“計算機組成原理”虛擬仿真實驗教學平臺的設計

蘇向東　劉彩霞

摘 要：“計算機組成原理”是計算機科學與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的核心課程，該課程的實驗環(huán)節(jié)在整個課程中所占比例較大，實驗設備與實驗環(huán)境造價很高，各高校的計算機組成原理實驗室的容量、設備數(shù)一般都比較有限，無法全面滿足學生的實驗需求。本文結(jié)合計算機組成原理教學中實驗課的需求，設計了基于B/S架構(gòu)的虛擬仿真教學平臺，并以運算器設計及性能優(yōu)化實驗項目為例，說明了虛擬仿真實驗平臺的使用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗平臺;計算機組成原理;遠程管理

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】B 【文章編號】1008-1216（2018）11B-0109-02

當前，國家正穩(wěn)步推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質(zhì)資源建設與應用。作為信息技術(shù)與學科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗為實驗室建設注入了新的活力，為推進實驗教學改革與創(chuàng)新增添了新的動力，在高等教育信息化和實驗教學示范中心建設的過程中扮演了重要角色。

“計算機組成原理”課程是計算機專業(yè)的一門核心課程，學生通過該課程可以掌握關(guān)于計算機組成和運行機制方面的概念、原理、設計和優(yōu)化方法，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的開設奠定基礎(chǔ)。課程講授內(nèi)容涉及多種機型（巨型機、大型機、微型機）、各機型采用的很多種不同技術(shù)（包括硬件構(gòu)成、指令集、控制器實現(xiàn)方式等），從宏觀到微觀的硬件構(gòu)造原理，內(nèi)容抽象龐雜、直觀性差，僅僅依靠課堂中教師的講解，理解難度大，因此實驗教學顯得尤為重要。由于計算機組成原理實驗設備與實驗環(huán)境造價很高，高校的計算機組成原理實驗室的容量、設備數(shù)一般都比較有限，無法全面滿足學生的實驗需求。

與普通實驗條件方式相比，虛擬仿真實驗平臺則具有顯著的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）它可以為師生雙方提供不受限的實驗環(huán)境，包括不受實驗經(jīng)費、實驗時間、實驗場地、實驗器材以及實驗內(nèi)容的限制，這樣學生就可以利用平臺這一開放性的特點進行自主實驗。（2）它可以為提高學生對計算機實踐課程的興趣和學習動力提供有效途徑。虛擬實驗教學與傳統(tǒng)教學的有效結(jié)合可以激發(fā)學生的實驗興趣、培養(yǎng)學生開放性思維、鍛煉學生主動動手能力、強化學生創(chuàng)新實驗能力。（3）它是培養(yǎng)學生自助構(gòu)建計算機仿真模型體系的最佳機會，有利于夯實學生的專業(yè)基礎(chǔ)，從而促進實踐創(chuàng)新能力的發(fā)展。（4）它是拓寬實驗教學的必經(jīng)之路，可以促使高等教育的功能從“人才培養(yǎng)者”到“人才設計者”轉(zhuǎn)變。（5）對于教師而言，可以培養(yǎng)教師開放性教學能力及不斷學習提高的教學意識，以便于適應平臺的教學內(nèi)容的隨機性、創(chuàng)新性及開放性特點。由以上幾點可以看出，建立虛擬仿真實驗的項目是實驗教學改革發(fā)展的必然趨勢。

針對計算機組成原理教學過程中存在的硬件設備成本高、實驗環(huán)境受限、學生實踐機會不足等問題，我們探索設計了基于B/S架構(gòu)的虛擬仿真教學平臺，并以運算器設計及性能優(yōu)化實驗項目為例說明了虛擬仿真實驗平臺的使用。

一、“計算機組成原理”虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)

本文設計的計算機組成原理虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)如圖1所示。學生、教師、管理員可以通過門戶網(wǎng)站訪問實驗管理平臺和虛擬仿真實驗平臺。教師通過管理平臺進行實驗教學和教務方面的管理工作，并通過互動交流模塊與在線實驗的學生進行實時交流互動;學生通過虛擬仿真實驗平臺進行虛擬仿真實驗。并通過訪問管理模塊進行實驗報告的提交和數(shù)據(jù)的實時檢查審核，同時通過互動模塊與在線服務教師進行實時交流，隨時發(fā)表自主設計方案并咨詢教師獲得可行性的分析評估建議，以完成自主、創(chuàng)新性實驗部分。管理員負責管理、維護、部署虛擬仿真實驗平臺及門戶網(wǎng)站。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)支持平臺操作。

虛擬仿真實驗平臺通過3D仿真技術(shù)實現(xiàn)虛擬教學仿真。3D引擎在Windows平臺下通過DirectX技術(shù)實現(xiàn)3D渲染，實現(xiàn)現(xiàn)實效果的器件，增強學生的現(xiàn)場真實感，提高學生利用虛擬平臺進行實驗的真實體驗感。

二、虛擬仿真實驗平臺應用實例

本文以設計實現(xiàn)n位數(shù)的加減法運算器為例，說明虛擬仿真實驗平臺的使用步驟。

（一）教師設計實驗內(nèi)容

對n位數(shù)的加減法運算器而言，利用運算方法[X-Y]補=[X]補+[-Y]補，將減法轉(zhuǎn)換成加法通過加法器進行，從成本及復雜度上優(yōu)化加減運算器的結(jié)構(gòu)。送入加法器的操作數(shù)會自動進行加法，因此計算機內(nèi)部減法的實現(xiàn)有兩種思路：一是采用上面設計思想和過程設計n位數(shù)的減法器，這時加法器和減法器各司其職，無法實現(xiàn)資源共享的最大化;二是設計一定的算法將減法轉(zhuǎn)換為加法進行，從而利用已經(jīng)設計好的加法器進行減法操作，實現(xiàn)資源共享、節(jié)省成本、簡化運算器結(jié)構(gòu)。

計算機內(nèi)部，有符號數(shù)采用編碼方式表示，其中補碼編碼方式在二進制運算中可以將符號位與數(shù)值位等同對待，因而利用公式[X-Y]補=[X]補+[-Y]補將減法轉(zhuǎn)換為補碼加法而利用加法器進行。這時加法器需要接收來自于外部的控制信號以決定對送入的操作數(shù)進行加還是減的操作，同時如果進行減操作，需要將送入的B補操作數(shù)進行-B補的變換，基于此思路的只包含加法器的加減法運算器結(jié)構(gòu)，如圖2：

（二）學生利用實驗平臺完成實驗

學生遠程登錄虛擬實驗仿真平臺，閱讀實驗要求，利用實驗平臺器件庫里面的器件設計出一個n位數(shù)的加減法運算器，整個操作過程獨立完成。學生利用老師提供的測試樣例，進行運算器測試，并記錄測試結(jié)果。學生根據(jù)記錄結(jié)果及優(yōu)化目標改進計算方法及對應的運算器架構(gòu)。學生執(zhí)行優(yōu)化算法步驟并觀察，記錄及改進效率，及時與教師溝通交流、評估改進后運算器的優(yōu)劣，最終掌握運算器體系架構(gòu)的設計及優(yōu)化方法。最后，學生在線提交實驗報告，進行問題分析，總結(jié)心得體會。

運算器設計的整個過程完全在虛擬實驗平臺完成，學生在加法器設計失敗的情況下，重新進行設計和測試。整個過程不存在器件的損耗，實驗效果實時可見，實驗不受場地、時間和次數(shù)等限制，極大地提高了實驗的效果。

（三）教師評估實驗效果

虛擬仿真實驗平臺完整地記錄了學生的實驗步驟和操作過程，同時給學生提供了上交實驗報告的渠道。教師查看平臺記錄和學生的實驗報告，可以清晰地了解學生對相應理論的掌握程度和實驗動手能力，從而準確評估實驗效果。

利用實驗平臺提供的信息，教師可以完成三方面的事情：首先，對學生的能力給出準確評價和分數(shù)，其次，根據(jù)學生的掌握程度有針對性提供相應的輔導，最后，結(jié)合實驗整體情況改進后續(xù)實驗內(nèi)容。

三、結(jié)論

本文結(jié)合計算機組成原理教學中實驗課的需求，設計了基于B/S架構(gòu)的虛擬仿真教學平臺。以學生為本的開放式教學理念：一方面體現(xiàn)在實驗平臺使用的不受限性上，即學生可以不受場地、時間、次數(shù)、器材及器件數(shù)量的限制，隨時、隨地、隨意進行實驗，而不帶來任何附加成本，解決了高校計算機硬件實驗室資金、教師資源、場地、時間不足與培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力教學理念的矛盾。另一方面，體現(xiàn)在教學內(nèi)容的不受限性上。平臺提供基本實驗步驟及內(nèi)容，同時支持學生自主設計開發(fā)創(chuàng)新性實驗方案，打破了傳統(tǒng)實驗方式中由教師提供實驗方案，學生進行驗證的被動式學習模式，能很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐及自主學習能力。實驗教學過程中學生是主體，實驗教師起到的只是引導、答疑的輔助作用。

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