一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法与流程

本发明涉及实验教学仪器的技术领域，具体而言，是一种支持远程实验的FPGA实验系统。

背景技术：

实验是日常教学中非常重要的组成部分，也是科研过程中进行验证的主要手段。传统教学实验方式是在指定的时间，到实验室完成实验，其缺陷是实验时间地点受限制、实验设备利用率低、实验室及设备管理代价大。在提倡“在线学习”的今天，理论学习早已具备形式多样的远程与在线学习资源，然而，受实验时间、空间及实验设备的限制，实验教学的在线学习手段却远远落后。

近年来，国内外也兴起了一些实验手段变革，譬如“虚拟仿真实验室”的建设，将实验设备用纯软件来模拟实现，使用者只需运行虚拟仿真软件，就可以进行虚拟实验。然而，虚拟设备说到底是软件，它和实际的实验设备还是有很大的差别，尤其涉及硬件设备的时序部分，虚拟设备很难模拟真实设备的全部性能。

另一种变革是“远程实验系统”的提出，它和“虚拟仿真实验室”不同的是：“远程实验系统”是基于真实的实验室设备的远程实验，它借助网络，有些还借助视频监控设备，将实验室设备的状态反馈给远端的用户。但是，它们最大的缺陷是缺乏有效的交互，即用户在远端无法具体操控实验设备。究其原因，与实验设备本身的复杂特性有较大关系。

FPGA由于其可编程性、高速性及容量大等特性，近年来成为计算机硬件课程实验的首选实验设备。FPGA是基于数字电路的逻辑结构，实验中的输入输出信号均为数字信号，可以由ARM输出控制或者直接获取；同时，ARM的网络接口与FPGA的被动配置模式使得远程配置成为可能，这些为FPGA远程实验系统的设计提供了有利的基础。

技术实现要素：

本发明针对现有远程实验技术存在的问题，提供了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法，它借助Internet及其网络服务器，为远端的PC客户端用户提供基于FPGA与ARM的远程实验系统的远程硬件实验。该方法通过服务器与远程实验板卡上的ARM网络接口，利用FPGA的被动配置模式，实现远端用户对FPGA的远程配置；同时使用ARM实现对FPGA仿真设备引脚的信息采集与驱动控制，并与服务器和PC客户端进行双向交互，从而真正实现远程硬件实验。

本发明所设计的基于FPGA与ARM的远程实验系统，其特征在于：系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议；其ARM客户端的硬件基础为FPGA远程实验板卡，由ARM及其外围(含网口)电路、FPGA及其实验外设构成，其特征在于：FPGA的被动配置接口与ARM连接，用以实现FPGA程序的远程配置；FPGA的IO引脚一部分连接实验外设实物，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道是：所述的实验外设为开关、LED灯。

本发明提出了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统的设计方法，其方法包含以下步骤：

步骤一、实验预约：PC客户端是用户与服务器、ARM客户端的交互接口，用户通过客户端程序登陆并预约远程实验；服务器根据PC客户端发来的预约请求，提供实验预约服务，并将预约信息存入数据库；

步骤二、远程登陆与配对：在规定的远程实验时间，用户通过PC客户端登陆后，由服务器在PC客户端和ARM客户端之间进行动态配对，记录在数据库中，并建立点对点的连接；

步骤三、远程配置：远程实验时，用户需要将FPGA的实验程序，下载到远程的FPGA实验板卡，方法是：

步骤1、PC客户端将配置程序传送给服务器，由服务器转发给配对的ARM客户端，ARM客户端程序将其存储于ARM的NAND Flash中；

步骤2、ARM客户端程序打开该配置文件，读取一个字节；

步骤3、ARM客户端程序按照FPGA的从串模式(对于Xilinx FPGA芯片)或者PS模式(对于Altera FPGA芯片)的时序将字节逐位写入FPGA；

步骤4、如果配置文件没有读取完，则读取下一个字节，转③；否则，配置结束；

步骤四、远程交互：远程实验实现的是双向交互，方法是：

(1)从FPGA远程实验板卡到PC客户端，传送的是实验数据，步骤是：

步骤1、在PC客户端和ARM客户端建立连接后，ARM客户端定时(譬如每隔500ms)采集FPGA的仿真输出外设对应的输出引脚状态(0、1)，按照自定义的应用层协议，打包传递给PC客户端；

步骤2、PC客户端将这些FPGA输出引脚的状态定义为仿真输出外设(譬如LED灯、数码管等)，以可视化图形的形式，将仿真输出外设的状态(亮、灭)，展现在PC客户端用户画面上；

(2)从PC客户端到FPGA远程实验板卡，传送的是实验操作指令，步骤是：

步骤1、用户在PC客户端用户画面上，改变图形化的仿真输入设备(譬如开关、按键)的状态(开、关)，按照自定义的应用层协议，打包传递给ARM客户端；

步骤2、ARM客户端程序将仿真输入设备的状态(开、关)，变成0或1，控制ARM输出到FPGA的对应输入引脚。

本发明的有益效果

本发明在普通的FPGA实验板卡上，加设了ARM芯片及其网口电路，辅以C/S架构的服务器与客户端软件，使得FPGA实验板卡具备了远程实验的能力；利用FPGA的被动配置模式，使用ARM的网络功能及其对FPGA的驱动程序，实现了FPGA的远程配置；除了FPGA实验板卡上原有的实物实验外设之外，又设计了一组专用的仿真设备与ARM连接，供远程实验使用，该设计有两个优点：一是真正实现了硬件实验的双向交互，达到了远程硬件实验的目的；二是使得FPGA远程实验板卡既具有远程实验的功能，也具有本地实验的功能。

附图说明

图1是本发明基于FPGA与ARM的远程实验系统的整体架构；

图2是系统信息交互图；

图3是基于FPGA与ARM的远程实验板卡的结构；

图4(A)是PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道；

图4(B)是PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的优化连接通道；

图5是ARM客户端程序结构；

图6是实现FPGA远程配置的ARM程序流程图；

具体实施方式

本发明针对现有远程实验技术存在的问题，提供了一种基于FPGA与ARM的远程实验系统及设计方法，它借助Internet及其网络服务器，为远端的PC客户端用户提供基于FPGA与ARM的远程实验系统的远程硬件实验。该方法通过服务器与远程实验板卡上的ARM网络接口，利用FPGA的被动配置模式，实现远端用户对FPGA的远程配置；同时使用ARM实现对FPGA仿真设备引脚的信息采集与驱动控制，并与服务器和PC客户端进行双向交互，从而真正实现远程硬件实验。

以下举例说明本发明整个过程的具体实施方式：

1、基于FPGA与ARM的远程实验系统的架构，如图1所示。系统基于Internet网和C/S架构，由服务器、多个PC客户端和多个ARM客户端组成，连接的网络拓扑结构是星形连接，使用基于TCP/IP协议的自定义应用层协议。

自定义的应用层协议的帧结构如表1所示。

表1 自定义协议字段格式表

1)编号：传输时本地的计数字段，对发送帧计数；

2)类型码：指示传输数据段的数据类型，0x01代表操作命令(具体操作命令由操作码规定)，0x02代表实验数据，0x04代表传输文件，0x08代表应答数据。

3)操作码：0x00代表无效，0x01-0x0C代表各种操作指令，具体为ARM启动请求、实验人员登陆请求、实验预约请求、预约记录查询请求、实验初始化请求、FPGA配置请求、实验操作请求、实验结束请求、初始化准备指令、FPGA配置指令、实验操作指令和实验结束指令12种指令。系统中各个模块间的信息交互如图2所示。

4)FPGA编号：FPGA远程实验板卡编号；在不需要时，用0x00表示。

5)传输数据长度：占2个字节，限制最大可传输32KB的数据。

6)校验和：占2个字节。

2、FPGA远程实验板卡的设计：ARM客户端的硬件基础为，它由ARM及其外围(含网口)电路、FPGA及其实验外设构成，其特征在于：FPGA的被动配置接口与ARM连接，用以实现FPGA程序的远程配置；FPGA的IO引脚一部分连接实验外设实物，一部分连接到ARM，定义为仿真外设；结构图如图3所示。

FPGA远程实验板卡上有实物的实验外设和仿真外设，分别占用FPGA的不同IO引脚；实物实验外设(譬如开关、按键、显示灯、数码管等等)可供本地实验使用；仿真外设则供远程实验使用。

仿真外设在FPGA实验板卡一侧，实际等效与FPGA的IO引脚，仿真输入外设等效于FPGA输入引脚，仿真输出外设等效于FPGA的输出引脚；仿真外设在PC客户端一侧，则可以以可视化的形式显现出其仿真图形，譬如开关、按键、显示灯、数码管等等。仿真外设与纯粹的软设备不同，它是基于FPGA硬件抽象出来的图形化设备。

将实物实验外设和仿真实验外设分别连接到不同的FPGA引脚，既能够实现本地实验和远程实验的双重需求，又能巧妙地解决双向交互的技术瓶颈。

3、PC客户端和FPGA远程实验板卡之间的连接通道是：传输方向与传输信息如图4(A)所示；

多台FPGA远程实验板卡可以置于实验室内，组成一个局域网，通过服务器连接到外网；也可以全部单独连接到外网，这种情况下，可以采用优化措施：在配对的PC客户端和ARM客户端之间建立单独、直接的连接，由状态采集线程专门负责传输实验数据，以提高实时性、减轻服务器的负荷，如图4(B)所示。

4、PC客户端设计：PC客户端是用户与服务器、ARM客户端的交互接口，PC客户端使用Qt应用程序开发框架实现，主要功能是：

1)根据用户操作，负责向服务器发送服务请求，含：注册与登录请求、预约实验请求、远程配置请求、远程实验请求、远程实验交互请求。

2)用户交互设计：呈现实验结果，显示仿真输出设备的状态、控制仿真输入设备的状态改变。

5、服务器设计：服务器主要负责处理由PC客户端和ARM客户端发来的TCP服务请求，并管理数据库。主要有ARM启动请求、实验人员登陆请求、实验预约请求、预约记录查询请求、实验初始化请求、FPGA配置请求、实验操作请求、实验结束请求，后四种请求转发给ARM客户端。服务器采用IOCP模型，由工作线程负责处理各种服务请求，数据库使用MySQL实现。

6、ARM客户端设计：ARM客户端是FPGA远程实验平台与服务器和PC客户端进行数据交互的唯一接口，程序基于Linux操作系统实现，分为远程交互、FPGA信息交互、指令解析执行三个模块，如图5所示。

其中远程交互模块完成ARM与服务器还有PC客户端的远程连接，负责数据传输；FPGA信息交互模块负责对FPGA实验平台引脚的信息以及对开关、按键的控制操作；指令解析执行模块是ARM客户端的总控模块，它通过远程交互模块接收服务器转发的PC客户端请求，解析操作指令后再调用FPGA信息交互模块和远程交互模块完成指令操作并进行回复。解析的操作指令有初始化准备指令、FPGA配置指令、实验操作指令、实验结束指令。

实现FPGA远程配置的关键技术是利用FPGA的被动配置模式，这种模式由外部控制器(在此为ARM)主导同步时钟输入，将配置数据逐位加载到FPGA。对于Xilinx FPGA芯片，称为从串模式，对于Altera FPGA芯片，称为PS模式；两种模式的对应的配置引脚略有不同，但是配置时序大同小异。

FPGA远程配置过程就是由ARM客户端解析并执行FPGA配置指令的过程，ARM客户端程序实现步骤如下：

步骤一、ARM客户端收到配置指令后，向服务器发送确认信息准备接收FPGA的配置文件；

步骤二、接收配置文件，并存储于ARM的Flash存储器；

步骤三、调用FPGA信息交互模块的配置功能，把配置文件加载到FPGA中；图6以Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片为例，说明了ARM客户端程序驱动FPGA的PS被动配置接口，完成远程配置的流程图。

步骤四、向服务器发送配置完成确认信息。

7、上述所设计的一种基于FPGA的远程实验系统及设计方法，用户进行远程实验的过程如下：

步骤一、用户打开PC客户端软件，注册并登陆；

步骤二、用户进行实验预约；

步骤三、在预约时间前15分钟，用户再次登录PC客户端软件，如果有空闲板卡，则可以进入实验界面；

步骤四、用户自定义FPGA远程实验板卡的仿真外设管脚的功用和输入/输出方向；

步骤五、用户使用Quartus软件(对于Altera的FPGA芯片)或者ISE/Vivado(对于Xilinx的FPGA芯片)软件编写FPGA程序，并编译为*.rbf(对于Altera FPGA芯片)或者*.bin(对于Xilinx FPGA芯片)配置文件；

步骤六、在PC客户端软件上，选择下载配置文件功能，选择要下载的文件，执行远程配置；

步骤七、在PC客户端软件上，用户可以实时观察到远程仿真输出设备的状态，并通过鼠标改变远程仿真输入设备的状态；

步骤八、如果观察到实验结果有误时，可以修改FPGA程序，重新执行步骤六的远程配置操作和步骤七的远程实验步骤；

步骤九、远程实验结束，退出登陆状态。