基于局域網(wǎng)和fpga的遠程電路設(shè)計硬件實驗系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機實驗儀器，尤其是一種基于局域網(wǎng)和FPGA的遠程電路設(shè)計硬件實驗系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的計算機硬件的教學(xué)實驗方法和系統(tǒng)大致分成兩大類:一類是基于計算機仿真技術(shù)的純軟件模擬實驗環(huán)境；另一類是在本地實驗室真實硬件平臺上完成實驗的實驗環(huán)境。
[0003]前者不涉及真實的硬件實驗設(shè)備，所有的實驗內(nèi)容都集中到服務(wù)器上，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，用戶通過一臺能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的電腦和配套的仿真軟件即可進行相關(guān)的實驗并獲得實驗結(jié)果；后者在本地進行相關(guān)的實驗，通常需要用戶和真實的硬件設(shè)備進行連接和交互，用戶可以真實的感受到實際操作的效果，但是需要投入大量的實驗設(shè)備并進行相關(guān)的維護。
[0004]以上兩種方法一虛一實，但前者缺少了實際硬件操作的可信度和可驗證性，且不是所有情況都能真實仿真的；后者需要投入大量的人力、物力及財力進行設(shè)備的更新和維護，在大量人員集中做實驗的情況下，實驗設(shè)備難以得到保證，同時實驗人員只能在規(guī)定的時間和規(guī)定的地點進行實驗，不太符合當前開放性實驗的需要。隨著大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程MOOC在全球的推廣，急需解決在網(wǎng)絡(luò)開放環(huán)境下進行硬件實驗的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明為解決在網(wǎng)絡(luò)開放環(huán)境下進行硬件實驗的問題，提出一種基于局域網(wǎng)和FPGA的遠程電路設(shè)計硬件實驗系統(tǒng)及方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種基于局域網(wǎng)和FPGA的遠程電路設(shè)計硬件系統(tǒng)，包括服務(wù)器端、客戶端PC機以及硬件實驗平臺，三部分之間通過局域網(wǎng)相連進行通信，服務(wù)器和硬件實驗平臺之間還通過USB-JTAG下載線相連進行通信。
[0007]硬件實驗平臺采用集雙核ARM Cortex_A9和FPGA于一個主芯片中的ZedBoard板卡，所述主芯片采用Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC，其內(nèi)部擁有雙核ARMCortexA9處理器構(gòu)成的PS (Processing System,處理系統(tǒng))部分及FPGA邏輯的PL(Programmable Logic，可編程邏輯)部分。
[0008]服務(wù)器端包括自動下載模塊和Bitstream (位元流)更新模塊；Bitstream更新模塊運行在服務(wù)器端，自動識別用戶提交的Bitstream文件，并進行保存和更新；自動下載模塊運行在服務(wù)器端，將Bitstream文件自動下載到硬件實驗平臺中。
[0009]客戶端PC機包括FTP上傳模塊和客戶端仿真模塊；客戶端仿真模塊運行在客戶端PC機上，進行本地虛擬硬件調(diào)試，完成用戶硬件設(shè)計實驗的直接仿真模擬并與遠程的硬件實驗平臺進行通信交互；FTP上傳模塊運行在客戶端PC上，通過局域網(wǎng)，訪問服務(wù)器端的FTP服務(wù)，并將用戶設(shè)計的Bitstream文件上傳至服務(wù)器。
[0010]硬件實驗平臺包括FPGA部分與ARM部分，F(xiàn)PGA部分包括FPGA電路監(jiān)控IP核，ARM部分包括反饋交互模塊和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊；FPGA電路監(jiān)控IP核運行在ZedBoard板卡的PL部分中，提供給用戶統(tǒng)一的IP核接口，完成對FPGA芯片中運行的用戶設(shè)計的硬件電路的監(jiān)控，并和運行在ARM部分中的硬件平臺監(jiān)控程序進行數(shù)據(jù)交換；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊運行在ZedBoard板卡的PS部分中，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和有效性；反饋交互模塊運行在ZedBoard板卡的PS部分中，接收用戶的數(shù)據(jù)控制包，并解析傳輸給FPGA，同時可以將FPGA電路監(jiān)控采集的實時信號封裝，通過網(wǎng)絡(luò)反饋給用戶。
[0011]使用上述系統(tǒng)進行實驗的方法，包括如下步驟:
(1)將服務(wù)器端、硬件實驗平臺與客戶端PC機通過局域網(wǎng)相連，將服務(wù)器端與硬件實驗平臺還通過USB-JTAG下載線相連；
(2)服務(wù)器端設(shè)計自動下載模塊與Bitstream更新模塊，硬件實驗平臺內(nèi)設(shè)計FPGA電路監(jiān)控核、反饋交互模塊和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊，客戶端PC機內(nèi)設(shè)計FTP上傳模塊和客戶端仿真模塊，并安裝具有自定義功能的實驗軟件；
(3)用戶在客戶端PC機上利用FPGA設(shè)計軟件進行數(shù)字電路實驗，設(shè)計生成的電路以Bitstream文件形式通過FTP上傳模塊上傳至服務(wù)器端，服務(wù)器端Bitstream更新模塊偵聽到新的數(shù)據(jù)流到來后，接收數(shù)據(jù)并啟動自動下載模塊自動下載用戶設(shè)計的Bitstream文件到硬件實驗平臺的FPGA部分中；
(4)硬件實驗平臺中的FPGA電路監(jiān)控IP核和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊相配合，不斷收集用戶電路執(zhí)行中的有關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過反饋交互模塊和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)往客戶端PC機的客戶端仿真模塊進行可視化顯示，用戶通過客戶端PC機上的軟件實時獲取實驗結(jié)果的變化。
[0012]其中:所述的硬件實驗平臺采用集雙核ARM Cortex_A9和FPGA于一個主芯片中的ZedBoard板卡，所述主芯片采用Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC，其內(nèi)部擁有雙核ARM CortexA9處理器構(gòu)成的PS部分及FPGA邏輯的PL部分。
[0013]在步驟(3)中，所述的自動下載模塊運行在服務(wù)器端，將Bitstream文件自動下載到硬件實驗平臺中，在后臺運行著服務(wù)器端的監(jiān)聽端口進程，該進程負責(zé)偵聽FTP服務(wù)對用戶上傳的Bitstream文件更新這一事件，并負責(zé)啟動Xilinx的微處理器調(diào)試XMD工具，XMD工具識別下載接口，并啟動下載服務(wù)完成對硬件實驗平臺的編程。
[0014]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著的效果為:(1)具備真實的硬件底層支持，真實反映硬件電路的運行情況，支持網(wǎng)絡(luò)下的遠程實驗，拓展了實驗的地域性和開放性；(2)充分利用硬件實驗平臺的優(yōu)勢將FPGA電路監(jiān)控IP核和用戶設(shè)計的硬件電路運行在同一個芯片的FPGA中，將硬件平臺監(jiān)控程序以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集程序運行在同一芯片的ARM核中，大大減輕了服務(wù)器的負擔；(3)用戶可在該系統(tǒng)上做各種數(shù)字電路的設(shè)計實驗，包括邏輯組合、時序邏輯以及更加復(fù)雜的CPU設(shè)計等。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的功能模塊圖。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于局域網(wǎng)和FPGA的遠程電路設(shè)計硬件系統(tǒng)，包括服務(wù)器端、客戶端PC機以及硬件實驗平臺，三部分之間通過局域網(wǎng)相連進行通信，服務(wù)器和硬件實驗平臺之間還通過USB-JTAG下載線之間相連進行通信；硬件實驗平臺采用集雙核ARM Cortex-A9和FPGA于一個主芯片中的ZedBoard板卡，所述主芯片采用XilinxZynq-7000 All Programmable SoC，其內(nèi)部擁有雙核ARM CortexA9處理器構(gòu)成的PS部分及FPGA邏輯的PL部分。
[0017]如圖2所示，服務(wù)器端包括自動下載模塊和Bitstream更新模塊；Bitstream更新模塊運行在服務(wù)器端，自動識別用戶提交的Bitstream文件，并進行保存和更新；自動下載模塊運行在服務(wù)器端，將Bitstream文件自動下載到硬件實驗平臺中，在后臺運行著服務(wù)器端的監(jiān)聽端口進程，該進程負責(zé)偵聽FTP服務(wù)對用戶上傳的Bitstream文件更新這一事件，并負責(zé)啟動Xilinx的微處理器調(diào)試XMD工具，XMD工具識別下載接口，并啟動下載服務(wù)完成對硬件實驗平臺的編程。
[0018]客戶端PC機包括FTP上傳模塊和客戶端仿真模塊；客戶端仿真模塊運行在客戶端PC機上，進行本地虛擬硬件調(diào)試，完成用戶硬件設(shè)計實驗的直接仿真模擬并與遠程的硬件實驗平臺進行通信交互；FTP上傳模塊運行在客戶端PC上，通過局域網(wǎng)，訪問服務(wù)器端的FTP服務(wù)，并將用戶設(shè)計的Bitstream文件上傳至服務(wù)器。
[0019]硬件實驗平臺包括FPGA部分與ARM部分，F(xiàn)PGA部分包括FPGA電路監(jiān)控IP核，ARM部分包括反饋交互模塊和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊；FPGA電路監(jiān)控IP核運行在ZedBoard板卡的PL部分中，提供給用戶統(tǒng)一的IP核接口，完成對FPGA芯片中運行的用戶設(shè)計的硬件電路的監(jiān)控，并和運行在ARM部分中的硬件平臺監(jiān)控程序進行數(shù)據(jù)交換；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集模塊運行在ZedBoard板卡的PS部分中，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和有效性；反