基于远程云端FPGA平台的EDA在线实验研究_杜世民.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-07-26;修回日期:2022-03-19基金项目:浙江省 2021 年度高等教育研究课题(KT2021357);2020 年教育部产学合作协同育人项目(202002032027);宁波大学科学技术学院高级别虚拟仿真实验培育项目(20201028);宁波大学科学技术学院十四五课程(20210122)第一作者:杜世民(1976)，男，博士，副教授，主要从事集成电路设计和电子技术方面的教学和研究工作，E-mail:dushimin nbu edu cn基于远程云端 FPGA 平台的 EDA 在线实验研究杜世民1艾群磊2殷金曙1(1 宁波大学科学技术学院，宁波 315300)(2 北京杰创永恒科技有限公司，北京 102200)摘要:为打破 EDA 硬件实验的时空限制，拓展 EDA 实验项目的广度和深度，提出了基于远程云端 FPGA 实验平台的 EDA在线实验模式。介绍了实验平台软、硬件系统架构及基于该平台的 EDA 实验流程，列举了新平台下的实验项目，并给出了一个实验示例。实际运行结果表明，该平台对提高学生的学习兴趣、培养他们的自主学习和动手实践能力具有较明显效果。该平台还可以推广到其它基于 FPGA 的硬件类相关课程的实验教学。关键词:EDA;远程云端平台;在线实验中图分类号:TN911 6文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0202-05EDA Online Experiment esearch Based on emote Cloud FPGA PlatformDU Shimin1AI Qunlei2YIN Jinshu1(1 College of Science Technology Ningbo University，Ningbo 315300，China)(2 Beijing JieChuang Eternal Technology Co，Ltd，Beijing 102200，China)Abstract:In order to break the time and space limitation of EDA hardware experiment，an EDA online experiment mode based onremote cloud FPGA experiment platform is proposed The hardware and software system architecture of the experimental platformand the EDA experimental process based on the platform are introduced Typical experimental projects under the new platform arelisted，and an experimental project example is given The actual operation results show that the platform has obvious effects in im-proving students interest，cultivating their independent learning ability and practical ability The platform can also be extended tothe experimental teaching of other hardware related courses based on FPGAKeywords:EDA;remote cloud platform;online experiment“EDA(Electronic Design Automation，电子设计自动化)1 技术”是宁波大学科学技术学院电子信息工程、通信工程等专业一门重要的专业课程，主要介绍 FPGA/CPLD 的结构原理、硬件描述语言(Verilog HDL/VHDL)、FPGA/CPLD 开发工 具(QuartusII/Vivado)等内容2。借助 EDA 技术，设计者可用软件编程的方式 FPGA/CPLD 上完成整个数字电子系统的设计。随着集成电路和人工智能技术的迅猛发展，FPGA/CPLD 在信号处理、通信系统、自动控制和人工智能等领域的应用越来越广3 4。EDA 课程具有很强的应用性和实践性，为满足实验教学的需求，多数院校建立专门的 EDA 技术实验室，为学生提供固定的实验环境和 设备5 6。学生在 EDA 软件上完成电路的编译、综合和仿真之后，在实验室将程序下载到 FPGA 实验开发系统，通过观察电路的实际运行结果，加深对课程知识的理解。然而，这种基于固定实验室的实验模式存在一些缺点7 8。首先，受学校人力、财力制约，实验室目前只能在规定时间内开放，且一台实验设备仅能供一个(组)学生使用，使得实验设备利用率较低，同时很大程度上制约了学生的实验效果。这是因为实验课内时间有限，学生实验内容以较为简单的基础实验为主，教师也无法对所有学生的实验情况进行检查。其次，实验设备的维护成本比较高。EDA 实验室同时承担了“数字电子技术”“数字系统分析与设计”等相关课程的实验教学任务，每年使用的学生人数较多(300 人次以上)，由于部分学生操作上的不规范，容易带来实验设备的损坏。最后，在面临诸如新冠疫情等突发事件时，有可能无法在实验室集中开展硬件实验，这不仅会影响学生对课程内容的理解，也会耽误正常的教学进度。为实现教育部 教育信息化“十三五”规划 中提出的“处处能学，时时可学”的目标，依据教育部倡导的“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则9，提出了一种基于远程云端 FPGA 硬件实验平台的 EDA 在线实验。该平台引入在线实境技术10，基于“虚实结合，软硬结合”的实验教学新理念11 12，设计了本地实境实验、远程在线实境实验两种实验模式。学生不仅可以在实验室内开展FPGA 硬件实验，而且还可以在实验室之外搭建硬件电路框图对 FPGA 进行实际编程，打破了 EDA硬件实验的时空限制，使 EDA 硬件实验实现在线化和开放化成为可能，同时使实验项目的广度和深度得到拓展。1远程云端 FPGA 实验平台架构远程云端 FPGA 实验平台由硬件实验平台和软件平台构成，下面分别进行介绍。1 1硬件实验平台该硬件实验平台基于 B/S(浏览器/服务器)架构，通过网络将客户端和远程硬件实验设备连接起来。整个系统由远程实验服务区、远程实验区、教学演示区和手工实验区组成，如图 1 所示。图 1远程云端 FPGA 硬件实验平台架构1)远程实验服务区这是整个硬件实验平台的核心，由远程硬件实验设备和远程实验接入设备构成。其中，远程硬件实验设备提供客户端用户编程所需的实际 FPGA硬件环境。本平台中主芯片采用 Altera CycloneIV器件 EP4CE10F17C8，共有约 10k 个逻辑单元 LE，180 个通用 I/O 口，可以满足绝大多数实验需求。远程实验接入设备有两方面作用:一是控制对FPGA实验设备的编程下载，二是采样 FPGA 芯片的输出并通过网络将其传输到用户的客户端界面。2)远程实验区用于远程用户开展远程在线硬件实验，可以是位于实验室之外的任何区域，如寝室、图书馆、自习室或者是家里。远程用户通过校园网或者 Internet网络访问位于远程实验服务区的 FPGA 实验设备，可随时随地开展在线实验，并在客户端界面接收远程 FPGA 设备的运行结果。3)教学演示区用于教师在实验室内进行课堂讲解和演示。教师在讲解 HDL 程序时，可以方便地将现场编写的程序下载到远程实际 FPGA 芯片中，给学生实时展示程序的实际运行结果，帮助学生理解课程内容。4)手工实验区用于学生在实验室内进行课程实验。学生在实验室做课程实验时，可以直接将程序下载到 FP-GA 实验设备中，同时观察程序的实际运行结果。1 2软件平台当用户进行在线实验时，需要将编写的程序下载到远程的 FPGA 实验设备，同时将实验结果返回给用户供其观察和分析。这些操作需要平台软件 客户端软件的支持。客户端软件给用户提供了一个图形界面，在这个界面中，利用多媒体技术构建了用户进行在线实验(对学生或教师用户)或实验管理(对教师用户)所需的各种操作。用户通过系统自带的浏览器可以向远程云端平台发起各种访问请求。1)客户端登录界面登录界面如图 2 所示。在页面中输入用户名和密码，然后选择用户类型(教师或学生)，点击登录即可进入实验平台主界面。图 2远程云端平台登录页2)学生用户主界面学生用户界面提供了公告信息、教学课件、实验列表、实验面板和作业上传等功能，可用于学生查收教师发布的公告信息、接收教师上传的教学课件、查看教师发布的实验任务、绘制实验模型和完成在线作业提交任务等，如图 3 所示。选择左侧的实验面板，打开在线实验主界面。位于界面上方的是功能选择区，提供了学生进行在302第 3 期杜世民，等:基于远程云端 FPGA 平台的 EDA 在线实验研究图 3学生用户界面线实验的各种操作，如 FPGA 烧写、运行/停止实验、导入/导出实验、实验面板控制等。界面中间网格状的空白区是实验图纸区，用户在此绘制具体电路的实验模型。界面右侧是器件面板区，提供了绘制电路实验模型所需的各种器件，包括基础器件、实物器件和逻辑器件等。其中，基础器件用来产生实验模型电路的输入输出信号，可以是一位或是多位，或者接固定高电平(VCC)低电平(GND)。实物器件用来模拟实际电路器件，如 LED、按键、拨码开关、蜂鸣器和数码管等，需与逻辑器件配合一起使用。逻辑器件用来定制实验电路模型的规格，如输入输出信号的数目、名称、位宽，有无时钟和复位信号等。3)教师用户主界面在平台的教师页面下，除可以开展在线实验之外，还提供了学生管理、设备管理、学生记录、实验管理等功能，如图 4 所示。在学生管理页面，教师可以对班级学生进行添加、删除和批量导入。在设备信息页面，教师可以查看远程云端硬件实验平台FPGA 设备编号、MAC 地址、设备 IP、端口号及使用状态等信息。在用户学生记录页面，教师可查看远程远端实验平台的所有学生的登录信息和操作记录。在实验管理页面，教师可进行公告发布、上传课件、布置作业、查看学生完成情况并进行在线评分等操作。学生若在实验操作过程中遇到问题，教师可随时进行在线指导帮助其解决，拓展了师生互动的空间。图 4教师用户界面2基于远程平台的 EDA 实验流程在远程云端 FPGA 实验平台进行在线硬件实验的流程如下:(1)根据实验项目设计要求，在本地 FPGA 软件上(如 Quartus II)创建工程，完成电路的 HDL描述;(2)进行编译和仿真，通过后根据远程 FPGA芯片信息进行引脚锁定;(3)进行布局布线生成用于远程烧写的 rbf文件(二进制数据量格式);(4)登录远程云端平台，在实验面板页面绘制电路模型;(5)将 QuartusII 中生成的 rbf 文件烧写到远程目标 FPGA 设备中;(6)运行实验电路模型，施加不同的输入信号，观察并记录运行结果;(7)根据记录的实验结果，撰写实验报告并上传到远程云端平台。上述流程中，(1)(3)步骤中编程、仿真和引脚锁定等操作可在任意装有 FPGA 开发软件的电脑上完成，步骤(4)(7)需要登录远程云端平台的客户端软件，在实验面板及作业上传页面完成。也就是说，实验的全部步骤都可以在任何一台能够上网且装有 FPGA 开发软件的电脑上完成。因此，可以有效打破传统 EDA 硬件实验的时空限制，使学校 EDA 实验室实现在线化和开放化。其次，远程云端的 FPGA 实验设备支持随时随地的访问，通过预约、排队访问等管理手段可提供给多个用户使用，可以有效解决硬件设备的共享化难题，大大提高实验设备的使用率。还有，用户编写的程序下载到远程 FPGA 设备上之后，在客户端可以实时接收、显示远程实验设备的运行结果，这就实现在线实验具有与实物实验完全一致的效果，使在线境实验的实验者如同在实验室做实验一样。3基于远程平台的实验项目体系由于受 EDA 实验设备/学时的限制，现有的EDA 课程实验中综合性、创新性实验较少，而具有一定难度的、综合性 EDA 实验项目的设计，对于提升学生的 HDL 编程能力和综合设计水平具有重要意义13。由于通过远程云端平台开展实验时，不受本地实验设备/学时的制约，学生可以充分利用课余时间进行实验，因此实验项目的难度和广度可以得到很大的扩展。402电气电子教学学报第 45 卷表 1 列出了我校基于远程云端 FPGA 硬件实验平台的实验项目清单。从表中不难看出，该平台下的实验项目在内容上涵盖了从基础到进阶到综合的不同难度实验，且在综合性方面较以往有了明显提高。表 1实验项目列表实验层次实验项目名称基础实验全加器、多路选择器、7 段显示译码器、4 位乘法器、计数器、移位寄存器、流水灯进阶实验数码管扫描显示电路、数字秒表、交通灯控制器、序列检测器、A/D 转换控制器、直流/步进电机控制综合实验数字时钟、数字频率计、8 路抢答电路、乐曲演奏电路、LCD 显示驱动、数字电压表、UAT 接口电路、出租车计价器由表 1 不难看出，EDA 课程的实验项目覆盖了大多数“数字电子技术”实验课程的内容，只是具体实现方式有所不同:EDA 课程采用 Verilog 语言来设计，而数字电路实验采用 74 系列集成器件来实现。表 1 中一些综合实验也可用于“数字分析与系统设计”课程的实验教学。此外，“计算机组成原理”课程的实验项目，如编/解码实验、加/乘法器设计、存储器实验(OM、AM、STACK 和FIFO 等)，越来越多地采用 FPGA 来实现。因此，该平台对基于 FPGA 这一类硬件课程实验具有较好的推广价值。4应用举例这一节以一个具体的 EDA 实验项目 数码管扫描显示电路1 为例说明基于远程云端平台的实验过程。实验设计要求如下:设计一个扫描显示电路，用来控制八个数码管从左到右或者从右到左(通过按键控制)依次显示八个十进制数(显示内容自定)，观察不同扫描频率下的显示效果。由于在本地 EDA 开发软件中的实验过程与传统实验室实验基本一致，下面主要介绍远程云端平台的实验过程。1)绘制实验电路模型登录远端云端 FPGA 实验平台客户端，进入实验面板界面，在实验图纸区中添加一个逻辑器件(自定义 FPGA)、一个时钟输入 clk、两个拨码开关k1 k2 和两个 4 位数码管，设定自定义 FPGA 的输入输出参数并完成连接，如图 5 所示。图中自定义 FPGA 的输入输出信号说明如下:dir_ctr 是方向控制输入，用于控制数码管点亮的方图 5实验电路模型向;ST 是复位信号，当 ST 为高电平时，全部数码管关闭显示;CLK 是时钟输入端;seg_code 是 8位段码输出(含 dp 端)，同时接到两个 4 位数码管a g 及 dp 端;ds0 ds7 是 8 个位选信号，分别用来控制 8 个数码管是否点亮。2)远程烧写，观察远程 FPGA 的运行结果利用实验面板界面上方的 FPGA 烧写功能，将QuartusII 中生成的 rbf 文件下载到远程 FPGA 设备上，然后运行实验，即可观察远程 FPGA 返回的实际运行结果。图 6(a)和(b)分别给出了当输入时钟频率为 10 Hz 和 100 Hz 时的运行结果(程序设定 8 个数码管上显示数字为 20210214)。(a)时钟频率 clk=10 Hz(b)时钟频率 clk=100 Hz图 6实验电路模型运行结果502第 3 期杜世民，等:基于远程云端 FPGA 平台的 EDA 在线实验研究5结语针对当前 EDA 实验中存在的问题，提出了一种基于远程云端 FPGA 硬件实验平台的在线实验。依托这一平台，学生可以随时随地搭建硬件电路模型对 FPGA 进行远程在线实验，实现了教育部提出的“处处能学，时时可学”的目标，而且可以有效拓展实验项目的深度和广度。同时，教师利用该平台可实现对实验资源的有效管理，并随时解答学生实验过程中的问题，大大拓展了师生互动的空间。对学生问卷调查结果显示，超过 80%的学生认为该平台对提高他们对课程的学习兴趣、培养他们的自主学习能力、动手实践能力效果显著或良好。参考文献 1 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