计算机硬件虚拟实验室的设计与探讨

冯永健

（广东石油化工学院 广东 525000）

1 虚拟实验室总体设计

1.1 系统架构

计算机硬件虚拟实验室主要为学生提供学习的虚拟仿真环境。整个系统由设备库、虚拟元器件库、虚拟实验平台以及虚拟实验室的管理与维护这三部分组成。由虚拟实验平台提供网络访问的服务器，在学生进行虚拟硬件实验的过程中，可通过实验平台的功能来实现程序的设计、运行以及信号的检测等，主要是以仿真的面包板为中心，并结合仪表、IC元器件库、电路板制作工具等，来帮助学生实现数字电路的模拟、设计、除错与调适等[2]。当学生进行计算机硬件实验时，把所用的IC元件插到面包板内，再运用电线对IC元件进行联接；完成电路设计后，接上电源、开关、时序脉冲、LED等，同时监测电路的运行；如果电路运行不恰当，可通过探测棒、示波器等帮助除错。在虚拟实验平台上，面包板是实验设计和运行的关键，在实验设计时，其主要是用于联接电线和IC元件，在硬件实验运行过程中，主要发挥传输电平信号的作用。

1.2 实验平台设计

通过对整个计算机硬件虚拟实验平台进行详细分析，并结合系统的特点，来设计整个系统。对于实验平台的设计，主要包括以下几种：

（1）通用器件类：主要是用以封装相对应的虚拟元器件，以便提供标准规范的器件尺寸与外观形态，从而实现引脚信号扩散、器件移动以及其它功能。

属性：chip As Object ’具体器件的指针，指向某个虚拟器件类的实例

方法：Paint （）’画出器件的外观

事件：ValueChange（）’当电平改变时，将信号数据扩散到与之相连的控件上

（2）虚拟器件类:可运用虚拟器件对IC元件的结构与功能进行模拟。

（3）虚拟仪表仪器类：主要是对微机实验中常见的仪表仪器进行仿真模拟，为各种常见的仪表仪器定义一个类，而其实体对应于一个具体的仪表或仪器，例如开关、电源、LED、信号发生器、探测棒、示波器等[3]。

（4）虚拟电线类：可对微机实验中的电线功能进行模拟，并可提供多种不同颜色的电线。

（5）虚拟面包板类：可对面包板功能进行模拟。运用虚拟插孔承接电线与IC元件的虚拟引脚，从而在面包板上实现器件的联接、信号扩散等其他辅助功能。

1.3 系统功能

CHSVL系统为用户提供了一个可以实现计算机硬件模拟实验的仿真环境，可让学习者在网络环境下进入到虚拟实验室，并按照实验教学大纲中所规定的内容，进行微机实验。该系统主要有以下几方面的功能：

（1）可添加扩充设备与元器件。CHSVL系统提供了开发虚拟元器件的环境，使用者根据实际情况，自由选取虚拟元件库中原有的模型，并通过改变其属性、重新组合元件的方式，从而形成新的虚拟元件，方便使用者进行硬件实验[5]。

（2）实现计算机硬件的仿真试验。CHSVL系统有良好的人机接口，这一特点对于协助用户完成硬件电路的设计有很大帮助。此外，还配备有单步执行方式、虚拟数字示波器、虚拟探测棒等来协助除错工作，并将计算机硬件实验的内容储存成文件形式，以便用户能够进行连贯性实验，或是作为以后参考的依据。

（3）信息共享功能。使用者可通过运用广播形式或私有形式，和其他使用者进行数据共享和信息交流，可向其他用户传递自己的设计思想或是微机实验的结果数据，亦可在出现疑难问题无法解决时，和其他用户讨论解决方案[6]。

（4）实验清除与复原的功能。CHSVL系统具有清除与复原的功能。清除指的是清除实验设计工作区上的所有组件，而如果仅仅要单独删除某一组件，则应将鼠标移至该组件上，然后选择菜单中的删除操作；复原指的是在电路实验出现错误的情况下，可将其返回到前一状态，即消除当前错误。

（5）自动化电路侦错功能。CHSVL系统具有自动侦查、检测人为疏忽的功能。在实验电路编辑结束后，合上电源开关进行仿真，此时该系统会检测用户设计的电路，以便发现是否存在人为的疏忽。

（6）显示电路图，方便用户操作。学习者在进行电路编辑时，通常会使用IC手册，以便随时查阅自己所需要的IC资料。为了学习者使用上的方便，在CHSVL系统中添加了这项功能，并提供一些计算机硬件电路试验的实例[7]。学习者只需把鼠标移至该IC处，右击鼠标便可看到该IC的属性数据以及相应的电路图，并且其引脚图形对应于IC芯片外观图形，只需根据界面上显示的资料，便可直接进行配线作业。

（7）自动捕获功能。在虚拟平台上进行程序编辑时，在系统中设置鼠标捕获功能，这给用户在接线过程中提供了很大的方便。例如在选择某一连线或某一IC芯片时，只需把鼠标移动至所需位置，在系统的自动化操作下，把IC芯片或连线调至背景网络里，在对准位置后，便可取得准确的地址。

2 虚拟计算机硬件环境的实现

2.1 元器件的联接

在虚拟实验室中，主要是通过运用引脚来实现不同元器件的联接。在计算机硬件虚拟实验过程中，连线是信号传输的介质，其以Avtive控件的形式存在，是一个独立的整体，在外观上，通过连线的线和点控制，从而实现连线工作正常运行。在Sender函数作用下，针对一对一的连接模式，可实现对信号接收与信号发送的控制，在此过程中不会出现信号的冲突。然而在多种不同的对接连线中，存在大量信号的同时接收或发送，在系统抗干扰能力较弱的情况下，往往会出现一定的冲突。虚拟实验有其自身的特点，针对同一时间不同信号的接收与发送，可通过进行适当的逻辑处理，在信号源分析它们存在的不同关系，然后在进行逻辑处理时，将多种对接连线转变成一对一对接的连线类型。具体的实施方法是：首先分析各个信号端的关系，同时确定出其属于何种连线类型，若为只发送一个信号，而有不同点的接收，则属于一对多的连线类型；如果是多信号发送、多不同接收点，则可判断为多对多的对接连线类型。通过进行详细分析后在电路中设置逻辑门电路，在其作用下，能够很好地实现一对一的连线工作。

2.2 实验过程中对信号的控制

在用户进行计算机硬件虚拟实验时，通常将数字信号当作数据处理的对象，对电路和虚拟元器件的关系进行分析。在虚拟实验平台中，虚拟连线是重要的信号介质，这主要体现在：若虚拟元件里的关系出现变化后，引脚值也出现相应变化，会造成信号连线的连线值随之发生改变，这种情况被称为电路触发，主要是通过Sender方式来实现的。

3 并行处理技术

3.1 仿真运行模块

CHSVL系统是虚拟机的实验平台，其主要由以下四个模块构成：编译模块、引脚模块、信号输出模块及虚拟机仿真运行模块。在系统的运行过程中，必须保证能够实现编译、数据检测与数据输出的操作，只有这样，才能确保计算机硬件虚拟实验环境不受影响。

3.2 多线程、多缓冲区技术

在虚拟机实验中，主要是通过运用多线程来实现多种不同系统操作，从而提高各种线程之间的通信效率，使系统操作更加快捷、方便。通过数据缓冲方式，虚拟机可实现不同模块的同时间运行。由于虚拟及仿真运行模块占用系统时间较长，为了实现同步运行要求，实验系统通常采取的是缓存机制，在引脚模快、编译模块、仿真运行模块以及信号输出模块设立对应的缓冲区，从而实现多模块同步运行和多线程的同步控制[8]。

4 结束语

总之，计算机硬件虚拟实验平台能够充分实现硬件电路的仿真连接设计，为计算机专业的学习者提供了更好的学习环境。但是在设计与应用过程中依然存在一些不足，例如在使用虚拟机时，往往出现连贯性不强、互动性差等缺点，并且在使用软件过程中，功能不容易操作，操作步骤复杂等[9]。因此在实际工作中，要不断探索创新，完善对虚拟实验室的开发与设计，只有这样，才能为大型虚拟实验室提供良好条件。

[1]黄家瑜,李云.计算机硬件实验教学改革的探讨[J].福建师范大学学报(自然科学版).2011,6(02):59-60.

[2]蔡妙娴,杨路明.计算机硬件虚拟实验平台的设计及实现[J].计算机与数字工程.2012,9(01):59.

[3]王旭华.探究虚拟机技术与计算机网络实验[J].电脑知识与技术.2012,4(11):47