《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》虛擬仿真教學(xué)實驗探索

謝志英　謝方方　楊素敏

摘要：《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》是我院直通車專業(yè)理論與實踐緊密結(jié)合的一門計算機基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)的實驗多為演示性、驗證性的實驗，使學(xué)員學(xué)習(xí)過程枯燥，缺少熱情，無法充分理解計算機內(nèi)部的工作原理。該文采用Protel和Emu8086軟件相結(jié)合實現(xiàn)微機系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件編程的二維實驗仿真，并且以Virtools仿真軟件為平臺實現(xiàn)了計算機內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的三維動態(tài)虛擬仿真。通過設(shè)計多種形式的虛擬仿真實驗，不僅彌補了硬件實驗箱老舊、更新不及時等弊端，而且提高了學(xué)員自主學(xué)習(xí)的積極性。

關(guān)鍵詞：計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)；仿真教學(xué)實驗；Proteus

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）14-0151-02

1 引言

《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程是直通車專業(yè)科學(xué)文化必修課，是我院信息化素質(zhì)培養(yǎng)課程體系核心課程之一。該課程主要講授計算機硬件的基本構(gòu)成、匯編語言程序設(shè)計及常用接口技術(shù)等內(nèi)容，對于提高學(xué)員的計算機硬件工程實踐能力具有重要作用。2013年重新修訂課程標(biāo)準(zhǔn)后，總學(xué)時數(shù)變?yōu)?0學(xué)時，其中實驗10學(xué)時。經(jīng)過2013年下半年一輪的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)該課程存在以下問題：

1） 課時減少，難以高效地實施理論和實踐教學(xué)。

本課程基礎(chǔ)知識多、技術(shù)細(xì)節(jié)繁瑣，在學(xué)時縮短20學(xué)時的情況下，理論內(nèi)容多，實驗課時少，且實驗教學(xué)一般以知識傳授為主，主要是對理論知識的驗證，通常采用教員講解示范的模式，教學(xué)方法、手段比較單一，教員在實驗過程中缺少對學(xué)員進行啟發(fā)、引導(dǎo)，不重視對學(xué)員進行探究學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2） 實驗手段落后，難以滿足學(xué)員能力培養(yǎng)的要求。

現(xiàn)有實驗都是在實驗箱上開展，實驗內(nèi)容和步驟都已設(shè)定好，教員對實驗內(nèi)容、實驗原理、實驗方法進行講解后，學(xué)員按照實驗講義上的步驟按部就班即可完成實驗內(nèi)容，無法充分發(fā)揮學(xué)員的自主學(xué)習(xí)的潛能，也難以擴展新的實驗項目。

3） 實驗考試方法落后，難以實施量化考核方法。

現(xiàn)有實驗箱的實驗多為驗證性實驗，這些實驗一般內(nèi)容簡單，實驗步驟固定，無法有效考評學(xué)員的實驗動手能力，而綜合性實驗工作量大，難度高，一般的學(xué)員難以在一定的時間內(nèi)完成，教員不容易準(zhǔn)確評定學(xué)員的實驗成績。因此，學(xué)員的實驗成績區(qū)分度小，考試分?jǐn)?shù)主要由理論考試成績確定。在這種情況下，學(xué)員往往重視理論學(xué)習(xí)和考試，輕視實驗環(huán)節(jié)，沒有真正激發(fā)出學(xué)員動手實踐的內(nèi)驅(qū)力。

4） 儀器設(shè)備陳舊，難以適應(yīng)新形勢下教學(xué)的需求。

目前計算機硬件實驗室的實驗箱老舊，實驗項目陳舊、實驗儀器嚴(yán)重破損，學(xué)員實驗用時長，故障率高，上機時間固定，導(dǎo)致學(xué)員上硬件實驗缺乏興趣。

上述幾個問題暴露出了計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗環(huán)節(jié)的弊端，即目前的實驗環(huán)境難以滿足教學(xué)的需要，迫切需要改變實驗環(huán)境。在現(xiàn)有實驗教學(xué)資源不足、設(shè)備更新緩慢的情況下，本文擬采用動態(tài)虛擬仿真技術(shù)和虛擬實驗教學(xué)相結(jié)合的方式解決上述問題。

2 二維仿真實驗研究

將仿真軟件引入到課程的教學(xué)過程當(dāng)中，通過計算機仿真來“真實”地展現(xiàn)理論知識，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

2.1 基于EMU8086仿真實驗

EMU8086是學(xué)習(xí)Intel 8086微型計算機的虛擬工具。它模擬真實微處理器的每一步驟，并顯示內(nèi)部寄存器、存儲器、堆棧、變量和標(biāo)志寄存器，而且其中任何一個值都可通過鼠標(biāo)雙擊來改變。同時它還可虛擬I/0接口，以及屏幕、電機、紅綠燈、LED等外部設(shè)備。EMU8086可以完成匯編語言實驗、接口實驗、硬件中斷實驗等，例如：以可編程的并行接口芯片8255A為例，利用虛擬外設(shè)——交通燈系統(tǒng)實現(xiàn)簡單的交通燈演示實驗，如下圖1所示。

但是，EMU8086內(nèi)部只自帶了幾個虛擬外設(shè)，包括液晶顯示器、交通燈系統(tǒng)、機器人、打印機、步進電機等外設(shè)，可以完成基本的I/0實驗，對于開關(guān)、按鍵等其他的虛擬外設(shè)可由任何語言，如JAVA， VB ， VC++， DELPHI， C#， .NET等來生成[1]，或由其他可訪問文件的語言來生成，這對于非計算機專業(yè)學(xué)員來說，超出了他們的知識范圍。

如果學(xué)員能夠通過已學(xué)習(xí)的電路課的知識，畫出滿足特定功能的電路圖，然后再將程序燒進去，這樣不但能將多門課程內(nèi)容有機的聯(lián)系起來，而且鍛煉了學(xué)員的動手能力，進一步提升了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 基于Proteus的仿真實驗

基于Proteus ISIS的仿真功能即能滿足上述需求。Proteue ISIS軟件由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)，是目前世界上唯一將電路仿真、PCB設(shè)計和虛擬模型仿真合而為一的設(shè)計與仿真平臺。學(xué)習(xí)者不必?fù)?dān)心操作或使用不當(dāng)引起器件、儀表的損壞，可以大膽實驗，充分體驗實驗的樂趣[2]。如關(guān)于8255并口的實驗，實現(xiàn)如下功能：8個按鍵中某個鍵按下后，數(shù)碼管顯示該鍵鍵值，并同時點亮相應(yīng)端口的指示燈，如圖2所示。

若用戶設(shè)計的原理圖比較復(fù)雜，涉及的元器件比較多，我們首先使用Protel軟件繪制電路板；其次利用Emu8086軟件完成程序的編寫；最后在Proteus軟件中完成硬件電路仿真調(diào)試。

通過這一系統(tǒng)的流程，給學(xué)員傳輸軟、硬件的基本思想和設(shè)計流程，實現(xiàn)了以知識傳授為主向能力培養(yǎng)為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)員學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 三維動態(tài)虛擬仿真實驗研究

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，二維虛擬實驗已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要，具有較高沉浸感和較強交互性的三維虛擬實驗已經(jīng)成為虛擬實驗發(fā)展的主要趨勢[3]。法國VIRTOOLS公司開發(fā)的Virtools以其交互功能強大、操作可視化、靈活易用等特點為虛擬實驗的開發(fā)提供了一個理想的平臺。課程組利用此平臺研發(fā)了硬件組裝實驗，如下圖3所示。

通過三維虛擬實驗，學(xué)員不受時空限制，能隨時隨地進入虛擬實驗系統(tǒng)，所取得的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果等價于甚至優(yōu)于在真實實驗環(huán)境中所取得的效果。

4 結(jié)論

通過將虛擬仿真實驗應(yīng)用到計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)實踐活動過程中，不僅成本低，而且使學(xué)員不受現(xiàn)有實驗條件的限制，既能夠進行自主實驗，又能體驗到對硬件器件操作的現(xiàn)實感受。使學(xué)員從理論和實踐上建立計算機系統(tǒng)整機概念，真正具備利用計算機技術(shù)進行軟硬件開發(fā)的能力。

參考文獻：

[1] 馮博琴.微機原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 成怡，宋麗梅，修春波.《微機原理及應(yīng)用》的仿真教字模式研究[J].科技信息，2013（4）：181-182.

[3] 曾令菊，顏亮.利用Virtools開發(fā)三維虛擬實驗研究[J].桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2013（2）：133-136.