組成原理虛擬實驗系統的設計

李錦青

(長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022)

作為計算機專業的一門主干基礎課，計算機組成原理成為計算機及其相關專業中的一門專業必修課，一直以來被許多高等院校和科研院所列為考研課程。該課程著重介紹了計算機的內部工作原理，幫助學生深入理解計算機的工作流程，對于學生掌握整個本科階段所有專業課程以及課程之間的有機聯系、建立完整的計算機學科知識體系起著重要作用［1］。

對于這類“原理”性課程，實驗實踐環節是學生能否真正理解課程內容、掌握知識內核的必要步驟。有效的實驗操作能使學生擺脫枯燥的理論學習，將抽象的理論學習與現實世界相結合，使學生從微觀到宏觀全方位掌握學習內容，快速融會貫通，從而提高學生的理論應用能力［2］。傳統的實驗實踐環節受制于時間空間的限制，而近年來新興的虛擬實驗室卻可以不受時空的限制，用戶能夠隨時隨地進行實驗［3］。

虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬現實技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化，是對傳統實驗室教學的有力補充。作為虛擬實驗有別于傳統實驗方法的重要特征，虛擬實驗中不存在著元件損耗、器械磨損等情況，還能資源共享。對于存在一定危險性，或者損耗過大的實驗內容，虛擬實驗給學生提供了更多獨立自主操作、實踐動手的機會［4］。國內外對虛擬實驗室進行的研究也表明，它有著十分光明的應用前景［5］。

本文提出了一種基于虛擬實驗室，對傳統實驗方法進行合理補充的實驗系統。該虛擬實驗系統細化了實驗過程，將計算機內部工作過程全方位呈現給學生，將微觀過程實物化。將計算機內部的運算器、控制器、存儲器，以及輸入輸出系統的工作形式、控制細節、數據流向形象細膩地展示在實驗操作者面前。同時該系統提供了自主設計的操作平臺，為設計型、綜合型、創新型實驗提供了開發空間和實踐手段。它為教師提供了豐富多彩的教學手段;為學生提供了更多實際動手的機會，極大地提高了學生分析能力，解決問題的能力。

一、計算機組成原理虛擬實驗方案

(一)組成原理虛擬實驗系統總體設計

本系統構建在校園網的基礎上，該虛擬實驗系統主要任務是完成計算機組成原理課程的相關實驗任務。基于B/S模式，學生可在瀏覽器端登錄實驗系統，通過用戶名(通常可采用學生學號)和密碼進行驗證。登入系統之后，可在客戶端進行相關實驗操作。用戶可進行實驗選擇，系統中初始設定包含組成原理課程中所必修的相關實驗任務:寄存器實驗，運算器實驗，存儲器實驗，輸入輸出系統實驗，中斷實驗，指令流水實驗，組合邏輯控制器實驗，微程序控制器實驗。除此之外，還可以根據教學需要進行實驗擴展，組合為更多的綜合型、創新型實驗題目，以此不斷提高學生對課程內容的理解。由淺入深，深入淺出，使學生在動手的過程中理解枯燥的理論知識，在理論的基礎上強化實際操作的可行性。同時，系統可以同步記錄實驗數據，在線生成電子實驗報告，并將實驗報告上傳到服務器端。該系統功能結構見圖1，具有界面友好、高度仿真、資源共享、安全可靠等特點。可以節約學生的學習時間，使學生將有限的時間應用在有效的學習中去，在一定程度上避免了無意義的謄抄。

圖1 系統功能結構

(二)系統工作流程設計

用戶可使用瀏覽器登錄，進入實驗系統后，從實驗列表中選擇實驗題目。系統顯示所選實驗要求、實驗目的。選擇進入實驗項目之后，系統根據實驗性質分類(如:驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗、創新型實驗)給出實驗要求、不同程度的實驗說明、所需器件、電路連線圖。學生用戶根據不同的實驗要求，進行實驗元件的選擇，連接實驗電路，然后運行實驗，輸入實驗數據。在確認實驗的正確性之后，可獲取實驗數據，上傳數據至服務器，記錄數據并撰寫實驗報告，完成實驗內容(圖2)。

圖2 系統工作流程

(三)系統實現

本系統實現了學生選擇計算機組成原理實驗并模擬進行實驗的功能。

在設計思想上，系統采用B/S的開發模式，學生打開網頁就可以選擇實驗，數據存儲在服務器端，減輕了電腦的承載負荷，保證了數據的安全性;應用MVC分層開發思想，達到高內聚、低耦合的開發結構，提高了系統的健壯性和可維護性。

在技術上，采用了JSP、struts2和Ajax，完成動態的頁面顯示和業務流程控制和管理，同時應用異步交互，提高了系統的響應速度和準確性。

在功能上，學生在選擇實驗的同時，可以查閱實驗手冊和對應教材，也可以下載實驗報告等相關文檔，為學生選擇實驗搭建了良好的平臺。

綜上所述，本課題實現的計算機組成原理模擬實驗系統，是基于網絡化的綜合系統，學生可以隨時隨地方便的查詢相應的信息，讓系統的相關功能規范、合理、高效，體現人性化的需求。

系統登錄界面見圖3。

實驗選擇界面見圖4。

實驗運行界面見圖5。

圖3 系統登錄界面

圖4 系統實驗選擇界面

圖5 系統實驗運行過程界面

二、結束語

本文結合計算機組成原理實驗課程，對虛擬實驗系統建模和仿真方法進行了分析研究，提出了虛擬組成原理實驗系統的設計思想和實現方案。系統采用B/S的開發模式，學生打開網頁就可以選擇實驗，數據存儲在服務器端，減輕了電腦的承載負荷，保證了數據的安全性;應用MVC分層開發思想，達到高內聚、低耦合的開發結構，提高了系統的健壯性和可維護性。在技術上，采用了JSP、Struts2和Ajax，完成動態的頁面顯示和業務流程控制和管理，同時應用異步交互，提高了系統的響應速度和準確性。極大地提高學生的實際動手能力及分析和解決問題的能力，為組成原理課程構建了一種全新的實驗教學模式，更大程度上滿足了師生的教學需求。本課題實現的計算機組成原理模擬實驗系統，是基于網絡化的綜合系統，學生可以隨時隨地方便的查詢相應的信息，讓系統的相關功能規范、合理、高效，體現人性化的需求。

［1］周寧寧，程春玲.基于FPGA技術的計算機組成原理實驗系統［J］.現代電子技術，2005(1):22－25.

［2］畢琳.《計算機組成原理》課程教學改革探索［J］.重慶與世界:學術版，2013(8).

［3］刁宏志，于鳴.基于虛擬儀器的計算機組成原理實驗儀的仿真實現［J］.東北林業大學學報，2005(2):98－99.

［4］鄭耿忠.計算機組成原理虛擬實驗室的研究及實現［J］.計算機系統應用，2008(2):62－65.

［5］朱思峰，李慧敏.計算機組成原理虛擬實驗室系統的設計及實現［J］.科學技術與工程，2006(17):2685－2687.