本發(fā)明涉及軟硬件實驗平臺領域，具體為一種遠程硬件實驗系統(tǒng)。

背景技術：

傳統(tǒng) FPGA 產品開發(fā)時要經歷開發(fā)評估電路板、驗證算法、制作產品原型、產品定型等操作，需要投入大量資金并需要專業(yè)人員現(xiàn)場對硬件設備、軟件程序進行調試，特別是在教師和學生實驗教學、科研項目研發(fā)中，使用傳統(tǒng)的實驗平臺效率低，成本高。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種遠程硬件實驗系統(tǒng)，其能夠大大降低實驗教學、項目研發(fā)等成本，提高軟硬件開發(fā)效率。

其技術方案是這樣的：一種遠程硬件實驗系統(tǒng)，其特征在于，其包括客戶端、服務器模塊和硬件實驗設備，所述服務器模塊包括WEB資源管理服務器、IDE服務器和實驗設備服務器；

所述客戶端，用于提供實驗頁面，接收用戶的實驗信息并發(fā)送給所述WEB資源管理服務器，對實驗進行管理，所述實驗頁面包括實驗申請頁面、實驗操作頁面，用戶在實驗申請頁面提出申請，在實驗操作頁面完成實驗操作并顯示實驗結果，

所述WEB資源管理服務器，接收客戶端發(fā)出的實驗信息，向所述實驗設備服務器和所述IDE服務器發(fā)送實驗請求，接收硬件實驗設備的實驗結果和所述IDE服務器的回傳結果，并送回至客戶端；

所述實驗設備服務器，接收所述WEB資源管理服務器的實驗請求，根據上述實驗請求給用戶分配所述硬件實驗設備；

所述IDE服務器，接收所述WEB資源管理服務器的實驗請求，根據上述實驗請求提供對應的集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具，使用的軟件程序結果回傳給所述WEB資源管理服務器；

所述硬件實驗設備，接收所述實驗設備服務器的實驗請求并根據提供的集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具完成實驗操作，得到的實驗結果發(fā)送給所述WEB資源管理服務器。

其進一步特征在于，所述硬件實驗設備包括實驗機箱，所述實驗機箱內設置有硬件實驗節(jié)點，每個所述硬件實驗節(jié)點至少包括一塊核心電路板、DDR存儲器和網卡，所述核心電路板上設置有FPGA SOC芯片；

所述硬件實驗節(jié)點還設置有IO電路板，所述IO電路板上設置有傳感器模塊、顯示模塊、外設模塊和存儲器模塊，所述傳感器模塊包括超聲波傳感器、溫度濕度傳感器、圖像傳感器和振動傳感器，所述顯示模塊包括七段碼顯示、LED點陣顯示和TFT顯示屏，所述外設模塊包括步進電機控制板和步進電機；

所述實驗設備服務器包括接收模塊、處理模塊，所述接收模塊用于接收所述WEB資源管理服務器的實驗請求，所述處理模塊根據實驗請求分配對應的硬件實驗設備給用戶使用；

所述IDE服務器均包括接收模塊、處理模塊和傳輸模塊，所述接收模塊用于接收所述WEB資源管理服務器的實驗請求，所述處理模塊根據實驗請求計算出需要使用集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具，所述傳輸模塊將使用的軟件程序結果回傳給所述WEB資源管理服務器；

所述實驗頁面還包括硬件管理頁面、課程實驗管理頁面和系統(tǒng)管理頁面，所述硬件管理頁面對所有的硬件實驗設備進行管理，并對其進行啟動、關閉、診斷、修復和調度；所述課程實驗管理頁面對用戶已申請、正在進行或者已經完成的實驗進行管理；所述系統(tǒng)管理頁面對用戶的身份、權限、活動進行管理，對實驗開設情況和效果、硬件設備運行情況、維護情況在內的與系統(tǒng)相關的狀態(tài)進行監(jiān)控；

所述WEB資源管理服務器包括接收模塊、處理模塊、傳輸模塊、數據服務模塊、視頻監(jiān)控模塊和文件系統(tǒng)服務模塊；所述接收模塊是用于接收客戶端發(fā)出的實驗信息，包括IO實時監(jiān)控的輸入信息、終端命令行的輸入信息、單步時鐘復位的輸入信息、多步運行輸入信息、IO信號設置信息、強制釋放節(jié)點請求信息、釋放節(jié)點請求信息等客戶端發(fā)出的信息；所述處理模塊是用于處理客戶端發(fā)出的數據處理、所述實驗設備服務器返回的數據處理和所述IDE服務器返回的數據處理；所述傳輸模塊是用于發(fā)送客戶端的實驗結果信息，包括IO實時監(jiān)控的輸出信息、IO實時記錄的結果信息、終端命令行的反饋信息、單步時鐘復位的狀態(tài)信息、多步運行狀態(tài)信息、IO信號設置的狀態(tài)信息、強制釋放節(jié)點狀態(tài)信息、釋放節(jié)點狀態(tài)信息等結果反饋信息；所述數據服務模塊是用來查詢、添加、刪除、修改和更新所述處理模塊的數據信息；所述視頻監(jiān)控服務模塊是用來遠程監(jiān)控和觀察教學板狀態(tài)變化的實時監(jiān)控視頻；所述文件系統(tǒng)服務模塊是用來存放所述接收模塊、所述處理模塊、所述傳輸模塊產生的文件；

所述WEB資源管理服務器，接收客戶端發(fā)出的實驗信息，向所述實驗設備服務器和所述IDE服務器發(fā)送實驗請求，接收硬件實驗設備的實驗結果和所述IDE服務器的回傳結果，并送回至客戶端。

采用本發(fā)明的系統(tǒng)后，用戶無需現(xiàn)場進行操作，通過遠程登錄WEB資源管理服務器即可進行實驗開發(fā)，大大降低了實驗教學、項目研發(fā)等成本，得到的結果可以及時反饋至WEB資源管理服務器，提高了軟硬件開發(fā)效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明運行流程示意圖；

圖3為用戶訪問課程具體流程示意圖

圖4為開發(fā)程序流程示意圖；

圖5為做硬件實驗流程示意圖。

具體實施方式

見圖1所示，一種遠程硬件實驗系統(tǒng)，其包括客戶端、服務器模塊和硬件實驗設備，服務器模塊包括WEB資源管理服務器、IDE服務器和實驗設備服務器；

客戶端，用于提供實驗頁面，接收用戶的實驗信息并發(fā)送給WEB資源管理服務器，對實驗進行管理，實驗頁面包括實驗申請頁面、實驗操作頁面、硬件管理頁面、課程實驗管理頁面和系統(tǒng)管理頁面，用戶在實驗申請頁面提出申請，在實驗操作頁面完成實驗操作并顯示實驗結果，硬件管理頁面對所有的硬件實驗設備進行管理，并對其進行啟動、關閉、診斷、修復和調度；課程實驗管理頁面對用戶已申請、正在進行或者已經完成的實驗進行管理；系統(tǒng)管理頁面分為用戶管理和管理員管理，用戶管理為個人中心，對用戶自己的實驗課程進行管理監(jiān)控，管理員管理對用戶的身份、權限、活動進行管理，對實驗開設情況和效果、硬件設備運行情況、維護情況在內的與系統(tǒng)相關的狀態(tài)進行監(jiān)控；

WEB資源管理服務器，接收客戶端發(fā)出的實驗信息，向實驗設備服務器和IDE服務器發(fā)送實驗請求，接收硬件實驗設備的實驗結果和IDE服務器的回傳結果，并送回至客戶端；

實驗設備服務器，接收WEB資源管理服務器的實驗請求，根據上述實驗請求給用戶分配硬件實驗設備；

IDE服務器，接收WEB資源管理服務器的實驗請求，根據上述實驗請求提供對應的集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具，使用的軟件程序結果回傳給WEB資源管理服務器；

硬件實驗設備，接收實驗設備服務器的實驗請求并根據提供的集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具完成實驗操作，得到的實驗結果發(fā)送給WEB資源管理服務器。硬件實驗設備包括實驗機箱，實驗機箱內設置有硬件實驗節(jié)點，每個硬件實驗節(jié)點至少包括一塊核心電路板、DDR存儲器和網卡，核心電路板上設置有FPGA SOC芯片；硬件實驗節(jié)點還設置有IO電路板，IO電路板上設置有傳感器模塊、顯示模塊、外設模塊和存儲器模塊，傳感器模塊包括超聲波傳感器、溫度濕度傳感器、圖像傳感器和振動傳感器，顯示模塊包括七段碼顯示、LED點陣顯示和TFT顯示屏，外設模塊包括步進電機控制板和步進電機。

實驗設備服務器包括接收模塊、處理模塊，接收模塊用于接收WEB資源管理服務器的實驗請求，處理模塊根據實驗請求分配對應的硬件實驗設備給用戶使用；

IDE服務器均包括接收模塊、處理模塊和傳輸模塊，接收模塊用于接收WEB資源管理服務器的實驗請求，處理模塊根據實驗請求計算出需要使用集成開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具，傳輸模塊將使用的軟件程序結果回傳給WEB資源管理服務器；

WEB資源管理服務器包括接收模塊、處理模塊、傳輸模塊、數據服務模塊、視頻監(jiān)控模塊和文件系統(tǒng)服務模塊；接收模塊是用于接受客戶端發(fā)出的實驗信息，包括IO實時監(jiān)控的輸入信息、終端命令行的輸入信息、單步時鐘復位的輸入信息、多步運行輸入信息、IO信號設置信息、強制釋放節(jié)點請求信息、釋放節(jié)點請求信息等客戶端發(fā)出的信息；處理模塊是用于處理客戶端發(fā)出的數據處理、實驗設備服務器返回的數據處理和IDE服務器返回的數據處理；傳輸模塊是用于發(fā)送客戶端的實驗結果信息，包括IO實時監(jiān)控的輸出信息、IO實時記錄的結果信息、終端命令行的反饋信息、單步時鐘復位的狀態(tài)信息、多步運行狀態(tài)信息、IO信號設置的狀態(tài)信息、強制釋放節(jié)點狀態(tài)信息、釋放節(jié)點狀態(tài)信息等結果反饋信息；數據服務模塊是用來查詢、添加、刪除、修改和更新處理模塊的數據信息；視頻監(jiān)控服務模塊是用來遠程監(jiān)控和觀察教學板狀態(tài)變化的實時監(jiān)控視頻；文件系統(tǒng)服務模塊是用來存放接收模塊、處理模塊、傳輸模塊產生的文件。

見圖2，圖3所示，用戶在開發(fā)項目時，先在客戶端遠程登錄WEB資源服務器，選擇需要的實驗設備和開發(fā)工具并提出申請，上述申請通過WEB資源服務器發(fā)給對應的實驗設備服務器和IDE服務器，設備服務器將空閑的某個硬件實驗設備分配給用戶使用，IDE服務器提供給用戶需要的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具并獲取虛擬機，在虛擬機上開發(fā)程序配合硬件實驗設備做硬件實驗，產生的實驗結果將傳回至WEB資源服務器，用戶可以隨時查看，運行的程序也回傳給WEB資源服務器。我們采用Vivado云端服務器作為IDE服務器。

見圖4所示，開發(fā)程序具體包括以下步驟：啟動Vivado開發(fā)工具→進入實驗具體開發(fā)→完成開發(fā)，生成文件→上傳結果到WEB資源服務器。

見圖5所示，做硬件實驗包括以下步驟：IO設置→上傳比特流→配置比特流到FPGA→進行IO觸發(fā)→查看IO運行記錄。

IO設置的目的是為了用戶調試方便，允許用戶將實驗界面的IO所顯示的名字與FPGA內部用戶設計的邏輯命名設為一樣的。用戶可以根據自己的實驗邏輯選擇IO管腳的觸發(fā)方式：組合邏輯和時序邏輯。IO運行記錄主要提供了帶時鐘周期數的IO信號的變化。

用戶進行實驗可以選擇WEB資源服務器上的實驗課程，也可以自行設計實驗課程，以選擇WEB資源服務器上的實驗課程為例具體說明，具體步驟如下：

1.選擇具體的實驗課程，準備實驗需要的文件：

1.1 下載實驗指導

實驗指導是針對每個實驗提供的指導文檔，可以了解該實驗的要求及相關資料的信息。

1.2 下載實驗支撐包

實驗支撐包是本發(fā)明系統(tǒng)提供的支撐用戶使用云端FPGA硬件的與實驗內容無關的基礎支撐包，用來負責監(jiān)測FPGA中的用戶邏輯并與Web前端通信。實驗支撐包是用戶使用EDA軟件（Vivado）進行開發(fā)時需要調用的。

用戶在使用時有兩種可能方式，將導致下載操作有所不同：

用戶本機安裝所需的Vivado等EDA軟件進行開發(fā)，只在運行和驗證階段登錄使用 FPGA云平臺 ：需要將實驗支撐包下載到本機。

用戶本機不安裝EDA軟件，登錄本發(fā)明系統(tǒng)使用開發(fā)工具服務器進行開發(fā)，并在運行和驗證階段使用 FPGA云平臺 ：需要將實驗支撐包下載到開發(fā)工具云服務器，用戶可進入開發(fā)工具云服務器后再度登錄到該頁面進行下載。

1.3 下載實驗資料

實驗資料包含了完成本實驗所需的資源庫（如器件庫）或參考實現(xiàn)。

提供源代碼的資料 ：需要在EDA軟件的安裝和使用位置（本機或云服務器）進行下載。

提供可執(zhí)行文件的資料：直接以可執(zhí)行文件形式提供的參考實現(xiàn)，則可以下載到本機，供后續(xù)到FPGA硬件上驗證用。

1.4 準備其他所需文件

除了上述提供或開課老師提供的實驗資源外，用戶還可以自己準備其他所需的文件。如果用戶需要使用開發(fā)工具服務器上的開發(fā)工具，需要提前將所需的其他文件上傳到個人中心。

2. 申請實驗開發(fā)工具（可選）

用戶在需要實驗開發(fā)時，如果本機沒有安裝所需的開發(fā)工具（如Vivado等EDA軟件），可參考下面的步驟。

2.1 申請云上的開發(fā)工具流程

點擊實驗開發(fā)工具，申請使用安裝在開發(fā)工具云服務器上的相應EDA軟件，點擊申請后，進入OpenHEC開發(fā)工具云服務器。

2.2下載實驗支撐包及實驗資料

由于需要在OpenHEC開發(fā)工具云服務器中使用Vivado等工具，用戶需要在此處重新登錄客戶端進入本實驗課程所在頁面下載實驗支撐包及實驗資料備用。

2.3 到個人中心下載其他文件

其他所需的文件可以進入個人中心下載。

2.4 啟動Vivado開發(fā)工具

打開LXTerminal，輸入相應的命令，啟動需要的開發(fā)工具軟件。

輸入 ./startvivado.sh ,啟動Vivado.

輸入 ./startvivado_hls.sh ,啟動Vivado HLS；

輸入 ./startxsdk.sh ,啟動Xilinx SDK。

3. 進入實驗具體開發(fā)

無論在本機還是在開發(fā)工具云服務器進行開發(fā)，此時都可以進入具體開發(fā)階段了。

4. 完成開發(fā)，生成可執(zhí)行文件

Vivado開發(fā)完成后會生成可下載到FPGA中的可執(zhí)行文件（bit文件）。

如果在開發(fā)工具云服務器上完成開發(fā)，生成的bit文件需要上傳到個人空間，因為虛擬機退出后不保存任何個人文件。另外，為了縮短虛擬機使用時間（節(jié)約機時費），建議開發(fā)完成并上傳結果到個人空間后及時退出虛擬機，而不要在虛擬機內直接申請FPGA硬件節(jié)點。

如果在本機完成開發(fā)，則可直接進入下一步。

5. 在FPGA上驗證結果

到這一步，用戶就可以部署在云端的FPGA硬件上驗證所生成的bit文件了。

5.1 申請FPGA節(jié)點

成功申請到節(jié)點后，便可以進入實驗操作主界面。

5.2 IO設置

IO設置的目的是為了用戶調試方便，允許用戶將實驗界面的IO所顯示的名字與FPGA內部用戶設計的邏輯命名設為一樣的。

5.3 上傳比特流或其他測試文件（可選）

最終生成的bit文件在本機上： 在配置到云端的FPGA中之前, 首先要上傳到WEB資源管理服務器，可以上傳FPGA bit文件、ARM可執(zhí)行程序以及測試文件等。 最終bit文件在IDE服務器生成且已上傳到個人中心：直接進入下一步。

5.4配置比特流到FPGA

5.5 IO實時監(jiān)控

用戶可以根據自己的實驗邏輯選擇IO管腳的觸發(fā)方式：組合邏輯和時序邏輯。

5.6 IO運行記錄

IO運行記錄主要提供了帶時鐘周期數的IO信號的變化。