計(jì)算機(jī)硬件綜合“實(shí)驗(yàn)云”

陸洪毅　唐玉華　肖儂

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，介紹在計(jì)算機(jī)硬件系列課程中開展實(shí)踐教學(xué)改革，提出一套基于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)+硬件實(shí)踐平臺(tái)的“實(shí)驗(yàn)云”的實(shí)踐教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)；云計(jì)算；遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)

1.背景

計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)踐教學(xué)一直是計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)這一環(huán)節(jié)，可以直接讓學(xué)生對(duì)硬件有感性認(rèn)識(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)、物理特性有更深入的了解。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，多采用實(shí)物、虛擬實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行。采用實(shí)物的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)，如微機(jī)原理，可以直接利用實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)開發(fā)板等現(xiàn)成的硬件，用匯編語(yǔ)言、硬件描述語(yǔ)言等方式進(jìn)行編程，輔以萬(wàn)用表、邏輯分析儀、示波器等儀器設(shè)備，可以全面提升學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知。采用虛擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)，可以采用模擬器等方式模擬硬件的運(yùn)行，并以可視化的方式展現(xiàn)給學(xué)生，接近或者達(dá)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果。

隨著計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的快速發(fā)展，許多學(xué)校經(jīng)過(guò)多輪的建設(shè)投資，積累了大量的硬件設(shè)備；許多設(shè)備由于更新、損耗等問(wèn)題，需要重新投資采購(gòu)以便升級(jí)換代。另外，教學(xué)內(nèi)容的不斷發(fā)展，也要求相應(yīng)的硬件條件跟上。

硬件基礎(chǔ)條件的建設(shè)，一方面可以不斷適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，開展更多更好的實(shí)踐教學(xué)；另一方面，有許多陳舊設(shè)備需要淘汰，導(dǎo)致投資的浪費(fèi)，而且，隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大，這種資源上的浪費(fèi)將更為嚴(yán)重。

基于以上認(rèn)識(shí)，我們?cè)凇笆晃濉苯ㄔO(shè)期間，開始了“計(jì)算機(jī)硬件綜合實(shí)驗(yàn)云”（簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)云”）的論證與建設(shè)工作，試圖開發(fā)出一條新的路子，能夠解決重復(fù)投資、資源浪費(fèi)、設(shè)備快速淘汰的問(wèn)題。

2.“實(shí)驗(yàn)云”設(shè)計(jì)思想

“實(shí)驗(yàn)云”采用“云”的方式對(duì)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行組織和管理，以服務(wù)的方式為學(xué)生、教師提供支持，其投資建設(shè)的重點(diǎn)在“云”端，而不是用戶端。

“實(shí)驗(yàn)云”具有以下特點(diǎn)：

（1）投資集中。硬件建設(shè)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)等集中在“云”端，并且同樣的硬件條件可以支持多門課程。

（2）服務(wù)廣泛。采用‘‘云”機(jī)制之后，所有的硬件實(shí)踐教學(xué)，都能采用服務(wù)的方式對(duì)外提供，使用者（學(xué)生、教師等）可以通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用服務(wù)，完成實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

（3）易于升級(jí)擴(kuò)展。只需要在云端對(duì)系統(tǒng)的軟硬件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行升級(jí)，即可達(dá)到全系統(tǒng)升級(jí)的目的。

（4）系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。該系統(tǒng)采用“云”的方式組織，所有用戶數(shù)據(jù)均可保留在云端，方便與其他信息系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)集成，并能夠?qū)θ^(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和使用。

3.“實(shí)驗(yàn)云”框架

“實(shí)驗(yàn)云”的主要框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要由“天河陽(yáng)光”實(shí)驗(yàn)板節(jié)點(diǎn)（如圖2所示）、交換機(jī)、Web服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等組成，它們之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通?！疤旌雨?yáng)光”實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)上整合廠豐富的硬件實(shí)驗(yàn)資源，為計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)；交換機(jī)與實(shí)驗(yàn)板、Web服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器連接組成一個(gè)內(nèi)網(wǎng)；Web服務(wù)器運(yùn)行Web服務(wù)，連接內(nèi)部交換機(jī)和Internet；實(shí)驗(yàn)服務(wù)器運(yùn)行各種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并通過(guò)交換機(jī)與實(shí)驗(yàn)板節(jié)點(diǎn)連接。軟件系統(tǒng)由運(yùn)行于服務(wù)器的Web服務(wù)和實(shí)驗(yàn)所需的各種大型軟件組成。Web服務(wù)負(fù)責(zé)管理實(shí)驗(yàn)板，為客戶端提供Web服務(wù)，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，并將客戶端請(qǐng)求提交給實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，控制實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)功能，將用戶操作日志和實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫(kù)；大型軟件運(yùn)行于服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)輕客戶端，客戶甚至只需一個(gè)能夠上網(wǎng)的手機(jī)就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參考資料由實(shí)驗(yàn)教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、參考代碼、視頻教程等組成。

“實(shí)驗(yàn)云”平臺(tái)客戶端無(wú)需安裝客戶端軟件，直接用瀏覽器通過(guò)Internet訪問(wèn)Web服務(wù)器。連接到網(wǎng)絡(luò)的客戶端登錄后就可以申請(qǐng)獲得硬件資源，然后操控實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。客戶端對(duì)實(shí)驗(yàn)板的操作控制命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，Web服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)服務(wù)器收到命令后再轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)板對(duì)命令進(jìn)行解析并執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果返回到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器、Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回給相應(yīng)用戶，用戶通過(guò)瀏覽器觀察結(jié)果。管理員也通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器進(jìn)行后臺(tái)管理。

4.“實(shí)驗(yàn)云”建設(shè)

“實(shí)驗(yàn)云”的建設(shè)主要?jiǎng)澐譃橛布l件建設(shè)和內(nèi)容建設(shè)2個(gè)方面。

在“實(shí)驗(yàn)云”硬件條件建設(shè)上，主要是云端環(huán)境的建設(shè)。我們專門調(diào)集了開發(fā)人員，對(duì)實(shí)驗(yàn)云硬件條件進(jìn)行充分論證，確定各種硬件器件的選型。云端環(huán)境建設(shè)中，最重要的是實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的邏輯開發(fā)以及服務(wù)器軟件系統(tǒng)的開發(fā)。在我們選用的“天河陽(yáng)光”實(shí)驗(yàn)開發(fā)板中，擁有足夠的可編程邏輯器件空間、以太網(wǎng)接口，并且在硬件上支持對(duì)FPGA器件的動(dòng)態(tài)編程，這些都為實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的遠(yuǎn)程操作提供了硬件支持。特別是，我們?cè)谌绾慰焖俦４婊謴?fù)硬件實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)上進(jìn)行深入研究，為支持實(shí)驗(yàn)板的虛擬化提供了技術(shù)保障。在服務(wù)器軟件系統(tǒng)開發(fā)上，主要是用戶界面開發(fā)、實(shí)驗(yàn)支持模塊的開發(fā)等。用戶界面上采用JSP、JavaScript、Flash等作為主要開發(fā)手段，充分利用最新的Web界面開發(fā)方法。實(shí)驗(yàn)支持模塊上主要是擬定各種通信協(xié)議、提供實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具等。

在“實(shí)驗(yàn)云”內(nèi)容建設(shè)上，我們依托已經(jīng)開展的計(jì)算機(jī)原理課程設(shè)計(jì)、數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容，要求相關(guān)授課教師提供實(shí)驗(yàn)素材，并由專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行整理，最后在“實(shí)驗(yàn)云”體系下進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。所有的實(shí)驗(yàn)?zāi)K都部署到實(shí)驗(yàn)服務(wù)器上。

5.“實(shí)驗(yàn)云”初步建設(shè)成效

2012年底，我們順利加入到“211工程高等教育公共服務(wù)體系（三期）中國(guó)教育科研網(wǎng)格二期建設(shè)項(xiàng)目”中，參與了其中“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科網(wǎng)格建設(shè)任務(wù)”，并負(fù)責(zé)其中的“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境”建設(shè)任務(wù)。2013年9月，已經(jīng)部署了10個(gè)“實(shí)驗(yàn)云”節(jié)點(diǎn)，支持10人以上在線硬件遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，并采用云機(jī)制，能夠容納更多的學(xué)生同時(shí)在線進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

另外，在本科教學(xué)中，我們已經(jīng)在包括計(jì)算機(jī)原理課程設(shè)計(jì)等在內(nèi)的多門硬件系列課程中，使用了“實(shí)驗(yàn)云”系統(tǒng)。學(xué)生可以在宿舍、圖書館、教室、實(shí)驗(yàn)室等地方，通過(guò)覆蓋全校的“無(wú)線教學(xué)網(wǎng)”，使用筆記本、PAD等終端，直接訪問(wèn)部署在中心機(jī)房的“實(shí)驗(yàn)云”環(huán)境，進(jìn)行遠(yuǎn)程硬件實(shí)驗(yàn)。

6.結(jié)語(yǔ)

“實(shí)驗(yàn)云”計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)的限制，同時(shí)具有實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，方便管理，使用便捷。

在未來(lái)的建設(shè)中，計(jì)劃在ChinaGrid上部署更多的“實(shí)驗(yàn)云”節(jié)點(diǎn)，能夠容納超過(guò)1000人同時(shí)在線完成計(jì)算機(jī)硬件系列遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)，將整個(gè)系統(tǒng)開源，并將其通信協(xié)議規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。進(jìn)一步切分軟硬件接口，擬定開放的通信協(xié)議。在云端集成更多的硬件設(shè)備（高檔FPGA板卡、高端儀器等）和大型EDA工具，爭(zhēng)取在“十二五”末，建成比較完善的“實(shí)驗(yàn)云”遠(yuǎn)程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

進(jìn)一步密切與教育教學(xué)公司的聯(lián)系，推廣“實(shí)驗(yàn)云”的理念，逐步把以“賣設(shè)備”“賣課程”為主的營(yíng)銷模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴百u服務(wù)”為主的營(yíng)銷模式。endprint