計算機硬件綜合“實驗云”

陸洪毅　唐玉華　肖儂

摘要：針對傳統計算機硬件實踐教學中存在的問題，介紹在計算機硬件系列課程中開展實踐教學改革，提出一套基于遠程實驗+硬件實踐平臺的“實驗云”的實踐教學方法。

關鍵詞：計算機硬件實踐教學；云計算；遠程實驗；虛擬實驗

1.背景

計算機硬件課程的實踐教學一直是計算機硬件教學的重要環節，通過這一環節，可以直接讓學生對硬件有感性認識，對計算機系統的硬件邏輯結構、物理特性有更深入的了解。

傳統的計算機硬件實踐教學環節，多采用實物、虛擬實驗等方式進行。采用實物的計算機硬件實踐教學，如微機原理，可以直接利用實驗箱、實驗開發板等現成的硬件，用匯編語言、硬件描述語言等方式進行編程，輔以萬用表、邏輯分析儀、示波器等儀器設備，可以全面提升學生對硬件系統的認知。采用虛擬實驗的計算機硬件實踐教學，可以采用模擬器等方式模擬硬件的運行，并以可視化的方式展現給學生，接近或者達到實物實驗的效果。

隨著計算機硬件實踐教學的不斷發展，以及計算機技術本身的快速發展，許多學校經過多輪的建設投資，積累了大量的硬件設備；許多設備由于更新、損耗等問題，需要重新投資采購以便升級換代。另外，教學內容的不斷發展，也要求相應的硬件條件跟上。

硬件基礎條件的建設，一方面可以不斷適應計算機硬件技術的發展，開展更多更好的實踐教學；另一方面，有許多陳舊設備需要淘汰，導致投資的浪費，而且，隨著學校規模的擴大，這種資源上的浪費將更為嚴重。

基于以上認識，我們在“十一五”建設期間，開始了“計算機硬件綜合實驗云”（簡稱“實驗云”）的論證與建設工作，試圖開發出一條新的路子，能夠解決重復投資、資源浪費、設備快速淘汰的問題。

2.“實驗云”設計思想

“實驗云”采用“云”的方式對計算機硬件實驗資源進行組織和管理，以服務的方式為學生、教師提供支持，其投資建設的重點在“云”端，而不是用戶端。

“實驗云”具有以下特點：

（1）投資集中。硬件建設、實驗內容建設等集中在“云”端，并且同樣的硬件條件可以支持多門課程。

（2）服務廣泛。采用‘‘云”機制之后，所有的硬件實踐教學，都能采用服務的方式對外提供，使用者（學生、教師等）可以通過遠程網絡使用服務，完成實踐教學環節。

（3）易于升級擴展。只需要在云端對系統的軟硬件、實驗內容進行升級，即可達到全系統升級的目的。

（4）系統可擴展性強。該系統采用“云”的方式組織，所有用戶數據均可保留在云端，方便與其他信息系統、教學管理系統集成，并能夠對全過程的實驗數據進行存儲、分析和使用。

3.“實驗云”框架

“實驗云”的主要框架結構如圖1所示。硬件系統主要由“天河陽光”實驗板節點（如圖2所示）、交換機、Web服務器、實驗服務器、數據庫服務器等組成，它們之間通過網絡互聯互通。“天河陽光”實驗節點上整合廠豐富的硬件實驗資源，為計算機硬件課程實驗提供了基礎；交換機與實驗板、Web服務器、實驗服務器連接組成一個內網；Web服務器運行Web服務，連接內部交換機和Internet；實驗服務器運行各種實驗模塊，并通過交換機與實驗板節點連接。軟件系統由運行于服務器的Web服務和實驗所需的各種大型軟件組成。Web服務負責管理實驗板，為客戶端提供Web服務，響應客戶端請求，并將客戶端請求提交給實驗服務器，控制實驗節點完成各項實驗功能，將用戶操作日志和實驗結果保存于數據庫；大型軟件運行于服務器，實現輕客戶端，客戶甚至只需一個能夠上網的手機就可以進行實驗。實驗參考資料由實驗教材、實驗指導書、參考代碼、視頻教程等組成。

“實驗云”平臺客戶端無需安裝客戶端軟件，直接用瀏覽器通過Internet訪問Web服務器。連接到網絡的客戶端登錄后就可以申請獲得硬件資源，然后操控實驗板進行實驗。客戶端對實驗板的操作控制命令通過網絡發送，Web服務器、實驗服務器收到命令后再轉發給相應的實驗板，實驗板對命令進行解析并執行，執行結果返回到實驗服務器、Web服務器，Web服務器再將實驗結果返回給相應用戶，用戶通過瀏覽器觀察結果。管理員也通過瀏覽器訪問Web服務器進行后臺管理。

4.“實驗云”建設

“實驗云”的建設主要劃分為硬件條件建設和內容建設2個方面。

在“實驗云”硬件條件建設上，主要是云端環境的建設。我們專門調集了開發人員，對實驗云硬件條件進行充分論證，確定各種硬件器件的選型。云端環境建設中，最重要的是實驗開發板的邏輯開發以及服務器軟件系統的開發。在我們選用的“天河陽光”實驗開發板中，擁有足夠的可編程邏輯器件空間、以太網接口，并且在硬件上支持對FPGA器件的動態編程，這些都為實驗開發板的遠程操作提供了硬件支持。特別是，我們在如何快速保存恢復硬件實驗現場上進行深入研究，為支持實驗板的虛擬化提供了技術保障。在服務器軟件系統開發上，主要是用戶界面開發、實驗支持模塊的開發等。用戶界面上采用JSP、JavaScript、Flash等作為主要開發手段，充分利用最新的Web界面開發方法。實驗支持模塊上主要是擬定各種通信協議、提供實驗開發工具等。

在“實驗云”內容建設上，我們依托已經開展的計算機原理課程設計、數字系統課程設計、嵌入式系統課程設計等內容，要求相關授課教師提供實驗素材，并由專業人員對其進行整理，最后在“實驗云”體系下進行設計實現。所有的實驗模塊都部署到實驗服務器上。

5.“實驗云”初步建設成效

2012年底，我們順利加入到“211工程高等教育公共服務體系（三期）中國教育科研網格二期建設項目”中，參與了其中“計算機科學與技術重點學科網格建設任務”，并負責其中的“計算機體系結構虛擬實驗環境”建設任務。2013年9月，已經部署了10個“實驗云”節點，支持10人以上在線硬件遠程實驗，并采用云機制，能夠容納更多的學生同時在線進行遠程實驗。

另外，在本科教學中，我們已經在包括計算機原理課程設計等在內的多門硬件系列課程中，使用了“實驗云”系統。學生可以在宿舍、圖書館、教室、實驗室等地方，通過覆蓋全校的“無線教學網”，使用筆記本、PAD等終端，直接訪問部署在中心機房的“實驗云”環境，進行遠程硬件實驗。

6.結語

“實驗云”計算機硬件實踐平臺，突破了傳統計算機硬件實物實驗的限制，同時具有實物實驗和虛擬實驗的優點，方便管理，使用便捷。

在未來的建設中，計劃在ChinaGrid上部署更多的“實驗云”節點，能夠容納超過1000人同時在線完成計算機硬件系列遠程實驗。

同時，將整個系統開源，并將其通信協議規范化、標準化。進一步切分軟硬件接口，擬定開放的通信協議。在云端集成更多的硬件設備（高檔FPGA板卡、高端儀器等）和大型EDA工具，爭取在“十二五”末，建成比較完善的“實驗云”遠程實踐教學平臺。

進一步密切與教育教學公司的聯系，推廣“實驗云”的理念，逐步把以“賣設備”“賣課程”為主的營銷模式，轉變為以“賣服務”為主的營銷模式。endprint