基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺的設計與實現

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院, 重慶 400054)

計算機技術應用

基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺的設計與實現

崔貫勛

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院, 重慶 400054)

為了使SPOC教學模式能在對實踐有較強要求的課程中得到推廣,在對SPOE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、SPOE模式下的實踐教學云平臺,并將該實驗教學平臺應用到重慶理工大學相關課程實驗教學中,取得了良好的效果。

云平臺； 虛擬仿真； 實踐教學； 現場可編程門陣列

在線教育是近年來教育領域的一個熱門話題,它為受教育者提供海量的優質資源。百度在2016年博鰲亞洲論壇發布的《中國互聯網教育行業趨勢報告》指出:“以慕課為主的視頻課程成為互聯網學習用戶首選”。然而高等教育是專業性的學歷教育,慕課(MOOC)只能適用某些課程教學,對于大多數專業性較強的課程則采用了小規模限制性在線課程(small private online course,SPOC)教學。SPOC既吸納了MOOC的優點,又便于在高校開展[1]。但無論是SPOC還是MOOC,對于眾多理論與實踐結合緊密的課程教學都存在一定的困難,其關鍵是實踐教學部分。對于這樣一種有別于傳統的“課堂+實驗室”的在線學習模式,如何開展實踐教育以培養學生的動手實踐能力，成為眾多專家學者不得不思考的問題[2]。

1 建設基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺的可行性

我國《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》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。”教育部于2015年下發《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》,積極順應世界范圍內大規模在線開放課程發展新趨勢,直面高等教育教學改革發展新的機遇與挑戰。2015年5月22日,習近平主席在致首屆國際教育信息化大會的賀信中指出:“構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系,建設‘人人皆學、處處能學、時時可學’的學習型社會,培養大批創新人才,是人類共同面臨的重大課題。”同年,教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見(征求意見稿)》中指出:“高等教育要通過消化吸收MOOC、翻轉課堂等新型教育模式,創新高校教學和管理模式,提升創新人才培養能力”。2016年,教育部《2016年教育信息化工作要點》中指出:“繼續建設100個左右的國家級虛擬仿真實驗教學中心,試點開展優質虛擬仿真實驗教學項目資源庫建設”。

可見,教育信息化已成為我國高等教育改革的重要方向,而作為教育信息化的一個重要方面,在高校開展SPOC模式的教學也是未來高等教育的一個必然趨勢。要開展SPOC教學,就必須在實踐教學環節開展對應模式的小規模限制性在線實驗(small private online experiments,SPOE)[3]。

目前,計算機軟硬件技術、網絡通信技術、存儲技術都得到了長足的發展,為建設超大規模、按需服務、低成本、可伸縮、個性化的SPOE提供了必要的保障；信息壓縮技術、視頻處理技術等為網絡課程內容的傳輸提供了強有力的技術保障[4]。而現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)與傳統硬件電路相比,具有可編程、高集成度、開發周期短、硬件升級空間大等優點。FPGA 的可編程特點,使得系統的性能改進和擴充變得非常方便和簡易,利用FPGA構建實驗體系不僅可以更好地達到實驗目的,而且為提高學生的實踐動手能力和拓寬學生的知識面打下良好基礎,也為SPOE實踐教學云平臺的建設提供了方便,使得建設平臺的價值也能充分體現出來[5]。

2 基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺

2.1 SPOE實踐教學平臺的架構

基于對云計算技術、SPOC模式、虛擬化技術的充分認知,本文提出了實驗教學、認證、存儲、電源控制、視頻監控、環境監控等為一體的SPOE實踐教學云平臺,其架構如圖1所示[6]。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,達到與現場操作儀器設備同樣的效果。該平臺可以以實體資源的形式開展校內或區域的開放共享,也可以以虛擬資源的形式在網絡環境下運行,同時提供在線預約、計費、審批和統計功能。

圖1 基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺的架構

2.2 SPOE實踐教學云平臺關鍵部分的設計

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,并在用戶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[7]。

圖2 FPGA硬件系統結構示意圖

軟件系統提供遠程實驗服務和設備控制管理功能,軟件系統主要包括3類:邏輯仿真器(如modelsim、Verilog-XL等)、邏輯綜合器(如LeonardoSpectrum、Synplify、FPGA Express/FPGA Compiler等)和FPGA廠家工具(如Altera的Max+PlusII、QuartusII,Xilinx的Foundation、Alliance、ISE4.1等)[8],其設計流程如圖3所示。

圖3 FPGA設計流程示意圖

2.3 基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺的實施

基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺是為計算機及相關專業解決在線實踐教學而開發的,可以為計算機組成原理、計算機EDA設計、計算機接口與通信、FPGA多核并行計算、嵌入式系統應用和數字系統設計等多門課程在線實驗提供支持,培養學生計算機系統能力和綜合設計能力。該平臺組織與實施流程如圖4所示[9]。

圖4 SPOE模式的組織與實施流程圖

3 基于FPGA的SPOE云平臺的優點

3.1 低成本建設,方便開設相關課程

我國西部地方民辦高校的財務實力較弱,因此實踐教學環境的建設往往比較落后。而FPGA與ASIC相比具有適合小批量生產、編程方式靈活可變、費用少和開發周期短等優點；與CPLD相比具有集成規模大、單元粒度小、觸發器數量多、功耗低和互連方式多樣(可以分段總線互連、長線互連和專用互連等)等優點[10]。基于FPGA建設SPOE實踐教學云平臺,對西部高校來說財務壓力就會小很多,甚至只需象征性地拿出少量的租借費,即可向建設有SPOE云平臺的高校租借使用,為學生提供優質的實踐教學環境,而且不需要場地和基本運行費的投入。

3.2 培養計算機類專業學生的系統能力

傳統的計算機硬件類課程實踐教學采用兩種方式。

一是基于純硬件實驗平臺的方式。在這種方式下,學生通過親自動手操作儀器面板上的開關及連接線路來驗證理論的正確性。這種方式的優點是學生能夠實際動手接觸硬件模塊,但缺點是實驗內容往往是固定的,操作也是教師設計好的,學生只需按步驟連接線路、撥動開關即可,可擴展性不強,學生自由發揮的余地很小,難以培養學生的創新能力[11]。

二是純軟件模擬的方式。在這種方式下，學生可以通過工具軟件對指令集、接口等進行仿真,可以發揮的余地較大,但沒有具體的硬件,直觀性不強,動手能力欠缺,無法真正將計算機軟件和硬件結合起來。

但是，而利用SPOE實踐教學云平臺,學生既可以感知到硬件,又能動手實現編寫軟件,將軟件和硬件結合起來,系統能力得到充分培養。

3.3 更充分地開放,方便學生實驗

傳統的實踐教學模式是學生在規定的時間和規定的實驗室,完成規定的實驗內容,學生學習的自由度受到了限制,無法做到隨時、隨地實驗,實驗資源利用也不充分。特別是周末、節假日等非行課時間,儀器基本閑置,降低了儀器的使用效益[12]。另外,當有學生在實驗課上沒有完成實驗進度時,很難在課余繼續完成,因為下次課又有新的實驗教學內容,或者別的教學班要占用儀器設備。有了SPOE實踐教學云平臺,只要有儀器空閑,學生通過網絡都可以訪問儀器設備,無論是節假日還是在校外。

3.4 高校專業實踐教育不再“網上談兵”

MOOC是近年來高等教育教學模式的重大創新,它為高等教育教學帶來了教學模式的重大變革,為高等教育的良性發展注入了新的活力。然而對于許多工科類專業來說,短時間內無法讓MOOC真正融入教學實踐中。一是因為高等教育是學歷教育且具有較強的專業性,學生必須完成課程學習、參加考核并且合格,而非一般通識教育和認知教育；二是工科類專業大多數課程需要通過實踐環節培養學生的實踐動手能力,需要專門的實踐環境[13]。SPOC結合SPOE實踐平臺,就可以讓MOOC模式的推廣如虎添翼。二者的具體特點見表1。

表1 MOOC與SPOE平臺特點

表1(續)

4 結語

高等學校實踐教學的實施是培養學生綜合應用能力、動手能力和創新實踐能力的最重要的途徑,FPGA技術和云計算技術為SPOE實施實踐教學提供了可能。基于FPGA的SPOE實踐教學云平臺可以為計算機組成原理、嵌入式系統開發與應用等課程的實踐教學服務,在重慶理工大學兩個年級的計算機類專業課程實踐教學中收到了良好的效果。學生的動手能力得到充分的培養、創新潛能得到發揮,對理論知識的理解程度也得到加深,學生喜軟件、怕硬件的局面得到較大改觀。下一步,將進一步研究和設計更多的實踐內容,為學生提供更多的實踐教學資源,進一步提高學生綜合設計能力和創新能力。

References)

[1] 李山山,陳永強,劉敬晗,等.MOOC時代下的計算機實驗教學探討[J].計算機教育,2014(13):103-106.

[2] 崔貫勛.基于云計算技術的MOOC實踐教學平臺[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):119-223.

[3] 周麗濤,劉越,彭立宏.探索MOOC在計算機實踐教學中的應用[J].計算機工程與科學,2014,36(增刊1):118-120.

[4] 羅國瑋,蘭瑞樂.基于云計算的高校科研實驗平臺構建研究[J].實驗技術與管理,2012,29(4):115-117.

[5] 崔貫勛.基于云計算技術的計算機實驗教學平臺[J].實驗室研究與探索,2013,32(10):447-450.

[6] 曹正標.大型儀器仿真與開放共享平臺建設方案研究與應用[R].武漢:中國高等教育學會實驗室管理工作分會,2016.

[7] 張力軍.計算機硬件類課程群MOOC實驗平臺建設[R].福州:國家級實驗教學示范中心聯席會,2015.

[8] 劉宏偉.面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設[R].長春:全國高等學校計算機教育研究會,2016.

[9] 崔貫勛,熊建萍.基于虛擬仿真技術的MOOE實踐教學平臺開發[J].實驗技術與管理,2016,33(4):103-107.

[10] 吳迪,謝雪炎,吳賀俊.基于FPGA的計算機組成原理實驗教學探索[J].計算機教育,2014(18):30-34.

[11] 周寧寧,程春玲.基于FPGA技術的計算機組成原理實驗系統[J].現代電子技術,2005,28(1):23-25.

[12] 楊海鋼,孫嘉斌,王慰.FPGA器件設計技術發展綜述[J].電子與信息學報,2010,32(3):714-727.

[13] 曹慶華.構建云實驗中心促進資源共享[R].南京:中國高等教育學會實驗室管理工作分會,2016.

Design and realization of cloud platform for SPOE practical teaching based on FGPA

Cui Guanxun

(School of Computer Science&Engineering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

According to the characteristics of SPOE from the perspective of technology, taking the virtual simulation, cloud computing and FPGA (field programmable gata array) as an entry point, this article elaborates on the key technology required, architecture of platform, model of simulation and mode of operation for SPOE practical teaching platform based on the systematic analysis. An experimental teaching cloud platform is designed based on FPGA and cloud computing technique in model of SPOE. At present,the experimental teaching platform is applied to experimental teaching of public computer courses, and the results are good.

cloud platform; virtual simulation; practical teaching; field programmable gate array(FPGA)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.034

2016-08-14

重慶市高等教育教學改革研究項目(163108,153115)；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,碩士,高級實驗師,實驗室副主任,主要研究方向為實驗技術及實驗教學.

E-mail：cgx@cqut.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)1-0146-04