基于多線程的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧秀軍

南京交通技師學(xué)院

基于多線程的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧秀軍

南京交通技師學(xué)院

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了我們生產(chǎn)、生活和教育中不可缺少的一部分，隨著遠(yuǎn)程教學(xué)和世界各個研究機(jī)構(gòu)合作的不斷增加和多樣化，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過虛擬技術(shù)來完成已經(jīng)是大勢所趨。本人在多線程的基礎(chǔ)上對計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一些研究和探索。

多線程計(jì)算機(jī)硬件；虛擬實(shí)驗(yàn)室；人機(jī)交互處理

1 前言

虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了時(shí)間和地點(diǎn)的限制，大大減輕了研究者的額外負(fù)擔(dān)，還可以減少元件和設(shè)備的損耗，讓使用者克服實(shí)際計(jì)算機(jī)操作中硬件不能滿足實(shí)驗(yàn)的困難，所以一種計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有著十分重要的意義。所以長期以來我國科技研究人員始終致力于基于多線程的基選集硬件虛擬實(shí)驗(yàn)的研究。

2 計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成

要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的多線程虛擬實(shí)驗(yàn)室，需要的主要部件有以下幾個。編碼器、譯碼器、虛擬內(nèi)存芯片數(shù)據(jù)庫，能夠生成數(shù)字信號的儀器，數(shù)字示波器等硬件構(gòu)成。這一套系統(tǒng)是一個虛擬的平臺，其作用是組成一個虛擬電腦，把虛擬生成的電路芯片和CPU芯片整合在一起，按照具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該系統(tǒng)是由四個模塊構(gòu)成：（1）圖形化編碼模塊。其主要功能是把取樣檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形編碼處理，輸出顯示在虛擬顯示器上。（2）能夠檢測信號的模塊。該模塊的主要作用是對檢測點(diǎn)的生成信號進(jìn)行取樣，并對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。（3）虛擬計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行模塊。其主要組成部分有虛擬主板芯片集、CPU、內(nèi)存、SCSI和IDE磁盤設(shè)備、端口以及顯示設(shè)備等，其主要仿真虛擬計(jì)算機(jī)在虛擬環(huán)境中運(yùn)行。（4）輸出模塊。其功能是把圖形化的編碼信息輸出。

模塊與模塊之間存在著一定的聯(lián)系，虛擬電腦運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，檢測信號的模塊也同時(shí)在運(yùn)轉(zhuǎn)，并將檢測到的信號編碼輸出。檢測信號的模塊、虛擬計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行模塊、輸出模塊存在著串聯(lián)關(guān)系，即先進(jìn)行信號檢測，將測到的信號進(jìn)行編碼，然后將編好的碼輸出，這三個模塊是一環(huán)套一環(huán)，后續(xù)處理依賴于前面的數(shù)據(jù)。由于模塊之間存在搶占操作，數(shù)據(jù)之間還有相對應(yīng)的處理順序，所以必須虛擬電腦進(jìn)行運(yùn)行、編碼、數(shù)據(jù)加測和輸出并行操作，如若不然就會對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的交互性產(chǎn)生很大的影響。所以解決虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬環(huán)境的并行操作是一個關(guān)鍵問題。

3 多線程計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室可以調(diào)度的最小單位是線程，任何程序都可以用多個線程來完成，多個線程可以共用一個地址空間，這種方式可以讓線程之間的聯(lián)系簡單高效。因此計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)可以利用線程時(shí)間片和優(yōu)先級別在線程之間進(jìn)行調(diào)度，就可以實(shí)現(xiàn)模塊并行工作。計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室使用數(shù)據(jù)緩沖的方法來保證模塊數(shù)據(jù)的同步。虛擬是實(shí)驗(yàn)室的各個模塊所占有的運(yùn)行時(shí)間各有不同，所以為了讓數(shù)據(jù)在模塊之間同步，對數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行緩存，為此我們設(shè)計(jì)四個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲經(jīng)模塊處理之后的數(shù)據(jù)。（1）圖形化編碼緩沖區(qū)。這個的作用是存儲經(jīng)過檢測信號緩沖區(qū)圖形編碼后的數(shù)據(jù)。（2）信號檢測緩沖區(qū)。儲存監(jiān)測點(diǎn)的取樣信號。（3）顯示緩沖區(qū)。用于存貯虛擬示波器輸出的數(shù)據(jù)。（4）時(shí)序緩沖區(qū)。用于存儲虛擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的時(shí)序信號。計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的各個模塊互相作用，其對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行共享但是又會搶占系統(tǒng)資源。為此我們就要設(shè)計(jì)一個線程作為輔助應(yīng)用到每一個模塊上面，通過線程來對共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，然后再通過設(shè)定的優(yōu)先級別來讓線程并行運(yùn)行。

4 計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)多線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)的操作

計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的線程輔助存儲數(shù)據(jù)要進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理，線程的等待運(yùn)行狀態(tài)和緩沖區(qū)的空滿狀態(tài)是緊密相連的。在取樣信號的緩沖區(qū)為空的時(shí)候，就應(yīng)該激活信號檢測線程來為取樣信號緩沖區(qū)記錄數(shù)據(jù)，如果取樣信號緩沖區(qū)狀態(tài)為滿的時(shí)候，就應(yīng)該激活圖形化編碼中的線程，將其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和編碼處理。因此，為了各相對應(yīng)的線程能夠在緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換狀態(tài)的時(shí)候處于激活狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室采用“事件驅(qū)動”來實(shí)現(xiàn)線程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。按照設(shè)置緩沖區(qū)的不同，操作系統(tǒng)會設(shè)置相應(yīng)的事件與之一一對應(yīng)，觸發(fā)對應(yīng)線程的事件有如下過程：（1）用戶對主線程進(jìn)行指令操作的時(shí)候，如果時(shí)序緩沖區(qū)為空、則線程被激活，時(shí)序信號被傳到時(shí)序緩沖區(qū)，并使?fàn)顟B(tài)變?yōu)闈M。當(dāng)信號被用戶輸出的時(shí)候，信號線程及檢測信號的線程就變?yōu)檫\(yùn)行。（2）當(dāng)時(shí)序緩沖區(qū)狀態(tài)為滿、取樣狀態(tài)為空，檢測信號的線程就被激活，緩沖區(qū)的信號就被傳輸?shù)饺拥却齾^(qū)，傳過去之后，時(shí)序緩沖區(qū)變?yōu)榭眨泳彌_區(qū)變?yōu)闈M。（3）取樣緩沖區(qū)為滿，圖形編碼的信號緩沖區(qū)為空時(shí)，同時(shí)現(xiàn)場可以運(yùn)行，在這種狀態(tài)下就需要激活圖形編碼線程，將數(shù)據(jù)編碼后傳到圖形編碼區(qū)，這樣取樣緩沖區(qū)就為空，圖形編碼緩沖區(qū)的狀態(tài)為滿。主線程主要負(fù)責(zé)每個輔助線程并且對其優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置，一個線程如果用完了自己的時(shí)間配額時(shí)，如果沒有其他優(yōu)先級線程，那么它將會重新獲得一個時(shí)間配額，繼續(xù)運(yùn)行，一旦由現(xiàn)成搶占，它將會排在優(yōu)先級的首位，在線程運(yùn)行的過程中要對主線程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻掌握它的運(yùn)行狀態(tài)，并將它的標(biāo)志設(shè)置為“允許運(yùn)行”。

圖1 多線程進(jìn)程的模型

5 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模塊與數(shù)據(jù)之間的并行運(yùn)行，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和仿真性得到極大的提高，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，基于多線程的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，為計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)工作提供了高度的仿真和交互的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

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10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.048