基于網(wǎng)絡的虛擬實驗平臺的設計與實現(xiàn)

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
系統(tǒng)實現(xiàn)基于Web瀏覽器／業(yè)務邏輯層／數(shù)據(jù)存儲層(B／A／S)的三層網(wǎng)絡架構計算模型，以Java為主要開發(fā)語言。瀏覽器端的展示層以JSP頁 面為主，用戶登陸試驗頁面，選擇以iava applet應用實現(xiàn)的虛擬芯片進行連線。用戶在網(wǎng)頁界面的提示處編寫試驗程序，提交程序到服務器，服務器端的解釋器平臺調用解釋規(guī)則庫，解釋程序結果并 可視化的返回給客戶端。用戶將結果數(shù)據(jù)提交給已連接好的虛擬接口電路，服務器端通過類庫設計定義各類芯片的工作方式、電氣特性、I／0特性和幾何特性等， 確定信號時延。對芯片的各個管腳分別建立子類．定義各管腳的電氣特性、I／0特性和幾何特性等，達到真實地模擬硬件結構，使運算結果與真實硬件相同，實現(xiàn) 對各個接口技術實驗環(huán)境進行仿真。系統(tǒng)可根據(jù)用戶端的不同設計進行重新配置執(zhí)行，使學習者感覺到其所應用的實驗平臺就是真實接口技術實驗室。

3 接口實驗流程建模
一個現(xiàn)實的接口實驗流程如下：學生接到實驗任務，進入實驗室：①打開集成實驗環(huán)境，在計算機上編寫匯編、C語言，通過詞法、語法檢查；②連接集成開發(fā)試驗箱，連接跳線，燒錄程序；③觀察實驗板上的現(xiàn)象，比對試驗結果；④如果與預期結果現(xiàn)象一致，則試驗程序正確，此試驗結束，課后書寫實驗報告，否則轉向；⑤修改程序，調試程序重復②～④。虛擬接口實驗平臺的模式如圖l所示。

4 匯編程序的仿真解釋執(zhí)行
匯編程序是一個接口實驗的基礎，由程序的正確執(zhí)行結果驅動相應的芯片工作產生時序圖，模擬真實的接口實驗環(huán)境，應具備的功能模塊如下：
(1)預處理模塊 除去注釋、偽指令，分析程序語句，分離出指令操作碼，第一、二操作數(shù)，并存儲到指令數(shù)據(jù)表；
(2)數(shù)據(jù)表模塊建立匯編指令所需的寄存器表、內存表，端口表等，并提供通用的數(shù)據(jù)讀、寫接口；
(3)解釋執(zhí)行模塊(規(guī)則庫)核心是建立各類指令的規(guī)則庫，跟蹤模擬程序指針PC的流程，實例化指令碼對應的指令類，取出該條指令的操作數(shù)傳人類對象的成員函數(shù)，進行對應的函數(shù)操作，返回計算結果，并寫入對應的數(shù)據(jù)表；
(4)通訊模塊 建立程序執(zhí)行與虛擬芯片工作的連接，程序執(zhí)行結果能透明的傳遞給虛擬芯片工作接口函數(shù)，并接受虛擬芯片工作后的反饋數(shù)據(jù)，透明的反饋給程序。
仿真解釋執(zhí)行的算法嘲描述：①從用戶程序表中取出一條源程序語句，記錄此語句對應的程序指針PC；②分離出語句中的操作碼、操作數(shù)，在指令規(guī)則庫中查詢其 對應的指令類，若跳轉指令，轉至⑦否則轉至③；③查找數(shù)據(jù)字典中的尋址方式表，實例化出該指令對應的尋址類對象，取出操作數(shù)，調用指令類對象的函數(shù)成員， 接受尋址類對象實例處理后的操作數(shù)，進行函數(shù)運算，刷新其對應的寄存器表或內存表等；④取出各寄存器及內存單元對應的數(shù)據(jù)，以圖表的形式展現(xiàn)在界面上，同 時將其與虛擬芯片相關的數(shù)據(jù)透明的傳遞給通訊接口；⑤計算該指令的運算時問，以靜態(tài)變量保存；⑥PC=PC+1取出下一條指令繼續(xù)執(zhí)行，轉至②；⑦若是無 條件跳轉指令，計算該標志對應的PC值，轉至對應的指令語句執(zhí)行，轉至②；若為有條件跳轉指令，取出狀態(tài)寄存器中該指令對應的PSW值，判斷條件是否成立，如成立按無條件跳轉指令執(zhí)行，否則PC=PC+1，轉至②；若是子程序(中斷程序)，則保存該條語句的PC值，便于程序的返回執(zhí)行，同時按無條件跳轉指令執(zhí)行；若為RET指令則程序結束。

5 虛擬芯片的設計
5．1 設計思想
接口電路設計所用器材包括CPU、TTL門電路、可編程邏輯芯片、負載等。傳輸信號主要分控制、地址、數(shù)據(jù)電源和 地線。為實現(xiàn)實驗電路邏輯性正確與否的檢測，其設計方法是：針對每個芯片建立類，定義各種工作方式、電氣特性、I／O數(shù)據(jù)結構。對其各管腳的功能定義 (I／0特性、信號類型、電氣特性)建立子類，并構造I／0方法，確定信號時延。幾何特性描述芯片的外部特征；工作特性描述芯片的數(shù)據(jù)處理方式(即工作方 式)；電氣特性描述芯片的工作周期；I／O數(shù)據(jù)結構負責芯片工作前數(shù)據(jù)的接受與工作中、后的數(shù)據(jù)輸出。
虛擬接口實驗室要涉及的硬件比較多，而每個硬件的外部幾何特性都不盡相同，在非固定實驗的情況下，用戶總是希望可以自由的選擇各類硬件，這樣就可以動態(tài)地 實現(xiàn)各類硬件的實例化操作。設計時采用硬件多態(tài)的思想，最大化的實現(xiàn)虛擬芯片類庫的復用，即設計抽象于所有硬件的一個主模塊，派生出具體的硬件類，可以實 現(xiàn)用戶隨意選擇芯片，也方便硬件鏈表的統(tǒng)一處理。
5．2 設計實例
5．2．1 設計思想
芯片具體實現(xiàn)包括芯片的幾何特性、工作特性、和電氣特性。幾何特性描述了芯片的外部特征；工作特性描述的是芯片的數(shù)據(jù)處理方式(即工作方式)；電氣特性描述的是芯片的工作周期。不失一般性，在此以8253來說明設計思想和類之間的具體關系。
5．2．2 類圖關系
為實現(xiàn)硬件多態(tài)，設計了硬件模板類、芯片引腳類、8253芯片類3個類，類圖及關系如圖2所示。