虛擬仿真實驗在《計算機組成原理與匯編語言》課程中的應用

劉躍華 梁英 何靜

摘要：新工科背景下對信息技術類課程的教學提出了新的要求，虛擬現實與仿真技術的引入將推動了課程教學方法的改革。本文架構了集成化的匯編語言編譯環境，采用第三方軟件與自主開發相結合的方式來組建計算機組成原理的實驗平臺，教學實踐表明，與傳統的實驗手段相比，虛擬仿真實驗在教學中時效性、受益面等方面具有明顯的優勢。

關鍵詞：虛擬現實;仿真實驗;計算機組成原理;匯編語言

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

為培養和造就一大批引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才，2017年教育部提出“新工科理念”，圍繞新工科專業建設，教育部批準設置了人工智能、大數據、網絡空間安全等新工科專業以促進了傳統工科專業向新工科專業轉化?！队嬎銠C組成原理與匯編語言》作為新工科背景下的一門重要的專業課程，在教學理念、教學方法和教學手段等方面必須進行改革以適應新時期人才培養要求。虛擬現實技術作為21世紀發展最為迅速、對人們的工作生活有著重要影響的信息技術之一，勢必會在高校的教學領域中扮演重要的角色。

1《計算機組成原理與匯編語言》課程的特點與存在的問題

本課程實質上是由《計算機組成原理》和《匯編語言程序設計》兩門課程的內容綜合起來的，計算機組成原理是一門理論性和實踐性都很強的核心專業基礎課程，在計算機學科的系列課程中處于承上啟下的作用，課程學習為后續課程f如計算機體系結構，嵌入式系統、微機原理與接口技術）的學習、研究生升學考試、就業應聘等環節奠定了堅實的理論基礎，具體的教學目標有：

1）掌握定點數和浮點數的表示方法，理解數據表示對軟/硬件系統設計的影響;

2）掌握基本算術、邏輯運算部件的工作原理及設計方法;

3）掌握存儲器層次結構工作原理，理解存儲器層次結構對程序執行性能的影響;

4）了解指令設計的基本原理，掌握指令尋址方式的特點及其對指令執行性能的影響;

5）掌握單周期數據通路、多周期數據通路和流水線數據通路及其控制部件的工作原理和設計方法;

6）掌握組合邏輯控制器和微程序控制器的實現方法。

匯編語言是計算機編程的低級語言，與CPU的指令系統密切相關，常與計算機底層的硬件打交道。目前的指令系統有以MIPS為代表的精簡指令系統（RISC）和以Intel x86為代表的復雜系統系統（CISC），我校開設的課程以x86指令系統作為匯編語言教學內容，具體的教學目標有：

1）理解微型計算機的結構及其內部運行過程;2）掌握Intelx86的指令系統;3）掌握MASM指令和偽指令的功能和要求、匯編語言程序控制方法和宏匯編程序的開發過程;4）理解DOS和BIOS的系統功能，能使用其中的主要的功能調用來編寫程序;5）理解微型計算機輸入/輸出控制的主要方式，掌握中斷例程的編寫。

本校的計算機科學與技術專業、軟件工程專業、物聯網工程專業和智慧管理等專業和班級都開設了這門課程，以前的實驗教學環境采用“愛迪克計算機組成原理教學實驗系統（實驗箱）”，雖然在該實驗箱上可以完成大部分實驗，但存在如下問題：一是實驗箱中的實驗內容不能升級換代;二是不能在課堂教學上使用以實現互動教學;三是不能實現線上教學（如MOOC教學）等。因此，以虛擬仿真的實驗來代替傳統實驗手段是一種合理的選擇。

2虛擬現實在課程建設中的應用

虛擬現實技術（VR）技術是20世紀末逐漸興起的一門綜合性技術，涉及計算機圖形學、多媒體技術、傳感技術、人工智能等多個領域，是仿真技術的一個重要方向。由于VR改變了傳統的人與計算機之間被動、單一的交互模式，用戶和系統的交互變得主動化、多樣性、自然化，因此虛擬現實技術在教育、醫療、娛樂等眾多領域有著非常廣泛的應用前景。圖1是虛擬現實技術的組成結構，大體上是由軟件和硬件兩大部分組成。

虛擬現實設備包括頭盔、數據衣、數據手套、氣味發生器、味覺發生器等?！邦^盔”則由顯示器、光學系統、立體聲音箱和運動跟蹤系統構成。目前，沉浸式虛擬現實具有一定的優勢，它可以對現實生活中存在一定局限性的情境和對象進行實驗，參與者戴著頭盔（HDM）和一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環境的立體視圖。高昂的價格一直是HMD在教育環境中使用的最大障礙之一，且大多數學校的計算機的配置不滿足的要求，鑒此，我們在構建基于虛擬現實的計算機組成原理實驗教學系統時，采用虛擬現實建模語言（VRML）與建模工具（如Unity、Vizard）相結合的方式來實現。VRML是一種虛擬現實建模的標準，運用VRML制作教學課件時可以將文本、多維動畫、小視頻等多種媒體信息整合起來以再造真實場景，激發學生的學習欲望。通過對實驗對象進行建模、數據采集和場景渲染等環節的處理，利用虛擬現實的開發工具可以構建圖2所示的課程實驗環境。

3虛擬仿真實驗平臺的應用

3.1匯編語言實驗教學平臺

在DOS環境下，匯編語言程序的開發要經過編輯、編譯、連接和調試等彼此分離的步驟（如圖3所示），這樣的過程費時費力，學生對DOS的使用相對陌生，盡管Windows保留了DOS的工作方式，但是實驗過程中在WINDOWS與DOS之間來回切換會影響上機的效率，也不利于保護模式下的編程教學，我們根據匯編語言實驗教學的特點，利用Java語言設計出了一款使用便利、可移植強的匯編語言集成編譯系統（如圖4所示）。該系統集編譯、連接、執行等功能于一體，并提供關鍵詞高亮顯示、錯誤代碼導航、代碼即時輔助提示、幫助資料以及實驗報告生成等功能。該系統不僅可以在實驗室作為匯編語言的上機環境，也充當課堂教學和線上教學的實驗教學手段。

3.2計算機組成原理課程的仿真實驗環境

1）LOCISIM軟件的應用

Logisim軟件是一款圖形化的用于設計和模擬數字邏輯電路的工具（見圖5），其簡捷的工具欄界面和構建它們時的電路仿真，有助于學習與邏輯電路相關的基本概念，能夠從較小的子電路構建更大的系統，并通過鼠標拖動來繪制線路束，因此可以通過使用Logisim來設計和模擬整個CPU。該軟件基于Java環境，可以在實驗機房、教學網站和個人微機上完成實驗。目前有很多雙一流高校（如華中科技大學的計算機組成原理慕課）都采用該仿真軟件來進行實驗教學。

我們在該仿真環境下開展的主要實驗項目包括：寄存器組設計、算術邏輯運算單元設計、存儲器擴展設計、基于MIPS的單周期CPU設計等實驗。ALU設計實驗：完成1個32位的加法器;寄存器組設計實驗：構建1個基于MIPS的16個32位寄存器組，每個寄存器配置1個WR端口和2個RD端口;單周期CPU設計實驗：完成具有10條以上MIPS指令集的單周期CPU設計，該CPU中包含PC、ID、CU、地址形成等部件，采用組合邏輯控制方式產生微命令。存儲器的擴展設計：包括位擴展、字擴展和字位同時擴展的實驗。

2）CodeCode.net仿真實驗平臺

該平臺是北京英真時代科技有限公司為高校計算機專業提供的一個教學與科研平臺，可用于高校計算機專業的新工科建設、虛擬仿真實驗中心建設，以及工程教育專業認證、本科教學評估和大規模在線開放課程（MOOC）的開展。該平臺可以為教師和學生提供托管服務，教師可以將實驗文檔、源代碼文件托管到此平臺，學生也可以將實驗報告、設計文檔等在此平臺進行托管，提供WebIDE功能，使用者無須安裝任何客戶端軟件，可以直接使用瀏覽器在線完成項目的構建、驗證和部署工作。學生使用配套實驗軟件訪問平臺時，采用了C/S模式，教師使用瀏覽器訪問平臺時采用了B/S模式，從而充分利用了這兩種模式的優點。在教學中，利用該平臺的虛擬仿真技術，在沒有實際硬件的情況下可以完成表1中的實驗。

3）自主開發的仿真實驗教學系統

圖6是我們利用Java開發的一個微型計算機的實驗教學系統，在該系統上可以完成PC機的控制與接口訪問的常規實驗，在微機原理的課程的實驗教學中應用效果較好。

4結束語

目前有些高校配置的計算機組成原理實驗系統，雖然滿足了計算機組成原理課程的基本實驗教學要求，但其實驗平臺存在一些不足之處，如有實驗內容欠豐富、實驗平臺固定、實驗跳線多、原理不透明、功能擴充性不佳等。虛擬仿真技術通過再現一個有較強真實感的仿真教學場景來增強學生對理論知識的掌握，我們結合本校辦學條件且充分考慮課程的特色，利用虛擬仿真技術將實驗教學擴展到線上與線下相結合的教學模式，能有效地拓展了教學的時效性。通過這些改革措施的實施，取得了較好的教學效果。當然，虛擬仿真教學弱化了計算機硬件知識體驗，這些內容可以從相關課程中得到補充。