計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與探討

馮永健

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 525000）

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室主要為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的虛擬仿真環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)由設(shè)備庫(kù)、虛擬元器件庫(kù)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理與維護(hù)這三部分組成。由虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的服務(wù)器，在學(xué)生進(jìn)行虛擬硬件實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及信號(hào)的檢測(cè)等，主要是以仿真的面包板為中心，并結(jié)合儀表、IC元器件庫(kù)、電路板制作工具等，來(lái)幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的模擬、設(shè)計(jì)、除錯(cuò)與調(diào)適等[2]。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)，把所用的IC元件插到面包板內(nèi)，再運(yùn)用電線(xiàn)對(duì)IC元件進(jìn)行聯(lián)接；完成電路設(shè)計(jì)后，接上電源、開(kāi)關(guān)、時(shí)序脈沖、LED等，同時(shí)監(jiān)測(cè)電路的運(yùn)行；如果電路運(yùn)行不恰當(dāng)，可通過(guò)探測(cè)棒、示波器等幫助除錯(cuò)。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，面包板是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，其主要是用于聯(lián)接電線(xiàn)和IC元件，在硬件實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，主要發(fā)揮傳輸電平信號(hào)的作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合系統(tǒng)的特點(diǎn)，來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括以下幾種：

（1）通用器件類(lèi)：主要是用以封裝相對(duì)應(yīng)的虛擬元器件，以便提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的器件尺寸與外觀形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)引腳信號(hào)擴(kuò)散、器件移動(dòng)以及其它功能。

屬性：chip As Object ’具體器件的指針，指向某個(gè)虛擬器件類(lèi)的實(shí)例

方法：Paint （）’畫(huà)出器件的外觀

事件：ValueChange（）’當(dāng)電平改變時(shí)，將信號(hào)數(shù)據(jù)擴(kuò)散到與之相連的控件上

（2）虛擬器件類(lèi):可運(yùn)用虛擬器件對(duì)IC元件的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行模擬。

（3）虛擬儀表儀器類(lèi)：主要是對(duì)微機(jī)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的儀表儀器進(jìn)行仿真模擬，為各種常見(jiàn)的儀表儀器定義一個(gè)類(lèi)，而其實(shí)體對(duì)應(yīng)于一個(gè)具體的儀表或儀器，例如開(kāi)關(guān)、電源、LED、信號(hào)發(fā)生器、探測(cè)棒、示波器等[3]。

（4）虛擬電線(xiàn)類(lèi)：可對(duì)微機(jī)實(shí)驗(yàn)中的電線(xiàn)功能進(jìn)行模擬，并可提供多種不同顏色的電線(xiàn)。

（5）虛擬面包板類(lèi)：可對(duì)面包板功能進(jìn)行模擬。運(yùn)用虛擬插孔承接電線(xiàn)與IC元件的虛擬引腳，從而在面包板上實(shí)現(xiàn)器件的聯(lián)接、信號(hào)擴(kuò)散等其他輔助功能。

1.3 系統(tǒng)功能

CHSVL系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件模擬實(shí)驗(yàn)的仿真環(huán)境，可讓學(xué)習(xí)者在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)室，并按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中所規(guī)定的內(nèi)容，進(jìn)行微機(jī)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)主要有以下幾方面的功能：

（1）可添加擴(kuò)充設(shè)備與元器件。CHSVL系統(tǒng)提供了開(kāi)發(fā)虛擬元器件的環(huán)境，使用者根據(jù)實(shí)際情況，自由選取虛擬元件庫(kù)中原有的模型，并通過(guò)改變其屬性、重新組合元件的方式，從而形成新的虛擬元件，方便使用者進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)[5]。

（2）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的仿真試驗(yàn)。CHSVL系統(tǒng)有良好的人機(jī)接口，這一特點(diǎn)對(duì)于協(xié)助用戶(hù)完成硬件電路的設(shè)計(jì)有很大幫助。此外，還配備有單步執(zhí)行方式、虛擬數(shù)字示波器、虛擬探測(cè)棒等來(lái)協(xié)助除錯(cuò)工作，并將計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容儲(chǔ)存成文件形式，以便用戶(hù)能夠進(jìn)行連貫性實(shí)驗(yàn)，或是作為以后參考的依據(jù)。

（3）信息共享功能。使用者可通過(guò)運(yùn)用廣播形式或私有形式，和其他使用者進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和信息交流，可向其他用戶(hù)傳遞自己的設(shè)計(jì)思想或是微機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，亦可在出現(xiàn)疑難問(wèn)題無(wú)法解決時(shí)，和其他用戶(hù)討論解決方案[6]。

（4）實(shí)驗(yàn)清除與復(fù)原的功能。CHSVL系統(tǒng)具有清除與復(fù)原的功能。清除指的是清除實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作區(qū)上的所有組件，而如果僅僅要單獨(dú)刪除某一組件，則應(yīng)將鼠標(biāo)移至該組件上，然后選擇菜單中的刪除操作；復(fù)原指的是在電路實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，可將其返回到前一狀態(tài)，即消除當(dāng)前錯(cuò)誤。

（5）自動(dòng)化電路偵錯(cuò)功能。CHSVL系統(tǒng)具有自動(dòng)偵查、檢測(cè)人為疏忽的功能。在實(shí)驗(yàn)電路編輯結(jié)束后，合上電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真，此時(shí)該系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)用戶(hù)設(shè)計(jì)的電路，以便發(fā)現(xiàn)是否存在人為的疏忽。

（6）顯示電路圖，方便用戶(hù)操作。學(xué)習(xí)者在進(jìn)行電路編輯時(shí)，通常會(huì)使用IC手冊(cè)，以便隨時(shí)查閱自己所需要的IC資料。為了學(xué)習(xí)者使用上的方便，在CHSVL系統(tǒng)中添加了這項(xiàng)功能，并提供一些計(jì)算機(jī)硬件電路試驗(yàn)的實(shí)例[7]。學(xué)習(xí)者只需把鼠標(biāo)移至該IC處，右擊鼠標(biāo)便可看到該IC的屬性數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的電路圖，并且其引腳圖形對(duì)應(yīng)于IC芯片外觀圖形，只需根據(jù)界面上顯示的資料，便可直接進(jìn)行配線(xiàn)作業(yè)。

（7）自動(dòng)捕獲功能。在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行程序編輯時(shí)，在系統(tǒng)中設(shè)置鼠標(biāo)捕獲功能，這給用戶(hù)在接線(xiàn)過(guò)程中提供了很大的方便。例如在選擇某一連線(xiàn)或某一IC芯片時(shí)，只需把鼠標(biāo)移動(dòng)至所需位置，在系統(tǒng)的自動(dòng)化操作下，把IC芯片或連線(xiàn)調(diào)至背景網(wǎng)絡(luò)里，在對(duì)準(zhǔn)位置后，便可取得準(zhǔn)確的地址。

2 虛擬計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的實(shí)現(xiàn)

2.1 元器件的聯(lián)接

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，主要是通過(guò)運(yùn)用引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)不同元器件的聯(lián)接。在計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，連線(xiàn)是信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其以Avtive控件的形式存在，是一個(gè)獨(dú)立的整體，在外觀上，通過(guò)連線(xiàn)的線(xiàn)和點(diǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)連線(xiàn)工作正常運(yùn)行。在Sender函數(shù)作用下，針對(duì)一對(duì)一的連接模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)接收與信號(hào)發(fā)送的控制，在此過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的沖突。然而在多種不同的對(duì)接連線(xiàn)中，存在大量信號(hào)的同時(shí)接收或發(fā)送，在系統(tǒng)抗干擾能力較弱的情況下，往往會(huì)出現(xiàn)一定的沖突。虛擬實(shí)驗(yàn)有其自身的特點(diǎn)，針對(duì)同一時(shí)間不同信號(hào)的接收與發(fā)送，可通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬏幚?，在信?hào)源分析它們存在的不同關(guān)系，然后在進(jìn)行邏輯處理時(shí)，將多種對(duì)接連線(xiàn)轉(zhuǎn)變成一對(duì)一對(duì)接的連線(xiàn)類(lèi)型。具體的實(shí)施方法是：首先分析各個(gè)信號(hào)端的關(guān)系，同時(shí)確定出其屬于何種連線(xiàn)類(lèi)型，若為只發(fā)送一個(gè)信號(hào)，而有不同點(diǎn)的接收，則屬于一對(duì)多的連線(xiàn)類(lèi)型；如果是多信號(hào)發(fā)送、多不同接收點(diǎn)，則可判斷為多對(duì)多的對(duì)接連線(xiàn)類(lèi)型。通過(guò)進(jìn)行詳細(xì)分析后在電路中設(shè)置邏輯門(mén)電路，在其作用下，能夠很好地實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的連線(xiàn)工作。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)信號(hào)的控制

在用戶(hù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常將數(shù)字信號(hào)當(dāng)作數(shù)據(jù)處理的對(duì)象，對(duì)電路和虛擬元器件的關(guān)系進(jìn)行分析。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，虛擬連線(xiàn)是重要的信號(hào)介質(zhì)，這主要體現(xiàn)在：若虛擬元件里的關(guān)系出現(xiàn)變化后，引腳值也出現(xiàn)相應(yīng)變化，會(huì)造成信號(hào)連線(xiàn)的連線(xiàn)值隨之發(fā)生改變，這種情況被稱(chēng)為電路觸發(fā)，主要是通過(guò)Sender方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 并行處理技術(shù)

3.1 仿真運(yùn)行模塊

CHSVL系統(tǒng)是虛擬機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其主要由以下四個(gè)模塊構(gòu)成：編譯模塊、引腳模塊、信號(hào)輸出模塊及虛擬機(jī)仿真運(yùn)行模塊。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，必須保證能夠?qū)崿F(xiàn)編譯、數(shù)據(jù)檢測(cè)與數(shù)據(jù)輸出的操作，只有這樣，才能確保計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受影響。

3.2 多線(xiàn)程、多緩沖區(qū)技術(shù)

在虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)中，主要是通過(guò)運(yùn)用多線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)多種不同系統(tǒng)操作，從而提高各種線(xiàn)程之間的通信效率，使系統(tǒng)操作更加快捷、方便。通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖方式，虛擬機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同模塊的同時(shí)間運(yùn)行。由于虛擬及仿真運(yùn)行模塊占用系統(tǒng)時(shí)間較長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行要求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常采取的是緩存機(jī)制，在引腳模快、編譯模塊、仿真運(yùn)行模塊以及信號(hào)輸出模塊設(shè)立對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)多模塊同步運(yùn)行和多線(xiàn)程的同步控制[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠充分實(shí)現(xiàn)硬件電路的仿真連接設(shè)計(jì)，為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)者提供了更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。但是在設(shè)計(jì)與應(yīng)用過(guò)程中依然存在一些不足，例如在使用虛擬機(jī)時(shí)，往往出現(xiàn)連貫性不強(qiáng)、互動(dòng)性差等缺點(diǎn)，并且在使用軟件過(guò)程中，功能不容易操作，操作步驟復(fù)雜等[9]。因此在實(shí)際工作中，要不斷探索創(chuàng)新，完善對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，只有這樣，才能為大型虛擬實(shí)驗(yàn)室提供良好條件。

[1]黃家瑜,李云.計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2011,6(02):59-60.

[2]蔡妙嫻,楊路明.計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2012,9(01):59.

[3]王旭華.探究虛擬機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2012,4(11):47