CN111445364A - 一种fpga云实验室平台及实现方法 - Google Patents

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李华
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Abstract

本发明公开了一种FPGA云实验室平台,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,所述FPGA云服务器中设置有若干FPGA开发板。其中,所述云实验室平台包括:用户管理模块、课程管理模块、实验管理模块、报告管理模块、容器管理模块和FPGA管理模块。通过本发明公开的FPGA云实验室平台,能够帮助老师更好的管理课程,实验,作业等资源,可方便快捷的进行统计查询搜索。FPGA实验硬件资源被统一规划,统一建设,避免设备随处堆放而发生丢失损坏的现象,降低了实验成本。FPGA实验环境能够按需分配,多次重复利用也可确保实验需要的软件环境正确无误,避免了由于环境问题影响实验过程。

Description

一种FPGA云实验室平台及实现方法
技术领域
本发明属于基于云计算的教学实验系统领域,尤其涉及一种FPGA云实验室平台及实现方法。
背景技术
目前,大多数高校关于FPGA开发板编程的课程实验都是在实验室为每个学生配置一个FPGA开发板和一台PC电脑,PC电脑需要预安装好FPGA开发需要的EDA软件环境,FPGA开发板需要放在学生旁边进行调试,做完实验后学生归还FPGA开发板。
这种模式存在以下缺陷:
每个学生配置一个PC和开发板成本投入较高;
学生在使用开发板的时候容易损坏开发板,每个开发板的价值在上千元;
学生在使用PC时,容易损坏EDA软件运行环境,导致后续做实验的同学无法正常使用环境;
每台PC的功耗也是比较高的,费电;
实验结束后开发板归还需要盘点,费时费力;
开发板SoC系统在使用过程中出现问题,导致无法正常实验,如果不能预先知道,则会耽误学生正常做实验,而且也无法及时定位是什么时候谁用坏的;
学生做实验的指导手册都是老师自己制作管理,需要线下发给学生,无法系统管理;
学生做完实验的实验报告都是线下纸质版本或电子版本,无法系统管理。
因此,亟需一种新的系统或方法实现实验的优化管理。
发明内容
本发明的目的在于,为克服现有技术不足,提出了一种FPGA云实验室平台及实现方法,通过该实验平台实现了FPGA的云教学,大大的提升了教学效率,降低了教学成本。
本发明目的通过下述技术方案来实现:
一种FPGA云实验室平台,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,所述FPGA云实验室平台包括:用户管理模块,所述用户管理模块被配置为用于实现用户权限的管理;课程管理模块,所述课程管理模块被配置为用于完成实验需要用到的实验指南文档的管理;实验管理模块,所述实验管理模块被配置为用于完成在线实验室的创建、运行和销毁管理;报告管理模块,所述报告管理模块被配置为用于完成学生提交的实验报告的处理及存储;容器管理模块,所述容器管理模块被配置为用于完成docker容器的接口封装,为实验环境创建对应的docker资源;FPGA管理模块,所述FPGA管理模块被配置为用于完成所述FPGA云服务器中FPGA开发板的可用资源的管理。
根据一个优选的实施方式,所述用户包括管理员角色、教师角色和学生角色。
根据一个优选的实施方式,所述实验指南文档包括实验课程需要的实验步骤、代码讲解、远程调试功能使用方式的数据。
根据一个优选的实施方式,所述报告管理模块对学生提交的实验报告的处理包括:对实验报告进行批改,统计分析每个实验的实验结果。
根据一个优选的实施方式,所述docker容器中配置有实验需要的软件环境,其中,实验软件环境包括Quartus FPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务软件和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务软件。
一种FPGA云实验室平台的实现方法,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,所述FPGA云服务器中设置有若干FPGA开发板。其中,所述云实验室平台包括:用户管理模块、课程管理模块、实验管理模块、报告管理模块、容器管理模块和FPGA管理模块;在新建云实验室时,由所述用户管理模块创建的教师角色用户向所述实验管理模块发起启动实验环境指令;所述实验管理模块基于接收的指令向课程管理模块调取实验需要的课程的文档资源,并经由所述PGAG管理模块向FPGA云服务器发起FPGA开发板资源申请;并由所述实验管理模块基于实验人数动态完成调度的可用的FPGA开发板资源的分配;同时,由所述实验管理模块完成容器管理模块接口的调用,启动云实验室所需要的docker容器,且所述docker容器配置有实验需要的实验软件环境。
根据一个优选的实施方式,在云实验进行过程中,由学生角色用户登录访问实验指南文档及使用实验环境资源;实验管理模块提供实验所需的docker容器入口,学生角色通过WEB浏览器连接到docker容器的实验软件环境,并基于实验软件环境中的QuartusFPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务单元和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务单元完成FPGA实验课程。
根据一个优选的实施方式,在销毁云实验室时,由教师角色用户想所述试验管理模块发起销毁实验室指令;所述实验管理模块接收到指令后向FPGA管理模块发起释放FPGA资源的指令,FPGA管理模块将本次实验用到的资源标记为可使用,方便后续重复使用该FPGA开发板资源;实验管理模块调用容器管理模块接口销毁实验所用的docker容器。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案,均为本发明可采用并要求保护的方案;且本发明,(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合,均为本发明所要保护的技术方案,在此不做穷举。
通过本发明的公开的FPGA云实验室平台及其实现方法实现了如下有益效果:
帮助老师更好的管理课程,实验,作业等资源,可方便快捷的进行统计查询搜索。
FPGA实验硬件资源统一规划,统一建设,避免设备随处堆放而发生丢失损坏的现象,降低成本。
FPGA实验环境按需分配,多次重复利用也可确保实验需要的软件环境正确无误,避免由于环境问题影响实验过程。
学生和老师都只需要专注于实验本身的内容,无需过多关心内容之外的依赖环境,提升FPGA实验效率。
FPGA实验软件环境采用docker容器桌面环境,优点是轻量级、启动快,占用资源少。
FPGA实验环境都建设在学校机房,由专业的系统运维人员维护,减轻老师对实验环境管理的负担。
FPGA实验采用远程调试连接的方式进行,具有技术优越性。
附图说明
图1是本发明FPGA云实验室平台的结构示意图;
图2是本发明实验室平台实验启动流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
因此,以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
另外,本发明要指出的是,本发明中,如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等,则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上,可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1
参考图1和图2所示,本发明公开了一种FPGA云实验室平台,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连。其中,FPGA云服务器端配置有若干FPGA开发板,用于为实验人员提供开发测试资源。
优选地,所述FPGA云实验室平台包括:用户管理模块、课程管理模块、实验管理模块、报告管理模块、容器管理模块和FPGA管理模块。
优选地,所述用户管理模块被配置为用于实现用户权限的管理。不同权限具有不同的操作功能范围。进一步地,所述用户包括管理员角色、教师角色和学生角色。
优选地,所述课程管理模块被配置为用于完成实验需要用到的实验指南文档的管理。同时,老师也可以自定义制作自己的课程。
进一步地,所述实验指南文档包括实验课程需要的实验步骤、代码讲解、远程调试功能使用方式的数据。
优选地,所述实验管理模块被配置为用于完成在线实验室的创建、运行和销毁管理。老师可以在实验室中根据实验指南进行课程实验讲解,学生通过课程指南利用平台资源进行实验操作。
优选地,所述报告管理模块被配置为用于完成学生提交的实验报告的处理及存储。
进一步地,所述报告管理模块对学生提交的实验报告的处理包括:对实验报告进行批改,统计分析每个实验的实验结果。
更进一步地,报告管理模块负责管理学生的实验报告及实验结果分数评判记录等。待实验完成之后,学生需要完成实验报告,并上传到实验报告管理模块,由老师进行实验作业的批改,对于主观选择题,模块会自动进行批改,减轻老师的负担,最终会对这些实验分数及实验完成情况进行统一的报表展示,方便老师对于本次学生的课程实验情况进行教学总结和反馈。
优选地,所述容器管理模块被配置为用于完成docker容器的接口封装,为实验环境创建对应的docker资源。
进一步地,所述docker容器中配置有实验需要的软件环境,其中,实验软件环境包括Quartus FPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务单元或软件和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务单元或软件。
更进一步地,使用远程调试功能时,需要运行远程连接服务单元初始化脚本启动远程调试服务,之后打开Quartus EDA软件进行预设配置就即可以连接远程的FPGA开发板资源进行代码的远程调试。
即是,由所述容器管理模块完成实验软件依赖环境使用docker容器创建。容器中安装部署了Quartus EDA软件和远程调试服务单元,远程桌面服务单元,WEB VNC服务单元。学生可以通过WEB VNC连接到docker实验环境中,利用Quartus软件,远程调试服务单元,远程桌面服务单元做FPGA相关的课程实验。例如,使用docker容器并发创建40个学生的实验环境只需要几秒钟就可以完成。
优选地,所述FPGA管理模块被配置为用于完成所述FPGA云服务器中FPGA开发板的可用资源的管理。即是,由所述FPGA管理模块,负责与FPGA云服务器进行对接,并调用FPGA云服务器的接口获取FPGA开发板资源,对资源使用情况,服务状态等进行监控管理。
实施例2
参考图1和图2所示,在实施例1的基础上,本发明还公开了一种FPGA云实验室平台的实现方法,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,所述FPGA云服务器中设置有若干FPGA开发板。
其中,所述云实验室平台包括:用户管理模块、课程管理模块、实验管理模块、报告管理模块、容器管理模块和FPGA管理模块;
在新建云实验室时,由所述用户管理模块创建的教师角色用户向所述实验管理模块发起启动实验环境指令;所述实验管理模块基于接收的指令向课程管理模块调取实验需要的课程的文档资源,并经由所述PGAG管理模块向FPGA云服务器发起FPGA开发板资源申请;并由所述实验管理模块基于实验人数动态完成调度的可用的FPGA开发板资源的分配;同时,由所述实验管理模块完成容器管理模块接口的调用,启动云实验室所需要的docker容器,且所述docker容器配置有实验需要的实验软件环境。
在云实验进行过程中,由学生角色用户登录访问实验指南文档及使用实验环境资源;实验管理模块提供实验所需的docker容器入口,学生角色通过WEB浏览器连接到docker容器的实验软件环境,并基于实验软件环境中的Quartus FPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务单元和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务单元完成FPGA实验课程。
在销毁云实验室时,由教师角色用户想所述试验管理模块发起销毁实验室指令;所述实验管理模块接收到指令后向FPGA管理模块发起释放FPGA资源的指令,FPGA管理模块将本次实验用到的资源标记为可使用,方便后续重复使用该FPGA开发板资源;实验管理模块调用容器管理模块接口销毁实验所用的docker容器。
综上,通过本发明公开的FPGA云实验室平台及其实现方法,能够帮助老师更好的管理课程,实验,作业等资源,可方便快捷的进行统计查询搜索。FPGA实验硬件资源被统一规划,统一建设,避免设备随处堆放而发生丢失损坏的现象,降低了实验成本。FPGA实验环境能够按需分配,多次重复利用也可确保实验需要的软件环境正确无误,避免了由于环境问题影响实验过程。学生和老师都只需要专注于实验本身的内容,无需过多关心内容之外的依赖环境,提升FPGA实验的效率。FPGA实验软件环境采用了docker容器桌面环境,优点是轻量级、启动快,占用资源少。FPGA实验环境都建设在学校机房,由专业的系统运维人员维护,减轻老师对实验环境管理的负担。并且FPGA实验采用远程调试连接的方式进行,具有技术优越性。
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种FPGA云实验室平台,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,其特征在于,所述FPGA云实验室平台包括:
用户管理模块,所述用户管理模块被配置为用于实现用户权限的管理;
课程管理模块,所述课程管理模块被配置为用于完成实验需要用到的实验指南文档的管理;
实验管理模块,所述实验管理模块被配置为用于完成在线实验室的创建、运行和销毁管理;
报告管理模块,所述报告管理模块被配置为用于完成学生提交的实验报告的处理及存储;
容器管理模块,所述容器管理模块被配置为用于完成docker容器的接口封装,为实验环境创建对应的docker资源;
FPGA管理模块,所述FPGA管理模块被配置为用于完成所述FPGA云服务器中FPGA开发板的可用资源的管理。
2.如权利要求1所述的一种FPGA云实验室平台,其特征在于,所述用户包括管理员角色、教师角色和学生角色。
3.如权利要求1所述的一种FPGA云实验室平台,其特征在于,所述实验指南文档包括实验课程需要的实验步骤、代码讲解、远程调试功能使用方式的数据。
4.如权利要求1所述的一种FPGA云实验室平台,其特征在于,所述报告管理模块对学生提交的实验报告的处理包括:对实验报告进行批改,统计分析每个实验的实验结果。
5.如权利要求1所述的一种FPGA云实验室平台,其特征在于,所述docker容器中配置有实验需要的软件环境,
其中,实验软件环境包括Quartus FPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务软件和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务软件。
6.一种FPGA云实验室平台的实现方法,其特征在于,所述云实验室平台经网络与FPGA云服务器相连,其中,所述云实验室平台包括:用户管理模块、课程管理模块、实验管理模块、报告管理模块、容器管理模块和FPGA管理模块;
在新建云实验室时,
由所述用户管理模块创建的教师角色用户向所述实验管理模块发起启动实验环境指令;
所述实验管理模块基于接收的指令向课程管理模块调取实验需要的课程的文档资源,并经由所述PGAG管理模块向FPGA云服务器发起FPGA开发板资源申请;
并由所述实验管理模块基于实验人数动态完成调度的可用的FPGA开发板资源的分配;
同时,由所述实验管理模块完成容器管理模块接口的调用,启动云实验室所需要的docker容器,且所述docker容器配置有实验需要的实验软件环境。
7.如权利要求6所述一种FPGA云实验室平台的实现方法,其特征在于,在云实验进行过程中,
由学生角色用户登录访问实验指南文档及使用实验环境资源;
实验管理模块提供实验所需的docker容器入口,学生角色通过WEB浏览器连接到docker容器的实验软件环境,
并基于实验软件环境中的Quartus FPGA EDA开发仿真软件、连接FPGA开发板需要的远程桌面服务单元和连接FPGA开发板计算资源的远程调试服务单元完成FPGA实验课程。
8.如权利要求7所述一种FPGA云实验室平台的实现方法,其特征在于,在销毁云实验室时,
由教师角色用户想所述试验管理模块发起销毁实验室指令;
所述实验管理模块接收到指令后向FPGA管理模块发起释放FPGA资源的指令,FPGA管理模块将本次实验用到的资源标记为可使用,方便后续重复使用该FPGA开发板资源;
实验管理模块调用容器管理模块接口销毁实验所用的docker容器。
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