計算機組成原理虛擬實驗環境設計及實現的探討

摘 要：本文對計算機組成原理虛擬實驗環境的構建進行了初步的探討。從建立虛擬實驗室著手，介紹了虛擬實驗室的設計目標和設計流程，以及運用Microsoft Visual C+6.0、OpenGL、SQL Server2000對計算機組成原理虛擬實驗環境進行實現。

關鍵詞：虛擬實驗室；設計；實現

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 24-0000-01

《計算機組成原理》這門課程是一門抽象和不易理解的課程。這門課程開設的目的是讓計算機專業的學生更好地理解計算機是如何工作的原理，幫助學生梳理清楚這方面的基礎知識，以方便進一步開展之后的學習。為了幫助學生學習好這門軟硬件都涉及的綜合性課程，實踐的運用就顯得非常重要。

但是，由于客觀因素例如高校學生人數日漸增多，實驗設備、場地、經費的相對落后和不足，使得傳統依靠計算機組成原理實驗箱來模擬計算機某些組成部分運行的實踐教學方式受到了一定程度的影響。不可否認，盡管以往的傳統實踐教學可以起到加深學生對課程理解的作用，但具有一定的局限性。因此，虛擬實驗室的引入就顯得尤為重要，它的節約資源，降低成本，共享便利、使用高效等多方面優勢有效改進傳統實踐教學中的不足，不僅從各方面降低了高校進行實驗教學的成本負擔，學生也可以在較短的時間內消化掉比較多的知識，并將其運用從而更好地提升學生學習效果，增強學生的創新能力。

一、對虛擬實驗室的認識

虛擬實驗室這一概念是用來描述計算機網絡化的虛擬實驗室環境，最早是由美國教授William Wulf提出的。它追求的其實是構建一個融合了不同工具和技術的電子化、網絡化的科學研究和集合實驗的環境。在這樣的環境下，人們通常可以跨越地理位置的限制，有效利用不同領域、不同層面的豐富資源，來完成自己的科學實驗或研究活動。相比較傳統的實驗教學，虛擬實驗室能使科學研究更為人性化、便利和環保，不論是從實驗安全、共享范圍、還是節省成本都方面都有十分明顯的優勢。在虛擬實驗中不用擔心實驗本身帶來的對人體的傷害，也不用擔心在實驗時會缺少研究人員之間的互動，更不用擔心關于實驗器材的損耗、毀壞所帶來的資金問題。因此，虛擬實驗室無疑是有著很大的發展空間的。它為進行科學實驗的研究者創建了一個看得見的虛擬環境，讓研究者在做實驗中，仿佛身臨其境，通過對電腦硬件設備的操作，開展一系列的實驗活動，觀察實驗效果，得出實驗結論。

二、虛擬實驗室的設計

（一）計算機組成原理虛擬環境設計目標

因為本文探討的計算機組成原理虛擬環境的建成主要是為了方便高校的計算機組成原理的課堂實踐教學，因此設計目標就是以校園網為基礎的虛擬實驗室環境。這樣的實驗系統務求要達到仿真度高、安全度高、操作性強等特點，真正擺脫空間和時間的局限，讓學生可以隨時隨地進行實驗操作。同時，除了固有的實驗教學內容以外還可以允許用戶們自行設計實驗，這會很大程度上節省自行發起的科學研究的研究成本，鼓勵了用戶對于自己感興趣的領域積極進行探索，提高他們進行科學研究的興趣和動手能力，激發他們的創新意識。

（二）計算機組成原理虛擬環境的設計流程

從對系統模塊的劃分來看，計算機組成原理虛擬實驗系統主要可以分為三個板塊，網絡服務功能、仿真實驗以及數據庫服務。其中網絡服務功能實現了虛擬實驗的網絡化功能，仿真實驗則包括諸如運算器實驗、帶進位運算器實驗、移位運算器實驗、存儲器實驗和微控制器實驗等內容，方便用戶觀察自己的實驗狀況。數據庫則是仿真實驗的支撐，妥善保存用戶的相關信息和實驗數據。根據這三個板塊，再結合計算機組成原理本身的特性，選用C/S模式對系統進行構建。想要進行虛擬實驗，先是建立一個對應的網絡實驗系統，然后學生只需要通過輸入其用戶名以及密碼后，通過系統的相關認證后，學生即可根據界面顯示的選項，根據自己的專業和需求選擇自己要做的實驗。而且學生可以通過閱讀實驗系統中對于如何進行實驗來了解實驗要求、實驗內容、實驗方法等等，并通過上傳實驗結果，提問等方式和老師互動。實驗指導老師則可以通過自己專有的用戶名和密碼，進入實驗系統，根據教學要求對實驗系統里的各個板塊進行完善，也便于教師及時觀察學生的實驗動態，更新和調整自己的實驗教學內容。另外還可以設立特殊用戶進行更高級別的操作，如系統管理員，負責對學生、老師以及其他各種實驗數據信息進行全方位管理。

三、計算機組成原理虛擬實驗環境的實現

該系統可以使用Microsoft Visual C+6.0語言開發實施，另外利用OpenGL對器件進行二維或三維顯示，數據庫存儲則選擇使用SQL Server2000軟件。用戶登錄后自行選擇實驗內容并操作。服務器端會對上傳的實驗操作內容和數據加以判斷，并進行仿真計算，最后由相應的客戶端顯示出仿真結果。本虛擬實驗環境仿真方法建立在離散事件模型的基礎上，從系統的需求分析出發，進行仿真建模框架，最后形成仿真建模包。在多人合作實驗項目中，可以利用web進行連接，這樣也方便老師可以進行遠程教學。虛擬實驗室和計算機協同工作技術相結合，利用組播的通信方式進行信息共享，從而實現遠程實驗教學的功能。

四、結束語

針對高校因為受限于各方面因素不能很好進行實驗教學的現狀，對計算機組成原理的虛擬實驗環境的探索就顯得更為必要，虛擬實驗室系統的建成對傳統實驗教學的一種突破和發展，極大地推動了教學實踐的改革。它的實驗成本低、實驗效果好、交互性增強、注重加強學生創新能力、等優勢以及對遠程教育實現的貢獻都讓我們看到了其光明的前途。在此系統中，用戶可以有更大的空間和余地進行實驗，將實踐與知識良好地結合，達到學以致用的目的。總之，虛擬實驗環境極大地彌補了傳統實驗教學的不足，必然會成為一種高校實驗教學的趨勢。

參考文獻：

[1]王淖，易向陽，黃恒杰.基于Internet的計算機網絡虛擬實驗室的設計與實現[J].玉林師范學院學報，2013，34（2）：134-138.

[2]朱韶平，肖永良.湖南第一師范學院學報，2012，12（5）：73-75.

[3]陳敬森.計算機硬件虛擬實驗室的設計與研究[J].科技風，2012（14）：33.