信号扩散算法在计算机硬件仿真实验系统中的实现

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 摘  要为了更加有效的管理在计算机硬件仿真实验系统中的信号扩散,本文提出了一种信号扩散算法。算法在实验准备阶段将实验逻辑图转化成为图结构存储,并计算出各器件的信号处理代价;在实验运行期间,利用优先级队列的调度器件的启动顺序,从而动态规划信号的扩散次序。算法的时间复杂度理论分析及对比实验均证明,该算法有效减少了信号在器件中的无效重复扩散,降低了器件工作函数的启动次数,使信号扩散时的时间复杂度得到了极大的改善,大幅提高了实验的响应速度并降低了对系统资源的占用。

      关键词:信号扩散算法 计算机硬件仿真实验

      计算机硬件仿真实验系统是用于模拟仿真计算机硬件、微型计算机原理及应用、数字电路等使用IC元器件的虚拟实验系统。系统中信号是非常重要的。信号总是以电平的高/低形式表现,系统中使用0、1、2分别表示低电平、高电平和高阻,简化处理,易于编码。通过信号的扩散,实验才能动起来。出于通用性考虑,我们没有设计类来模拟总线,所有器件(包括各类IC元件及可发出信号的仪器仪表)之间的信号传递工作要由器 件自身完成。传递信号的介质是连线、器件引脚和面包板的插孔。虚拟器件的连接方法: ①虚拟元器件的引脚插入面包板的插孔中 ②电线的引脚可插入面包板的插孔中或虚拟设备的插孔中 实验中的一次信号扩散过程,由初始信号产生开始, 到系统中再无新信号产生时结束。目前的系统使用消息传递和事件驱动机制来实现信号传递。其工作流程如下: 图1 计算机硬件仿真实验平台操作界面 ①信号源器件产生原始信号输出。 信号通过连线传递到相应器件的输入引脚并触发器件的工作函数,重新计算器件的输出电平。 ③当器件的引脚输出电平信号发生改变时, 触发类的ValueChange事件,将信号传递给引脚连线。

      重复2~3步,直至系统中再无电平信号发生改变为止,本次信号传递过程结束。上述工作机制简单易实现,与实际实验中的信号扩散方法一致,但是延时时间随器件间的连线数目增加而呈级数递增。经测试表明在IC元器件数目较少时工作状态理想。但是,当IC元器件数目大于10个或高密度连线时,受计算机处理能力的影响,仅依靠消息传递机制和事件驱动机制会造成系统负荷过重且导致明显延时。通过分析上述算法及信号扩散的方式可得知, 器件的启动直接导致新一轮信号扩散的开始,因此器件的启动次数越少,产生的中间信号就越少,信号扩散的效率也越高。通常,一个器件可接收多个器件的输入信号,只有在所有输入信号均不再改变时,器件产生的输出信号才是真正的输出,而之前的信号输出属于中间的无效信号,不需要被扩散出去。而在一次具体的信号扩散过程中,我们可以找出信号通过各器件的最佳次序,使得器件启动次数最少。

      上述算法由于未能有效的管理器件的启动次数及顺序,产生了大量的无效信号扩散。因此, 我们设计了一套通过消息传递机制和事件驱动机制辅助信号扩散算法实现信号传递的方案,在使用中实现了较短的响应时间与较低的系统资源占用。算法说明在实验开始运行之前,系统先按电路连接方案构造器件引脚映射表,同时可实现简单的电路查错功能(如电源短接、器件未接地或未接电源、连接引脚类型不匹配等等)。再由器件引脚映射表构造器件连接的有向图,每个器件为图中的一个顶点, 器件间的连线为图中的有向边(由信号输出器件指向信号输入器件)。当两顶点间有多条同向边时合并成为一条。第三步使用改进的拓扑排序算法求出器件的最大处理代价。设信号发生源 (系统中可同时存在多个信号发生源)的代价为0,若一个信号在传递过程中到达某器件时经过了n个器件(包括信号源),则设该信号在此器件的处理代价为n。一个器件的最大处理代价为可到达该器件的所有信号的处理代价的最大值。最后,信号扩散算法使用改进的带优先权的队列管理信号的传递工作。优先权即为器件的最大处理代价,代价值低的器件优先权高。实验流程由虚拟仪器仪表的操作开始(信号发生器发出脉冲、开关改变状态、电源通电等),当仪器仪表对value属性进行操作时,就会触发仪器仪表的ValueChange事件,启动信号扩散算法。在信号扩散算法的管理下将插孔信号传递给相连的器件引脚,并将接受信号的器件加入带优先权的工作队列。依次取出队列头的器件,并启动器件的工作逻辑处理过程开始执行,器件的工作结果通过引脚再次扩散。重复以上过程,直至队列中的器件全部处理完毕,系统中的一次信号传递就完成了。器件之间就是这样通信的。

 


[正文图表略.]
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