基于云平台的计算机硬件实验
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一、实验系统简介

    基于云平台的计算机硬件实验系统(简称Honya-RHEP)是远程实验技术与云计算技术的融合,远程实验技术把虚拟实验引入到了实验教学中,虚拟实验的应用改变了传统的教育模式,使得教学方式发生了革命性变化。系统通过云端的硬件实验平台为学生搭建了一个很好的自由发挥的硬件实验环境。可提高学生动手实践能力以及理论和实践结合的水平,学校也可利用平台来建设开放性的计算机硬件实验室,让学生可以随时随地学习数字逻辑、计算机原理及计算机组成原理课程。系统可将学生实验项目通过互联网上传至云端服务器的实验板卡,并实时反馈实验结果,从而实现了学校实验室的在线化、开放化,为学生实践学习和老师实验课程管理提供了最大的便捷,也为高校实验室改革提供了理想解决方案。

二、实验系统架构

1)远程实验区与学生实验区

    远程实验区与学生实验区都统一安装“计算机硬件实验系统客户端”(简称学生机),实现实验平台的集中访问。

2)教学演示区

    为了在实验中更好地对学生实验进行教学辅导及培训,教师教学区部署一台教师机,用以教师登录并对学生实验进行管理。

3)远程实验服务区

    设备服务区采用机柜统一部署实验室的各种硬件设备,其中包括远程实验接入设备、FPGA硬件设备单元等。

三、实验系统硬件组成

1)、云平台接入设备

    云平台接入设备(简称接入设备)采用订制化的云计算服务器实现,负责管理多个FPGA硬件设备单元并运行服务器软件,实现学生客户端的登陆管理、动态分配FPGA硬件设备、程序提交与下载、记录学生操作记录等。并将客户端的请求和操作以指令的形式发送到FPGA硬件设备单元。

    接入设备的服务器采用USB Hub扩展多路USB接口,通过USB接口与FPGA硬件设备单元进行通信,传输命令给对应的FPGA设备,实现FPGA设备的程序的编写,内部寄存器的监控等。

云接入设备 


2)、FPGA云资源设备

    FPGA云资源设备,是采用板卡的形式对FPGA资源进行整合,每个板卡通过USB接口连接到云平台接入设备的计算机机群上。设备单元采用ARM+FPGA的核心硬件方案, 其中ARM解析服务器软件下发的命令,并负责下载FPGA程序、设置FPGA管脚输入状态以及采样输出管脚状态,从而形成了一个弹性的FPGA资源池,为学生提供计算服务,提供硬件验证服务。

FPGA云资源设备

四、软件组成

1)教师管理系统

    教师管理系统提供了登录、学生信息监控、学生操作记录监控、实验管理、FPGA板卡连接状态监控、学生实时操作信息监控等功能。

1. 教师登陆

2. 学生列表监控

3. 学生操作记录监控

4. FPGA板卡连接状态监控

5. 实验完成情况监控

6. 下载学生实验代码

7. 实验评分,评论

8. 导出成绩单

9. 学生实时操作记录监控

                                   

教师机登陆界面

教师机主界面

2)学生终端软件

    学生终端软件提供了学生账号注册、登录、设备连接、实验程序上传、实验界面、实验输入设置、输出监控等功能。

1.        用户登录

2.        连接设备

3.        选择实验并上传程序

4.        运行程序

5.        设置FPGA输入

6.        观察FPGA输出,验证程序的正确性

7.        退出

主界面

实验主面板


3)移动终端展示系统

    移动终端展示系统是指学生可通过配套的APP描实验的二维码,即可在学生手机上展示组成原理实物板上,数据的交换完全是真实数据,方便学生更加直观学习计算机硬件实验。

1.        实验二维码

2.        实验板卡实物图展示

3.        实验板上数据交互展示

实验二维码

                                                                              

手机APP主界面                                                                                  三八译码器

4)教学内容资源包

    实验资源包内容分为3部分:数字逻辑实验、计算机组成原理实验及综合CPU实验,每个实验均提供了实验原理、实验步骤、配套全部源代码。

    1.数字逻辑实验内容包括:3-8译码器、41多路选择器、异步清零同步使能加法计数器、数码管显示电路、整数分频器、加减法运算器、状态机、七人表决器、四人抢答器、可控脉冲发生器

    2.计算机组成原理实验包括:编码实验、加法器设计(逐级进位、超前进位)、乘法器设计、运算器设计、ROMRAMSTACKFIFO

    3.综合CPU实验包括:RISC-CPU兼控制器和数据通道实验、流水线CPU实验及其他数字逻辑综合实验



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