元宇宙視域下基于VR技術(shù)的LoongArch指令演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張瑩瑕 孫 麗 賈照龍 徐昊

摘? 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，元宇宙的概念逐漸走入人們的視野，它以其卓越的身臨其境的交互體驗(yàn)打開了教育領(lǐng)域的另一扇大門，這在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)中也不例外。為了探索新型教學(xué)方式，對教育元宇宙的創(chuàng)新性改革方式進(jìn)行研究分析，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)，給出沉浸式國產(chǎn)獨(dú)立LoongArch指令演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，支持國產(chǎn)獨(dú)立自主指令集，對教育元宇宙在計(jì)算機(jī)教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；教育元宇宙；計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)；國產(chǎn)獨(dú)立自主；指令演示系統(tǒng)

中圖分類號：TP314；G434.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）17-0195-04

Design of a LoongArch Instruction Demonstration System Based on

VR Technology from the Perspective of the Metaverse

ZHANG Yingxia， SUN Li， JIA Zhaolong， XU Hao

（School of Electrical and Computer Engineering， Southeast University Cheng Xian College， Nanjing? 210088， China）

Abstract： With the continuous development of virtual reality technology， the concept of the metaverse has gradually entered people's vision. With its excellent immersive interactive experience， it has opened another door in the field of education， which is no exception in the teaching of computer science. In order to explore new teaching methods and conduct research and analysis on innovative reform methods of the educational metaverse， virtual reality technology is integrated into the teaching of computer composition principles. The design of an immersive domestic independent LoongArch instruction demonstration system is provided， supporting domestic independent instruction sets. The development of the educational metaverse in the field of computer teaching is prospected.

Keywords： virtual reality; educational metaverse; teaching of the principles of computer composition; domestic independence; instruction demonstration system

0? 引? 言

在信息空間不斷地升級過程中，基于5G、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等多種新興技術(shù)，一種新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)形態(tài)出現(xiàn)——元宇宙。2021年被稱為元宇宙元年。元宇宙將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，并提供了用拓展現(xiàn)實(shí)形成的沉浸式體驗(yàn)，受到各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注與入局，而元宇宙的構(gòu)建與發(fā)展離不開新一代智能信息技術(shù)的賦能，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其感知性、交互性成為支撐元宇宙的關(guān)鍵的技術(shù)之一，因此虛擬現(xiàn)實(shí)的普遍使用也被認(rèn)為是通往元宇宙的起點(diǎn)[1-3]。

指令執(zhí)行過程是計(jì)算機(jī)組成原理課程中的一個(gè)知識模塊，而計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課，課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、教學(xué)抽象，學(xué)生不易理解。本文基于計(jì)算機(jī)教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，以龍芯中科推出的LoongArch自主指令集為基礎(chǔ)，使用Unity3D開發(fā)平臺設(shè)計(jì)指令演示系統(tǒng)，輔助計(jì)算機(jī)教學(xué)的同時(shí)支持國產(chǎn)獨(dú)立自主CPU生態(tài)建設(shè)。

1? 元宇宙與教育的碰撞

1.1? 教育元宇宙的提出

隨著美國尼爾斯蒂芬森的科幻小說《雪崩》出版，元宇宙的概念被提出后，其熱度不斷上升，并席卷各個(gè)領(lǐng)域。不少教育工作者認(rèn)為元宇宙在教育領(lǐng)域有非常好的發(fā)展空間，教育是人類社會(huì)發(fā)展的相對滯后的一塊領(lǐng)域，技術(shù)賦能教育，是順應(yīng)社會(huì)向信息化轉(zhuǎn)變的必然趨勢?！霸钪?教育”的技術(shù)賦能的優(yōu)勢就是在學(xué)生和教師之間建設(shè)一個(gè)沉浸式的教學(xué)互動(dòng)[4]，教育的普遍模式一直都是單一而脫離實(shí)際的，創(chuàng)新性和提升學(xué)生積極性一向是教育模式改革的方向，而元宇宙在融合區(qū)塊鏈、人工智能、數(shù)字建模、VR/AR等之后所展現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)就是虛擬現(xiàn)實(shí)，即虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，沉浸式體驗(yàn)由此產(chǎn)生。通過沉浸式場景賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，改變以往枯燥的學(xué)習(xí)方式，“元宇宙+教育”的新型教育模式可以說是接下來教學(xué)改革的可持續(xù)聚焦點(diǎn)[5，6]。

1.2? 教育元宇宙的架構(gòu)

教育元宇宙可大致為六層底層支撐技術(shù)[7]，如表1所示。

2? LoongArch指令演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

LoongArch指令演示系統(tǒng)是基于VR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，主要開發(fā)流程及工具如圖1所示。采用3ds Max建模軟件，在收集完所有元件數(shù)據(jù)，對元件模型進(jìn)行設(shè)計(jì)定位之后，將元件模型3D效果呈現(xiàn)出來，再對元件模型貼圖渲染，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D。Unity3D在3D模型可視化、3D動(dòng)畫創(chuàng)作圖像等方面具有強(qiáng)大的功能特性[8]，是一個(gè)多平臺的綜合游戲開發(fā)平臺，可以輕松構(gòu)建出3D視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)3D動(dòng)畫等多種類型的互動(dòng)內(nèi)容。在Unity3D中根據(jù)指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)圖完成場景搭建，實(shí)現(xiàn)第一條指令演示的VR效果制作，同時(shí)使用C#9.0在Visual Studio 2019（VS 2019）進(jìn)行元件模型運(yùn)動(dòng)控制、硬件模型交互控制、視角切換控制、場景跳轉(zhuǎn)控制、文字注釋控制、圖形用戶界面控制、事件監(jiān)視觸發(fā)控制等操作。最后對系統(tǒng)進(jìn)行測試優(yōu)化，出現(xiàn)問題進(jìn)行迭代修改，直至系統(tǒng)完成，導(dǎo)出系統(tǒng)。

2.2? 理論基礎(chǔ)

2.2.1? 指令執(zhí)行過程

任國林所著的《計(jì)算機(jī)組成原理》[9]中講到，指令執(zhí)行過程有取指令、分析指令、執(zhí)行指令3個(gè)步驟，由于操作數(shù)可以放在寄存器、存儲(chǔ)器等部件中，可能支持多種尋址方式，因此，指令執(zhí)行過程可分為取指令、譯碼指令、取操作數(shù)、保存結(jié)果、計(jì)算指令地址等6個(gè)步驟，如圖2所示。

結(jié)合LoonArch自主指令集，本文歸納為取指令、譯碼指令、執(zhí)行指令3個(gè)步驟，以ADD.W（加法指令）為例，詳解如下：

1）取指階段：指令從指令計(jì)數(shù)器（PC）中開始執(zhí)行，PC將發(fā)送信號到指令存儲(chǔ)區(qū)取ADD.W指令同時(shí)PC自增，指令寄存器將ADD.W指令取出，通過數(shù)據(jù)通路送到指令譯碼器ID，至此，取指階段完成。

2）譯碼階段：指令譯碼器ID按照預(yù)約的指令格式，對取來的指令進(jìn)行拆分和解釋，識別出不一樣的指令類別和不同的操作數(shù)，以ADD.W指令為例，在譯碼階段生成了操作數(shù)和通用寄存器GR的3個(gè)對應(yīng)位置的編碼。

3）執(zhí)行階段：執(zhí)行階段對應(yīng)位置的編碼通過數(shù)據(jù)通路送往通用寄存器（GR），控制單元產(chǎn)生控制信號送往算數(shù)邏輯單元（ALU），ALU收到信號后執(zhí)行ADD.W操作，通用寄存器（GR）將對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)送往算數(shù)邏輯單元（ALU）進(jìn)行ADD.W運(yùn)算，最后ALU將得到的結(jié)果送往通用寄存器的對應(yīng)位置。執(zhí)行階段完成。

根據(jù)指令的步驟詳解設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路，以ADD.W（加法指令）為例，如圖3所示。

2.2.2? LoongArch指令集

在現(xiàn)有的指令集中，選取由龍芯中科2020年發(fā)布[8]的loongArch自主指令集。loongArch是一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的指令集，采用國產(chǎn)獨(dú)立自主架構(gòu)，具有完全自主、技術(shù)先進(jìn)、兼容生態(tài)3個(gè)方面的特點(diǎn)，它還可以同時(shí)兼容MIPS、ARM、x86等其他指令集，對MIPS指令的翻譯效率是100%，對ARM可以達(dá)到90%。

其實(shí)，自主指令集的研發(fā)在整個(gè)CPU的領(lǐng)域，是最底層的技術(shù)，后續(xù)生態(tài)建設(shè)的支持才是極為重要的，目前全球主流的信息化生態(tài)體系還是以美國為主導(dǎo)，包括Windows+Intel的“Wintel”生態(tài)體系和ARM+Android的“AA”生態(tài)體系。目前，自主的指令系統(tǒng)已經(jīng)完成，下一步就是盡快完成指令系統(tǒng)對對應(yīng)的生態(tài)建設(shè)，此時(shí)將loongArch引入計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)作為“指令系統(tǒng)”模塊知識的講解指令集，一方面教學(xué)知識得以傳播，另一方面在一定程度上支持了國產(chǎn)獨(dú)立自主，有利于加快人才培養(yǎng)。作為研究對象，該指令集有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）指長度固定且編碼格式規(guī)整。

2）絕大多數(shù)的指令只有兩個(gè)源操作數(shù)和一個(gè)目的操作數(shù)，采用LOAD/STORE架構(gòu)，也就是說只有LOAD/STORE訪問內(nèi)存指令才能訪問內(nèi)存。

3）其他指令的操作對象都是對核內(nèi)寄存器中的即時(shí)數(shù)字或指令代碼進(jìn)行處理的。

LoongArch指令演示系統(tǒng)以LoongArch指令集為基礎(chǔ)選取了幾條具有代表性的指令，如表2和表3，讓學(xué)生在了解指令運(yùn)行過程中也能體會(huì)到國產(chǎn)指令集設(shè)計(jì)的精妙。

2.3? Unity3D場景搭建

LoogArch指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部件包括指令計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器、指令譯碼器（ID）、通用寄存器（GR）、浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FR）、控制單元（CU）、狀態(tài)寄存器（PSW）、算數(shù)邏輯單元（ALU）、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算器（FLU）等。采用3ds Max建模制作每個(gè)組成部分，要求模型貼合實(shí)際方便讀者理解。根據(jù)數(shù)據(jù)通路搭建場景，以ADD.W（加法指令）為例，如圖4所示。

2.4? 系統(tǒng)功能模塊

2.4.1? 自動(dòng)演示

在主頁菜單選取想要學(xué)習(xí)的指令點(diǎn)擊進(jìn)入后，以ADD.W（加法指令）為例，會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的界面，進(jìn)入界面的同時(shí)，PC中的地址元件塊（此處為ADD.W的地址塊“1001”）開始向指令寄存器（ROM）運(yùn)動(dòng)，PC完成自增。按照系統(tǒng)一開始設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通路，自動(dòng)地依次地展現(xiàn)取值、譯碼和執(zhí)行指令的3個(gè)步驟，以各個(gè)元件塊之間有序的運(yùn)動(dòng)來演示指令執(zhí)行過程CPU內(nèi)部的情景，給學(xué)習(xí)者一個(gè)知識的動(dòng)態(tài)效果圖。

2.4.2? 視角切換

一般進(jìn)入系統(tǒng)的視角是如圖4所示的全局視角，學(xué)習(xí)者可以按V鍵切換到自主視角，通過W、S、A、D方向鍵和鼠標(biāo)控制視角，全方位觀看指令運(yùn)行過程，如圖5所示。全局視角可以縱覽整個(gè)指令運(yùn)行過程，讓難以理解的知識點(diǎn)以3D效果映射在學(xué)習(xí)者大腦中，使學(xué)習(xí)者對該部分知識有個(gè)整體的宏觀的概念。自主視角可以具體觀看一個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行過程，對于知識點(diǎn)的細(xì)化有著進(jìn)一步的幫助，使學(xué)習(xí)者深入理解指令運(yùn)行過程。

2.4.3? 同步解說

在進(jìn)入一個(gè)指令的演示過程時(shí)，右下角的文字框中會(huì)實(shí)時(shí)地解說指令的執(zhí)行狀態(tài)以及動(dòng)態(tài)演示的效果中元件塊具體是怎么運(yùn)動(dòng)的，如圖6。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢，右下方的文字解說是不會(huì)消失的，學(xué)習(xí)者可以拖動(dòng)右側(cè)的滾動(dòng)條查看完整的解說，如圖7所示。

3? 結(jié)? 論

本文闡述了計(jì)算機(jī)學(xué)科教育在VR技術(shù)賦能下的教學(xué)輔助系統(tǒng)實(shí)踐設(shè)計(jì)，同時(shí)宣傳龍芯中科的國產(chǎn)獨(dú)立自主指令集LoongArch。將VR技術(shù)引入計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)，技術(shù)賦能教育，展現(xiàn)出教育改革的全新可能，為教育的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的著陸點(diǎn)。積極探索教育元宇宙的模式應(yīng)用，抓住技術(shù)與教育碰撞的革新時(shí)機(jī)，不斷完善教育基建，抓緊人才培養(yǎng)。可以預(yù)見，教育元宇宙必將創(chuàng)設(shè)一個(gè)全新的教育模式。

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作者簡介：張瑩瑕（2001—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，本科在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；孫麗（1970—），女，漢族，江蘇南京人，教師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)；賈照龍（2000—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；徐昊（2002—），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，本科在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)。