利用FPGA技术设计基于黑板的数字化硬件

1、利用fpga技术设计基于黑板的数字化硬件1.引 言在工程类课程中如何开展精深的实验教学仍然是远程教学面临的挑战之一。有一个例子是一个学习电气工程专业学生的数字硬件设计课程，在课堂的环境中，这个课程的学生必须有机会获得软件和硬件工具去实践设计，合成，实施和测试他们的数字电路。这个问题可以简单地说明如下：如何在学生的硬件设计课中可以不断互动硬件设施和设备而无需移动到实验室？当大部份硬件设计设施不能移动到目的位置的大学校园的这种课程中，这个问题变得更加具有挑战性。互联网的接入似乎是来实现这一目标一个最合理的方法，在这种情况下，一组学生，或学生与教师，可以以合作操作的方式做同一个设计。这种情况就不能仅

2、由常规的方法简单地处理。考虑一下，比如运用fpga的数字硬件的设计和构建。这个过程就需要fpga芯片，带电源的开发板，设计工具，引脚分配指示。困难不仅有工具和硬件设备的准备，还要采取一系列正确的步骤。也就是说，为设计和创建所需的一系列步骤，每一个步骤是高度依赖于以前完成的步骤，在进程中任何不当和错误必须报告。测试和调试的芯片则更难，因为它是高度相互作用的并完全依赖于较为成功的实施。其中一个处理问题方法是使用的黑板，作为一个以互联网为基础的教学媒体和发展技术，它让学生可以使用本地工具来设计他们的项目并尽可能地与其他学生分享他们的设计，最后结果报告给他们的教师，所有这些都通过黑板。这就像被熟知的批

3、处理，但是当学生需要让他们的设计生效，远程配置和测试的时候，问题就变得复杂了。我们提出了一个修建在线设计平台的建议。一个在线设计平台有以下标准：a）它提供了教师与学生之间的交流联系渠道。b）它为数字硬件设计建立了一个共同图书馆，这样学生和教师能够分享他们的设计。c）它包含了一个运用fpga进行原创性数字设计的硬件平台。d)最后，它创建了一个通过互联网执行i/o口联接和硬件测试的环境。 这个新技术可以明显地提高数字应用上的的性能和效率，比如：1. 通过互联网的进行教学实验和精深的实验课程。2. 远距离组员执行团队进行合作设计。3. 允许外部审评和评估人员测试和核实硬件。4. 远距离遥控执行系统演

4、示。2.问题陈述在这里我们特别要关注的是能够使用现场可编程门阵列（fpga）实现硬件功能的数字化设计的课程，这些课程通常是项目导向的，完全是实验性的和可传递的。为了完成他们的长期项目学生在这些课程通常需要做完以下的设计步骤：1. 项目说明，硬件设备的规格和编制。2. 通过原理图编译或硬件描述语言设计输入，如vhdl语言，或verilog hdl，在这一步骤中产生设计网表。3. 设计项目的功能仿真。这一步还需要设计工具用来进行功能上的仿真和验证这个设计。4. 设计合成。这是创建一个从功能或其行为描述最优化的硬件和数字系统的一个重要步骤。已经用几个较小的步骤完成了把系统的功能特性的转化成存在于供应

5、商库实际门，这一步也是一个基础工具。5. 设计实施。这也是一个过程中关键的步骤，它需要：一）元件库，二）fpga芯片，三）用户约束文件，以及四）执行设计的软件工具。以下几个步骤，包括引脚分配，放置和构成为硬件（重新）配置的构造文件design.bit。通常建议，在发送之前为硬件配置通过时序仿真以验证设计。这种模拟类似于第3步，但通过门路径时的实际时间延迟除外，因此模拟结果也更接近于实测结果。6. 硬件配置。在这一步，步骤5中创建的design.bit文件，被下载到一个硬件黑板上的一个fpga芯片这个最终目的地。7. 最后，库中设计的芯片必须发送输入来核实和测试信号和核查黑板的答复。如果结果与仿

6、真结果不相符，系统必须允许进一步核实和调试。就像任何其他密集编程一样，执行步骤2到5需要必要的软件工具来设计，在一般的环境中，这些步骤可以通过使用设计工具简单地进行。例如，在这里牛赛灵思ise工具主要用于设计输入，逻辑综合，并设计实施。为了实现模拟仿真的目的，mentor graphics公司和其他一些软件公司模使用modelsim软件。然而，为了实现步骤6和7，学生需要获得某些硬件设施下载他们的设计到fpga硬件中，并验证和测试。这些设施不是可以在教室里经常看到的，而且不是每个班上的学生都可以用到的。这个问题就可以陈诉如下：步骤1到5的设计程序在本地进行的，而每个学生如何才能执行步骤6和7以

7、实现他或她的项目并与远程实验室取得联系，并获取所有结果来报告他或她的进展？3 .利用互联网接入现在一种新的方法是建议在工程中使用互联网接入来实现精深的实验课程教学。特别是，我们将提供一种方法来使用黑板作为因特网基础教学的论坛和发展各种技术来设计和建设采用现场可编程门阵列的数字化的硬件。显然，设计的某些步骤是通过黑板工具才方便进行的。这些步骤包括设计交流，小组讨论，问题的解决和报告。尤其是当硬件设计工具仅在当地才有效，那么只有通过互联网来报告结果（称为，批处理）。然而，当遇到需通过因特网高度互动的处理时，一组学生，或学生与教员，正进行的设计工作的情况是不能简单地用常规方法来处理的。现在的目标是在

8、无论有或没有基地技术援助的情况下如何通过互联网运用远程的硬件设施进行硬件实现，配置和测试。软i/o接口系统图1显示软i/o接口系统的示意图，这个系统是通过互联网远程地来实现硬件和软件设计，此系统适合互动。图1 ：一个连接教室和实验室设施的软i/o接口系统原理图计算机1和2都有能力运行设计工具，并基本上都可以独立地执行步骤1至5所有设计。计算机2的优点：在实验室的开发板的旁边，比计算机1更靠近fpga板和测试设施。这使设计师能够在同一地点设计项目的硬件部分以及软件部分。另一种可能性，即我们更加关注的是：如何在计算机1上实现设计的第一步到第五步大部分过程，即在本地完成了方案，然而，执行硬件实现，测

9、试和i / o接口，也就是说，步骤6和7是接入设计实验室计算机2完成的，并通过在fpga芯片上是实现硬件的配置和测试。这种情况的一个可能的办法，是在两台计算机之间使用互联网连接来传输的i/o文件，程序和教学代码，如图1。在收到的程序和指令后，计算机2从程序和i/o文件中分理出控制信号然后通过两个不同的渠道把他们发送到fpga板上。例如，可以使用并行端口或usb终端（jtag）来配置硬件和执行的i/o的互连，并使用串行端口来处理控制（指令）的信号。以下是在课堂上的设计阶段，设计师（学生或教师）一定要通过完成他/她的设计和硬件实现（步骤6和7，如前所述）。1. 在计算机1上用设计工具进行步骤1至5

10、的设计并提供给基地的设计师，并创建design.bit文件。2. 随着设计师命令的发出，计算机1通过互联网连接到计算机2。计算机2处于接收模式时计算机1停留在传输模式。design.bit文件被传输到计算机2。当处于接收模式时，其他任何计算机不能访问计算机2 。3. ，计算机1一直处于发送模式下，它发出了一个电源信号让计算机2打开在实验室的fpga板。接到信号后，计算机2给出一个信号给控制总线，并且开启fpga黑板。请注意，这些步骤需要一些事先准备，以确证信号是通过计算机2到fpga板的。4. 下一步，在从电脑1收到下载信号后，计算机2进入一个完整的硬件重复配置的循环（例如xillinx中ip

11、act的使用），并下载design.bit文件到fpga中。这就完成了第6步的设计程序。5.类似的程序可以在黑板上通过互联网接入用来验证硬件和测试设计。然而，如果达到的目标是完全自动化和独立操作，这一步会比较难。我们的建议了两种不同的路线以满足这一步骤：l 辅助设计：需要一个实验室助理，并让他/她在设计实验室里在芯片上进行重新配置，硬件验证和测试，并通过互联网将结果和报告发送至计算机1。lll 待添加的隐藏文字内容2独立的设计：设计和建立指令系统和程序，使计算机1的设计师可以远程执行在设计实验室的必要步骤，并把结果（输出和报告）通过互联网发回给他/她。这样就完成了设计的验证和测试的第七步。6.

12、现在，整个系统就复位，准备好了下一个设计。4例子学习 为了演示这个程序，举了一个数字硬件设计平台的例子，它是利用互联网接入和黑板的教学工具发展起来的。一个网站已经为该课程建立了起来，并与niv黑板教学工具连接了起来。http:/ /bin/common/content.pl?action=link&render =default&file_ id= _336776_1 ）。图2显示的是网站的标语，以及在附录a上的前端网页。图2：数字硬件设计平台网站的标语网站平台有以下特点：l 它包含所有正规课程的材料，如教学大纲，所有课程，项目清单，和其他声明。l 介绍了提供fpga的设计芯片和设计软件的主要公司，和课程中使用的其他工具和材料。l 介绍了设计，仿真和执行工具，这样可让学生做其项目的设计。程序说明书为学生提供了工具指南，教程和元件数据表。l 学生可寻找其他设计例子的来源和相关网站，并由他们决定是否连接到设计库。l 学生通过在其网站上（班级，实验室，甚至在一个远程站点）进行设计项目和实现步骤1得到一步一步的指导，同样也可以指导他们完成由实验室助理在设计实验室中完成的测试任务，即设计工作的阶段2至6（见图1 ）。5.结论在工程学上一种利用互联网进行精深实验课程教学的新方法被提了出