專利名稱:一種計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，屬計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域：
。
技術(shù)背景
目前國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)都是在本地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)設(shè)備前操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，但是由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開放時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制，造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備只有在場(chǎng)地開放的時(shí)候才能被用來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，而有很多時(shí)候都是空閑的。如果使用網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)就能夠解決這個(gè)問(wèn)題，讓實(shí)驗(yàn)者在遠(yuǎn)程在任何地點(diǎn)任何時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大增加了實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的靈活度，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，降低對(duì)實(shí)驗(yàn)室空間的要求，從而節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
目前存在的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，都不是基于實(shí)際硬件設(shè)備的，而是在服務(wù)器上做模擬， 客戶端上得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是模擬結(jié)果，并不是實(shí)際硬件運(yùn)行的結(jié)果，這樣就有可能出現(xiàn)模擬結(jié)果和實(shí)際硬件運(yùn)行結(jié)果不一致的情況，大大降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和可驗(yàn)證性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可以遠(yuǎn)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)系列硬件課程的實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明提出的計(jì)算機(jī)硬件系列課程的實(shí)驗(yàn)裝置包括開展實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的服務(wù)器和軟件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的客戶端計(jì)算機(jī)和軟件。實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)USB接口連接到服務(wù)器上，多個(gè)設(shè)備需要經(jīng)過(guò)USB集線器再通過(guò)USB接口連接到服務(wù)器上，集線器之間也可以級(jí)聯(lián)；客戶端和服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接到以太網(wǎng)上，二者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)芯片、控制芯片、下載芯片、存儲(chǔ)器、USB通信接口、FLASH存儲(chǔ)器以及各類實(shí)驗(yàn)用接口。
(1)實(shí)驗(yàn)芯片，由實(shí)驗(yàn)者寫入代碼、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
(2)控制芯片，用于控制板上電路、提供對(duì)于實(shí)驗(yàn)芯片的實(shí)驗(yàn)支持和監(jiān)測(cè)、以及對(duì)外發(fā)出監(jiān)測(cè)內(nèi)容。主要分為三個(gè)部分
a)內(nèi)存總線部分發(fā)出內(nèi)存總線的所有控制信號(hào)。
b)寄存器部分監(jiān)聽實(shí)驗(yàn)芯片的寄存器信息等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
c)通信部分對(duì)外發(fā)送消息；
(3)下載芯片，用于下載程序到實(shí)驗(yàn)芯片和控制芯片，同時(shí)負(fù)責(zé)時(shí)鐘分頻以及控制芯片對(duì)USB接口的通信中轉(zhuǎn)；
(4)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序以及數(shù)據(jù)；
(5) USB通信接口，用于同控制程序通信；
(6)FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)供下載芯片存儲(chǔ)需錄入內(nèi)容；
(7)各類實(shí)驗(yàn)用接口，用于輔助進(jìn)行各種硬件實(shí)驗(yàn)；[0017]上述控制芯片通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址線、內(nèi)存讀寫線、寄存器傳輸線、數(shù)據(jù)三態(tài)控制和實(shí)驗(yàn)芯片相連，通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址線以及數(shù)據(jù)三態(tài)控制線和存儲(chǔ)器相連；上述實(shí)驗(yàn)芯片通過(guò)數(shù)據(jù)總線以及地址線和存儲(chǔ)器相連，直接與各類實(shí)驗(yàn)接口相連；上述下載芯片通過(guò) JTAG線與實(shí)驗(yàn)芯片和控制芯片相連，和FLASH存儲(chǔ)器直接相連，和控制芯片的通信部分直接相連，和USB通信接口直接相連。
管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的服務(wù)器和軟件包括計(jì)算機(jī)服務(wù)器，USBInterface軟件，RLab軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。
(1)計(jì)算機(jī)服務(wù)器，運(yùn)行windows系統(tǒng)，具有USB接口和以太網(wǎng)接口 ；
( USBInterface軟件，負(fù)責(zé)掃描連接到服務(wù)器USB接口上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備；下載固件程序，使硬件可以和USBInterface正常通信，與硬件通信，完成操作(包括寫flash芯片， 寫FPGA芯片，設(shè)地址總線，讀寄存器，等等)；
(3) RLab軟件，負(fù)責(zé)管理用戶、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫，提供WCF服務(wù)給客戶端軟件；
(4)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，記錄用戶信息、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、日志等；
上述軟件都運(yùn)行在服務(wù)器上，RLab軟件從USBInterface軟件中得到實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息，讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)，提供實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并為客戶端軟件提供WCF服務(wù)。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的客戶端計(jì)算機(jī)和軟件包括客戶端計(jì)算機(jī)，VLabClient軟件。
(1)客戶端計(jì)算機(jī)，運(yùn)行windows系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)接口 ；
(2) VLabClient軟件，負(fù)責(zé)用戶實(shí)驗(yàn)界面，連接服務(wù)器，訪問(wèn)服務(wù)器的WCF服務(wù)，傳輸數(shù)據(jù)及命令完成實(shí)驗(yàn)及查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。
本發(fā)明提出的計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既可以在本地完成實(shí)驗(yàn)，也可以在遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)，二者實(shí)驗(yàn)效果相同，沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別；它不僅適用于駐性實(shí)驗(yàn)，還適用于開放式、創(chuàng)新式的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件系列課程的實(shí)驗(yàn)的支持。
圖1是本發(fā)明提出的計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
圖2是本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)者登錄服務(wù)器和操作設(shè)備的示意圖
圖3是本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)的具體操作流程
圖4是本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖
圖5是本發(fā)明中USBInterface軟件的結(jié)構(gòu)圖和流程圖
圖6是本發(fā)明中RLab軟件結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備，服務(wù)器和客戶端三個(gè)部分。其中
(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用來(lái)完成硬件實(shí)驗(yàn)，上面有實(shí)驗(yàn)芯片和控制芯片用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和控制，還有通訊接口用來(lái)完成傳送數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
(2)服務(wù)器，用來(lái)管理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)；
(3)客戶端，有實(shí)驗(yàn)界面，用來(lái)在遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。[0038]設(shè)計(jì)使用了如下的實(shí)驗(yàn)流程
實(shí)驗(yàn)者需要通過(guò)客戶端遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，然后服務(wù)器會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的請(qǐng)求分配給實(shí)驗(yàn)者一臺(tái)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，接著實(shí)驗(yàn)者就能夠通過(guò)客戶端的軟件來(lái)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在客戶端上查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)者登錄登錄服務(wù)器的示意圖如圖2(1)所示，實(shí)驗(yàn)者在客戶端使用登錄界面發(fā)送向登錄認(rèn)證發(fā)送登錄信息，登錄認(rèn)證再請(qǐng)求服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)確認(rèn)是否為合法用戶，如果是合法用戶，則給客戶端發(fā)送應(yīng)答信息，客戶端進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，實(shí)驗(yàn)者在上面可以看到連接情況、設(shè)備使用情況、用戶在線信息和操作信息等。
實(shí)驗(yàn)者操作設(shè)備的示意圖如圖2(2)所示，服務(wù)器在得到實(shí)驗(yàn)者連接請(qǐng)求時(shí)，首先判斷此其是否已連接上設(shè)備，如果沒(méi)有，則分配端口和設(shè)備，之后初始化設(shè)備，并將分配到的設(shè)備信息返回給實(shí)驗(yàn)者，此后實(shí)驗(yàn)者就可以通過(guò)這些信息對(duì)分配到的設(shè)備進(jìn)行操作。在用戶操作設(shè)備的過(guò)程中，服務(wù)器端主要工作有
(1)數(shù)據(jù)庫(kù)操作動(dòng)態(tài)記錄設(shè)備列表和連接表，在實(shí)驗(yàn)者操作時(shí)記錄操作數(shù)以及操作時(shí)間，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者離開時(shí)將歷史記錄中的總操作數(shù)和總在線時(shí)間(累加最后一次操作時(shí)間減去本次上線時(shí)間)更新。
(2)日志信息主要通過(guò)配置文件中的路徑信息保存日志。日志分兩種，一種是 txt格式，記錄重要信息，如操作、上傳等，另一種是WCflog形式，記錄所有與網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)的連接信息。
(3)操作硬件調(diào)用硬件服務(wù)類、硬件管理類和數(shù)據(jù)庫(kù)操作類，客戶端和服務(wù)器通過(guò)WCF通信維護(hù)實(shí)驗(yàn)者和設(shè)備的對(duì)應(yīng)，將實(shí)驗(yàn)者給設(shè)備的操作信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)設(shè)備，并將設(shè)備返回值返回到客戶端。在多個(gè)實(shí)驗(yàn)者并發(fā)時(shí)，服務(wù)器端通過(guò)在服務(wù)器上生成多個(gè)實(shí)例進(jìn)行多線程操作。
(4)硬件分配對(duì)于掃描到的設(shè)備，分配給固定的端口號(hào)，當(dāng)設(shè)備被掛起時(shí)，不容許原有實(shí)驗(yàn)者繼續(xù)操作。在新連接設(shè)備申請(qǐng)到達(dá)時(shí)，首先掃描是否有被掛起的設(shè)備，如果有則分配給新實(shí)驗(yàn)者，否則到剩余設(shè)備列表中尋找第一臺(tái)可用設(shè)備。
(5)操作驗(yàn)證在接到一個(gè)新的操作時(shí)，服務(wù)器通過(guò)查詢保留在內(nèi)存的實(shí)驗(yàn)者和設(shè)備的對(duì)應(yīng)表找到實(shí)驗(yàn)者對(duì)應(yīng)的設(shè)備，之后依次檢查硬件是否正常工作和是否處于可用狀態(tài)。當(dāng)滿足操作驗(yàn)證的要求后，對(duì)設(shè)備的操作會(huì)發(fā)送給設(shè)備。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中具體的操作流程如圖3所示，客戶端發(fā)出操作請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)WCF認(rèn)證后到服務(wù)器端，服務(wù)器端查找到對(duì)應(yīng)設(shè)備并將操作通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器的底層程序(USBInteface)，底層程序通過(guò)USB接口發(fā)送實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行后將結(jié)果通過(guò)USB 接口發(fā)送回底層程序，然后再回到服務(wù)器端，服務(wù)器端分析結(jié)果并記錄操作，最后將結(jié)果通過(guò)WCF返回到客戶端，整個(gè)操作過(guò)程完成，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤的話，則返回操作未成功。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)芯片K1、控制芯片K2、下載芯片K4、存儲(chǔ)器K3、USB通信接口 K6、FLASH存儲(chǔ)器K5以及各類實(shí)驗(yàn)用接口 K7。其中
(1)實(shí)驗(yàn)芯片K1，由實(shí)驗(yàn)者寫入代碼、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
(2)控制芯片K2，用于控制板上電路、提供對(duì)于實(shí)驗(yàn)芯片Kl的實(shí)驗(yàn)支持和監(jiān)測(cè)、以及對(duì)外發(fā)出監(jiān)測(cè)內(nèi)容。
(3)下載芯片K4，用于下載程序到實(shí)驗(yàn)芯片Kl和控制芯片K2，同時(shí)負(fù)責(zé)時(shí)鐘分頻以及控制芯片對(duì)USB接口 K6的通信中轉(zhuǎn)；
(4)存儲(chǔ)器K3，用于存儲(chǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序以及數(shù)據(jù)；
(5) USB通信接口 K6，用于同服務(wù)器通信；
(6)FLASH存儲(chǔ)器K5，存儲(chǔ)供下載芯片存儲(chǔ)需錄入內(nèi)容；
(7)各類實(shí)驗(yàn)用接口 K7，用于輔助進(jìn)行各種硬件實(shí)驗(yàn)；
上述控制芯片K2通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址線、控制線、數(shù)據(jù)控制線和實(shí)驗(yàn)芯片Kl相連， 通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址線以及數(shù)據(jù)控制線和存儲(chǔ)器K3相連；上述實(shí)驗(yàn)芯片Kl通過(guò)數(shù)據(jù)總線以及數(shù)據(jù)控制線和存儲(chǔ)器K3相連，直接與各類實(shí)驗(yàn)接口 K7相連；上述下載芯片K4通過(guò)JTAG 線與實(shí)驗(yàn)芯片Kl和控制芯片K2相連，和FLASH存儲(chǔ)器K5直接相連，和控制芯片K2直接相連，和USB通信接口 K6直接相連。
在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的流程如下針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)，服務(wù)器通過(guò)USB通信接口 K6將實(shí)驗(yàn)需要的硬件代碼發(fā)送給下載芯片K4，下載芯片K4將代碼下載到實(shí)驗(yàn)芯片Kl中， 同時(shí)，K4將預(yù)存在Flash里的控制芯片的代碼下載到控制芯片K2里。接下來(lái)，通過(guò)控制芯片K2設(shè)置數(shù)據(jù)總線狀態(tài)，控制并輔助實(shí)驗(yàn)芯片Kl進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)芯片內(nèi)運(yùn)行了實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者編寫的代碼，該代碼按指定接口實(shí)現(xiàn)了一個(gè)暫存區(qū)域Al (通用寄存器)，Al 中暫存了實(shí)驗(yàn)者所關(guān)心的實(shí)驗(yàn)芯片內(nèi)部信號(hào)?？刂菩酒琄2內(nèi)部同樣維護(hù)了一段格式相同的暫存區(qū)域A2，通過(guò)寄存器傳輸線路保持Al的實(shí)時(shí)鏡像，該鏡像繼續(xù)向上發(fā)送至上位機(jī)。。 用戶要把從客戶端把測(cè)試代碼和數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或者從存儲(chǔ)器里讀取測(cè)試代碼和數(shù)據(jù)的時(shí)候，K2暫時(shí)搶占數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制權(quán)，直到把測(cè)試代碼和數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器或者測(cè)試代碼和數(shù)據(jù)都從存儲(chǔ)器里讀出之后，才把數(shù)據(jù)總線和地址總結(jié)的控制權(quán)交還實(shí)驗(yàn)芯片；測(cè)試代碼和數(shù)據(jù)的讀寫也由控制芯片完成。用戶還可以從客戶端向?qū)嶒?yàn)芯片發(fā)送時(shí)鐘， 復(fù)位信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)總線、地址總線等。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
在圖1中客戶端和服務(wù)器都是通用計(jì)算機(jī)，運(yùn)行的系統(tǒng)都是windows，均須有以太網(wǎng)接口，服務(wù)器還需要具有USB接口，如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備過(guò)多，還需要USB集線器做級(jí)聯(lián)。
客戶端上運(yùn)行了 VLabClient軟件，負(fù)責(zé)用戶實(shí)驗(yàn)界面，連接服務(wù)器，訪問(wèn)服務(wù)器的WCF服務(wù)，傳輸數(shù)據(jù)及命令完成實(shí)驗(yàn)及查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。
服務(wù)器端運(yùn)行了底層硬件程序USBInterface (也稱作硬件接口程序)、實(shí)驗(yàn)管理軟件RLab和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件MySQL。
硬件接口程序是運(yùn)行在連接了硬件的PC機(jī)上的一段程序，使用MFC開發(fā)，通過(guò)usb 驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信。USBInterface接收來(lái)自服務(wù)器的指令后，將其翻譯為相應(yīng)的操作并發(fā)送到硬件；操作完畢后讀取結(jié)果并發(fā)送回服務(wù)器，再由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，在客戶端顯示相應(yīng)的結(jié)果。
UsWnterface程序結(jié)構(gòu)如圖5(1)所示，在頭文件UsWnterface. h中定義了 USB 類。USB類包含以“Do_”開頭的一組操作函數(shù)，通過(guò)調(diào)用usb驅(qū)動(dòng)程序CyAPI，實(shí)現(xiàn)與硬件通信和具體操作。在頭文件中同時(shí)定義了與服務(wù)器端相同的一組操作指令符。服務(wù)器傳來(lái)的指令被翻譯為對(duì)這組函數(shù)的調(diào)用，以完成用戶指定的操作。翻譯指令工作由FIFC^erver 函數(shù)完成。
USBInterface的工作流程如圖5(2)所示，USBhterface主進(jìn)程啟動(dòng)以后，開始了
6三個(gè)線禾呈Info_Auto_Sender, USBThread 禾口 CyRam_Auto_Downloader。
(l)Info_Auto_Sender的作用是掃描目前連接在電腦上的硬件設(shè)備，將可用設(shè)備的地址列表發(fā)送給服務(wù)器。
O) USBThread新建一個(gè)USB類的實(shí)例，以調(diào)用USB類的成員函數(shù)FIFC^erver ()。 FIFOServerO函數(shù)的作用是將從服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令翻譯為具體的函數(shù)調(diào)用。并將操作結(jié)果返回服務(wù)器。
(3)Cyram_Auto_Downloader 的作用是向 usb 下載固件程序。
實(shí)驗(yàn)管理軟件RLab主要負(fù)責(zé)組織好用戶和設(shè)備的對(duì)接，傳輸數(shù)據(jù)，維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和日。RLab啟動(dòng)后，就根據(jù)USBInterface向上發(fā)送的設(shè)備情況建立自己的設(shè)備表和數(shù)據(jù)表，啟動(dòng)圖形界面。之后程序首先由Maini7Orm中的MartAllConfiguredServicesO函數(shù)根據(jù)app. config文件設(shè)定的WCF相關(guān)信息(地址，綁定，服務(wù))生成IDeviceService. cs和IClientService. cs這兩個(gè)服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)在DeviceService. cs和 ClientService. cs中。DeviceService連接用戶和底層，通過(guò)驗(yàn)證用戶發(fā)來(lái)的請(qǐng)求判斷應(yīng)該對(duì)哪一個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作，并將返回值返回給用戶。ClientService主要提供用戶的登錄， 退出，修改用戶信息，獲得服務(wù)器IP地址和設(shè)備列表等操作。
服務(wù)器端的工程結(jié)構(gòu)如圖6所示。在MainR)rm· cs和app. config兩個(gè)文件中部署了 WCF服務(wù)的發(fā)布。ClientService. cs和DeviceService. cs為具體的WCF服務(wù)。DataControll. cs為所有與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的操作。DeviceControll. cs用于硬件管理， ProgramUsb. cs 用于禾口硬件通信。其中 devicesForm. cs、experimentForm. cs、pluginForm. cs、userinfoForm. cs、user_experimentForm. cs、userrecordForm 為數(shù)據(jù)表的界面顯不。
數(shù)據(jù)庫(kù)軟件使用MySQL，主要由以下六個(gè)表組成，其中在程序運(yùn)行過(guò)程中會(huì)被動(dòng)態(tài)改動(dòng)的表有設(shè)備表devices、連接表plugin、用戶實(shí)驗(yàn)信息記錄表userrecord ；不會(huì)在程序運(yùn)行時(shí)被改變的有學(xué)生信息表userinfo、試驗(yàn)信息experiment、學(xué)生成績(jī)錄入user_ experiment。具體字段信息具體介紹如下；
表一 devices的主鍵為由心跳函數(shù)讀取到的設(shè)備號(hào)；其中type用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的擴(kuò)展，addr用于標(biāo)示不同設(shè)備，可以通過(guò)心跳函數(shù)得到此值，用于在設(shè)備故障時(shí)給出設(shè)備具體位置。^ed表示當(dāng)前是否被使用，state表示當(dāng)前是否正常工作，port為設(shè)備在初始化時(shí)被分配到的端口號(hào)。^er為使用者學(xué)號(hào)。
表二 Userinf0的主鍵為自增的整數(shù)，其他字段為用戶的信息。其中主要用于區(qū)別用戶的為學(xué)號(hào)(studentnumber)和密碼(password)。
表三userrecord表的主鍵為用戶的學(xué)號(hào)(表中用username表示)，其中l(wèi)ogout_ time為最后一次操作時(shí)間，login_time為本次登錄時(shí)間，online為是否在線，onlinetime 為累積在線時(shí)間。
表四experiment表主鍵為實(shí)驗(yàn)名，attribute為實(shí)驗(yàn)屬性，info_e為具體信息， device_num為應(yīng)該使用的設(shè)備數(shù)
表五user_experiment表的主鍵是學(xué)號(hào)和實(shí)驗(yàn)名。user_names為學(xué)生姓名； done_time為實(shí)驗(yàn)提交時(shí)間；time_Spend為此實(shí)驗(yàn)用時(shí)；device_num為完成實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備號(hào)；operatetimes為此實(shí)驗(yàn)所作操作數(shù)；record和remark為教師打分所用的分?jǐn)?shù)和評(píng)語(yǔ)。
表六plugin表的主鍵為用戶學(xué)號(hào)+設(shè)備號(hào)，這樣是為了容許同一個(gè)學(xué)生使用多個(gè)設(shè)備，其中devicejype用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的擴(kuò)展，只需同步herRequest數(shù)據(jù)契約中的相應(yīng)數(shù)據(jù)即可；devicejames用于標(biāo)示不同設(shè)備，可以通過(guò)心跳函數(shù)得到此值，用于在設(shè)備故障時(shí)給出設(shè)備具體位置。
實(shí)驗(yàn)中重要日志根據(jù)配置文件記錄在某目錄下的rlablog.txt中，WCF相關(guān)日志 (消息和事件)記錄在同一目錄下的.svclog文件中，這種日志需要.net Framework提供的 SvcConfigEditor. exe 禾口 SvcTraceViewer. exe 工具打幵。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由實(shí)驗(yàn)芯片、控制芯片、下載芯片、存儲(chǔ)器、USB通信接口、FLASH存儲(chǔ)器以及各類實(shí)驗(yàn)用接口組成，如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)如下。
Kl是實(shí)驗(yàn)芯片，采用FPGA實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為EP2C20Q240。這里寫入實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)芯片Kl從控制芯片K2處得到運(yùn)行的時(shí)鐘后，將運(yùn)行過(guò)程的需監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)控制芯片K2和實(shí)驗(yàn)芯片Kl的通路，也就是控制線將需要監(jiān)測(cè)的信息發(fā)回到控制芯片K2， 繼而最終傳輸?shù)娇蛻舳擞蓪?shí)驗(yàn)者看到。所有的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)芯片的實(shí)驗(yàn)部分時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)都是由控制芯片提供的，而監(jiān)測(cè)線路，則采用獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)部分的單獨(dú)的時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。
K2是控制芯片，同樣由一塊FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為EP2C20Q240?？刂菩酒瑑?nèi)的代碼是針對(duì)實(shí)驗(yàn)事先實(shí)現(xiàn)完成的，下載后運(yùn)行，將會(huì)圍繞實(shí)驗(yàn)芯片Ki將特定實(shí)驗(yàn)所需要的總線狀態(tài)和監(jiān)測(cè)邏輯配置完畢。在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)送實(shí)驗(yàn)芯片Kl運(yùn)行所需的時(shí)鐘和控制信號(hào)，需要數(shù)據(jù)總線控制的實(shí)驗(yàn)中，協(xié)同控制總線上的所有器件，發(fā)出所有器件的數(shù)據(jù)控制信號(hào)，同時(shí)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將實(shí)驗(yàn)芯片Ki中需要觀察的信號(hào)獲取得到，以內(nèi)存影射的方式與下載芯片交互信息。
K3是存儲(chǔ)器，由4片RAM5U8TS0P構(gòu)成。在需要存儲(chǔ)代碼和一些文件的實(shí)驗(yàn)中，我們將代碼通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址線寫入存儲(chǔ)器中。對(duì)于K3的讀寫信號(hào)完全是由控制芯片K2 來(lái)發(fā)出的。當(dāng)需要寫存儲(chǔ)器K3的時(shí)候，控制芯片K2發(fā)送給存儲(chǔ)器相關(guān)的寫信號(hào)和地址，同時(shí)，控制實(shí)驗(yàn)芯片K2，保證自身K2與實(shí)驗(yàn)芯片Kl中，只有一個(gè)在數(shù)據(jù)總線上有效，發(fā)出數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取存儲(chǔ)器K3的時(shí)候，控制芯片K2發(fā)送給存儲(chǔ)器相關(guān)的讀信號(hào)和地址，同時(shí)控制自身K2和實(shí)驗(yàn)芯片Kl在數(shù)據(jù)總線上取得所需的數(shù)據(jù)。
K4是下載芯片，由一片EPM3256A構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的初始化階段，將實(shí)驗(yàn)所需的板上代碼下載到FLASH存儲(chǔ)器K5中，下載完畢再分別裝入控制芯片K2和實(shí)驗(yàn)芯片Kl中。當(dāng)需要切換實(shí)驗(yàn)或者強(qiáng)行重啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，協(xié)助發(fā)出復(fù)位信號(hào)。同時(shí)，下載芯片還利用它的可編程邏輯，實(shí)現(xiàn)分頻器的作用。下載芯片向上與USB芯片相連，與上位機(jī)一起構(gòu)成USB芯片的FIFO兩端的讀/寫者。。存儲(chǔ)器讀寫，寄存器讀取，時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位信號(hào)， 數(shù)據(jù)總線三態(tài)控制等命令都以內(nèi)存影射的方式與控制芯片交互。
K6是一個(gè)Flash存儲(chǔ)器，是一片MI^8F640J3，用來(lái)存儲(chǔ)下載芯片K4臨時(shí)裝入的控制芯片K2的代碼和實(shí)驗(yàn)箱編號(hào)。
K6是USB通信接口，由CY7C68013A-U8芯片構(gòu)成，它是一款單片機(jī)，但本設(shè)備只用到它的Slave模式的FIFO。通過(guò)此接口，與服務(wù)器通信發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到下載芯片K4 或者通過(guò)K4傳輸?shù)酵ㄐ趴偩€上。
K7是各類實(shí)驗(yàn)用接口，包括PS2、VGA、音頻、單色I(xiàn)XD以及串口和SD卡接口。各類實(shí)驗(yàn)接口都與實(shí)驗(yàn)芯片Kl直接連接，需要使用時(shí)，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)芯片Kl中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。[0086] 數(shù)據(jù)總線部分，實(shí)驗(yàn)芯片與控制芯片共享32根數(shù)據(jù)信號(hào)線。地址總線方面，我們采用了“實(shí)驗(yàn)芯片Kl訪問(wèn)存儲(chǔ)器的地址總線以及讀寫控制信號(hào)完全接入控制芯片，由控制芯片根據(jù)狀態(tài)參考這些信號(hào)和自身情況生成對(duì)應(yīng)的總線訪問(wèn)信號(hào)”的方式。復(fù)位信號(hào)方面， 由控制芯片接受并解析來(lái)自復(fù)位按鍵或上位機(jī)的復(fù)位信號(hào)，向?qū)嶒?yàn)芯片轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)位信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的生成與復(fù)位信號(hào)一樣。
權(quán)利要求
1. 一種計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于含有至少一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、 管理所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備的服務(wù)器和至少一個(gè)客戶端計(jì)算機(jī)，其中實(shí)驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)過(guò)USB集線器連接到所述服務(wù)器上，所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)芯片、存儲(chǔ)器、控制芯片、下載芯片、USB通信接口、FLASH存儲(chǔ)器以及各類實(shí)驗(yàn)用接口，其中實(shí)驗(yàn)芯片，通過(guò)數(shù)據(jù)總線以及數(shù)據(jù)控制線和所述存儲(chǔ)器相連，同時(shí)又與所述各類實(shí)驗(yàn)用接口相連，用于供實(shí)驗(yàn)者寫入代碼并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制芯片，至少包括三個(gè)部分內(nèi)存總線，發(fā)出所有控制信號(hào)；寄存器，監(jiān)聽所述實(shí)驗(yàn)芯片的寄存器信息；通信組件，與所述下載芯片通信；所述控制芯片通過(guò)所述數(shù)據(jù)總線、地址線、內(nèi)存讀寫線、寄存器傳輸線、數(shù)據(jù)三態(tài)控制線、時(shí)鐘信號(hào)線、復(fù)位信號(hào)線、中斷信號(hào)線分別和所述實(shí)驗(yàn)芯片相連，同時(shí)，所述控制芯片通過(guò)所述數(shù)據(jù)總線、地址線以及數(shù)據(jù)三態(tài)控制線和所述存儲(chǔ)器相連，所述控制芯片用于控制板上的電路、提供對(duì)于所述實(shí)驗(yàn)芯片的實(shí)驗(yàn)支持和監(jiān)督、以及對(duì)外發(fā)送監(jiān)測(cè)內(nèi)容，下載芯片，通過(guò)JTAG線與所述實(shí)驗(yàn)芯片和控制芯片相連，同時(shí)又與所述FLASH存儲(chǔ)器和USB通信接口相連，用于下載程序到所述實(shí)驗(yàn)芯片和控制芯片，同時(shí)負(fù)責(zé)時(shí)鐘分頻以及所述控制芯片和USB通信接口之間的通信中轉(zhuǎn)， 存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序以及數(shù)據(jù)，USB通信接口，用于同服務(wù)器通信；FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)供下載芯片存儲(chǔ)需錄入的內(nèi)容； 各類實(shí)驗(yàn)用接口，用于輔助進(jìn)行各種硬件實(shí)驗(yàn)，服務(wù)器，運(yùn)行windows系統(tǒng)，具有USB接口和以太網(wǎng)接口，在所述服務(wù)器上設(shè)有下述軟件USBInterface軟件，負(fù)責(zé)掃描連接到所述服務(wù)器USB接口上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，下載USB固件程序，保持所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備和所述USBInterface軟件之間的正常通信，完成包括燒寫FLASH 芯片、下載FPGA芯片、設(shè)置數(shù)據(jù)總線控制狀態(tài)、讀取寄存器、發(fā)送時(shí)鐘、發(fā)送復(fù)位在內(nèi)的用戶操作，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，記錄用戶信息、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和日志， 還有RLab軟件，同所述USBInterface軟件通過(guò)TCP/IP協(xié)議通訊，以獲取實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息、讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)、提供實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并為客戶端軟件提供WCF的服務(wù)；客戶端計(jì)算機(jī)，運(yùn)行windows系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)接口，還設(shè)有=VLabClient軟件，用于傳輸數(shù)據(jù)和命令、完成實(shí)驗(yàn)和查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
專利摘要
一種計(jì)算機(jī)硬件系列課程的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，屬計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于，含有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，服務(wù)器和客戶端計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)USB接口與服務(wù)器相連，客戶端和服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接的以太網(wǎng)口。本發(fā)明克服了在服務(wù)器作模擬實(shí)驗(yàn)存在的和實(shí)際硬件運(yùn)行結(jié)果不一致的缺點(diǎn)，不僅適用于駐地實(shí)驗(yàn)，還適用于遠(yuǎn)程式、開放式、創(chuàng)新式實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B19/00GKCN101814248 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 201010143124
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年4月7日
發(fā)明者全成斌, 李山山, 李耀鏘, 趙有健 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5),