（计算机应用技术专业论文）计算机组成原理虚拟实验室的研究与设计.pdf

山东理i ：人学硕十学位论文摘要 摘要 随着职业教育的深化改革和招生规模的急剧扩大，我国职业学校普遍陷入 了实验教学的困境。主要表现在硬件设施不足、教学时空受限、教学方法和内 容落后。在计算机和网络通信技术快速发展的前提下，充分利用计算机资源的 虚拟实验室成为解决这些现存问题、提高实验教学质量的重要选择。 论文在分析虚拟实验室发展、现状的基础上，针对实验教学的要求和现有 虚拟实验室的不足，提出了“计算机组成原理虚拟实验室”( 简称c c p v l ) 的系 统设计方案，进行了具体的研究和设计。 论文借助于虚拟现实、可视化、虚拟仪器和网络通信等技术，对虚拟教学 实验室系统及其客户端的架构、分析设计过程和实现方法进行了研究，设计实 现了虚拟教学实验室系统客户端软件。客户端软件是整个系统的重要组成部 分。它向用户提供丰富真实的元器件和与现实一致的实验操作平台，对实验教 学具有重要的现实意义。 论文在分析虚拟实验室系统的结构模型基础上，选用改进的c s 模型，利 用三层结构对系统进行设计，并且阐述了整个虚拟教学实验室系统的流程、组 织结构及系统各部分完成的功能。 论文着重研究了系统客户端虚拟器件模型和模型库的建立方法，为实验者 提供了丰富、逼真、规范的元件和仪器，并搭建了逼真的、操作方便的实验操 作平台。同时，论文利用可视化技术和虚拟仪器技术研究了可视化计算在实验 中的应用、实验信息的可视化显示及虚拟仪器子模块实现的方法，并研究了通 信技术在数据收发传输中的应用。 在虚拟实验平台的运行控制中，论文深入探讨了如何有效解决虚拟信号在 虚拟元器件间传递的问题，并提出了一种新的信号扩散算法。该算法计算出各 器件的信号处理代价，并使用优先级队列调度器件的启动顺序，从而动态规划 信号的扩散次序。时间复杂度理论分析及对比实验均证明，该算法有效减少了 信号在器件中的无效重复扩散，降低了器件工作函数的启动次数，从而大幅提 高了实验的响应速度并降低了对系统资源的占用。 论文最后对所研究实现的技术进行了功能测试。测试结果表明，利用该文 阐述的技术与设计方法所构建的虚拟教学实验室客户端能模拟真实实验情景， 并通过图形图像显示实验信息、进行结果分析及错误提示，拥有较好的交互性、 适用性、器件的丰富性、实时性和扩展性。 关键词：虚拟实验室虚拟仪器客户端服务器结构虚拟可视化 虚拟现实计算机组成原理虚拟实验室信号扩散算法 山东理工人学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er e v o l u t i o no f v o c a t i o n a le d u c a t i o na n dr a i s eo fn u m b e ro fs t u d e n t ， l h ev o c a t i o n a ls c h o o l sa r e p u z z l e db yt e a c h i n go fe x p e r i m e n t 。 t h em a i n r e p r e s e n t a t i o n sa r ed e 行c i e n c yo fi n s t i t u t i o n s ， l i m i t a t i o no ft e a c h i n gt i m ea n d p l a c e ， b a c k w a r di nm e a n sa n dc o n t e n to fe x p e r i m e n t s 。w i t ht h ei m d r o v e m e n to f n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r ，v i r t u a ll a b o r a t o r yt h a tt a k e sf u l la d v a n t a g eo f c o m p u t e rr e s o u r c eb e c o m ea ni m p o r t a n tc h o i c eo fs e r v i n gt h e s ep r o b l e m sa n d i m p r o v et h eq u a l i t yo ft e a c h i n g 。 a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g e sa n dt h ea c t u a l i t i e so fc u r r e n tv i r t u a ll a b o r a t o r v ， t h ep a p e rp u t sf o r w a r dar e s e a r c ha n dd e s i g np r o je c to fc o m p u t e rc o m p o n e n t p r i n c i p l ev i r t u a ll a b o r a t o r y ( a b b r c c p v l ) ， w h i c ha t t e m p t st o s e tu pae x o t e r i c a n dc o l l a b o r a t i v el a b o r a t o r vi nn e t w o r k 。 t h ep a p e ra d o p t st h et e c h n o l o g i e so fv i r t u a lr e a l i t y 、 v i r t u a li n s t r u m e n t 、 v i s u a l i z a t i o na n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dr e s e a r c h e st h es t r u c t u r e so ft h e v i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e ma n dc l i e n t e n d 。 w h o l es y s t e m 。i tp r o v i d e sr i c hi n s t r u m e n t s c l i e n t e n di sa ni m p o r t a n ts e c t i o no f a n do p e r a t i o np l a t f b r mo fe x p e r i m e n t s t ou s e r s ，a n dt r a n s m i t sd a t ao fe x p e r i m e n t sf bs e r v e r e n d ， a n dd i s p l a v sr e s u l to f e x p e r i m e n t s 。 s o ， e x c e l i e n td e s i g na n dt e c h n o l o g yo fr e a i i z a t i o na r ei m p o r t a n t 。 t h i sp a p e ri sb a s e do na n a l y s i so ft h es y s t e mm o d e l ； i tc h o o s e sc s t h r e e l a y e rs t r u c t u r em o d u l e 。 i ts t u d i e sw o r k i n gp r o c e s so ft h ew h o l es y s t e m ， s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fe v e r ym o d u l e 。 t h ep a p e rt h a te n l p h a s i z es t u d i e s e s t a b l i s h m e n tm e t h o do fam o d e lo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt h em o d e ld a t a b a s e ， f o rt h eu s e rp r o v i d e da b u n d a n t ， l i f 宅l i k e ，c o m p o n e n ti n s t r u m e n t s ，a n db u 订da c o n v e n l e n te x p e r i m e n to p e r a t i o nt e r r a c e 。a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sm a k e su s eo f t e c h n i q u e so fv i s u a l i z a t i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n t ， s t u d i e sv i s u a lc a l c u l a t i o ni n e x p e r i m e n t ，v i s u a l i z a t i o no fm e t h o d ，a n ds t u d i e et h ec o r r e s p o n d e n c et e c h n i q u ei n d a t ar e c e i v i n ga n dd i s p a t c ht od b l i v e ro fa d p l i c a t i o n 。 a tt h es a m et i m e ，ak i n do fs i g n a ld i f f u s ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e df o r t h es a k e o fo f f | e r sm o r ee f f e c t i v em a n a g e m e n to ft h es i g n a l sd i f i u s ei nt h ec c p v l 。 t h i s n e wa l g o r i t h mf i g u r e so u te a c he l e m e n t ss i g n a ld e a lp r i c ea ts e e d t i m e ，a n du s e s p r l o r l t yq u e u et oa s s l g ne l e m e n t ss t a r t u ps e q u e n c ea tr u n t i m e 。t h e n ， i tc a n s d y n a m i cp r o g r a m m i n gs i g n a ld i f f u s es e q u e n c e 。 t h i sa l g o r i t h mi su s e dt or e d u c e s i g n a l si n e f f e c t u a la n dr e i t e r a t i v ed i f f u s eb e t w e e ne l e m e n t s 。b yu s et h i sa l g o r i t h m ， w ec a nr e d u c et h ee x e c u t en u m b e r so fw o kf u n c t i o n 。b o t ht h et h e o r e t i ca n a l v s e so f a l g o r i t h m i ct i m ec o m p i e x i t ya n dt h ec o n t r a s te x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ea l g o “t h m c a nb n n gn l g hr e s p o n s es p e e da n dl o ws y s t e mr e s o u r c e so c c u p a t i o n 。 l a s t ，t h ep a p e rt e s t st h ef u n c t i o no ft h et e c h n i q u eo fr e a l i z a t i o na n ds t u d y 。 t h er e s u l ts h o w st h a t t e c h n i q u eo ft h ep a p e rt oe l a b o r a t ea n dd e s i g nv i r t u a l t e a c h m gl a b o r a t o r y c a ni m i t a t et h et r u e e x p e r i m e n ts c e n e ， a n dm a n i f e s t e x p e r i m e n tt h er e s u l ta n di n f o r m a t i o nt h r o u 曲t h ep i c t u r e ，a n a l y s i sa n dh i n t so f m i s t a k e s 。a n dt h es y s t e mo w nc h a r a c t e r i s t i c so fa p p l i c a b i l i t y ， f e c i p r o c i t y ， a b u n d a n c e ，r e a l - t i m ea n de x p a n s i b i l i t y 。 k e y w o r d ： v i r t u a ll a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n tc l i e n t s e r v e rv i s u a l i z a t i o n v i r t u a lr e a l i z a t i o nc c p v l s i g n a ld i f f u s ea l g o r i t h m n 独创性声明 本人声明所呈交的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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：增潞觏 时间： 秒莎年石月，i ( 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：书治燕， 时间：。牌月f 么日 聊虢瓯黼帆萨厂月日 山东理- 1 ：人学坝l ：学位论文第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 近二：十年来，随着计算机科学技术的普及和i n t e r n e t 的飞速发展，人们 日益感受到科技给自身生活带来的巨大变化。计算机虚拟现实技术的应用也愈 加成熟，大到航天领域小到日常的电脑娱乐游戏无不体现虚拟现实的作用。同 样，虚拟现实技术在教育教学中也有着不可替代的作用。 1 1 1 课题的来源 职业教育主要教授学生技能，学生要想高效率的掌握这些技能，关键要依 赖实验教学。实验是职业教育教学活动中一个必不可少的过程，实验教学相对 于理论教学更具有直观性、实践性和创新性，它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。很多学习科目都是以实验课程为基础，例如 物理、化学、机械、计算机、电子等等。 但随着社会和教育的发展，职业学校的实验教学出现了一些新的问题，这 在某种程度上束缚了教育的发展。 首先，随着职业教育的深化改革和招生规模的扩大，职业学校普遍陷入了 实验教学的困境。教育资源短缺给职业学校的教育带来了巨大影响。 其次，职业学校也承办着部分成人教育，往往这些学员没有时间到校进行 实践操作。 第三，传统的实验教学不能满足教育发展的需要，存在很大的局限性。这 种局限性主要表现在以下几个方面：一是时空的限制：一是教学方式的限制； 三是教学内容的限制。传统的实验教学使学生接受的实验教育不够充分，或者 根本接触不到某些贵重的实验仪器，从而影响了教育的整体质量，极大地阻碍 了学生实践能力的提高，造成学生综合素质下降。 做为一名职业学校的计算机老师，在教学经历和教学过程中，深感教学手 段、教学方法的落后及教学改革的重要性，开发一套使用方便、功能强大的教 学软件一直来都是我研究的目标。 为了解决上述问题，本课题提出了计算机组成原理虚拟实验室的设计思 想，并对其客户端的设计与实现进行了研究，力图以现代化的教学手段解决硬 件资源不足问题，以虚拟现实技术解决以上问题。使学生在脱离实验室的情况 下也能按照规定的流程完成计算机组成原理实验课程，从而进一步提高学生的 动手能力和实验技能。 山东理t 人学硕f ：学位论文第一章绪论 做这个课题也是想在虚拟实验方面有所探索，做一些有益的尝试，如果研 制出虚拟实验系统，能够在计算机上模拟真实的实验环境，让学生如身临其境， 完成课程实验，既节约了资金，又提高了教学效果，具有重要的现实意义。 1 1 2 课题的意义 在教学改革中，实践环节成为学生( 尤其是理工科类学生) 深刻理解理论 知识的一个重要方面，成为教学中不可缺少的重要组成部分。虚拟实验室是现 代教育系统中一种重要的实验教学资源，对实现教学改革，提高教学质量有很 好的意义。 首先，开发虚拟实验室是对传统实验模式进行改革的有效途径，能够有利 于现代实验教学观念的更新。 现有实验教学的内容和方法陈旧，管理上技术力量单薄、资金分散、设备 落后、建设重复。实验室利用率低，学生的实践时间受到限制。虚拟实验用其 独特的优势解决了这些问题。它采用仿真的方法，综合运用人机交互、多媒体 集成、网络、虚拟现实等技术，充分发挥了现代信息技术的集成性、可视性和 交互性，打破了传统实验教学在时空上的限制，扩展了实验内容的深度和广度。 另外，虚拟实验中，计算机可以不厌其烦的重复一些工作，获取各种可能的结 果。同时，虚拟实验还可以模拟一些一般情况下难以实施的实验，或将错误结 果模拟出来，使实验者知道相应错误操作带来的严重后果。它有益于校际之间、 学校与社会之间的技术信息交流。 其次，虚拟实验室的提出是信息化教育的必然趋势。 再者，计算机组成原理虚拟实验室的设计是在通用计算机平台上，运用虚 拟仪器技术，设计出能够替代计算机组成原理实验室中的多种传统仪器的实 验，此系统可集多种测试功能于一身，可以解决传统计算机组成原理实验室实 验设备繁多，仪器重复购置，利用率低，仪器的损坏率高等问题，可以为计算 机组成原理实验提供方便、简洁，高效的实验仪器，这样可以大大的节省实验 设备的资金投入。这种虚拟实验室具有灵活、成本低、高效率的特点，在职业 学校的教学与科研中将会发挥极大的作用。同时，计算机组成原理虚拟实验室 提出了采用虚拟现实环境研究计算机组成原理实验教学系统的思想，该系统的 研究成果将为组建新型的实验教学体系提供重要的技术支撑和手段，为推动新 一轮职业教育实验教学改革提供重要的物质保证。 总之，构建一个集实验教学、操作、指导、结果提交为一体的实验教学环 境在改革传统教学方法、共享教育资源、提高教学水平和节约投资等方面都具 有重要意义。虚拟实验室在高效传播先进的科学技术的同时也满足了人们日益 增长的终身教育的要求，使有限的教学资源为全社会所共享。 2 山东理一f ：人学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究状况及发展趋势n 1 虚拟实验室概念的提出至今将近二十年的时间，因其广阔的应用前景， 各国均在大力开发，已经取得了一些进展。越来越多的科学家正在投身于虚拟 实验室的研究工作中来。目前国内外对虚拟实验的研究较多，其研究的范围涉 及到虚拟实验室的设计、虚拟实验在教学中的应用、虚拟实验系统的开发、虚 拟实验管理系统开发、虚拟实验中多媒体技术的应用等诸多方面，涉及的学科 有生物、物理、化学、计算机、自动控制等诸多学科，所用到的软件和语言有 v r m l 、j a v a 、a s p 、l a b v i e w 、m a t l a b 、v b 、v c 等等2 l 。 例如，美国巴尔的摩( b a l ti m o r e ) 约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔 威教授( m ic h a e lk a r w e it ) 在电脑网络上建立了一个虚拟实验室，让工程系的 学生通过电脑网络做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大 学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学计算机组成原理系开发了计算机组成 原理仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；加拿 大科学家建立的有关人体细胞的虚拟实验室；剑桥大学、斯坦福大学等众多国 际著名大学都组建了自己的虚拟实验室。有些国外大学甚至把虚拟实验作为了 学生的必修课。 下面介绍一些开展虚拟实验系统研究的实验室以及己完成的虚拟实验项 目。 v s l ( v i s u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ，简称v s l ) 虚拟系统实验室，始建于1 9 8 9 年，由c e n t r a lf l o r i d a 大学教育训练研究院建立。此实验室已取得了大量成 果，如设计并开发了第一例实时动态虚拟环境、第一例v r 3 d c a d 虚拟设计系统 等。 v r i c h e l ( v i r t u a lr e a lit 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 ，简称 v r i c h e l ) 实验室，由美国m i c h i g a n 大学化学工程系创建，主要用来探索和开 发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。 虚拟工程科学实验系统，由j 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 tise n g i n e e r in g ? 的教学而建立的，该实验系统尚在建设过程中，目 前能够提供的实验项目如下：逻辑电路实验、扩散过程实验、石油勘探实验、 机器人手臂控制实验、桥梁设计实验、管道传热实验、树木测量实验、声音传 播实验、热传导实验、概率分布实验。 v e t l ( v i r t u a le n v i r o n m e n tt e c h n 0 1 0 9 yl a b o r a t o r y ，简称v e t l ) 实验室， 由h o u s t o n 大学和n a s a j o h n s o n 航天中心联合建立。目前己经取得了多项研 究成果，其中有一项研究就是虚拟现实技术在科学教育领域的应用，该项研究 的最终目标是确定虚拟现实教育系统的设计原则。 3 山东理工大学硕士学位论文第一争绪论 v r e l ( v i r t u a lr e a lit ya n de d u c a ti o nl a b o r a t o r y ，简称v r e l ) 今芒马佥刍毫 始建于1 9 9 2 年，由美国e a s tc a r 0 1 i n a 大学、g r e e n v i l l e 大学和n o r t h c a r 0 1 in a 大学共同创建。c e n t r a lf lo rid a 大学计算机学院正在丌发一个名为 e x p l o r en e t 的虚拟学校系统。小学生们可以通过计算机网络在虚拟学校进行 学习、游戏、实验、交流等一系列的活动，e x p l o r e n e t 的人机接口是孩子们 很喜爱的二维卡通图形接口。 在这种形式下，我国的不少高校也己经引入了虚拟实验室。例如：清华大 学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械工程测试实验 室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于 虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成 于一体，组成虚拟实验系统；中国科技大学人工智能与计算机应用研究室最新 研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”，该系统完成 了光学虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本 上完成所有的实验，并且提供了完整的文档和习题系统。中国农业大学建立了 虚拟土壤一作物系统实验室。中国科学院、大连理工大学等也成立了计算化学、 分析化学的虚拟实验室。 目前，通过网上搜索还可以发现其它很多虚拟实验系统，如虚拟汽车设计 系统、虚拟外科手术实验系统、虚拟工程原型设计实验系统等，这里不再一一 列举。 最后再针对我提出的课题来说明一下它的研究现状d 1 。 经过广泛的调研获知，国内已开展与本文所属的项目研究思想相近，但不 太相同的研究有好几例报道，北京交通大学、重庆大学、西北工业大学、哈尔 滨工程大学、陕西师范大学等，他们的研究思想大部分是沿续硬件实验的思想， 创新之处是远程实验的概念，采用的虚拟现实技术。另外有报道，高等教育出 版社受教育部委托在建设国家级网络教学平台，平台内包含了一个网上实验室 的功能，该实验室的研制思想，实质上是提供高教社已向市场销售的课程实验 课件，没有多少新的创新点。 本文提出的计算机组成原理虚拟实验系统与上述已报道的研究有所不同， 本系统的研究旨在把传统教学的硬件实验环境用虚拟现实技术模拟出来，并与 远程实验的概念结合在一起充分发挥现代化教育手段所能实现的节省教学资 源，扩张教育效果，取代传统教育模式的作用。该研究思想虽然有同类研究报 道，但此研究要在创新的基础上进行。 4 山东理i 。人学硕j j 学位论文第一章绪论 1 3 本课题的研究背景 传统的用于教学的计算机组成原理实验室主要配备有实验台、种类繁多的 集成电路芯片、电线、探侧棒、信号发生器、数字示波器、七段显示器l e d 、 开关等设备和工具。当学生从事实验时，将集成电路芯片插在实验台的面包板 上，集成电路芯片、测试设备等用电线连接起来。当电路设计完成后，便可以 将电路的脉冲信号的接入端接至信号发生器，并调整旋钮来获得所需要脉冲信 号；或者输入微型机机器指令程序，直接把该实验用微型机系统与显示器相接 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下列几项的缺点： ( 1 ) 仪器设备费用高，因此学生必须在设备完善的实验室中从事整个实验， 难以利用课余时间进行。 ( 2 ) 集成电路芯片i c 元件取得不易，而且零件的好坏也必须借助i 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 问题或是i c 组件的问题，造成使用者的学习障碍。 ( 3 ) 实验规模较大时间较长，因此具有一定连贯性，不同的学生建立不同 的实验对象且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， 因而造成实验上的困扰。 ( 5 ) 实验调试时，各逻辑单元时序关系严格且复杂，除错是一件非常不易 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 ) 突发式问题，如接电路时不小心造成短路而不知，或是电源接错，造 成元件损坏甚至爆裂等。 纵观虚拟实验室的解决方法和用虚拟实验室来进行教学的情况，它们有的 是基于电路与电子技术的虚拟软件，需要长时间的练习才能熟能生巧n 5 6 引，有些虚拟实验室是以文字及少许的图案为接口，且采用被动虚拟式的学习， 即学习者在此环境下类似背诵答案，虚拟画面出现图文要求时，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，一旦在实际操作时，若出现 错误时便不知所措凹一0 1 。而且它们不具有开放性，只能在这些软件自身的环境 进行，无法实现虚拟技术与多媒体技术的有机结合，较难用于计算机组成原理 及各种接口实验，因此近年来虚拟实验室的研究与开发己经朝着以虚拟环境 ( v i r t 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的方 向发展t1 2 。 5 山东理工人学硕i ：学位论文 第一章绪论 计算机组成原理实验的特点是：实验电路连线复杂、涉及的元器件多、实 验的操作过程繁杂、计算机组成原理实验多与接口一起操作等。针对这些特点， 有必要研制一套结合虚拟技术和网络技术的计算机组成原理实验教学系统，模 拟实际实验环境和内容，构建“计算机组成原理虚拟实验室”，实现以“软 代“硬”，使计算机组成原理课程的实验可以在一般微型机上完成3 。 1 4 本课题的研究方向 本课题的主要目标是将远程教育的概念引入到实验教学之中，结合强大的 网络功能，使得以虚拟现实技术为基础的网络虚拟实验室资源以及虚拟实验室 仪器设备等资源的共享成为可能。它允许人们通过网络访问和使用自己没有的 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，实现了用户信息的协同共享，同时可以及时的接触到最新的仪器。 针对以上的内容，本文研究的工作主要内容是在大量查阅国内外的相关资 料，分析己有的远程教学中虚拟实验室的不足，并针对这些不足，提出了构建 计算机组成原理虚拟实验室c c p v l ( c o m p u t e rc o m p o s i t i o np r i n c i p l ev i r t u a l l a b o r a t o r y ) 系统的设计思想、总体结构、系统功能以及虚拟试验平台的设计 与实现方案。论文重点研究了系统虚拟元件库的设计与实现。系统采用建立虚 拟元器件的数据模型来构造虚拟元器件数据库。虚拟元器件的模型通过抽象虚 拟元器件的物理特征与外观特征，以数据模型的形式来描述虚拟元器件，使虚 拟元器件的建立可以分类完成。系统采用面向对象的虚拟元件模型，使用组件 技术封装实验仪器设备。另一方面，为了使虚拟试验平台具有较好的运行效率 与交互性，本文着重对系统信号扩散使用的算法进行了研究。 目前有关计算机组成原理虚拟实验室的研究主要涉及三个方面的内容：虚 拟、互动和适应性。c c p v l 就是提供集虚拟( v i r t u a l ) 、互动( ( i n t e r a c t i v e ) 、 适应性( f 1 e x i b l e ) 三者于一体的计算机组成原理实验环境n 屯1 5 j 6 j 81。 ( 1 ) 虚拟：在计算机系统中采用虚拟环境的设计方式来构造虚拟实验室， 使学习者在虚拟实验室中如临其境，融入整个计算机组成原理实验教学课程 中，可以取得在真实环境中所取得的学习或训练效果。 c c p v l 直接采用与集成电路芯片外观相仿的虚拟元器件及与计算机组成原 理实验室所使用的设备外观相似的虚拟设备，这样既可以让使用者设计计算机 组成原理结构，利用各种“虚拟芯片”任意搭接电路，也可以实时的虚拟验证 刚刚所设计的电路，实时得到虚拟结果，减少真正从事实验的困难度。 ( 2 ) 互动：虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场 所，应提供高度互动能力，使学生对虚拟对象进行操作与控制练习。它由实验 6 山东理t 大学硕l ：学位论文第一章绪论 所依赖的虚拟程序、实验、1 ：具和参考资料组成。用户可以通过增加新的实验 元件与实验设备、建立新的实验工具来扩充实验室。 c c p v l 需要解决以往虚拟实验室系统在交互性、扩充性和软件重用性方面 所存在的不足，如用户不能定制实验，无法将自己丌发的实验设备加入实验室 中，从而扩充实验室功能，较难重用已有的功能模块。c c p v l 利用面向对象技 术和组件技术们开发虚拟设备和虚拟元器件，建立虚拟元件数据库和虚拟设备 数据库，设立常用实验单元库，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在最基本的计算机软硬件条件下，也 可进行虚拟实验。 虚拟实验室应具有充分的适应性，c c p v l 必须与网络技术相结合，让使用 者无论何时何地都可通过网络浏览器w e bb r o w s e r 进入虚拟实验室，即使在最 基本的计算机软硬件条件下也可进行实验。 计算机组成原理实验涉及计算机结构设计和电路连线，电路的连接成为计 算机组成原理实验的重要环节，为使c c p v l 虚拟实验室操作界面更为真实，着 重研究系统如何模仿真实的计算机组成原理实验的环境。 1 5 论文的组织内容 论文的研究目标是通过虚拟实验相关理论的研究，总结虚拟实验、虚拟 仪器和虚拟实验室的相关概念及虚拟实验的发展阶段和理论依据等。结合计算 机图形学、图像处理、计算机视觉等学科，利用当前虚拟现实技术的研究成果， 解决在构建一个虚拟实验室系统的过程中遇到的一系列关键问题。其中包括虚 拟实验室系统的设计、客户端系统架构的设计与研究、虚拟实验场景建模、虚 拟器件建模、三维虚拟仪器的显示、交互技术的实现、实验结果虚拟可视化等。 论文在分析了目前国内、外各种虚拟实验室应用功能和特点的基础上，在 课题的总体需求前提下，将完成的主要研究内容具体安排如下： 第一章绪论部分对虚拟实验室进行了综合评述并介绍了课题的来源及意 义，国内外研究发展的状况，对职业学校实验教学的促进作用，计算机组成原 理虚拟实验室c c p v l 的特点，叙述了虚拟计算机组成原理实验室设计的背景、 依据、技术的可行性，描述了虚拟试验平台的基本特点和论文研究的内容。 第二章对虚拟实验室系统进行概述，并阐述了本虚拟教学实验室系统的总 体需求、层次结构、功能特点。根据总体设计思想给出了该系统的设计方案。 第三章在对系统的客户端进行了较为详细分析的基础上，阐述了客户端架 构，并对主要模块的设计方法进行了系统的研究。本章介绍了器件库的建立和 7 山东理工大学硕l ：学位论文 第一章绪论 虚拟器件的建模，阐述了客户端实验操作部分的设计与交互性研究，接着介绍 了可视化技术与虚拟仪器技术在结果可视化方面的运用及系统可视化部分的 设计，最后应用通信技术对客户端通信模块进行研究与设计。 第四章介绍了系统实现环境及采用的工具，并以计算机组成原理实验为背 景对器件库的建立做了系统阐述。同时对客户端有交互性的实验操作模块、包 含调用虚拟仪器的可视化模块以及通信模块的实现方法做了迸一步研究。给出 了虚拟实验平台中主要使用的几种类的详细描述，给出了主要模块的类的描述 与类的各种关系，探讨了芯片与连接的解决问题，研究了客户端各模块具体的 实现方法。 第五章对计算机组成原理虚拟实验的客户端进行了运行控制，着重阐述了 虚拟元器件之问的互联，实验过程中的信号控制，并对信号扩散算法做了详细 的描述和研究，阐述了系统客户端拥有的特性。 第六章对论文所做的主要工作进行总结，指出存在的不足以及未来的工 作。 8 山东理工大学颂 ：学位论文 第一二章系统总体设计 第二章系统总体设计 本章将论述面向对象技术在虚拟实验室系统总体设计中的应用，并对系统 进行整体的设计与分析，阐述各层次、各部分的需求及功能。 2 1 虚拟实验室概述 2 1 1 虚拟实验室 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 是指在计算机系统中采用计算机仿真技 术、虚拟仪器技术、可视化技术及虚拟现实技术实现的各种远程实验环境。其 实质是一个分布式计算机系统。它利用计算机模拟整个实验过程，让实验者参 与其中，达到实验者和模拟过程的互动。只要实验者拥有一台计算机加一套虚 拟实验室系统软件，他就相当于拥有了一个设备先进的实验室。 2 1 2 虚拟实验室的特点 。 虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的功能特点，从而决定了它在科研、 教育，特别是在远程教育中的良好应用前景。 分布式虚拟实验室有以下特点： l 、透明性：分布式虚拟实验室的所有数据库、硬软件集成于一个系统， 使用标准的统一命令来实现功能服务。这种透明的结构决定了分布式虚拟实验 室的透明特征。 2 、资源共享性。 3 、智能化：虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合赋予虚拟实验室智能化 的特性。 4 、互操作性：系统中的各组成部分可以完全集成和相互操作，这个特性 有赖于一系列标准的制订。 5 、客户定制性：允许用户定制自己的使用方式，允许用户通过设置限制 来保护数据。 6 、扩充性：允许虚拟实验室增加新的服务和特性。 当然，虚拟实验室也有好多不足之处。比如，在某些实验中始终不可能代 替真实的实验，因为它毕竟是一种理想环境。在反映微观世界活动的情境下， 也有好多无法考虑到的因素。但我们相信随着仿真技术和虚拟现实技术等相关 技术的不断进步，虚拟实验室的各项功能也将不断完善，并实现与实际实验的 优势互补。相信它会在更多领域的实验中拥有良好表现，成为效率更高的共享 实验平台。 9 山东理t 人学倾l ：学位论文第- 二章系统总体设计 2 1 3 虚拟实验室的分类 虚拟实验室的研究是一项巨大而复杂的系统工程。对各个学科门类的虚拟 实验室的研究和建设存在很大的差异。我们可以从虚拟实验室的研究方向、用 途和实现技术等方面对虚拟实验室系统进行分类。 虚拟实验室的研究按其侧重点不同可分为以下几种类型： 1 ) 基于虚拟现实技术的虚拟实验室； 2 ) 基于w e b 的虚拟实验室心0 l ； 3 ) 合作实验室； 4 ) 基于虚拟仪器软面板而组建的虚拟实验室。 按其用途可分为： 1 ) 用于科学合作的虚拟实验室。它支持数据共享、软件共享、远程仪器控 制、远程学术交流。 2 ) 用于教学的虚拟实验室。这其中还可以根据实验教学的方式划分为演示 型、半交互型、全交互型虚拟实验室。论文讨论的虚拟实验室属于这种系统。 根据虚拟实验室的实现技术分为： 1 ) 基于虚拟原型技术的虚拟实验室。它是利用虚拟现实技术在可视化方面 的强大优势及可交互性探索虚拟原型功能的技术，论文研究的系统即为该类。 2 ) 基于知识的虚拟实验室。提供用户自主实验的功能，并实时判断实验结 果，具有人工智能。 3 ) 基于虚拟仪器的虚拟实验室。 2 2 系统的功能需求 2 2 1 系统总体目标 本系统的总体目标是设计实现一个基于校园网的虚拟实验室环境，该虚拟 环境主要完成计算机组成原理课程的相关实验，应该具有可视化、全交互、资 源共享、仿真程度高、安全性等特点，真正突破地域和时间上的限制，达到远 程实验教学的目的。同时，除了规定实验之外，还允许用户自己设计电路，进 行自主实验，提高用户的动手能力和创新能力。 本系统结合计算机组成原理实验的特点，采用c l i e n t s e r v e r 模式进行系统 构建。学生是虚拟实验室的最终用户。每个用户以自己的学号和密码作为出入 虚拟实验室的通行证，登录虚拟实验室系统后，可以在客户端进行实验的相关 操作。在虚拟实验室中，用户可以选择实验，使用器件连接实验电路。在电路 搭建完成后，触发仿真，客户端将实验信息传送到服务器端，由服务器端进行 电路的规则审查和仿真计算，再将结果返回到客户端，客户端显实验结果供用 户观察。实验指导教师是虚拟实验室的特殊用户，实验指导教师以教师号和密 码作为通行证，可以进行创建实验模板、添加新器件、加入新实验、制定实验 1 0 山东理工大学硕士学位论文第二章系统总体殴计 步骤等操作。系统管理员是虚拟实验室的高级用户，负责对教师、学生信息以 及各种实验教学资源和实验数据的管理。当然，分布式虚拟实验室系统还可以 使不同地方的实验者通过网络相互协作，共同完成一个实验。 2 2 2 系统工作流程分析 该系统要完成的主要操作描述如下： 用户在客户端登录，用户进入实验室系统后，从实验列表中选择实验。系 统显示该实验使用的电路板并给出相关的实验说明。用户在电路板上进行芯片 的选择、连接，然后确认实验开始，接通电源，输入数据。 客户端将用户的操作及实验数据以文本文件的形式传给应用服务器，服务 器从中解析出相应的信息，对客户操作进行审查。如果审查通过，服务器再使 用软件技术对各种实验环境进行仿真，得出实验结果数据，并通过网络向客户 端回传结果数据。当接收到模拟结果后，客户端完成对实验数据的仿真显示。 为了在多人合作实验过程中保持同步，用户之间可以利用w e b 或其他途 径进行联系。服务器要对用户和资源的使用进行协调。服务器端的后台数据库 提供可以共享的儿件库、规则库和仿真算法。 用户可以自主选择实验仪器和元件，搭建实验，服务器对仪器连接和实验 操作进行检查，提供必要的帮助。如果正确，进行仿真计算并输出结果。特殊 用户能够创建新实验、制定实验步骤并成为实验模板，创建新器件并加入仪器 库中供用户以后使用。系统管理员负责教师、学生信息及实验教学资源和实验 数据的管理。 系统的工作流程如图 山东理工人学坝l ：学位论义 第二章系统总体设计 2 3 系统架构设计 2 3 1 虚拟实验室框架结构分析 虚拟实验室设计一般可采用客户服务器( c l i e n t s e r v e rc s ) 两层结构体系 或是浏览器服务器( b r o w e r s s e r v e rb s ) 结构。 以b s 结构为主的虚拟实验室主要建立在广域网的基础上，客户端采用浏 览器形式，结构简单，操作容易，但不足之处也不容忽视。最主要的缺点就是 受浏览器的约束。比如，通过h t m l 页面传递a p p l e t 参数的方法虽然简单， 但存在两个问题。首先，所有参数都是静态的，一旦页而发送完成，要更新其 中的数据便很困难。虽然可以使用h t t p 的刷新制，但这种刷新需要重新下载 整个页面，效率很低。其次，如果需要传递给a p p l e t 数据结构很复杂的数据， 就会使h t m l 页面过于庞大。 b s 结构为主的虚拟实验室可使用a c t i v e x 乜k2 2 1 技术，以解决a p p l e t 的诸 多安全限制。作为一种可重用的软件组件，a c t i v e x 控件可以方便地插入网页 中，并自动下载注册到用户的机器，但这也带来了冲突和一些安