曹宇軒 李 波 孔金祥 陳正陽 王星博

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)能力增強(qiáng)，有越來越多事物可以在計(jì)算機(jī)上操作實(shí)現(xiàn)，而許多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)器材損壞的速度都很快，學(xué)校進(jìn)行維護(hù)和更換的開銷都很巨大，所以文章就有了利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)器材的邏輯，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成自己學(xué)科所需的實(shí)驗(yàn)要求的構(gòu)想，該文章分為兩個(gè)模塊完成，即硬件模擬的實(shí)現(xiàn)和用戶操作界面。文章首先闡述了研究目的，再闡明了設(shè)計(jì)思路與模塊細(xì)節(jié)，還有國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

關(guān)鍵詞：模擬硬件;操作界面;硬件實(shí)驗(yàn);虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）01-0084-03

Abstract：With the enhancement of the ability of computer simulation reality，more and more things can be operated and realized on the computer，and the speed of experimental equipment damage in many disciplines is very fast，and the cost of school maintenance and replacement is huge，so we have the logic of using computer simulation experimental equipment，so that students can complete their own subjects in the virtual experimental platform concept of test requirements is divided into two modules，namely，the realization of hardware simulation and user interface. This paper first introduces the purpose of the research，then expounds the design ideas and module details，as well as the current situation and development trend of the research at home and abroad

Keywords：simulation hardware;operation interface;hardware experiment;virtual experiment platform

1? 研究目的

計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步促使著人才涌入這個(gè)行業(yè)，這也使得行業(yè)對從業(yè)者的素質(zhì)有著越來越高的要求，就目前市場而言，高端的軟件研發(fā)人員還是相當(dāng)匱乏，而許多傳統(tǒng)行業(yè)研發(fā)人員的處境卻越來越尷尬，因此快速提升學(xué)生編程能力、加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)底層原理的理解，成為不少學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)的訴求之一。學(xué)習(xí)編程需要了解底層語言的實(shí)現(xiàn)，只有在對計(jì)算機(jī)的組成原理有一個(gè)較為深刻的認(rèn)識(shí)之后，才能系統(tǒng)地對各種編程語言進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生的知識(shí)體系才能更加完善?！坝?jì)算機(jī)組成原理”這門課程是學(xué)習(xí)其他課程的前提和基礎(chǔ)，其本身具有承上啟下的作用，也是從事計(jì)算機(jī)行業(yè)開發(fā)、設(shè)計(jì)、維護(hù)的基礎(chǔ)。學(xué)生對這門課掌握得越好，在今后學(xué)習(xí)編程的道路中就能越輕松，處理相關(guān)編程難題時(shí)也就越得心應(yīng)手。同時(shí)這門課程還在硬件和軟件之間建立起一道橋梁，讓軟件通過接口的方式操作硬件，繼而產(chǎn)生了許多基于硬件操作的實(shí)驗(yàn)。而市面上與此有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備卻價(jià)值不菲，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備年久失修。本文致力于搭建一個(gè)虛擬的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，從而擺脫實(shí)驗(yàn)設(shè)備易損壞的現(xiàn)狀。

2? 設(shè)計(jì)思路

（1）學(xué)生用戶可以通過賬號(hào)和密碼登錄本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)會(huì)將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄保存在服務(wù)器中，從而使學(xué)生用戶更好地進(jìn)行“計(jì)算機(jī)組成原理”的虛擬實(shí)驗(yàn)，同樣也設(shè)計(jì)了教師用戶界面，從而使教師可以更方便地管理學(xué)生的成績。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，本平臺(tái)選擇Oracle數(shù)據(jù)庫完成以上功能，并使用JDBC與平臺(tái)相連。

（2）在學(xué)生電腦裝有瀏覽器且能聯(lián)網(wǎng)的情況下即可使用本軟件，所以本文使用JSP設(shè)計(jì)頁面還有電路的模擬，并在其中添加一些CSS3的樣式來使操作界面更加美觀，同時(shí)我們還將為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架設(shè)專門的服務(wù)器，并申請公網(wǎng)ip，學(xué)生可以通過菜單來獲取實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容以及提交完成的作業(yè)，還可以通過菜單來保存、刪除或新建實(shí)驗(yàn)，我們還考慮為學(xué)生錄制教學(xué)視頻，從而幫助學(xué)生更好地使用本平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）本?！坝?jì)算機(jī)組成原理”課程實(shí)驗(yàn)所需芯片有74LS181（運(yùn)算器）、74LS244（三態(tài)門）、RAM6116（靜態(tài)存儲(chǔ)器由2片6116組成）、74LS374（觸發(fā)器）、74LS245 （三態(tài)門）、EPROM2816（電可擦寫儲(chǔ)存器），所需基本元件有開關(guān)、燈、單脈沖控制器、連續(xù)脈沖器、以及與門、或門、非門、與非門、或非門、與或門和最基礎(chǔ)的線路模擬。為在虛擬平臺(tái)上模擬以上元器件，我們采用的基本思路是用CSS+HTML5頁面來模擬圖形化的操作界面，用JS腳本實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯判斷和是否與其他元器件相連，在學(xué)生完成連接并判斷達(dá)到運(yùn)行條件后，平臺(tái)將會(huì)根據(jù)學(xué)生的后續(xù)操作給出運(yùn)行結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

3? 芯片功能設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)半導(dǎo)體芯片都采自Intel設(shè)計(jì)，具體引腳功能及分布如下。

3.1? 運(yùn)算器設(shè)計(jì)

整個(gè)運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)暫存器和輸出用的三態(tài)門組成，算術(shù)邏輯單元由4片74LS181構(gòu)成，74LS181一共有48個(gè)引腳，其中14個(gè)必要輸入、25個(gè)地線、8個(gè)輸出、1個(gè)電源。而2個(gè)16位數(shù)據(jù)暫存器由4片74LS273構(gòu)成，74LS273一共有40個(gè)引腳，其中2個(gè)必要輸入、8個(gè)普通輸入、8個(gè)輸出、21個(gè)地線、1個(gè)電源線。輸出采用的是三態(tài)門74LS245，74LS245一共有40個(gè)引腳，其中9個(gè)必要輸入、9個(gè)輸出、20個(gè)地線、1個(gè)電源和1個(gè)其他類型的引腳。

3.2? 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器由2片RAM6116組成，RAM 6116一共有48個(gè)引腳，其中10個(gè)必要輸入、8個(gè)輸入/輸出、4個(gè)輸入、21個(gè)地線、1個(gè)電源、4個(gè)其他類型引腳。

3.3? 微程序控制器

微程序控制器由1片三態(tài)輸出觸發(fā)器74LS374、3片EEPROM2716c3、1片三態(tài)門74LS245組成，74LS374有40個(gè)引腳，其中10個(gè)必要輸入、8個(gè)輸出、21個(gè)地線、1個(gè)電源。EEPROM2716c3有80個(gè)引腳，其中8個(gè)必要輸入、5個(gè)輸入、24個(gè)輸出、36個(gè)地線、7個(gè)其他引腳。74LS245在上面已經(jīng)敘述過，不再贅述。

4? 各個(gè)模塊介紹

4.1? 識(shí)別各芯片及實(shí)驗(yàn)原件模擬

本平臺(tái)將每個(gè)元器件的陣腳設(shè)定為一個(gè)可連接的對象，再根據(jù)該元件類型判斷連接是否正確，如果正確即可連接，否則不可相連，再將所有創(chuàng)建的元器件通路判斷是否滿足運(yùn)行條件，如果滿足運(yùn)行條件，那么就更改元器件的圖片，例如使燈泡處于發(fā)亮狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)方法是首先創(chuàng)建一個(gè)隊(duì)列，從隊(duì)頭開始依次向下循環(huán)判斷實(shí)驗(yàn)元器件的連接情況，之后一直遍歷到隊(duì)尾，如果實(shí)驗(yàn)器件擺放錯(cuò)誤，那么將不會(huì)執(zhí)行內(nèi)部邏輯。

4.2? 用戶管理設(shè)計(jì)

采取Oracle數(shù)據(jù)庫來存放用戶信息，首先在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)用戶表和增刪改查等一系列存儲(chǔ)過程，再把這些存儲(chǔ)過程打包為程序包，最后將數(shù)據(jù)庫與前端所創(chuàng)建的登錄頁面相連接，從而實(shí)現(xiàn)用戶登錄、用戶注冊、進(jìn)行用戶名密碼修改等操作，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以方便教師區(qū)分每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成進(jìn)度。

4.3? 功能、操作界面

菜單的實(shí)現(xiàn)采用CSS和HTML5語言，其中使用HTML5構(gòu)造框架與其具體功能，CSS負(fù)責(zé)頁面美化并實(shí)現(xiàn)二級(jí)菜單功能。首先消除HTML標(biāo)簽?zāi)J(rèn)的內(nèi)外邊距，然后清除浮動(dòng)，去掉默認(rèn)a標(biāo)簽的下劃線，設(shè)置鼠標(biāo)滑過后的樣式，先使二級(jí)菜單的內(nèi)容隱藏，設(shè)定鼠標(biāo)滑過一級(jí)菜單后顯示的二級(jí)菜單，最后把樣式加入菜單，即可完成一個(gè)二級(jí)菜單的設(shè)計(jì)。

工具欄的實(shí)現(xiàn)使用HTML，jQuery和jQuery UI圖形庫，首先使用HTML來構(gòu)筑工具欄的外框，再使用jQuery UI庫自帶的圖形函數(shù)來完成工具欄滑動(dòng)的效果，之后使用SVG選擇所需要的元器件，將圖形拖拽出來，工具欄的每個(gè)標(biāo)簽背后都有一個(gè)JavaScript實(shí)現(xiàn)的JS腳本，所以每個(gè)元件都是現(xiàn)場繪制，內(nèi)部邏輯已經(jīng)在JS腳本里實(shí)現(xiàn)，就完成了工具欄的設(shè)計(jì)。

連接線是使用SVG來繪制的，只有鼠標(biāo)放在元器件引腳上方時(shí)才可繪制連接線。獲取兩點(diǎn)（鼠標(biāo)點(diǎn)擊元器件引腳的坐標(biāo)點(diǎn)與鼠標(biāo)松開時(shí)另一個(gè)元器件引腳的坐標(biāo)點(diǎn)）之后，根據(jù)特定的公式算出一些固定的折點(diǎn)，然后繪制。具體實(shí)現(xiàn)是將兩點(diǎn)坐標(biāo)分別設(shè)為（x1，y1），（x2，y2），隨之獲?。ǎ▁2-x1）/2，y1），（x2，（y2-y1）/2）這兩點(diǎn)，通過折線將兩個(gè)元器件最終連接到一起。

至此，功能操作界面基本實(shí)現(xiàn)完成。各個(gè)模板介紹也已完成。

5? 結(jié)? 論

本項(xiàng)目遵循方便、節(jié)約資源、可拓展性強(qiáng)的原則，為學(xué)校和學(xué)生搭建一個(gè)隨時(shí)隨地可用的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。和原先學(xué)校使用的笨重的、封裝的實(shí)驗(yàn)器材相比，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更加直觀，更易于學(xué)生對照課本學(xué)習(xí)，而部署虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的費(fèi)用也遠(yuǎn)低于原先購買器材的價(jià)格。和其他類似的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，本平臺(tái)更加美觀，兼容性更強(qiáng)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果能以更加清晰的方式呈現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。“計(jì)算機(jī)組成原理”這門課程的開展是為了使學(xué)生以宏觀的思維來對待組織繁雜的計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以學(xué)生如果在做實(shí)驗(yàn)的過程中能一目了然地看到一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的計(jì)算機(jī)內(nèi)部組成的示意圖，自然會(huì)極大地提高學(xué)習(xí)效率。未來會(huì)有越來越多的學(xué)?；蚪M織采用類似的虛擬平臺(tái)的方式對學(xué)員進(jìn)行培養(yǎng)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展而越發(fā)突顯。

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作者簡介：曹宇軒（2000.09-），男，漢族，吉林磐石人，本科在讀，研究方向：軟件工程。