组成原理虚拟实验系统的设计

李锦青

(长春理工大学计算机科学技术学院，长春 130022)

作为计算机专业的一门主干基础课，计算机组成原理成为计算机及其相关专业中的一门专业必修课，一直以来被许多高等院校和科研院所列为考研课程。该课程着重介绍了计算机的内部工作原理，帮助学生深入理解计算机的工作流程，对于学生掌握整个本科阶段所有专业课程以及课程之间的有机联系、建立完整的计算机学科知识体系起着重要作用［1］。

对于这类“原理”性课程，实验实践环节是学生能否真正理解课程内容、掌握知识内核的必要步骤。有效的实验操作能使学生摆脱枯燥的理论学习，将抽象的理论学习与现实世界相结合，使学生从微观到宏观全方位掌握学习内容，快速融会贯通，从而提高学生的理论应用能力［2］。传统的实验实践环节受制于时间空间的限制，而近年来新兴的虚拟实验室却可以不受时空的限制，用户能够随时随地进行实验［3］。

虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化，是对传统实验室教学的有力补充。作为虚拟实验有别于传统实验方法的重要特征，虚拟实验中不存在着元件损耗、器械磨损等情况，还能资源共享。对于存在一定危险性，或者损耗过大的实验内容，虚拟实验给学生提供了更多独立自主操作、实践动手的机会［4］。国内外对虚拟实验室进行的研究也表明，它有着十分光明的应用前景［5］。

本文提出了一种基于虚拟实验室，对传统实验方法进行合理补充的实验系统。该虚拟实验系统细化了实验过程，将计算机内部工作过程全方位呈现给学生，将微观过程实物化。将计算机内部的运算器、控制器、存储器，以及输入输出系统的工作形式、控制细节、数据流向形象细腻地展示在实验操作者面前。同时该系统提供了自主设计的操作平台，为设计型、综合型、创新型实验提供了开发空间和实践手段。它为教师提供了丰富多彩的教学手段;为学生提供了更多实际动手的机会，极大地提高了学生分析能力，解决问题的能力。

一、计算机组成原理虚拟实验方案

(一)组成原理虚拟实验系统总体设计

本系统构建在校园网的基础上，该虚拟实验系统主要任务是完成计算机组成原理课程的相关实验任务。基于B/S模式，学生可在浏览器端登录实验系统，通过用户名(通常可采用学生学号)和密码进行验证。登入系统之后，可在客户端进行相关实验操作。用户可进行实验选择，系统中初始设定包含组成原理课程中所必修的相关实验任务:寄存器实验，运算器实验，存储器实验，输入输出系统实验，中断实验，指令流水实验，组合逻辑控制器实验，微程序控制器实验。除此之外，还可以根据教学需要进行实验扩展，组合为更多的综合型、创新型实验题目，以此不断提高学生对课程内容的理解。由浅入深，深入浅出，使学生在动手的过程中理解枯燥的理论知识，在理论的基础上强化实际操作的可行性。同时，系统可以同步记录实验数据，在线生成电子实验报告，并将实验报告上传到服务器端。该系统功能结构见图1，具有界面友好、高度仿真、资源共享、安全可靠等特点。可以节约学生的学习时间，使学生将有限的时间应用在有效的学习中去，在一定程度上避免了无意义的誊抄。

图1 系统功能结构

(二)系统工作流程设计

用户可使用浏览器登录，进入实验系统后，从实验列表中选择实验题目。系统显示所选实验要求、实验目的。选择进入实验项目之后，系统根据实验性质分类(如:验证型实验、设计型实验、综合型实验、创新型实验)给出实验要求、不同程度的实验说明、所需器件、电路连线图。学生用户根据不同的实验要求，进行实验元件的选择，连接实验电路，然后运行实验，输入实验数据。在确认实验的正确性之后，可获取实验数据，上传数据至服务器，记录数据并撰写实验报告，完成实验内容(图2)。

图2 系统工作流程

(三)系统实现

本系统实现了学生选择计算机组成原理实验并模拟进行实验的功能。

在设计思想上，系统采用B/S的开发模式，学生打开网页就可以选择实验，数据存储在服务器端，减轻了电脑的承载负荷，保证了数据的安全性;应用MVC分层开发思想，达到高内聚、低耦合的开发结构，提高了系统的健壮性和可维护性。

在技术上，采用了JSP、struts2和Ajax，完成动态的页面显示和业务流程控制和管理，同时应用异步交互，提高了系统的响应速度和准确性。

在功能上，学生在选择实验的同时，可以查阅实验手册和对应教材，也可以下载实验报告等相关文档，为学生选择实验搭建了良好的平台。

综上所述，本课题实现的计算机组成原理模拟实验系统，是基于网络化的综合系统，学生可以随时随地方便的查询相应的信息，让系统的相关功能规范、合理、高效，体现人性化的需求。

系统登录界面见图3。

实验选择界面见图4。

实验运行界面见图5。

图3 系统登录界面

图4 系统实验选择界面

图5 系统实验运行过程界面

二、结束语

本文结合计算机组成原理实验课程，对虚拟实验系统建模和仿真方法进行了分析研究，提出了虚拟组成原理实验系统的设计思想和实现方案。系统采用B/S的开发模式，学生打开网页就可以选择实验，数据存储在服务器端，减轻了电脑的承载负荷，保证了数据的安全性;应用MVC分层开发思想，达到高内聚、低耦合的开发结构，提高了系统的健壮性和可维护性。在技术上，采用了JSP、Struts2和Ajax，完成动态的页面显示和业务流程控制和管理，同时应用异步交互，提高了系统的响应速度和准确性。极大地提高学生的实际动手能力及分析和解决问题的能力，为组成原理课程构建了一种全新的实验教学模式，更大程度上满足了师生的教学需求。本课题实现的计算机组成原理模拟实验系统，是基于网络化的综合系统，学生可以随时随地方便的查询相应的信息，让系统的相关功能规范、合理、高效，体现人性化的需求。

［1］周宁宁，程春玲.基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统［J］.现代电子技术，2005(1):22－25.

［2］毕琳.《计算机组成原理》课程教学改革探索［J］.重庆与世界:学术版，2013(8).

［3］刁宏志，于鸣.基于虚拟仪器的计算机组成原理实验仪的仿真实现［J］.东北林业大学学报，2005(2):98－99.

［4］郑耿忠.计算机组成原理虚拟实验室的研究及实现［J］.计算机系统应用，2008(2):62－65.

［5］朱思峰，李慧敏.计算机组成原理虚拟实验室系统的设计及实现［J］.科学技术与工程，2006(17):2685－2687.