面向计算机硬件的远程虚拟实验服务

发布时间：2020-08-21 12:38

【摘要】：近年来,随着网络技术的发展与学生认知水平的提高,传统计算机硬件课程的实验方式已无法满足学生的需要。各大高校也在推动改革传统计算机硬件课程的实验方式,其中远程虚拟实验和远程虚拟仿真实验的实验方式深受广大高校的青睐。在此期间,教育部也发布建设国家级虚拟仿真实验教学中心的通知,全面推动远程虚拟教学实验室的建设。由此可见,计算机硬件类课程的实验改革是未来教育的一个重要组成部分。目前,国内的计算机硬件类远程虚拟实验主要集中在两个方面:一是远程虚拟仿真,整个实验环境全部通过软件模拟;二是采用客户端加FPGA开发板的方式,提供远程虚拟实验服务。前者实验数据全部理论化,缺少真实感;后者开发板价格高昂且通用型不强,前期建设与后期维护成本花费量较大。因此,本文结合计算机网络、远程控制、数据流交互及设备监控等技术,提出了面向计算机硬件的远程虚拟实验服务,该服务结合SpringBoot和远程FPGA实验板,可为计算机组成原理、数字逻辑等计算机硬件课程提供远程虚拟实验服务。本文针对面向计算机硬件的远程虚拟实验服务,主要完成了以下工作:第一,从功能和性能两方面对服务的整体需求进行了分析,结合国内外远程虚拟实验服务的分析与研究,提出了本服务的总体架构以及服务器和远程FPGA实验板的软件服务架构。服务整体上采用B/S/C(Browser-Server-Control)架构,并且为了实验服务的通用性、稳定性及可维护性,研究与设计了浏览器与服务器、服务器与实验板之间的数据传输协议。第二,完成了服务器远程虚拟实验服务的研究与设计,分为数据库、实验服务和实验管理服务三方面。数据库方面,采用“Redis+MySQL”的方式进行数据一致性读写,整体上提高服务读写性能;实验服务方面,使用“异步处理+有限状态机+任务池”的方式设计实验电路文件的配置服务、以“虚拟实验板+同步处理”的方式设计实验数据交互服务以及结合多因素实现实验板的动态分配服务;实验管理服务方面,设计实验信息记录服务和实验资源管理服务。第三,介绍了满足本服务需求的远程FPGA实验板,包括STM32控制电路、FPGA实验控制电路和以太网电路的设计与实现;设计了嵌入式系统软件,包括结合网络传输与通信协议的特点,以“零拷贝”的方式设计与实现FPGA配置、FPGA数据交互等实验服务。最后,对整个服务及相关子服务部分进行了测试、验证及试用,整体测试结果良好,验证了服务设计的正确性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：G642;TP303-4
【图文】：

日本法政大学［１３＿１７］开发了基于ＦＰＧＡ的硬件逻辑网络实验室，学生可以通过逡逑远程登录或Ｗｅｂ的方式远程进行硬件逻辑实验。此实验室结合现有的实际硬件实逡逑验室和远程实验室，以Ｗｅｂ服务的形式实现了全新的ＣＡＤ设计服务和ＦＰＧＡ运行逡逑服务，即使用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ进行硬件电路设计，经Ｗｅｂ服务编译处理后通过ＦＰＧＡ逡逑运行。同时该实验平台每块硬件还配置了一台逻辑分析仪器，用于实现硬件运行逡逑状态的监控和实验数据的采集。该团队仍然致力于建设基于ＦＰＧＡ的远程实验室，逡逑目前已升级为基于混合云的半自动远程实验系统，用户只需提供Ｖｅｒｉｌｏｇ邋ＨＤＬ描逡逑述文件和一些参数便可进行实验［１８］。逡逑法国国立高等电子与计算机科学工程学校电气工程学院［１９］开发了名为逡逑ＭＥＤＩＣＩＳ的远程硬件实验室，学生通过客户端调用服务器提供的服务远程进行逡逑ＦＰＧＡ电路编程与测试。此实验总体架构基于Ｃ／Ｓ模式，实验硬件采用ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ逡逑４００６Ｅ，服务器通过ＲＳ．２３２与ＨＰ１６５００Ａ逻辑分析仪器相连，从而获取硬件的实验逡逑。逡逑

ＭＩＳ逡逑图３．３远程虚拟实验服务：总体架构图逡逑相比于图３．３，与之相对应的是远程虚拟实验服务软件总体架构，如图３．４所逡逑示。远程虚拟实验服务的软件结构分为展示层、服务层及硬件层，每层的具体具逡逑体描述如下：逡逑１．

板发送３６８Ｋ的数据内容。为了使得配置服务能够快速、稳定的对实验板进行配逡逑置，在此使用“异步任务＋有限状态机”的方式对实验板进行配置，配置过程中的逡逑状态及状态迁移如图４．４所录。逡逑接收任务逦ｗｒｉｔｅ邋ｒｅａｄ邋，邋１＇＇ｓｎｎ＾发送任务逡逑／逦ｓｕｃｃｅｓｓ邋ｆａｉｌｅｄ逦，逦（逦＼逦ｓｅｎｄ逡逑Ｉ逦N逦Ｃｌ邋、ｄ0ｗｎｌｏａｄ邋Ｊ逦逦逦＾逡逑（逦＼邋ｓｔａｒｔ＾ｆａｉｌｅ４邋ｆ逦逦＾逦（逦＼逡逑（邋ＤＯＴ邋Ｖ逦ＤＯＷＮＬＯＡＤ邋丨）逦彮逦（邋ＳＥＮＤ邋丨逡逑ｖＶ逦＼逦ＶＴｙ逡逑ｓｕｃｃｅｓｓ逦｜一＾邋Ｍ邋？ＩＳＨ邋Ｊ逡逑ｆｉｎｉｓｈ逦Ｉ逦Ｎ，邋ｐｒｅｐａｒｅ＾／，逡逑远程ＦＰＧＡ实猃板逡逑图４．４实验电路文件配置服务状态机及状态迁移图逡逑如图４．４所示，实验电路文件的每一次配置都会开启接收和发送两个任务。两逡逑个任务拥有各自的状态机，通过缓存来进行状态同步与控制。接收和发送任务开逡逑启之初都处于“ＩＮＩＴ”状态，然后会发送开始指令，使接收与发送任务进入逡逑“ＣＯＮＦＩＧ”态；接下来发送任务会进入“ＳＥＮＤ”状态向实验板发送配置指令，使得逡逑ＦＰＧＡ完成复位。发送任务在发送完成后会进行“ＰＲＥＰＡＲＥ”状态

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