计算机硬件虚拟实验平台的设计及实现

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     摘 要:就仿真和模拟技术在教学上的应用,讨论了在微机上模拟硬件实验,建立“计算机硬件虚拟实验室”的可行性、实用性及其探讨意义。通过分析计算机硬件实验的流程和关键技术,提出了一套系统设计和实现方案。该系统主要模拟由IC和电线所组成的数字电路。系统以面包板为中心,搭配零件库、仪表和电路板制作工具,来协助学生进行计算机硬件实验的设计、模拟、除错与制作。

     关键词:面向对象 虚拟实验平台 计算机硬件

     对于计算机专业的一些实践性很强的课程(如计算机组成原理、硬件与接口等),实验教学环节对学好这些课程是至关重要的。学生通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验,才能真正理解和掌握该学科的理论知识,获得一定的综合测试技能和实践能力,并初步具有处理实际测试工作的能力。一个设备 良好、管理先进的实验室是学习者快速、深刻地获取各种知识和技能的重要场所。而多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础,使人们拥有自己实验室的幻想与愿望可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面而得以“实现”。

     虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特征,无论是学生还是教师,都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器,进行各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持,还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。利用虚拟实验室能及时满足学生对实验的需求,增强并扩展了实验教学的功能,同时也加大实验教学的强度,提升实验教学对学员创新能力和实践能力培养的力度,降低实验教学对客观物质条件的依赖, 突破了传统教学手段,为学生构建了一种全新的实验教学模式,也为实现开放式实验教学提供了强有力的支持[1]。而且它们不具有开放性,只能在这些软件自身的环境进行,无法实现仿真技术与多媒体技术的有机结合,较难用于计算机硬件及各种接口实验,因此我们探讨开发了计算机硬件虚拟实验室CHSVL(ComputerHardware SystemVirtual Laborato- ry),以提供学生从事计算机硬件实验的不受时空限制的实验环境。计算机硬件虚拟实验室(CHSVL)由虚拟元器件/设备数据库、虚拟实验平台、虚拟实验管理等部分构成。本文将着重讨论虚拟实验平台的设计及实现。

     虚拟实验平台的系统架构虚拟实验平台是以几可乱真的面包板为中心, 搭配IC元件库、仪表和电路板制作工具,来协助学生进行数字电路设计、模拟、除错与制作。当学生从事实验时,将所需的IC元件插入面包板中,然后利用电线将这些IC元件连接起来。当电路设计完成后,可接上电源、时序脉冲、开关、LED等观测电路运行,当电路动作不正确时,可用示波器、探测棒来协助除错。面包板是实验设计、运行的中心,设计时用于承接IC元件与电线,运行时负责传播电平信号。虚拟实验平台的设计考虑到系统的特性,我们采用面向对象的设计方法,设计整个系统。通过对整个虚拟实验平台的分析,设计了如下几种基类: 1、虚拟器件类:用于模拟IC元件的结构和功能。 通用器件类:用于封装虚拟器件类,以提供标准的器件外观、尺寸,实现器件的移动、引脚信号扩散及其它辅助功能。 3、虚拟仪器仪表类:用于模拟微机实验中的常用仪器仪表的功能,为每种常用的仪器仪表定义一个类,其实例对象就是一个具体的仪器仪表(如示波器、探测棒、电源、信号发生器、开关、LED等)。

 


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