“计算机组成原理”虚拟仿真实验教学平台的设计

苏向东　刘彩霞

摘 要：“计算机组成原理”是计算机科学与技术、软件工程等专业的核心课程，该课程的实验环节在整个课程中所占比例较大，实验设备与实验环境造价很高，各高校的计算机组成原理实验室的容量、设备数一般都比较有限，无法全面满足学生的实验需求。本文结合计算机组成原理教学中实验课的需求，设计了基于B/S架构的虚拟仿真教学平台，并以运算器设计及性能优化实验项目为例，说明了虚拟仿真实验平台的使用。

关键词：虚拟仿真实验平台;计算机组成原理;远程管理

【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2018）11B-0109-02

当前，国家正稳步推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用。作为信息技术与学科专业深度融合的产物，虚拟仿真实验为实验室建设注入了新的活力，为推进实验教学改革与创新增添了新的动力，在高等教育信息化和实验教学示范中心建设的过程中扮演了重要角色。

“计算机组成原理”课程是计算机专业的一门核心课程，学生通过该课程可以掌握关于计算机组成和运行机制方面的概念、原理、设计和优化方法，为后续相关专业课程的开设奠定基础。课程讲授内容涉及多种机型（巨型机、大型机、微型机）、各机型采用的很多种不同技术（包括硬件构成、指令集、控制器实现方式等），从宏观到微观的硬件构造原理，内容抽象庞杂、直观性差，仅仅依靠课堂中教师的讲解，理解难度大，因此实验教学显得尤为重要。由于计算机组成原理实验设备与实验环境造价很高，高校的计算机组成原理实验室的容量、设备数一般都比较有限，无法全面满足学生的实验需求。

与普通实验条件方式相比，虚拟仿真实验平台则具有显著的优势，主要体现在以下几方面：（1）它可以为师生双方提供不受限的实验环境，包括不受实验经费、实验时间、实验场地、实验器材以及实验内容的限制，这样学生就可以利用平台这一开放性的特点进行自主实验。（2）它可以为提高学生对计算机实践课程的兴趣和学习动力提供有效途径。虚拟实验教学与传统教学的有效结合可以激发学生的实验兴趣、培养学生开放性思维、锻炼学生主动动手能力、强化学生创新实验能力。（3）它是培养学生自助构建计算机仿真模型体系的最佳机会，有利于夯实学生的专业基础，从而促进实践创新能力的发展。（4）它是拓宽实验教学的必经之路，可以促使高等教育的功能从“人才培养者”到“人才设计者”转变。（5）对于教师而言，可以培养教师开放性教学能力及不断学习提高的教学意识，以便于适应平台的教学内容的随机性、创新性及开放性特点。由以上几点可以看出，建立虚拟仿真实验的项目是实验教学改革发展的必然趋势。

针对计算机组成原理教学过程中存在的硬件设备成本高、实验环境受限、学生实践机会不足等问题，我们探索设计了基于B/S架构的虚拟仿真教学平台，并以运算器设计及性能优化实验项目为例说明了虚拟仿真实验平台的使用。

一、“計算机组成原理”虚拟仿真实验平台架构

本文设计的计算机组成原理虚拟仿真实验平台架构如图1所示。学生、教师、管理员可以通过门户网站访问实验管理平台和虚拟仿真实验平台。教师通过管理平台进行实验教学和教务方面的管理工作，并通过互动交流模块与在线实验的学生进行实时交流互动;学生通过虚拟仿真实验平台进行虚拟仿真实验。并通过访问管理模块进行实验报告的提交和数据的实时检查审核，同时通过互动模块与在线服务教师进行实时交流，随时发表自主设计方案并咨询教师获得可行性的分析评估建议，以完成自主、创新性实验部分。管理员负责管理、维护、部署虚拟仿真实验平台及门户网站。数据库数据支持平台操作。

虚拟仿真实验平台通过3D仿真技术实现虚拟教学仿真。3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染，实现现实效果的器件，增强学生的现场真实感，提高学生利用虚拟平台进行实验的真实体验感。

二、虚拟仿真实验平台应用实例

本文以设计实现n位数的加减法运算器为例，说明虚拟仿真实验平台的使用步骤。

（一）教师设计实验内容

对n位数的加减法运算器而言，利用运算方法[X-Y]补=[X]补+[-Y]补，将减法转换成加法通过加法器进行，从成本及复杂度上优化加减运算器的结构。送入加法器的操作数会自动进行加法，因此计算机内部减法的实现有两种思路：一是采用上面设计思想和过程设计n位数的减法器，这时加法器和减法器各司其职，无法实现资源共享的最大化;二是设计一定的算法将减法转换为加法进行，从而利用已经设计好的加法器进行减法操作，实现资源共享、节省成本、简化运算器结构。

计算机内部，有符号数采用编码方式表示，其中补码编码方式在二进制运算中可以将符号位与数值位等同对待，因而利用公式[X-Y]补=[X]补+[-Y]补将减法转换为补码加法而利用加法器进行。这时加法器需要接收来自于外部的控制信号以决定对送入的操作数进行加还是减的操作，同时如果进行减操作，需要将送入的B补操作数进行-B补的变换，基于此思路的只包含加法器的加减法运算器结构，如图2：

（二）学生利用实验平台完成实验

学生远程登录虚拟实验仿真平台，阅读实验要求，利用实验平台器件库里面的器件设计出一个n位数的加减法运算器，整个操作过程独立完成。学生利用老师提供的测试样例，进行运算器测试，并记录测试结果。学生根据记录结果及优化目标改进计算方法及对应的运算器架构。学生执行优化算法步骤并观察，记录及改进效率，及时与教师沟通交流、评估改进后运算器的优劣，最终掌握运算器体系架构的设计及优化方法。最后，学生在线提交实验报告，进行问题分析，总结心得体会。

运算器设计的整个过程完全在虚拟实验平台完成，学生在加法器设计失败的情况下，重新进行设计和测试。整个过程不存在器件的损耗，实验效果实时可见，实验不受场地、时间和次数等限制，极大地提高了实验的效果。

（三）教师评估实验效果

虚拟仿真实验平台完整地记录了学生的实验步骤和操作过程，同时给学生提供了上交实验报告的渠道。教师查看平台记录和学生的实验报告，可以清晰地了解学生对相应理论的掌握程度和实验动手能力，从而准确评估实验效果。

利用实验平台提供的信息，教师可以完成三方面的事情：首先，对学生的能力给出准确评价和分数，其次，根据学生的掌握程度有针对性提供相应的辅导，最后，结合实验整体情况改进后续实验内容。

三、结论

本文结合计算机组成原理教学中实验课的需求，设计了基于B/S架构的虚拟仿真教学平台。以学生为本的开放式教学理念：一方面体现在实验平台使用的不受限性上，即学生可以不受场地、时间、次数、器材及器件数量的限制，随时、随地、随意进行实验，而不带来任何附加成本，解决了高校计算机硬件实验室资金、教师资源、场地、时间不足与培养学生创新实践能力教学理念的矛盾。另一方面，体现在教学内容的不受限性上。平台提供基本实验步骤及内容，同时支持学生自主设计开发创新性实验方案，打破了传统实验方式中由教师提供实验方案，学生进行验证的被动式学习模式，能很好地培养学生的创新实践及自主学习能力。实验教学过程中学生是主体，实验教师起到的只是引导、答疑的辅助作用。

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