浅谈云计算平台的计算机硬件远程实验室实现论文.doc

浅谈云计算平台的计算机硬件远程实验室实现论文 1背景 当前阶段实验云技术是一种新型的技术所谓的实验云就是将云计算技术融合到远程实验技术当中去而将虚拟实验引入到实验教学当中去就产生了远程实验技术传统教育模式由于虚拟实验技术的运用而得到了革命性的改变当前阶段在市场当中存在着许多针对实验教学的虚拟实验软件同时由于现阶段大部分的高校都具有较为丰富的计算机网络资源从而使得虚拟实验的物质基础已经具备在虚拟实验室当中对一些实验进行模拟不仅对提高教学质量具有非常重要的意义同时在某些情况下由于实验条件不具备可以充分利用这种技术使得学生更高更加深刻的观察到实验的具体现象此外通过虚拟实验室学生还可以实现异地实验从世界范围内来看虚拟实验室的数量正在不断增多在许多高校当中都具有较为广泛的运用 2云实验平台的总体设计 2.1总体结构 当前阶段云实验平台的框架主要由三个部分组成即硬件系统、软件系统与参考文献硬件系统是云实验平台的物质基础硬件系统是指云实验平台的计算机硬件以及综合实验板节点、服务器以及交换机等硬件设施硬件系统当中的所有设备都需要通过网络连接到一起在实验的过程当中所需要用到的软件以及数据库与运行于数据库当中的WEB服务被称为软件系统软件系统是用户进行操作的主要区域是机器语言转化到自然语言的重要工具在云实验平台的软件系统当中实验板是由WEB服务器负责管理的此外WEB服务器还会对客户端的请求进行回应从而使得实验功能能够顺利地完成此外还会将相关的实验数据传输到服务器当中去通过软件系统用户只需要通过手机或者平板电脑就可以进行相关的实验在云实验平台当中参考文献的格式已经不再局限于传统的文本文献其不仅可以是文本格式还可以是视频或者音频格式 2.2服务端的软件设计 在云实验平台当中服务端的软件具有重要的意义是对整个系统进行调度的枢纽用户通过服务端软件可以实现对实验的控制在整个云实验平台当中服务端软件是实验功能软件的基础通过服务端软件上层的实验功能软件可以获取对应的硬件接口服务端软件按照功能可以被划分为三个模块即网络通信模块、实验资源管理模块与远程硬件控制模块网络通信模块是整个模块与实验板之间进行通信的通道其原理是基于SCOKET通信机制,其可以完成数据的接收与发送功能同时也可以和实验板之间进行有效连接实验资源管理模块可以对实验板当中的所有资源进行管理在虚拟实验的过程当中实验资源管理系统可以实现对实验板连接请求的全过程监控在完成连接之后则会对实验板进行初始化然后加入热备的资源池中同时借助心跳机制能够及时发现实验板发生的死机现象并通知管理员处理远程硬件控制模块可以将用户的控制命令按照相关的协议进行包装同时通过网络向硬件实验板进行发送 3云实验平台任务节点的设计 在云实验平台当中任务节点端软件需要根据实验板的芯片ARM芯片的STM32进行设计任务节点端软件实现对实验板的控制需要依赖硬件本身自定义的相关接口才能实现这些接口主要包括：存储芯片、FPGA、网卡控制芯片、CPLD任务阶段软件向上可以通过网络与服务段的软件进行连接同时接受其所发出的控制命令从而实现对电路板的操控同时还会将相关的实验结果进行反馈任务节点端软件所具有的软件功能主要包括以下内容：将从服务器所接受的文件进行FPGA配置同时将用户代码输入到电路板的程序的存储器同时根据服务端软件的命令对实验板进行控制;完成心跳机制与硬件自检;分配实验板IP地址 4云实验平台关键技术分析 4.1实验板资源高效管理机制 在云实验平台当中用户一旦通过软件申请了实验板那么就会对FPGA进行相关的配置从而使得相关的实验功能得以实现在这个过程当中原有的文件会被最新下载的文件所覆盖在这个过程当中必然会涉及的一个问题就是替换问题由于大部分的FPGA文件都是比较大的这就使得配置的过程往往需要耗费较多的时间而如果实验板一直在运行当中那么上次实验所配置的FPGA依然还会被保留而如果用户所需要进行的实验与上一次是一致的那么FPGA就没有必要进行重新配置为了有效解决这种问题我们将Cache调度的替换算法类比到分配过程当中去在系统当中采用LRU算法具体的实施方法如下所示：首先记录实验板当中的FPGA配置信息当中的实验同时对不同实验板在最近的实验次数进行统计当用户申请实验板时如果其所需要进行的实验与最近在某实验板上所进行的实验的内容一致或者是相类似的话且该实验板并不处于使用状态那么这些实验板当中最最不经常使用的一块就会被分配给用户而如果用户所需要进行的实验在最近都没有人进行过那么系统将会把所有实验板当中最不经常使用的一块实验板分配给用户通过这种方式进行实验板的分配对提升分配效率具有非常重要的意义 此外为了防止出现挂机的现象系统还会进行实验板的回收即如果用户申请了实验板但是该实验板在被分配之后很长一段时间之内都没有进行实验或者没有数据流通那么系统将会判定该实验板是出于空闲状态的服务端软件就会自动断开实验板与用户之间的连接同时将实验板进行回收并分配给其他用户这种方式能够有效减少挂机现象的产生从而使得资源浪费的现象大幅度减少 4.2实验快照保存与恢复机制 用户在使用云实验平台的过程当中往往会因为多种因素的影响必须要在中途终止实验而如果系统不具有备份功能则用户在下次重新实验时就必须要从头开始而无法恢复到上次的备份点因此为了用户实验的方便以及提高资源的利用效率在该系统当中设计了相应的实验快照保存和恢复机制该机制的实现需要依赖JTAG边界扫面技术核心思想就是通过对FPGA芯片的扫描从而获取其运行状态的相关数据同时将这些数据存储到数据库当中去在进行实验的恢复时在将所有的数据从数据库当中调出并通过时钟将其置入FPGA芯片当中去 实验快照保存与恢复机制的主要三个部分的内容组成即网络通信模块、边界扫描控制器与远程被测试目标远程服务器在被启动之后连接的请求被传送到服务器服务器会对其作出回应而本地客户端则会对远程服务器发送JTAG命令远程服务器会读取该命令并同时向边界扫描器发送同时边界扫描器会FPGA进行扫描并获取相关的信息并将相关的信息存储到数据库当中去党用户需要对这些信息进行恢复时可以从数据库将这些数据调出并置于FPGA芯片当中去 5系统功能测试 在进行系统测试时首先需要进行文件传输的测试其主要内容包括用户代码与配置文件的下载同时将原始文件与系统所接受到的文件进行对比分析对比的结果发现文件在系统当中的传输是一种无损传输代码文件的测试结果也同样表明文件文件在系统当中的传输是一种无损传输其次还需要对用户程序的执行进行测试对其执行的结果与由Mars(MIPSassemblerandruntimesimulator)编译软件模拟执行同样的程序所得到的结果进行对比与分析判断二者之间的结果是否完全一致对比的结果说明用户程序的寄存器与存储器都是一致的 6结束语 在本文当中笔者所提出的云实验平台不仅能够通过网络环境使得