基于多線程的計算機硬件虛擬實驗室的設計與實現

顧秀軍

南京交通技師學院

基于多線程的計算機硬件虛擬實驗室的設計與實現

顧秀軍

南京交通技師學院

隨著社會經濟的不斷發展，科學技術水平的不斷提高，計算機已經成為了我們生產、生活和教育中不可缺少的一部分，隨著遠程教學和世界各個研究機構合作的不斷增加和多樣化，實驗時通過虛擬技術來完成已經是大勢所趨。本人在多線程的基礎上對計算機虛擬實驗的設計與實現進行了一些研究和探索。

多線程計算機硬件；虛擬實驗室；人機交互處理

1 前言

虛擬實驗室突破了時間和地點的限制，大大減輕了研究者的額外負擔，還可以減少元件和設備的損耗，讓使用者克服實際計算機操作中硬件不能滿足實驗的困難，所以一種計算機硬件虛擬實驗室的設計和實現有著十分重要的意義。所以長期以來我國科技研究人員始終致力于基于多線程的基選集硬件虛擬實驗的研究。

2 計算機硬件虛擬實驗的構成

要想實現計算機的多線程虛擬實驗室，需要的主要部件有以下幾個。編碼器、譯碼器、虛擬內存芯片數據庫，能夠生成數字信號的儀器，數字示波器等硬件構成。這一套系統是一個虛擬的平臺，其作用是組成一個虛擬電腦，把虛擬生成的電路芯片和CPU芯片整合在一起，按照具體的實驗內容，該系統是由四個模塊構成：（1）圖形化編碼模塊。其主要功能是把取樣檢測的數據進行圖形編碼處理，輸出顯示在虛擬顯示器上。（2）能夠檢測信號的模塊。該模塊的主要作用是對檢測點的生成信號進行取樣，并對取得的數據進行整理。（3）虛擬計算機仿真運行模塊。其主要組成部分有虛擬主板芯片集、CPU、內存、SCSI和IDE磁盤設備、端口以及顯示設備等，其主要仿真虛擬計算機在虛擬環境中運行。（4）輸出模塊。其功能是把圖形化的編碼信息輸出。

模塊與模塊之間存在著一定的聯系，虛擬電腦運轉時，檢測信號的模塊也同時在運轉，并將檢測到的信號編碼輸出。檢測信號的模塊、虛擬計算機仿真運行模塊、輸出模塊存在著串聯關系，即先進行信號檢測，將測到的信號進行編碼，然后將編好的碼輸出，這三個模塊是一環套一環，后續處理依賴于前面的數據。由于模塊之間存在搶占操作，數據之間還有相對應的處理順序，所以必須虛擬電腦進行運行、編碼、數據加測和輸出并行操作，如若不然就會對實驗環境的交互性產生很大的影響。所以解決虛擬實驗室虛擬環境的并行操作是一個關鍵問題。

3 多線程計算機硬件虛擬實驗室的系統組成

虛擬實驗室可以調度的最小單位是線程，任何程序都可以用多個線程來完成，多個線程可以共用一個地址空間，這種方式可以讓線程之間的聯系簡單高效。因此計算機操作系統可以利用線程時間片和優先級別在線程之間進行調度，就可以實現模塊并行工作。計算機硬件虛擬實驗室使用數據緩沖的方法來保證模塊數據的同步。虛擬是實驗室的各個模塊所占有的運行時間各有不同，所以為了讓數據在模塊之間同步，對數據就必須進行緩存，為此我們設計四個數據緩沖區存儲經模塊處理之后的數據。（1）圖形化編碼緩沖區。這個的作用是存儲經過檢測信號緩沖區圖形編碼后的數據。（2）信號檢測緩沖區。儲存監測點的取樣信號。（3）顯示緩沖區。用于存貯虛擬示波器輸出的數據。（4）時序緩沖區。用于存儲虛擬計算機運行時產生的時序信號。計算機虛擬實驗室的各個模塊互相作用，其對數據緩沖區進行共享但是又會搶占系統資源。為此我們就要設計一個線程作為輔助應用到每一個模塊上面，通過線程來對共享的數據進行協調，然后再通過設定的優先級別來讓線程并行運行。

4 計算機硬件虛擬實驗多線程調度實現的操作

計算機硬件虛擬實驗室內的線程輔助存儲數據要進行相應的分析和處理，線程的等待運行狀態和緩沖區的空滿狀態是緊密相連的。在取樣信號的緩沖區為空的時候，就應該激活信號檢測線程來為取樣信號緩沖區記錄數據，如果取樣信號緩沖區狀態為滿的時候，就應該激活圖形化編碼中的線程，將其中的數據進行整理和編碼處理。因此，為了各相對應的線程能夠在緩沖區轉換狀態的時候處于激活狀態，并對數據進行處理，計算機硬件虛擬實驗室采用“事件驅動”來實現線程狀態的轉換。按照設置緩沖區的不同，操作系統會設置相應的事件與之一一對應，觸發對應線程的事件有如下過程：（1）用戶對主線程進行指令操作的時候，如果時序緩沖區為空、則線程被激活，時序信號被傳到時序緩沖區，并使狀態變為滿。當信號被用戶輸出的時候，信號線程及檢測信號的線程就變為運行。（2）當時序緩沖區狀態為滿、取樣狀態為空，檢測信號的線程就被激活，緩沖區的信號就被傳輸到取樣等待區，傳過去之后，時序緩沖區變為空，取樣緩沖區變為滿。（3）取樣緩沖區為滿，圖形編碼的信號緩沖區為空時，同時現場可以運行，在這種狀態下就需要激活圖形編碼線程，將數據編碼后傳到圖形編碼區，這樣取樣緩沖區就為空，圖形編碼緩沖區的狀態為滿。主線程主要負責每個輔助線程并且對其優先級進行設置，一個線程如果用完了自己的時間配額時，如果沒有其他優先級線程，那么它將會重新獲得一個時間配額，繼續運行，一旦由現成搶占，它將會排在優先級的首位，在線程運行的過程中要對主線程進行實時監控，時刻掌握它的運行狀態，并將它的標志設置為“允許運行”。

圖1 多線程進程的模型

5 結束語

計算機虛擬實驗室內的模塊與數據之間的并行運行，使系統的數據交換和仿真性得到極大的提高，同時也提高了系統的運行效率，基于多線程的計算機硬件虛擬實驗室設計的實現，為計算機硬件實驗工作提供了高度的仿真和交互的實驗系統。

[1]夏明超,黃益莊,謝忻.THDS-100調度自動化系統中多線程技術的應用[J].清華大學學報(自然科學版),2001(3).

[2]盛羽,余進,陳松喬,王建新.基于CPU仿真器的匯編語言學習系統設計與實現[J].中南大學學報(自然科學版),2010(6).

[3]李紅梅,王堅,李巍,趙丹,劉壯.基于Spring+Hibernate的開發方法及實例[J].吉林大學學報(信息科學版),2008(6).

[4]趙曉平,張令彌,羅光坤.VC多線程編程在動態測試系統中的實現[A].第九屆全國振動理論及應用學術會議論文集[C].2007.

[5]程建鋼,韓錫斌,趙淑莉,陳剛,馬勃民,楊超.清華教育在線網絡教育支撐平臺的研究與設計[J].中國遠程教育,2002(5).

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.048