计算机组成原理虚拟实验室的研究与设计

论文摘要

随着职业教育的深化改革和招生规模的急剧扩大,我国职业学校普遍陷入了实验教学的困境。主要表现在硬件设施不足、教学时空受限、教学方法和内容落后。在计算机和网络通信技术快速发展的前提下,充分利用计算机资源的虚拟实验室成为解决这些现存问题、提高实验教学质量的重要选择。论文在分析虚拟实验室发展、现状的基础上,针对实验教学的要求和现有虚拟实验室的不足,提出了“计算机组成原理虚拟实验室”(简称CCPVL)的系统设计方案,进行了具体的研究和设计。论文借助于虚拟现实、可视化、虚拟仪器和网络通信等技术,对虚拟教学实验室系统及其客户端的架构、分析设计过程和实现方法进行了研究,设计实现了虚拟教学实验室系统客户端软件。客户端软件是整个系统的重要组成部分。它向用户提供丰富真实的元器件和与现实一致的实验操作平台,对实验教学具有重要的现实意义。论文在分析虚拟实验室系统的结构模型基础上,选用改进的C/S模型,利用三层结构对系统进行设计,并且阐述了整个虚拟教学实验室系统的流程、组织结构及系统各部分完成的功能。论文着重研究了系统客户端虚拟器件模型和模型库的建立方法,为实验者提供了丰富、逼真、规范的元件和仪器,并搭建了逼真的、操作方便的实验操作平台。同时,论文利用可视化技术和虚拟仪器技术研究了可视化计算在实验中的应用、实验信息的可视化显示及虚拟仪器子模块实现的方法,并研究了通信技术在数据收发传输中的应用。在虚拟实验平台的运行控制中,论文深入探讨了如何有效解决虚拟信号在虚拟元器件间传递的问题,并提出了一种新的信号扩散算法。该算法计算出各器件的信号处理代价,并使用优先级队列调度器件的启动顺序,从而动态规划信号的扩散次序。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,从而大幅提高了实验的响应速度并降低了对系统资源的占用。论文最后对所研究实现的技术进行了功能测试。测试结果表明,利用该文阐述的技术与设计方法所构建的虚拟教学实验室客户端能模拟真实实验情景,并通过图形图像显示实验信息、进行结果分析及错误提示,拥有较好的交互性、适用性、器件的丰富性、实时性和扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的意义
• 1.2 国内外研究状况及发展趋势
• 1.3 本课题的研究背景
• 1.4 本课题的研究方向
• 1.5 论文的组织内容
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 虚拟实验室概述
• 2.1.1 虚拟实验室
• 2.1.2 虚拟实验室的特点
• 2.1.3 虚拟实验室的分类
• 2.2 系统的功能需求
• 2.2.1 系统总体目标
• 2.2.2 系统工作流程分析
• 2.3 系统架构设计
• 2.3.1 虚拟实验室框架结构分析
• 2.3.2 虚拟教学实验室的三层结构
• 2.4 虚拟教学实验系统流程
• 2.5 系统组织结构及功能
• 2.5.1 CCPVL数据库服务器的管理维护
• 2.5.2 CCPVL客户端
• 2.6 CCPVL的系统开发方案
• 2.7 本章小结
• 第三章 系统客户端设计
• 3.1 客户端总体架构
• 3.2 用户模块的设计
• 3.3 虚拟元器件及其模型库设计
• 3.3.1 虚拟元器件与虚拟设备的设计模型
• 3.3.2 虚拟元器件与虚拟设备的组件设计方法
• 3.3.3 虚拟元器件的制作
• 3.3.4 虚拟设备的制作
• 3.3.5 虚拟元器件与虚拟设备的管理
• 3.4 实验操作模块的设计
• 3.5 可视化模块设计
• 3.6 通信模块研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统客户端的实现
• 4.1 计算机组成原理虚拟实验平台的特点
• 4.2 虚拟实验平台的数据结构描述
• 4.3 虚拟实验平台的基本类设计
• 4.3.1 引脚类（Pin）
• 4.3.2 插孔组类（Hole）
• 4.3.3 虚拟器件类
• 4.3.4 通用虚拟器件类（chip）
• 4.3.5 通用虚拟仪器仪表类（element）
• 4.3.6 虚拟仪器仪表类
• 4.3.7 虚拟面包板类（board）
• 4.3.8 虚拟电线类（vLine）
• 4.3.9 虚拟实验台类（platform）
• 4.3.10 实验文档类
• 4.3.11 类间关系
• 4.4 芯片和连线问题的解决
• 4.4.1 芯片定位及管脚定位
• 4.4.2 布线自动连接
• 4.4.3 窗口变化时连线的处理
• 4.4.4 判断画线的正确性及删除错误画线
• 4.4.5 集成电路芯片功能的实现
• 4.5 可视化模块的实现方法
• 4.5.1 虚拟仪器子模块实现方法研究
• 4.5.2 虚拟示波器实现技术研究
• 4.6 通信模块的实现方法
• 4.7 本章小结
• 第五章 计算机组成原理虚拟实验客户端的运行控制
• 5.1 测试环境
• 5.2 虚拟元器件之间的相互连接
• 5.3 虚拟实验过程中的信号控制
• 5.4 现行的信号扩散方式
• 5.5 信号扩散算法
• 5.5.1 算法说明
• 5.5.2 算法描述
• 5.6 运行实例
• 5.7 本虚拟教学实验室系统客户端特性
• 5.8 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文结论
• 6.2 进一步研究方向及工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果