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浅析依托云计算平台的计算机硬件课程体系改革与创新

作者:2016-12-27 15:58阅读:文章来源:未知
  1 计算机硬件课程体系改革的必要性
  在计算机技术飞速发展的时代,激发学生的学习兴趣,提高学生的动手能力,强化学生的创新意识,增加实用和新颖的实践环节,是新形势下培养学生的重要手段。计算机硬件核心课程包括数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、计算机系统结构等,这些同时也是计算机专业中的核心课程,具有理论性强、应用广且与实践联系紧密等特点。课程体系的建立和课程结构是否合理,对于硬件知识的教与学有着很重要的影响。从以前的教学情况看,一些硬件的核心课程协调不够,相关问题可归纳为:①未将目前的先进技术恰当地纳入课程体系;②实验环境比较传统,实验内容不够新颖,在吸引学生进行创新性实验上显得不足;③相关课程内容衔接不够紧密,试图各自封闭,部分教学内容简单重复,未能进行全局规划。
  解决上述几个问题的关键在于整体规划,以系统构建为主线,适当引入新技术并配以适当的实践体系,引导学生积极实践、自主学习,激发其创新精神。
  2 利用优质资源,建设计算机硬件课程体系
  计算机专业应注重学生计算思维、算法设计与分析、程序设计与实现以及系统能力的培养,其中82 个能力点中有62 个能力点是系统能力,包括系统的认知、设计、开发和应用4 方面。教师可以利用优质资源,建设计算机硬件课程体系,促进对学生系统能力的培养。
  IBM 公司于2009 年12 月与北京工业大学合作建设云计算实验平台。该平台采用硬件设备虚拟化、软件版本标准化、系统管理自动化和服务流程一体化等技术,为计算机硬件课程体系中的相关课程提供极佳的教学和实验环境。计算机系统结构、计算机网络、计算机组成原理、并行计算、高性能计算、网格计算、云计算等课程涵盖现今计算机硬件领域的最新课程与技术。基于这一平台和社会对计算机人才硬件相关能力的要求。
  课程体系建设中,教师重点从各课程中涉及云计算技术的不同角度,调整课程教学内容和教学方式,比较全面地介绍计算机系统技术,帮助学生在学习一系列软件课程的基础上深入理解计算机基本原理,从基础到应用为学生建立完整的计算机系统概念。
  计算机硬件课程体系的最底层是电子与电路技术和数字逻辑,这两门课程是整个体系的基础知识,作为计算机专业的入门课程,为之后学生学习和理解计算机部件、接口器件等的工作原理打下基础。计算机组成原理和计算机系统结构课程帮助学生深入理解计算机各功能部件的组成及实现原理,建立起计算机整机概念;掌握从计算机软硬件界面开始进行计算机整机系统设计的原理;学会机器语言设计、功能部件设计和计算机整机系统设计。这两门课程的教学可以培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统分析和解决问题能力。在此基础上,操作系统课程介绍计算机系统如何对内部资源进行管理及为用户提供使用计算机资源的手段。其中,计算机组成原理被评为“教育部—微软精品课程”,计算机系统结构被评为“教育部—Intel 精品课程”,另外,数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构均为北京工业大学精品课程。
  微机接口技术帮助学生了解微型计算机系统与外界I/O 接口方式,汇编语言根据课程性质设置为自学课程,为学生设计实验环节,让学生经过分析、设计、编程、调试等环节独立完成4 个实验项目,进而加深对汇编语言程序设计相关概念以及关键技术应用技巧的理解,最终具备利用汇编语言设计和调试实际问题的能力。在该课程体系中,处于最顶层的各门课程更注重学生应用能力的培养,在计算机课程设置上具有一定特色,涵盖嵌入式系统、可编程芯片技术、高档微机原理与技术、多核计算、机群计算、并行计算等方面知识,是当今计算机硬件体系以及计算机科学技术中发展最快、最有应用前景的几个分支。
  上述计算机硬件课程体系结构具有以下几个主要特点:①分清层次以及课程的先后关系,明确先修课,保证内容的紧密衔接;②重视体系的系统性和先进性,突出培养应用型人才的特点;③将计算机组成原理和汇编语言设计分开,设置汇编语言自学课程,提高学生动手能力和自学能力;④贯彻以基础知识为核心、理论结合实际的思想,设置两门大型课程设计,促进知识的融会贯通。
  3 发挥资源优势,构建相适应的实验体系
  上述课程相关知识的系统教学可以帮助学生了解计算机系统的工作原理和系统构成。在改革过程中,教师可以重点加大实践环节的设置,包括电路与电子技术实验、数字逻辑实验、计算机组成原理实验、计算机组成原理课程设计和计算机系统结构实验,总共达125 学时,尤其是计算机组成原理的课程设计可以达到国内高校先进水平,撰写的实践教材也在多家高校采用。通过在EDA 平台上进行一台模型计算机的设计、封装和调试,包括总体结构、数据通路、指令系统、微操作命令、时序系统、控制部件等部分;在此基础上,进一步实现硬件输入输出部件的功能设计并下载到FPGA 芯片中进行计算机整机的测试及验证,学生能够掌握设计、实现及调试计算机整机系统的基本步骤和方法,提高分析和解决问题的能力,为提高计算机硬件动手实践能力打下坚实基础。
  目前,北京工业大学可以为学生提供优质的实验资源,其中高性能计算平台和云计算平台遵循分区规划、统一管理的建设思路,总计算能力达到23TFlops,总存储能力达到40TB,目前规模位居全国高校第四。云计算平台软件层次结构如图2 所示。
  该实验环境下,学生可以利用虚拟化技术,以虚拟机形式为用户提供所需的计算资源和基础软件运行环境,实现硬件资源和软件资源的动态分配、自动部署、统一监控和统一备份。这些环境为计算机硬件课程体系建设提供先进实用的实验环境并利于创新性实验的开展。计算机硬件系列课程改革中,教师将一部分课程实验设置在云计算平台环境中进行,充分利用虚拟化技术、高性能计算技术、自动部署技术等开展创新性实验环节,激发学生兴趣,提高动手能力,拓宽学生视野。上述平台中主要包括3 部分资源,即计算资源、存储资源和网络资源,可为各门课程提供丰富的实验环境。其中计算资源包括:① 252 台IBM HS21 刀片服务器;② CPU 2 路、4 核,主频2.83GHZ, 内存16GB,硬盘146GB; ③ 3 台IBM X3950M2大内存机架服务器;④ CPU16 颗、4核,主频2.13GHZ, 内存512GB,硬盘3×146GB。存储资源包括: ① 4台IBM TotalStorage DS4700-70A 磁盘阵列; ② 盘阵是23×450GB/15KRPM FC 硬盘、RAID5,高速缓存2GB ;③基于SAN 架构的存储网络系统。网络资源包括:① 1 套 Voltaire20Gb Infi niband 高性能网络;② 1 套Force10 万兆以太网;③ 1 套Force10千兆以太网。
  计算机系统结构课程实验的主要目的是验证理论教学中高速缓存技术、流水线技术和多核技术的相关知识。由于多个实验涉及不同的系统软件和平台软件,包括Windows、Linux、WinDLX、SimpleScalar 等,在以往的实验环境中给学生带来不便。有了云计算平台以后,学生可以利用云计算平台中的IBM BlueCloud 虚拟机,为用户提供计算资源和基础软件运行环境,实现硬件资源和软件资源的动态分配、自动部署、统一监控和统一备份,实现上述平台的无缝连接,同时能使学生在此基础上利用先进的计算机软件以及平台提供的数据存储空间和计算资源,对计算机系统结构中的流水线技术、高速缓存技术、多核技术等进行自主实验和开发。
  机群计算课程实验主要与理论教学中机群系统单一系统映像核心功能的设计与实现、面向企业机群的高可用技术和面向科学计算机群的作业管理技术相结合,帮助学生加深对机群体系结构及核心技术的理解,掌握机群构建、测试及管理维护的基本方法;通过安装、配置Linux 操作系统中的Heartbeat 服务,实现机群系统的双机高可用功能,同时培养工程实践能力。这些实验必须在上述云计算平台和高性能计算平台中进行。云计算课程实验与理论教学云计算平台中的系统虚拟化技术内容相结合,主要包括基于Eucalypus 的IaaS 级云计算平台的构建、配置与使用,基于Hadoop 的PaaS 级云计算平台构建及应用开发,基于Tomcat 的Web 服务开发及其在云计算平台的部署。学生通过实验可以加深对云计算服务层次结构及核心技术的理解,掌握云计算平台构建、使用及管理维护的基本方法。这些实验在云计算平台提供的实验环境中可以以服务的形式,面向用户多样化的应用需求,提供定制的个性化运行环境,从而使学生充分发挥自己的创新能力。例如,教师可以引导学生针对部署好的环境制作虚拟机镜像并上传,通过远程登录方式验证虚拟机镜像实例创建和运行的正确性,利用浏览器远程访问方式验证Web 服务开机自启动的正确性。类似的创新实验也可以在教师的指导下进行,以拓宽学生视野。
  4 建设成效
  课程体系改革、计算机领域新技术融入的最直接效果就是大大提高学生的学习积极性。前些年各种条件的限制给教学带来很大困难,经过几年的教学改革与实践,实验设备的更新、课程内容的改革、教学模式的建立、教学方法的改变以及实践环节的设置都提高了学生对计算机硬件课程的兴趣,很多学生参加相关的硬件课程设计大赛,取得很好的成绩。北京工业大学团队于2008年、2010 年参加IBM 杯并行计算大赛,分别获得一等奖和二等奖,2011 年参加微软全国高性能计算大赛,获得第6 名。同时,近几年的专家和学生评教结果显示各门课程均由原来的良好提升为优秀,说明计算机硬件系列课程改革得到专家和学生的认可。
  另外,由于近几年我们的教材建设取得显著成果并在国内外的教学会议上进行推广,部分教材已在北京航空航天大学、北京科技大学等相关院校采用并取得良好教学效果,也为北京工业大学的计算机硬件课程建设提供了良好支持。在项目建设过程中,我们获批1 项“教育部—Intel 精品课程”、1 项“教育部—微软精品课程”、2 本北京高等教育精品教材、北京工业大学优秀教学团队、3 门北京工业大学精品课程、1 项北京高等教育精品教材建设立项,出版3 本普通高等教育“十一五”国家级教材清华大学出版社系列教材;完成8 项北京工业大学教育教学研究项目,其中1 项是重点项目;2008 年至今获得3 项北京工业大学教育教学成果奖;总结计算机硬件体系课程在近年来教学研究和实践的成果,发表30余篇教育教学研究论文。
  5 结 语
  该课程体系改革提高了教师的授课积极性,激发了学生的学习兴趣,科学的课程体系和课程内容也更吸引学生学习相关知识并促进学生自主实践和创新。通过科学地构建基于云计算平台和高性能计算平台的相关课程实验,为学生提供优质的教学资源和先进的实验环境,提高学生学习兴趣,开阔学生视野,也为北京工业大学计算机系统结构领域的发展提供良好平台。在此基础上,我们将进一步整合整个硬件课程,建立更完善的硬件课程体系,为学生提供更优质的教学资源。
 

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