計算機硬件實驗平臺集成與網絡化管理

摘要：目前，計算機科學與技術專業的硬件實驗環節存在實驗平臺技術水平低、一課一平臺現象。提出實驗平臺高度集成和網絡化模式管理集成平臺的方法，這樣就會減少辦學投入、降低管理成本、減少實驗室面積和提高學生效率等。

關鍵詞：硬件平臺；集成；網絡化管理

作者簡介：王桃發（1965-），男，福建東山人，漳州師范學院計算機系，講師；黃茹芬（1963-），女，福建漳州人，漳州師范學院計算機系，副教授。（福建 漳州 363000）

基金項目：本文系漳州師范學院院內資助項目“嵌入式CPU中斷系統設計與仿真”（項目編號：SK09001）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）23-0086-02

一、計算機硬件實驗

計算機硬件實驗包括基礎實驗和專業實驗兩大部分，主要有數字邏輯、計算機組成、接口技術、計算機體系結構、單片機、SOPC、嵌入式系統等。

高等教育正在由知識型向能力培養為中心的教育進行轉化，而專業能力的培養離不開實踐教學活動。[1]計算機科學與技術是一門技術科學，有科學的成分，不過工程技術的含義更多。但是，目前國內高校計算機專業的課程設置大多“避硬就軟”或者“硬件軟化”。

二、計算機硬件實驗平臺現狀

國內絕大多數高校都招收計算機科學與技術專業的學生。硬件實驗平臺普遍存在平臺本身功能單一，平臺利用率、實驗室利用率和實驗室管理人員效率低等幾個方面的問題。

1.實驗技術相對落后

多數高校仍采用傳統的中小規模集成電路作為平臺的主要元件，[2]這樣的實驗平臺只能完成簡單的驗證性實驗，無法支持綜合性實驗，更談不上創新性實驗。而且這樣的平臺插接不良的現象時常發生，影響實驗者的判斷，增加了指導教師的工作量，也耽誤了許多時間。

2.實驗平臺利用率低

目前，大多數高校采用一課一平臺的方式實現實驗教學，某具體平臺的使用一般僅限于該課的開設學期，一旦該門課程結束了，與之相關的實驗平臺也就不再使用了。這種硬件教學實現模式增大了學生學習使用不同平臺的負擔，同時也造成知識掌握不牢固、學藝不精；對單個學生而言，大學四年使用某具體平臺僅有若干次（與實驗教學大綱有關），自然辦學的成本也就高了。

3.實驗室利用率低

通常每個平臺需要一個上位機（正常為PC機），因此一個類型的平臺就需要配置一個實驗室。以56個學生位為例，除平臺之外，目前配置一間實驗室的實驗教學環境大約需要花費人民幣45萬元（含機、學生桌椅、投影、擴音、局域網等），還需要一間面積在110～120m2之間的房間。假設集成平臺同時支持6門硬件實驗課程，則按照當前物價估計直接可節約人民幣約225萬元，減少實驗室面積約600m2，每年可節省維護、工資費用約20萬元。

4.實驗室管理人員工作效率低

每個管理人員負責的實驗室數量是有限的，實驗室的數目越多，要求配備的工作人員就越多；實驗平臺的技術水平越低，集成度越差就越容易損壞，維護的工作量就越大。同時，社會對高校的認可程度也就降低了。

三、計算機硬件實驗平臺集成

所謂實驗平臺集成就是指設計出這樣的平臺——可以支持多門課的實驗，包括驗證性、綜合性和創新性實驗。

1.平臺集成的必要性

作為計算機專業方向，各門課程之間既相互區別又相互聯系，如何做好它們之間的銜接[3]是一門藝術，從理論教學到實驗、實踐教學，是值得廣大計算機教育者深入研究的大課題。如上所述，由于技術水平和觀念兩個方面的因素，就實驗教學而言形成了目前松散的局面。從提高實驗成功率、增加實驗類型、增加知識一致性來看，平臺集成非常有益；從減少硬件投入、減少試驗室面積、降低辦學成本來看，首選的應該是平臺集成；從減輕試驗室維護工作量、提高設備使用率、提高實驗室管理水平上看，平臺集成十分必要。

2.平臺集成的可能性

由于新技術的出現，計算機硬件實驗平臺集成是可能的。借助于EDA技術[4]，數字邏輯、計算機組成等硬件實驗均可以由同一個平臺支持。

3.平臺集成的實現

計算機硬件集成平臺在物理上表現為核心電路加上適量外圍電路。它需要軟硬兩個方面的支持，主要依賴以下幾個因素：硬件描述語言與仿真、CPLD/FPGA、IP核[5]、外圍擴展電路。

硬件描述語言發展至今有近30年歷史，特別是VHDL和Verilog HDL，先后成為IEEE標準，它們可以方便地應用于電路設計建模、仿真、驗證、綜合等不同階段。而CPLD/FPGA器件是平臺集成的物理基礎，它們包含可編程的邏輯陣列，甚至內嵌存儲單元、鎖相環等模塊，支持JTAG協議，可以方便地嵌入邏輯分析儀、產生狀態機、產生CPU等。對于一些硬件課程，IP使得平臺適應范圍更廣、升級更簡單，比如從51單片機[6]升級為PIC單片機。除了核心CPLD/FPGA器件之外，少量外圍電路是必需的，比如AD/DA 芯片、LCD驅動電路、交流/直流微電機驅動電路等等。

四、集成平臺網絡化管理

所謂集成平臺網絡化管理就是借助網絡，學生做實驗時不必進入實驗室，也不受時間限制。他可以提交各種不同類型的實驗代碼（包括課程設計和畢業設計），實驗平臺通過網絡返回實驗結果。實驗過程中學生有疑問時由相應的實驗指導教師以任何可能的方式給予解答，如實時在線、實驗課后集中解答等。

1.集成實驗平臺網絡管理的必要性

多門硬件的實驗項目均可以由同一個平臺完成，這是一個很大的進步，但是到此并不是萬事大吉。如果沒有先進的使用管理模式，從本質上講，又回到傳統的方式。這里，主要是解決平臺使用上的時間和空間問題。

在時間上，一個院系有多個不同的年級同時開設不同的課程，學生們在同一個學期使用集成平臺的可能性很大；在空間上，多個班級的學生同時擠在同一個實驗室內是不可能的。

如何解決這些矛盾？集成實驗平臺網絡化管理的模式很好地解決了這個問題。

2.網絡化管理的實現

（1）集成平臺網絡化管理的系統框架。在硬件方面，整個系統包括集成平臺、服務器與客戶端、網絡；在軟件方面，包括服務器與客戶端的管理軟件。系統框架圖如圖1所示。

（2）集成實驗平臺提供附加的功能。實驗設備上有負責系統寫入代碼、控制板上電路、提供對于實驗芯片的實驗支持和監測、對外發出監測內容的控制芯片；負責下載程序到實驗芯片和控制芯片的下載芯片，下載芯片同時附帶了控制芯片的通信中轉；存儲相關實驗測試程序以及數據的存儲器；對外通信的USB通信接口；供下載芯片存儲下載內容的FLASH存儲器；輔助進行各種硬件實驗所需的各類實驗用接口。

（3）實驗管理和設備服務器軟件。服務器使用windows服務器，具有USB通信接口和以太網接口，運行USB設備管理軟件、數據庫軟件和實驗服務軟件，可完成實驗及設備的管理以及同客戶端通信。

（4）實驗的客戶端軟件。客戶端計算機使用windows系統，具有以太網接口，運行客戶端軟件，客戶端上由具體的實驗界面，提供實驗操作以及查看實驗結果等。

五、傳統模式與集成網絡化模式并存

傳統方式也是有優點的，它讓學生有機會直接感觸到硬件，這種方式對低年級的學生尤其有利，有利于建立感性的認識。

相對地，集成網絡化模式也是有缺點的。一方面，集成度高了，做實驗時只能用硬件描述語言來實現諸多組件，不直觀；另一方面，網絡化的管理使得指導教師幾乎無法面對面給學生作指導，難免存在指導滯后、交流不充分。

兩種模式并存的優點是增強了課程之間的聯系和連續性，學生在學習過程中對知識的掌握和實踐有了連貫性、一致性。

六、結論

平臺集成使得硬件的實驗類型擴大了，有助于學生建立完整的專業思想，為進一步深造或者就業打下堅實的基礎，同時集成平臺升級幾乎可以做到零成本，減少了實驗室面積，極大地提高了實驗室和實驗設備的利用率，降低了日常管理工作量，從而大幅度降低辦學成本。網絡化管理的集成平臺有利于高校提高硬件教學水平，縮小與歐美國家硬件教學水平的差距。

參考文獻：

[1]張麗艷，韓德強.基于FPGA平臺的計算機硬件實踐教學探索[J].計算機教育，2010，(7):113，115.

[2]嵩天，李鳳霞.計算機硬件技術基礎課程實驗改革[J].計算機教育，

2010，(17):113，115.

[3]白中英.數字邏輯、計算機組成原理兩門課的銜接性[J].計算機教育，2011，(19):36.

[4]夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[5]Mike Kendrich.FPGA中處理器IP概述[J].電子產品世界，2010，(3):

21-22.

[6]王瑞，游志宇.MC8051單片機IP核的FPGA實現與應用[J].電子設計工程，2009，(17):57-60.

（責任編輯：劉輝）