虛擬仿真實驗在《計算機組成原理與匯編語言》課程中的應(yīng)用

劉躍華 梁英 何靜

摘要：新工科背景下對信息技術(shù)類課程的教學(xué)提出了新的要求，虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)的引入將推動了課程教學(xué)方法的改革。本文架構(gòu)了集成化的匯編語言編譯環(huán)境，采用第三方軟件與自主開發(fā)相結(jié)合的方式來組建計算機組成原理的實驗平臺，教學(xué)實踐表明，與傳統(tǒng)的實驗手段相比，虛擬仿真實驗在教學(xué)中時效性、受益面等方面具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;仿真實驗;計算機組成原理;匯編語言

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

為培養(yǎng)和造就一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才，2017年教育部提出“新工科理念”，圍繞新工科專業(yè)建設(shè)，教育部批準(zhǔn)設(shè)置了人工智能、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全等新工科專業(yè)以促進了傳統(tǒng)工科專業(yè)向新工科專業(yè)轉(zhuǎn)化?！队嬎銠C組成原理與匯編語言》作為新工科背景下的一門重要的專業(yè)課程，在教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段等方面必須進行改革以適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)要求。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為21世紀(jì)發(fā)展最為迅速、對人們的工作生活有著重要影響的信息技術(shù)之一，勢必會在高校的教學(xué)領(lǐng)域中扮演重要的角色。

1《計算機組成原理與匯編語言》課程的特點與存在的問題

本課程實質(zhì)上是由《計算機組成原理》和《匯編語言程序設(shè)計》兩門課程的內(nèi)容綜合起來的，計算機組成原理是一門理論性和實踐性都很強的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計算機學(xué)科的系列課程中處于承上啟下的作用，課程學(xué)習(xí)為后續(xù)課程f如計算機體系結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)、微機原理與接口技術(shù)）的學(xué)習(xí)、研究生升學(xué)考試、就業(yè)應(yīng)聘等環(huán)節(jié)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，具體的教學(xué)目標(biāo)有：

1）掌握定點數(shù)和浮點數(shù)的表示方法，理解數(shù)據(jù)表示對軟/硬件系統(tǒng)設(shè)計的影響;

2）掌握基本算術(shù)、邏輯運算部件的工作原理及設(shè)計方法;

3）掌握存儲器層次結(jié)構(gòu)工作原理，理解存儲器層次結(jié)構(gòu)對程序執(zhí)行性能的影響;

4）了解指令設(shè)計的基本原理，掌握指令尋址方式的特點及其對指令執(zhí)行性能的影響;

5）掌握單周期數(shù)據(jù)通路、多周期數(shù)據(jù)通路和流水線數(shù)據(jù)通路及其控制部件的工作原理和設(shè)計方法;

6）掌握組合邏輯控制器和微程序控制器的實現(xiàn)方法。

匯編語言是計算機編程的低級語言，與CPU的指令系統(tǒng)密切相關(guān)，常與計算機底層的硬件打交道。目前的指令系統(tǒng)有以MIPS為代表的精簡指令系統(tǒng)（RISC）和以Intel x86為代表的復(fù)雜系統(tǒng)系統(tǒng)（CISC），我校開設(shè)的課程以x86指令系統(tǒng)作為匯編語言教學(xué)內(nèi)容，具體的教學(xué)目標(biāo)有：

1）理解微型計算機的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部運行過程;2）掌握Intelx86的指令系統(tǒng);3）掌握MASM指令和偽指令的功能和要求、匯編語言程序控制方法和宏匯編程序的開發(fā)過程;4）理解DOS和BIOS的系統(tǒng)功能，能使用其中的主要的功能調(diào)用來編寫程序;5）理解微型計算機輸入/輸出控制的主要方式，掌握中斷例程的編寫。

本校的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和智慧管理等專業(yè)和班級都開設(shè)了這門課程，以前的實驗教學(xué)環(huán)境采用“愛迪克計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)（實驗箱）”，雖然在該實驗箱上可以完成大部分實驗，但存在如下問題：一是實驗箱中的實驗內(nèi)容不能升級換代;二是不能在課堂教學(xué)上使用以實現(xiàn)互動教學(xué);三是不能實現(xiàn)線上教學(xué)（如MOOC教學(xué)）等。因此，以虛擬仿真的實驗來代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗手段是一種合理的選擇。

2虛擬現(xiàn)實在課程建設(shè)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）技術(shù)是20世紀(jì)末逐漸興起的一門綜合性技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個領(lǐng)域，是仿真技術(shù)的一個重要方向。由于VR改變了傳統(tǒng)的人與計算機之間被動、單一的交互模式，用戶和系統(tǒng)的交互變得主動化、多樣性、自然化，因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育、醫(yī)療、娛樂等眾多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。圖1是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)，大體上是由軟件和硬件兩大部分組成。

虛擬現(xiàn)實設(shè)備包括頭盔、數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、氣味發(fā)生器、味覺發(fā)生器等?！邦^盔”則由顯示器、光學(xué)系統(tǒng)、立體聲音箱和運動跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成。目前，沉浸式虛擬現(xiàn)實具有一定的優(yōu)勢，它可以對現(xiàn)實生活中存在一定局限性的情境和對象進行實驗，參與者戴著頭盔（HDM）和一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環(huán)境的立體視圖。高昂的價格一直是HMD在教育環(huán)境中使用的最大障礙之一，且大多數(shù)學(xué)校的計算機的配置不滿足的要求，鑒此，我們在構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實的計算機組成原理實驗教學(xué)系統(tǒng)時，采用虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）與建模工具（如Unity、Vizard）相結(jié)合的方式來實現(xiàn)。VRML是一種虛擬現(xiàn)實建模的標(biāo)準(zhǔn)，運用VRML制作教學(xué)課件時可以將文本、多維動畫、小視頻等多種媒體信息整合起來以再造真實場景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。通過對實驗對象進行建模、數(shù)據(jù)采集和場景渲染等環(huán)節(jié)的處理，利用虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具可以構(gòu)建圖2所示的課程實驗環(huán)境。

3虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用

3.1匯編語言實驗教學(xué)平臺

在DOS環(huán)境下，匯編語言程序的開發(fā)要經(jīng)過編輯、編譯、連接和調(diào)試等彼此分離的步驟（如圖3所示），這樣的過程費時費力，學(xué)生對DOS的使用相對陌生，盡管Windows保留了DOS的工作方式，但是實驗過程中在WINDOWS與DOS之間來回切換會影響上機的效率，也不利于保護模式下的編程教學(xué)，我們根據(jù)匯編語言實驗教學(xué)的特點，利用Java語言設(shè)計出了一款使用便利、可移植強的匯編語言集成編譯系統(tǒng)（如圖4所示）。該系統(tǒng)集編譯、連接、執(zhí)行等功能于一體，并提供關(guān)鍵詞高亮顯示、錯誤代碼導(dǎo)航、代碼即時輔助提示、幫助資料以及實驗報告生成等功能。該系統(tǒng)不僅可以在實驗室作為匯編語言的上機環(huán)境，也充當(dāng)課堂教學(xué)和線上教學(xué)的實驗教學(xué)手段。

3.2計算機組成原理課程的仿真實驗環(huán)境

1）LOCISIM軟件的應(yīng)用

Logisim軟件是一款圖形化的用于設(shè)計和模擬數(shù)字邏輯電路的工具（見圖5），其簡捷的工具欄界面和構(gòu)建它們時的電路仿真，有助于學(xué)習(xí)與邏輯電路相關(guān)的基本概念，能夠從較小的子電路構(gòu)建更大的系統(tǒng)，并通過鼠標(biāo)拖動來繪制線路束，因此可以通過使用Logisim來設(shè)計和模擬整個CPU。該軟件基于Java環(huán)境，可以在實驗機房、教學(xué)網(wǎng)站和個人微機上完成實驗。目前有很多雙一流高校（如華中科技大學(xué)的計算機組成原理慕課）都采用該仿真軟件來進行實驗教學(xué)。

我們在該仿真環(huán)境下開展的主要實驗項目包括：寄存器組設(shè)計、算術(shù)邏輯運算單元設(shè)計、存儲器擴展設(shè)計、基于MIPS的單周期CPU設(shè)計等實驗。ALU設(shè)計實驗：完成1個32位的加法器;寄存器組設(shè)計實驗：構(gòu)建1個基于MIPS的16個32位寄存器組，每個寄存器配置1個WR端口和2個RD端口;單周期CPU設(shè)計實驗：完成具有10條以上MIPS指令集的單周期CPU設(shè)計，該CPU中包含PC、ID、CU、地址形成等部件，采用組合邏輯控制方式產(chǎn)生微命令。存儲器的擴展設(shè)計：包括位擴展、字?jǐn)U展和字位同時擴展的實驗。

2）CodeCode.net仿真實驗平臺

該平臺是北京英真時代科技有限公司為高校計算機專業(yè)提供的一個教學(xué)與科研平臺，可用于高校計算機專業(yè)的新工科建設(shè)、虛擬仿真實驗中心建設(shè)，以及工程教育專業(yè)認(rèn)證、本科教學(xué)評估和大規(guī)模在線開放課程（MOOC）的開展。該平臺可以為教師和學(xué)生提供托管服務(wù)，教師可以將實驗文檔、源代碼文件托管到此平臺，學(xué)生也可以將實驗報告、設(shè)計文檔等在此平臺進行托管，提供WebIDE功能，使用者無須安裝任何客戶端軟件，可以直接使用瀏覽器在線完成項目的構(gòu)建、驗證和部署工作。學(xué)生使用配套實驗軟件訪問平臺時，采用了C/S模式，教師使用瀏覽器訪問平臺時采用了B/S模式，從而充分利用了這兩種模式的優(yōu)點。在教學(xué)中，利用該平臺的虛擬仿真技術(shù)，在沒有實際硬件的情況下可以完成表1中的實驗。

3）自主開發(fā)的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

圖6是我們利用Java開發(fā)的一個微型計算機的實驗教學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上可以完成PC機的控制與接口訪問的常規(guī)實驗，在微機原理的課程的實驗教學(xué)中應(yīng)用效果較好。

4結(jié)束語

目前有些高校配置的計算機組成原理實驗系統(tǒng)，雖然滿足了計算機組成原理課程的基本實驗教學(xué)要求，但其實驗平臺存在一些不足之處，如有實驗內(nèi)容欠豐富、實驗平臺固定、實驗跳線多、原理不透明、功能擴充性不佳等。虛擬仿真技術(shù)通過再現(xiàn)一個有較強真實感的仿真教學(xué)場景來增強學(xué)生對理論知識的掌握，我們結(jié)合本校辦學(xué)條件且充分考慮課程的特色，利用虛擬仿真技術(shù)將實驗教學(xué)擴展到線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式，能有效地拓展了教學(xué)的時效性。通過這些改革措施的實施，取得了較好的教學(xué)效果。當(dāng)然，虛擬仿真教學(xué)弱化了計算機硬件知識體驗，這些內(nèi)容可以從相關(guān)課程中得到補充。