计算机硬件实验虚拟仿真平台的设计

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1．1课题背景尚等院校计算机相关专业的专业课程和专业基础课程开设了一系列的硬件类实验，以增加学生的感性认识，提高动手能力。比如数字逻辑、计算机组成原理、微机原理、接口技术、单片机等课程都开设了相应豹硬件类实验。早期的实验方法，需要焊接电路芯片或在面包板上接插电路芯片。这虽然有助于学生增加感性认识，但工作的繁琐性大大限制了实验的复杂程度。有些实验根本无法傲，或无法获得应有的效果。现在一般采tI=

2、j专用的硬件实验教学设各作为实验平台。目前有多个厂商开发这类专用的硬件实验

3、教学设备。其形式大多为集成了实验所需电路豹实验箱。除极少数实验类型的设备之外，一般都古有处理器系统，甚至是多处理器系统。除实验对象本身豹目标处理器之外，还需要管理处理器，以处理实验设备的内务。实验设备内部已包含了实验类型所需的电路元件，一般Z；需要更换电路元件。实验设备内部也完成了电路元件的基本连线，操作者一般只需根据实验内容改变部分连线，可以使用跳线、开关等方式。麓察实验维栗可以通过撵示灯等形式。带有处理器的实验设备一般都提供了小键盘和LED数码显示屏，以方便操作。不少现代的机型都提供了与通用计

4、算机联机操作的机制，可以使用通用计算机的键盘、鼠标，在显示器上进行编程、调试等操作，但硬件电路的连线操作仍需要手工进行。更有一些规型提供了纯软件方式的操作，但其功能非常有限，局限于少数几种预先定义好实验类型，不能自由的搭配电路。这些专用实验设备的技术含量远不如通用计算机，但由于其生产规模远小于通用计算机，因此成本反而高于通用计算机。不同实验课程的实验，其实验原理、实验层次、实验方渡都不尉，涉及盼电路元件更是千差万别，因此每门实验课程郝需要配备专门的实验设备。实验操作采用跳线、开关等操作。很容易产生

5、机械、电子故障，实验设备的使用寿命一般很短。所以采用专用实验设备进行实验，经济成本是丰日当高的。专用实验设备内部完成了电路元件的基本连线，因此实验时减少了连线的工作量，有利于加快实验进程，但另一方面也减少了学生对电路结构的旗性认识，与在华中科技大学硕士学位论文书本上看到的电路图没有多少区别。因为电路元件及其连线已经基本固定，所以实验内容也就基本固定了。实验过程中需要完成的电路连线也只是依样画葫芦，不容易发挥主动性。实验数据的输入、实验现象的观察，采用实验箱单独操作时，也是非常不便的，与现代计算机的

6、概念相差甚远。采用联机方式时效果较好，甚至可以单步运行以观察各部分的状态变化。综上所述，专用硬件实验教学设备成本高fI】，实验内容受硬件配置的限制嘲，操作不便【3】，容易损坏14】。这是与计算机技术的发展现状不相适应的。利用软件仿真技术来虚拟硬件系统进行实验不仪可以大大地降低实验成本【”，也有利于提高教学效果。利用仿真软件在通用计算机上虚拟的进行计算机硬件类实验，所需成本仅为～次性的软件开发和维护费用，以及每台通用计算机的使用费用。如果仿真软件能够通用于多门课程的实验，则成本可以成倍数的降低。特别

7、是如果该软件是可以由用户自行扩充的，则二次开发的成本也可免去。利用仿真软件的可视化界面，学生可以实现电路设计、元件选择、布局、连线、设定数据、编写程序、运行电路、观察运行状态等一系列的操作，对整个硬件电路的结构、运行过程以及电路的开发过程会有更清楚的认识[⋯。学生可以不受限制的发挥想象，实现各种电路的设计17】。还可以自行开发元器件，实现仿真软件自身的扩充。纯软件的仿真实验也有其弱点，不能直接对硬件电路进行测试。可以考虑外接一个接u电路，用于连接需要测试的硬件电路。因为该接口电路只起连线作用，所以

8、可以连接不同的电路。该接口电路的成本也会相当低廉。这样的仿真软件不仅可用于教学实验，也可用于教师的课堂教学演示。当仿真软件在功能、精度和时间特性上进一步提高以后，也可用于研究实验和开发实验。1。2技术和理论基础1．2．1虚拟电子实验技术虚拟实验是当今国内外最热门的技术之一}“j。虚拟实验可以大大降低实验成本，实现一些现实环境中无法完成或难以完成的实验。许多高科技、高投入、高风险的项目，都采用了虚拟实验技术【”。q。例如核能、宇航、天体、气候、洋流、地壳运动，都可以进行模拟。华中科技大学硕士学位论文

9、虚拟实验在民用领域主要用于产品研发和实验教学””。其中电子电路的设计和分析是虚拟实验在民用领域发展最成熟的应用‘”，”]。电子电路的设计和分析现在已基本可以在计算机上的实现，无需搭建实际电路，这就是电子设计自动化(EDA)118】。电子设计自动化有相当多的商业化产品【19】，如spice、Pspice、EwB、Protcl、MAx+P1usII、systemview、ispBxperc、F㈣dadonseries、QuartIlsI产⋯、Mutisim口”、IcAP／4等【22l。