基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

崔貫勛

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

崔貫勛

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

在對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件類實(shí)驗(yàn)課程存在的問題進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，以虛擬仿真、云計(jì)算和FPGA為切入點(diǎn)，從技術(shù)角度闡述了SPOE實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)所需的關(guān)鍵技術(shù)、平臺(tái)架構(gòu)、仿真模型及平臺(tái)運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA和云計(jì)算技術(shù)的SPOE模式下的實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)，有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)分析能力的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：云平臺(tái)； 虛擬仿真； 計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)； 現(xiàn)場可編程門陣列； 多課程貫通

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出四類新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們分別是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)、移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)、并行計(jì)算系統(tǒng)和基于服務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)，這對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新能力，特別是系統(tǒng)能力的培養(yǎng)提出更高的要求，而系統(tǒng)能力需要融會(huì)貫通計(jì)算機(jī)專業(yè)的多門課程知識(shí)以掌握計(jì)算機(jī)核心系統(tǒng)的工作原理及構(gòu)造方法，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件相互作用關(guān)系，并用工程方法開發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[1]。

1 硬件類課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題

硬件類課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題主要有以下幾點(diǎn)。

(1) 一個(gè)平臺(tái)只能供一門課程使用，實(shí)驗(yàn)場地和儀器設(shè)備利用率低。硬件類課程的實(shí)踐教學(xué)基本上都是在專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，這些硬件平臺(tái)上只開發(fā)了這一門課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒有其他課程實(shí)踐內(nèi)容，不同的硬件課程使用不同的硬件平臺(tái)，而這些不同的硬件平臺(tái)往往由不同的廠家生產(chǎn)，不同設(shè)備間無法協(xié)同工作[2]。各個(gè)學(xué)校為了滿足教學(xué)需要，只好為每一種平臺(tái)建一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，但是硬件類課程基本上又是專業(yè)性課程，只有高年級(jí)的本專業(yè)的學(xué)生使用，學(xué)時(shí)相對(duì)來說少得多，這就造成場地和設(shè)備的利用率都偏低，相當(dāng)一部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)。并且由于師資等各方面的原因，實(shí)驗(yàn)室無法做到全天候開放，特別是周末假期等，學(xué)生無法開展實(shí)驗(yàn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化，內(nèi)容單一?，F(xiàn)在的硬件設(shè)備往往在廠家生產(chǎn)時(shí)將內(nèi)容信息固化到硬件設(shè)備上，學(xué)生可做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、每個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟都按照儀器設(shè)備的說明書進(jìn)行，有個(gè)簡單的輸入輸出，這些實(shí)驗(yàn)室多是一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)或一些簡單的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，由于廠家在生產(chǎn)儀器設(shè)備時(shí)的輔助電路和擴(kuò)展電路都已設(shè)計(jì)好，大多是連接一下線纜、設(shè)置一下開關(guān)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中無法開展一些創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)，也無法自己開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)[3]。這種“插線板”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞沟脤?shí)驗(yàn)變得枯燥無味，也缺乏直觀體驗(yàn)，關(guān)鍵是這種簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無法真正培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，實(shí)踐的效果大打折扣。

(3) 無法開展高一級(jí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由于硬件設(shè)備在出廠時(shí)由廠家固化了，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中無法便捷地更改優(yōu)化實(shí)驗(yàn)箱的硬件結(jié)構(gòu)，那些跨課程知識(shí)體系的綜合性、設(shè)計(jì)性和探索性的拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以實(shí)施，不利于培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)分析能力，這對(duì)于優(yōu)秀的學(xué)生特別是重點(diǎn)高校的學(xué)生來說，無法滿足其學(xué)習(xí)的需求。

(4) 儀器設(shè)備維修難度大、成本高、耗時(shí)長。由于是專業(yè)設(shè)備，大多高校的實(shí)驗(yàn)室缺乏維修的技術(shù)及能力，一旦過了保修期，當(dāng)儀器設(shè)備出了故障，別的廠家無法維修，只有寄回原廠家維修，來回寄送既耗時(shí)又耗錢，甚至有些設(shè)備由于廠家不再生產(chǎn)，單獨(dú)生產(chǎn)一個(gè)配件成本太高，造成的結(jié)果就是儀器設(shè)備提前報(bào)廢，使用壽命大大降低[4]。

(5) 無法開展在線模式的教學(xué)。大規(guī)模在線開放課程(MOOC)是以其優(yōu)越性成為近年來教育行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)，但因?yàn)橛布愓n程的實(shí)踐環(huán)節(jié)需要專門的實(shí)驗(yàn)儀器，無法將這種先進(jìn)的教學(xué)模式引入到硬件類課程的教學(xué)過程中。

2 建設(shè)基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的必要性和可行性

2.1 建設(shè)在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的必要性

2012年3月，教育部下發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》(教技[2012]5號(hào))指出：“完善各種資源庫，建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室等，促進(jìn)智能化的網(wǎng)絡(luò)資源與人力資源結(jié)合?！盵5]基于上述硬件類課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題以及國家倡導(dǎo)的建立教育資源共享平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，很有必要建立在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，既可以讓有實(shí)力較強(qiáng)的高校通過適當(dāng)收取少量的使用費(fèi)用降低自己的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)投入，提高了學(xué)校的知名度和社會(huì)聲譽(yù)，又可以使得實(shí)力不濟(jì)的高校付出較少的使用費(fèi)就可獲得優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，提高了實(shí)踐教學(xué)的效果，也節(jié)約了擺放硬件設(shè)備的場地。

2.2 建設(shè)基于FPGA的在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的可行性

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)內(nèi)部具有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳，它采用高速CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容，它是專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一，采用FPGA設(shè)計(jì)的ASIC，不需要投片生產(chǎn)就能得到合用的芯片，F(xiàn)PGA可以做其他全定制或半定制ASIC電路中試樣片[6]。關(guān)鍵是FPGA可以自主設(shè)計(jì)CPU體系架構(gòu)，靈活度較高，它可以實(shí)現(xiàn)流水線、嵌套中斷、8086等復(fù)雜設(shè)計(jì)，這是當(dāng)前“插線板”式的實(shí)驗(yàn)箱無法做到的。另外，Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境ISE包含了設(shè)計(jì)輸入、綜合、仿真、實(shí)現(xiàn)和下載，涵蓋了FPGA開發(fā)的全過程，并且它具有大量簡便易用的內(nèi)置式工具和向?qū)?，使得I/O分配、功耗分析、時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)收斂、HDL仿真等關(guān)鍵步驟變得容易而直觀，因此，不需要借助任何第三方EDA軟件就能方便地設(shè)計(jì)和開發(fā)FPGA。

3 基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

3.1 在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的架構(gòu)

基于對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、FPGA、計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的充分認(rèn)知，本文提出了包實(shí)驗(yàn)教學(xué)、資源支撐、邏輯實(shí)現(xiàn)、電源控制、視頻監(jiān)控、身份認(rèn)證等為一體的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，其架構(gòu)如圖1所示[7]。使用者通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制儀器設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析測試等實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，同時(shí)提供在線預(yù)約、計(jì)費(fèi)、審批和統(tǒng)計(jì)功能[8]，達(dá)到與直接現(xiàn)場操作儀器設(shè)備同樣的效果。

圖1 基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)的架構(gòu)

3.2 在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)的核心部分包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括設(shè)備管理機(jī)(上位機(jī))、實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線接入控制器(簡稱在線接入控制器)和FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。設(shè)備管理機(jī)將學(xué)生通過Internet上傳的目標(biāo)文件傳送給在線接入控制器；輪詢在線接入控制器上主控FPGA所接的所有輸出設(shè)備和接口的引腳的電平狀態(tài)，將其反饋給客戶端，以在實(shí)驗(yàn)界面上顯示出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；在線接入控制器支持多種輸入信號(hào)激勵(lì)與所有輸出信號(hào)采集、支持FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程接入、支持USB下載目標(biāo)文件到FPGA中；FPGA實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)的硬件載體，學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都下載到FPGA中運(yùn)行[9]。

FPGA的軟件設(shè)計(jì)就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對(duì)FPGA芯片進(jìn)行開發(fā)的過程。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，其工作量顯然超出了單個(gè)工程師的能力，通常需要按照層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法來實(shí)施。為此，需要將整個(gè)軟件開發(fā)任務(wù)劃分為若干個(gè)可操作的模塊，并對(duì)其接口和資源進(jìn)行評(píng)估，編制出相應(yīng)的行為或結(jié)構(gòu)模型。其典型自頂向下的設(shè)計(jì)流程見圖3[10]。

3.3 基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的實(shí)施

基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是可以為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)提供實(shí)踐環(huán)境，也是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力和綜合設(shè)計(jì)能力的需要，可以為計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口、FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多門課程在線實(shí)驗(yàn)提供支持，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的系統(tǒng)實(shí)踐能力為目的，設(shè)計(jì)了如圖4所示的硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系[11]，并根據(jù)共享平臺(tái)的“服務(wù)教學(xué)、信息化、智能化、受益者適當(dāng)分?jǐn)偝杀尽钡脑瓌t，我們設(shè)計(jì)了如圖5所示的平臺(tái)組織與實(shí)施流程[12]。

基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)經(jīng)過實(shí)施，有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 線上線下一體化，讓學(xué)生、老師隨時(shí)隨地想用就用。在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)除了建設(shè)單位需要場地外，其他使用單位不需專門的場地，即使是建設(shè)單位也不再一門課程一個(gè)場所，而是一個(gè)場所供多門課程實(shí)踐教學(xué)使用，節(jié)約了場地，特別是課下業(yè)余實(shí)踐，師生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，避免了傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中課堂上無法完成實(shí)驗(yàn)，下次課由于有新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容導(dǎo)致無法繼續(xù)完成上次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[13]。

(2) 在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)使得實(shí)踐教學(xué)中引入在線教育模式成為可能。傳統(tǒng)的硬件實(shí)踐教學(xué)由于需要專門的儀器設(shè)備，無法開展在線模式的教學(xué)，在線硬件實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)使得實(shí)驗(yàn)在線成為可能，使得缺乏響應(yīng)教學(xué)資源的師生可以充分利用名校的優(yōu)質(zhì)專業(yè)資源成為可能，也使得線上教學(xué)不再局限于理論教學(xué)，線上也能做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓硬件類課程在線教學(xué)不再紙上談兵。表1所示為MOOC與硬件在線平臺(tái)相關(guān)特點(diǎn)的比較。

表1 MOOC與硬件在線平臺(tái)特點(diǎn)

(3) 做到了硬件實(shí)踐過程與結(jié)果的全程監(jiān)控。傳統(tǒng)的硬件實(shí)踐過程中由于同時(shí)有幾十個(gè)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，老師很難準(zhǔn)確的掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，學(xué)生濫竽充數(shù)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。有了在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)和結(jié)果都將保存下來，而且如果學(xué)生課堂上沒做完，課下可以繼續(xù)剩余的部分[14]。

(4) 易于開展跨課程的綜合性、設(shè)計(jì)性和探索創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由于在一套硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了多課程的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件類課程的貫通，促進(jìn)多門課程的教學(xué)資源整合，便于開展一些跨課程的綜合性、設(shè)計(jì)性和探索創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使得培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的系統(tǒng)能力成為可能[15]。

4 結(jié) 語

培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力的核心是在掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，這需要計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生更多地掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各軟件和硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系和邏輯層次以及計(jì)算系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特征和人與物理世界的交互模式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)體現(xiàn)出工程教育的特征，這也是CDIO教育體系、歐洲工程教育標(biāo)準(zhǔn)體系和《華盛頓協(xié)議》的工程教育標(biāo)準(zhǔn)體系精髓所在，這種系統(tǒng)能力的培養(yǎng)不僅需要掌握系統(tǒng)的知識(shí)，更要有工程實(shí)踐能力，基于FPGA的在線硬件實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用，學(xué)生的系統(tǒng)能力得到顯著的提升，理論知識(shí)的理解程度也得到加深。

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Design of Practical Teaching Platform for Hardware Online Experiment Based on FGPA Technology

CUIGuanxun

(School of Computer Science and Engineering，Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China)

Based on systematic analysis of problems in hardware practical teaching, with virtual simulation, cloud computing and FPGA as penetration points, the key technologies required by SPOE are illustrated from the perspective of technology. The technologies include the architecture of platform, model of simulation and mode of operation. An experimental teaching cloud platform is designed based on SPGA and cloud computing technique with the model of SPOE. Pilot application shows that the proposed platform is helpful to students' autonomous learning and inquiry learning. Use of this platform can effectively improve the students' learning efficiency, and further strengthen the students' ability of thinking and innovation, enhance students' ability of system integration and system analysis.

cloud platform; virtual simulation; computer practical teaching in hardware; field programmable gate array (FPGA); connection of multiple courses

2016-08-15

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(163108；173115);重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2016ZD01);重慶理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生試點(diǎn)改革項(xiàng)目(2016301);高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究課題(ER2015011);重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(yjg152003);中國學(xué)位與研究生教育學(xué)會(huì)研究課題 (C-2015Y0401-038);重慶市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2014-GX-039);重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題(2016-GX-133);重慶市教育評(píng)估研究會(huì)教育評(píng)估研究課題(PJY2015-52);重慶市高教學(xué)會(huì)高等教育科研課題(CQGJ15093)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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1006-7167(2017)04-0153-04