計算機硬件虛擬實驗室的設計與探討

馮永健

（廣東石油化工學院 廣東 525000）

1 虛擬實驗室總體設計

1.1 系統架構

計算機硬件虛擬實驗室主要為學生提供學習的虛擬仿真環境。整個系統由設備庫、虛擬元器件庫、虛擬實驗平臺以及虛擬實驗室的管理與維護這三部分組成。由虛擬實驗平臺提供網絡訪問的服務器，在學生進行虛擬硬件實驗的過程中，可通過實驗平臺的功能來實現程序的設計、運行以及信號的檢測等，主要是以仿真的面包板為中心，并結合儀表、IC元器件庫、電路板制作工具等，來幫助學生實現數字電路的模擬、設計、除錯與調適等[2]。當學生進行計算機硬件實驗時，把所用的IC元件插到面包板內，再運用電線對IC元件進行聯接；完成電路設計后，接上電源、開關、時序脈沖、LED等，同時監測電路的運行；如果電路運行不恰當，可通過探測棒、示波器等幫助除錯。在虛擬實驗平臺上，面包板是實驗設計和運行的關鍵，在實驗設計時，其主要是用于聯接電線和IC元件，在硬件實驗運行過程中，主要發揮傳輸電平信號的作用。

1.2 實驗平臺設計

通過對整個計算機硬件虛擬實驗平臺進行詳細分析，并結合系統的特點，來設計整個系統。對于實驗平臺的設計，主要包括以下幾種：

（1）通用器件類：主要是用以封裝相對應的虛擬元器件，以便提供標準規范的器件尺寸與外觀形態，從而實現引腳信號擴散、器件移動以及其它功能。

屬性：chip As Object ’具體器件的指針，指向某個虛擬器件類的實例

方法：Paint （）’畫出器件的外觀

事件：ValueChange（）’當電平改變時，將信號數據擴散到與之相連的控件上

（2）虛擬器件類:可運用虛擬器件對IC元件的結構與功能進行模擬。

（3）虛擬儀表儀器類：主要是對微機實驗中常見的儀表儀器進行仿真模擬，為各種常見的儀表儀器定義一個類，而其實體對應于一個具體的儀表或儀器，例如開關、電源、LED、信號發生器、探測棒、示波器等[3]。

（4）虛擬電線類：可對微機實驗中的電線功能進行模擬，并可提供多種不同顏色的電線。

（5）虛擬面包板類：可對面包板功能進行模擬。運用虛擬插孔承接電線與IC元件的虛擬引腳，從而在面包板上實現器件的聯接、信號擴散等其他輔助功能。

1.3 系統功能

CHSVL系統為用戶提供了一個可以實現計算機硬件模擬實驗的仿真環境，可讓學習者在網絡環境下進入到虛擬實驗室，并按照實驗教學大綱中所規定的內容，進行微機實驗。該系統主要有以下幾方面的功能：

（1）可添加擴充設備與元器件。CHSVL系統提供了開發虛擬元器件的環境，使用者根據實際情況，自由選取虛擬元件庫中原有的模型，并通過改變其屬性、重新組合元件的方式，從而形成新的虛擬元件，方便使用者進行硬件實驗[5]。

（2）實現計算機硬件的仿真試驗。CHSVL系統有良好的人機接口，這一特點對于協助用戶完成硬件電路的設計有很大幫助。此外，還配備有單步執行方式、虛擬數字示波器、虛擬探測棒等來協助除錯工作，并將計算機硬件實驗的內容儲存成文件形式，以便用戶能夠進行連貫性實驗，或是作為以后參考的依據。

（3）信息共享功能。使用者可通過運用廣播形式或私有形式，和其他使用者進行數據共享和信息交流，可向其他用戶傳遞自己的設計思想或是微機實驗的結果數據，亦可在出現疑難問題無法解決時，和其他用戶討論解決方案[6]。

（4）實驗清除與復原的功能。CHSVL系統具有清除與復原的功能。清除指的是清除實驗設計工作區上的所有組件，而如果僅僅要單獨刪除某一組件，則應將鼠標移至該組件上，然后選擇菜單中的刪除操作；復原指的是在電路實驗出現錯誤的情況下，可將其返回到前一狀態，即消除當前錯誤。

（5）自動化電路偵錯功能。CHSVL系統具有自動偵查、檢測人為疏忽的功能。在實驗電路編輯結束后，合上電源開關進行仿真，此時該系統會檢測用戶設計的電路，以便發現是否存在人為的疏忽。

（6）顯示電路圖，方便用戶操作。學習者在進行電路編輯時，通常會使用IC手冊，以便隨時查閱自己所需要的IC資料。為了學習者使用上的方便，在CHSVL系統中添加了這項功能，并提供一些計算機硬件電路試驗的實例[7]。學習者只需把鼠標移至該IC處，右擊鼠標便可看到該IC的屬性數據以及相應的電路圖，并且其引腳圖形對應于IC芯片外觀圖形，只需根據界面上顯示的資料，便可直接進行配線作業。

（7）自動捕獲功能。在虛擬平臺上進行程序編輯時，在系統中設置鼠標捕獲功能，這給用戶在接線過程中提供了很大的方便。例如在選擇某一連線或某一IC芯片時，只需把鼠標移動至所需位置，在系統的自動化操作下，把IC芯片或連線調至背景網絡里，在對準位置后，便可取得準確的地址。

2 虛擬計算機硬件環境的實現

2.1 元器件的聯接

在虛擬實驗室中，主要是通過運用引腳來實現不同元器件的聯接。在計算機硬件虛擬實驗過程中，連線是信號傳輸的介質，其以Avtive控件的形式存在，是一個獨立的整體，在外觀上，通過連線的線和點控制，從而實現連線工作正常運行。在Sender函數作用下，針對一對一的連接模式，可實現對信號接收與信號發送的控制，在此過程中不會出現信號的沖突。然而在多種不同的對接連線中，存在大量信號的同時接收或發送，在系統抗干擾能力較弱的情況下，往往會出現一定的沖突。虛擬實驗有其自身的特點，針對同一時間不同信號的接收與發送，可通過進行適當的邏輯處理，在信號源分析它們存在的不同關系，然后在進行邏輯處理時，將多種對接連線轉變成一對一對接的連線類型。具體的實施方法是：首先分析各個信號端的關系，同時確定出其屬于何種連線類型，若為只發送一個信號，而有不同點的接收，則屬于一對多的連線類型；如果是多信號發送、多不同接收點，則可判斷為多對多的對接連線類型。通過進行詳細分析后在電路中設置邏輯門電路，在其作用下，能夠很好地實現一對一的連線工作。

2.2 實驗過程中對信號的控制

在用戶進行計算機硬件虛擬實驗時，通常將數字信號當作數據處理的對象，對電路和虛擬元器件的關系進行分析。在虛擬實驗平臺中，虛擬連線是重要的信號介質，這主要體現在：若虛擬元件里的關系出現變化后，引腳值也出現相應變化，會造成信號連線的連線值隨之發生改變，這種情況被稱為電路觸發，主要是通過Sender方式來實現的。

3 并行處理技術

3.1 仿真運行模塊

CHSVL系統是虛擬機的實驗平臺，其主要由以下四個模塊構成：編譯模塊、引腳模塊、信號輸出模塊及虛擬機仿真運行模塊。在系統的運行過程中，必須保證能夠實現編譯、數據檢測與數據輸出的操作，只有這樣，才能確保計算機硬件虛擬實驗環境不受影響。

3.2 多線程、多緩沖區技術

在虛擬機實驗中，主要是通過運用多線程來實現多種不同系統操作，從而提高各種線程之間的通信效率，使系統操作更加快捷、方便。通過數據緩沖方式，虛擬機可實現不同模塊的同時間運行。由于虛擬及仿真運行模塊占用系統時間較長，為了實現同步運行要求，實驗系統通常采取的是緩存機制，在引腳?？臁⒕幾g模塊、仿真運行模塊以及信號輸出模塊設立對應的緩沖區，從而實現多模塊同步運行和多線程的同步控制[8]。

4 結束語

總之，計算機硬件虛擬實驗平臺能夠充分實現硬件電路的仿真連接設計，為計算機專業的學習者提供了更好的學習環境。但是在設計與應用過程中依然存在一些不足，例如在使用虛擬機時，往往出現連貫性不強、互動性差等缺點，并且在使用軟件過程中，功能不容易操作，操作步驟復雜等[9]。因此在實際工作中，要不斷探索創新，完善對虛擬實驗室的開發與設計，只有這樣，才能為大型虛擬實驗室提供良好條件。

[1]黃家瑜,李云.計算機硬件實驗教學改革的探討[J].福建師范大學學報(自然科學版).2011,6(02):59-60.

[2]蔡妙嫻,楊路明.計算機硬件虛擬實驗平臺的設計及實現[J].計算機與數字工程.2012,9(01):59.

[3]王旭華.探究虛擬機技術與計算機網絡實驗[J].電腦知識與技術.2012,4(11):47