崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆 400054)

·实验教学与创新·

基于FPGA的在线硬件实践教学平台的设计

崔贯勋

(重庆理工大学 计算机科学与工程学院， 重庆 400054)

在对当前计算机硬件类实验课程存在的问题进行系统分析的基础上，以虚拟仿真、云计算和FPGA为切入点，从技术角度阐述了SPOE实践教学云平台所需的关键技术、平台架构、仿真模型及平台运行模式，设计并实现了基于FPGA和云计算技术的SPOE模式下的实践教学云平台，有助于学生自主学习和探究学习，有效提高学生的学习效率，并进一步加强学生的思维创新能力、系统综合和系统分析能力的培养。关键词：云平台； 虚拟仿真； 计算机硬件实践教学； 现场可编程门阵列； 多课程贯通

0 引 言

计算机技术的发展呈现出四类新型计算机系统，它们分别是嵌入式计算系统、移动计算系统、并行计算系统和基于服务的计算系统，这对计算机专业的知识结构与创新能力，特别是系统能力的培养提出更高的要求，而系统能力需要融会贯通计算机专业的多门课程知识以掌握计算机核心系统的工作原理及构造方法，理解计算机系统的软硬件相互作用关系，并用工程方法开发计算机应用系统[1]。

1 硬件类课程实践教学存在的问题

硬件类课程实践教学存在的问题主要有以下几点。

(1) 一个平台只能供一门课程使用，实验场地和仪器设备利用率低。硬件类课程的实践教学基本上都是在专门的实验平台上进行的，这些硬件平台上只开发了这一门课的实验内容，没有其他课程实践内容，不同的硬件课程使用不同的硬件平台，而这些不同的硬件平台往往由不同的厂家生产，不同设备间无法协同工作[2]。各个学校为了满足教学需要，只好为每一种平台建一个独立的实验室，但是硬件类课程基本上又是专业性课程，只有高年级的本专业的学生使用，学时相对来说少得多，这就造成场地和设备的利用率都偏低，相当一部分时间处于闲置状态。并且由于师资等各方面的原因，实验室无法做到全天候开放，特别是周末假期等，学生无法开展实验。

(2) 实验内容固化，内容单一。现在的硬件设备往往在厂家生产时将内容信息固化到硬件设备上，学生可做的实验内容、每个实验的步骤都按照仪器设备的说明书进行，有个简单的输入输出，这些实验室多是一些验证性的实验或一些简单的设计型实验，由于厂家在生产仪器设备时的辅助电路和扩展电路都已设计好，大多是连接一下线缆、设置一下开关，学生在学习的过程中无法开展一些创新型的实验，也无法自己开发新的实验[3]。这种“插线板”的实验模式使得实验变得枯燥无味，也缺乏直观体验，关键是这种简单的验证性实验无法真正培养学生动手实践能力，实践的效果大打折扣。

(3) 无法开展高一级的实验内容。由于硬件设备在出厂时由厂家固化了，学生在学习的过程中无法便捷地更改优化实验箱的硬件结构，那些跨课程知识体系的综合性、设计性和探索性的拓展实验项目难以实施，不利于培养学生的思维创新能力、系统综合和系统分析能力，这对于优秀的学生特别是重点高校的学生来说，无法满足其学习的需求。

(4) 仪器设备维修难度大、成本高、耗时长。由于是专业设备，大多高校的实验室缺乏维修的技术及能力，一旦过了保修期，当仪器设备出了故障，别的厂家无法维修，只有寄回原厂家维修，来回寄送既耗时又耗钱，甚至有些设备由于厂家不再生产，单独生产一个配件成本太高，造成的结果就是仪器设备提前报废，使用寿命大大降低[4]。

(5) 无法开展在线模式的教学。大规模在线开放课程(MOOC)是以其优越性成为近年来教育行业的一个热点，但因为硬件类课程的实践环节需要专门的实验仪器，无法将这种先进的教学模式引入到硬件类课程的教学过程中。

2 建设基于FPGA的在线硬件实践教学平台的必要性和可行性

2.1 建设在线硬件实践教学平台的必要性

2012年3月，教育部下发的《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》(教技[2012]5号)指出：“完善各种资源库，建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室等，促进智能化的网络资源与人力资源结合。”[5]基于上述硬件类课程实践教学存在的问题以及国家倡导的建立教育资源共享平台和实验系统，很有必要建立在线硬件实践教学平台，既可以让有实力较强的高校通过适当收取少量的使用费用降低自己的建设和运行维护投入，提高了学校的知名度和社会声誉，又可以使得实力不济的高校付出较少的使用费就可获得优质的实践教学环境，提高了实践教学的效果，也节约了摆放硬件设备的场地。

2.2 建设基于FPGA的在线实践教学平台的可行性

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)内部具有丰富的触发器和I/O引脚，它采用高速CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容，它是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一，采用FPGA设计的ASIC，不需要投片生产就能得到合用的芯片，FPGA可以做其他全定制或半定制ASIC电路中试样片[6]。关键是FPGA可以自主设计CPU体系架构，灵活度较高，它可以实现流水线、嵌套中断、8086等复杂设计，这是当前“插线板”式的实验箱无法做到的。另外，Xilinx公司推出的FPGA/CPLD集成开发环境ISE包含了设计输入、综合、仿真、实现和下载，涵盖了FPGA开发的全过程，并且它具有大量简便易用的内置式工具和向导，使得I/O分配、功耗分析、时序驱动设计收敛、HDL仿真等关键步骤变得容易而直观，因此，不需要借助任何第三方EDA软件就能方便地设计和开发FPGA。

3 基于FPGA的在线硬件实践教学平台

3.1 在线硬件实践教学平台的架构

基于对远程实验、FPGA、计算机硬件实验的充分认知，本文提出了包实验教学、资源支撑、逻辑实现、电源控制、视频监控、身份认证等为一体的计算机硬件实践教学平台，其架构如图1所示[7]。使用者通过网络远程控制仪器设备，进行数据运算、分析测试等实验活动，同时提供在线预约、计费、审批和统计功能[8]，达到与直接现场操作仪器设备同样的效果。

图1 基于FPGA的在线硬件实践教学云平台的架构

3.2 在线实践教学平台关键部分的设计与实现

平台的核心部分包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括设备管理机(上位机)、实验设备在线接入控制器(简称在线接入控制器)和FPGA实验设备，其结构示意图如图2所示。设备管理机将学生通过Internet上传的目标文件传送给在线接入控制器；轮询在线接入控制器上主控FPGA所接的所有输出设备和接口的引脚的电平状态，将其反馈给客户端，以在实验界面上显示出相应的实验结果；在线接入控制器支持多种输入信号激励与所有输出信号采集、支持FPGA实验设备远程接入、支持USB下载目标文件到FPGA中；FPGA实验设备是实验的硬件载体，学生的每个实验都下载到FPGA中运行[9]。

FPGA的软件设计就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。这是一个复杂的过程，其工作量显然超出了单个工程师的能力，通常需要按照层次化、结构化的设计方法来实施。为此，需要将整个软件开发任务划分为若干个可操作的模块，并对其接口和资源进行评估，编制出相应的行为或结构模型。其典型自顶向下的设计流程见图3[10]。

3.3 基于FPGA的在线硬件实践教学平台的实施

基于FPGA的在线硬件实践教学平台是可以为计算机相关专业的实践教学提供实践环境，也是培养学生计算机系统能力和综合设计能力的需要，可以为计算机组成原理、微机原理与接口、FPGA设计与实现、计算机系统结构等多门课程在线实验提供支持，以培养学生解决实际工程问题的系统实践能力为目的，设计了如图4所示的硬件实验内容体系[11]，并根据共享平台的“服务教学、信息化、智能化、受益者适当分摊成本”的原则，我们设计了如图5所示的平台组织与实施流程[12]。

基于FPGA的在线硬件实践教学平台经过实施，有以下几点优点：

(1) 线上线下一体化，让学生、老师随时随地想用就用。在线硬件实践教学平台的建设除了建设单位需要场地外，其他使用单位不需专门的场地，即使是建设单位也不再一门课程一个场所，而是一个场所供多门课程实践教学使用，节约了场地，特别是课下业余实践，师生可以随时随地进行实践学习，避免了传统的实践教学中课堂上无法完成实验，下次课由于有新的实验内容导致无法继续完成上次的实验内容[13]。

(2) 在线实践教学平台的建设使得实践教学中引入在线教育模式成为可能。传统的硬件实践教学由于需要专门的仪器设备，无法开展在线模式的教学，在线硬件实践平台的建设使得实验在线成为可能，使得缺乏响应教学资源的师生可以充分利用名校的优质专业资源成为可能，也使得线上教学不再局限于理论教学，线上也能做到理论与实践相结合，让硬件类课程在线教学不再纸上谈兵。表1所示为MOOC与硬件在线平台相关特点的比较。

表1 MOOC与硬件在线平台特点

(3) 做到了硬件实践过程与结果的全程监控。传统的硬件实践过程中由于同时有几十个学生做实验，老师很难准确的掌握每个学生的实验过程和结果，学生滥竽充数的现象时有发生。有了在线硬件实践教学平台，学生的实验过程、数据和结果都将保存下来，而且如果学生课堂上没做完，课下可以继续剩余的部分[14]。

(4) 易于开展跨课程的综合性、设计性和探索创新性的实验内容。由于在一套硬件设备上实现了多课程的实践教学，实现了计算机硬件类课程的贯通，促进多门课程的教学资源整合，便于开展一些跨课程的综合性、设计性和探索创新性的实验内容，使得培养学生解决复杂工程问题的系统能力成为可能[15]。

4 结 语

培养计算机类专业系统能力的核心是在掌握计算机系统基本原理的基础上，如何进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统，这需要计算机类专业的学生更多地掌握计算机系统内部各软件和硬件部分的关联关系和逻辑层次以及计算系统呈现的外部特征和人与物理世界的交互模式。计算机系统能力的培养体现出工程教育的特征，这也是CDIO教育体系、欧洲工程教育标准体系和《华盛顿协议》的工程教育标准体系精髓所在，这种系统能力的培养不仅需要掌握系统的知识，更要有工程实践能力，基于FPGA的在线硬件实践教学平台的应用，学生的系统能力得到显著的提升，理论知识的理解程度也得到加深。

[1] 刘京锐，吴敏华，李志平.CDIO理念在计算机硬件实践课程教学改革中的应用[J].实验技术与管理，2011，28(7):154-156.

[2] 李珍香，樊 玮.“卓越计划”背景下的计算机硬件实践教学体系[J].计算机教育，2013(15):42-47.

[3] 李山山，陈永强，刘敬晗，等.MOOC时代下的计算机实验教学探讨[J].计算机教育，2014(13):103-106.

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[5] 胡景春，叶水生，韩 旭，等.计算机科学与技术专业硬件教学实践环节的综合研究与建设[J].实验技术与管理，2010，27(3):12-14.

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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

重庆市高等教育教学改革研究项目(163108；173115);重庆理工大学高等教育教学改革研究项目(2016ZD01);重庆理工大学专业学位研究生试点改革项目(2016301);高等学校计算机教育研究课题(ER2015011);重庆市研究生教育教学改革研究项目(yjg152003);中国学位与研究生教育学会研究课题 (C-2015Y0401-038);重庆市教育科学“十二五”规划课题(2014-GX-039);重庆市教育科学“十三五”规划课题(2016-GX-133);重庆市教育评估研究会教育评估研究课题(PJY2015-52);重庆市高教学会高等教育科研课题(CQGJ15093)

崔贯勋(1978-)，男，河南许昌人，硕士，高级实验师，实验室主任，主要从事实验技术研究及实验教学。

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

G 642

A

1006-7167(2017)04-0153-04