1 i 容、丰要工作，以及进一步的研究方向。 叶1 南大学硕：i ：论文 第二章计算机硬件虚拟实验室总体设计 计算机硬州：虚拟实验室c h s v l 由虚拟元器件，设备数据库、虚拟实验平台、 虚拟实验仿真运行等部分构成，提 | _ l 了计算机硬件虚拟实验室的软什设计方案， 介绍了系统实现的功能。 2 1 计算机硬件虚拟实验室c n s v l 系统结构 计算机硬件虚拟实验室c h s v l 主要提供设计计算机硬件电路和仿真运行 所需的虚拟环境，包括所需要的元器件和设备。如图2 1 所示，c h s v l 主要由 三部分组成：虚拟元器件库、虚拟设备库、虚拟实验单元库及管理维护模块； 虚拟实验平台：虚拟实验仿真模块。虚拟实验平台与虚拟实验仿真模块作为客 户通过网络访问数据库服务器，虚拟计算机硬件系统( 以下简称虚拟机) 实验 陶2 1 计算机硬件虚拟实验室构成 中南大学硕士论文 通过虚拟实验平台进行编辑编译、设计、存贮后，由虚拟实验仿真模块完成虚 拟机集成：卷片测试、虚拟机程序编译、虚拟实验仿真运行、信号检测等操作。 2 1 1c h s v l 数据库及管理维护 c h s v l 系统中设置的数据库包括虚拟元器件库、虚拟设备库、虚拟实验 单元库。 虚拟元器件库提供计算机硬件虚拟实验所需的虚拟元器件如：虚拟微型 计算机c p u 芯片、虚拟存贮器：笛片、虚拟r 盯l 集成电路芯片等，是c h s v l 系统的基本构成要素。虚拟元器件数据库包含的虚拟元器件的类型很多，如图 图2 2 虚拟实验室i c 种类结构图 2 2 所示为虚拟集成电路芯片的结构图，每种类型的虚拟集成芯片的数日在虚拟 实验过程巾可以无限量的供应。 虚拟设备数据库提供虚拟实验过程中所需的虚拟设备，如：虚拟电源、虚 由由 中南大学硕士论文 拟信号发生器、逻辑探测棒、虚拟电路连接与显示用具、虚拟数字示波器等实 验时必备的仪器设备。虚拟i u 源1 i 要挺供直流i b 源供集成i i _ ! l 路芯片使朋：倩号 发生器_ | 1 _ 】来产生脉冲信号供时序逻辑电路使用；逻辑探测棒作为电路除错工具， 模拟一股的逻辑探棒，在显示商态时红灯亮，低态时蓝灯亮，浮接时不亮；数 字示波器同时跟踪监视2 个通路的数字信| i = ，足理想的电路除错t 具和信号显 示设备；显示器有七段显示器或l e d ；l 瓤路连接使用多种颜色的电线，不同的 颜色表示不同布线层。 虚拟实验单元库保存已经定制的常j l j 典型实验，由使用者按自己的需要提 取、编辑修改或仿真运行。 各数据库的管理与维护由管理维护模块负责，在它的控制下可进行虚拟元 器什、虚拟设备、虚拟实验单元的添加、删除与更新等操作。 2 1 ，2c h s v l 虚拟实验平台 1 c h s v l 虚拟实验、r 台界而 为_ 使虚拟实验系统具有良好的交互性，c h s v l 虚拟实验平台的界面分 工明确，使用方便。系统将虚拟实验界而分成实验布局工作区、文件操作工具 栏、虚拟元器件殴备操作工具栏。实验布局工作区作为计算机硬什电路连线 设计、测试与仿真运行的场所，实验项日存储工具栏为文件操作提供快捷方式， 虚拟元什设备操作工具栏，玎于元器件j 虚拟设备操作工具。 2 虚拟实验、r 台操作功能 虚拟实验平台提供虚拟而包板、虚拟设备、虚拟元器件，可完成以下功能： 虚拟元器件布局、虚拟元器件编辑、硬件电路的连线设计、电路编辑、虚拟实 验项口存储操作等功能。 虚拟元器件布局包括布局与编辑两顾功能。布局是指虚拟元器件在虚拟实 验操作平台上的位置安排方案；编辑是指虚拟实验使用的元器中l 二的插入、删除、 属性修改等操作。 硬什l 乜路的连线设计是对计算机硬件电路芯片进行电路连接与设计，采用 启发式迷宫算法。提供集成芯片的g i 脚之间自动寻找路线， 生成连线的功能。 因为计算机硬件f 乜路的连线很多，为避免虚拟实验操作平台上的i 乜路连线过于 9 中南犬学硕士论文 繁杂，系统采取双而布线的方法。如图2 3 所示足已连线的实验电路，不同的 颜色表示电路连线处于彳i 同布线层。 图2 3 虚拟实验连线操作 实验项目存储操作山实验项日存储操作、电路编辑操作所组成。实验项目 存储操作是对正在设计或已设计好的虚拟计算机硬件f 乜路、相关虚拟元器件的 属性以及进行当前状态的存贮操作，同的是为方便使用者按照闩己的汁划进行 虚拟实验，为使用者提供一个具有连贯性的实验操作手段，作为以后相关类型 的前期电路，达到渐进学习的目的。电路编辑操作一t 要完成使用者要进行的实 验的电路设计与编辑，包括插入、删除、修改元件属性与连线等操作。 2 1 3 虚拟实验仿真 c h s v l 虚拟实验仿真程序涉及集成电路芯片测试、虚拟机程序编译、虚 拟实验仿真运行、虚拟机信号检测等功能。 l f l 南大学硕士论文 集成电路芯片测试：i c ：醛片加_ j 二电源与信号源及辅助电路后，依自身的逻 辑关系产生十日应的输出信号，以验证i c ：卷片的性能及逻辑关系，为虚拟计算机 硬件电路的设计提供依据。 虚拟机程序编译：当虚拟机连接成计算机系统后，需要输入其汇编程序完 成实验任务，使用4 1 i 应的汇编程序编译器，将汇编程序转换成机器代码以便仿 真运行。 虚拟实验仿真运行：根据实验的要求，对虚拟机进行测试、仿真其指令系 统的操作完成输入程序的运行，：； i ：在才h 应的外尉 乜路产生所要求的实验信号。 虚拟机信号检测：由虚拟数字示波器、测试棒或信号指示灯或l e d 显示器 来完成检测工作。 虚拟实验过程中，各功能模块棚互作用，彼此，r 行操作，系统采用多线程 技术作为解决方案。 2 2c l i s v l 的软件设计方案 支持计算机硬件虚拟实验系统的框架是基于c s 的体系结构。 对于系统的结构模式。选择c ，s 方式是因为：b ，s 模式是c s 模式的一 利咿展，特指客厂t 端采川浏览器、其它层不变的一种c s 模式。这两种模式 各有优势，c s 模式安全性更好，在客，o 端可以实现丰富多彩的交互方式，而 目还可以分担服务器的部分计算工作，对于计算机硬件虚拟实验室，即要完成 用户定制实验进行实验的操作、仿真各种微型计算机的运行等都有大量需要 本地机参与工作以提高系统的t 作效率；b s 模式则实现了“o ”客户端，通用 性更好，降低软件使j 日成本。 系统的每一部分的于j ：发都有多种，l z 台和环境可供选择，这给系统的实现带 来很火的灵活性，而j 1 有利于系统的维护与升级。 在实践中，我们使， i ! | 了m i c r o s o f t 的产品作为开发平台。具体开发方式是： 操作系统：客户端w i n d o w s9 5 9 洲e 2 0 0 0 ，服务器均为w i n d o w s2 0 0 0 s e r v e r 。 数据库：m ss q ls e r ”r 2 0 0 0 。 c s 模式：在局域网环境下使用v i s 响l i n t e r d e v 6 o 开发，控件全部使用 中南人学硕：e 论文 v i s u a ib a s i c6 o 开发。 2 3 系统功能 c h s v l 可以让使用者通过网络进入虚拟实验室，根据实验教学大纲所要 求的内容进行计算机硬件实验。系统的主要功能有： 1 ，将计算机硬件电路设计、仿真、除错台为一体 c l s v l 其有较好的人机接口。协助使用者完成汁算机硬件i 乜路设计，提 供一些计算机硬付：电路典型实验实例，配备虚拟探测棒、虚拟数字示波器、单 步执行方式来协助除错操作，并使实验内容存贮成文件方便使用者进行连贯性 实验。 2 自动捕获的能力 在进行编辑t 作时，为了训：使用者更容易完成接线作j l k ，设簧了鼠标捕获 功能，即着选择某一i c 芯片或某一连线、将鼠标移动到所需位置附近时，系统 将i c 芯片或连线的位置自动对准屏幕背景网格，使位置对准，将集成芯片或连 线置于i i ! 确的地址。 3 复原与清除功能 系统设置了复原和清除的功能，前者可以让实验在产生错误后回复到前一 个状态，后者可以将实验布局工作区上的所有组件消除，若要删除单一组件， 则将鼠标移到组件上而，选择编辑浆单f i l 的删除操作。 4 显示i c 内部电路减少使用者查阅l c 手册 一般人在编辑电路时，都会使用一木i c 手册用来查阅自己所用到的】c 资 料。本系统为了使用卜的方便，使将这一项的功能加入到系统中，只要使用者 将鼠标移到该i c 的上方，右击该片j c 即可出现该i c 的电路图与属性数据，而 且其引脚图形与位置与i c 芯片的外观图形相对应，使用者只要根据显示的资 料，直接进行配线操作。 5 自动电路侦错能力 本系统具备侦测人为疏失的功能，当编辑电路完成后，合上电源开关进行 仿真，系统就会开始侦测你所设计的电路，有没有人为的疏失，如不小心将v c c 与g n d 短路等错误。 中南大学硕士论文 6 信号发生器 系统提供给使用者选择要使用的脉冲频率，脉冲的产生方式可分成连续和 点动两种模式，点动模式可由使用者使用鼠标在“脉冲”按钮处点击一下，脉 冲发生器便会送m 一个脉冲，此模式主要提供给系统仿真一个单步执行方式， 使用者可以以此观察电路的动作原理，亦可当成重要的除错工具。连续模式有 多种频率的脉冲信号可供选择，最长可达到每隔一秒产生一个脉冲信号。 7 可同时跟踪监看2 个频道的数字示波器 数字示波器在计算帆硬件实验中是不可或缺的角色，可以用它来观察数字 信号的变化，因此可以使用它来除错数字电路上较复杂的问题。系统提供可 同时跟踪监看2 个频道的数字示波器，使用者可以了解不同信道问信号互动的 关系，已能满足使用者除错的需求。而且数字示波器具备记忆的功能，使用者 可以选定某个频道激活其纪录的频道信号，供其以后使用和察看，以找到问题 发生的地方。 2 4 虚拟元器件的数学模型 在计算机硬件虚拟实验室中，必需配备虚拟元器件与虚拟设备。虚拟实验 以虚拟元器件为基本单元，虚拟元器件通过使用元器件模型来构造，并存放在 虚拟元器件数据库巾供用，o 使用。 用元器彳，| ：模型构造虚拟元器件就是用数学模型来代替物理上存在的具体的 物理器件，这种数学模型应该能够正确的反映器件的物理特性和电学特性( 对 于电子电路虚拟元件) 并且便于在计算机上进行计算。元器件数学模型的建立 直接影响着按个实验过程速度和准确性。 2 4 1 构成虚拟实验的实体和行为 在虚拟实验室环境- _ i ，将虚拟元器件看成独立的虚拟实体，每个虚拟实体 具有自身的功能特征，能够与虚拟实验室的其他成员建立相关的行为关系。一 个虚拟实验实例由多个具有特定功能的虚拟实体构成，相互协作完成该虚拟实 验实例的功能。 一个虚拟实体的功能，即该虚拟实体所涉及的电学特性，通过虚拟实体与 中南大学硕：l ：论文 外界交互所表现的行为来描述。虚拟实体的特性包括外观特性与物理特性，其 中物理特性构成其功能的备种参数。虚拟元件设计的关键就是将元件的外观图 形图像特性和物理特性年h 互映射，实现二者在一定规则上的同步。 征计算机硬件虚拟实验系统巾，我们对虚拟元件的属性进行抽象，建立数 据模型，使用建模1 3 0 l 的方法来建立虚拟元件数据库。 为丁进行虚拟元什属性的抽缘，系统成定： 1 虚拟实验v x 足虚拟实验室i l 的实体，它i _ in 个虚拟元件v e l t 构成。 v x = f v e l t i j r ) 2 虚拟元件v e j t 足构成实验的雉奉单元，具有村i 对独立的功能和特征， 能够单独的和外界的元素进行行为的交互。 n = i ，g r a p h a n r ，p h y a t t ri r ) 其hg r a p h a t 打表示虚拟元件图形信息的集合，p h y a t t r 表示虚拟元件物 理属性的集合。 3 g r a p h a t t r 表示虚拟元件的图形图像信息，描述虚拟实验环境- 1 1 一个元 件的外观信息。 g m p h a t t f d r aw ii e r ) 其中，d r a w 为组成g r a p h a t i r 的图形或图像。 4 p h y a n r 描述虚拟实验环境- i i 虚拟元制：的所有物理属性。 p h y a t t r 一 a t t r i l e m jj r j 5 a n r i t e m 是虚拟元中 ：的一个物理属性项，这个属性项包含物理属性的属 性名称，属性种类，属性值。 a t t t i t e m = i t e m n a m e ，i t e m k i n d ，i t e m 、，a l u e 其f 卜，i t e m n a m e 为属性名称，i t e m k j n d 为属性种类，l t e m v a l u e 为属性值。 虚拟元件实体之间相互作j = _ i 形成某种逻辑关系，系统状态变化随虚拟元件 自身状态和虚拟元卅：之阈的逻辑关系的变化面改变。这种变化通过虚拟元件实 体的行为来实现。虚拟元件自身状态的改变由自我调节行为完成，虚拟元件相 互之间的逻辑关系的改变山干u 调协行为来实现，自我调盯行为改变虚拟元什 的外观承i 物理属性，棚万调铸行为改变虚拟) 十 ：之闻朐逻辑关系，实现多个虚 拟元件所构成的整体功能，一系列特定功能的实施完成虚拟实验的实验过程。 4 叶1 南大学硕士论文 6 行为是对虚拟元件自身变化和相互作用的反映，一个行为的发生涉及到 动作施予方承受方的取值及与行为棚荚的参数。 a c t = f a n a m e ，a s e n d e r a r e c e i v c e r ，a v h l u e ，a p a r a m1 其| ha n a m e 为行为名，a s e n d e r 为行为施予者，a r e c e i v e r 为行为接受 者，a v a l u e 为行为取值，a p a r a m 为行为相关参数。 虚拟元件的行为作川由其自身条件和所处的虚拟环境共同决定，所以触发 条件分为内部条件和外部条件，内部条件对虚拟元件进行自我调节，改变其内 部属性的值的状态。同时也对所处的环境产生影响，使用外部条件发生改变， 外部条件足虚拟元件之间相互作刚的结果。 7 行为的发生受到虚拟元件自身和所处环境的影响，行为的触发条件有两 个：一个为内部条件i n t e m a l c o n d 。一个是外部条件e x t e m a l c o n d 。 v i 疋o n d = i n t e r c o n d ，e x t e r n a i c 0 n d 内部条件i n t e r n a l c o n d 由内部属性与自我调节行为关系来决定，如虚拟与 门，j e o i 脚取值的变化改变了! i 逻j _ | ：关系的输入值，山此产生内部调1 y 行为， 根据与逻辑关系运算产生相关结果，结果的变化改变了与之栩连接的虚拟元件 的e x t e r n a l c o n d ，由行为的施予者即虚拟与门产生外部行为，发送数据到行为 接受者，改变行为的接受者的内部条件，又将重复刚才的环境调节过程。虚拟 实验系统就是通过这种方式实现虚拟实验过程的。 2 4 2c h s v l 虚拟元器件的建模方法 虚拟元件的建模是根据元器件的物理属性和输入输出接口数据信息建立模 型，并形成虚拟元器件的模型数据库，这些虚拟元器件的模型就作为使用者在 建立计算机硬件虚拟实验时将其实例化成虚拟元器件对象，供虚拟实验仿真使 用。 元件的数学模型建立方法是：通过建立一个虚拟元彳，f ：属性库，山属性库管 理模块负责管理，根据用户输入的条件，建立起符合条件的虚拟元件模型再 生成虚拟元件的物理属性的数学模型，通过虚拟元件模型管理存入虚拟元件的 模型库中去，作为将米分析与建：芷实验元器件的参考实例，建模流程如图2 4 所示。 中南大学硕士论文 图2 4 虚拟元器1 ， ：建模流程 在c h s v l 中，根据实验元器件的物理特性将虚拟元件分三类：基本虚拟元 器件、常用虚拟元器件与虚拟集成芯， ，计算机硬件电路中使用的元器件按这 一i 种类型进行箭理，形成i 个虚拟元器件数据库。 1 基本虚拟元件库 基本虚拟元件是c h s v l 中最小模型单元，具有一定物理意义或功能逻辑 单元。构造基本虚拟元件时，先按属性数据库结构要求抽象其物理属性与外观 属性，然后生成虚拟元件。一些功能单一的元器件如电阻、电感、电容、二极 管等，只有简单的内部逻辑关系( 如电阻：u 爿r ) 和两个引脚的外观属性，因 此由基本元件模型库存贮其属性。 基奉类虚拟元1 ，| ：的实体描述分为属性j 行为： 1 ) 属性如下： i m a g e ：元件外观图像1 w i d t h ， 五e i g h t - l e f i ，t o p ：) i 件外观尺寸分别是宽、高、位置( l e f t ，t 0 p ) ： p i n ( i ) ( i ：l ，2 ) ：两个元件引脚对象，引脚的属性值存取山p i n ( i ) b i t 完成； a t t l ( i _ l ，n ) ；n 个属性，如i ：电阻涉及到u ，i ，r 等。 2 ) 行为： p j n v a l c h a n g e ( ) ：虚拟引脚值变化响应事什； s e n d c “) ：虚拟元件信号发送方法： p i n f n t ( ) ：引脚之间的逻辑关系描述函数，如l 岜阻： 中南大学硕士论文 p i l l ( 1 ) 。p i n ( 2 ) = o ，状态不通 p i n ( 1 ) 0 p i n ( 2 户1 ，状态通 2 简单虚拟元件库 简单虚拟元件是能够完成具体功能的元器件，它们的外观属性与内部逻辑 关系较基本虚拟元件复杂，如三极管具有三个引脚的外观属性和较为复杂的内 部逻辑关系，在数字电路将其简化为开关特性，并抽象其逻辑关系，即；( 发射 极) e = 0 ，( 集电极) c 邗o t b ( 基极) ，b 【o ，1 】。对于这类比较复杂的虚拟元件 的形成通过简单虚拟元件库存贮与管理其属性。 简单类虚拟元件的实体描述分为属性与行为： 1 ) 属性如下： i l i l a g c ：元件外观图像； w i d i h ，h e i g h t l e r ，t o p ：元