（计算机应用技术专业论文）构件组装技术在数字电路虚拟实验室中的应用研究.pdf

摘要 基于构件的软件复用技术是实现软件工业化生产的重要途径，其 中，构件组装技术是关键的一环。构件组装是指通过充分复用已有构 件资源，自动或半自动构造大粒度构件或新系统的方法。本文针对数 字电路实验设备复杂多样、难于开发的问题，提出了采用构件组装技 术快速构建数字电路虚拟实验室的方法。 首先，本文设计了基于j a v a b e a n 构件技术的虚拟芯片模型，详细 阐述了数字电路中组合逻辑芯片和时序逻辑芯片的实现方案。基于组 合逻辑电路真值表和时序逻辑电路功能特性表，提出了一种基于 x m l 配置文件可视化开发虚拟芯片的方法。 其次，针对电路芯片的工作原理和结构特征，本文提出一种新 的基于线索树的构件组装方案。该组装方案通过线索树结构存储复合 构件和原子构件之间的引脚映射关系，可实现对复合构件的动态分 解，从而使用户能够直观地观察复合芯片的内部组成结构，从而加深 对芯片设计原理的理解，同时增加实验兴趣。 最后，针对硬件电路高度异步、并发的运行特性，本文提出一 种基于数据驱动的构件调度机制。该机制解决了具有复杂连接关系的 构件之间的数据传递和调度运行问题，可以有效实现对数字电路运行 的仿真。 运行实例表明，提出的方法能够有效简化硬件电路虚拟实验室 中虚拟芯片的开发。这种基于构件组装的开发方法为其他虚拟实验室 的开发也提供了良好的参考。 关键词构件，构件组装，虚拟实验室，线索树 a bs t r a c t c o m p o n e n t b a s e ds o f t w a r er e u s e ( c bs r ) i sa ni m p o r t a n ta p p r o a c h t oa c h i e v ee n g i n e e r i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z e ds o f t w a r e p r o d u c t i o n ，a n dc o m p o n e n tc o m p o s i t i o ni s ak e yp o i n t t h et a r g e to f c o m p o n e n tc o m p o s i t i o ni sf u l l yr e u s i n ge x i s t i n gc o m p o n e n t st oa s s e m b l e i n t oal a r g e rs i z ec o m p o n e n to raf u l ls y s t e m d u et ot h ec h i p sf e a t u r e s o fc o m p l e xa n dd i v e r s i t yi nh a r d w a r ee x p e r i m e n t a l ，am e t h o do f d e v e l o p i n gd i g i t a lc i r c u i tv i r t u a ll a b o r a t o r yu s i n gc o m p o n e n tc o m p o s i t i o n w a sp r e s e n t e d f i r s t l y ，ac h i pm o d e lw a sd e s i g n e da n dam e t h o do fd e v e l o p i n g v i r t u a lc h i p sb a s e do nx m lw a sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nc o n s t r u c ts p e c i f i c c h i pc o m p o n e n t sf r o mt h ex m l t h a tc o n f i g u r e di nv i s u a l i z a t i o n b a s e d o nt h el o g i ct r u t ht a b l e sa n df u n c t i o nf e a t u r e st a b l e so fd i g i t a lc i r c u i t s ，t h e r e a l i z a t i o no fc o m b i n a t i o n a ll o g i cc i r c u i t sa n ds e q u e n t i a ll o g i cc h i p sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y ，f o rt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ec i r c u i tc h i p ， ac o m p o n e n tc o m p o s i t i o nb a s e do nt h r e a d t r e ew a sp r e s e n t e d t h ep i n m a pb e t w e e nc o m p o s i t ec o m p o n e n t sa n da t o mc o m p o n e n t sw e r es t o r e d i nt h r e a d - t r e e b yt h et h r e a d - t r e eam e t h o do fd e c o m p o s i n gc o m p o s i t e c h i p sl a y e r - b y - l a y e rw a si m p l e m e n t e d ，w h i c ha l l o w su s e r so b s e r v et h e i n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ec h i pv i s u a l l ya n db e t t e ru n d e r s t a n dt h ec h i p s d e s i g n a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e r e s ti nt h ee x p e r i m e n tw a si n c r e a s e d f i n a l l y ，f o r t h e r u n n i n g f e a t u r e so fh i g h l y a s y n c h r o n o u s a n d c o n c u r r e n to fh a r d w a r e ，ac o m p o n e n ts c h e d u l i n gm e c h a n i s mb a s e do n d a t a d r i v e nw a sp r e s e n t e d s i m u l a t i o no ft h eh a r d w a r er u n n i n gw a s i m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y s i m p l i f yt h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a lc h i p si nh a r d w a r ev i r t u a ll a b ，a n dt h e m e t h o do fc o m p o n e n tc o m p o s i t i o np r o v i d e sag o o dr e f e r e n c et ot h e d e v e l o p m e n to f o t h e rv i r t u a ll a b k e yw o r d s c o m p o n e n t ，c o m p o n e n tc o m p o s i t i o n ，h a r d w a r ev i r t u a l l a b t h r e a d t r e e i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：叠盔终日期：2 j 二年月墨日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：趔新签雅雌冁丑年月日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着我国高等教育体制改革的深化，高等院校招生规模不断扩大，高校教育 资源因此迅速陷入严重不足的境况，传统的教学方式越来越难以满足实际教学的 需求。现代信息技术的突飞猛进，特别是计算机网络技术的日新月异，使当今社 会进入了知识经济时代，催生了现代远程教育在世界各地蓬勃兴起【l 一钉。虚拟实 验室作为远程教育实践教学的主要形式得到了各界的极大关注，它高度开放的实 验环境，轻易突破时空限制的能力能够有效缓解实验资源不足的现状；同时，网 络融合各种传播媒体的特质，极大的丰富了实验教学的形式和内容。远程教育的 普及和虚拟实验室的诸多优点使得教育、科研中有着广泛的需求。 虚拟实验室通常需要开发众多的虚拟设备、仿真设备的运行，因而实现复杂， 开发周期长。因此，针对虚拟实验室的特点如何提高其开发效率是值得进一步研 究的问题。基于构件的软件开发技术以其更高的复用效率能够有效缩短开发周 期，降低系统开发成本，提高系统的可维护性，被认为是实现软件工程化开发和 软件工业化生产的主要途径。构件技术为加速虚拟实验室的开发提供了可行的途 径，从而满足远程教育中对虚拟实验室不断增长的需求。 1 1 虚拟实验室研究背景与现状 现代远程教育高度开放的教学环境和灵活多样的教学模式给传统的教与学 的概念赋予了新的内涵。基于i n t e m e t 的虚拟实验室作为现代远程教育中实践教 学的重要补充，填补了实践不足的缺点，为现代远程教育的长期发展奠定了重要 基础。 基于i n t e r n e t 的虚拟实验室是一个以计算机网络为基础的虚拟实验室环境， 它为学生和科研人员在虚拟实验环境实验提供了所需的各种共享资源包括：数 据、设备等，从而能够有效提高仿真实验和科研活动的效率。与传统的实验教学 相比，虚拟实验室具有如下显著特点。 1 通过网络实现大型科学仪器的共享，最大化发挥仪器的使用效率，能够 有效降低科研实验成本、节省研究经费。 2 通过网络进行虚拟实验，为用户提供了不受时间、地点和实验设备限制 的实验环境，能够以更加灵活、开放的方式实现实验教学。 3 突破客观条件限制，通过虚拟实验仿真展示出外在世界中难以察觉的客 观规律。如：观察电流在硬件电路中的流动过程。 硕士学位论文第一章绪论 4 虚拟实验环境中的虚拟仪器便于定制、扩充和升级，与传统实验教学相 比能够更好的发挥实验者的主观能动性和创造力，增加实验兴趣。 综上所述，基于网络的虚拟实验室具有传统实验教学所没有的透明性、安 全性、扩展性和资源共享等无法比拟的多种优点【5 】，从而使得其在现代远程教育 中具有广阔的应用前景，并很快成为了国内外实验教学和远程教学的研究热点。 虚拟实验室的概念最早是由美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授于1 9 8 9 年首先提出【6 1 。虚拟实验室以计算机网络为核心，充分利用计算机高速运算和图 形仿真的能力，综合使用不同的工具和技术打造一个能够展示世界客观规律的虚 拟实验平台。尽管虚拟实验室概念的提出至今才二十年的时间，但其广阔的应用 前景和良好的实验效果使得世界各国都投入了大量人力和物力，并取得了显著进 展。世界上的许多科研、教育机构根据自身需求，都纷纷创建了具有自己特色的 虚拟实验室，涵盖了计算机网络、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程 和图形图像等虚拟实验室4 1 。其中，比较著名的有德国汉诺威大学创建的虚拟 自动化实验室【1 5 】；西班牙大学电子系建立的电子仪器虚拟工作平刨1 6 】；意大利 帕瓦多大学开发的远程虚拟教育实验室【1 1 7 】；新加坡国立大学创建的远程示波器 实验和压力容器实验【1 8 】；美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔 威教授( p r o f e s s o rm i e l l a e lk a r w e i t ) 在网络上建立了一个“虚拟实验室”，在电脑 上模拟各种实验，让工程系的学生可以通过电脑网络来做实验，尝试解决工程上 遇到的各种问题【1 9 】；g e n t r a lf l o r i d a 大学教育训练研究院建立的v s l ( v i r t u a l s y s t e m sl a b o r a t o r y ) 虚拟实验系统，能够进行网络和并行计算，实时物理仿真等 与虚拟实验相关的支撑技术的研究；美国密歇根大学化学工程系创建的 v r i c h e l ( v i r t u a lr e a l i t yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 实验室能用来探索 和开发虚拟现实技术在化工领域的应用【2 0 ；美国俄勒冈大学的虚拟物理实验室 可以进行天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的实验【2 l 】；加拿大西北大 学物理与天文系从原子物理、力学、光学和波动力学等领域构建了虚拟物理实验 室吲；美国亚利桑那州大学开发的j - d s p 是一种面向对象的、利用j a v a 语言和 数字信号处理技术相结合开发的仿真系统，学生和远程学习者可以通过i n t e m e t 在线进行数字信号处理的仿真实验【2 3 2 5 】。 然而，国内外关于计算机硬件课程实验方面的研究甚少，主要集中在理论 层次的教学改革方面，只有少数涉及具体的应用。如b r i g h a my o u n g 大学创建了 一个有关计算机结构【2 6 】的网上课程。通过利用电路交互设计软件l o g i c w o r k s 3 提供的图形化接口，学生能够方便的输入和输出仿真数据，并在虚拟仪器上编写 和执行汇编程序，他们甚至能够利用现有的c a d 包来设计和实现虚拟c p u 。爱丁 堡大学开发的h a s e 系统【2 7 】是一个多层次、软硬件结合的计算机体系结构设计和 2 硕士学位论文第一章绪论 仿真的环境。卡尔加里大学开发的虚拟实验室【2 8 】包括远程控制仪器实验室和数 字符号储存实验室，学生能够利用数字符号能够进行基本的数字电路设计和仿 真。华中科技大学的现代测试虚拟实验【2 9 】室目前已开发了“用伏安法测电阻”、 “p t c 陶瓷伏安特性”、“太阳能电池的伏安特性 等三套实验；华中科大计算 机学院采用e j b 技术开发了数字逻辑虚拟实验系统【3 0 1 。华东师范大学利用j a v a 和v r m l 技术实现基于网络的电子线路虚拟实验室【3 1 1 。另外，采用常用的仿真应 用软件( 如m a t l a b 、v h d l 、e w b 等) 也能够对数字系统提供芯片级的设计和仿真。 但使用它们来实现仿真时，所建立的模型主要是以各种文件形式存在，不利于模 型的理解和重用。仿真人员往往在单台计算机上独自完成建模，然后运行，仿真 模型常常难以与系统中其他软件协作和集成。 纵观现有数字电路虚拟实验室的解决方法和教学情况，它们有的是基于电 路与电子技术的仿真软件，这些软件通常非常复杂难以操作，需要长时间的练习 才能掌握，不利于初学者短时间内进行学习；有的则过于简单，用少量的文字和 图形进行仿真，学习者在此环境下只能采取机械的记忆和操作方式进行实验，缺 乏随机应变能力及临场感，一旦在实际操作时，若出现错误便不知所措。因此开 发一个操作简单、易于使用且能灵活搭建各种实验的数字电路虚拟平台具有重要 的研究意义。 1 2 构件技术研究现状 基于构件的开发方法是目前软件工程研究领域的前沿课题【3 2 。在标准方面， 目前工业界流行的几种构件技术标准主要包括：微软的c o m d c o m 3 3 j 、s u n 的j a v a b e a n s e j b 3 4 】、o m g 的c o r b a 3 5 】。构件技术的应用方面，也已经取得了 一定的研究成果：北京大学软件工程研究所的青鸟工程【3 6 1 、中科院软件研究所 的信息化基础软件核心平台【3 | 7 1 、上海普元的面向构件的互联网应用基础平台 ( e o s ) 3 8 】、互联网实验室的面向构件的互联网应用基础平台研究报告口吼、 r i c h a r dn t a y l o r 等研制开发的用于g u i 软件开发的基于消息总线的c 2 架构风 格m 】、m a z ys h a w 等开发的利于枚举方式定义构件和连接器类型的u n i c o n 系统 、j m a g e e 等研制的用于分布式开发环境的d a r w i n 系统【4 2 】等等。 1 2 1 构件技术标准 1 c o r b a c o r b a 3 5 1 是o m g 组织制订的一种标准的面向对象应用程序体系规范。它 可以分为三个层次：o r b ( 对象请求代理) 、c o s ( 公共对象服务) 和c f ( 公共设 施) 。o r b 位于最底层，它规定了分布对象的定义( 接口) 和语言映射，实现对 3 硕士学位论文第一章绪论 象间的通讯和互操作；位于o r b 之上，定义了许多公共服务，可以提供诸如并 发、名字、事务、安全等服务；最上层的公共设施则定义了构件框架，提供可直 接为业务对象使用的服务。c o r b a 得到了绝大多数分布计算平台厂商的支持和 遵循，具有模型完整、独立于系统平台和开发语言、受支持程度高等特点。缺点 是体系结构庞大复杂，并且技术和标准的更新相对较慢。 2 j a v a b e a n s e j b j a v a b e a n s 是一种基于j a v a 语言的，能够可视化配置和操作且易于重用的标 准构件模型。j a v a b e a n s 能够被编译成可实例化的j a v a 类，在可视化开发环境的 支持下无须访问构件的源代码，仅通过配置j a v a b e a n s 的相应属性值就能实现对 构件的定制和组装，利用j a v a b e a n s 能够方便、快速的构造个应用系统。 e j b 3 4 】扩充了j a v a b e a n s 构件模型，是s u n 公司推出的基于j a v a 的服务器端 构件，和c o r b a 一样，e j b 也提供了分布式环境下对象之间的通信标准。e j b 是在j a v a b e a n s 本地构件基础上发展的面向服务器端分布式应用构件技术，提供 了基于j a v a 的二进制字节代码重用方式。e j b 给出了系统的分布式构件规范， 包括构件、构件容器的接口规范以及构件打包、构件配置等方面的内容。 e j b 的优势在于它的可移植性，它可以充分利用服务器市场中各种类型的主 流大型机和操作系统平台。凡是符合e j b 构件标准的应用系统都能够轻易的在 各个系统之间进行移植，从而做到“一次编写，到处运行”。能够节约大型应用 的开发成本。 3 c o m d c o m c o m d c o m 3 3 】是微软作为w i n d o w sn t 和w i n d o w s 9 5 的一项新技术推出 的。c o m d c o m 是经过扩展的分布计算模型，以及改造b a c ko f f i c e 系列服务 器端分布计算产品后发布的新的分布式构件技术标准。 c o m d c o m 构件仍然采用普通的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 模型， c o m 最初作为m i c r o s o f t 桌面系统的构件技术，主要为本地的o l e 应用服务， 但是随着m i c r o s o f t 服务器操作系统n t 和d c o m 的发布，c o m 通过底层的远 程支持使得构件技术延伸到了分布式应用领域，c o m d c o m 更将其扩充为面 向服务器端的业务逻辑中间件【4 3 1 。通过相关服务设施，如负载均衡、内存数据 库、对象池、构件管理与配置等，c o m d c o m 将c o m 、d c o m 、m t s 的功能 有机地统一在一起，形成了一个功能强大的构件应用体系结构。 c o m d c o m 是由微软公司单独发布的分布式对象构件模型，因此开发者使 用微软平台提供的开发工具，能够得到比较完善的各种服务和技术支持。但由此 也存在很大的缺点：过于依赖微软的操作系统平台，在其它系统或平台如u n i x 、 l i n u x 上难以发挥作用，应用范围受到比较大的限制。 4 硕十学位论文 第一章绪论 1 2 2 构件组装方法 构件组装的本质是在构件之间建立某种关联，根据这种关联将相对独立的构 件集合组织成一个有机协作运行的整体，共同完成用户定制的功能。根据构件组 装时需要对构件内部细节了解的程度，可以将构件的组装方法分为黑盒组装方 法、白盒组装方法和灰盒组装方法【删。 黑盒组装方法是一种理想化的组装方法，通常在实际中难以满足其组装条 件，因此难以有效应用，但是它为构件组装的理论和基础研究提供了发展方向。 黑盒组装中，开发人员不需要对构件的内部实现细节有任何的了解，仅仅通过它 的功能规约等说明作为指导，就能实现不同构件之间的组装。因此，这种方法使 用起来非常方便，开发人员不必掌握高深的程序设计知识，只需将注意力全部集 中于业务逻辑的实现上。 白盒组装与黑盒组装相反，它要求开发人员不仅了解待组装构件内部的所有 实现细节，开发人员还必须能够按照应用的需求对构件进行相应的修改以适应组 装的需要。因此，白盒组装方法使用起来非常不便，它对开发人员的编程能力有 较高的要求。白盒组装方法的代价一般很高，因为开发人员完全掌握一个构件的 内部实现与重新开发一个新构件所付出的时间和精力往往不会有太大差别。 灰盒组装方法是对黑盒组装和白盒组装的折衷。灰盒组装方法主要通过调整 构件的组装机制而不是通过修改构件内部实现来满足应用系统组装的要求，该方 法既实现了构件组装的灵活性，又不至于使构件组装过程过于复杂】。灰盒组 装方法是一种既适应于实际组装需求，又切实可行的组装方法。 1 2 3 构件组装支撑平台 1 通用组装工具 通用软件开发平台一般都配备了构件组装工具，并为用户提供了部分通用构 件。以微软的v i s u a ls t d i o 系列开发环境为例，它不仅为程序员提供了大量的标 准构件，而且还提供使用方便的构件开发集成环境( i d e ) ，使用户能够通过可 视化的拖拽轻松系统。v i s u a ls t d i o 开发平台中提供了各式各样的构件包括各种 g u i 构件、数据访问构件等，使用它进行软件开发能够有效缩短开发周期，且软 件产品运行稳定。它的不足之处是，构件组装过程完全依赖于手工生成粘合代码， 工作效率仍然不高，自动化程度低。 2 a b c t o o l s 基于软件体系结构的构件组装方法a b c 4 5 1 ( a r c h i t e c t u r e b a s e dc o m p o n e n t c o m p o s i t i o n ) 基本思想是在构件组装基础上，使用软件体系结构理论与概念指 导软件开发，提高系统生成的效率和可靠性。a b c 方法是以软件体系结构为指 导，面向构件组装的软件开发方法，为基于构件的软件复用提供了一种有效的解 5 硕士学位论文第一章绪论 决方案。在a b c 开发方法的指导下，a b ct o o l s 以a b c a d l 为基础，结合当 前主流的o o 技术，以中间件作为运行支撑平台，支持把e j b 构件组装部署到 符合j 2 e e 规范和c o r b a 规范的底层运行平台上，从而实现从s a 模型到可运 行系统的映射。a b ct o o l s 功能比较完善，具有自带的j 2 e e 运行平台，是s a 从实验室走向实用的一个比较成功的范例，但构件来源比较单一，实用性，自动 化程度需进一步提高。 3 青鸟i i i 型 青鸟i i i 型系统f 4 6 】是为了打造成软件生产线系统而开发，它支持基于构件一 构架复用的软件工业化生产技术，包括：青鸟构件模型和构件描述语言；专业化 的构件生产和构架开发；构件库、构架库管理；软件过程设计和控制：构件、构 架的系统集成( 组装) 等。青鸟构件组装工具支持用户以图形方式描述构件及其 连接关系，然后将图形表示转化为青鸟构件描述语言，实现构件组装。组装工具 的主要功能包括：编辑构件的c d l 描述；根据构件的c d l 描述来生成c + + 代码 骨架；构件组装；利用分布式对象技术实现构件在网络上的分布等。青鸟构件组 装工具描述面向对象的构件组装，提供了一整套集成开发编译工具，组装方式非 常灵活。但它的组装层次比较低，构件复用效率不高，这一点在新的构件技术标 准和运行环境出现的今天，已经成为一个不可忽视的问题。 4 上海普元e o s 上海普元e o s 集成开发环境e o ss t u d i o e 3 8 】，是面向构件的应用软件平台， 它大大简化了企业级应用系统的构建，并且提供了可灵活扩展的应用架构。使用 e o s 能够快速搭建出高质量的大型软件系统。用户可以利用e o s 平台提供的各 种基础构件，采用图形化拖拽的方式，快速定义出表示逻辑和业务逻辑，规划好 数据模型及拟定出w e b 表现形式。e o s 应用运行环境( e o ss e r v e r ) ，负责自 动解释执行e o ss t u d i o 环境中生产出的图形化“源程序 ，提供各层次业务过程 在w e b 服务器、j 2 e e 服务器、数据库服务器上的运行。e o s 应用管理工具，包 括e o sd e p l o y 、e o sm o n i t o r 、e o sm a n a g e r 等工具，提供应用软件( 基于构件 开发模式) 动态发布、运行监控、升级等功能；e o sd d t o o l 则提供了数据字典 管理，基本业务属性变化可以通过参数配置来完成，使得应用层业务配置具有强 大的灵活性；e o sr o l em a n a g e r 提供灵活的基于系统角色的用户菜单与功能设定 等功能。e o s 内置的构件库，是一组支持快速开发和部署应用系统，并且具有 高度复用能力的预制构件集合。e o s 的优点在于构件组装层次高，充分利用了 构件技术的新成果。但是，它目前主要针对电信、金融等领域系统的开发，应用 范围受到限制，普及程度不高。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的研究目标和内容 数字电路实验教学高昂的实验仪器和欠佳的实验效果使得此类虚拟实验室 有着广泛的需求。然而，数字电路实验中涉及的实验设备复杂多样，导致工作量 大且开发周期长；此外，硬件设备以电驱动运行的特性通常具有高度的异步性和 并发性，仿真难度大。因此，探索出一条快速构造数字电路虚拟设备的方法，且 能够有效仿真数字电路运行特性的虚拟实验平台具有重要的研究意义。 本文针对数字电路课程实验特点：1 ) 实验由实验设备连接而成；2 ) 实验设备 通常用来完成对输入数据的处理并产生相应的输出或进行结果的显示；3 ) 实验流 程可以灵活定制等特点，提出构件化的数字电子虚拟实验室的开发方法。首先， 抽象出一个能够表达实验设备共同特征( 结构特征和功能特征) 的构件模型，基于 该模型能够有效降低虚拟设备开发难度，实现虚拟设备的快速生产；其次，实现 一种通过复用已有设备构件开发新设备构件的方式，从而降低复杂设备的开发难 度。最后，基于构件模型采用统一的方法建立不同设备之间的组装关系，应对灵 活多变的实验流程，并实现一种调度运行机制保证它们之间的通信和数据传递能 够有效仿真硬件设备高度异步、并发的运行特性。 本文的研究内容包括以下几个方面。 1 设计一个统一的设备构件模型，用于表达具有相同特征的实验设备。本 文涉及的实验设备包括数据源构件、组合逻辑芯片构件和时序逻辑芯片构件。用 户可以通过可视化的配置而不是编写代码来开发虚拟芯片，以降低开发芯片的门 槛。 2 设计一种有效的构件组装结构，用于表达虚拟芯片之间的复杂连接关系 以及复合构件芯片与原子芯片的映射关系。基于已有的设备构件通过可视化的组 装开发复杂设备，以有效降低复杂设备的开发难度，针对实验教学需要实现对复 合构件的逐层分解，使用户更加直观的认识复杂电路的内部组成结构； 3 设计并实现数字电路的实验调度运行机制，能够有效虚拟数字电路高度 并发、异步的电气特性。 1 4 论文的组织结构 论文共分为六章。第一章是论文的绪论部分；第二章到第五章是论文的主体 部分；第六章是论文的结束语部分。 第一章绪论。本章主要介绍虚拟实验室和构件技术的相关研究背景、研究 现状。介绍了数字电路虚拟实验室开发中存在的一些问题，介绍了目前产业界在 构件组装技术研究应用的几种典型方案。 7 硕士学位论文第一章绪论 第二章虚拟实验组装平台总体框架。本章首先阐述了构件组装平台的总体 架构，其次介绍了虚拟实验组装平台的主要组成及各组成的功能和作用，最后简 要介绍了平台的层次结构。 第三章构件设计与实现。针对常见实验设备结构和功能特征提出了一种通 用的实验构件模型；根据数字电路实验中实验设备功能的不同分别介绍了数据源 构件、数据计算构件和结果显示构件的开发方法，针对数据计算构件分别介绍了 组合逻辑芯片和时序逻辑芯片的开发方法。 第四章构件组装及调度运行。本章首先阐述了在数字电路虚拟实验室中设 备构件组装关系建立的方法；提出了一种基于已有芯片构件可视化组装开发复杂 芯片的方法。阐述了基于数据驱动的构件调度运行机制仿真硬件实验电路的运 行。 第五章组装运行实例。分别介绍了组合逻辑电路双全加器7 4 l s l 8 3 和时序 逻辑电路四位移位寄存器的组装过程和调度运行的实现。 第六章结束语。总结了本文的研究工作，并做了进一步的研究展望。 8 硕士学位论文 第二章虚拟实验组装平台总体架构 第二章虚拟实验组装平台总体架构 计算机网络技术和现代远程教育的蓬勃发展，为基于网络的虚拟实验环境 提供了良好的技术支持和应用前景，由此对虚拟实验室需求也在不断增长。基于 构件的软件开发技术是现今软件工程研究的重点之一，它具有灵活性好、易于重 用、易于维护和实现高效等优点，构件技术为现代软件的批量生产提供了良好的 技术支持和理论基础。因此，创建一个构件化的虚拟实验平台对于虚拟实验室的 快速开发和推广具有重要的现实意义。 2 1 虚拟实验组装平台总体架构 加载本地 实验构件 客户蜡 浏览器 请求 a p p l e t 页 面文件 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一j 一 下载页面 文件 请求类文 件及资源 空娃i 一 下载类文 服务器 w w w 服务器 图2 1 虚拟实验组装平台架构 根据用户对虚拟实验平台的需求，从人机交互、资源管理、构件库的扩充 和软件升级等方面考虑，采用如图2 1 所示的b s 模式设计虚拟实验平台架构。 客户端采用支持j v m 的浏览器中嵌入j a v a a p p l e t 的方式实现，使得平台具 有j a v a 语言跨平台、安全和动态执行等优点。客户端主要提供虚拟实验平台的 组装运行环境，它能够提供如下几个功能：1 ) 根据用户的实验需求向服务器请求 所需的实验构件下载到本地文件系统并加载到j a v a 虚拟机中；2 ) 根据用户在实验 面板对实验构件之间的鼠标连线建立实验构件的内部组装关系从而形成完整的 实验；3 ) 由原子构件组装成复合构件时自动建立他们之间的映射关系；4 ) 提供了 保证实验构件之间有序协作的调度运行机制。此外，客户端还提供了管理本地构 件库的功能，能够将用户在实验中动态组装生成的构件注册到本地特定目录，加 以复用，也可将不需要的本地构件从系统中予以删除。 9 开验册构ij户实注地用的件本百发构到热1 硕士学位论文第二章虚拟实验组装平台总体架构 服务器端主要提供原子实验构件库、构件注册信息库以及实验需要用到的 其他资源文件，并根据客户端的用户请求将相应文件传送过去，为客户端的顺利 运行提供服务。为了给客户端提供安全、高质量服务，服务器端的实验构件库和 注册信息库采用集中管理的方式，即只有服务器管理员能够扩充实验构件库和修 改实验构件的注册信息。 2 2 虚拟实验组装环境 由于实验构件本身是一个个相对独立的实体并不包含足够的组装信息，因 此需要一定的支撑平台对构件的组装逻辑进行解析，控制构件的行为，协调构件 的信息交换。实验组装环境提供了一套工具，支持用户对实验构件进行组装，并 为组装后的实验提供运行环境。 1 虚拟实验构件组装平台环境 虚拟实验构件组装环境是用j a v a 开发，面向的组装对象是各种j a v a b e a n 实验构件。这些实验构件都实现了特定的功能并包含有内部接口及相关属性。虚 拟实验组装平台由一组组装工具和支撑运行平台组成。平台功能模块包括：实验 构件组装工具和实验支撑运行平台。其中，实验构件组装工具包含实验构件组装 工具、组装结构设计工具、编译运行工具；实验支撑运行平台主要包括支撑运行 环境、系统维护工具。组装结构设计工具以图形化界面的形式提供给用户，主要 任务是根据用户的实验需求，从实验构件库中检索出最合适的实验构件。并以用 户建模的实验流程结构为蓝本将其映射到实验构件内部组装结构上去。组装结构 设计完成后，一个实验所需的实验构件和实验构件之间的组装关系就被确定下 来。 2 实验构件库 实验构件库主要由服务器端实验构件库和客户端实验构件库两部分组成。 服务器端实验构件是由开发人员开发，这些构件都经过了严格测试能够保证质 量，通常面向网络上的所有用户；客户端构件是用户在运行过程根据自己的需要 自行开发的构件，它们一般没有经过严格的测试并不能保证运行的正确性，因此 只提供给本机用户使用。 3 构件注册信息库 构件注册信息库中主要保存了对实验构件的描述信息和组织信息，如：实 验构件的分类、构件名、构件逻辑结构和使用说明以及在服务器端的位置等。信 息库中并不保存构件的实际代码，而是为组装实验平台检索实验构件提供索引， 为用户使用构件提供功能说明等信息。因此，虚拟实验组装平台根据注册信息库 1 0 硕士学位论文 第二章虚拟实验组装平台总体架构 找到相应的实验构件以响应用户实验过程对实验构件的请求。用户根据提供的实 验构件信息选择合适的实验构件并按照功能说明进行使用。 2 3 组装平台层次结构模型 图2 - 2 组装平台层次结构模型 图2 2 给出了虚拟实验组装平台的层次结构模型。如图所示，平台主要分为 2 层，仿真应用层和业务逻辑层。用户在仿真应用层以可视化的方式，选取实验 构件搭建实验流程，完成对实验的建模；用户在仿真应用层通过可视化配置芯片 属性来构造自己需要的芯片构件，通过注册便可以使用自己开发的芯片构件。用 户在建模实验流程的过程，实际上组装平台同时也建立了实验构件到构件具体逻 辑实现体之间的映射关系，仿真应用层中实验构件之间的连线实际也代表了它们 对应逻辑实现体之间的组装关系。 从程序设计角度，通过仿真应用层与业务逻辑层的分离有效的减小了实验 构件模型和逻辑实体之间的耦合关系，这种视图与模型的分离能够使具有相同结 构特征的实验构件用相同的模型去表达，而其视图可以采用统一的方式进行显 示，因而模型和视图显示的复用可以加快实验构件的开发效率。从用户使用底层 计算机资源角度，仿真应用层呈现在用户面前的都是一些业务实体，用户只需根 据自己的业务知识进行相应的操作，而不用理解底层的具体实现。在这里用户只 需根据实验流程建模实验，实验构件之间具体的逻辑关系的组装的被屏蔽，方便 用户的使用。 2 4 平台运行环境 平台运行环境包括客户端运行环境和服务器端运行环境。服务器端提供w e b 硕士学位论文第二章虚拟实验组装平台总体架构 服务器，为客户端的资源请求服务；客户端则为下载的j a v a 字节码文件提供运 行时环境一j r e 。 由于虚拟实验组装平台面向网络上的所有用户，使用j a v a 语言开发具有跨 平台的特性。对客户端唯一的要求便是安装了特定操作系统上的j a v a 虚拟机， 以解释字节码，运行j a v a 程序。客户端一般有两种进入虚拟实验组装平台的途 径。第一种方式是使用支持j v m 的浏览器，如：i n t e r n e te x p l o r e 、f i r ef o x 等。需要注意的是不同的浏览器版本需要安装相应版本的j a v a 虚拟机。第二种 访问虚拟实验室的方法是通过j a v aw e bs t a r t 技术，采用j a v aw e bs t a r t 技术 会自动下载并安装相应的j r e 运行环境。j a v aw e bs t a r t 具有自动探测服务器 端软件是否更新的功能，因此使用这种方式方便用户使用最新的软件版本。另外， j a v aw e bs t a r t 技术提供了比在浏览器中更容易使用本地资源的方式。 服务器端提供w e b 服务器，该w e b 服务器可以安装在w i n d o w s2 0 0 3s e r v e r 或w i n d o w sn t 上。在这些系统上可以选择i i s5 0 或其他w e b 服务器。也可以 选择其他平台充当w e b 服务器，如l i n u x + a p a c h e 等。在该平台上，采用t o m c a t 5 5 来提供相关组件和属性文件的发布服务。 2 5 本章小结 本章对虚拟实验组装平台的总体架构进行了简要的分析和介绍，详细阐述 了该平台的基本特点。阐述了实验组装平台的基本组成，对每个组成部分的功能 做了简短概述。描述了组装实验平台的层次体系结构，分析了采用这种结构的优 点。最后介绍了平台的具体运行环境。 1 2 硕士学位论文第三章数字电路实验构件的设计与实现 第三章数字电路实验构件的设计与实现 实现构件组装的前提是存在可供复用的基础构件。同样地，要实现虚拟实 验的仿真就必须开发出相应的虚拟实验构件。针对数字电路实验中的常见实验设 备，按照它们对数据处理的不同，设备构件可分为数据源构件、逻辑运算构件和 结果显示构件。其中，逻辑运算构件按照逻辑运算功能的不同特点，又可分为两 类：组合逻辑构件和时序逻辑构件。下面从设备构件模型出发，分别详细介绍上 述实验构件设计与实现的关键技术。 3 1 实验构件模型 软件构件模型是对现实世界中问题空间和解空间的抽象，是对构件本质特征 和构件间关系的描述【4 9 1 。目前业界主要流行三种构件实现模型：微软的t o m 、 o m g 的c o r b a 和s u n 公司的e j b j a v a b e a n 。这些模型将构件的接口和构件实现体 进行了有效分离，增加了复用机会。 平台采用j a v a b e a n 构件开发实验构件。j a v a b e a n 是一种基于j a v a 技术的 软件构件，它具有j a v a 语言可移植性【5 0 】的特点，能够在所有平台上使用。 j a v a b e a n 支持构件技术中的各种特性：属性( p r o p e r t i e s ) 、事件( e v e n t s ) 、方 法( m e t h o d s ) 和持久性( p e r s i s t e n c e ) 。此外j a v a b e a n 还提供了内省机制 ( i n t r o s p e c t i o n ) 和自定义( c u s t o m i z a t i o n ) 的支持【5 。通过其强大的反射技术 支持【5 2 1 ，可以很方便的分析和配置j a v a b e a n 所具备的属性。j a v a b e a n 所具有的 上述诸多优点，使得应用程序的开发变得快速、简单和易于维护。 图3 1 中c c p _ d e v i c e c a r r i e r 是用j a v a b e a n 实现的实验设备公共父类。该 j a v a b e a n 表达了一个虚拟设备所具有的结构特征，如：名字、大小、位置、输 入输出引脚个数等，其中还包括了设备具有的功能方法属性。 图3 - 1j a v a b e a n 实验构件 1 3 硕士学位论文第三章数字电路实验构件的设计与实现 3 2 数据源构件 数据源构件用来产生实验运行所需的各种仿真信号，如：稳态的高低电平 信号、跳变的脉冲信号和周期的脉冲信号等。数据源构件没有逻辑运算功能，它 们主要负责响应用户鼠标双击事件产生实验仿真所需的源数据，驱动整个实验流 程的运行。按照源数据类型的不同，数据源构件主要包括：开关构件、单脉冲构 件和时序脉冲构件。其中，开关构件用来产生稳态数据；单脉冲构件和时序脉冲 构件用来产生跳变数据。下面将详细介绍如何实现这三种数据源构件。 3 2 1 开关构件 开关构件存在关闭和打开两种状态，关闭状态下输出引脚数据为0 ，打开状 态下数据引脚数据为1 。开关构件默认情况下是处于关闭状态，当用户用鼠标双 击其图标时可以在关闭和打开两种状态之间进行切换，从而可以控制输出