（计算机应用技术专业论文）计算机虚拟实验系统的研究与实现.pdfVIP

摘要 计算机组成原理是计算机专业的- - f 3 重要的基础主干课，实践性强，综合性 实验是这门课的重要环节。计算机组成原理实验仪则是这门课程实验环节中必不 可少的教学仪器。 面对现代教学的需求，原有的实验设备显得较为陈旧落后，面临着更新换代 局面，加上近些年国内高校的大规模扩招，致使大多数高校的实验设备在数量上 存有较大缺口，影响教学质量。通常实验平台依据其表现形式分为物理实验平台 和虚拟实验平台。物理实验平台由真正的物理仪器设备组成，它能准确地反映系 统的运行状况，贴近现实世界，但它也存在着缺点：实验设备投资大。系统的扩 展能力和升级空间有限，人机交互能力和可视化程度低等。而虚拟实验平台则通 过建立各个物理设备的原型来构建实验系统，对系统的运行进行仿真，具有耗资 少、配置灵活、入机交互能力和可视化程度高等优势。 论文结合了计算机学科的教学实践，首先对虚拟仪器的相关技术进行了概 述；然后较为全面地论述了虚拟仪器开发环境的比较和选取；在通过对计算机组 成原理虚拟实验系统的分析与设计的论述之后，本文详细她论述了如何实现计算 机组成原理虚拟实验系统的一些具体实验。本文探讨了运用l a b w i e w 对运算器实 验模块、指令系统模块、时序电路实验模块、译码器模块以及总控制面板模块等 实验模块的实现，以及运用c + + b u i l d e r 对运算器功能模块的实现方案。此外， 还进行了本系统l a b v i e w 部分的网上动态发布功能的探究。 最后，本文通过对计算机组成原理虚拟实验仪的研究开发，有效论证了在计 算机教学中，不必囿于传统实验器材的限制，只要通过p c 机加上开发的虚拟实 验系统也能实现同样的实验效果，并进一步论证了虚拟实验系统的可行性和实用 性。 关键词：计算机组成原理实验仪虚拟仪器c + + b u i l d e rl a b v i e w v a b s t r a c t t h ec o u r s eo fp r i n c i p l eo fc o m p u t e ro r g a n i z a t i o ni sab a s i cc o u r s e t ot h es t u d e n t sw h om a j o ri nc o m p u t e re n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e p r a c t i c i n g a n dc o m d r e h e n s i v ee x p e r i m e n ti sm u c h i m p o r t a n tt om a s t e r i t i t i s i m p o s s i b l et oi m a g i n eh o wt ot e a c ht h ec o u r s ew i t h o u tt h ep r i n c i p l eo f c o m p u t e ro r g a n i z a t i o ne x p e r i m e n ti n s t r u m e n tn a t u r a l l y t h eo r i g i n a le x p e r i m e n te q u i p m e n t su s u a l l yw i i is e e mt ob eo l dt of a l l b e h i n d ，f a c i n gr e n e w a lt oc h a n g eas i t u a t i o nt of a c et h en e e do ft h em o d e r n t e a c h i n g w h e nu n i v e r s i t i e sl a r g e l ye x p a n dt or e c r u i t ，t h e r ei sa c o n t a i n b i g g e ri n d e n t a t i o no nt h eq u a n t i t ya b o u tt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t si nm o s t u n i v e r s i t i e si nr e c e n ty e a r s w h i c hi n p a c tt h et e a c h i n gq u a l i t y u s u a l l y i t i sd i v i d e di n t ot h ep h y s i c se x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dt h ev i r t u a l e x p e r i m e n tp l a t f o r ma c c o r d i n gt o i t sm a n i f e s t a t i o n t h e p h y s i c s e x p e r i m e n tp l a t f o r mi s c o n s t i t u t e db yt h er e a l p h y s i c a li n s t r u m e n t e q u i p m e n t s i tc a nr e f l e c tt h em o v e m e n tc o n d i t i o no ft h es y s t e m a c c u r a t e l y ， c l o s et h er e a l i s t i cw o r l d b u tt h e r ea r es e v e r a lw e a k n e s s e s a b o u ti t t h ee q u i p m e n t si n v e s t m e n t e x p a n d i n ga b i l i t ya n du p d a t es p a c e i sv e r yl a r g eu s u a l l y ，a n dt h es y s t e m i sc o m m o n l y1 i m i t e d ，m e a n w b i l et h e a b i l i t ya b o u tt h ei n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np e o p l ea n dm a c h i n ea n d v i s u a l i z a t i o ni st o ol o w 。e t c o nt h ec o u n t a r yt h e r ea r eal o to fa d v a n t a g e s a b o u tt h ev i r t u a le x p e r i m e n tp l a t f o r 叽i tc a nb u i l du pe a c hp r o t o t y p eo f p h y s i c a le q u i p m e n t st os e tu pt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，a n dt oi m i r a t et h e m o v e m e n to ft h es y s t e mr e a l l y ，w i t hl i t t l ec o s t ，e a s y l yi n s t a l l ，h i g h i n t e r c o m m u n i c a t i o n a b i l i t y b e t w e e n p e o p l e a n d m a c h i n e ， a n d g o o d v i s u a l i z a t i o n 。e t c c o m b i n i n gw i t hc o m p u t e re n g i n e e r i n ga n ds c i e n c et e a c h i n gp r a c t i c e ， t h ep a p e rs u m m a r i z e st h et e c h n i q u e sa b o u tv i r t u a li n s t r u m e n t ，a tf i r s t t h e n ，t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l yd i s c u s s e dt h ec h o i c ea n dc o m p a r ea b o u t v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t s a f t e rd i s s e r t a t e dh o wt o a n a l y z ea n dd e s i g nt h ep r i n c i p l eo fc o m p u t e ro r g a n i z a t i o nv i r t u a l e x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt or e a l i z es o m ee x p e r i m e n t s o ft h ep r i n c i p l eo fc o m p u t e ro r g a n i z a t i o nt ov i r t u a li n i s t r u m e n ti nm o r e d e t a i l t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o na b o u ta l um o d u l e ，i n s t r u c t i o n s y s t e mm o d u l e ，t i m e o r d e rl o g i ce l e c t r i cc i r c u i tm o d u l e ，e n c o d e rm o d u l e a n dg e n e r a lc o n t r o lp a n e lm o d u l ee t c ，w h i c hi sd e v e l o p e db yl a b v i e w ，a n d a l s oe x p a t i a t e st h ep r o j e c to fr e a l i z ea l um o d u l ew h i c hi sd e v e l o p e db y c + + b u il d e r f u r t h e r m o r e t h ep a p e rm a k e st h ea d v a n t a g eo fl a b v i e wt o r e s e a r c hh o wt ou s et h ef u n c t i o no fp u b l i s h i n gt h ec o r r e s p o n d i n g i n s t r u m e n to nw e b s i d ed y n a m i c l y a tl a s t t h r o u g hr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h ep r i n c i p l eo fc o m p u t e r o r g a n i z a t i o nv i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n t ，t h ep a p e re f f i c i e n t l y d e m o n s t r a t e st h a tv i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta l s oc o u l dr e a li z et h e e x p e r i m e n t so n l yb yp ca n dn e e dn o tb el o c a l i z e db yt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t i n s t r u m e n t si nc o m p u t e rc o u r s et e a c h i n g a tt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t y a n dp r a c t i c a b i l i t yo fv i r t u a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n ti sa l s oa p p r o v e d k e y w o r d s ：t h ep r i n c i p l eo f c o m p u t e ro r g a n i z a t i o n ，e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ， v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) ，c + + b u i l d e r ，l a b v l e w 图目录 闰i i 基于w e b 的远程虚拟仪器示意图 圈2 - 1 虚拟仪器体系结构 图2 2 虚拟仪器的功能结构图 4 9 图2 3 虚拟仪器组成结构总体结构分布示意图i o 图2 4 虚拟仪器典型组成结构 图3 1 用l a b v i e w 结合其它开发语言开发虚拟仪器及虚拟实验系统的过程2 l 图3 2 基于l a b v i e w 的通用开发流程2 2 图4 - i 运算器实验基本模块结构 图4 - 2a l u ( s n 7 4 1 8 1 ) 逻辑图 图4 - 3s n 7 4 1 8 1 串行进位连接 图4 - 4s n 7 4 1 8 1 并行进位连接 图4 5 在c p u 模块用到的运算器原理图 图4 - 6 模块设计基本流程 图4 - 7c p u 虚拟实现的部分框架结构。 2 7 3 6 国5 1s n 7 4 1 8 1 设计的后面板导航图 图5 2 用l a b v i e w 编制的s n 7 4 1 8 1 的前面板视图 图5 3 四块s n 7 4 1 8 1 并行工作。 图5 4 信号发生器 图5 5 与时间采集部分有关的a l u 模块4 3 图5 6 相位推算 图5 7 进位判断 图5 8 波形显示( 有进位) 4 4 图5 9 运算器实验f = 而时的状态 图5 1 0 运算器实验f = a 加b ( 无进位) 时的状态 图5 1 l 指令系统模块的前面板 图5 1 2 寄存器区后面板代码图4 8 图5 1 3 微指令字段区后面板代码 图5 1 4a d d 指令运算 图5 1 5 运算器模块的主界面 图5 1 6 运行流程框图 图5 1 7 手动设置的选择 图5 1 8 键盘输入功能的实现 ，4 9 图5 1 9 运算器模块的动态演示 图5 2 0 时序电路实验的前面板 图5 2 17 4 1 3 8 译码器前面板 图5 2 27 4 1 3 8 译码器后面板代码图 图5 2 3 系统控制面板视图 图5 2 4 虚拟仪器网络实现 图5 2 5a e t i v e xo b j e c t 对话框 5 5 ，5 7 图5 2 6 输入w e b 发布所在根目录 图5 2 7 输入需要发布的相关信息 x 一5 9 6 0 6 l 。6 3 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：纽日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：皿日期： 圭盘太茎塑堂堡垒塞 第一章绪论 1 1引言 实验教学是课堂教学的延续，而随着低成本高性能的计算机资源普及运用， 特别是随着网络教学日益成为普及教育的有效手段，传统的实验教学方式已受到 愈来愈大的挑战，用现代新技术改革传统方式已成为大多数人的共识。现在很多 高校建立了校园网并通过中国教育科研网与互联网相联，充分利用校园网的资源， 建立计算机虚拟实验教学系统已成实验发展的一个大的趋势。 在虚拟实验教学系统中，可以通过多媒体技术和仿真技术的有机结合，虚拟 出逼真的实验场景，通过相应数学模型的建立，提供与实际实验的操作方法相类 似的实践体验，尤其适于原理验证性实验。作为实验教学的重要辅助手段，一方面， 可以大大提高实验效率和效果，拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径，使 学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识；另一方面，能更好地完善实验教学 的结构，激发学生的创造性思维。 一 通过虚拟实验系统，不仅能够提高远程教育的教学效果，更可使一些缺乏实 验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”的观察实验现象，甚至和异地的学 生合作进行实验。因此，大力构建计算机虚拟实验系统具有很高的实用价值和重 要的现实意义。 一个实验系统的创建和开发必然离不开其仪器的开发，仪器可以说是实验系 统的灵魂，对维系其正常运作起着至关重要的作用。同样，计算机虚拟实验系统 的构建，从某种意义上来说也就是在于对虚拟仪器的创建。 虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，通常 是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面 的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平 台，利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存 储、显示等功能。在虚拟仪器系统中、强调“软件就是仪器”的思想，硬件仅是 为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器的关键。在通用计算机平台上，用 户可以根据自己需要定义仪器的功能，通过修改软件的方法，很方便地改变、增减 仪器系统的功能与规模，其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结 合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。在计算机虚拟仪器实验系统中，通过应 用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面( 通常 叫做虚拟前面板) 操作计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统 仪器一样，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪 器与传统仪器的比较如表卜l 所示。 袭1 1虚拟仪器与传统仪器之比较 传统仪器虚拟仪器 开发与维护开销高软件使得开发与维护费用降得很低 技术更新周期长( 5 1 0 年)技术更新周期短( 1 2 年) 关键是硬件 关键是软件 价格昂贵价格低、可复用与可重配置性强 厂商定义仪器功能用户定义仪器功能 封闭、固定开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展 与网络及其它周边设备方便互联的面向应 功能单一、互联有限的独立设备 用的仪器系统 此外，随着网络的普及，网络授课、网络课堂给了人们更多学习、充电的机 会，而网络学习常常还存在无法通过动手实践来进一步掌握知识的弱点，尤其是 对那些有关计算机学科硬件知识方面的课程，如计算机组成原理等，更是需要动 手傲具体的实验，才能对于相关知识有进一步的领会和理解。虚拟实验系统却能 很好地解决在网络上提供相应的实验环境的问题，并且可以不必拘泥于时间和地 点的限制。 1 2 国内外研究现状 目前应用虚拟仪器来进行实验教学已实际启动，一些发达国家的高等学校已 将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用，如美国的斯坦福大学的机械 工程系要求3 ，4 年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制，在 我国也已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，并在此基础上，迸一步构建 2 圭遂盘堂塑堂焦逾查 基于虚拟仪器系统的网络虚拟实验平台。这对于基于虚拟仪器系统实际应用于远 程实验教学，是必不可少的环节。网络虚拟实验平台是在w e b 中创建出一个可视 化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击、拖曳 等操作，远程学习者可以操作虚拟仪器，进行有关课程的虚拟实验。网络虚拟实验 平台实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合。虚拟仪 器技术与认知模拟方法的结合也赋予网络虚拟实验平台的智能化特征。网络虚拟 实验平台构建成后，可以自由地、无顾虑地随时上网进入虚拟实验平台，操作仪器， 进行各种实验。 就目前国内外的计算机组成原理的教学情况来看，有较大的差异。国外的教 学是通过以下几种方式进行的：1 、给学生指派研究性课题。这种课题涉及到文 献检索、销售产品的w e b 检索、实验室的研究活动等；2 、给学生指派仿真性课 题。3 、给学生指派阅读、报告类题目，即要求学生阅读并分析文献中的论文。 国内的教学则是以教师讲授基本原理和学生做实验相结合的方式进行的。 由于国内外教学情况的不同，因此目前计算机组成原理实验仪都是由国内设 计生产并面向国内各大高校销售的。面对现代教学的需求，原有的实验设备面临 着更新换代的局面，加上近年国内高校的大规模扩招，致使实验设备在数量上存 有较大缺口，因而组成原理实验仪在国内有广泛的市场。 单从硬件方面的改进，就有很多种趋势。有多种仪器结合起来的多功能一体 实验仪方面的。比如，华中科技大学计算机学院，对数字逻辑、计算机组成原理 实验装置进行较大的改进，研制了s g j z - 1 实验仪，将数字逻辑、组成原理实验 仪进行合而为一御。也有基于c p l d 的计算机组成原理实验仪，利用c p l d 的i s p 技术在硬件环境不变的情况下通过改变程序完成不同的实验内容。1 。也有采用单 片机来主控计算机组成原理实验仪的，以此来减少实验时的硬件连线，降低成本， 使实验具有较强的键盘控制功能及检测功能嘲。当然，也有结合虚拟仪器来开发 的。2 0 世纪9 0 年代末就有提出取消插线、真实芯片、联网运行和自动诊断的功 能要求以及实现时的“软连接”与“全监测”概念的。1 。朱光前等在论文“”中分 析了西安唐都实验仪存在的结构性问题，并提出了一些改进方案。候国屏等叫 提出了虚拟实验室的建设方案。衷尔英提出了组成原理c a i 课件的设计思想“”； 3 上洛大学硕士学位论文 苟平章等提出了网络环境下用v b 实现的多媒体计算机组成原理动态模拟演 示系统“”；近年来也有应用虚拟仪器原理，使用软件仿真实验仪器的方法，通过 v b 来仿真实现组成原理实验仪的“”；就开发工具而言，还有直接运用j a v a a p p l e t s 进行开发的。 从虚拟实验系统的发展角度看，基于w e b 的远程虚拟仪器已成为一个总体发 展趋势。简单说就是把v i 技术和面向i n t e r n e t 的w e b 技术二者有机结合。v i 的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源实现 相关的测试需求；基于w e b 的远程虚拟仪器则更进一步，它是把仪器的前面板移 植到w e b 页面上，通过w e b 服务器实现相关的测试需求。图卜1 为基于w e b 的远 程虚拟仪器的示意图。 图1 1 基于w e b 的远程虚拟仪器示意图 在这方面的开发工具和平台也可谓多种多样。有的利用微软的a s p 技术实现 w e b 页面上浏览现场数据采集器采集的动态工业生产数据的功能嘧町，但是这种网 络化应用方案的功能性和交互性查对很弱。也有的通过监控级工控机( i p c ) 中 利用v b 和v c 编程来实现数据采集、处理及控制，并将实时数据和控制信息通过 以太网与数据库服务器进行交互，w e b 服务器则一方面与w e b 浏览器交互，另一 方面则实现对数据库服务器的访问嘲1 。然而这种方案开发周期长，系统功能性虽 然较前一种方案有较大提高，但仍难以在远端实现丰富友好的人机界面。 因此我们采用l a b v i e w 进行开发，部分实现了通过w e b 浏览器访问的功能， 以及多种网络( 包括i n t e r n e t ) 远程访问，与其它方案相比，有较强的功能和友 好的人机界面。 4 1 3研究内容与意义 目前国内高等工科院校仍然较为普遍的沿用着传统的实验教学方法，虽然比 较直观，也可以提高一定的实践动手能力，但明显存在以下几个方面的欠缺： 1 ) 实验内容和实验设备依附与理论课程进行划分，各实验室和实验内容常常 没有形成一个有机的整体，缺乏系统的观念。 2 ) 实验设备重复建设，无实验模拟功能，常导致实验过程费时多、元器件损 耗大。 3 ) 实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要，维护、使用、管 理不便。 4 ) 同一实验室往往集有多种类、多规格、多型号的传统实验设备，易损件备 用量大，操作使用方法各异，难以采用统一的管理标准和规程。 5 ) 实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律， 将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综 合能力的提高。 6 ) 滞后的实验设备和呆板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验 教学处于应试教育。 然而，实验是大学理工科教育的一个重要环节，很多学科都是以实验课程为 基础的，尤其是对于一些实践性较强的学科，实验对于培养学生的实际操作能力 和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。 如果能通过对传统硬件实验仪进行改造，开发出相应的虚拟仪器，构建虚拟实验 室，则可使学生能在任何时候，从任何地点进行实验，进而可大大提高实验教学 的伸缩性和适应性。 基于对虚拟仪器广阔发展前景以及组成原理实验仪在国内有广泛市场考虑， 结合计算机专业的实际情况，本文提出了运用虚拟仪器技术实现计算机组成原理 实验仪的研发这课题，并得到了上海市市科委项目。基于网络的远程机器人监 控技术”的支持。尽管如前一节所述，国内外计算机组成原理实验仪已经有了相 当多的开发研究，但目前还很少见到运用b o r l a n dc + + b u i l d e r 6 0 以及图形化 编程语言l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 等平台来进行开发的，因此本课题采用了这两种开发工具进行开发 尝试，以期获得更好的效果。 虚拟仪器的网络化应用一直是当今研究和应用的热点，因此本文在l a b v i e w 开发中部分实现了通过w e b 浏览器访问的功能，以及多种网络( 包括i n t e r n e t ) 远程访问。通过调研“”及实践对比，我们发现在网络应用开发方面，与其它方 案相比，实现基于l a b v i e w 的网络化应用方案，更能体现出操作功能强大、人机 界面丰富友好，应用标准化和开发周期短等特点。 本文研究实现了计算机组成原理实验系统中的一些基本功能模块。包括：组 成原理中计算机各部件的定义、相互关系、联接方式，系统的结构说明、解释、 接口、运行等。 其中，运用b o r l a n dc 十+ b u il d e r 6 0 实现的部分主要针对整个c p u 模块的 工作原理及部分算法进行了虚拟实现。而l a b v i e w 实现的部分则主要完成了计算 机组成原理实验中以下实验的设计： 1 运算器实验 1 ) 4 片4 位并行算术逻辑运算单元7 4 1 8 1 ，组装成一个串行的1 6 位运算器。 2 ) 验证7 4 1 8 1 的功能。 3 ) 测试1 6 运算器组间串行进位的最大平均进位延迟时间，在波形显示器 上显示出波形。 2 指令系统实验 1 ) 设计出包括各种类型、寻址方式的基本指令( 初步包括算术逻辑运算指 令、移位操作指令、数据传送指令、程序跳转指令) 。 2 ) 运用各芯片( 如算术逻辑运算单元7 4 1 8 1 、8 位并入并出移位寄存器 7 4 1 9 8 等) ，实现各芯片的联合工作，了解指令执行过程。 3 ) 在前台面板上能可视化观察指令执行过程，以及寄存器、内存、微指令 控制字段等的相应变化。 3 时序电路实验 在该实验中，可以使学生掌握时序电路及其波形图，了解使用中小规模集 成电路研制计算机时序电路的方法，以及熟悉在不同输入控制下的波形输出等 6 上洛大学硕士学位论文 方面的知识和技能。 4 总控制面板实验 由于本系统中涉及到的实验有运算器实验和指令系统实验。所以总控制面板 中包括了a l u 、r e g 、m e m 、m p g 、p c 、c k 等模块。通过选择实验内容，并判断是 否正确，来决定能否进行下一步实验，可以让学生迸一步掌握计算机中各组成部 分是怎么组合、配合工作等方面的知识，以加强学生对芯片接口连接方面的认识。 计算机组成原理虚拟实验仪的研制，特别是运用l a b v i e w 在网络方面的功 能，可以使得学生可以通过i n t e r n e t 进行远程虚拟实验。当前，在世界范围内， 网络时代信息化社会的到来正一步步推动着高等学校教育的改革，校园内的围墙 逐渐消失，学生对教师依赖性逐渐减少，学生通过网上虚拟大学学习的新型教育 模式已日益普及。在远程教学模式中特别需要建立和应用基于i n t e r n e t 网络的 虚拟实验系统，允许学习者根据自己的节奏，不受固定时间、地理位置的限制， 通过i n t e r n e t 网络进行观察和实验而激发学习动机并且比其它手段更精确的演 示某些特征和过程。 1 4文章结构 本论文共分为六章，各章论述的内容如下： 第一章绪论，介绍研究组成原理实验系统虚拟化研究背景、原因和意义。 第二章对虚拟仪器的相关技术进行概述。从总体上介绍了虚拟仪器的组成 结构以及相关的硬件和软件知识。 第三章着重论述了虚拟仪器开发环境的比较与选取。对当前流行的各种开 发环境进行了分类、分析和比较研究，进而明确本系统所选用的开 发环境。 第四章关于计算机组成原理虚拟实验系统的分析与设计。介绍了本文所实 现的计算机组成原理虚拟实验系统各功能模块的设定、划分和基本 设计思路，本文所实现的运算器模块、指令系统模块，以及c p u 模 块的分析设计。 第五章介绍了计算机组成原理实验仪的具体实现过程。较详细介绍了由 l a b v i e w 实现的运算器实验、指令系统模块，运用c + + b u i l d e r 实现 7 的运算器模块的虚拟实现情况，并简要介绍了同时实现的时序电路 实验、译码器实验、总控制面板模块以及本系统l a b v i e w 部分的网 上发布情况。 第六章总结与展望，总结了本文所做的工作，展望组成原理实验仪虚拟的 发展前景和今后研发工作的方向。 第二章虚拟实验系统相关技术 2 1虚拟实验系统的组成结构 虚拟实验系统通常是由虚拟仪器组成的。虚拟仪器“i ，v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ) 的体系结构如图2 - 1 所示，通常是将现有的计算机主流技术 与革新的灵活易用的软以及高性能模块化硬件结合在一起，建立的一种功能强 大、灵活易变的基于计算机的铡试测量或控制系统。它由被测对象、信号调理、 信号采集与控制、通用或工控计算机、虚拟仪器软件、网络等软硬件单元有机组 成。模块化的硬件主要实现信号的调理、传输、采集和控制等；功能强大的软件 是虚拟仪器的核心，它们主要实现信号的处理、分析和呈现等。在实际应用中， 硬件和软件是有机结合起来共同完成测控任务的。 数据采集器 图2 - l 虚拟仅器体系结构 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友 好的计算机图形界面来完成对被测试量的采集，分析、判断、显示、数据存储等 功能。通常可划分为数据采集、数据分析处理、结果输出三大功能模块( 如图2 2 所示) 。 9 数据采集数据分析结果输出 f 插入式d a q 卡fiif 网络传输 f l 篱俐辫毳俐图糕口l 匿2 - 2 瑾拟仪器的功能结构图 数据采集主要指利用硬件( 如d a q ，g p i b ，v x i ，r s - 2 3 2 等) 进行数据采集， 数据分析是指对数据进行各种分析处理( 信号处理、数字滤波、统计、分析等) ， 结果输出则是将采集到的数据和分析后的结果进行输出表示。 虚拟仪器综合利用了各类计算机技术、模块化的数据采集调理电路及总线技 术等方面的技术。通常，虚拟仪器组成结构可以总体分为硬件和软件两大部分， 如图2 3 和图2 - 4 所示。 虚拟仪器硬件部分 虚拟仪器应用软件 计算机硬件设备 数据 九 i o a i 处理器i -f 仪器驱动程序f 检测 ： 接口 ： 、，。 设各设备， l 存储器l i 开发环境 l - 冉- l 仆田l i 软件应用界面l l i o l 圈2 3 虚拟仪器组成结构总体结构分布示意圈 图2 - 4 虚拟仪器典型组成结构 1 0 圭遂盘茎塑鲎焦鱼塞 硬件部分可分为数据检测设备、i o 接口设备和计算机硬件设备三大部分； 软件部分又由仪器驱动程序、开发环境和软件应用界面这几大块组成。一般而言， 通过现场总线设备、v x l 仪器、串行口仪器p l c 、g p i b 接口仪器、数据采集卡或 图像采集卡等检测设备对被测控对象进行检测，将获取的信号由输入输出接口设 备传送给p c 机或工作站。而后，由安装在计算机上的相应的虚拟仪器对信号进 行处理分析。这些特定功能的虚拟仪器可以用工业自动化软件、测量与分析软件 或传统的编程语言等各类开发环境进行开发。在计算机组成原理虚拟实验仪中， 可通过软件实现对计算机中c p u 中的数据流向、控制命令的动作过程等的分析处 理、表达以及图形化说明等效果。 2 2 虚拟仪器的硬件 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和外围硬件设备，主要功能是 完成对被测信号的采集、传输和显示测量的结果等。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、工作站、嵌入式计算机等，其中包括c p u 、存储器、显示卡和显示器等，它主 要用来提供实时高效的数据处理和显示功能。计算机管理着虚拟仪器的软件资 源，也是虚拟仪器的硬件基础。 而外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。 可以是g p i b 仪器模块、v x l 仪器模块、p i x 仪器模块或数据采集卡等，它主要用 来采集、传输信号。一般来说，g p i b 、v x i 、p x i 适合大型高精度集成测试系统； p c - d a q 、并行口式、串行口式( 如u s b 式) 系统适合普及型的廉价系统；现场总线 系统主要用于大规模的网络测试。有时，可以根据不同需要组建不同规模的自动 测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测试系统。 这些信号采集调理部件是按照四种标准接口总线或接口标准来划分的： 1 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口总线 g p i b 又称i e e e 4 8 8 标准接口总线，是传统测试仪器在数字接口方面的延伸 和扩展，是最早的仪器总线，现已发展成为仪器领域的一种国际标准，目前多数 仪器都配置了遵循i e e e 4 8 8 标准的g p i b 接口。尽管近年来面l 临着v x l 等新型接 口标准的激烈竞争，但配备g p i b 接口的仪器至今仍然在测量仪器领域占据着统 治地位，并成为通用综合测试系统的主要组成部分。 g p i b 是一种并行数字通讯接口，通常有i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 ( 1 9 9 4 ) 和 i e e e 4 8 8 2 - - 1 9 9 2 两个标准。在使用2 4 芯g p i b 连接器时，其中1 6 条为信号线， 另8 条为接地返回线。该1 6 条信号线构成了g p i b 总线，又分为8 条双向数据线、 3 条信号交换线和5 条通用控制线。数据线既可传送设备命令( ( 7 位) ，又可传送 地址和数据( r a m 地址，r a m - b u s ，b u s - i r ，p c + + ， 指令 f r f 2 l ”i i ” m a a d d0 3 f = a + b ；a l u - b u s ；b u s - a ：0 - m a s u b 0 7 f = a - b ；a l u - b u s ；b u p 气睁m a a d d c0 b f = a + b + c y ，a l u - b u s ；b u s - a ；0 - m a s u b co f f - a - b - c y ；a l u - b u s ；b u s - a ；0 - m a a n d1 3f = a a n db ；a l u - b u s ；b u s - a ：0 - m a o r1 7 f = a o r b ：a l u - b u s ；b u s - a ：o m a x o r1 bf = - a x o rb ：a l u - b u s ；b u s - a ：0 - m a n a ti f f = n o t a ；a l u - b u s ；b u s - a ；o - m a f t l a2 3 a 左移；0 - m a r r a 2 7a 右移；0 - m a m o va 。4 3p c - r a m 地址，r a m - b u s ，b u s - a ，p c + + ，0 - m a 圭垒盘兰塑鲎垡逢塞 # d a t a m o v a ，砌4 7 f ；b ；a l u o b u s ；b u s 扯o - m a m o va ，4 b f = b ：a l u - b u s ；b u s - a r j m a - h - r j 4 c a r - r a m 地址，r a m - b u s ，b u s a 。0 - m a 5 0 a r - r a m 地址，r a m o b u s ，b u s a ，p c + + ，0 - m a 5 4 a r - r a m 地址，f = & a l u - b u s ，b u s r a m ，p c + + ， 0 - m a m o vr i ，5 7 p c - r a m 地址，r a m b u s ，b u s - r i ，p c + + ，0 - m a # d a t a m o v r i 。a5 b f = b ；a l u - b u s ；b u s - r i ，0 - m a j z ，j c ，j h8 3 p o r a m 地址，r a m - b u s ，b u s a r ，m a 什：p c + + s 4 a r - p c ( 条件成立) ；o - m a 注：上表中的各符号含义说明如下： 一 表示数据流向，由左至右 累加器内容，即运算器必须包含的操作数 b - t r i 寄存器组输出，可作为运算器的操作数之一 一f 算术逻辑单元( a l u ) 的运算结果 r i t r i 寄存器组中某寄存器r i 当前的内容 p c _ 程序计数器当前数值 r a m 地址程序寄存r a m 的访问地址 r a m 一即程序r a m 中对应当前地址的单元中的数据 b u s 总线上的数据 a r 地址寄存器当前的内容 a l u 算术或逻辑运算结果输出，即a l u 模块的输出 撇当前微指令地址 4 5 虚拟实验系统中c p u 模块的整体设计 这一模块所用到的运算器，我们采用了2 片7 4 1 8 1 ，2 片7 4 2 4 4 和2 片7 4 2 7 3 等逻辑部件组成8 位算术逻辑运算单元的方案进行设计。设计中验证7 4 1 8 1 的功 能及自行组成的8 位的算术逻辑运算单元的功能。整个运算器的原理图如图4 5 所示。 图4 5 在c p u 模块用到的运算器原理图 这里的7 4 1 8 1 是一个4 位的算术逻辑运算器，通过m 、s 3 一s o 来选择运算的 功能。图中的运算器是由2 块7 4 1 8 1 组成的8 位运算器，来完成运算。 7 4 2 4 4 是一个8 位的三态门，当输入端g n 为高电平时，输出为高阻状态， 否则将由输入端输出。图中，2 块7 4 2 4 4 分别控制外部输入的数据和运算器的结 果进入总线，这2 个7 4 2 4 4 芯片的g n 端都不能同时为低电平，否则就会出错。 7 4 2 7 3 是一个带异步清零的8 位d 触发器，当时钟信号在上升延的时候，输 出等于输入，否则输出不变。图中，2 块7 4 2 7 3 分别控制总线上的数据进入运算 器的a 、b 端，在时钟上升延的时候，总线数据进入运算器的a 端或b 端。另外 还使用了2 个与门使得2 个7 4 2 7 3 的时钟不能同时处于上升延。 模块以a 和b 分别作为参与运行的运算数。当a 进入7 4 2 4 4 时，由信号g n 来控制数据的存锁，只