組成原理虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

李錦青

(長春理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

作為計算機(jī)專業(yè)的一門主干基礎(chǔ)課，計算機(jī)組成原理成為計算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)中的一門專業(yè)必修課，一直以來被許多高等院校和科研院所列為考研課程。該課程著重介紹了計算機(jī)的內(nèi)部工作原理，幫助學(xué)生深入理解計算機(jī)的工作流程，對于學(xué)生掌握整個本科階段所有專業(yè)課程以及課程之間的有機(jī)聯(lián)系、建立完整的計算機(jī)學(xué)科知識體系起著重要作用［1］。

對于這類“原理”性課程，實驗實踐環(huán)節(jié)是學(xué)生能否真正理解課程內(nèi)容、掌握知識內(nèi)核的必要步驟。有效的實驗操作能使學(xué)生擺脫枯燥的理論學(xué)習(xí)，將抽象的理論學(xué)習(xí)與現(xiàn)實世界相結(jié)合，使學(xué)生從微觀到宏觀全方位掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，快速融會貫通，從而提高學(xué)生的理論應(yīng)用能力［2］。傳統(tǒng)的實驗實踐環(huán)節(jié)受制于時間空間的限制，而近年來新興的虛擬實驗室卻可以不受時空的限制，用戶能夠隨時隨地進(jìn)行實驗［3］。

虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化，是對傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的有力補(bǔ)充。作為虛擬實驗有別于傳統(tǒng)實驗方法的重要特征，虛擬實驗中不存在著元件損耗、器械磨損等情況，還能資源共享。對于存在一定危險性，或者損耗過大的實驗內(nèi)容，虛擬實驗給學(xué)生提供了更多獨立自主操作、實踐動手的機(jī)會［4］。國內(nèi)外對虛擬實驗室進(jìn)行的研究也表明，它有著十分光明的應(yīng)用前景［5］。

本文提出了一種基于虛擬實驗室，對傳統(tǒng)實驗方法進(jìn)行合理補(bǔ)充的實驗系統(tǒng)。該虛擬實驗系統(tǒng)細(xì)化了實驗過程，將計算機(jī)內(nèi)部工作過程全方位呈現(xiàn)給學(xué)生，將微觀過程實物化。將計算機(jī)內(nèi)部的運算器、控制器、存儲器，以及輸入輸出系統(tǒng)的工作形式、控制細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)流向形象細(xì)膩地展示在實驗操作者面前。同時該系統(tǒng)提供了自主設(shè)計的操作平臺，為設(shè)計型、綜合型、創(chuàng)新型實驗提供了開發(fā)空間和實踐手段。它為教師提供了豐富多彩的教學(xué)手段;為學(xué)生提供了更多實際動手的機(jī)會，極大地提高了學(xué)生分析能力，解決問題的能力。

一、計算機(jī)組成原理虛擬實驗方案

(一)組成原理虛擬實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)構(gòu)建在校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上，該虛擬實驗系統(tǒng)主要任務(wù)是完成計算機(jī)組成原理課程的相關(guān)實驗任務(wù)?；贐/S模式，學(xué)生可在瀏覽器端登錄實驗系統(tǒng)，通過用戶名(通?？刹捎脤W(xué)生學(xué)號)和密碼進(jìn)行驗證。登入系統(tǒng)之后，可在客戶端進(jìn)行相關(guān)實驗操作。用戶可進(jìn)行實驗選擇，系統(tǒng)中初始設(shè)定包含組成原理課程中所必修的相關(guān)實驗任務(wù):寄存器實驗，運算器實驗，存儲器實驗，輸入輸出系統(tǒng)實驗，中斷實驗，指令流水實驗，組合邏輯控制器實驗，微程序控制器實驗。除此之外，還可以根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行實驗擴(kuò)展，組合為更多的綜合型、創(chuàng)新型實驗題目，以此不斷提高學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。由淺入深，深入淺出，使學(xué)生在動手的過程中理解枯燥的理論知識，在理論的基礎(chǔ)上強(qiáng)化實際操作的可行性。同時，系統(tǒng)可以同步記錄實驗數(shù)據(jù)，在線生成電子實驗報告，并將實驗報告上傳到服務(wù)器端。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖1，具有界面友好、高度仿真、資源共享、安全可靠等特點?？梢怨?jié)約學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，使學(xué)生將有限的時間應(yīng)用在有效的學(xué)習(xí)中去，在一定程度上避免了無意義的謄抄。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(二)系統(tǒng)工作流程設(shè)計

用戶可使用瀏覽器登錄，進(jìn)入實驗系統(tǒng)后，從實驗列表中選擇實驗題目。系統(tǒng)顯示所選實驗要求、實驗?zāi)康?。選擇進(jìn)入實驗項目之后，系統(tǒng)根據(jù)實驗性質(zhì)分類(如:驗證型實驗、設(shè)計型實驗、綜合型實驗、創(chuàng)新型實驗)給出實驗要求、不同程度的實驗說明、所需器件、電路連線圖。學(xué)生用戶根據(jù)不同的實驗要求，進(jìn)行實驗元件的選擇，連接實驗電路，然后運行實驗，輸入實驗數(shù)據(jù)。在確認(rèn)實驗的正確性之后，可獲取實驗數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，記錄數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告，完成實驗內(nèi)容(圖2)。

圖2 系統(tǒng)工作流程

(三)系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)實現(xiàn)了學(xué)生選擇計算機(jī)組成原理實驗并模擬進(jìn)行實驗的功能。

在設(shè)計思想上，系統(tǒng)采用B/S的開發(fā)模式，學(xué)生打開網(wǎng)頁就可以選擇實驗，數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端，減輕了電腦的承載負(fù)荷，保證了數(shù)據(jù)的安全性;應(yīng)用MVC分層開發(fā)思想，達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的開發(fā)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的健壯性和可維護(hù)性。

在技術(shù)上，采用了JSP、struts2和Ajax，完成動態(tài)的頁面顯示和業(yè)務(wù)流程控制和管理，同時應(yīng)用異步交互，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

在功能上，學(xué)生在選擇實驗的同時，可以查閱實驗手冊和對應(yīng)教材，也可以下載實驗報告等相關(guān)文檔，為學(xué)生選擇實驗搭建了良好的平臺。

綜上所述，本課題實現(xiàn)的計算機(jī)組成原理模擬實驗系統(tǒng)，是基于網(wǎng)絡(luò)化的綜合系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時隨地方便的查詢相應(yīng)的信息，讓系統(tǒng)的相關(guān)功能規(guī)范、合理、高效，體現(xiàn)人性化的需求。

系統(tǒng)登錄界面見圖3。

實驗選擇界面見圖4。

實驗運行界面見圖5。

圖3 系統(tǒng)登錄界面

圖4 系統(tǒng)實驗選擇界面

圖5 系統(tǒng)實驗運行過程界面

二、結(jié)束語

本文結(jié)合計算機(jī)組成原理實驗課程，對虛擬實驗系統(tǒng)建模和仿真方法進(jìn)行了分析研究，提出了虛擬組成原理實驗系統(tǒng)的設(shè)計思想和實現(xiàn)方案。系統(tǒng)采用B/S的開發(fā)模式，學(xué)生打開網(wǎng)頁就可以選擇實驗，數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端，減輕了電腦的承載負(fù)荷，保證了數(shù)據(jù)的安全性;應(yīng)用MVC分層開發(fā)思想，達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的開發(fā)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的健壯性和可維護(hù)性。在技術(shù)上，采用了JSP、Struts2和Ajax，完成動態(tài)的頁面顯示和業(yè)務(wù)流程控制和管理，同時應(yīng)用異步交互，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。極大地提高學(xué)生的實際動手能力及分析和解決問題的能力，為組成原理課程構(gòu)建了一種全新的實驗教學(xué)模式，更大程度上滿足了師生的教學(xué)需求。本課題實現(xiàn)的計算機(jī)組成原理模擬實驗系統(tǒng)，是基于網(wǎng)絡(luò)化的綜合系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時隨地方便的查詢相應(yīng)的信息，讓系統(tǒng)的相關(guān)功能規(guī)范、合理、高效，體現(xiàn)人性化的需求。

［1］周寧寧，程春玲.基于FPGA技術(shù)的計算機(jī)組成原理實驗系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(1):22－25.

［2］畢琳.《計算機(jī)組成原理》課程教學(xué)改革探索［J］.重慶與世界:學(xué)術(shù)版，2013(8).

［3］刁宏志，于鳴.基于虛擬儀器的計算機(jī)組成原理實驗儀的仿真實現(xiàn)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005(2):98－99.

［4］鄭耿忠.計算機(jī)組成原理虛擬實驗室的研究及實現(xiàn)［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008(2):62－65.

［5］朱思峰，李慧敏.計算機(jī)組成原理虛擬實驗室系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006(17):2685－2687.