虚拟服务器实验,面向计算机硬件的远程虚拟实验服务

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.

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