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摘要：目前，计算机科学与技术专业的硬件实验环节存在实验平台技术水平低、一课一平台现象。提出实验平台高度集成和网络化模式管理集成平台的方法，这样就会减少办学投入、降低管理成本、减少实验室面积和提高学生效率等。
关键词：硬件平台；集成；网络化管理
作者简介：王桃发（1965-），男，福建东山人，漳州师范学院计算机系，讲师；黄茹芬（1963-），女，福建漳州人，漳州师范学院计算机系，副教授。（福建?漳州?363000）
基金项目：本文系漳州师范学院院内资助项目“嵌入式CPU中断系统设计与仿真”（项目编号：SK09001）的研究成果。
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0086-02
一、计算机硬件实验
计算机硬件实验包括基础实验和专业实验两大部分，主要有数字逻辑、计算机组成、接口技术、计算机体系结构、单片机、SOPC、嵌入式系统等。
高等教育正在由知识型向能力培养为中心的教育进行转化，而专业能力的培养离不开实践教学活动。[1]计算机科学与技术是一门技术科学，有科学的成分，不过工程技术的含义更多。但是，目前国内高校计算机专业的课程设置大多“避硬就软”或者“硬件软化”。
二、计算机硬件实验平台现状
国内绝大多数高校都招收计算机科学与技术专业的学生。硬件实验平台普遍存在平台本身功能单一，平台利用率、实验室利用率和实验室管理人员效率低等几个方面的问题。
1.实验技术相对落后
多数高校仍采用传统的中小规模集成电路作为平台的主要元件，[2]这样的实验平台只能完成简单的验证性实验，无法支持综合性实验，更谈不上创新性实验。而且这样的平台插接不良的现象时常发生，影响实验者的判断，增加了指导教师的工作量，也耽误了许多时间。
2.实验平台利用率低
目前，大多数高校采用一课一平台的方式实现实验教学，某具体平台的使用一般仅限于该课的开设学期，一旦该门课程结束了，与之相关的实验平台也就不再使用了。这种硬件教学实现模式增大了学生学习使用不同平台的负担，同时也造成知识掌握不牢固、学艺不精；对单个学生而言，大学四年使用某具体平台仅有若干次（与实验教学大纲有关），自然办学的成本也就高了。
3.实验室利用率低
通常每个平台需要一个上位机（正常为PC机），因此一个类型的平台就需要配置一个实验室。以56个学生位为例，除平台之外，目前配置一间实验室的实验教学环境大约需要花费人民币45万元（含机、学生桌椅、投影、扩音、局域网等），还需要一间面积在110～120m2之间的房间。假设集成平台同时支持6门硬件实验课程，则按照当前物价估计直接可节约人民币约225万元，减少实验室面积约600m2，每年可节省维护、工资费用约20万元。
4.实验室管理人员工作效率低
每个管理人员负责的实验室数量是有限的，实验室的数目越多，要求配备的工作人员就越多；实验平台的技术水平越低，集成度越差就越容易损坏，维护的工作量就越大。同时，社会对高校的认可程度也就降低了。
三、计算机硬件实验平台集成
所谓实验平台集成就是指设计出这样的平台——可以支持多门课的实验，包括验证性、综合性和创新性实验。
1.平台集成的必要性
作为计算机专业方向，各门课程之间既相互区别又相互联系，如何做好它们之间的衔接[3]是一门艺术，从理论教学到实验、实践教学，是值得广大计算机教育者深入研究的大课题。如上所述，由于技术水平和观念两个方面的因素，就实验教学而言形成了目前松散的局面。从提高实验成功率、增加实验类型、增加知识一致性来看，平台集成非常有益；从减少硬件投入、减少试验室面积、降低办学成本来看，首选的应该是平台集成；从减轻试验室维护工作量、提高设备使用率、提高实验室管理水平上看，平台集成十分必要。
2.平台集成的可能性
由于新技术的出现，计算机硬件实验平台集成是可能的。借助于EDA技术[4]，数字逻辑、计算机组成等硬件实验均可以由同一个平台支持。
3.平台集成的实现
计算机硬件集成平台在物理上表现为核心电路加上适量外围电路。它需要软硬两个方面的支持，主要依赖以下几个因素：硬件描述语言与仿真、CPLD/FPGA、IP核[5]、外围扩展电路。
硬件描述语言发展至今有近30年历史，特别是VHDL和Verilog HDL，先后成为IEEE标准，它们可以方便地应用于电路设计建模、仿真、验证、综合等不同阶段。而CPLD/FPGA器件是平台集成的物理基础，它们包含可编程的逻辑阵列，甚至内嵌存储单元、锁相环等模块，支持JTAG协议，可以方便地嵌入逻辑分析仪、产生状态机、产生CPU等。对于一些硬件课程，IP使得平台适应范围更广、升级更简单，比如从51单片机[6]升级为PIC单片机。除了核心CPLD/FPGA器件之外，少量外围电路是必需的，比如AD/DA 芯片、LCD驱动电路、交流/直流微电机驱动电路等等。
四、集成平台网络化管理
所谓集成平台网络化管理就是借助网络，学生做实验时不必进入实验室，也不受时间限制。他可以提交各种不同类型的实验代码（包括课程设计和毕业设计），实验平台通过网络返回实验结果。实验过程中学生有疑问时由相应的实验指导教师以任何可能的方式给予解答，如实时在线、实验课后集中解答等。
1.集成实验平台网络管理的必要性
多门硬件的实验项目均可以由同一个平台完成，这是一个很大的进步，但是到此并不是万事大吉。如果没有先进的使用管理模式，从本质上讲，又回到传统的方式。这里，主要是解决平台使用上的时间和空间问题。
在时间上，一个院系有多个不同的年级同时开设不同的课程，学生们在同一个学期使用集成平台的可能性很大；在空间上，多个班级的学生同时挤在同一个实验室内是不可能的。 如何解决这些矛盾？集成实验平台网络化管理的模式很好地解决了这个问题。
2.网络化管理的实现
（1）集成平台网络化管理的系统框架。在硬件方面，整个系统包括集成平台、服务器与客户端、网络；在软件方面，包括服务器与客户端的管理软件。系统框架图如图1所示。
（2）集成实验平台提供附加的功能。实验设备上有负责系统写入代码、控制板上电路、提供对于实验芯片的实验支持和监测、对外发出监测内容的控制芯片；负责下载程序到实验芯片和控制芯片的下载芯片，下载芯片同时附带了控制芯片的通信中转；存储相关实验测试程序以及数据的存储器；对外通信的USB通信接口；供下载芯片存储下载内容的FLASH存储器；辅助进行各种硬件实验所需的各类实验用接口。
（3）实验管理和设备服务器软件。服务器使用windows服务器，具有USB通信接口和以太网接口，运行USB设备管理软件、数据库软件和实验服务软件，可完成实验及设备的管理以及同客户端通信。
（4）实验的客户端软件。客户端计算机使用windows系统，具有以太网接口，运行客户端软件，客户端上由具体的实验界面，提供实验操作以及查看实验结果等。
五、传统模式与集成网络化模式并存
传统方式也是有优点的，它让学生有机会直接感触到硬件，这种方式对低年级的学生尤其有利，有利于建立感性的认识。
相对地，集成网络化模式也是有缺点的。一方面，集成度高了，做实验时只能用硬件描述语言来实现诸多组件，不直观；另一方面，网络化的管理使得指导教师几乎无法面对面给学生作指导，难免存在指导滞后、交流不充分。
两种模式并存的优点是增强了课程之间的联系和连续性，学生在学习过程中对知识的掌握和实践有了连贯性、一致性。
六、结论
平台集成使得硬件的实验类型扩大了，有助于学生建立完整的专业思想，为进一步深造或者就业打下坚实的基础，同时集成平台升级几乎可以做到零成本，减少了实验室面积，极大地提高了实验室和实验设备的利用率，降低了日常管理工作量，从而大幅度降低办学成本。网络化管理的集成平台有利于高校提高硬件教学水平，缩小与欧美国家硬件教学水平的差距。
参考文献：
[1]张丽艳,韩德强.基于FPGA平台的计算机硬件实践教学探索[J].计算机教育,2010,(7):113,115.
[2]嵩天,李凤霞.计算机硬件技术基础课程实验改革[J].计算机教育,
2010,(17):113,115.
[3]白中英.数字逻辑、计算机组成原理两门课的衔接性[J].计算机教育,2011,(19):36.
[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[5]Mike Kendrich.FPGA中处理器IP概述[J].电子产品世界,2010,(3):
21-22.
[6]王瑞,游志宇.MC8051单片机IP核的FPGA实现与应用[J].电子设计工程,2009,(17):57-60.
（责任编辑：刘辉）
关键词：硬件平台；集成；网络化管理
作者简介：王桃发（1965-），男，福建东山人，漳州师范学院计算机系，讲师；黄茹芬（1963-），女，福建漳州人，漳州师范学院计算机系，副教授。（福建?漳州?363000）
基金项目：本文系漳州师范学院院内资助项目“嵌入式CPU中断系统设计与仿真”（项目编号：SK09001）的研究成果。
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0086-02
一、计算机硬件实验
计算机硬件实验包括基础实验和专业实验两大部分，主要有数字逻辑、计算机组成、接口技术、计算机体系结构、单片机、SOPC、嵌入式系统等。
高等教育正在由知识型向能力培养为中心的教育进行转化，而专业能力的培养离不开实践教学活动。[1]计算机科学与技术是一门技术科学，有科学的成分，不过工程技术的含义更多。但是，目前国内高校计算机专业的课程设置大多“避硬就软”或者“硬件软化”。
二、计算机硬件实验平台现状
国内绝大多数高校都招收计算机科学与技术专业的学生。硬件实验平台普遍存在平台本身功能单一，平台利用率、实验室利用率和实验室管理人员效率低等几个方面的问题。
1.实验技术相对落后
多数高校仍采用传统的中小规模集成电路作为平台的主要元件，[2]这样的实验平台只能完成简单的验证性实验，无法支持综合性实验，更谈不上创新性实验。而且这样的平台插接不良的现象时常发生，影响实验者的判断，增加了指导教师的工作量，也耽误了许多时间。
2.实验平台利用率低
目前，大多数高校采用一课一平台的方式实现实验教学，某具体平台的使用一般仅限于该课的开设学期，一旦该门课程结束了，与之相关的实验平台也就不再使用了。这种硬件教学实现模式增大了学生学习使用不同平台的负担，同时也造成知识掌握不牢固、学艺不精；对单个学生而言，大学四年使用某具体平台仅有若干次（与实验教学大纲有关），自然办学的成本也就高了。
3.实验室利用率低
通常每个平台需要一个上位机（正常为PC机），因此一个类型的平台就需要配置一个实验室。以56个学生位为例，除平台之外，目前配置一间实验室的实验教学环境大约需要花费人民币45万元（含机、学生桌椅、投影、扩音、局域网等），还需要一间面积在110～120m2之间的房间。假设集成平台同时支持6门硬件实验课程，则按照当前物价估计直接可节约人民币约225万元，减少实验室面积约600m2，每年可节省维护、工资费用约20万元。
4.实验室管理人员工作效率低
每个管理人员负责的实验室数量是有限的，实验室的数目越多，要求配备的工作人员就越多；实验平台的技术水平越低，集成度越差就越容易损坏，维护的工作量就越大。同时，社会对高校的认可程度也就降低了。
三、计算机硬件实验平台集成
所谓实验平台集成就是指设计出这样的平台——可以支持多门课的实验，包括验证性、综合性和创新性实验。
1.平台集成的必要性
作为计算机专业方向，各门课程之间既相互区别又相互联系，如何做好它们之间的衔接[3]是一门艺术，从理论教学到实验、实践教学，是值得广大计算机教育者深入研究的大课题。如上所述，由于技术水平和观念两个方面的因素，就实验教学而言形成了目前松散的局面。从提高实验成功率、增加实验类型、增加知识一致性来看，平台集成非常有益；从减少硬件投入、减少试验室面积、降低办学成本来看，首选的应该是平台集成；从减轻试验室维护工作量、提高设备使用率、提高实验室管理水平上看，平台集成十分必要。
2.平台集成的可能性
由于新技术的出现，计算机硬件实验平台集成是可能的。借助于EDA技术[4]，数字逻辑、计算机组成等硬件实验均可以由同一个平台支持。
3.平台集成的实现
计算机硬件集成平台在物理上表现为核心电路加上适量外围电路。它需要软硬两个方面的支持，主要依赖以下几个因素：硬件描述语言与仿真、CPLD/FPGA、IP核[5]、外围扩展电路。
硬件描述语言发展至今有近30年历史，特别是VHDL和Verilog HDL，先后成为IEEE标准，它们可以方便地应用于电路设计建模、仿真、验证、综合等不同阶段。而CPLD/FPGA器件是平台集成的物理基础，它们包含可编程的逻辑阵列，甚至内嵌存储单元、锁相环等模块，支持JTAG协议，可以方便地嵌入逻辑分析仪、产生状态机、产生CPU等。对于一些硬件课程，IP使得平台适应范围更广、升级更简单，比如从51单片机[6]升级为PIC单片机。除了核心CPLD/FPGA器件之外，少量外围电路是必需的，比如AD/DA 芯片、LCD驱动电路、交流/直流微电机驱动电路等等。
四、集成平台网络化管理
所谓集成平台网络化管理就是借助网络，学生做实验时不必进入实验室，也不受时间限制。他可以提交各种不同类型的实验代码（包括课程设计和毕业设计），实验平台通过网络返回实验结果。实验过程中学生有疑问时由相应的实验指导教师以任何可能的方式给予解答，如实时在线、实验课后集中解答等。
1.集成实验平台网络管理的必要性
多门硬件的实验项目均可以由同一个平台完成，这是一个很大的进步，但是到此并不是万事大吉。如果没有先进的使用管理模式，从本质上讲，又回到传统的方式。这里，主要是解决平台使用上的时间和空间问题。
在时间上，一个院系有多个不同的年级同时开设不同的课程，学生们在同一个学期使用集成平台的可能性很大；在空间上，多个班级的学生同时挤在同一个实验室内是不可能的。 如何解决这些矛盾？集成实验平台网络化管理的模式很好地解决了这个问题。
2.网络化管理的实现
（1）集成平台网络化管理的系统框架。在硬件方面，整个系统包括集成平台、服务器与客户端、网络；在软件方面，包括服务器与客户端的管理软件。系统框架图如图1所示。
（2）集成实验平台提供附加的功能。实验设备上有负责系统写入代码、控制板上电路、提供对于实验芯片的实验支持和监测、对外发出监测内容的控制芯片；负责下载程序到实验芯片和控制芯片的下载芯片，下载芯片同时附带了控制芯片的通信中转；存储相关实验测试程序以及数据的存储器；对外通信的USB通信接口；供下载芯片存储下载内容的FLASH存储器；辅助进行各种硬件实验所需的各类实验用接口。
（3）实验管理和设备服务器软件。服务器使用windows服务器，具有USB通信接口和以太网接口，运行USB设备管理软件、数据库软件和实验服务软件，可完成实验及设备的管理以及同客户端通信。
（4）实验的客户端软件。客户端计算机使用windows系统，具有以太网接口，运行客户端软件，客户端上由具体的实验界面，提供实验操作以及查看实验结果等。
五、传统模式与集成网络化模式并存
传统方式也是有优点的，它让学生有机会直接感触到硬件，这种方式对低年级的学生尤其有利，有利于建立感性的认识。
相对地，集成网络化模式也是有缺点的。一方面，集成度高了，做实验时只能用硬件描述语言来实现诸多组件，不直观；另一方面，网络化的管理使得指导教师几乎无法面对面给学生作指导，难免存在指导滞后、交流不充分。
两种模式并存的优点是增强了课程之间的联系和连续性，学生在学习过程中对知识的掌握和实践有了连贯性、一致性。
六、结论
平台集成使得硬件的实验类型扩大了，有助于学生建立完整的专业思想，为进一步深造或者就业打下坚实的基础，同时集成平台升级几乎可以做到零成本，减少了实验室面积，极大地提高了实验室和实验设备的利用率，降低了日常管理工作量，从而大幅度降低办学成本。网络化管理的集成平台有利于高校提高硬件教学水平，缩小与欧美国家硬件教学水平的差距。
参考文献：
[1]张丽艳,韩德强.基于FPGA平台的计算机硬件实践教学探索[J].计算机教育,2010,(7):113,115.
[2]嵩天,李凤霞.计算机硬件技术基础课程实验改革[J].计算机教育,
2010,(17):113,115.
[3]白中英.数字逻辑、计算机组成原理两门课的衔接性[J].计算机教育,2011,(19):36.
[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[5]Mike Kendrich.FPGA中处理器IP概述[J].电子产品世界,2010,(3):
21-22.
[6]王瑞,游志宇.MC8051单片机IP核的FPGA实现与应用[J].电子设计工程,2009,(17):57-60.
（责任编辑：刘辉）