基于QT的數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

徐睿++韋璐

摘要：虛擬元件庫(kù)是數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最重要的組成部分之一，良好的數(shù)字元件模型有助于提升虛擬元件庫(kù)的可擴(kuò)展性、易維護(hù)和易操作性等。本文在抽象和形式化表示數(shù)字元件的基礎(chǔ)上，采用Qt MVC架構(gòu)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)全局一致的數(shù)字元件模型能有效提升虛擬元件庫(kù)的可用性和開(kāi)放性，為建立統(tǒng)一的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供依據(jù)和保障，使用者和研究者可依需進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，節(jié)省時(shí)間，提高績(jī)效。

關(guān)鍵詞：QT；MVC；虛擬元件；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；建模

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2016.01.022

0 引言

計(jì)算機(jī)等信息與電子工程等專業(yè)的教學(xué)不僅注重理論教學(xué)，更強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠給學(xué)生提供真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，但建設(shè)資金高昂、資源損耗較大，且存在儀器與設(shè)備落后，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一等諸多問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)過(guò)成，學(xué)生無(wú)需進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，只需要通過(guò)計(jì)算機(jī)登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以選擇實(shí)驗(yàn)。虛擬數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)虛擬化數(shù)字元件和實(shí)驗(yàn)的方式，具有投入成本低廉、無(wú)損耗、維護(hù)簡(jiǎn)單、更新快等優(yōu)點(diǎn)，易于保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，以及數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)的完整性和連續(xù)性等優(yōu)勢(shì)，為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題提供了一種有效的解決途徑。2015年1月，我國(guó)教育部批準(zhǔn)了100個(gè)國(guó)家級(jí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，必定進(jìn)一步推動(dòng)和提高我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息化和支持服務(wù)信息化水平。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)成為諸多工程和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)手段，各種新型的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法不斷涌現(xiàn)，如MVC架構(gòu)下基于B/S的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)、基于MVC設(shè)計(jì)模式的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊化的設(shè)計(jì)方法等等?；贚abView、Proteus等EDA軟件也常被用作模擬和數(shù)字電路的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些商用軟件功能強(qiáng)大，注重于電子元器件和板級(jí)電路的物理特性和功能特性的仿真，但由于版權(quán)等問(wèn)題，并不適于課堂教學(xué)和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)等方面的應(yīng)用。中南大學(xué)的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)[X]在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)展示芯片的狀態(tài)信息，并構(gòu)建了教學(xué)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)庫(kù)。高翔等基于Qt[X]的場(chǎng)景視圖模式開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)件建模設(shè)計(jì)軟件。張婧采用輸入輸出緩沖接口說(shuō)明（I/OBuffer Information Specifica-tion，IBIS）設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)字芯片的建模方式，通過(guò)簡(jiǎn)單的文本數(shù)據(jù)來(lái)描述數(shù)字模型的行為。

然而，按傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“虛擬化”的處理方式，不僅功能有限、開(kāi)發(fā)工作量大，易于造成資源浪費(fèi)和重復(fù)開(kāi)發(fā)；而且缺乏系統(tǒng)性的研究，也使得關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)模式嚴(yán)重滯后。因此，本文從數(shù)字邏輯元件的特性入手，首先對(duì)數(shù)字邏輯器件進(jìn)行抽象和形式化描述，以構(gòu)建通用的虛擬元件模型。然后，在此基礎(chǔ)上采用Qt MVC架構(gòu)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證模型的可用性。

l 虛擬數(shù)字邏輯元件模型

虛擬元件庫(kù)的可護(hù)展性直接受制于虛擬元件模型的一致性。數(shù)字邏輯芯片通常由其內(nèi)部特性和外部特性兩個(gè)方面來(lái)描述。其中，外部特性主要不同封裝形式的引腳排列順序等；內(nèi)部特性則是芯片的邏輯功能。相對(duì)于芯片封裝形式的多變性，芯片的內(nèi)部特性則具有強(qiáng)不變性。由此，本文虛擬元件模型的重點(diǎn)是表示數(shù)字邏輯芯片的功能特性，并通過(guò)其與封裝模型的關(guān)系建立來(lái)構(gòu)造虛擬元件。本文將數(shù)字邏輯芯片劃分為組合邏輯芯片與帶控制的組合邏輯芯片等兩種類(lèi)別，以簡(jiǎn)化元件模型的表示和提升元件模型的一致性。

定義1 組合邏輯元件模型C，由六元組（A，I，G，Ω，F(xiàn)，V）表示。其中，屬性組A由芯片的名字等靜態(tài)屬性組成；Ω：I—G，是信號(hào)集I與信號(hào)組集G之間的映射，對(duì)任意的i∈I，有且僅有一個(gè)g∈G，使得i∈g。F：I{V}I是元件的邏輯函數(shù)，完成以輸入信號(hào)查閱真值表V獲得有效輸出信號(hào)的處理過(guò)程。

定義2 帶控制的組合邏輯元件模型Cctrl，是在組合邏輯元件模型C的基礎(chǔ)上，增加控制表達(dá)式成員E而構(gòu)成的七元組（A，I，G，Ω，F(xiàn)，V，E）。同時(shí)，F(xiàn)被重定義為P{VIE}P，表示僅在控制表達(dá)式E運(yùn)算結(jié)果為真時(shí)，才能通過(guò)真值表V獲得輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。表達(dá)式E是由給定的一組輸入信號(hào)g^E（g^E∈G，g^E p，|p|-|g^E|>2）參與運(yùn)算的邏輯表達(dá)式。

上述定義中的信號(hào)組G是為更好地按功能劃分信號(hào)而引入的，與元件信號(hào)的功能分組對(duì)應(yīng)，如輸入信號(hào)集和輸出信號(hào)集等，但并非是必要的。對(duì)象的構(gòu)成模型是從對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，從對(duì)象范型來(lái)看，定義2從定義1繼承而來(lái)是有利于模型的程序化實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

2 虛擬數(shù)字邏輯元件庫(kù)

虛擬數(shù)字邏輯元件庫(kù)主要是管理虛擬元件模型和維護(hù)元件及其封裝形式間的關(guān)系。但封裝形式可以展示芯片外觀，卻不能展示芯片內(nèi)部的功能部件。

MVC （Model View Controller）設(shè)計(jì)模式以模型（M）、視圖（V）、控制（C）分離模型與界面的代碼，使得同一個(gè)模型可有多種不同的表現(xiàn)形式，以控制確保模型數(shù)據(jù)與界面的同步。從而使系統(tǒng)各模塊相對(duì)獨(dú)立，既提高了代碼重用性和擴(kuò)展性，也能讓開(kāi)發(fā)者在一個(gè)時(shí)間內(nèi)專注于一個(gè)方面而不依賴其他業(yè)務(wù)邏輯，明顯提高開(kāi)發(fā)的效率。

基于元件模型的定義，本文采用MVC設(shè)計(jì)模式分離元件的封裝形式與其功能部件，并將部件作為封裝形式的子視圖來(lái)構(gòu)建可視化的虛擬數(shù)字元件，如圖2所示。

定義3 虛擬數(shù)字邏輯元件VC，由四元組（s，c，t，￡）表示。其中，s是如DIP40等封裝形式；c是元件模型；t是元件邏輯視圖；￡：CPIG→SS是元件信號(hào)集或信號(hào)組集與封裝形式引腳序號(hào)的映射，即將元件模型的信號(hào)映射到封裝形式的一個(gè)引腳或一組引腳上。

定義4 虛擬數(shù)字邏輯元件庫(kù)L是帶引腳映射￡約束的元件模型集C、封裝形式集S和元件邏輯視圖集T的笛卡爾集。

基于上述定義，虛擬數(shù)字邏輯元件模型可以使用不同的封裝形式、元件視圖來(lái)表示的同時(shí)，也有利于簡(jiǎn)化元件的描述和存儲(chǔ)方式，增加元件庫(kù)的易用性和擴(kuò)展性。使用者在可配置的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的環(huán)境條件應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)不同的元件，完成相應(yīng)的功能。

3 虛擬數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖3所示，數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括虛擬元件庫(kù)的管理模塊和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩個(gè)模塊。虛擬元件庫(kù)管理模塊包括虛擬元件模型、封裝形式和元件邏輯視圖的添加、編輯、刪除以及引腳配置等管理功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以虛擬電路板的形式，除提供既定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，也允許用戶自主選擇元件、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路，并仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過(guò)程，包括新建/打開(kāi)實(shí)驗(yàn)、保存實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行實(shí)驗(yàn)等功能。

為了降低演示平臺(tái)的開(kāi)發(fā)難度和縮短開(kāi)發(fā)周期，采用Qt MVC模式，將元件視圖獨(dú)立設(shè)計(jì)，而將元件模型與控制整合在一起，而沒(méi)有涉及元件模型、封裝形式、元件視圖和引腳配置的用戶自主管理等功能。

基于Qt平臺(tái)開(kāi)發(fā)的數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其虛擬元件的數(shù)據(jù)模型是獨(dú)立于視圖和控制器的，模型的本身并不用關(guān)心自身如何顯示或者如何被控制，但是模型中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一旦發(fā)生了變化便會(huì)通過(guò)QT平臺(tái)的信號(hào)與槽的機(jī)制進(jìn)行刷新。信號(hào)和槽是QT自行定義的一種通信機(jī)制，獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)的C/C++語(yǔ)言，它可以讓對(duì)象之間彼此并不了解的情況下將它們的行為聯(lián)系起來(lái)。在QT中，信號(hào)和槽均作為類(lèi)的成員函數(shù)，當(dāng)槽和信號(hào)相連接時(shí)，每當(dāng)信號(hào)發(fā)射，槽函數(shù)就會(huì)被調(diào)用，信號(hào)和槽通過(guò)connect函數(shù)連接。當(dāng)某個(gè)信號(hào)對(duì)其對(duì)象或所有者發(fā)生的內(nèi)部的狀態(tài)發(fā)生改變，信號(hào)被虛擬元件發(fā)射。當(dāng)這個(gè)信號(hào)被發(fā)射時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的槽將被立刻執(zhí)行。其中槽是普通的成員函數(shù)，執(zhí)行槽就等于函數(shù)正常調(diào)用，它的特殊性在于很多信號(hào)可以與其相關(guān)聯(lián)。當(dāng)與其關(guān)聯(lián)的信號(hào)被發(fā)射時(shí)，這個(gè)槽就會(huì)被調(diào)用。在數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，虛擬元件模型均綁定了一個(gè)信號(hào)，其中的數(shù)據(jù)一旦發(fā)生變化，便會(huì)發(fā)射信號(hào)導(dǎo)致相關(guān)的函數(shù)，刷新視圖和觸發(fā)該模型的控制器。

實(shí)際操作中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)者只需給定元件的真值表、引腳、封裝形式等信息，以及帶控制的邏輯元件的控制表達(dá)式，即可完成實(shí)驗(yàn)元件自定義和或是擴(kuò)展系統(tǒng)的元件庫(kù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建了虛擬元件庫(kù)，提供了典型教學(xué)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的邏輯工作過(guò)程演示程序。用戶可以直接使用該虛擬元件庫(kù)中的元件為教師的教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)提供理想的教學(xué)演示。跑馬燈原理演示效果見(jiàn)圖4。

在工作電路上，我們看不到芯片的內(nèi)部邏輯，只看到實(shí)驗(yàn)程序的結(jié)果，即導(dǎo)線顏色和LED燈的變化。該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)展示，可以很清晰地看到整個(gè)電路的結(jié)果變化。學(xué)習(xí)者不僅可以觀察到元件的實(shí)際作用，也可以看到實(shí)驗(yàn)的工作過(guò)程，從而使得他們可以從實(shí)驗(yàn)電路的整體工作過(guò)程，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握元件的應(yīng)用方法。

5 總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)具有成本低，效率高，范圍廣，可重用性和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，已貫穿到了工程類(lèi)專業(yè)的課程教育中。數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)是模型元件以及元件庫(kù)。本文研究通過(guò)對(duì)數(shù)字邏輯芯片的結(jié)構(gòu)分層，采用基于QMVC框架對(duì)數(shù)字邏輯芯片的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種體系結(jié)構(gòu)避免了編程的復(fù)雜性，由于虛擬元件的相互獨(dú)立型有助于實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放性，只需對(duì)元件進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置便可作為新的虛擬元件使用，而不用修改相應(yīng)的程序。