计算机组成原理仿真实验系统设计探讨

计算机组成原理仿真实验系统设计探讨

摘要：计算机组成原理仿真实验系统对于改善课程实验教学环境，提高实验教学质量有显著促进作用。本文根据课程实验教学的实际需求，分析介绍了计算机组成原理仿真实验系统的设计过程。

关键词：仿真实验系统

《计算机组成原理》作为高校计算机专业核心基础课程，具有较强的理论知识性和实践应用性，是学生专业学习之路的基石。课程重点讲解计算机硬件部件构成及工作原理，构建完整的计算机系统。由于本课程具有综合性强、知识面广、理论抽象性强，授课相对比较枯燥，学习难度较大的特点。为提高教学质量，降低学习难度，实验教学在整个课程教学中的作用显得尤为突出。通过实验课程，学生可以对理论知识进行验证、巩固和综合应用，在激发学生学习兴趣的同时，还能够帮助学生深入理解和掌握计算机整体架构及工作原理。因此，有效提高实验教学质量，改革实验教学方式成为课程教学的关键点。

1 系统设计的目的

各级高校在开展《计算机组成原理》实验教学时，常以实体实验箱作为实验教学载体。该类实验箱通常是将计算机各逻辑组成芯片全部做好并焊接在实验板上。学生的实验过程，就是按照实验指导的要求完成线路连接，然后观察实验结果。这种实验方式，在相当程度上限制了实验活动的开展，它的主要问题体现在：

（1）实验项目设计必须基于已有实验箱设备，受限于硬件条件。由于实验仪器设备费用较高，器件扩展困难，设备更新换代速度较慢，不利于实验项目改进和发展；而随着设备使用时间的增长，设备的损耗程度不断增大，降低了学生的实验成功率，挫伤了学生的学习兴趣和热情。

（2）具体的实验细节和微观现象无法体现。由于实验箱设备集成度过高，学生实验过程只是一个完成简单线路连接的过程，学生无法观察和学习具体的实验细节和实验过程中的微观现象，实验教学就成了一种空谈。

（3）无法实时跟踪学生的实验流程。对教师而言，实验考核常采用检查项目完成情况、提问或答辩的形式，无法实时跟踪学生的具体实验过程，一方面，难以全面了解学生的实验情况，另一方面，也难以防止学生在实验中作弊。

（4）使学生参加实验的时间固定，开展实验的方式不够灵活。

（5）使学生进行实验的空间受限，它必须是专业实验室或配备有专门实验设备的场地。

为突破传统实验教学方式的困局，各大高校都在积极地进行实验教学改革，探索新的实验教学方式。笔者通过广泛的文献调研发现：使用仿真实验系统辅助实验教学对于实验成功率和学生实践动手能力的提高有相当的促进作用。因此，笔者根据我校《计算机组成原理》

课程教学需求，设计开发了计算机组成原理仿真实验系统。

针对传统实验方式的弊端，笔者确立了计算机组成原理仿真实验系统的设计目标：

（1）建设一个模拟实体实验箱功能的无损耗开放性实验室。仿真实验系统要求能够完全模拟出在实体设备上开展的各类实验项目，并在实验过程中向学生反馈实验问题，引导学生及时纠正，通过“查错—纠正”的方式帮助学生巩固和深入基础理论知识。另外，这种仿真系统还避免了硬件损耗的问题，节约了教学成本。

（2）克服传统实验实验室硬件条件、实验时间和实验空间的限制。根据实验项目设计和改进需求，可对仿真实验系统进行器材资源库的不断更新和升级。学生可以在任意时间、任意地点使用仿真实验系统根据自己的学习现状有针对性进行各类实验，使实验教学的灵活性大大提高。

（3）实现远程终端控制和通信。通过远程终端控制和通信功能，教师既可控制学生端的设备，进行实验过程的演示和教学；也可以实时了解学生的实验步骤，从而及时调整实验教学的节拍和内容。

2 系统功能分析

计算机组成原理仿真实验系统划分出组成系统的物理元素：程

序、文件、数据库、人工过程和文档。本系统涉及简单的数据库的设计和应用，以及较为复杂的图形图像处理，包含多功能模块，以及多界面，故选择通过基于MFC开发框架的人机交互界面来完成本系统的设计，降低开发成本和软件复杂度。笔者在针对各级院校本课程实验教学内容（重点关注本校）充分调研的基础上，为实现系统开发目标，设计了系统的主要功能。系统的功能结构图如图1所示。系统功能主要分为三个模块。

（1）仿真实验模块：该模块可面向所有用户模拟实现《计算机组成原理》实验项目，并完成相关实验项目文档的生成工作，以便生成教学资料库，为硬件课程综合实验的开展作铺垫。

在此模块下，可建立芯片资源库，用户可以根据需要访问芯片库，并可完成添加芯片、删除芯片、设置芯片部分属性及查找实验所需芯片功能；用户在完成实验项目设计后，可将选用的芯片及其它逻辑元器件根据设计线路连接起来；根据实验需要生成相关控制信号，模拟实验项目的运行过程；观察分析实验结果，并可根据需要打印相关文档；跟踪学生的实验过程，实现自动报错功能，如果实验操作不当，或者线路接错，会自动提示错误，帮助学生快速查找并解决实验问题；自动记录用户实验的每个操作步骤，产生快照，生成文档；各用户之间可以通信交流，可以实现类似QQ 的聊天通讯，查看个人信息以及文件传输等。

（2）终端控制模块：该模块面向教师、管理员或授权用户，用以实现合法用户对实验流程的展示和实验教学过程的跟踪。

在此模块下，合法用户可以控制网内的所有终端设备，进而演示实验的整个操作流程以及实验步骤；可以向学生发送广播消息，告知学生需要完成的实验任务或试验步骤以及文件等；可以查看学生的实验记录文档，校验学生的实验步骤。

（3）系统后台管理模块：该模块面向教师、管理员或授权用户，用于实现合法用户对实验系统后台的管理。基于当前模块：1）在联网的情况下，可自动更新芯片库以及其它器材库同步到网络服务器；可自动更新用户数据库，并同步到网络服务器；

2）在无网络情况下，可以手动更新器材库，手动导入芯片数据；并可手动导入用户数据库。

3 结语

计算机组成原理仿真实验系统虚拟了一个可实践终端控制，模拟实体实验箱功能的无损耗实验室。学生利用仿真实验系统设计并实践各类硬件实验，对加深学生对理论知识的理解，改善实验教学效果，