基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬接口實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
    西部大開發(fā)為提高西部的教育水平帶來了契機(jī)。建立一個(gè)低成本，易維護(hù)，仿真性好，具有靈活性，覆蓋面廣的系統(tǒng)化的虛擬接口、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來解決西部教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題，成為目前遠(yuǎn)程教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。
    基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的虛擬接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)室。為用戶提供一個(gè)二維的可視化的環(huán)境，用戶通過匯編指令的調(diào)試、執(zhí)行和分析，最終將指令執(zhí)行結(jié)果反饋給以軟件形式展示的硬件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)虛擬硬件工作，產(chǎn)生正確的時(shí)序和波形圖。
    一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬接口實(shí)驗(yàn)室必須具備以下功能：①程序的仿真解釋執(zhí)行(程序解釋器)：模擬執(zhí)行完整的程序段，利用高級(jí)語言的面向?qū)ο蟮募夹g(shù)仿真解釋用戶提交的低級(jí)語言源程序；②虛擬芯片庫平臺(tái)：提供可視化的模擬圖形芯片和一些常見的虛擬門電路，用戶選擇芯片，門電路連線，接受程序執(zhí)行的結(jié)果數(shù)據(jù)，觸發(fā)芯片的工作，產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果的模擬時(shí)序波形圖。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于Web瀏覽器／業(yè)務(wù)邏輯層／數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(B／A／S)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)計(jì)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(yàn)頁面，選擇以iava applet應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的虛擬芯片進(jìn)行連線。用戶在網(wǎng)頁界面的提示處編寫試驗(yàn)程序，提交程序到服務(wù)器，服務(wù)器端的解釋器平臺(tái)調(diào)用解釋規(guī)則庫，解釋程序結(jié)果并可視化的返回給客戶端。用戶將結(jié)果數(shù)據(jù)提交給已連接好的虛擬接口電路，服務(wù)器端通過類庫設(shè)計(jì)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(hào)時(shí)延。對(duì)芯片的各個(gè)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(dá)到真實(shí)地模擬硬件結(jié)構(gòu)，使運(yùn)算結(jié)果與真實(shí)硬件相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真。系統(tǒng)可根據(jù)用戶端的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行重新配置執(zhí)行，使學(xué)習(xí)者感覺到其所應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就是真實(shí)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。

3 接口實(shí)驗(yàn)流程建模
    一個(gè)現(xiàn)實(shí)的接口實(shí)驗(yàn)流程如下：學(xué)生接到實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室：①打開集成實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在計(jì)算機(jī)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(yàn)箱，連接跳線，燒錄程序；③觀察實(shí)驗(yàn)板上的現(xiàn)象，比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果；④如果與預(yù)期結(jié)果現(xiàn)象一致，則試驗(yàn)程序正確，此試驗(yàn)結(jié)束，課后書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，否則轉(zhuǎn)向；⑤修改程序，調(diào)試程序重復(fù)②～④。虛擬接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)接口實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，由程序的正確執(zhí)行結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的芯片工作產(chǎn)生時(shí)序圖，模擬真實(shí)的接口實(shí)驗(yàn)環(huán)境，應(yīng)具備的功能模塊如下：
    (1)預(yù)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(chǔ)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(nèi)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(shí)例化指令碼對(duì)應(yīng)的指令類，取出該條指令的操作數(shù)傳人類對(duì)象的成員函數(shù)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)操作，返回計(jì)算結(jié)果，并寫入對(duì)應(yīng)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(jié)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的指令類，若跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)至⑦否則轉(zhuǎn)至③；③查找數(shù)據(jù)字典中的尋址方式表，實(shí)例化出該指令對(duì)應(yīng)的尋址類對(duì)象，取出操作數(shù)，調(diào)用指令類對(duì)象的函數(shù)成員，接受尋址類對(duì)象實(shí)例處理后的操作數(shù)，進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，刷新其對(duì)應(yīng)的寄存器表或內(nèi)存表等；④取出各寄存器及內(nèi)存單元對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，以圖表的形式展現(xiàn)在界面上，同時(shí)將其與虛擬芯片相關(guān)的數(shù)據(jù)透明的傳遞給通訊接口；⑤計(jì)算該指令的運(yùn)算時(shí)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(zhuǎn)至②；⑦若是無條件跳轉(zhuǎn)指令，計(jì)算該標(biāo)志對(duì)應(yīng)的PC值，轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的指令語句執(zhí)行，轉(zhuǎn)至②；若為有條件跳轉(zhuǎn)指令，取出狀態(tài)寄存器中該指令對(duì)應(yīng)的PSW值，判斷條件是否成立，如成立按無條件跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行，否則PC=PC+1，轉(zhuǎn)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(shí)按無條件跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行；若為RET指令則程序結(jié)束。

5 虛擬芯片的設(shè)計(jì)
5．1 設(shè)計(jì)思想
    接口電路設(shè)計(jì)所用器材包括CPU、TTL門電路、可編程邏輯芯片、負(fù)載等。傳輸信號(hào)主要分控制、地址、數(shù)據(jù)電源和地線。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路邏輯性正確與否的檢測(cè)，其設(shè)計(jì)方法是：針對(duì)每個(gè)芯片建立類，定義各種工作方式、電氣特性、I／O數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)其各管腳的功能定義(I／0特性、信號(hào)類型、電氣特性)建立子類，并構(gòu)造I／0方法，確定信號(hào)時(shí)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(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)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(shí)驗(yàn)室要涉及的硬件比較多，而每個(gè)硬件的外部幾何特性都不盡相同，在非固定實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)各類硬件的實(shí)例化操作。設(shè)計(jì)時(shí)采用硬件多態(tài)的思想，最大化的實(shí)現(xiàn)虛擬芯片類庫的復(fù)用，即設(shè)計(jì)抽象于所有硬件的一個(gè)主模塊，派生出具體的硬件類，可以實(shí)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(shè)計(jì)實(shí)例
5．2．1 設(shè)計(jì)思想
    芯片具體實(shí)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(shè)計(jì)思想和類之間的具體關(guān)系。 
5．2．2 類圖關(guān)系
    為實(shí)現(xiàn)硬件多態(tài)，設(shè)計(jì)了硬件模板類、芯片引腳類、8253芯片類3個(gè)類，類圖及關(guān)系如圖2所示。

6 虛擬芯片操作
    對(duì)設(shè)計(jì)好的虛擬芯片要進(jìn)行移動(dòng)、縮放、芯片間連線、連線變形和連線正確性檢測(cè)等操作。
6．1 芯片移動(dòng)位置重疊算法
    當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置在模型內(nèi)部或外設(shè)輸入操作時(shí)觸發(fā)函數(shù)，首先跳入一個(gè)判斷函數(shù)，判斷鼠標(biāo)移動(dòng)釋放后的位置或者輸入?yún)?shù)使新模型處于以前模型的什么位置，如是左上，則首先判斷變化特征點(diǎn)(左上點(diǎn))的X坐標(biāo)是否大于在定點(diǎn)(右下點(diǎn))的第2象限(即左上)區(qū)域障礙物特征點(diǎn)X坐標(biāo)。大于則返回值為ture，操作可行，按照繪制算法重新繪制硬件模型和連線；不大于，函數(shù)跳入判斷Y坐標(biāo)函數(shù)，變化特征點(diǎn)的Y坐標(biāo)是否小于在定點(diǎn)(右下點(diǎn))的第2象限(即左上)區(qū)域障礙物特征點(diǎn)Y坐標(biāo)。小于則返回值為true，操作可行，按照繪制算法重新繪制硬件模型和連線，不小于，則再次判斷對(duì)角點(diǎn)(右下點(diǎn))的X坐標(biāo)是否小于在定點(diǎn)(右下點(diǎn))的第2象限(即左上)區(qū)域障礙物特征點(diǎn)X坐標(biāo)。小于則返回值為true，操作可行，按照繪制算法重新繪制硬件模型和連線；不小于，函數(shù)跳入判斷Y坐標(biāo)函數(shù)，變化特征點(diǎn)的Y坐標(biāo)是否大于在定點(diǎn)(右下點(diǎn))的第2象限(即左上)區(qū)域障礙物特征點(diǎn)Y坐標(biāo)。大于則返回值為ture，操作可行，按照繪制算法重新繪制硬件模型和連線，不大于，返回值為false，操作失敗，返回初值。與縮放算法類似，因?yàn)榭赡艽嬖诳缭娇尚行?，要進(jìn)行兩個(gè)特征點(diǎn)的兩次判斷。當(dāng)移動(dòng)位置是右上、左下、右下時(shí)，函數(shù)流程基本相似，只是判斷大小的函數(shù)載入順序不同。(以下以2個(gè)模塊為例．其中坐標(biāo)前一位是模塊號(hào)，后一位1表示左上點(diǎn)，2表示右下點(diǎn))由算法分析得出表1所示結(jié)果。由表1可知，只有當(dāng)X組位置坐標(biāo)大小關(guān)系和Y組位置坐標(biāo)大小關(guān)系都不相同時(shí)位置才重疊。

6．2 芯片間連線變形算法
    完成對(duì)象起點(diǎn)和終點(diǎn)的連線。要求連線不重合，不穿越芯片，盡可能美觀，芯片位置參數(shù)變化時(shí)線條繪制更新等。
    連線變形算法的詳細(xì)描述如圖3所示。(DrawLine()表示連線方法，GerPointx()表示獲得x軸方向的方法，GetPointy()表示獲得Y軸方向的方法)。連線效果圖如圖4所示。

7 結(jié)語
    虛擬接口試驗(yàn)平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)對(duì)8086匯編語言和MCS一51指令系統(tǒng)的仿真模擬解釋，同時(shí)模擬出8053和8255接口芯片的部分功能，幾個(gè)重要算法的實(shí)現(xiàn)在測(cè)試過程中體現(xiàn)出良好的時(shí)間與空間性能。由于虛擬接口實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)還處于實(shí)驗(yàn)性研究階段，對(duì)接口編程語言的解釋執(zhí)行功能比較完善，且可解釋的語言種類還比較單一，應(yīng)豐富可解釋語言的種類，同時(shí)虛擬芯片庫的內(nèi)容還需大量擴(kuò)充，達(dá)到種類齊全的所有接口芯片的模擬。