郭曉紅

(太原理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，山西 太原 030024)

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將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)*

郭曉紅

(太原理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，山西 太原 030024)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于微機(jī)原理課程的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以使教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到極大的提高。本文主要描述了用軟件模擬仿真計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)裝置EL-JY-II實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法，探討在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展和普及的今天如何使計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，使我們培養(yǎng)的學(xué)生進(jìn)一步滿足社會的需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)；模擬仿真；建模；動畫制作

微機(jī)原理是當(dāng)前理工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課，該課程的教授目的是使學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)基本操作和高級語言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)的內(nèi)部工作原理，在今后的工作崗位上能夠更好地利用計(jì)算機(jī)這一高科技解決本專業(yè)的實(shí)際問題。微機(jī)原理課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)有計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，同學(xué)們通過硬件實(shí)驗(yàn)理解和掌握計(jì)算機(jī)的工作原理。本文探討將當(dāng)前計(jì)算機(jī)研究熱點(diǎn)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)，用創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的方案解決微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)課程所面臨的問題，給出創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究步驟、設(shè)計(jì)模型和開發(fā)方法。

1　計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)所面臨的挑戰(zhàn)

1.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

微機(jī)原理課程主要講解計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)體系和工作原理。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，了解和掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成、運(yùn)行機(jī)制和計(jì)算機(jī)指令的工作模式。 由于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和內(nèi)部工作過程的不可視性，計(jì)算機(jī)的硬件學(xué)習(xí)要輔以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，其中包括中央處理器CPU、內(nèi)存的基本組成和工作原理、常用輸入輸出接口組成和工作原理以及常用外部設(shè)備的工作原理[2]。為了使學(xué)生真正掌握計(jì)算機(jī)的這些組成部分，微機(jī)原理的實(shí)驗(yàn)課針對每一個(gè)工作單元設(shè)計(jì)了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且有專用的實(shí)驗(yàn)裝置。早期有DOS環(huán)境下北京工業(yè)大學(xué)的BH-86實(shí)驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)在廣泛使用的有EL-JY-II計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這些實(shí)驗(yàn)裝置能完成計(jì)算機(jī)硬件的基本部件實(shí)驗(yàn)和整機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，是目前較為理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，被很多院校選擇使用。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)

由于微機(jī)原理課程是面向全校學(xué)生開設(shè)的，需要的設(shè)備多，投入的資金量大，因此設(shè)備不容易到位是該課程所面臨的第一大難題。第二大困難是計(jì)算機(jī)任課教師嚴(yán)重不足。由于計(jì)算機(jī)的普及，在校生必修三個(gè)層次的計(jì)算機(jī)課程，學(xué)生多教師少的矛盾極為嚴(yán)重，硬件實(shí)驗(yàn)需要分組進(jìn)行，輔導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教師嚴(yán)重不足。另一個(gè)面臨的困難是計(jì)算機(jī)發(fā)展太快，硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新的快，淘汰的也快。由于以上三項(xiàng)主要困難，計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)驗(yàn)通常用匯編語言程序設(shè)計(jì)的軟件實(shí)驗(yàn)來取代， 其結(jié)果是同學(xué)們對計(jì)算機(jī)的CPU、存儲器、I/O接口、總線等硬件的概念仍然停留在書本上，達(dá)不到課程的基本要求。為此，提出了創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的解決方案。

2　創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的解決方案

2.1虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，它將實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)數(shù)字化和虛擬化。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)臺與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺類似，可供學(xué)生自己動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)案例，這一點(diǎn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室有別于一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件的重要特征。目前虛擬實(shí)驗(yàn)室在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)十分普及，已經(jīng)成為一種重要的教學(xué)資源，具有不受時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備制約，為用戶提供一個(gè)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為精確、方便、深入、開放的自主實(shí)驗(yàn)平臺。由于虛擬實(shí)驗(yàn)的這些優(yōu)點(diǎn)，使得虛擬實(shí)驗(yàn)及其相關(guān)的研究成為目前研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。 最早在1989年美國University of Virginia 的William Wulf教授就提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念。 Wulf形象地把虛擬實(shí)驗(yàn)室稱為“無墻的研究中心”。

2.2我國虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀分析

我國在虛擬實(shí)驗(yàn)室方面的研究進(jìn)展有清華大學(xué)的三維氣象系統(tǒng)、華中科技大學(xué)的現(xiàn)代工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室等，取得了可喜的成就。但虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域仍處于初級階段，還有更大的空間等待著開發(fā)和研究。對于理工科體系的一些課程，如物理、化學(xué)、電子電路和微機(jī)原理等，都是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)好這些課程是至關(guān)重要的。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的培訓(xùn)，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識，獲得基本的綜合應(yīng)用技能和實(shí)踐能力。缺少了實(shí)踐動手的機(jī)會，教學(xué)效果將大打折扣。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以降低設(shè)備成本和節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，并且能夠充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的作用，實(shí)現(xiàn)資源共享，避免儀器的重復(fù)添置和資金浪費(fèi)。

2.3創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的具體步驟

虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建分為實(shí)驗(yàn)分析、虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)規(guī)劃、軟件開發(fā)、安裝試運(yùn)行、修改完善、交付使用和日常維護(hù)等步驟。第一步：對現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方位分析是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本依據(jù)，所需完成的工作包括現(xiàn)行教學(xué)大綱的分析修訂、教材的分析和更新、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分析修訂，以確保將該課程設(shè)計(jì)為最佳的教學(xué)體系。第二步：虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)規(guī)劃。在這一階段要求根據(jù)該課程的硬件實(shí)驗(yàn)做出虛擬實(shí)驗(yàn)室的整體實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，包括預(yù)計(jì)完成的實(shí)驗(yàn)、每個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)方案、以及各實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)。第三步：軟件開發(fā)。這一步是創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室最耗時(shí)和費(fèi)力的階段，它要求在前一階段的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開發(fā)出切實(shí)可用的仿真軟件，這不僅需要有經(jīng)驗(yàn)、高素質(zhì)的軟件開發(fā)人員，還需要有一個(gè)軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)，只有滿足這些條件，虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建才能完成。第四步：試運(yùn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)初告成功后，先在小范圍試運(yùn)行，在試運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)不足，修改完善，使之功能不斷提高，最后成為符合設(shè)計(jì)要求、真正實(shí)用的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 最后將虛擬實(shí)驗(yàn)室交付使用，在使用過程中還需要認(rèn)真維護(hù)、不斷升級，直至被新的、更好的系統(tǒng)所取代。

3　創(chuàng)建微機(jī)原理虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法

在虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建中，設(shè)計(jì)一個(gè)高品質(zhì)的、切實(shí)可用的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境是研究開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，用軟件編制一個(gè)能夠取代硬件實(shí)驗(yàn)，并在現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)全過程的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境是該研究的難點(diǎn)。在此，我們對設(shè)計(jì)模型和開發(fā)方法進(jìn)行闡述。

3.1總體設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的大環(huán)境選擇為能容納60臺到240臺的計(jì)算機(jī)普通機(jī)房，機(jī)房的每臺計(jì)算機(jī)上安裝一套虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，這樣每一臺計(jì)算機(jī)就是一個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺主要有三個(gè)方面的功能：1) 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備EL-JY-II的整機(jī)虛擬仿真；2) 每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的模擬仿真再現(xiàn)；3) 實(shí)驗(yàn)說明和實(shí)驗(yàn)幫助引導(dǎo)功能的實(shí)現(xiàn)。

對于創(chuàng)建EL-JY-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬環(huán)境，需建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物圖、整體平面、立體圖、功能分布圖、局部功能圖；每一個(gè)圖都需給出各組成部分的名稱和功能介紹，并配有相對應(yīng)的操作說明和必要的動態(tài)演示；對于每個(gè)局部功能塊，具有放大功能，不僅能細(xì)致的描繪各局部功能塊的元件布局情況，還能夠演示和介紹每塊的功能。

EL-JY-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備可完成14個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目選擇了符合微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)要求的4個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，這四個(gè)實(shí)驗(yàn)分別是：1) CPU工作原理的實(shí)驗(yàn)；2) 半導(dǎo)體存儲器RAM實(shí)驗(yàn)；3) 8255并行I/O接口實(shí)驗(yàn)；4) 總線控制實(shí)驗(yàn)。

3.2開發(fā)方法

開發(fā)微機(jī)原理虛擬實(shí)驗(yàn)室按照軟件工程中提出的螺旋式開發(fā)模型[1]循序漸進(jìn)地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建。如圖1所示。

圖1　螺旋模型圖

按照螺旋模型的理論，在每一次螺旋周期的開發(fā)中，都給出該開發(fā)階段的目標(biāo)，選擇實(shí)施方案并評估，當(dāng)評估可行時(shí)才進(jìn)入具體的軟件開發(fā)，最后，給出該開發(fā)周期的總體評價(jià)，進(jìn)入下一階段的螺旋周期。 螺旋模型中，每一次循環(huán)都是上一個(gè)周期的迭代，每一個(gè)周期都有對應(yīng)的階段輸出結(jié)果。每迭代一次，螺旋線就前進(jìn)一次。在微機(jī)原理的螺旋模型式開發(fā)中，第一周期完成EL-JY-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備和預(yù)完成實(shí)驗(yàn)的需求分析和總體設(shè)計(jì)；第二個(gè)循環(huán)周期完成軟件的產(chǎn)品化局部設(shè)計(jì)并對每個(gè)局部的設(shè)計(jì)和各局部之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行合理性、正確性、準(zhǔn)確性驗(yàn)證。在最后一個(gè)螺旋周期中完成所做的設(shè)計(jì)。

在軟件開發(fā)階段選用的軟件開發(fā)工具包括以下幾種：1) 用Proteus仿真軟件[3]建立實(shí)驗(yàn)平臺。Proteus是目前可將電路仿真、印刷版電路設(shè)計(jì)仿真、虛擬模型仿真三和一的EDA工具軟件，采用該軟件可方便的模擬微機(jī)原理中的8086CPU實(shí)驗(yàn)、8255、8253等各I/O接口的實(shí)驗(yàn)等；2) 用二維動畫軟件Flash完成EL-JY-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備的外觀設(shè)計(jì)和各功能部件的操作和演示；3) 面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VB控制EL-JY-II實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各個(gè)開關(guān)、按鈕、指示燈等人機(jī)控制界面，將Flash動畫和Proteus仿真功能集成，再補(bǔ)充各實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)說明書和實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的全過程。

4　結(jié)束語

創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室可給微機(jī)原理的實(shí)驗(yàn)課帶來的優(yōu)越性主要有：1) 采用虛擬實(shí)驗(yàn)室可節(jié)省大量的設(shè)備投資。以EL-JY-II實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，該設(shè)備每套約1萬元(連同配套的計(jì)算

機(jī)在內(nèi))，如果裝備一個(gè)實(shí)驗(yàn)室需要60套，建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室就需要資金60萬元。 如果用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M完成，只在普通機(jī)房模擬實(shí)現(xiàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室可節(jié)省約60萬元；2) 可靈活選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。軟件模擬可組合同類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的眾家所長，根據(jù)自己的需要進(jìn)行仿真模擬，可設(shè)計(jì)一套最適合自己課程需要的模擬實(shí)驗(yàn)；3) 還可及時(shí)進(jìn)行更新?lián)Q代而無須購買新的實(shí)驗(yàn)裝置。當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)有了新的發(fā)展，硬件設(shè)備就要更新?lián)Q代，采用模擬仿真的方式就不需要更新硬設(shè)備，只要補(bǔ)充新的模擬內(nèi)容即可；4) 同樣還可以讓同學(xué)們在硬件實(shí)驗(yàn)前用虛擬機(jī)進(jìn)行預(yù)習(xí)，即：先模擬完成要做的實(shí)驗(yàn)，再在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，起到事半功倍的效果，防止由于操作不當(dāng)引起的設(shè)備損壞。

[1]李愛萍，崔東化，李東升，等.軟件工程[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2]郭曉紅，閆宏印.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[3]田社平，俞水峰，方向忠，等.Proteus在微機(jī)原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5)：70-72.

The Application of Virtual Reality Technology in Computer Laboratory Course

Guo Xiaohong

(CollegeofComputerScienceandSoftwareEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China)

When the virtual reality technology is applied to the computer laboratory teaching cycle, the learning effect and quality is greatly improved. In this paper, it describes the creation steps and methods of virtual laboratory using computing software to mimic and simulate the computer hardware experiment device of EL-JY-II system, and discuss how to make the computer hardware course following nowadays highly development and widely using of computer technology, so that our students can further meet the requirement of society.

virtual reality; analog simulation; modeling; animation building

2016-05-05

太原理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(8003-02040196)

郭曉紅(1958- )，女，山西運(yùn)城人，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)工作。

1674- 4578(2016)04- 0033- 02

TP 391.9

A