顧秀軍

南京交通技師學(xué)院

基于多線程的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧秀軍

南京交通技師學(xué)院

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了我們生產(chǎn)、生活和教育中不可缺少的一部分，隨著遠(yuǎn)程教學(xué)和世界各個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作的不斷增加和多樣化，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過虛擬技術(shù)來完成已經(jīng)是大勢(shì)所趨。本人在多線程的基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一些研究和探索。

多線程計(jì)算機(jī)硬件；虛擬實(shí)驗(yàn)室；人機(jī)交互處理

1 前言

虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了時(shí)間和地點(diǎn)的限制，大大減輕了研究者的額外負(fù)擔(dān)，還可以減少元件和設(shè)備的損耗，讓使用者克服實(shí)際計(jì)算機(jī)操作中硬件不能滿足實(shí)驗(yàn)的困難，所以一種計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有著十分重要的意義。所以長(zhǎng)期以來我國(guó)科技研究人員始終致力于基于多線程的基選集硬件虛擬實(shí)驗(yàn)的研究。

2 計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成

要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的多線程虛擬實(shí)驗(yàn)室，需要的主要部件有以下幾個(gè)。編碼器、譯碼器、虛擬內(nèi)存芯片數(shù)據(jù)庫，能夠生成數(shù)字信號(hào)的儀器，數(shù)字示波器等硬件構(gòu)成。這一套系統(tǒng)是一個(gè)虛擬的平臺(tái)，其作用是組成一個(gè)虛擬電腦，把虛擬生成的電路芯片和CPU芯片整合在一起，按照具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該系統(tǒng)是由四個(gè)模塊構(gòu)成：（1）圖形化編碼模塊。其主要功能是把取樣檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形編碼處理，輸出顯示在虛擬顯示器上。（2）能夠檢測(cè)信號(hào)的模塊。該模塊的主要作用是對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的生成信號(hào)進(jìn)行取樣，并對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。（3）虛擬計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行模塊。其主要組成部分有虛擬主板芯片集、CPU、內(nèi)存、SCSI和IDE磁盤設(shè)備、端口以及顯示設(shè)備等，其主要仿真虛擬計(jì)算機(jī)在虛擬環(huán)境中運(yùn)行。（4）輸出模塊。其功能是把圖形化的編碼信息輸出。

模塊與模塊之間存在著一定的聯(lián)系，虛擬電腦運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的模塊也同時(shí)在運(yùn)轉(zhuǎn)，并將檢測(cè)到的信號(hào)編碼輸出。檢測(cè)信號(hào)的模塊、虛擬計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行模塊、輸出模塊存在著串聯(lián)關(guān)系，即先進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，將測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行編碼，然后將編好的碼輸出，這三個(gè)模塊是一環(huán)套一環(huán)，后續(xù)處理依賴于前面的數(shù)據(jù)。由于模塊之間存在搶占操作，數(shù)據(jù)之間還有相對(duì)應(yīng)的處理順序，所以必須虛擬電腦進(jìn)行運(yùn)行、編碼、數(shù)據(jù)加測(cè)和輸出并行操作，如若不然就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的交互性產(chǎn)生很大的影響。所以解決虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬環(huán)境的并行操作是一個(gè)關(guān)鍵問題。

3 多線程計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)組成

虛擬實(shí)驗(yàn)室可以調(diào)度的最小單位是線程，任何程序都可以用多個(gè)線程來完成，多個(gè)線程可以共用一個(gè)地址空間，這種方式可以讓線程之間的聯(lián)系簡(jiǎn)單高效。因此計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)可以利用線程時(shí)間片和優(yōu)先級(jí)別在線程之間進(jìn)行調(diào)度，就可以實(shí)現(xiàn)模塊并行工作。計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室使用數(shù)據(jù)緩沖的方法來保證模塊數(shù)據(jù)的同步。虛擬是實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)模塊所占有的運(yùn)行時(shí)間各有不同，所以為了讓數(shù)據(jù)在模塊之間同步，對(duì)數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行緩存，為此我們?cè)O(shè)計(jì)四個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)經(jīng)模塊處理之后的數(shù)據(jù)。（1）圖形化編碼緩沖區(qū)。這個(gè)的作用是存儲(chǔ)經(jīng)過檢測(cè)信號(hào)緩沖區(qū)圖形編碼后的數(shù)據(jù)。（2）信號(hào)檢測(cè)緩沖區(qū)。儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)點(diǎn)的取樣信號(hào)。（3）顯示緩沖區(qū)。用于存貯虛擬示波器輸出的數(shù)據(jù)。（4）時(shí)序緩沖區(qū)。用于存儲(chǔ)虛擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)。計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)模塊互相作用，其對(duì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行共享但是又會(huì)搶占系統(tǒng)資源。為此我們就要設(shè)計(jì)一個(gè)線程作為輔助應(yīng)用到每一個(gè)模塊上面，通過線程來對(duì)共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，然后再通過設(shè)定的優(yōu)先級(jí)別來讓線程并行運(yùn)行。

4 計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)多線程調(diào)度實(shí)現(xiàn)的操作

計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的線程輔助存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理，線程的等待運(yùn)行狀態(tài)和緩沖區(qū)的空滿狀態(tài)是緊密相連的。在取樣信號(hào)的緩沖區(qū)為空的時(shí)候，就應(yīng)該激活信號(hào)檢測(cè)線程來為取樣信號(hào)緩沖區(qū)記錄數(shù)據(jù)，如果取樣信號(hào)緩沖區(qū)狀態(tài)為滿的時(shí)候，就應(yīng)該激活圖形化編碼中的線程，將其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和編碼處理。因此，為了各相對(duì)應(yīng)的線程能夠在緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換狀態(tài)的時(shí)候處于激活狀態(tài)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室采用“事件驅(qū)動(dòng)”來實(shí)現(xiàn)線程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。按照設(shè)置緩沖區(qū)的不同，操作系統(tǒng)會(huì)設(shè)置相應(yīng)的事件與之一一對(duì)應(yīng)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)線程的事件有如下過程：（1）用戶對(duì)主線程進(jìn)行指令操作的時(shí)候，如果時(shí)序緩沖區(qū)為空、則線程被激活，時(shí)序信號(hào)被傳到時(shí)序緩沖區(qū)，并使?fàn)顟B(tài)變?yōu)闈M。當(dāng)信號(hào)被用戶輸出的時(shí)候，信號(hào)線程及檢測(cè)信號(hào)的線程就變?yōu)檫\(yùn)行。（2）當(dāng)時(shí)序緩沖區(qū)狀態(tài)為滿、取樣狀態(tài)為空，檢測(cè)信號(hào)的線程就被激活，緩沖區(qū)的信號(hào)就被傳輸?shù)饺拥却齾^(qū)，傳過去之后，時(shí)序緩沖區(qū)變?yōu)榭?，取樣緩沖區(qū)變?yōu)闈M。（3）取樣緩沖區(qū)為滿，圖形編碼的信號(hào)緩沖區(qū)為空時(shí)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)可以運(yùn)行，在這種狀態(tài)下就需要激活圖形編碼線程，將數(shù)據(jù)編碼后傳到圖形編碼區(qū)，這樣取樣緩沖區(qū)就為空，圖形編碼緩沖區(qū)的狀態(tài)為滿。主線程主要負(fù)責(zé)每個(gè)輔助線程并且對(duì)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置，一個(gè)線程如果用完了自己的時(shí)間配額時(shí)，如果沒有其他優(yōu)先級(jí)線程，那么它將會(huì)重新獲得一個(gè)時(shí)間配額，繼續(xù)運(yùn)行，一旦由現(xiàn)成搶占，它將會(huì)排在優(yōu)先級(jí)的首位，在線程運(yùn)行的過程中要對(duì)主線程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻掌握它的運(yùn)行狀態(tài)，并將它的標(biāo)志設(shè)置為“允許運(yùn)行”。

圖1 多線程進(jìn)程的模型

5 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模塊與數(shù)據(jù)之間的并行運(yùn)行，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和仿真性得到極大的提高，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，基于多線程的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，為計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)工作提供了高度的仿真和交互的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

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10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.048