计算机原理实验报告三（通用7篇）
1.计算机原理实验报告三 篇一
计算机科学与技术-计10计 算 机 组 成 原 理 实 验 报姓
名：
学
号：
班
级：
指 导 老 师：
郑
计算机科学与技术-计10
4一个上升沿，数据66H 被写入W 寄存器。3）将11H写入R0寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据11H
置控制信号为：
③按住STEP脉冲键，CK由高变低，观察现象；放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据11H 被写入R0 寄存器。4）将22H写入R1寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据22H
置控制信号为：
③按住STEP脉冲键，CK由高变低，观察现象；放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R1 寄存器。5）将33H写入R2寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据33H
置控制信号为：
③按住STEP脉冲键，CK由高变低，观察现象；放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入R2 寄存器。
计算机科学与技术-计104
这时寄存器R3 的红色输出指示灯亮，R3 寄存器的数据送上数据总线。此时数据总线指示灯L7...L0为： 01000100.将K11(RRD)置为1，关闭R3 寄存器输出。11）将12H写入MAR寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据12H
置控制信号为：
③按住STEP脉冲键，CK由高变低，观察现象；放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据12H被写入MAR寄存器。12）将34H写入ST寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据34H
置控制信号为：
③按住STEP脉冲键，CK由高变低，观察现象；放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据34H被写入ST 寄存器。13）将56H写入OUT寄存器
①K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入“Hand......”手动状态。②二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据56H
置控制信号为：
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4（2）掌握简单运算器的数据传送通道。
（3）能够按给定数据，完成实验指定的算术/逻辑运算。
4.实验步骤：
①将55H写入A寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据55H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
②将33H写入W寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据33H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据33H 被写入W 寄存器。
③置下表的控制信号，检验运算器的运算结果
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4实验2：移位实验 将55H写入A寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据55H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
S2S1S0=111 时运算器结果为寄存器A内容
5.实验结果与分析：
移位与输出门是否打开无关，无论运算器结果如何，移位门都会给出移位结果。但究竟把那一个结果送数据总线由X2X1X0输出选择决定。表中第一行，A中寄存器值为55H=01010101,L为左移结果为：10101010B=AAH，D为直通输入结果为原值，R为右
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4(2)按图3—6连接实验线路，仔细查线无误后接通源。
4.实验结果与分析：
① 编程
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MAO清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000(二进制)。
D．按动“START”键，启动时序电路，则每按动一次启动键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。注意：在当前条件下，可将“MICRO—CONTROLLER”单元的sE6一sEl接至“SWITCH UNIT”中的S3—Cn对应二进制开关上，可通过强置端sEl一sE6人为设置分支地址。将SEI—SE6对应二进制开关量为“1”，当需要人为设置分支地址时，将某个或几个二进制开关置“0”，相应的微地址位即被强置为“l”，从而改变下一条微指令的地址。(二进制开关置为“0”，相应的微地址位将被强置为“l”)④ 连续运行
A．将编程开关置为“RUN(运行)”状态。
B．将实验板的单步开关“STEP”置为“EXEC”状态。
C.使CLR从l→0→l，此时微地址寄存器清“0”，从而给出取指微指令的入口地址为 000000(二进制)。
D．启动时序电路，则可连续读出微指令。
5.实验注意事项：
此次实验主要要掌握微程序控制器的组成、工作原理；明确微程序、微指令、微命令的概念；掌握微指令、微程序的设计及调试方法；通过单步方式执行若干条微指令深入理解微程序控制器的工作原理；用逻辑分析仪测试微程序控制器指令的转移，微程序、微指
2.计算机原理实验报告三 篇二
关键词：通信原理实验,计算机仿真
“通信原理”课程是通信类本科生重要的专业基础课, 其课程内容既需要深而多的数学知识, 又与工程实际有着密切联系, 因此本课程实验的教学质量至关重要。与此同时, 随着计算机仿真技术已成为教学和科研的重要手段之一。将通信原理实验引入计算机仿真建模技术, 可以突破原有围绕通信原理实验箱验证性实验的局限性。
1基于通信原理实验进行计算机仿真的必要性及有效性
完善、有效地计算机教学体系应该包括理论讲述并有着与之相匹配的计算机辅助教学措施, 能够在有效地教学时间内保障最高的教学成效的实现。将MATLAB这类工程计算机基础知识作为计算机应用教程的重要教学内容, 学生可以有效地掌握及使用基本数据计算等能力。与此同时, 教师也能够基于MATLAB也可以有效地开展科研, 同时又能够通过不断地、深入的科研工作来进一步推动自身对MATLAB教学功能的理解, 进而应用于教学当中。
1.1基于通信原理实验进行计算机仿真的必要性
理论联系实践并实现相互转化、相互促进是有效学习、高效学校的一个良性发展过程。其中, 基于MATLAB所具备的强大的可视化数据处理能力, 不仅仅能够提高课堂教学有效性, 同时还能够有效地弥补传统教学中的一个明显短板——课时不足问题。举例来讲, 在通信原理课程教学当中, 经常会涉及到一些较为抽象图形, 这些让教师和学生比较头疼的知识内容, 经常会在想象中就浪费大量的堂教学的时间, 这样不仅仅影响教学进度, 学生也不能够有效理解。对此, MATLAB语言则实现了通过输入几条简单的指令就可以得到。除了上述能够对教师教学提供便利的同时, 对于学生学习而言, 在对通信原理理解与掌握的基础之上, 将抽象理论转化为生动形象的图像, 在此过程中不断培养自身的学习兴趣和以自主学习为导向的动手分析问题及解决问题的能力。这样一来, 不仅仅能够提高教学成效, 还能够扩宽学生的知识面, 从而提高综合实力。
1.2基于通信原理实验进行计算机仿真的有效性
(1) 从便捷性而言, MATLAB语言能够在计算机上稳定运行, 安装也比较方式简单, 具有一定的便捷性。
(2) MATLAB具有强大的可视化数据处理能力, 正如上文所述, 能够有效地推进教学进程和实现有效性。
(3) MATLAB语言相对于其它高级语言, 具有较高的可移植性及编程效率。
2基于MATLAB通信原理的仿真平台构建
2.1真平台应用软件总体结构
基于MATLAB通信原理的仿真平台, 采用图形用户界面, 按照控制教学、应用、试验等, 相应的仿真平台应用软件总体结构设计如图1。
2.2软件设计
将系统结构图当中的内容表现在用户界面这一过程当中, 需要参数输入、图形仿真输出等。与此同时, 为了保障上述步骤相互匹配并能够实现对比分析, 这样就需要用户界面的操作要足够简单, 便于修改并且需要较高的可读性。基于MATLAB的可视化编程能力而构建的图形界面GUI, 在其所提供的工具的基础之上, 结合我们自身的编程经验, 从而能够有效地创建软件界面。
另外, 基于函数代码, 对图形界面的功能可以通过图形界面中控件的操作来完成。
2.3界面设计
在GUIDE当中很难解决数据传递问题以及编写一些算法, 对此, 通过MATLAB文件, 能够生成相对较为复杂的界面, 从而在不同窗口尺寸给对象以合适的位置。另外, 基于MATLAB文件也能够在此过程中实现文件的同步创建。这样就能够更加便利于在handle中存取数据。
3通信原理与系统仿真实验
3.1实验内容
3.1.1模拟线性调制系统
包括AM、DSB信号的调制、解调过程的系统设计及仿真及超外差解调过程的演示, 能检测调制度等参数变化对波形及频谱的影响, 分析其抗噪性能。
3.1.2数字信号载波传输
包括ASK、FSK、PSK、DPSK的调制、解调过程的系统构建及仿真, 要求能检测参数变化对波形及频谱的影响, 分析其抗噪性能。
3.1.3模拟角度调制系统
包括FM、PM调制、解调过程仿真;语言调频系统的仿真演示, 能检测调制度等参数变化对波形、频谱及声音质量的影响, 分析其抗噪性能。
3.2实验内容举例
比如在设计通用通信发生器中的MSK系统设计当中, 要求:发射端用正交法产生MSK信号, 接收端用最佳接收相干解调MSK信号;观测有关各点的波形, 调整各模块的参数并分析对调制、解调性能影响;观测MSK信号的波形及频谱;测出在高斯噪声干扰下MSK系统的误码率曲线。
通信原理计算机仿真实验, 是运用MATLAB程序设计语言对通信中的数字基带传输系统进行仿真, 目的是使学生掌握如何用计算机仿真的方法来分析通信系统中的问题。仿真实验可在网络上的虚拟实验室中进行, 使实验不受场地、空间的限制, 为接受远程教育的学生提供了实验的机会。
参考文献
[1]王晓玲.胡沁涵.陈虹.计算机仿真建模技术在通信原理实验教学中的应用[J].现代计算机, 2015.09.34-37.
3.计算机原理实验报告三 篇三
关键词：实验模拟；计算机组成；面向对象
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-8454(2012)03-0069-03
一、引言
“计算机组成原理”课程是计算机专业的一门核心专业必修课。该门课程的理论性、工程性、实践性都很强。因此，在搞好课堂教学的同时，必须对实验教学环节给予足够的重视。把实验教学看作是提高学生动手能力和实施素质教育的一个途径。目前，我校采用的是西安唐都科教仪器公司的TDN-CM+实验箱，在实验开展过程中，由于实验的理论知识综合、电路复杂、元器件多、连线密度高、操作步骤逻辑性强、调试困难等原因，都会造成获得预期实验结果的周期长或实验结果的失败，从而影响课堂时间内实验得出的效果，同时也影响了学生动手操作实验的积极性。
综上所述。本研究提出了面向对象的计算机组成原理实验的软件模拟，以面向对象的思想，借助于图形，图像和模拟技术，在计算机上实现计算机组成原理实验的基础实验环境、操作对象、操作过程，达到减少实验结果周期、降低实验操作过程出错率的研究目标。
二、系统模拟总体设计思想
计算机组成原理实验软件模拟系统主要包含输入模块、控制模块(实验处理模块)、输出模块，其中输入、输出模块是直观的显示模块，控制模块是由一个或若干个功能芯片组成的一个功能模块。因此，以面向对象的思想，可以将每个功能芯片设计成一个Public功能函数，然后在软件模型中直接调用一个或多个芯片的功能函数实现特定的控制模块功能。输入、输出模块相对简单，计算机组成原理实验输入、输出一般都以4～8位的二进制方式给出，为了更好地让学生理解二进制在计算机系统中的运算规则，设计采用以一个8位数组表示8位二进制的方法，通过算法来实现若干位二进制的逻辑运算与算术运算。模型模拟采用面向对象开发工具Delphi来实现。
三、建模过程
1.实验原理
计算机组成原理实验分为验证性实验与设计性实验，本研究为了更加具体地达到建模的效果，以计算机组成原理实验中的算术逻辑运算验证性实验为初步建模对象。
算术逻辑运算实验数据通路图如图1所示，主要包含两个74LS181芯片、两个74LS273芯片、一个74LS245芯片，74LS181芯片为8位字长的运算器，74LS273芯片为8位字长的数据暂存器，7413245芯片是一个三态门，用来控制总线上的数据输出。
算术逻辑运算实验的实验过程是通过输入开关形成2个8位二进制数分别置入DR1(74LS273芯片1)，DR2(74LS273芯片2)，然后通过改变运算器的控制位，观察运算器输出在总线的结果。
2.输入输出模块的模拟
算术逻辑运算实验的输入输出都通过8个发光二极管来显示，灯灭为1，灯亮为0，因此，可以从二极管位置定位与二极管显示状态控制，这两个方面来实现输入输出的模拟功能，二极管位置定位在Delphi开发平台中可以由数学函数Sqr函数来实现，二极管显示状态可以通过图像笔刷函数ImageDrawRound与ImageClearRound来实现。
第一步，通过图形设计工具PhotoShop设计8个二极管显示灯图片，如图2所示。在程序窗口中，通过Image控件来布置8个二极管图片，用坐标来定位某个二极管所在位置。在输入模块中，假设鼠标点击在窗口中的坐标为(X，Y)，一个圆形二极管的图片半径为Z，那么可以根据第N个二极管坐标范围Sqr(X-N*z)+Sqr(Y-z)<=Sqr(z)来判断当前鼠标点击选中的是D7到DO当中的哪个二极管显示灯，通过鼠标动作事件转换当前二极管显示状态。显示灯区域坐标得到准确定位，就可以用Im-ageDrawRound函数与ImageClearRound函数控制显示灯的亮、灭状态，具体算法如程序代码清单1所示。
代码清单1：
if Sqr(X-Z)+Sqr(Y-Z)<=Sqr(Z)then ∥以第一个二极管举例
begin
if InputDR1[1]=1 then ∥二极管初始显示状态为灭时
begin ∥鼠标单击第一个二极管时，改变二极管显示为灯亮
InputDR1[1]：=0；
Image2DrawRound(0，0，25，25，clred)；
end
else if InputDR1[1]=0 then ∥二极管初始显示状态为亮时
begin ∥鼠标单击第一个二极管时，改变二极管显示为灯灭
InputDR1[1]：=1；
Image2ClearRound(0，O，25，25)；
end
end
同理，可设计输出模块中的显示灯模拟、控制模块中的控制灯模拟。在代码清单1中举例的是第一个二极管的输入显示控制，InputDR1表示一个数组，实现存储器DR1的存储功能，用来存放输入的第一个8位二进制数。
3.控制与运算模块的模拟
在算术逻辑运算实验中，分别由74LS181的控制位S3、S2、S1、S0、M、Cn来控制74LS181运算器的运算方式。控制位S3、S2、S1、S0、M、Cn也是一组二极管显示灯。可以用3.2输入输出模块模拟的设计思路实现。74LS181运算器的运算方式分为无进位算术运算、有进位算术运算、逻辑运算，分别通过6个控制位控制，参见表1所示，因此需要多个条件算法设计74LS181运算器芯片的功能。
74LS181逻辑功能总共有16种逻辑功能。因篇幅限制表1只列出一部分的功能。通过表1分析可知，A与B代表的是图2中InputDevice模块输入的2组8位二进制数，F是运算器的结果，在6个控制位的控制下，出现不同的运算规则。因此设计一个74LS181芯片的功能函数包含具有16种逻辑功能子过程，在软件模拟模型中得到TDN-CM+实验箱正确操作得到结果相一致，那就说明74LS181芯片软件模拟是可行的。
详细分析表1的运算规则。每组运算都是以下几个运算的组合：非运算、与运算、或运算、异或运算，根据它们的运算规则，可以设计如表2所示的程序算法达到对应运算的功能。
基于表2，结合表1，就可以根据控制位S3、S2、S1、SO、Cn、M的控制条件，设计出相对应的算术运算与逻辑运算的运算组合，然后把最终结果存储在一个输出数组中，最后通过3.2小节输入输出模块模拟的设计思路，把运算结果显示在总线上的8个二极管显示灯中，达到TDN-CM+实验箱的同等显示效果。
四、研究总结
本文通过计算机组成原理算术与逻辑运算实验的原理分析，以面向对象的思路，用图形/图像的可视方法进行了系统模拟。软件模拟模型在计算机组成原理课堂实验中辅助TDN-CM+实验箱操作实验起到了很好的作用，并且验证实验效果准确高效。在今后的研究中，以模拟具体实验为步骤，逐步完善整个TDN-CM+实验箱的模拟功能。
参考文献：
[1]周克峰，杨军，孙静，谢戈.计算机组成原理实验的模拟技术研究[J].云南民族大学学报，2004，13(3)：236-240.
[2]杨小龙.计算机组成原理与系统结构实验教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
[3]卢贤玲，杨艳，李景峰.计算机组成原理网上虚拟实验系统的建模与实现[J].郑州大学学报，2006，38(3)：39-42.
[4]明日科技Delphi函数参考大全[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[5]董玉德，赵韩，孙街亭.面向对象的程序设计方法与技术：Delphi语言[M].北京：清华大学出版社，2008.
[6]梁水，赛奎春.Delphi开发典型模块大全[M].北京：人民邮电出版社，2009.
4.计算机网络原理实验报告 篇四
班 级： 电子信息 专业 级 班
学 号：
姓 名：
实验项目名称： 计算机网络原理实验
实验项目性质： 设计性（验证性）
实验所属课程： 计算机网络
实验室(中心)： 软件实验室
指 导 教 师 ：
实验完成时间： 2016 年 6 月 29
实验1 控制台网络操作的基本命令
实验目的：
掌握和使用控制台网络操作的基本命令：ipconfig，ping，tracert，arp，dhcp，nslookup，netstat。
实验环境：
Windows7，使用命令提示符
实验步骤： ipconfig 使用ipconfig/all查看自己计算机的网络配置，尽可能明白每行的意思。分析：你和旁边的计算机是否处于同一子网，为什么？ Ping 练习ping命令，掌握反馈的意思。
通过ping/?了解ping命令的各种选项并实际使用。Tracert/pathping 使用tracert或pathping进行路由追踪。思考为何能进行路由追踪？请实际验证。Arp 以arp –a命令，查看当前arp缓存，并通过网络获得查看缓存的变化。以arp –s命令将网关设置为静态arp。Dhcp 使用ipconfig/release释放自动获取的网络配置，并用ipconfig/renew重新获取，了解DHCP。
如果你不能释放，请思考如何处理。常用端口号
打开C:WINDOWSsystem32driversetcservices文件，了解常用的端口号分配。Netstat 练习netstat命令，查看当前的网络连接状况。Nslookup 练习nslookup命令，进行命令行的DNS解析。Hosts文件
打开C:WINDOWSsystem32driversetchosts文件，思考如何屏蔽浏览网页和观看视频时的广告？
实验内容： ipconfig
Ping
tracert/pathping
arp
Dhcp
netstat
nslookup
hosts文件
实验结果与分析
1.是同一子网
因为默认网关是同一个子网里面取出来的一个ip地址作为的，既然默认网关都一样，那就是在同一个子网之内，也就是处于同一个网络。
如果不在同一个网络之内的两台电脑肯定是拥有不一样的网关的。
2.Tracert（跟踪路由）是路由跟踪实用程序，用于确定 IP 数据报访问目标所采取的路径。Tracert 命令用 IP 生存时间(TTL)字段和 ICMP 错误消息来确定从一个主机到网络上其他主机的路由。
3.利用系统文件hosts，在该文件后面添加广告地址屏蔽
实验2 Wireshark实验
本部分实验在Wireshark中进行。请访问 Wireshark图文教程 和 中国协议分析网 熟悉其使用。
DNS解析
进行一个DNS解析，用Wireshark进行分析，了解UDP和DNS的使用。
这是捕获的通过百度得到的“无线路由器设置细节详解”
下图是进行DNS缓存清除
实验3 Cisco Packet Tracer实验
本部分实验在Cisco Packet Tracer软件中完成。请同学们先了解VLSM、CIDR、RIP、OSPF、VLAN、STP、NAT及DHCP等概念，以进行网络规划和配置。
CPT软件使用简介
了解和熟悉CPT软件的使用。请先阅读使用简介
用交换机连接PC构建LAN 构建如下所示的拓扑结构。进行各PC的基本网络配置，要求相互能ping通。
实验结果
如图是我构建的拓扑结构
上图中的PC和多路交换机中的节点是绿色的，表示该连接是畅通的；当它是红色的时候，表示该连接是阻塞的；
CLI信息
VLAN设置
RIP设置
思考：
1、这些PC处于同一个子网吗？不在同一个子网能否通信？
答：这些PC是处于同一子网。它们虽然不在同一子网，但是不影响它们之间的通信。
2、测试如PC1的IP为192.168.1.1/24，而PC2的IP为192.168.2.1/24能否通信？
3、测试如PC1的IP为192.168.1.1/16，而PC2的IP为192.168.2.1/24能否通信？
4、设置网关了吗？为什么？
答：我未设置网关。因为可分配给主机的第一个地址被PC占有。
思考：
集线器Hub是只工作在物理层的设备，它与交换机的区别何在？请在CPT软件中进行实际验证。
答：1.从工作方式来看：集线器是一种广播模式，容易产生广播风暴，而当交换机工作的时候，只有发出请求的端口和目的端口之间相互相应而不影响其它端口，因此交换机就能够隔离冲突与病有效的抑制广播风暴的产生。
2.从带宽来看：集线器所有端口都是共想一条带宽，是总线型拓扑结构；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽。
验证：将左边的交换机2960替换为集线器hub。
用PC0 ping PC1，用PC2 ping PC3，模拟结果如下图所示
实验4 静态路由配置
静态路由是非自适应性路由计算协议，是由管理人员手动配置的，不能够根据网络拓扑的变化而改变。因此，静态路由非常简单，适用于非常简单的网络。
在当前这个简单的拓扑结构中我们可以使用静态路由，即需要直接告诉路由器到某网络该怎么走。在上述配置情况如下添加如下命令：
交通大学路由器：
Router(config)#ip route 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.2.2 //到3.0这个网络的下一跳是2.2 Router(config)#exit //退到全局配置模式
Router#show ip route //查看路由表
同理，重庆大学路由器：
Router(config)#ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1 //到1.0这个网络的下一跳是2.1 Router(config)#exit //退到全局配置模式
Router#show ip route //查看路由表
VLAN间通信
构建如下拓扑结构：
其中，两个2960交换机和核心的3560交换机使用Gbit口相连。
Cisco 3560交换机是局域网中的核心交换机，将其作为VTP Server，VLAN在其上创建。配置如下：
Switch(config)#hostname 3560 //更改交换机名称
3560(config)#vtp domain cqjtu //设置VTP（VLAN中继协议）域名称
3560(config)#vtp mode server //设置其为VTP服务器
3560(config)#vlan 2 //新建VLAN2（缺省的，交换机所有端口都属于VLAN1，不能使用）
3560(config-vlan)#name computer //别名
3560(config-vlan)#exit
3560(config)#vlan 3 //再建VLAN3
3560(config-vlan)#name communication //别名
3560(config-vlan)#exit
3560(config)#int vlan 2 //配置接口VLAN2，它将是该子网的网关
3560(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 3560(config-if)#exit
3560(config)#int vlan 3 //配置接口VLAN2，它将是该子网的网关
3560(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0
两个Cisco 2960交换机是作为局域网中的汇聚层/接入层交换机，将其作为VTP Client，自己决定哪些端口划入哪个VLAN。左边交换机配置如下：
Switch(config)#hostname 2960A //更改交换机名称
2960A(config)#vtp domain cqjtu //加入名为cqjtu的VTP域
2960A(config)#vtp mode client //设置其为VTP客户
2960A(config)#int g1/1 //配置与核心交换机连接的端口
2960A(config-if)#switchport mode trunk //设置该端口为中继（trunk）模式
2960A(config-if)#switchport trunk allowed vlan all //允许为所有的VLAN中继
2960A(config-if)#exit
2960A(config)#int f0/1 //将接口1划分到VLAN2 2960A(config-if)#switchport mode access 2960A(config-if)#switchport access vlan 2 2960A(config-if)#exit
2960A(config)#int f0/2 //将接口2划分到VLAN3 2960A(config-if)#switchport mode access 2960A(config-if)#switchport access vlan 3
右边交换机2960B与此类似，请参照配置。此时在3个交换机的特权模式下，都可使用show vtp status命令查看VTP状态，使用show vlan命令查看VLAN状态
各PC基本配置如下：
机器名 PC0 PC1 PC2 PC3 连接的端口 2960A-F0/1 2960A-F0/2 2960B-F0/1 2960B-F0/2
所属VLAN VLAN 2 VLAN 3 VLAN 2 VLAN 3
IP 192.168.1.2 192.168.2.2 192.168.1.3 192.168.2.3
子网掩码 255.255.255.0 255.255.255.0 255.255.255.0 255.255.255.0
网关 192.168.1.1 192.168.2.1 192.168.1.1 192.168.2.1 基本配置完成。同VLAN可以ping通，而不同VLAN不行（即使配置为同一子网），且得到统一规划和管理。
目前的问题是：广播风暴抑制了，但VLAN间的正常通信如何进行？ 此时我们需要所谓的独臂路由器为其进行转发！因为我们的核心交换机是个3层交换机，也称路由交换机，即具有路由功能，因此配置如下
3560(config)#int g0/1 //配置该接口
3560(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q //封装VLAN协议
3560(config-if)#switchport mode trunk //中继模式
3560(config-if)#switchport trunk allowed vlan all //转发所有VLAN 3560(config-if)#exit
3560(config)#int g0/2 //配置该接口
3560(config-if)#switchport trunk encapsulation dot1q //封装VLAN协议
3560(config-if)#switchport mode trunk //中继模式
3560(config-if)#switchport trunk allowed vlan all //转发所有VLAN 3560(config-if)#exit
5.计算机原理实验报告三 篇五
实验三 系统CMOS参数设置
实验目的(1)．进一步熟悉微型机系统BIOS的主要功能，及设置方法。
（2）．掌握对CMOS参数进行优化的方法，为微型机的使用和故障诊断打下基础。
实验内容
用AWARD公司生产的BIOS中的SETUP设置程序进行CMOS参数设置。
实验步骤
1．启动BIOS设置程序。开机启动机器，根据屏幕提示按键，启动SETUP程序，待几秒钟后，进入BIOS程序设置主界面。
2．了解系统BIOS设置的主要功能，进入CMOS设置主界面后，对照主机板说明书，全面了解其所有的CMOS设置功能：标准CMOS设置、BIOS特征设置、芯片组功能设置、外部设备设置、电源管理设置、即插即用与PCI状态设置、系统优化状态设置等。可参考教材上相关内容。
3．常用CMOS系统参数的设置
（1）标准CMOS设置。如果要了解并修改本机器系统CMOS的基本配置情况，如查看并修改系统日期、时间、软驱、硬盘、光驱、内存等硬件配置情况时，使用此功能。
（2）自动检查外部存储设备配置情况。装并连接好硬盘、光驱等设备后，除手工完成相关参数设置外，一般可通过“IDE HDDAUTODETECTION”（自动检查硬盘）功能来自动设置。待机器自动检查完成以后，选择“SAVE&EXIT SETUP”项存盘，并退出设置。
（3）修改机器的启动顺序。Boot Sepuence”项决定机器的启动顺序。一般可设置机器从软盘、硬盘，甚至CD ROM启动。
先选择“Advanced BIOS Features”项，回车后，再把光标移动到“Boot Sequence”项，此时的设置内容为“C，A”。可用
或
键把它修改为“A，C”、“Only C”，或“CD-ROM”等。例如，“Boot Sequence”设为“A，C”，则机器启动时，先从软驱A启动，若软驱A中没有装磁盘，则从硬盘C启动。设置完成后，按
实验小结：
6.计算机组成原理 中断实验 篇六
实验地点：格致A315 实验日期：2016年12月29日
一、实验目的
学习和掌握中断产生、响应、处理等技术；
二、实验说明及内容 说明：
1．要求中断隐指令中执行关中断功能，如果用户中断服务程序允许被中断，必须在中断服务程序中执行EI开中断命令。
2．教学机的中断系统共支持三级中断，由三个无锁按键确定从右到左依次为一、二、三级中断，对应的INT2、INT1、INT0的编码分别是01、10、11，优先级也依次升高。这决定了它们的中断向量（即中断响应后，转去执行的程序地址）为XXX4、XXX8、XXXC；可以看到，每级中断实际可用的空间只有四个字节，故这个空间一般只存放一条转移指令，而真正的用户中断服务程序则存放在转移指令所指向的地址。
3．用户需扩展中断隐指令、开中断指令、关中断指令、中断返回指令及其节拍。
内容：
1．扩展中断隐指令。
2．扩展开中断指令EI、关中断指令DI、中断返回指令IRET。
3．确定中断向量表地址。中断向量表是以 XXX4H为首地址的一段内存区。高12位由用户通过置中断向量用的插针（在三个无锁按键下方）确定。三级中断对应的中断向量为XXX4H、XXX8H、XXXCH。当有中断请求且被响应后，将执行存放在该中断的中断向量所指向的内存区的指令。
4．填写中断向量表。在上述的XXX4H、XXX8H、XXXCH地址写入三条JR OFFSET转移指令，OFFSET分别对应三段中断服务程序的相对地址。但在本仿真终端中输入时，用户不需要计算偏移量，直接输入要转向的绝对地址即可。
5．编写中断服务程序。中断服务程序可以放在中断向量表之后，中断服务程序可实现在程序正常运行时在计算机屏幕上显示与优先级相对应的不同字符； 6．编写主程序。可编写一死循环程序，等待中断；
三、实验过程及步骤
1．填写中断向量表。
（1）选择3级中断的中断向量为2104H、2108H、210CH。
（2）教学机中下方有一个12们波特开关，设置中断向量的高12位为：0010 0001 0000.开关向上为1，向下为0.（3）填写中断向量表：
从2104H单元开始输入下面的程序：
（2104）JR 2120
；跳转到中断服务程序(2108)JR 2130(210C)JR 2140
2．编写中断服务程序
该中断服务程序，先开中断，显示字符“BI”和对应的中断优先级“1”、“2”或“3”后，等待从键盘输入一个字符，在键盘输入一个字符后，显示该字符和字符“EI”，然后退出当前中断服务程序，返回中断断点，继续执行。用A、E命令从2120H单元开始输入下面的程序（标有*的语句要用E命令输入）2120：PUSH R0 2121: PUSH R3 2122: MVRD R3,31 2124: JR 2150
2130: PUSH R0 2131: PUSH R3 2132: MVRD R3,32 2134: JR 2150
2140: PUSH R0 2141: PUSH R3 2142: MVRD R3,33 2144: JR 2150
*2150: EI 2151: MVRD R0,0042 2153: CALA 2200 2155: MVRD R0,0049 2157: CALA 2200 2159: MVRR R0,R3 215A: CALA 2200
215C: IN 81 215D: SHR R0 215E: SHR R0 215F: JRNC 215C 2160: IN 80
2161: MVRD R0,0045 2163 CALA 2200 2165: MVRD R0,0049 2167: CALA 2200 2169: MVRR R0,R3 216A: CALA 2200 216C: POP R3 216D: POP R0 *216E: IRET
2200: PUSH R0 2201: IN 81 2202: SHR R0 2203: JRNC 2201 2204: POP R0 2205: OUT 80 2206: RET
3、编写主程序
从地址2000H开始输入下列程序 *2000: EI 2001: MVRD R0,0036 2003: CALA 2200 2005: MVRD R0,4000 2007: DEC R0 2008: JRNZ 2007 2009: JR 2001 200A: RET
4、运行主程序，等待、响应中断。在命令行提示符状态下输入： G 2000
屏幕将连续显示“6”.在程序执行过程中接下教学机右下方任意一个无锁按键。此时，教学机转向执行本级中断服务程序。在接收键盘一个字符后，退出当前级的中断服务程序，恢复中断现场，接着执行断点处的程序。若在此期间，又有更高一级的中断请求，则教学机转向执行该级的中断服务程序。需要注意的是，若当前中断为高级的中断，则不会响应低级中断。
5、扩展提高内容：在保证上述案例所有功能条件下，补充实现：（1）按键盘上的任意键退出中断过程中要求显示所按键字符；
（2）将主程序的死循环修改为按空格键退出循环。
四、实验结果及分析
实验结论：通过中断可以调用子程序，同时中断可以嵌套，同时中断也有优先级，优先级较高的优先调用，优先级较低的要等到优先级比他高的中断调用以后才调用。
实验心得体会:通过本次实验懂得了什么是中断，同时也学会了中断的调用，以及中断的优先级和中断的调用次序。同时通过本次实验我懂了计算机内部线程与进程的调用。在写入程序的时候，监控程序的A命令只支持基本指令，扩展指令应用E命令将指令代码写入到相应的存储单元中；上述程序中带*者为扩展指令。在扩展实验中，应循环地址写为实验指导书上默认的“2007”导致输入的“6”不能一直循环，导致实验不能成功，最后在老师的指导下，发现错误，及时将地址改正为“2009”，获取到循环值后，最后实验成功，让我意识到做实验时，应该准确、细心的操作和输入正确的值。
7.计算机原理实验报告三 篇七
硬质合金是由软质的过渡族金属元素(Co、Fe、Ni)或其化合物(Ni3Al、FeAl、Fe3Al)作为粘接剂,难熔金属碳化物(WC、TiC)作为硬质相,通过液相烧结制成。为提高性能,在制备硬质合金时常加入过渡族元素碳化物作为控制晶粒长大的抑制剂。添加抑制剂后,晶粒尺寸较小,因此界面所占体积分数较高。硬质合金的微观结构及使用性能很大程度上取决于界面性质,比如WC晶粒及粘结相的表面能,WC晶粒间的晶界能以及WC/粘结相的界面能等。这在界面体积分数高的硬质合金中表现得尤为明显。实验表明,硬质合金的断裂过程包含大量破碎的WC晶界[1],并且在高温下晶界滑移能够吸纳大量位错而贡献塑性[2]。晶界对材料的性能有很大影响,如晶界处发生应力腐蚀开裂,杂质在晶界处偏析,晶界强化,晶界迁移引起的晶粒长大等。晶界的性质由其结构决定,晶界结构取决于与晶界相邻晶粒的相对取向和晶界的位置[3]。因此深入了解和掌握晶界的结构特征、性能对提高材料的强度和韧性,预测材料的使用寿命等具有重要意义。
由于晶界的复杂性和重要性,长期以来材料科学领域的学者对其进行了广泛的实验和理论研究。随着电子探针(Electron probe micro-analyzer,EPMA)、电子背散射衍射(Electron backscattered diffraction,EBSD)、高分辨率透射电子显微镜(High-resolution transmission electron microscopy,HRTEM)、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy,HAADF-STEM)、三维原子探针(Three dimensional atom probe,3DAP)等分析技术的发展,实验人员能够获得硬质合金中微观尺度的结构信息。可靠的实验方法和准确的实验数据能对理论计算进行快速验证并为理论模型的构建提供合理的输入信息。然而,由于实验制样、测试和表征面临的种种困难,一部分重要的结构特征信息无法通过已有的实验手段获得,如原子间的化学键合、界面间的取向关系、界面的电子结构等。得益于计算机技术的高速发展和理论模型的完善,人们开始采用基于密度泛函理论的第一性原理计算来研究硬质合金晶界的微观结构和性质。
量子力学第一性原理计算非常适合于在原子、电子层面上研究材料的物理机理。而材料的各种性质往往由其原子、电子结构决定。因此,第一性原理计算在材料研究中具有独特的优势。近年来,国内外研究者们运用第一性原理方法对多种界面进行了大量的理论计算,研究内容涉及界面结构稳定性、界面结合强度、界面偏聚、杂质效应预测以及界面电子结构分析等[4]。第一性原理计算成功应用于多种不同类型的界面体系,大大促进了计算材料界面科学这一学科的发展。1994年,Wu等[5]采用理论计算方法研究了钢铁中磷对金属-金属界面的脆化效果;2003年,Janisch等[6]研究了轻质元素(B、C、N、O等)对Nb、Mo和Ni晶界的影响;2001至2003年期间,Elssser等[7,8]采用第一性原理方法研究了阳离子掺杂对Al2O3界面的影响以及C和S对金属/Al2O3界面结合的影响[9,10]。以上研究工作表明第一性原理计算能为绝大多数的界面体系提供精确的描述。
鉴于硬质合金界面在硬质合金性能方面的重要作用,很有必要总结实验观测和理论计算研究的进展,从而为硬质合金的设计制备提供参考。2014年,中南大学张立等[11]]曾从第一性原理计算和高分辨透射电镜与原子探针层析法观察两个方面,综述了过渡族金属碳化物在WC/β(钴基固溶体粘结相)相界偏析行为的研究现状,并进一步讨论了硬质合金中WC晶粒生长机理与晶粒生长抑制机理以及过渡族金属碳化物对硬质合金性能的影响机理。本文将侧重于WC/Co硬质合金中晶界行为的综述,讨论硬质合金中常见WC/WC晶界的构建方法及其理论基础,给出第一性原理计算硬质合金界面能和分离功的详细方法。结合几个应用实例,从基于第一性原理计算的理论研究以及基于HRTEM和3DAP的实验观察两个方面综述硬质合金晶界的研究现状,并简要而系统地介绍第一性原理计算应用于硬质合金晶界问题的研究思路及方法,供硬质合金的设计制备参考。
1 基于实验手段的硬质合金界面研究进展
1.1 基于微观分析的硬质合金界面研究
2008年,Kim等[12]采用原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)结合EBSD系统研究了WC-Co硬质合金界面的形貌及晶体学特征。结果表明WC晶粒的形状为截面三棱柱(空间群),W原子(位于(0,0,0)位置)和C原子(位于位置)交替排列。存在底面(0001)和棱面,并且具有两种不同类型的棱面,分别标记为S型和T型[13,14,15],如图1所示。
S型晶面的原子排列顺序为:
T型晶面的原子排列顺序为:
其中,a、c为材料的晶格参数。
值得指出的是,TEM分析结果表明WC晶界约60%的惯习面为底面或棱面,由于晶界仅有纳米级长度,实际情况下,底面和棱面占惯习面的百分比可能高于测量值。
WC-Co硬质合金是一种多晶材料,存在大量的相界和晶界。其中,晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面,而相界是结构不同或者结构相同而点阵参数不同的晶体之间的交界面。实验研究表明,硬质合金中存在3种主要界面:WC/WC晶界、WC/Co相界和WC/MC相界(其中M代表过渡族元素)。表1列出了Vicens、Benjdir、Lay等[13,16,17,18,19]采用实验手段在WC-Co硬质合金中检测到的19种不同晶界。所得晶界根据重合位置点阵模型(Coincidence site lattice,CSL,也称为重位点阵模型)进行分类。ɑ和[uvtw]分别代表CSL模型的旋转角及旋转轴。其中,最为常见的晶界类型为扭转晶界,30°/(0001)扭转晶界以及非对称晶界。
1.2 Co在WC晶粒间偏析行为研究
众所周知,硬质合金的韧性主要由粘结相Co提供,高效烧结过程的一个必备条件是Co能够完全润湿WC晶粒,填充材料中出现的孔隙。因此掌握Co在WC中的含量及分布对提高硬质合金的力学性能具有重要意义。2000年,Gothelid等[[20]]发现WC表面存在一个单原子层的Co,有利于烧结过程中粘结相在WC间快速迁移,是Co良好润湿于(润湿角接近于0°)WC的前驱体,且对烧结过程中的微观结构演变起决定性作用。同时有实验证明,烧结过程中WC/WC晶界逐渐被Co/WC表面取代[21]。2012年,Weidow等[22,23]采用APT技术定量分析纳米尺度下硬质合金中各种原子的相对含量及分布状况。所得WC-TiC-Co合金中WC/WC晶界处APT重构图像如图2所示。观察结果表明,几乎所有的WC/WC晶界都存在0.5到1.0个密排的Co原子层。然而Hagbge等[24,25]采用透射电子显微技术发现硬质合金中存在没有任何析出相的清洁WC晶界。这些晶界属于取向关系为
1.3 实验手段研究硬质合金界面所面临的挑战
综合近年来不同尺度下硬质合金中微观结构和形貌特征的研究结果,可以发现,实验手段观测硬质合金界面主要针对粘结相的微观结构;WC/Co界面和WC/WC晶界的性质及其对晶粒形状、WC骨架的影响;晶粒粗化机制及晶粒长大过程微结构演变进行讨论。大量实验研究证明,硬质合金的力学性能与其微观结构息息相关。其中相的成分、分布和晶粒尺寸对最终性能起决定作用。相的分布和晶粒长大很大程度上由晶界和相界的界面能决定,全面掌握硬质合金中界面能关系成为研究热点。1976年,Warren[[29]采用实验结合显微结构模型的方法获得了WC晶界能量的实验数据。研究采用的合金液相含量高达50%(体积分数),保持7h以获得平衡结构。然后随机选择WC-Co合金中的不同区域计算晶界能,最后得到的晶界能平均值约为1J/m2。由于实验方法获得界面能比较复杂,目前实验方面仅有少量的定量数据。经过不断发展完善,第一性原理计算已成为当前材料界面问题研究中不可或缺的重要手段。它能克服实验中界面制样、测试和表征的种种困难,通过计算分析界面原子构型和界面化学键合情况,揭示界面成键的物理本质,评估界面性能和解释界面现象及其机理,这些都是目前实验手段难以实现的[4]。
2 第一性原理计算界面的基本方法
2.1 界面强度评估方法
分离功(Work of separation,Wsep)是把一个界面分离为两个自由表面所需要的能量,当界面的分离功高而界面能较低时,界面结构较稳定。采用第一性原理计算分离功时可将其视为界面和两个自由表面能量差与两倍界面面积的比值:
其中E12表示界面的总能,E1和E2分别表示构成界面的两个层晶模型的能量。作为评估界面强度的一种简便方法,计算分离功时忽略了所有耗散和化学平衡过程,如位错运动、表面污染、扩散过程。因此,实际分离过程所需的能量总比计算出来的分离功要高。
2.2 晶界结构的理论模型及Σ2晶界构建实例
CSL模型是研究晶界结构时广泛应用的几何模型,它是计算机模拟晶界的基础[30]。CSL模型首先假设2个点阵(L1和L2)相互穿插,将L1作为参考点阵,获得两晶粒相对取向的变化(如旋转、平移)由L2完成。当2个点阵的相对取向确定后,相互穿插的L1和L2点阵如果有阵点重合,则这些重合的阵点就形成了相对于L1和L2的周期性超点阵,这个超点阵就是重合位置点阵,它相对于L1和L2没有畸变的位置,就是最佳匹配位置。当晶界穿过重合位置点阵的最密排面或者密排面,晶界能较低。CSL模型的单晶胞与实际点阵单晶胞体积之比记作Σ,Σ的倒数表示2个点阵的重合点的密度,也就是点阵L1和L2每Σ个阵点有一个阵点重合。
用CSL模型构造的WC中,晶向关系为的Σ2晶界是通过让2个晶体中的一个绕公共轴旋转90°,然后将(0001)与拼接而成。若c/a接近于1,该晶界就成为纯扭转晶界,Σ2晶界示意图如图3所示[31]。在实际体系中,a与c的微小差异可导致界面的错配。为简化计算,通常认为Σ2晶界中一个晶粒的晶格参数c等于另一个晶粒的晶格参数a。
2.3 界面能计算方法
硬质合金界面构建没有晶界的建立过程复杂,但需考虑不同的端面、堆垛顺序以及是否存在偏析膜。由于在硬质合金烧结温度下,Co为液相,因此在计算中处理WC-Co的界面结构显得尤为复杂。为了得到WC-Co或MC-Co界面能的合理取值,通常需要计算多种不同结构的界面能取平均值。以存在4层过渡族金属元素碳化物偏析膜(MC中M代表过渡族元素)的WC/Co界面为例[[32],存在一层MC时WC-Co-MC有16种堆垛顺序,存在2层及以上MC时WC-Co-MC有20种堆垛顺序,每种堆垛对应6种不同的Co结构。当计算含4层MC偏析膜的WC-Co体系时需456次运算,这对计算人员的能力及所需计算资源都是巨大的考验。WC-Co体系中存在密排六方(Hexagonal close-packed,hcp)和面心立方(Face-centered cubic,fcc)两种同素异形体的Co,高温下由于残余应力和溶解的C、W原子使fcc相能够稳定存在,并且fcc形态的Co能大量存留于烧结后的硬质合金中。为节约计算资源并简化分析,第一性原理计算时往往只考虑fcc相的Co[[33]。
界面能γ定义为单位面积界面的过剩吉布斯自由能。第一性原理计算通常是针对绝对零度进行的,这时候内能对界面起主要贡献,故吉布斯自由能可近似为体系内能,当WC-Co体系不存在偏析膜时界面能的计算方法为:
其中E是面积为A的界面超胞模型的总能量,μ和N分别是某类原子的化学势和原子数目。式(2)又可写为如下形式:
其中μWC=μW+μC,从式(3)可知,界面能和C化学势存在一定的函数关系。μWC和μCo可从它们的体结构计算获得,μC的取值在一定区间内变化,因此界面能随μC的变化而变化。由于μC的变化区间很小,总的来说μC的精确取值对结论并无显著影响。
硬质合金制备过程中,为防止晶粒长大,通常会加入过渡族金属元素碳化物作为抑制剂。采用透射电子显微镜对WC-Co-M硬质合金中晶粒抑制剂的作用机理进行研究[27],结果表明抑制剂的添加会在WC/Co界面间形成几个原子厚度的MC偏析膜,偏析膜的存在成为原子扩散的阻碍,减慢W的溶解-再结晶过程,从而抑制了WC晶粒的长大。
存在偏析膜时WC-Co体系的界面能计算方法如下:
其中E、A、μ和N的含义同式(2)。
当WC/Co体系中存在厚度为t的MC偏析膜时,体系的界面能定义为γfilm,当Δγ=γfilm-γWC/Co为负时,WC-Co-MC体系可能形成偏析膜。其中:
为拉伸(压缩)MC相以匹配WC晶格参数产生的弹性能,为形成偏析膜的单位吉布斯自由能,其计算公式为:
WC-Co的界面能可以表示为:
式中:σCo,σWC分别为Co、WC的表面能。
硬质合金烧结过程中,粘结相转变为液态。液相粘接金属必须对WC晶粒有良好的润湿性,才能达到致密化的效果。固液相之间的润湿性受界面能及表面能影响,以WC/Co硬质合金为例,铺展系数S(Spreading parameter)与这两种能量之间存在如下关系:
润湿角与界面能和表面能存在如下关系:
因此,cosθ=1+S/σCo(10)
式(8)-式(10)建立了第一性原理计算所得能量与WC/Co硬质合金润湿性之间的对应关系。由此,可以通过计算来判断粘结相的润湿能力。
3 基于第一性原理计算的硬质合金界面研究进展
3.1 WC/Co相界及WC/WC晶界的第一性原理计算
传统的润湿实验如测量金属液滴在碳化物上的润湿角等只能定性地获得界面关系图像。因此,取得定量的界面能数据成为迫切的要求。2002年至2006年期间,瑞典Christensen等[35]]针对硬质合金晶界进行了一系列的第一性原理计算。
Wahnstr9m等[[37]]于2004年计算了原子数目较少的简单周期性WC/Co界面模型。而随着计算机技术的高速发展,第一性原理的计算能力得到极大提高,现已能够精确计算包含上百个原子的体系。2009年,Slabanja等[[38]]采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了从43到413个原子的WC(0001)/Co体系在不同界面取向、端面、含碳量条件下界面的能量和结构。2012年Johansson等[3[39]]采用蒙特卡洛计算与密度泛函理论相结合的方法针对W-C-Co-M体系中WC(0001)/Co界面,计算1000~2000K温度范围内界面能与晶粒抑制剂化学势(ΔμVC)间的对应关系,从而获得体系的界面平衡相图。
2004年,Christensen等[34]采用第一性原理计算方法得到Co/WC界面间的分离功。发现当体系的界面能较低而分离功较高时,粘接相对晶粒的润湿效果好。对比Co/TiC与Co/WC界面处的电子结构,并将界面结合情况与实验结果进行比较,发现计算数据与实验结果相吻合:Co/WC的界面能比Co/TiC的界面能低,而分离功较高。在烧结过程中更容易形成金属-碳化物界面,此时碳化物原子溶解在Co中,加速晶粒长大过程。故Co/WC的润湿效果优于Co/TiC。在此工作基础上,Mikael等[36]进一步研究了WC-Co硬质合金面上不同的界面能关系。分析了12种不同端面的界面结构的附着性能和稳定性。界面能主要由体系的内能贡献,其他能量值(如弹性能)相对较小,不会影响该实验的结论,所以计算中不予考虑[40]。除此之外,热力学相关项与自由能差异的相互抵消也为该近似的合理性提供了证明[41]。受实验技术的制约,人们无法获得Co/WC界面原子排列结构的实验数据,故采用完全共格的界面:保持WC相结构作为基体,拉伸较软的Co相以匹配WC的晶格常数直到完全消除界面错配。计算结果表明,Co对WC的良好附着是由于在液相烧结后,大量的Co原子处于WC晶界的平衡位置所致。
当前,随着第一性原理计算理论模型的发展和计算机技术的进步,结合先进的实验手段。人们已能对实际体系进行更为精确的描述和更大规模的计算。2015年,Petisme等[42]构建了6种不同的WC/WC晶界模型,包括2种类型的Σ2晶界和4种类型的Σ4晶界,同时还计算了4种不同类型的WC/Co相界。计算内容涵盖WC、Co的表面能、WC/WC晶界能、WC/Co相界能、Co附着条件下的WC表面能、Co偏析条件下的WC/WC晶界能等方面。电子波函数的展开采用平面波赝势的方法,并且电子与电子之间的交换关联势选用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)近似。为评估交换-相关泛函对结果产生的影响,同时采用PBEsol(Perdew-Burke-Ernzerhof revised for solids)计算。磁性的影响通过自旋和非自旋计算获得。运用ABOP(Analytical bond order potential)势能评估界面错配对晶界能产生的影响。与先前[35,43]采用不同过渡态和端面评估界面能的方法不同,该工作中选择的界面是基于共格近似和错配能以确定能量最低的结构。计算采用固定尺寸的周期性超胞,真空层厚度为10,Σ2晶界的界面尺寸为,计算采用的超胞包含32个原子,a=c=2.8867;Σ4晶界的界面尺寸为a×2a,计算采用的超胞包含31个原子,a=c=2.8914。
Petisme等[42]的计算结果表明,最为稳定的WC底面或棱面的表面能约为3.5J/m2。通常情况下,W端面的表面比C端面的表面更加稳定。WC/WC的晶界能约为2.8J/m2,晶格错配对晶界能的影响约为10%。所有的WC晶界模型中都倾向于存在0.5个原子层的Co偏析,这与实验观察的结果相一致[44]。存在Co偏析时的WC晶界能约为2.3J/m2,Co的偏析会在晶界中形成约2.0长度的较强Co-C键合。这种键合使WC晶界更为稳定,降低了Co溶渗的数量,从而加强了硬质合金中WC骨架的稳定性和连续性。自旋计算和非自旋计算结果表明,Co的磁性转变会影响它在晶界间的溶渗但对润湿性能的影响较小。
3.2 掺杂条件下WC/WC晶界的第一性原理计算
随着制备高纯度材料技术和材料中微量杂质分析手段的发展,杂质对材料性能的影响已经被人们更加深入地认识。在多晶材料的界面研究中,掺杂对晶界强度的影响引起了广泛关注。针对Gothelid等[20]的实验结果,Christensen等[35]于2004年研究了WC晶粒间偏析Co与没有偏析Co两种情况下
2006年Christensen等[36]计算了Ti、V、Cr、Mn和Co等过渡族金属元素在WC/WC晶界偏析的可能性。结果表明,过渡族元素在W富集边界偏析的可能性很低,但很容易取代C富集边界的C原子从而形成元素偏析。其中V、Cr、Mn能显著增强晶界的结合。仅Co元素有在表面偏聚的倾向,这是因为延展性好的Co相可以通过调整Co原子在WC表面的位置而形成较强的键合以降低表面能,对WC表面润湿效果较好。
Christensen等[33]计算了90°扭转WC/WC晶界和27°扭转WC/WC晶界,结果表明大量的Co原子处于WC晶界的平衡位置。然而,Johansson等[45]得到了与之相反的结论。2015年,Johansson等[45]计算了WC/Co硬质合金中Σ1和
近年来,第一性原理计算在硬质合金领域起到越来越重要的作用。随着计算机技术与材料理论研究方法的飞速发展以及材料分析测试技术的进步。硬质合金界面的第一性原理计算朝着更大规模的体系、更加完善的理论、复杂界面精准建模和快速运算的方向发展。第一性原理计算能够预测硬质合金材料的界面能、磁性、弹性模量等。这些信息能为有限元计算、相图计算及相场模拟等提供基本的材料属性。通过建模将微观结构和力学、热力学性质耦合到一起,进而预测硬质合金材料的整体性能。将第一性原理计算、相图热力学、扩散动力学、相场模拟和有限元分析等多种计算方法同关键的实验相结合的集成计算思想为新型硬质合金的设计和开发提供了新模式。
除本文介绍的界面能计算外,第一性原理还被广泛应用于计算硬质合金的相稳定性、晶体形状等方面。目前,硬质合金的第一性原理计算中还存在以下问题:(1)硬质合金的烧结制备通常在一定温度下进行,然而目前大部分的第一性原理计算都是在基态下进行(T=0K)。温度的影响在将来的第一性原理计算中应作为一个重要的考虑因素。(2)目前很多文献报道的计算结果仅仅是对实验现象的验证。将来的第一性原理计算应该逐步从验证转向预测,为制备性能更佳的硬质合金寻找新的方法。比如,采用第一性原理预测稀土元素的添加对硬质合金形貌及性能的影响还有待于进一步研究。(3)现有的第一性原理计算仅能处理原子数目较少的体系,这与真实情况还存在一定差距。而分子动力学能够模拟特定温度下大规模的原子运动。采用分子动力学方法模拟高温下硬质合金的晶界滑移、形变过程,为解释硬质合金的断裂机理提供了新的可能。
4 结语
我国拥有丰富的钨资源,也是世界硬质合金的第一生产大国。但由于我国硬质合金工业起步较晚,硬质合金产品的质量、性能、品种与国外先进水平存在较大差距。通过第一性原理计算加快硬质合金材料的研发速度,降低研发成本逐渐成为备受关注的研究课题。本文系统地介绍了近年来硬质合金界面的实验观测与第一性原理计算研究进展。通过以上综述可以看出,已有的实验基础能为第一性原理计算提供准确的输入信息以模拟体系的演变过程,进而预测材料性能。第一性原理计算能对实验现象进行电子层面的分析,为复杂工业问题提供理论指导。然而,目前的硬质合金第一性原理计算仍处于早期阶段,还有很多问题有待进一步研究:硬质合金第一性原理计算都在基态下进行,高温条件下的研究还有待发展;文献报道的计算结果多为体能量、界面能、表面能等,并且稳定性、润湿性等性质的判断也是基于能量基础,如何将第一性原理结合多样化的材料研究手段从而预测硬质合金的整体性能成为未来发展的新方向;当前的硬质合金第一性原理计算局限于对实验结果的验证上,真正实现第一性原理计算在工业中的应用将是未来研究的难点与重点。
由于实验制样、测试和表征面临的种种困难,计算模拟已成为与解析方法、实验方法并列的科研手段,对加速材料研发、降低材料开发成本具有举足轻重的作用。在硬质合金的研发与改进中,第一性原理计算结合多尺度材料研究方法具有重要意义。实验手段与理论研究的相互补充、相互结合将为解决实际问题提供强有力的支持。
摘要：随着计算材料科学的发展,通过第一性原理计算加快硬质合金材料的研发速度,降低研发成本逐渐成为备受关注的研究课题。主要介绍了近年来基于密度泛函理论的第一性原理计算与高分辨透射电子显微术、三维原子探针等实验观测在硬质合金界面研究方面的进展。首先从界面强度评估方法、第一性原理界面能计算方法、晶界结构的理论模型等方面,结合硬质合金常见晶界计算,系统地对第一性原理计算界面的基本方法进行总结。然后结合最近的几个研究实例,展示了第一性原理计算在硬质合金研发中发挥的重要作用。最后,通过分析国内外学者的研究成果,阐述了硬质合金第一性原理计算领域存在的不足,以及这一领域可能需要进一步开展的工作。
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