基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺的設計

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶 400054)

·實驗教學與創新·

基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺的設計

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶 400054)

在對當前計算機硬件類實驗課程存在的問題進行系統分析的基礎上，以虛擬仿真、云計算和FPGA為切入點，從技術角度闡述了SPOE實踐教學云平臺所需的關鍵技術、平臺架構、仿真模型及平臺運行模式，設計并實現了基于FPGA和云計算技術的SPOE模式下的實踐教學云平臺，有助于學生自主學習和探究學習，有效提高學生的學習效率，并進一步加強學生的思維創新能力、系統綜合和系統分析能力的培養。關鍵詞：云平臺； 虛擬仿真； 計算機硬件實踐教學； 現場可編程門陣列； 多課程貫通

0 引 言

計算機技術的發展呈現出四類新型計算機系統，它們分別是嵌入式計算系統、移動計算系統、并行計算系統和基于服務的計算系統，這對計算機專業的知識結構與創新能力，特別是系統能力的培養提出更高的要求，而系統能力需要融會貫通計算機專業的多門課程知識以掌握計算機核心系統的工作原理及構造方法，理解計算機系統的軟硬件相互作用關系，并用工程方法開發計算機應用系統[1]。

1 硬件類課程實踐教學存在的問題

硬件類課程實踐教學存在的問題主要有以下幾點。

(1) 一個平臺只能供一門課程使用，實驗場地和儀器設備利用率低。硬件類課程的實踐教學基本上都是在專門的實驗平臺上進行的，這些硬件平臺上只開發了這一門課的實驗內容，沒有其他課程實踐內容，不同的硬件課程使用不同的硬件平臺，而這些不同的硬件平臺往往由不同的廠家生產，不同設備間無法協同工作[2]。各個學校為了滿足教學需要，只好為每一種平臺建一個獨立的實驗室，但是硬件類課程基本上又是專業性課程，只有高年級的本專業的學生使用，學時相對來說少得多，這就造成場地和設備的利用率都偏低，相當一部分時間處于閑置狀態。并且由于師資等各方面的原因，實驗室無法做到全天候開放，特別是周末假期等，學生無法開展實驗。

(2) 實驗內容固化，內容單一?，F在的硬件設備往往在廠家生產時將內容信息固化到硬件設備上，學生可做的實驗內容、每個實驗的步驟都按照儀器設備的說明書進行，有個簡單的輸入輸出，這些實驗室多是一些驗證性的實驗或一些簡單的設計型實驗，由于廠家在生產儀器設備時的輔助電路和擴展電路都已設計好，大多是連接一下線纜、設置一下開關，學生在學習的過程中無法開展一些創新型的實驗，也無法自己開發新的實驗[3]。這種“插線板”的實驗模式使得實驗變得枯燥無味，也缺乏直觀體驗，關鍵是這種簡單的驗證性實驗無法真正培養學生動手實踐能力，實踐的效果大打折扣。

(3) 無法開展高一級的實驗內容。由于硬件設備在出廠時由廠家固化了，學生在學習的過程中無法便捷地更改優化實驗箱的硬件結構，那些跨課程知識體系的綜合性、設計性和探索性的拓展實驗項目難以實施，不利于培養學生的思維創新能力、系統綜合和系統分析能力，這對于優秀的學生特別是重點高校的學生來說，無法滿足其學習的需求。

(4) 儀器設備維修難度大、成本高、耗時長。由于是專業設備，大多高校的實驗室缺乏維修的技術及能力，一旦過了保修期，當儀器設備出了故障，別的廠家無法維修，只有寄回原廠家維修，來回寄送既耗時又耗錢，甚至有些設備由于廠家不再生產，單獨生產一個配件成本太高，造成的結果就是儀器設備提前報廢，使用壽命大大降低[4]。

(5) 無法開展在線模式的教學。大規模在線開放課程(MOOC)是以其優越性成為近年來教育行業的一個熱點，但因為硬件類課程的實踐環節需要專門的實驗儀器，無法將這種先進的教學模式引入到硬件類課程的教學過程中。

2 建設基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺的必要性和可行性

2.1 建設在線硬件實踐教學平臺的必要性

2012年3月，教育部下發的《教育信息化十年發展規劃(2011-2020)》(教技[2012]5號)指出：“完善各種資源庫，建設優質網絡課程和實驗系統、虛擬實驗室等，促進智能化的網絡資源與人力資源結合。”[5]基于上述硬件類課程實踐教學存在的問題以及國家倡導的建立教育資源共享平臺和實驗系統，很有必要建立在線硬件實踐教學平臺，既可以讓有實力較強的高校通過適當收取少量的使用費用降低自己的建設和運行維護投入，提高了學校的知名度和社會聲譽，又可以使得實力不濟的高校付出較少的使用費就可獲得優質的實踐教學環境，提高了實踐教學的效果，也節約了擺放硬件設備的場地。

2.2 建設基于FPGA的在線實踐教學平臺的可行性

現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)內部具有豐富的觸發器和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)中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一，采用FPGA設計的ASIC，不需要投片生產就能得到合用的芯片，FPGA可以做其他全定制或半定制ASIC電路中試樣片[6]。關鍵是FPGA可以自主設計CPU體系架構，靈活度較高，它可以實現流水線、嵌套中斷、8086等復雜設計，這是當前“插線板”式的實驗箱無法做到的。另外，Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成開發環境ISE包含了設計輸入、綜合、仿真、實現和下載，涵蓋了FPGA開發的全過程，并且它具有大量簡便易用的內置式工具和向導，使得I/O分配、功耗分析、時序驅動設計收斂、HDL仿真等關鍵步驟變得容易而直觀，因此，不需要借助任何第三方EDA軟件就能方便地設計和開發FPGA。

3 基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺

3.1 在線硬件實踐教學平臺的架構

基于對遠程實驗、FPGA、計算機硬件實驗的充分認知，本文提出了包實驗教學、資源支撐、邏輯實現、電源控制、視頻監控、身份認證等為一體的計算機硬件實踐教學平臺，其架構如圖1所示[7]。使用者通過網絡遠程控制儀器設備，進行數據運算、分析測試等實驗活動，同時提供在線預約、計費、審批和統計功能[8]，達到與直接現場操作儀器設備同樣的效果。

圖1 基于FPGA的在線硬件實踐教學云平臺的架構

3.2 在線實踐教學平臺關鍵部分的設計與實現

平臺的核心部分包括硬件系統和軟件系統。硬件系統包括設備管理機(上位機)、實驗設備在線接入控制器(簡稱在線接入控制器)和FPGA實驗設備，其結構示意圖如圖2所示。設備管理機將學生通過Internet上傳的目標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所接的所有輸出設備和接口的引腳的電平狀態，將其反饋給客戶端，以在實驗界面上顯示出相應的實驗結果；在線接入控制器支持多種輸入信號激勵與所有輸出信號采集、支持FPGA實驗設備遠程接入、支持USB下載目標文件到FPGA中；FPGA實驗設備是實驗的硬件載體，學生的每個實驗都下載到FPGA中運行[9]。

FPGA的軟件設計就是利用EDA開發軟件和編程工具對FPGA芯片進行開發的過程。這是一個復雜的過程，其工作量顯然超出了單個工程師的能力，通常需要按照層次化、結構化的設計方法來實施。為此，需要將整個軟件開發任務劃分為若干個可操作的模塊，并對其接口和資源進行評估，編制出相應的行為或結構模型。其典型自頂向下的設計流程見圖3[10]。

3.3 基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺的實施

基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺是可以為計算機相關專業的實踐教學提供實踐環境，也是培養學生計算機系統能力和綜合設計能力的需要，可以為計算機組成原理、微機原理與接口、FPGA設計與實現、計算機系統結構等多門課程在線實驗提供支持，以培養學生解決實際工程問題的系統實踐能力為目的，設計了如圖4所示的硬件實驗內容體系[11]，并根據共享平臺的“服務教學、信息化、智能化、受益者適當分攤成本”的原則，我們設計了如圖5所示的平臺組織與實施流程[12]。

基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺經過實施，有以下幾點優點：

(1) 線上線下一體化，讓學生、老師隨時隨地想用就用。在線硬件實踐教學平臺的建設除了建設單位需要場地外，其他使用單位不需專門的場地，即使是建設單位也不再一門課程一個場所，而是一個場所供多門課程實踐教學使用，節約了場地，特別是課下業余實踐，師生可以隨時隨地進行實踐學習，避免了傳統的實踐教學中課堂上無法完成實驗，下次課由于有新的實驗內容導致無法繼續完成上次的實驗內容[13]。

(2) 在線實踐教學平臺的建設使得實踐教學中引入在線教育模式成為可能。傳統的硬件實踐教學由于需要專門的儀器設備，無法開展在線模式的教學，在線硬件實踐平臺的建設使得實驗在線成為可能，使得缺乏響應教學資源的師生可以充分利用名校的優質專業資源成為可能，也使得線上教學不再局限于理論教學，線上也能做到理論與實踐相結合，讓硬件類課程在線教學不再紙上談兵。表1所示為MOOC與硬件在線平臺相關特點的比較。

表1 MOOC與硬件在線平臺特點

(3) 做到了硬件實踐過程與結果的全程監控。傳統的硬件實踐過程中由于同時有幾十個學生做實驗，老師很難準確的掌握每個學生的實驗過程和結果，學生濫竽充數的現象時有發生。有了在線硬件實踐教學平臺，學生的實驗過程、數據和結果都將保存下來，而且如果學生課堂上沒做完，課下可以繼續剩余的部分[14]。

(4) 易于開展跨課程的綜合性、設計性和探索創新性的實驗內容。由于在一套硬件設備上實現了多課程的實踐教學，實現了計算機硬件類課程的貫通，促進多門課程的教學資源整合，便于開展一些跨課程的綜合性、設計性和探索創新性的實驗內容，使得培養學生解決復雜工程問題的系統能力成為可能[15]。

4 結 語

培養計算機類專業系統能力的核心是在掌握計算機系統基本原理的基礎上，如何進一步開發構建以計算技術為核心的應用系統，這需要計算機類專業的學生更多地掌握計算機系統內部各軟件和硬件部分的關聯關系和邏輯層次以及計算系統呈現的外部特征和人與物理世界的交互模式。計算機系統能力的培養體現出工程教育的特征，這也是CDIO教育體系、歐洲工程教育標準體系和《華盛頓協議》的工程教育標準體系精髓所在，這種系統能力的培養不僅需要掌握系統的知識，更要有工程實踐能力，基于FPGA的在線硬件實踐教學平臺的應用，學生的系統能力得到顯著的提升，理論知識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改革研究項目(163108；173115);重慶理工大學高等教育教學改革研究項目(2016ZD01);重慶理工大學專業學位研究生試點改革項目(2016301);高等學校計算機教育研究課題(ER2015011);重慶市研究生教育教學改革研究項目(yjg152003);中國學位與研究生教育學會研究課題 (C-2015Y0401-038);重慶市教育科學“十二五”規劃課題(2014-GX-039);重慶市教育科學“十三五”規劃課題(2016-GX-133);重慶市教育評估研究會教育評估研究課題(PJY2015-52);重慶市高教學會高等教育科研課題(CQGJ15093)

崔貫勛(1978-)，男，河南許昌人，碩士，高級實驗師，實驗室主任，主要從事實驗技術研究及實驗教學。

Tel.：13271948663; E-mail：cgx@cqut.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)04-0153-04