基于TEC-XP實驗平臺的仿真系統設計

遲宗正, 侯　剛, 賴曉晨, 任志磊, 李大奎, 惠　煌, 聶長龍

(1. 大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心, 遼寧 大連　116621；2. 清華大學 清華大學科教儀器廠, 北京　100084)

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基于TEC-XP實驗平臺的仿真系統設計

遲宗正1, 侯剛1, 賴曉晨1, 任志磊1, 李大奎1, 惠煌1, 聶長龍2

(1. 大連理工大學 軟件學院 實驗教學中心, 遼寧 大連116621；2. 清華大學 清華大學科教儀器廠, 北京100084)

通過分析計算機組成原理實驗實際教學過程中實驗設備不足,受課時、場地等因素制約多的問題,研發了基于TEC-XP指令級、微體系級仿真系統以及三大部件實驗的仿真軟件,并將該仿真軟件移植到智能手機平臺,更加方便學生隨時隨地做實驗預習和模擬演練。實踐結果證明,該仿真系統的應用實施,使學生不受設備、課時及場地等因素的制約,提高了學生預習效果,并在一定程度上降低了實驗設備損壞率。

計算機原理； 實驗箱； 仿真軟件； 智能移動終端； TEC-XP

計算機組成原理是大學生建立計算機整機系統概念和學習硬件的重要課程[1-2],該課程在硬件課程體系的核心作用體現在其前導課程是模擬電路與數字電路及其相關實驗,后續是體系結構、單片機編程、嵌入式系統結構、嵌入式操作系統及程序設計等課程[3-4]。清華大學王誠教授曾指出:計算機組成原理課程不能片面強調硬件,忽視軟件,因為硬件是軟件的基礎,軟件是硬件的目的所在。他組織研發的計算機組成原理實驗箱TEC-XP,其中很多部件實驗都是硬件實驗箱融合匯編語言來完成,體現了硬件和軟件的協作[5-6]。

基于TEC-XP實驗箱開發的數字仿真系統包括PC端指令級模擬系統、PC微體系級模擬系統、移動端指令級模擬系統和三大部件實驗(脫機運算器、中斷嵌套、I/O接口通信)的PC端仿真系統軟件。

1　TEC-XP實驗平臺

TEC-XP計算機組成原理與系統結構實驗系統(TEC-XP實驗箱)由清華大學科教儀器廠和清華大學計算機系聯合研制并通過了教育部的鑒定[7]。該實驗箱是在原TEC系列教學計算機系統的基礎上研發的新一代產品。TEC-XP除了一個用中小規模器件組成的CPU系統之外,還增加了用單片FPGA(xc2s200)門陣列器件實現的CPU系統,形成了具有雙CPU結構并共用總線等外圍電路的新型實驗系統。

該實驗系統重點用于計算機組成原理和計算機系統結構等課程的硬件實驗教學,還支持監控程序、匯編語言程序設計、BASIC高級語言程序設計等軟件方面的實驗教學。它的功能設計和實現技術,都充分滿足課程教學內容和實驗項目的高質量與高水平。實驗系統實物如圖1所示。

圖1　TEC-XP實物圖

TEC-XP實驗箱有兩個突出特點:一是硬、軟件的基本配置比較完整,能覆蓋相關課程主要教學內容,支持的實驗項目多且水平高,文字與圖紙資料比較齊全；二是既有用不同集成度的半導體分立元件實現的真實“硬件”計算機系統,同時也配備了現場可編程邏輯器件FPGA,增加了實驗箱的創新設計性實驗內容。

基于TEC-XP實驗平臺,重新梳理了大連理工大學軟件學院的硬件實驗教學體系,建設了以計算機組成原理實驗課程為核心的硬件教學體系,前承計算機基礎拆裝實驗、模擬電路與數字電路實驗,后啟單片機匯編實驗、嵌入式系統結構實驗、嵌入式操作系統實驗、嵌入式C/C++程序設計實驗、FPGA程序設計實驗。為了加強與各門課程的聯系,基于TEC-XP平臺重新設置實驗內容及其完成方式,并在大連理工大學軟件學院申請開設計算機系統設計提高型開放式實驗課程。此舉不但進一步提高了硬件實驗體系課程耦合度,也促進了學生能力的培養[5-7]。

2　仿真系統開發支撐教學一體化平臺建設

在全球各大高校推出的MOOCs教學模式中,虛擬仿真成為完成實驗實踐教學環節的唯一途徑。

大連理工大學軟件學院每屆學生約有720人,而實驗室只有一個,實驗設備只有70套,無法滿足所有學生隨時隨地使用實驗設備進行實驗的需求。

2014年和2015年本文第一作者連續兩年以第一負責人申請獲批大連理工大學校級教改項目,建設基于微信公眾平臺的一體化輔助教學平臺,其中包括計算機組成原理實驗微信公眾平臺的建設、仿真系統的設計研發和移動輔助教學系統三部分。微信公眾平臺給學生提供了視頻、課件等各種學習資源；仿真系統能夠解決實驗教學硬件資源不足的問題,滿足學生課下完成模擬實驗演練的需求；移動輔助教學系統又能在此基礎上完成預習、測驗、互動和考核。三部分組成了計算機組成原理實驗的一體化輔助教學平臺,而其中仿真系統的設計及其開發在整個一體化平臺實踐環節起重要支撐作用。

學生借助安裝在PC端和移動端的仿真軟件提前對實驗內容進行邏輯驗證,提高了預習效果及課堂實驗操作效率,并減少硬件損壞。

3　TEC-XP仿真系統研發

我們研發的基于TEC-XP的配套仿真軟件能夠完整地模擬實驗箱所有軟件功能,包括監控程序、監控命令和基本指令集,深入的開發還可以模擬實驗箱硬件和軟件協同的實驗功能。所研發的軟件和硬件的仿真系統主要分PC端指令級仿真系統、PC端微體系級仿真系統、移動端指令級仿真系統,以及脫機運算器、中斷嵌套、I/O接口通信3個部件實驗的仿真系統。

3.1PC端指令級仿真系統

仿真軟件是對實驗箱功能的仿真,能夠接收用戶匯編程序的輸入,通過對軟件的操作(包括單步執行、連續執行),在顯示區域顯示程序的執行結果。

PC端指令級仿真系統只是指令級的仿真,能夠模擬實驗箱所有的監控命令和匯編指令,但是對于學生來說無法感受真實實驗箱的立體感,也不能觀察到一些信號的輸入輸出。因此,設計并實現了基于TEC-XP的微體系級仿真系統,實時監控程序運行時信息(包括ROM,內存,運行結果,控制信號,寄存器和標志位等信息)。圖2所示匯編程序是簡單賦值輸出程序,程序首先加載監控程序文件和ROM文件,然后對程序進行交叉編譯,進而調試和執行。當然這只是一個簡單的例子,匯編程序可以根據用戶要實現的實驗內容而足夠復雜。

圖2　PC端微體系級仿真系統

3.2移動端指令級仿真系統

傳統教學方式缺乏對學生足夠的吸引力。隨著移動設備和技術的普及,不少大學生更愿意使用智能手機或Pad等手持設備學習[8-11]。

由于PC端的指令級仿真系統必須借助電腦才能使用,靈活性不夠,因此,提出將PC端指令級仿真系統移植到智能終端,使學生可以隨時、隨地進行預習和模擬實驗演練,而此過程只是借助大學生幾乎人人都有的、便攜的智能手機即可完成,十分方便,也更能激發起學生的興趣[12]。

移動端指令級仿真系統開機界面的右下角配有大連理工大學軟件學院計算機組成原理實驗課程的微信公眾平臺訂閱號,關注此微信公眾平臺可以獲取該實驗課程的所有課程資源,并可以與任課教師互動交流。移植到智能終端的指令級仿真系統共有5個模塊功能(如圖3(a)),功能優于PC端指令級仿真系統,其中模塊“命令行模式”即可完成PC端指令級仿真系統的所有功能；模塊“教程實例”中提供了5個編輯好的教程案例,可以直接復制文本模式的運行輸出結果,并能夠查看運行時所有寄存器信息(見圖3(b))；“系統說明”模塊可以查詢到指令級模式支持的所有指令及其功能介紹(見圖3(c))。

另外,移動端仿真系統軟件已經申請計算機軟件著作權,并交給清華大學科教儀器廠配套TEC系列產品進行推廣和無償共享使用。在移動智能設備發展迅速的時代,將教育資源與移動設備相結合,不但方便了學生自主進行實驗,也使實驗設備大大增值,為實驗教學設備的創新發展提供了思路。

圖3　移動端仿真系統界面圖

3.3部件實驗仿真系統

在TEC-XP實驗箱中,兩個CPU共享外設和總線等,其中部件實驗由Mach控制器控制完成,主要完成的實驗內容有:關于運算器工作原理的脫機運算器實驗、了解不同類型存儲器(RAM,ROM,EEProm)差別的存儲器擴展實驗、帶有嵌套和優先級的向量中斷實驗、以實驗箱為介質的雙PC I/O接口通信實驗。根據實際需求,設計和實現了脫機運算器、中斷嵌套和I/O通信3個部件實驗仿真系統。

3.3.1脫機運算器實驗仿真系統

脫機運算器實驗仿真系統如圖4所示,RESET和START模擬實驗箱的重置和鎖存功能(如圖1中的標注1和標注2),兩排1到12的數字,分別表示運算器控制信號(如圖1中標注4),ALU為運算器的輸出(如圖1的標注11),Data對應的是參與運算數據(如圖1中的標注5),R0到R15顯示出每一步運算過后寄存器的值。圖4完成的是0101和1010兩個數據輸入之后求和存入R0中。

圖4　脫機運算器實驗仿真系統

仿真的關鍵之處在于兩排各12個控制信號開關功能的實現,24個開關分成8組,每組不同的01序列表示不同的含義。I8-I6表示3 bit共8種組合,不同的組合表示運算結果的賦值情況；I5-I3(3 bit)表示8種不同的運算方式；I2-I0(3 bit)表示參與運算的不同數據源組合；SST(3 bit)決定是否根據運算結果更改標志位；SSH、SCI(3 bit)表示移位和進位情況；B PORT是仿真運算結果存放的寄存器編號；A PORT是源寄存器的編號。

3.3.2中斷嵌套實驗仿真系統

中斷實驗仿真系統是通過仿真3個區分中斷優先級的中斷源(如圖1中的標注6,從右向左3個終端按鈕優先級依次升高),借助指令級仿真系統實現的監控命令和匯編指令,在指定內存地址編寫主程序、中斷向量表和中斷服務子程序來觀察中斷的捕捉與嵌套執行。高優先級中斷服務子程序可以嵌套在低優先級中斷服務子程序,反之不行。中斷實驗整體的框架基本相同,通過編寫不同中斷源對應的不同復雜程度的服務子程序功能來鑒定實驗難度。

3.3.3I/O接口通信實驗仿真系統

I/O接口通信實驗仿真系統是模擬兩臺PC機通過TEC-XP實驗箱的兩個COM口相連,通過編程進行信息交互。仿真系統的兩個窗口分別模擬兩臺PC,窗口內可以使用監控命令和匯編指令進行編程。從一臺PC接收字符,并將字符顯示在另一臺PC上是最基本的通信實驗案例,目前已完成了猜數、字母大小寫轉換顯示等多種案例的設計與測試。

4　實踐效果評價

大連理工大學軟件學院基于TEC-XP實驗箱的計算機組成原理實驗課程有5個部件實驗和4個FPGA綜合設計性實驗,具體實驗仿真系統的開發進度如表1所示。

表1　仿真系統開發進度狀況

(1) 基于TEC-XP實驗箱的數字仿真系統開發以來,學生不再受硬件實驗設備條件的束縛,也不再受到課時的限制,特別是移動端仿真系統的開發,使學生隨時隨地可以設計并完成實驗內容。

(2) 學生借助仿真系統提前預習演練,能夠更加快速、準確地完成基礎實驗內容,并有足夠精力參加研究性實驗項目學習。數據統計,大連理工大學軟件學院2014—2015年度計算機組織與結構實驗共對13個班開設,其中3個班在教學中使用了基于TEC-XP實驗箱的數字仿真系統,結果有60%～80%的學生有時間和精力去嘗試選做實驗,而未關注平臺和使用仿真系統的其他10個班級,學生進入狀態慢,只有15%～25%的學生去嘗試選做實驗。

學生通過使用基于TEC-XP的仿真軟件,能夠解決人數與實驗設備不匹配的矛盾,并擺脫學時的限制,使學生能夠自主進行實驗模擬演練,提高了教學效果,也降低了實驗箱的損壞率。

References)

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Design of digital simulation system based on TEC-XP

Chi Zongzheng1, Hou Gang1, Lai Xiaochen1, Ren Zhilei1, Li Dakui1, Hui Huang1, Nie Changlong2

(1. School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116621, China; 2. Tsinghua University Science & Technology Experiment Factory, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

By analyzing the situation of the computer composition principle experiment,this article points out some disadvantages in experiments, such as restriction by class, facilities and other factors. So it proposes and designs instruction level, micro-system level simulation system and simulation software about components based on TEC-XP, and then transplants into mobile smart phone platform, that’s more convenient, students can do preview exercises by mobile simulation system anytime and anywhere. The practical results prove that the application of the simulation system can make the students get rid of the restriction of the equipment, the class and other factors, improve the students’ preview effect, and to some extent, reduce the damage rate of the experimental equipment.

principle of computer; experimental box; simulation software；intelligent mobile terminal; TEC-XP

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.036

2015-12-25修改日期：2016-01-15

國家自然科學青年基金項目(61403057)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(DUT15QY53)；遼寧省教改項目(UPRP20140893,UPRP20140851)；大連理工大學教改基金項目(ZX201521)

遲宗正(1984—),男,山東青島,在讀博士研究生,工程師,主要從事計算機組成原理實驗教學、實驗室管理和實驗設備研發

E-mail：czz.dut@163.com

任志磊(1984—),男,河北石家莊,博士,講師,研究方向為軟件工程和啟發式算法.

E-mail：ren@mail.dlut.edu.cn

G642

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1002-4956(2016)6-0140-05