數(shù)字邏輯仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)與探索

文章編號(hào)：1962-5913(2008)15-0108-03

摘要：本文闡述了將仿真技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的理論過(guò)程，同時(shí)針對(duì)哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心下屬的數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際建設(shè)情況進(jìn)行了詳細(xì)的論證。

關(guān)鍵詞：仿真；數(shù)字；邏輯；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

當(dāng)前，為了適應(yīng)新的社會(huì)需求和計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需要，全國(guó)各高校均加強(qiáng)了對(duì)嵌入式人才的培養(yǎng)力度，計(jì)算機(jī)硬件系列教學(xué)的必要性顯得尤為突出。但由于硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及儀器的升級(jí)換代速度非常快，特別是當(dāng)前創(chuàng)新教育引領(lǐng)學(xué)生發(fā)展的環(huán)境下，平均不到兩年，設(shè)備的配置就已無(wú)法滿足學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需要。設(shè)備儀器的被動(dòng)淘汰必然產(chǎn)生大量的更新需求，高額的實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用始終是橫亙?cè)谟?jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)道路上的阻礙。

此外，計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的資源相對(duì)還十分有限，面向門類繁多的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，顯得捉襟見(jiàn)肘。同時(shí)，由于設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，也無(wú)形中增加了設(shè)備的磨損和維修頻率，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果和人才的培養(yǎng)程度。

在這樣的強(qiáng)勢(shì)需求下，將仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)構(gòu)筑完整的多學(xué)科多門類的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，具有不言而喻的優(yōu)勢(shì)和潛力。它可以減輕教學(xué)人員的負(fù)擔(dān)，使其更多地投入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中去；可以滿足任意數(shù)量學(xué)生在任意時(shí)間的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)；可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)換代，調(diào)整設(shè)備配置，以插件的方式對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行更新。

2數(shù)字邏輯仿真技術(shù)的理論基礎(chǔ)

對(duì)于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，最注重的是實(shí)踐能力的培養(yǎng)，由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為實(shí)踐。不僅僅是教學(xué)內(nèi)容由驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)型，綜合型的形式轉(zhuǎn)變，它更注重的是教學(xué)方法的改變，即教師少講內(nèi)容，多引導(dǎo)學(xué)生思維。虛擬實(shí)驗(yàn)中心面向新的培養(yǎng)目標(biāo)能夠有的放矢地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)演示，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，綜合型實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，問(wèn)題跟蹤等一系列需要教師和學(xué)生進(jìn)行1:1授課才有可能真正意義完成的教學(xué)任務(wù)。

通過(guò)仿真技術(shù)構(gòu)筑起來(lái)的虛擬實(shí)驗(yàn)中心，依托于校園網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)最大負(fù)荷情況下的多人數(shù)在線仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真環(huán)境中，教師是建設(shè)者，仿真系統(tǒng)本身是服務(wù)人員，監(jiān)控系統(tǒng)是后勤保障。其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

(1) 多用戶條件下，用戶的基本信息與教務(wù)處學(xué)生信息管理系統(tǒng)直接相連，數(shù)據(jù)跨平臺(tái)共享；

(2) 根據(jù)登錄信息，記錄其訪問(wèn)行為，即實(shí)驗(yàn)日志，內(nèi)容主要包括：實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，操作是否規(guī)范，操作是否熟練，對(duì)于隨機(jī)問(wèn)題的排錯(cuò)和調(diào)試能力等；

(3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的基本考核點(diǎn)，計(jì)算其實(shí)驗(yàn)成績(jī)，如對(duì)于數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)(M)：

M=(實(shí)驗(yàn)完成時(shí)刻-開(kāi)始時(shí)刻)/實(shí)驗(yàn)規(guī)定完成時(shí)間*0.3+(實(shí)際配錯(cuò)數(shù)目/隨機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù))*0.2+實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確*0.5

對(duì)于數(shù)字邏輯仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，由系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)自動(dòng)判定，根據(jù)輸出結(jié)果，動(dòng)態(tài)輸出權(quán)值，該值的范圍在0.5-1之間取值。對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)類型和內(nèi)容，系統(tǒng)依據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的判定和成績(jī)輸出。學(xué)生的成績(jī)最終存儲(chǔ)到成績(jī)庫(kù)，成績(jī)由系統(tǒng)判定，并定時(shí)備份和上傳，無(wú)法更改。

3數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)仿真的運(yùn)行過(guò)程

數(shù)字邏輯仿真實(shí)驗(yàn)室的邏輯運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖2：

首先，學(xué)生完成登錄操作，可以瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基本介紹，在虛擬環(huán)境下參觀教學(xué)中心。

(1) 學(xué)生選擇進(jìn)入數(shù)字邏輯及電路仿真實(shí)驗(yàn)室，電子門禁自動(dòng)記錄該人員實(shí)驗(yàn)時(shí)間；

(2) 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，可多角度觀察該實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入某位置入座；

(3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生可根據(jù)需要選擇虛擬元器件類型和數(shù)目。如果選擇不理想，在后期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)骷?shù)目和類型。但對(duì)于指定元器件的數(shù)目和類型的實(shí)驗(yàn)，選擇是無(wú)效的；

(4) 向網(wǎng)絡(luò)管理員申請(qǐng)要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行仿真環(huán)境快速建模，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)評(píng)判系統(tǒng)開(kāi)始工作，記錄學(xué)生的開(kāi)始時(shí)間和每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作及對(duì)隨機(jī)錯(cuò)誤的調(diào)試等，隨機(jī)錯(cuò)誤由知識(shí)庫(kù)生成，特別地，知識(shí)庫(kù)還存儲(chǔ)著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的演示結(jié)果，元器件的邏輯內(nèi)容；

(5) 學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢查完畢，申請(qǐng)結(jié)束；

(6) 專家系統(tǒng)啟動(dòng)，根據(jù)所完成數(shù)字邏輯電路，實(shí)測(cè)輸入輸出，并和理論值進(jìn)行比較，對(duì)于錯(cuò)誤的結(jié)果，回溯邏輯電路，找到問(wèn)題并記錄；

(7) 計(jì)算成績(jī)M，并結(jié)合知識(shí)庫(kù)，由專家系統(tǒng)提出電路存在的問(wèn)題和不足；

(8) 學(xué)生可選擇性的觀看正確的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和演示，也可以選擇回放自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加深理解；

(9) 離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，門禁系統(tǒng)登記，注銷該用戶；

4數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)仿真的具體實(shí)現(xiàn)

(1) 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境的構(gòu)建從邏輯角度主要包括以下幾個(gè)部分：

●數(shù)字電路運(yùn)行及展示效果發(fā)生器，負(fù)責(zé)學(xué)生對(duì)虛擬元器件的操作接口，同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)虛擬電路運(yùn)行的演示效果。

●實(shí)驗(yàn)環(huán)境快速建模仿真器以及實(shí)驗(yàn)室實(shí)景仿真器，是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的核心部分。首先，定義了虛擬實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行邏輯；其次，定義了虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的操作流程和控制行為的管理；再次，定義了知識(shí)庫(kù)訪問(wèn)機(jī)制；特別地，定義了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行和維護(hù)的基本準(zhǔn)則和邏輯流程。

●虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用管理系統(tǒng)，是實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的軟件保障，包括用戶管理，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)管理，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容管理，邏輯知識(shí)管理。

●組件構(gòu)造系統(tǒng)，定義了虛擬元器件的類型和圖形展示方案；定義了虛擬實(shí)驗(yàn)中心的圖形展示和方案；定義了所有動(dòng)態(tài)演示方案；

(2) 如圖3所示，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境的構(gòu)建從實(shí)現(xiàn)角度主要包括以下幾個(gè)部分：

●仿真環(huán)境：仿真環(huán)境是進(jìn)行數(shù)字邏輯仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。通常來(lái)說(shuō)，主要是指形成數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括必要的虛擬插槽，開(kāi)關(guān)，脈沖，電源等基礎(chǔ)部件；在仿真環(huán)境下，才能進(jìn)行基本的仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。

●仿真元素：仿真元素是指仿真環(huán)境下的虛擬邏輯芯片。仿真元素具有自定義、可擴(kuò)展的特點(diǎn)。通常，在仿真環(huán)境下，為用戶提供元素自定義模板。用戶可以自定義元器件的引腳排列、內(nèi)部邏輯等信息。

●數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要完成兩個(gè)層面的過(guò)程數(shù)據(jù)管理。首先，對(duì)每一種仿真元素的靜態(tài)邏輯信息的保存；其次，完成仿真過(guò)程中的邏輯布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)分析和記錄。

●專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)仿真工作的正確性進(jìn)行判定。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供的記錄輸出仿真操作所產(chǎn)生的結(jié)果，并同知識(shí)庫(kù)中的理論數(shù)據(jù)比較鑒定，進(jìn)而給出判定結(jié)論。

●仿真助手：屬于仿真結(jié)構(gòu)中的幫助系統(tǒng)。提供操作過(guò)程中實(shí)時(shí)的指導(dǎo)，既包括對(duì)仿真操作本身的引導(dǎo)，同時(shí)也包括對(duì)仿真內(nèi)容的知識(shí)層面的介紹和分析。

●知識(shí)庫(kù)：靜態(tài)數(shù)據(jù)，并不斷充實(shí)。為仿真環(huán)境提供數(shù)據(jù)支撐。

5未來(lái)的發(fā)展方向

哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心繼承和發(fā)揚(yáng)“哈軍工”的優(yōu)良傳統(tǒng)，經(jīng)多年實(shí)踐，中心積累了豐厚的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，確立了“強(qiáng)基礎(chǔ)、重能力、抓創(chuàng)新”的教學(xué)理念，伴隨著仿真技術(shù)的探索和仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的逐步成熟和改善，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)充滿生機(jī)和活力，深受廣大學(xué)生歡迎。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為大學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、協(xié)作能力的培養(yǎng)發(fā)揮了不可替代的重要作用。

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Exploration and Building to the Experiment Environment of Digital Logic Simulation

SUN Jian-guo， WU Jun-peng， ZHANG Guo-yin

Abstract: It is introduced that the theory process of applying the simulation tech. to the digital logic education. Meanwhile， it is discussed that the situation of the virtual experimental education belonging to the HEU Virtual Experiment Center.

Key Words: Simulation， Digital， Logic， Education