清华大学计算机硬件实验室建设情况

项目建设背景

    清华大学（Tsinghua University）是中国著名高等学府，是中国高层次人才培养和科学技术研究的重要基地。目前，清华大学设有16个学院，56个系，已成为一所具有理学、工学、文学、艺术学、历史学、哲学、经济学、管理学、法学、教育学和医学等学科的综合性、研究型、开放式大学。

    清华大学计算机科学与技术系（以下简称计算机系）设有计算机科学与技术一级学科，属全国首批国家重点一级学科，在对学生进行培养的全过程中注重计算机硬件与软件以及计算机应用的全面训练，强调科学理论与实际应用的相互结合，努力造就适应研究、设计和应用开发的“复合型”人才。

    计算机系拥有“国家级教学实验示范中心”称号。教学实验室设置齐全，包括：计算机原理实验室、微型计算机实验室、计算机网络实验室、操作系统实验室、计算机软件实验室、计算机控制系统实验室、智能机器人实验室、计算机接口实验室、学生科技创新实验室等。

    计算机硬件实验室当前存在着已有实验技术相对落后、各门硬件类课程实验系统各自独立、学生无法建立系统的概念、缺乏计算机体系结构课程实验支持、实验方式限制学生的创造性、实验箱损坏率高、人力成本高、实验室管理困难的问题，严重影响实验教学效果和学生学习计算机硬件相关知识的兴趣。清华大学做为高校计算机教学与科研的领跑者，有必要建立一个先进的计算机硬件实验室，以改变当前计算机硬件实验教学落后的现状，推进高校计算机硬件教学的改革，与实际工程及项目应用接轨。

项目需求分析

    计算机硬件实验室建设规模为一个实验班级40个学生，除支持数字逻辑、计算机组成原理实验及课程设计外，需同时支持计算机体系结构课程实验，为计算机相关专业提供全面、系统的硬件实验、综合设计等支持，满足教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会制定的计算机类专业知识结构及能力要求。

综上，计算机硬件实验室的建设需满足以下需求：

（1）统一的实验平台与实验系统的需求

    建立一个统一的计算机硬件实验平台，使学生建立系统的硬件知识体系，在整个计算机硬件系列课程的学习过程中，减少学生在了解熟悉不同实验平台上所耗费的时间。

（2）学习先进计算机硬件技术的需求

    摆脱小规模集成电路、手工逻辑设计和手工连线的落后技术，提供与当前主流应用接轨的硬件技术实验平台，使得学生可以学以致用，与实际应用接轨。

（3）远程调试及实验的需求

    为突破实验室空间和时间的限制，实验室需支持计算机硬件相关实验的远程调试和实验，全面提高实验设备利用率。

（4）创新与自主设计实验的需求

    实验室需提供足够的创新与自主设计、综合实验等类型的实验，满足学校基础教学外的综合设计与实训，全面提高学生在计算机硬件领域实际应用的能力。

项目建设方案

计算机硬件实验室的网络拓扑如下，其中针对校方已有的网络设备及服务器设备，西普科技视情况进行了相关整合。

实验网络拓扑结构

    在实验环境平台建设中，综合考虑学校进行课程教学需要配套实验教学的需求，计算机硬件实验系统采用SimpleRlab计算机硬件实验统一平台进行建设，采用大规模FPGA为实验核心器件、使用硬件设计语言、EDA工具、支持软件逻辑分析仪等实验调试方法等先进硬件技术和实验技术。通过SimpleRlab系统，实验室可支持数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构等实验内容，支持远程实验，同时提供便捷的实验室管理。

用户收益

    计算机硬件实验室已经承担了清华大学多门硬件课程的实验教学任务，贯穿计算机硬件教学的始终。通过本地实验和远程实验两种方式，学生能够集中精力与硬件知识本身，而不必担心硬件故障等问题，有效巩固学生的硬件知识，同时软硬结合的锻炼学生在计算机硬件领域的创新设计能力。该实验室已经达到国际先进水平，同时得到诸多兄弟院校的好评，对高校计算机硬件教学改革起到了有力的推动作用。