陳智勇 吳星星

摘 要：《計算機組成原理》課程理論性、實踐性強，學(xué)生很難在有限的課時中掌握。針對其實驗教學(xué)要求，作者結(jié)合TDN-CM+教學(xué)實驗系統(tǒng)，設(shè)計了一個簡單易用的虛擬實驗系統(tǒng)。使用Visual C++6.0軟件作為編程開發(fā)工具，運用圖形用戶界面，構(gòu)造了一個自主的實驗環(huán)境，并以存儲器虛擬實驗為例介紹了具體開發(fā)過程。通過對虛擬實驗系統(tǒng)的測試，采用全軟件形式模擬計算機硬件實驗系統(tǒng)，不僅能夠完成計算機組成原理實驗的要求，還提高了教師的工作效率，增強了學(xué)生的實踐能力，具有在實驗教學(xué)中進行推廣和應(yīng)用的價值。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理;虛擬實驗;Visual C++6.0;圖形用戶界面

中圖分類號：G434 ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2015）04-0080-03

一、 引言

《計算機組成原理》是計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，既具有很強的理論性，生澀難懂，又具有很強的實踐性，需要在搞好課堂教學(xué)的同時加強實驗教學(xué)。[1]《計算機組成原理》實驗一般分解為運算器、存儲器、微程序控制器等若干個實驗單元，在有限課時的教學(xué)進度下逐一安排教學(xué)。由于實驗設(shè)備電路復(fù)雜、排布線密度高、調(diào)試困難等眾多因素影響，學(xué)生很難在實驗室鞏固和掌握課堂內(nèi)容。[2]

為此，筆者在實驗教學(xué)過程中結(jié)合西安唐都公司開發(fā)的TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮腣isual C++6.0軟件，基于Microsoft Foundation Classes（MFC）類庫，分析、設(shè)計并實現(xiàn)了一個計算機組成原理虛擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡單、可靠，能夠移植到大多數(shù)Windows環(huán)境的PC機，學(xué)生能夠在課外自由安排實驗時間，完成對課堂和實驗室內(nèi)容的補充學(xué)習(xí)，進而改善教學(xué)效果。

二、 虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

1.TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)簡介

TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)采用部件單元式結(jié)構(gòu)，包括運算器、存儲器、控制器、總線、外圍接口及輸入輸出設(shè)備、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷取＞€路板上設(shè)置了大量的開關(guān)、指示燈、插線孔等，學(xué)生可根據(jù)自己設(shè)計的模型計算機結(jié)構(gòu)方案，運用排線連接方式或計算機電子自動邏輯設(shè)計方式來構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度的原理性計算機，并觀察系統(tǒng)運行過程中各種數(shù)據(jù)和控制信號狀態(tài)及其時空關(guān)系。系統(tǒng)微程序指令、控制器結(jié)構(gòu)及運算器結(jié)構(gòu)的格式及定義均可由學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)需要靈活改變或重新設(shè)計，避免了單純驗證性的實驗?zāi)Ｊ剑岣吡藢W(xué)生計算機系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。

2.計算機組成原理虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

計算機組成原理虛擬實驗系統(tǒng)是對TDN-CM+系統(tǒng)的仿真，設(shè)計中除了要保持用戶界面的一致性，還要方便用戶操作和確保實驗結(jié)果的高度準(zhǔn)確，即簡潔性和可靠性。計算機組成原理這門課程主要介紹各主要功能部件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。[3] [4] 因此，本系統(tǒng)在設(shè)計中利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法，對TDN-CM+系統(tǒng)的運算器、存儲器、微程序控制器和數(shù)據(jù)通路等功能部件進行仿真，并通過課程設(shè)計實現(xiàn)一個較完整的模型機，在實驗中了解、熟悉完整的單臺計算機基本組成原理。

為方便教學(xué)和師生交流，還需實現(xiàn)教學(xué)模塊。學(xué)生從實驗列表中選擇要進行的實驗項目。在做實驗之前，用戶可以查看實驗項目的實驗指導(dǎo)，了解實驗的原理、要求和注意事項，然后通過播放實驗項目教學(xué)演示錄像加深理解。每個實驗都準(zhǔn)備了一定數(shù)量的填空題和選擇題，學(xué)生在完成實驗后填寫好答案提交后，系統(tǒng)即可自動給出得分。

虛擬實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、 虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)

1.實驗操作界面的開發(fā)

為了保證虛擬實驗系統(tǒng)與TDN-CM+系統(tǒng)的一致性，讓用戶獲得良好的體驗，本虛擬實驗系統(tǒng)采用圖形用戶界面。系統(tǒng)界面采用數(shù)碼相機拍攝，截取出各個按鈕、元件、開關(guān)、LED燈、插頭等圖片，用Photoshop進行優(yōu)化，并對應(yīng)加載VC++的靜態(tài)控件和按鈕控件。

本系統(tǒng)由學(xué)生自主插線，線區(qū)位于主界面右側(cè)，線型分為二、四、六、八口線。點擊線區(qū)內(nèi)線型號標(biāo)識生成對應(yīng)型號的線，拖拽線頭移動到相應(yīng)接口，在控制信號的控制下產(chǎn)生流通數(shù)據(jù)。主界面的開關(guān)分為數(shù)據(jù)開關(guān)和控制開關(guān)，利用鼠標(biāo)左鍵點擊主界面上的模擬開關(guān)，即可產(chǎn)生數(shù)據(jù)或控制信息。為提高虛擬實驗教學(xué)效果，本系統(tǒng)對用戶的錯誤操作做出更正提示。例如，如果在電源打開狀態(tài)下進行插線，系統(tǒng)將會彈出“請先關(guān)閉電源”的對話框，其他漏連、連錯、反向等錯誤操作產(chǎn)生的效果類似。虛擬實驗界面和操作效果與真實系統(tǒng)保持完全一致，主界面如圖2所示。

2.存儲器虛擬實驗的具體實現(xiàn)

下面以存儲器虛擬實驗為例，說明本虛擬實驗系統(tǒng)的虛擬實現(xiàn)原理。存儲器是計算機進行各種信息存儲和交換的中心，存儲器的實驗操作包括寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。[5] 寫存儲器的操作步驟為數(shù)據(jù)開關(guān)輸入訪存地址，將地址存入地址寄存器;再從數(shù)據(jù)開關(guān)輸入數(shù)據(jù)，若ROM存儲器的片選信號和寫信號有效，將數(shù)據(jù)存入由地址寄存器給出的RAM響應(yīng)地址的存儲單元中。讀存儲器的操作步驟為數(shù)據(jù)開關(guān)輸入訪存地址，將地址存入地址寄存器;若RAM存儲器的片選信號和讀信號有效，從響應(yīng)地址中讀出存儲單元中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)讀取均需要操作相應(yīng)的控制信號來使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。程序流程圖如圖3所示。

線的產(chǎn)生與操作、信號的產(chǎn)生與傳遞的具體實現(xiàn)如下：

?（1）線的產(chǎn)生

線區(qū)共有八口線、六口線、四口線和二口線四種接線供選擇。通過矩形類CRect設(shè)置響應(yīng)產(chǎn)生新線的區(qū)域，點擊該區(qū)域，調(diào)用成員函數(shù)PtInRect（），如果生成新線變量preplug =FALSE，產(chǎn)生新線;如果線的類型變量linetype=2，產(chǎn)生二口線;如果preplug =TRUE，彈出對話框“當(dāng)前還有線未用”。

（2）線的操作

包括刪除、移動、旋轉(zhuǎn)以及與線柱的連接。通過矩形類CRect設(shè)置響應(yīng)刪除線的區(qū)域，只有線的兩端portA、portB皆處于刪除區(qū)才調(diào)用RemoveAt（）函數(shù)刪除。

移動接口變量movingport='A'表示移動的是A端，B端靜止。調(diào)用MoveTo（）和LineTo（）函數(shù)繪制線。

線柱分為橫向線柱和豎向線柱。按下鼠標(biāo)右鍵時調(diào)用函數(shù)OnRButtonDown（）實現(xiàn)接口的旋轉(zhuǎn)，鼠標(biāo)右擊一次，線順時針旋轉(zhuǎn)90度一次。旋轉(zhuǎn)接口變量direction等于2和4表示線橫向，等于1和3表示線豎向。

通過矩形類CRect對象設(shè)置響應(yīng)插線區(qū)域，如INPUT DEVICE區(qū)SW_B線柱，用CRect對象PutLine_SwitchSWB_click（）設(shè)置插線響應(yīng)區(qū)域，Removeline_SwitchSWB_click（）設(shè)置拔線響應(yīng)區(qū)域。調(diào)用OnLButtonUp（）函數(shù)和OnLButtonDown（）函數(shù)分別完成插線操作和拔線操作。

（3）信號的產(chǎn)生

信號根據(jù)其作用可分為數(shù)據(jù)信號和控制信號兩種。各按鍵的響應(yīng)函數(shù)具體實現(xiàn)如下：

①電源開關(guān)響應(yīng)函數(shù)：電源變量power = TRUE，電源打開，才會更新數(shù)據(jù)，包括各種數(shù)據(jù)的輸入與輸出，控制信號的傳遞等;power = FALSE，電源關(guān)閉，通過調(diào)用Clearmem（）函數(shù)清空存儲器，重置地址寄存器地址變量data=255。

②數(shù)據(jù)開關(guān)控制開關(guān)響應(yīng)函數(shù)：用字符型變量data代表線與線之間傳遞的信號。data值從高位到低位依次代表數(shù)據(jù)開關(guān)按鈕D7-D0的輸入值，對應(yīng)位為低電平則加載向上撥的電平開關(guān)。因為控制信號均由二口線傳遞，所以用data高二位表示電平的高低，data=0代表低電平，其他非零情況代表高電平。

③start鍵響應(yīng)函數(shù)：按下start鍵時調(diào)用OnLButtonDown（）函數(shù)，將控制信號賦給變量TS3。

（4）信號的傳遞

指針puton為指向插在線柱上的線，為NULL表示沒有插線。在插線狀態(tài)下，通過按鈕產(chǎn)生信號并傳遞，例如連接好INPUT DEVICE區(qū)和SWITCH UNIT區(qū)的SW_B線柱后，點擊SWITCH UNIT區(qū)SW_B按鈕，產(chǎn)生控制信號data，通過調(diào)用 Exportdata（）函數(shù)和Inportdata（）函數(shù)分別傳出和接收控制信號data，控制數(shù)據(jù)開關(guān)輸入的數(shù)據(jù)信號傳遞到數(shù)據(jù)總線，并通過總線LED燈顯示。存儲器實驗數(shù)據(jù)信號、控制信號流向如圖4。

四、 結(jié)束語

《計算機組成原理》實驗連線繁多，操作復(fù)雜，虛擬實驗系統(tǒng)可以幫助學(xué)生實驗前熟悉實驗操作，減少由于學(xué)生錯誤操作導(dǎo)致的芯片損耗、儀器破壞，有效降低維護成本。學(xué)生可以隨時隨地做實驗，不再受場地、課時的限制，有助于加深學(xué)生對實驗原理的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。通過對計算機組成原理虛擬實驗系統(tǒng)的測試，采用全軟件形式模擬計算機硬件實驗系統(tǒng)，具有方便快捷、高效、交互性強等優(yōu)勢，不僅能夠完成計算機組成原理實驗的要求，還提高了教師工作效率，增強了學(xué)生實踐能力，具有在實驗教學(xué)中推廣和應(yīng)用的價值。

參考文獻：

[1]王玉華，黃碩之.計算機組成原理課虛擬實驗方案[J].實驗技術(shù)與管理，2005（4）：73-75，80.

[2]郝尚富，張志強，孫佰利.計算機組成原理虛擬實驗環(huán)境的設(shè)計及實現(xiàn)[J].計算機仿真，2009（11）：320-323.

[3]陳智勇.計算機組成原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[4]白中英，戴志濤.計算機組成原理[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[5]王賢勇，王金亮，許艷麗.基于軟件仿真的存儲器實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2006（7）：803-805.

（編輯：魯利瑞）