計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱惠娟 戴麗麗 徐謙 夏睿 徐煜輝

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 江蘇省南京市 210046）

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常會(huì)受到諸多如時(shí)間、地點(diǎn)、空間的限制，學(xué)生無法通過短暫的課堂教學(xué)完全理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著科技的創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)逐漸應(yīng)用在教學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，使在線教學(xué)成為一種主流的學(xué)習(xí)方式。2017 年，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，鼓勵(lì)2017-2020 年在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，計(jì)劃立項(xiàng)1000 門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[1]；2018 年，陳寶生部長(zhǎng)在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上第一次提出打造五大類型“金課”，包括1500門國(guó)家級(jí)虛擬仿真金課。伴隨著國(guó)家教育政策的大力支持，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)如火如荼地開展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為新型在線教學(xué)資源的一種形式，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的短板，為實(shí)驗(yàn)共享提供了一個(gè)便捷的渠道。研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的存在價(jià)值，主要包含以下幾個(gè)方面：

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)了全新的學(xué)習(xí)場(chǎng)景

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以打破空間、時(shí)間的限制，一方面使得每位學(xué)生可以生動(dòng)且逼真的感受到實(shí)驗(yàn)中物體和事物所帶來的細(xì)微變化，能夠進(jìn)行仔細(xì)的觀察；另一方面學(xué)生可以根據(jù)自己的需求選擇性的學(xué)習(xí)，不用局限于只能跟著老師的節(jié)奏學(xué)習(xí)，沒有理解的地方可以反復(fù)去學(xué)，為學(xué)生構(gòu)造出開放性的學(xué)習(xí)環(huán)境[2]。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將學(xué)習(xí)從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性，使學(xué)生可以在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中成為一名參與者，能夠全身心的投入學(xué)習(xí)環(huán)境中，增加了學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的興趣；通過自身選擇性的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不在由于課堂上一步不懂而步步不懂；通過虛擬境界的觀察和自主的學(xué)習(xí)，充分的發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性[3]。使學(xué)生在學(xué)習(xí)中成為學(xué)習(xí)的主體，讓學(xué)生在被動(dòng)的學(xué)習(xí)中變?yōu)橹鲃?dòng)，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及想象力。

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)節(jié)約了教學(xué)成本

大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)都需要配置專門的實(shí)驗(yàn)室，并且很多的實(shí)驗(yàn)器材也都很昂貴，在維護(hù)以及長(zhǎng)久的損壞上也都需要一筆不少的費(fèi)用。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了高昂的場(chǎng)地費(fèi)和器材費(fèi)用，同時(shí)不用擔(dān)心設(shè)備的損壞以及維護(hù)問題。節(jié)省了大筆的開支，可以用來增加更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)避免了某些實(shí)驗(yàn)的高危性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供的是一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)空間，像很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)失誤會(huì)導(dǎo)致發(fā)生事故。通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以模擬出錯(cuò)誤的操作，使得學(xué)生感受到操作失誤帶來的危險(xiǎn)性，并且避免了失誤所帶來的事故。還能夠幫助學(xué)生訓(xùn)練在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對(duì)失誤帶來的危險(xiǎn)應(yīng)該如何進(jìn)行及時(shí)的處理。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究背景與實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

2.1 研究背景

計(jì)算機(jī)組成原理是一門研究計(jì)算機(jī)基本硬件組成和內(nèi)部運(yùn)行原理的課程，具有理論性強(qiáng)、難度大、內(nèi)容抽象、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。與課程配套的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程，是實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。但在具體的上課過程中由于課程本身的特點(diǎn)，老師和學(xué)生都面臨著一些難以克服的困難：

2.1.1 實(shí)驗(yàn)一起昂貴且容易損壞

目前本校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程是基于TEC-8 實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)過程中，每個(gè)學(xué)生（或每個(gè)小組）要有一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱來進(jìn)行操作，不規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作在所難免，容易對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器造成損壞。設(shè)備的維護(hù)和換新會(huì)給學(xué)校帶來比較大的資金花費(fèi)，如果實(shí)驗(yàn)儀器維護(hù)不及時(shí)也會(huì)對(duì)學(xué)生的課程實(shí)踐帶來很大影響。

2.1.2 課程抽象且難度大，學(xué)生不感興趣

課程內(nèi)容比較抽象，知識(shí)點(diǎn)繁多，學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程沒有主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器無交互性，無法及時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)操作是否正確

實(shí)驗(yàn)儀器僅能為學(xué)生提供簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作條件，不能指導(dǎo)學(xué)生完成指定的實(shí)驗(yàn)操作，而老師在教學(xué)過程中要多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，不僅花費(fèi)老師大量時(shí)間，還導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率低下。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也無法及時(shí)得到操作是否正確的反饋，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，并且不知道失敗原因，很大程度削減了同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情。

2.1.4 課程驗(yàn)收困難

通過遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，無法讓教師完全了解學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況，甚至還要通過讓所有學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的口述，來完成實(shí)驗(yàn)考核。這不僅會(huì)造成學(xué)生都在等待老師檢查而浪費(fèi)大量時(shí)間，老師也會(huì)一直長(zhǎng)時(shí)間處于忙碌狀態(tài)。

圖1：總體架構(gòu)圖

圖2

圖3：燈光選擇

圖4：燈光調(diào)整

2.2 研究目的

為了解決在上課過程中師生所面臨的這些困難，本項(xiàng)目開發(fā)了“計(jì)算機(jī)組成原理之運(yùn)算器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)輔助系統(tǒng)，通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境在極大程度上削減學(xué)校在購(gòu)買和維護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器上的開支，同時(shí)該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含詳細(xì)知識(shí)點(diǎn)講解和操作步驟引導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生正確完成每一步操作，并設(shè)有實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)來方便老師對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果的驗(yàn)收。

圖5：實(shí)驗(yàn)主界面

圖6：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊

圖7：子實(shí)驗(yàn)選擇界面

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

“計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的原理是通過“一種虛擬教學(xué)方式，三個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，軟硬件教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，五塊知識(shí)點(diǎn)”模式的學(xué)習(xí)，以虛擬的第一人稱視角讓學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，完成對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)與操作，讓老師完成對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果的驗(yàn)收。

本項(xiàng)目針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)大綱要求，突破了教學(xué)過程中場(chǎng)地、周期、準(zhǔn)入門檻等限制，通過三維逆向工程技術(shù)還原了教室、硬件實(shí)驗(yàn)箱、計(jì)算機(jī)硬件等虛擬場(chǎng)景，將裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)，存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)，微程序控制實(shí)驗(yàn)，中斷實(shí)驗(yàn)五大部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)考核三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行融會(huì)貫通。學(xué)生通過在虛擬仿真環(huán)境中完成計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的一系列實(shí)驗(yàn)操作，最終使學(xué)生學(xué)習(xí)效率大大提升。

3.2 實(shí)驗(yàn)子模塊設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共涉及計(jì)算機(jī)組成原理五大部分知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。

（1）裝機(jī)實(shí)驗(yàn)：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主板，硬盤，顯卡，內(nèi)存條，CPU 等各部件的功能以及如何互連成整機(jī)。

（2）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)：運(yùn)算器的組成以及工作原理，算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)過程。

（3）存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)：地址線，數(shù)據(jù)線，控制線的連接方式，存儲(chǔ)器的組織以及數(shù)據(jù)讀寫操作。

（4）微程序控制器實(shí)驗(yàn)：微程序控制器的原理及實(shí)現(xiàn)方法，控制信號(hào)的產(chǎn)生過程。

（5）中斷實(shí)驗(yàn)：中斷的定義，中斷調(diào)用與中斷返回。

3.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

“計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”依托開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口無縫對(duì)接和實(shí)驗(yàn)全過程記錄，并通過平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)功能，盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中包括完整的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、儀器動(dòng)畫等，對(duì)硬件要求比較高，在模型優(yōu)化方面，采用3DMax 進(jìn)行基礎(chǔ)建模。在PhotoShop軟件中進(jìn)行貼圖制作，將虛擬實(shí)驗(yàn)涉及的真實(shí)圖片進(jìn)行粘貼。最后通過Unity3D 軟件對(duì)前期的內(nèi)容進(jìn)行整合。虛擬實(shí)驗(yàn)用到的音頻采用AE 軟件進(jìn)行編輯和剪輯，也導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中整合。最后通過C#語(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)3D 交互步驟，實(shí)現(xiàn)最終的程序界面設(shè)計(jì)等?？傮w架構(gòu)圖如圖1 所示。

如圖1 所示，支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)行的架構(gòu)共分為五層，每一層都為上層提供服務(wù)，直到完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的構(gòu)建。下面將按照從上到下的順序分別闡述各層的具體功能。

（1）應(yīng)用層：本層是計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)交互層，該應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)教師可以根據(jù)教學(xué)需要，設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)案例，面向?qū)W生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（2）仿真層：仿真層主要針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程構(gòu)建三維場(chǎng)景、三維硬件。

（3）通用服務(wù)層：通用服務(wù)層即實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用功能，包括實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、智能指導(dǎo)等。

（4）支撐層：支撐層是計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與開放共享平臺(tái)的核心框架，包括安全管理和數(shù)據(jù)管理等功能。

（5）數(shù)據(jù)層：計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及到多種類型數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

4.1 場(chǎng)景建模

圖8：運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)

圖9：實(shí)驗(yàn)考核

首先在3DS Max 中進(jìn)行建模，文件選擇統(tǒng)一使用FBX 格式，是為了能夠更好的兼容Unity 3D 軟件使場(chǎng)景搭建中不會(huì)出現(xiàn)模型比例不等問題[4]。

4.1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的搭建

作為一款基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理仿真系統(tǒng)，首先要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景搭建；在開發(fā)初期要做好實(shí)驗(yàn)室的搭建思路，搭建好實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景才方面后續(xù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)操作。在3DS Max 中搭建實(shí)驗(yàn)室模型時(shí)要注意到，3DS Max 與Unity 3D 有100：1 的模型比例問題。本系統(tǒng)主要的實(shí)驗(yàn)操作是在一塊實(shí)驗(yàn)桌上完成，因此搭建實(shí)驗(yàn)室時(shí)要留出一部分作為試驗(yàn)臺(tái)的搭建。如圖2 所示。

4.1.2 場(chǎng)景渲染

為增加學(xué)生的使用體驗(yàn)，塑造更加逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景在場(chǎng)景中的模型搭建完畢后需要對(duì)場(chǎng)景中的光影效果做一個(gè)渲染，本系統(tǒng)對(duì)于場(chǎng)景中的燈光要求主要為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的整體燈光，首先為了兼容大多數(shù)的平臺(tái)將采用平行燈光；攝像機(jī)模式改成正交模式，這樣不會(huì)因?yàn)槠渌麑?duì)象干擾到試驗(yàn)臺(tái)。在適合的位置添加Vray 燈光，點(diǎn)擊如圖3 和圖4 所示中的燈光，選取Vary 燈光在對(duì)應(yīng)的位置放置燈光片；實(shí)驗(yàn)室的整體燈光選擇白色，對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器中的燈泡選擇黃色，使顏色形成鮮明的對(duì)比，學(xué)生能夠更明顯的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4.2 核心交互模塊

4.2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主界面

打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，首界面展示制作團(tuán)隊(duì)，學(xué)校，以及指導(dǎo)老師?！伴_始實(shí)驗(yàn)”按鍵，點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?？梢钥吹饺鐖D5 所示的實(shí)驗(yàn)主界面，分為“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”、“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”和“實(shí)驗(yàn)考核”三個(gè)模塊。

“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”分為“理論基礎(chǔ)”，“電路板詳解”，“知識(shí)拓展”，點(diǎn)擊任意內(nèi)容，界面會(huì)相應(yīng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)資料界面供學(xué)生查閱。如圖6 所示。

“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”模塊展示了本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所提供的所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，左側(cè)可以實(shí)現(xiàn)不同功能頁(yè)面的跳轉(zhuǎn)，當(dāng)鼠標(biāo)放在小機(jī)器人身上時(shí)會(huì)有系統(tǒng)的操作提示。點(diǎn)擊電路板，整個(gè)電路板會(huì)立起來供學(xué)生近距離學(xué)習(xí)，滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可以方法縮小。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為若干個(gè)子實(shí)驗(yàn)、分別是DIY 裝機(jī)實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)組成原理相關(guān)的運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)等。點(diǎn)擊裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，根據(jù)提示完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。如圖7 所示。

結(jié)束裝機(jī)實(shí)驗(yàn)后，選擇運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)中的ADD 子實(shí)驗(yàn)，根據(jù)下方提示與電路板高亮部分結(jié)合右側(cè)知識(shí)點(diǎn)講解，學(xué)習(xí)電路運(yùn)作的原理。結(jié)束ADD 的學(xué)習(xí)，提供“重新實(shí)驗(yàn)”，“返回實(shí)驗(yàn)室”，“進(jìn)入測(cè)試”選項(xiàng)，供用戶根據(jù)自己需求進(jìn)行選擇。如圖8 所示。

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)全部完成后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)考核，本實(shí)驗(yàn)以單選題和選擇題的方式對(duì)學(xué)生形式考核，學(xué)生在選擇對(duì)應(yīng)答案后，會(huì)立刻得到系統(tǒng)評(píng)分，并給出習(xí)題分析。如圖9 所示。

5 總結(jié)

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他課程的先修課，也是硬件與軟件之前的橋梁?！队?jì)算機(jī)組成原理》的重要性毋庸置疑，但理論性也偏強(qiáng)，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)難以建立硬件描述語(yǔ)言與電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且大多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)課程少，實(shí)驗(yàn)局限性大，因此該課程成為廣大學(xué)生心目中的一大難點(diǎn)。在這樣的實(shí)際需求下，本團(tuán)隊(duì)突破了教學(xué)過程中硬件設(shè)施、成本、時(shí)間、等限制，利用虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合老師上課的知識(shí)點(diǎn)，開發(fā)了該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過模擬計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯運(yùn)算處理全過程，并展示其各種變化，增加學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)邏輯運(yùn)算的理解能力，提高學(xué)生興趣。