夏開堂，林 菲，張 聰，章復嘉，劉 楊

（1.浙江藝術職業(yè)學院，浙江 杭州 310053；2.杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

在全球科技競爭日益激烈的態(tài)勢下，我國急需CPU 制造、工業(yè)軟件、計算機系統(tǒng)等方面的高端人才。長期以來，國內計算機專業(yè)人才培養(yǎng)偏重于應用，忽視了計算機設計和制造，導致底層架構設計和系統(tǒng)軟件開發(fā)的高端人才極為匱乏。2016 年，國家發(fā)改委、工信部、財政部、稅務總局聯(lián)合發(fā)布《關于印發(fā)國家規(guī)劃布局內重點軟件和集成電路設計領域的通知》，提出要重點發(fā)展操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等基礎軟件和各類芯片。2019 年，教育部出臺《教育部關于2019-2021 年基礎學科拔尖學生培養(yǎng)基地建設工作的通知》，將計算機科學納入基礎學科的建設范圍。2020 年，教育部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布《特色化示范性軟件學院建設指南（試行）》，聚焦關鍵基礎軟件、嵌入式軟件等五大軟件領域。在此時代背景下，全國各大高校積極推進計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革，設計貫通計算機硬件類基礎課程知識體系的復雜實驗教學方案。

近年來，國內大部分高校均已使用基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的實驗板卡或實驗箱開展計算機硬件類基礎課程的實驗教學。然而，這種實驗教學只能在實驗室內開展，受時間、空間和設備資源等制約，學生無法得到充分實踐，嚴重影響實驗教學效果。全國高校普遍缺乏支持復雜系統(tǒng)級實驗設計的高端遠程硬件實驗平臺，這已成為高校實施學生計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的障礙。清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學等高校先后開展了基于FPGA 的硬件類課程遠程虛擬實驗平臺研究。這些平臺主要專注于實驗功能的實現(xiàn)，提供了小規(guī)模的FPGA 遠程實驗，理論學習與實驗實踐結合度不高。大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）平臺主要提供理論學習資源，目前我國MOOC 建設呈現(xiàn)出爆炸式增長趨勢，MOOC 課程受到社會學習者和高校學生的廣泛關注與青睞，但該課程無法滿足需要大量動手實踐的工程領域實踐課程的教學需求，尤其是需要硬件設備支撐的課程。

杭州電子科技大學國家級計算機實驗教學示范中心多年來一直潛心致力于計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實驗教學改革，在自主研發(fā)的FPGA 實驗板卡的基礎上，探索將MOOC 平臺與遠程交互式FPGA 實驗平臺相結合的大規(guī)模開放式在線實驗（Massive Open Online Labs，MOOL）教學平臺建設方案，在高校開展在線理論與實踐相融合的一體化教學，為學生提供隨時隨地學習和實驗的環(huán)境，為疫情期間硬件實驗課程的在線教學實施提供了重要借鑒。

1 實驗教學平臺可行性分析

計算機硬件類課程傳統(tǒng)實驗教學模式面臨諸多問題，例如傳統(tǒng)課程實踐培養(yǎng)只是作為理論教學的拓展，得不到足夠重視；實驗項目的開設、實驗設備的操作和實驗流程的規(guī)劃缺乏自主開放性，一定程度上降低了學生的學習主動性；各類課程缺乏整體性和關聯(lián)性，實驗課程教學易受時空限制等。

本文基于MOOC 的FPGA 硬件類課程遠程實驗教學平臺具有以下優(yōu)勢：①實際設備與虛擬外設相結合，支持在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互，使實驗效果更直觀；②使用便捷，只需瀏覽器和網(wǎng)絡便能隨時隨地學習和實驗；③注重實踐，在線理論與在線實踐同步；④收集實驗數(shù)據(jù)，對其進行統(tǒng)計、處理和可視化展示，幫助教師進行學情分析；⑤擴展性強，以MOOC 平臺為中心，可兼容不同實驗平臺。

為滿足以上需求，平臺通過軟件界面模擬實驗板的交互操作，采用網(wǎng)絡通信與真實版卡進行交互，采用攝像頭拍照和虛擬外設顯示兩種方式查看實驗效果；通過B∕S 架構模式保證隨時隨地學習和實驗的需求；將實驗平臺接入MOOC 平臺，使理論教學與實踐學習真正協(xié)同；通過實驗數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計和可視化，幫助教師掌握學生實驗情況，分析實驗教學效果；利用MOOC 平臺對教學資源的整合能力以及低耦合度的設計方式，確保對不同實驗平臺的可擴展性。

2 實驗教學平臺設計

2.1 平臺總體架構

該平臺由MOOC 教學平臺和FPGA 遠程交互實驗平臺組成，用戶可使用MOOC 平臺進行相關實驗課程的學習，通過FPGA 實驗平臺進行遠程交互式實驗。平臺總體架構如圖1 所示。

（1）MOOC 平臺。主要負責理論知識的在線學習，平臺用戶角色包括學生、教師和管理員，并提供相應的功能模塊。具體見表1。

（2）FPGA 遠程交互實驗平臺?；贔PGA 硬件板卡集群提供遠程交互實驗服務，主要包括硬件資源管理、文件燒錄、命令下傳、狀態(tài)監(jiān)控以及實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。

（3）MOOC 平臺與遠程實驗平臺的兼容交互設計。平臺通過制定的接口標準實現(xiàn)不同實驗平臺的接入。目前，MOOC 平臺已接入FPGA 遠程實驗平臺、遠程虛擬機實驗平臺等。

Fig.1 Overall design of experimental teaching platform圖1 實驗教學平臺總體架構

Table 1 MOOC platform function module表1 MOOC 平臺功能模塊

2.2 FPGA 遠程實驗平臺設計

FPGA 遠程實驗平臺包括在線交互式遠程實驗系統(tǒng)和FPGA 遠程實驗設備兩部分。在線交互式遠程實驗系統(tǒng)主要承擔硬件資源管理、文件燒錄、命令下傳、狀態(tài)監(jiān)控、實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能；FPGA 遠程實驗設備主要由批量FPGA板卡、攝像頭等硬件搭建的遠程實驗設備集群組成。FPGA在線交互式遠程實驗系統(tǒng)與遠程實驗設備之間的通信基于TCP∕IP 的自定義協(xié)議完成。

FPGA 在線交互式遠程實驗系統(tǒng)各部分具體功能如下：

（1）硬件資源管理。平臺通過維護臨界區(qū)中的硬件資源隊列實現(xiàn)硬件資源的申請、占用與釋放。硬件資源隊列存儲了當前平臺可用的FPGA 實驗電路板對應的通信管道及其占用狀態(tài)，每塊實驗板對應唯一的通信管道，只有通過該管道用戶才能與之進行信息交互。當用戶進入實驗平臺時，平臺在硬件資源隊列中選取未被占用的通信管道分配給需要進行實驗的用戶。當該通道被占用時，表示對應的硬件資源正在使用中。實驗結束時，使用者可主動釋放資源，也可由系統(tǒng)強制實現(xiàn)資源釋放，系統(tǒng)釋放依據(jù)為是否超過實驗時長，若超過則觸發(fā)釋放邏輯。

（2）文件燒錄。學生在實驗開始時需要向后端發(fā)起請求，以獲得硬件資源。當用戶進入實驗頁面時，瀏覽器向服務端發(fā)出請求，收到請求的服務進程在內存中存儲的鏈接隊列中進行輪詢搜索，以獲取未被占用的通信通道并返回給用戶瀏覽器。此時，該通信通道及其對應的硬件設備被該用戶獨占。若無空閑通道，則通知用戶等待。獲得相應的硬件資源后，為了初始化實驗電路板，需要進行文件燒錄，具體流程為：用戶首先按實驗需求在本地Vivado 等開發(fā)環(huán)境下使用Verilog 語言編寫v 格式的實驗程序，并編譯成便于存儲與傳輸?shù)亩M制文件。然后通過實驗頁面中的文件選擇欄將編譯好的配置文件上傳至遠程服務器。服務器接收到文件后，通過相應TCP 通信管道以字節(jié)流的形式將其傳輸至電路板ARM 端。ARM 接收文件并轉碼后通過管線傳輸?shù)紽PGA，F(xiàn)PGA 在解析ARM 發(fā)送的包含配置文件信息的數(shù)據(jù)后設置相應參數(shù)并執(zhí)行程序。

（3）命令下傳。用戶通過操作頁面中的虛擬硬件外設，經(jīng)由網(wǎng)絡通信、ARM 與FPGA 組成的控制模塊實現(xiàn)命令下傳。操作頁面主要由虛擬外設、硬件信息等模塊構成。虛擬外設對應電路板上的32 位LED 信號燈、32個撥碼按鈕以及6個點動按鈕。圖2 展示了真實板卡與實驗仿真界面的映射關系。用戶通過界面中的虛擬外設編輯命令，經(jīng)由瀏覽器編碼后發(fā)送至服務器并轉發(fā)至遠程板卡。在板卡端ARM 芯片通過網(wǎng)絡接口接收命令并進行解析，解析完成后通過FPGA 相應管腳進行配置。此時命令已下傳至實驗板卡，經(jīng)運算后通過板卡外設顯示執(zhí)行結果。

（4）狀態(tài)監(jiān)控。板卡運行狀態(tài)通過板卡相關外設（如LED 和數(shù)碼管）進行展示，平臺通過虛擬外設和視頻圖像兩種方式展示板卡運行狀態(tài)，以便實驗者進一步調整實驗方案。當用戶下傳的實驗命令執(zhí)行完畢時，ARM 采集相關信息并以字節(jié)流的形式反饋至服務器，由其解碼后轉發(fā)至瀏覽器，再由頁面虛擬外設進行展示。同時，用戶點擊“獲取實拍照片”按鈕，命令服務端調用相機拍攝相應板卡照片并返回至瀏覽器，用戶即可通過圖像查看數(shù)碼管等外設的顯示情況，從而更真實地查看實驗結果。

（5）實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計。實驗過程中，平臺對實驗數(shù)據(jù)進行存儲與統(tǒng)計，實現(xiàn)學情分析的可視化。平臺設計了相應流水表記錄每次實驗情況，字段包括實驗用戶名、用戶IP、用戶機構、用戶班級、實驗課程、實驗章節(jié)、實驗開始時刻、實驗時長、上傳文件次數(shù)等。這些流水數(shù)據(jù)為各維度統(tǒng)計分析奠定了基礎，能方便地從整體到局部進行學情分析。

Fig.2 Mapping relationship between real board and experimental simulation interface圖2 真實板卡與實驗仿真界面的映射關系

FPGA 實驗設備集群主要由FPGA 板卡、交換機、路由器、服務器、攝像頭等設備組成。FGPA 板卡通過交換機與路由器連接，在同一IP 地址下經(jīng)由路由器進行端口映射，實驗板卡數(shù)量可根據(jù)需要動態(tài)增減。當新板卡被添加到網(wǎng)絡中時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建相應的通信管道并將其加入資源隊列，這種硬件組織方式便于后期平臺日常維護與擴展。

服務端與硬件板卡之間使用基于TCP∕IP 的自定協(xié)議進行通信，協(xié)議規(guī)定雙端交互、長鏈接、握手與揮手等必要通信規(guī)則。平臺中每塊電路板均與服務端保持長連接，服務端將通信管道存儲于臨界區(qū)的資源隊列中，并根據(jù)約定報文格式保持通信以刷新連接狀態(tài)。若通信管道出現(xiàn)異常，則嘗試重新連接，若連接失敗則將該通道剔除隊列。

2.3 平臺實驗流程

基于MOOC 的遠程FPGA 計算機硬件類課程實驗流程如圖3 所示。

Fig.3 Platform experiment process圖3 平臺實驗流程

用戶登錄MOOC 學習平臺，選擇要學習的課程及章節(jié)，即可查看涉及理論知識點的視頻和文檔。用戶完成理論知識點學習后，點擊“開始實驗”進入實驗頁面。實驗過程中，用戶可通過點擊實驗界面的“回看知識點”至MOOC 課程平臺以強化理論知識學習。用戶完成實驗后，點擊“結束實驗”即可，若規(guī)定時間耗盡，系統(tǒng)則會強制結束實驗。教師可在數(shù)據(jù)統(tǒng)計頁面查看平臺相關數(shù)據(jù)圖表，獲得學情信息。

用戶在進行遠程實驗時，平臺的具體流程為：①上傳并燒錄配置文件以初始化FPGA 電路板；②瀏覽器收集并編碼操作數(shù)據(jù)，通過HTTP 協(xié)議發(fā)送至服務端；③服務端接收用戶操作數(shù)據(jù)，并遵照約定協(xié)議利用TCP 通信流發(fā)送至電路板；④ARM 對數(shù)據(jù)進行解碼并通過相應管腳對FPGA芯片進行配置；⑤FPGA 芯片進行相關運算；⑥ARM 將結果返回服務端，由服務端轉發(fā)至瀏覽器，實驗結果通過瀏覽器頁面虛擬外設進行反饋，用戶可點擊“獲取實拍照片”調用遠程相機拍攝對應板卡，根據(jù)板卡照片查看數(shù)碼管等外設顯示數(shù)據(jù)。

3 平臺使用情況

以《計算機組成原理及實驗》課程的2個教學班為例，圖4 為2020 年部分時段的平臺使用數(shù)據(jù)；圖5 為平臺5 月31 日至6 月29 日期間實驗次數(shù)與實驗時長的變化趨勢；圖6 為平臺5 月31 日至6 月29 日期間實驗文件上傳量?？梢钥闯?，6 月10 號平臺使用達到該時段最高峰，當日實驗次數(shù)達62 次，實驗時長達838min，說明這段時間是期末實驗作業(yè)上交高峰期。

Fig.4 Changing trend of experiment times and experiment duration圖4 實驗次數(shù)與實驗時長變化趨勢

Fig.5 Upload amount of experimental files圖5 實驗文件上傳量

Fig.6 Period/number of platform experiment圖6 平臺實驗時段/次數(shù)

Fig.7 Summarization of data圖7 數(shù)據(jù)匯總

圖6 呈現(xiàn)了2020 年6 月19 日至6 月25 日期間平臺實驗時段∕次數(shù)的熱點圖，其中顏色越深表示當天該時段試驗次數(shù)越多，灰、白色方格代表當天該時段實驗次數(shù)為0。由圖6 可知，在一周中平臺使用最密集的時段為20∶00-24∶00，說明學生課內實驗時間明顯不足，需要利用課余時間（18∶00-24∶00）通過在線平臺進一步完成課程實驗，這正符合平臺設計初衷——學生能隨時隨地開展在線實驗。圖7 展示了平臺投入使用1個月的數(shù)據(jù)匯總：累計實驗時長5 874min，平均每人84min，說明平臺很好地支撐了線上實驗課程的開展。

平臺還可針對學生、班級、教師、課程、章節(jié)、時間段等維度進行統(tǒng)計分析并可視化展示。例如，通過查看章節(jié)的學習和實驗上傳次數(shù)可以分析實驗難度和學生掌握情況；通過查看學生的實驗完成情況可以了解某學習進展，從而開展針對性輔導。

4 結語

本文將MOOC 平臺與遠程交互式FPGA 實驗平臺相結合組成FPGA 遠程實驗教學平臺。該平臺可通過軟件界面模擬實驗板卡的交互操作，通過網(wǎng)絡通信與真實版卡進行交互，采用攝像頭拍照和虛擬外設顯示兩種方式查看實驗效果，通過B∕S 架構模式保證學生可以隨時隨地進行學習和實驗。該平臺的使用為高校開展在線理論與實踐相融合的一體化教學，特別是疫情期間硬件實驗課程的在線教學提供了重要借鑒。