Virtualizace v architekturě počítačů Virtualization in architecture of computers Michal Bílek * Abstrakt Vysoká škola polytechnická v Jihlavě využívá pro výuku odborných předmětů různé modely a virtualizace. Jedním z předmětů, ve kterém se využívá virtualizace, je architektura počítačů. Zejména na cvičení je využívána virtualizace číslicových obvodů. Program Deeds umožňuje otestovat funkci základních logických i sekvenčních obvodů. V další části cvičení se programují mikrokontroléry, ale ty vyžadují fyzický přístup k mikrokontroléru a k periferiím. Úvod do programování je realizován na mikrokontroléru Arduino UNO s možností připojit různé periférie jako jsou přepínače a LED diody. Cílem mého příspěvku je představit další možnosti virtualizace a to právě možnost virtualizovat mikrokontrolér Arduino UNO a další periférie bez nutnosti fyzického přístupu k mikrokontroléru a k perifériím. Tuto virtualizaci lze realizovat pomocí programu Virtual Breadboard a jeho součásti Arduino Toolkit. Velkou výhodou tohoto řešení je možnost studentů pracovat na úkolech mimo školu, a laboratoří a kontrolovat si funkčnost programu. Tato virtualizace umožňuje studentům realizovat různé elektronické obvody bez strachu, že něco zničí. Klíčová slova architektura PC, virtualizace, číslicová technika, mikrokontrolér, elektronika * Ing. Michal Bílek, e-mail: michal.bilek@vspj.cz, Katedra technických studií, Vysoká škola polytechnická v Jihlavě, Tolstého 16, 586 01 Jihlava, ČR, tel. +420 567 141 134
1 Úvod Základem výuky v technických předmětech jsou různé stavebnice a modely, na kterých si studenti mohou otestovat své teoretické znalosti. Problémem však je, přístup do technických laboratoří a k modelům. Možností jsou například přístupné modely z internetu a různé virtuální laboratoře. 2 Architektura počítačů Předmět je určen pro studenty 1 semestru a jde o předmět, který by měl uvedené studenty připravit pro studium další odborných předmětů. Je koncipován jako předmět s přednáškou a s cvičením, kde na přednášce jsou probrány teoretické základy, a na cvičení se pracuje s číslicovými obvody a následně se programuje mikrokontrolér Arduino. Úvod do číslicových systémů, kombinační a sekvenční logické obvody, ALU. Základy mikroprocesorové techniky. Architektura počítače, struktura, podsystémy. Reprezentace dat v počítači. Části počítače, procesor, základní deska, sběrnice, zřetězené vykonávání instrukcí. Vstupní a výstupní podsystém počítače. Konstrukce vstupních a výstupních zařízení, periferie, zobrazovací jednotky. Datová uložiště a systémy RAID, záložní zdroje. PLC a průmyslové sběrnice. 2.1 Současný stav Na cvičení lze úvod do číslicové techniky realizovat pomocí různých stavebnic, ale zde je docela problém odladit chybu zda je způsobena chybou vodiče vadnou součástkou nebo chybou zapojení. Výhodou však je reálný přístup k součástkám. Obr. 1 Stavebnice pro logické obvody
Programování mikrokontroléru je realizováno pomocí mikroprocesoru Arduino UNO a periférií, které lze připojit k mikrokontroléru pomocí redukce. Jako vývojové prostředí se používá standardní aplikace volně stažitelná k uvedenému mikrokontroléru. Obr. 2 Stavebnice Arduino 2.2 Virtualizace číslicových obvodů Základem výuky číslicových obvodů je program Deeds, který umožňuje otestovat funkci číslicových obvodů vstupů a výstupů, pomocí simulátoru Deeds DsC. Pomocí logických a sekvenčních obvodu lze realizovat základní úkoly, na kterých si studenti ověří své teoretické znalosti. Součástí testování je i časový diagram pro kontrolu funkce, tento časový průběh lze použít pro zjištění hazardních stavů. Drobnou nevýhodou je americký typ značek, ale po určité době používání se z nevýhody stává výhoda. Obr. 3 program pro simulaci číslicových obvodů
2.3 Virtualizace mikrokontroléru Virtual Breadboard je softwarová platforma umožňující využívat virtuální nepájivé pole pro testování základních elektronických obvodu doplněních o mikroprocesor, který umožňuje řídit tyto elektronické prvky či číst měnící se hodnoty na vstupních portech právě použitého mikrokontroléru. Obr. 4 vývojové prostředí mikrokontroléru s periférií Po zapnutí emulace lze testovat funkci bez nutnosti fyzického přístupu k perifériím a mikroprocesoru. Obr. 5 Spuštěný simulátor předešlé aplikace
3 Závěr Simulátor číslicových obvodů již na naší škole využíváme dva roky a z ohlasů studentů lze usuzovat, že tato strategie je velkou výhodou. Především proto, že student si může pracovat kdykoliv a není vázán na technické prostředky či přístup do laboratoře. Další výhodou uvedeného řešení je možnost získat program zcela zdarma. Zda se podobným způsobem osvědčí i virtualizace mikrokontroléru bude ověřeno v letošním semestru. Uvedený program bude součástí virtuální laboratoře a studenti si budou moci k programu přihlásit přes virtuální stroj přes rezervační systém virtuální laboratoře. 4 Literatura VIRTUALBREADBOARD. VIRTUALBREADBOARD [ONLINE]. 2013 [CIT. 2016-01-17]. DOSTUPNÉ Z: HTTP://WWW.VIRTUALBREADBOARD.COM/ DIGITAL ELECTRONICS EDUCATION DESIGN SUITE. DEEDS [ONLINE]. UNIVERSITY OF GENOA: UNIVERSITY OF GENOA, 2016 [CIT. 2016-01-17]. DOSTUPNÉ Z: HTTP://WWW.ESNG.DIBE.UNIGE.IT/DEEDS/ SMRČKA, František, Michal BÍLEK a František ZEZULKA. Vzdálený přístup k virtuální výukové laboratoři. Slaboproudý obzor: Vzdálený přístup k virtuální výukové laboratoři [online]. 2015, 71(3), 13-18 [cit. 2016-01-17]. ISSN 2336-5773. Dostupné z: http://www.slaboproudyobzor.cz/index.php?pg=2&jid=33&lg=cze