淺談云計算平臺的計算機硬件遠程實驗室實現(xiàn)論文
1 背景
當前階段實驗云技術(shù)是一種新型的技術(shù)，所謂的實驗云就是將云計算技術(shù)融合到遠程實驗技術(shù)當中去。而將虛擬實驗引入到實驗教學當中去就產(chǎn)生了遠程實驗技術(shù)。傳統(tǒng)教育模式由于虛擬實驗技術(shù)的運用而得到了革命性的改變，當前階段，在市場當中存在著許多針對實驗教學的虛擬實驗軟件，同時由于現(xiàn)階段大部分的高校都具有較為豐富的計算機網(wǎng)絡資源，從而使得虛擬實驗的物質(zhì)基礎(chǔ)已經(jīng)具備。在虛擬實驗室當中對一些實驗進行模擬不僅對提高教學質(zhì)量具有非常重要的意義，同時在某些情況下由于實驗條件不具備，可以充分利用這種技術(shù)使得學生更高更加深刻的觀察到實驗的具體現(xiàn)象，此外通過虛擬實驗室，學生還可以實現(xiàn)異地實驗。從世界范圍內(nèi)來看，虛擬實驗室的數(shù)量正在不斷增多，在許多高校當中都具有較為廣泛的運用。
2 云實驗平臺的總體設計
2.1 總體結(jié)構(gòu)
當前階段云實驗平臺的框架主要由三個部分組成，即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)與參考文獻。硬件系統(tǒng)是云實驗平臺的物質(zhì)基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)是指云實驗平臺的計算機硬件以及綜合實驗板節(jié)點、服務器以及交換機等硬件設施，硬件系統(tǒng)當中的所有設備都需要通過網(wǎng)絡連接到一起。在實驗的過程當中所需要用到的軟件以及數(shù)據(jù)庫與運行于數(shù)據(jù)庫當中的WEB服務被稱為軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)是用戶進行操作的主要區(qū)域，是機器語言轉(zhuǎn)化到自然語言的重要工具，在云實驗平臺的軟件系統(tǒng)當中，實驗板是由WEB服務器負責管理的，此外WEB服務器還會對客戶端的請求進行回應，從而使得實驗功能能夠順利地完成，此外還會將相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒⻊掌鳟斨腥�。通過軟件系統(tǒng)，用戶只需要通過手機或者平板電腦就可以進行相關(guān)的實驗。在云實驗平臺當中，參考文獻的格式已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的文本文獻，其不僅可以是文本格式，還可以是視頻或者音頻格式。
2.2 服務端的軟件設計
在云實驗平臺當中，服務端的軟件具有重要的意義，是對整個系統(tǒng)進行調(diào)度的樞紐。用戶通過服務端軟件可以實現(xiàn)對實驗的控制。在整個云實驗平臺當中，服務端軟件是實驗功能軟件的基礎(chǔ)，通過服務端軟件，上層的實驗功能軟件可以獲取對應的硬件接口。服務端軟件按照功能可以被劃分為三個模塊，即網(wǎng)絡通信模塊、實驗資源管理模塊與遠程硬件控制模塊。網(wǎng)絡通信模塊是整個模塊與實驗板之間進行通信的通道，其原理是基于SCOKET通信機制,其可以完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能，同時也可以和實驗板之間進行有效連接。實驗資源管理模塊可以對實驗板當中的所有資源進行管理，在虛擬實驗的過程當中，實驗資源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對實驗板連接請求的全過程監(jiān)控，在完成連接之后，則會對實驗板進行初始化。然后加入熱備的資源池中，同時借助心跳機制，能夠及時發(fā)現(xiàn)實驗板發(fā)生的死機現(xiàn)象并通知管理員處理。遠程硬件控制模塊可以將用戶的控制命令按照相關(guān)的協(xié)議進行包裝，同時通過網(wǎng)絡向硬件實驗板進行發(fā)送。
3 云實驗平臺任務節(jié)點的設計
在云實驗平臺當中，任務節(jié)點端軟件需要根據(jù)實驗板的芯片ARM芯片的STM32進行設計，任務節(jié)點端軟件實現(xiàn)對實驗板的控制需要依賴硬件本身自定義的相關(guān)接口才能實現(xiàn)，這些接口主要包括：存儲芯片、FPGA、網(wǎng)卡控制芯片、CPLD。任務階段軟件向上可以通過網(wǎng)絡與服務段的軟件進行連接，同時接受其所發(fā)出的控制命令，從而實現(xiàn)對電路板的操控，同時還會將相關(guān)的實驗結(jié)果進行反饋。任務節(jié)點端軟件所具有的軟件功能主要包括以下內(nèi)容：將從服務器所接受的文件進行FPGA配置，同時將用戶代碼輸入到電路板的程序的存儲器，同時根據(jù)服務端軟件的命令對實驗板進行控制;完成心跳機制與硬件自檢;分配實驗板IP地址
4 云實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)分析
4.1 實驗板資源高效管理機制
在云實驗平臺當中，用戶一旦通過軟件申請了實驗板，那么就會對FPGA進行相關(guān)的配置，從而使得相關(guān)的實驗功能得以實現(xiàn)，在這個過程當中原有的文件會被最新下載的文件所覆蓋。在這個過程當中，必然會涉及的一個問題就是替換問題，由于大部分的FPGA文件都是比較大的，這就使得配置的過程往往需要耗費較多的時間，而如果實驗板一直在運行當中，那么上次實驗所配置的FPGA依然還會被保留，而如果用戶所需要進行的實驗與上一次是一致的，那么FPGA就沒有必要進行重新配置。為了有效解決這種問題，我們將Cache調(diào)度的替換算法類比到分配過程當中去，在系統(tǒng)當中采用LRU算法。具體的實施方法如下所示：首先記錄實驗板當中的FPGA配置信息當中的實驗，同時對不同實驗板在最近的實驗次數(shù)進行統(tǒng)計，當用戶申請實驗板時，如果其所需要進行的實驗與最近在某實驗板上所進行的實驗的'內(nèi)容一致或者是相類似的話，且該實驗板并不處于使用狀態(tài)，那么這些實驗板當中最最不經(jīng)常使用的一塊就會被分配給用戶。而如果用戶所需要進行的實驗在最近都沒有人進行過，那么系統(tǒng)將會把所有實驗板當中最不經(jīng)常使用的一塊實驗板分配給用戶。通過這種方式進行實驗板的分配對提升分配效率具有非常重要的意義。
此外，為了防止出現(xiàn)掛機的現(xiàn)象，系統(tǒng)還會進行實驗板的回收，即如果用戶申請了實驗板，但是該實驗板在被分配之后很長一段時間之內(nèi)都沒有進行實驗或者沒有數(shù)據(jù)流通，那么系統(tǒng)將會判定該實驗板是出于空閑狀態(tài)的，服務端軟件就會自動斷開實驗板與用戶之間的連接，同時將實驗板進行回收并分配給其他用戶。這種方式能夠有效減少掛機現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而使得資源浪費的現(xiàn)象大幅度減少。
4.2 實驗快照保存與恢復機制
用戶在使用云實驗平臺的過程當中，往往會因為多種因素的影響，必須要在中途終止實驗，而如果系統(tǒng)不具有備份功能，則用戶在下次重新實驗時就必須要從頭開始，而無法恢復到上次的備份點，因此，為了用戶實驗的方便以及提高資源的利用效率，在該系統(tǒng)當中設計了相應的實驗快照保存和恢復機制。該機制的實現(xiàn)需要依賴JTAG邊界掃面技術(shù)，核心思想就是通過對FPGA芯片的掃描從而獲取其運行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫當中去，在進行實驗的恢復時，在將所有的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫當中調(diào)出，并通過時鐘將其置入FPGA芯片當中去。
實驗快照保存與恢復機制的主要三個部分的內(nèi)容組成，即網(wǎng)絡通信模塊、邊界掃描控制器與遠程被測試目標。遠程服務器在被啟動之后，連接的請求被傳送到服務器，服務器會對其作出回應，而本地客戶端則會對遠程服務器發(fā)送JTAG命令，遠程服務器會讀取該命令并同時向邊界掃描器發(fā)送，同時邊界掃描器會FPGA進行掃描并獲取相關(guān)的信息，并將相關(guān)的信息存儲到數(shù)據(jù)庫當中去，黨用戶需要對這些信息進行恢復時，可以從數(shù)據(jù)庫將這些數(shù)據(jù)調(diào)出，并置于FPGA芯片當中去。
5 系統(tǒng)功能測試
在進行系統(tǒng)測試時，首先需要進行文件傳輸?shù)臏y試，其主要內(nèi)容包括用戶代碼與配置文件的下載，同時將原始文件與系統(tǒng)所接受到的文件進行對比分析，對比的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，文件在系統(tǒng)當中的傳輸是一種無損傳輸，代碼文件的測試結(jié)果也同樣表明文件文件在系統(tǒng)當中的傳輸是一種無損傳輸。其次還需要對用戶程序的執(zhí)行進行測試，對其執(zhí)行的結(jié)果與由Mars(MIPS assembler and runtime simulator)編譯軟件模擬執(zhí)行同樣的程序所得到的結(jié)果進行對比與分析，判斷二者之間的結(jié)果是否完全一致，對比的結(jié)果說明用戶程序的寄存器與存儲器都是一致的。
6 結(jié)束語
在本文當中筆者所提出的云實驗平臺，不僅能夠通過網(wǎng)絡環(huán)境使得實驗資源得以共享，同時還可以為學生進行畢業(yè)設計于課程設計等提供必要的實驗基礎(chǔ)，此外，對于解決現(xiàn)階段高校實驗室的建設也有著重要的意義，可以解決高校在實驗室建設過程當中的重復建設以及資源利用率偏低等問題。在本文當中，筆者通過查閱大量的文獻，并結(jié)合實際調(diào)查，設計出了該云實驗平臺，希望能對我國現(xiàn)階段高校的實驗教學有所幫助。
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