面向虚拟教学实验室的虚拟机设计与实现

摘要

随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟实验教学已成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段。国外对虚拟教学实验室的研究始于上世纪80年代末。近年来，国内也开始不断开展虚拟教学实验室的研究，但现有的虚拟教学实验室在可重用与可扩展等方面还存在着局限性。将虚拟机技术引入虚拟教学实验系统，提出一种面向虚拟教学实验室的虚拟机，可有效地提高虚拟教学实验室的可重用性与可扩展性。
　　 在对虚拟机体系结构与虚拟教学实验室的特点进行分析的基础上，构建了面向虚拟教学实验室的虚拟机模型，模型包括CPU、存储系统以及I/O系统三大模块。指令系统是CPU模块中最重要的组成部分。依据虚拟实验室的需求，提出虚拟机指令的设计原则与步骤，建立指令解释模型，并在模型基础上设计出指令的流水线仿真算法，提高了CPU的指令执行效率。通过对虚拟机存储结构的分析，提出了构建虚拟机存储系统的数学模型，并依据此模型设计出两种适合面向虚拟教学实验室虚拟机的存储结构。通过分析虚拟机I/O系统，结合面向对象的建模方法，构建了以I/O接口仿真为核心的虚拟机I/O系统模型。
　　 在建立理论模型的基础上，对面向虚拟教学实验室的虚拟机进行了实现，并已应用于微机原理虚拟实验室系统中。实验运行结果表明，该虚拟机能够正常稳定地工作，达到了预期的效果。研究成果较好地解决了目前虚拟教学实验室中存在的重用性与扩展性等问题，并为虚拟教学实验室的研究提供了一个新的视角，具有广泛的应用前景。