基于多思虛擬平臺的計算機組成原理實驗仿真

王 莉

(山西大同大學計算機與網(wǎng)絡工程學院，山西大同 037009)

計算機組成原理是計算機類各專業(yè)的必修核心課程之一，在計算機學科中起到承上啟下的作用。這門課的實驗環(huán)節(jié)涉及計算機內(nèi)部各硬件部件的工作原理，主要包括運算器、存儲器、總線、控制器、模型機及微程序設計等實驗內(nèi)容[1-2]。通過實驗可以加深學生對課程理論內(nèi)容的理解，也可以培養(yǎng)學生的動手能力、設計能力及思考創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的計算機組成原理實驗一般是采用專用的實驗箱，我校采用的是天煌教儀的THTJZ-1 實驗箱，從學生上課情況來看，實驗箱教學存在許多不足：

（1）硬件固定，設計受限。由于傳統(tǒng)實驗箱系統(tǒng)的硬件結構是固定的，學生只能通過按按鈕的方式進行驗證性實驗，不能進行設計性實驗，而且所有的實驗都突破不了實驗箱硬件的限制，因此，實驗環(huán)節(jié)不能很好的幫助學生理解理論知識，更不能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力；

（2）硬件環(huán)境投資較大。在學生規(guī)模日益增長的情況下，實驗箱套數(shù)明顯不足，故傳統(tǒng)實驗箱教學的實驗室建設需要較大的硬件投資；

（3）故障維護艱難。實驗箱出現(xiàn)故障會導致整臺實驗箱報廢，所以實驗箱維護困難，浪費嚴重[3]。

此外，為滿足疫情期間《計算機組成原理》線上教學開展的需求，結合計算機專業(yè)特點與電子系統(tǒng)設計方法，在計算機組成原理實驗教學中引入了開源的“多思計算機組成原理網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)”。該系統(tǒng)支持電路設計，采用GPL 開源許可協(xié)議，能夠以B/S 和單機兩種模式運行[4]。經(jīng)過一學期的應用實踐，采用“多思計算機組成原理網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)”實現(xiàn)了《計算機組成原理》實驗環(huán)節(jié)所涉及的所有實驗，效果令人滿意，充分調(diào)動了學生自己動手和動腦思考的積極性，從而提高了學生的動手能力、設計能力和思考創(chuàng)新能力。

1 多思網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)簡介

“多思計算機組成原理網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)”是由湖南學院張雯雰老師設計開發(fā)的，屬于開源軟件，系統(tǒng)有兩種運行模式：單機模式和B/S模式。

虛擬實驗系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了多個經(jīng)典實驗，同時具有高度的可擴展性，支持電路設計，可以方便開展設計性實驗。例如在微程序控制器實驗中，系統(tǒng)并沒有屏蔽微程序控制器內(nèi)部電路將其抽象、封裝為一個組件，而是給出了微地址生成邏輯、微地址寄存器、微程序存儲器和時序發(fā)生器組成的具體電路，便于實驗者了解控制器的工作原理，理解微指令中順序控制部分的作用[5]。系統(tǒng)主界面包括菜單欄、工具欄、工具箱和工作區(qū)四個部分，如圖1 所示。每一個實驗開啟，要根據(jù)實驗電路圖，自行選擇合適的元器件，并將其從工具箱拖到工作區(qū)，然后用連接線連接每個元器件對應的引腳進行設計。

圖1 多思虛擬實驗系統(tǒng)主界面

2 實驗仿真具體實施方案

《計算機組成原理》這門課程的實驗環(huán)節(jié)強調(diào)整機概念，即要讓學生通過實驗了解計算機硬件的整體工作原理，為此，對實驗環(huán)節(jié)進行了必要的分解。

2.1 實驗內(nèi)容安排

根據(jù)不同的功能部件，設計了全加器實驗、運算器實驗、存儲器實驗、總線與微命令實驗4 個傳統(tǒng)驗證性實驗，以及累加器實驗、程序計數(shù)器實驗、微程序控制器實驗、簡單模型機實驗、微程序設計實驗5個拓展實驗，最后安排了模型機課程設計。驗證性實驗采用虛實結合的方式開展，即在實驗箱驗證實驗課后增加虛擬仿真設計實驗來改善實驗效果，拓展試驗和課程設計全部在虛擬仿真系統(tǒng)中完成，具體實驗安排如表1所示。

表1 實驗內(nèi)容安排

2.2 仿真案例設計

2.2.1 全加器實驗案例

基于傳統(tǒng)實驗箱的教學是無法做全加器實驗的，所以不能深刻理解全加器的邏輯結構和電路實現(xiàn)。多思虛擬仿真平臺提供了常用的門電路部件，學生可以根據(jù)全加器的邏輯表達式，自行設計并完成全加器的電路仿真實現(xiàn)。圖2 為一位全加器虛擬實驗電路。

圖2 所示的全機器虛擬實驗電路是基于全加器的邏輯表達式Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1，Ci=AiBi+(Ai⊕Bi)Ci-1搭建的。實驗使用的主要元器件有：異或門、與非門、開關SW 和指示燈Led，其中三個SW 分別是Ai，Bi，Ci-1，兩個Led 分別是Si和Ci，通過手工設置三個SW 的值，觀察兩個Led的亮滅變化。

有了一位全加器的實驗電路，引導學生進一步設計兩位甚至多位串行進位并行加法器，通過這樣的實驗，會理解并行加法器中進位傳遞的工作原理。

2.2.2 簡單模型機實驗案例

簡單模型機實驗是《計算機組成成原理》實驗教學中的一個難點，在傳統(tǒng)實驗箱中無法完成，實驗要綜合前面實驗2 到實驗7 的電路，將運算器模塊、存儲器模塊和控制器模塊通過總線連接在一起，組成一個簡單的模型機，其虛擬實驗電路如圖3所示。

圖3 簡單模型機虛擬實驗電路

在完成了簡單模型機的邏輯電路設計之后，就可以完全理解運算器（74LS181）、存儲器（RAM6116）、微程序控制器（EPROM2716C3）、時序產(chǎn)生器（Sequa Timer）、寄存器（74LS273）等主要邏輯部件之間的數(shù)據(jù)通路連接，從而進一步掌握機器指令、微程序、微指令之間的關系，了解計算機的工作過程。

3 結語

通過以上兩個案例以及一學期具體實驗開展情況分析，在我?！队嬎銠C組成原理》實驗教學中引入“多思計算機組成原理網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)”是非常有必要的。通過虛擬仿真實驗平臺，可以充實實驗內(nèi)容，豐富實驗方法和手段，與傳統(tǒng)實驗箱教學相比，學生不受實驗室硬件條件的限制，除了基本的驗證性實驗之外，還可以大膽思考、設計、仿真。通過虛擬實驗可以加深學生對課程理論內(nèi)容的理解，也可以培養(yǎng)學生的動手能力、設計能力及思考創(chuàng)新能力。