江南大學(xué) 任小媛，柴志雷

面向MOOC教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室

江南大學(xué) 任小媛，柴志雷

引 言

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)及云計算等技術(shù)的發(fā)展促使大規(guī)模開放在線課程MOOC(Massive Open Online Course)日益成為一種面向公眾的全新教育手段并迅速引起國內(nèi)外教育領(lǐng)域的高度關(guān)注。相比之前的網(wǎng)絡(luò)公開課，MOOC更加重視教學(xué)互動，可以面向大學(xué)提供特定課程，也可以面向社會公眾提供原本稀缺的教育資源。然而，目前適合用MOOC方式提供的課程還局限于無須學(xué)習(xí)者擁有特定儀器設(shè)備、在不同地理位置的學(xué)習(xí)者都可方便地借助網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)的課程。對于需要實時操作特定儀器設(shè)備的硬件類實踐或?qū)嶒炚n程，目前還沒有有效的平臺可以支持學(xué)習(xí)者進行遠程訪問。雖然虛擬仿真方式在一定程度上也可以替代對真實硬件的訪問，但其無法讓學(xué)習(xí)者感受到真實硬件的體驗，也不利于與將來的實際工作環(huán)境無縫接軌。

物聯(lián)網(wǎng)作為物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，包含信息的采集、處理、傳輸、控制等多個環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)終端在不同應(yīng)用環(huán)境中功能各有不同。因此，物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)與實驗需要的是一種可以滿足軟件、硬件、通信等多樣化需求的實驗平臺。

根據(jù)上述的需求分析，本文選擇現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)作為物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室的實現(xiàn)平臺。FPGA就像一片可讓用戶自己進行邏輯設(shè)計的空白芯片，具備硬件結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的特點，適合開展數(shù)字電路、計算機組成、通信接口設(shè)計等實驗。假如在FPGA上實現(xiàn)了處理器，則還可以進一步開展計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、操作系統(tǒng)等實驗。此外，由于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境具有豐富的傳感器，且物物互聯(lián)，其產(chǎn)生的海量、連續(xù)、并發(fā)的數(shù)據(jù)是現(xiàn)有通用處理器難以有效處理的。而FPGA可以為特定應(yīng)用設(shè)計專門處理結(jié)構(gòu)并進行有效計算，因此FPGA平臺也適合直接用于物聯(lián)網(wǎng)計算。近期發(fā)生的Intel收購FPGA巨頭Altera，也預(yù)示著FPGA用于計算領(lǐng)域?qū)蔀橹髁鞣绞?。因此，通過MOOC方式結(jié)合FPGA遠程實驗室，讓更多學(xué)習(xí)者有機會學(xué)習(xí)和實踐FPGA計算的知識是非常有必要的。

1 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室設(shè)計

本文的目標是將FPGA開發(fā)平臺接入數(shù)據(jù)中心并通過互聯(lián)網(wǎng)使終端用戶可與這些FPGA平臺相連接，從而讓用戶擁有與現(xiàn)場使用FPGA開發(fā)平臺一樣的體驗。該遠程實驗室將可為物聯(lián)網(wǎng)的MOOC教學(xué)提供在線平臺，并可為智能硬件的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)提供低成本驗證平臺。

要達成上述目標，需要解決3個方面的問題：

① FPGA開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)接入能力。眾所周知，在純FPGA中實現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議簇并完成網(wǎng)絡(luò)連接及管理是非常困難的，因此本文選擇的FPGA是包含處理器硬核及FPGA邏輯的SoC方式。由于其具備硬核CPU，可以方便地以軟件方式完成FPGA平臺的互聯(lián)網(wǎng)接入。

② 對FPGA節(jié)點物理資源的管理，使用戶可隨時更新邏輯設(shè)計而不影響系統(tǒng)。盡管FPGA SoC的CPU端運行了Linux等通用操作系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)無法預(yù)知FPGA端的用戶邏輯，因此無法對其進行有效管理，導(dǎo)致每次用戶邏輯的改變都會涉及到Linux驅(qū)動的重寫及內(nèi)核重新編譯，這就破壞了與終端的網(wǎng)絡(luò)連接。因此需要為FPGA本身設(shè)計系統(tǒng)管理層，使得用戶邏輯的改變不影響系統(tǒng)本身，無須根據(jù)邏輯修改Linux驅(qū)動并重新編譯內(nèi)核和重啟。

③ FPGA開發(fā)平臺的接口設(shè)計與外接傳感器管理。由于遠程實驗室無法像本地實驗室一樣隨時更換接口模塊及傳感器，因此要考慮硬件接口及傳感器種類盡可能滿足大多數(shù)實驗的需求并保持通用，或根據(jù)實驗科目進行分類管理。

2 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室建設(shè)方案

由第1節(jié)可知，F(xiàn)PGA遠程實驗室所需解決的關(guān)鍵問題中，F(xiàn)PGA平臺的網(wǎng)絡(luò)接入已通過SoC的方式加以解決，因此本節(jié)重點介紹對FPGA端資源的管理及FPGA開發(fā)平臺的接口設(shè)計。

2.1 FPGA操作系統(tǒng)

眾所周知，通用CPU是通過操作系統(tǒng)來幫助用戶實現(xiàn)系統(tǒng)資源管理、內(nèi)存管理、I/O管理等功能，從而將應(yīng)用程序員從底層細節(jié)的重復(fù)性工作中解放出來，只需關(guān)注自己的核心算法實現(xiàn)。使用操作系統(tǒng)簡化了應(yīng)用程序員的開發(fā)工作，提升了開發(fā)效率。

傳統(tǒng)的基于FPGA的系統(tǒng)開發(fā)之所以多采用“垂直化”的模式，由用戶考慮硬件的設(shè)計細節(jié)，是因為之前FPGA器件資源有限，需要最大程度地加以利用，而且有限的資源還需要由工程師憑經(jīng)驗加以有效利用。

目前，隨著工藝的進步，28～20 nm乃至更高級別 FPGA器件的推出，使得FPGA資源更加豐富。一方面對操作系統(tǒng)及中間件占用部分資源不再敏感；另一方面用戶也需要在運行時由系統(tǒng)來幫助管理日益豐富的硬件資源。正如之前在資源有限的單片機系統(tǒng)上開發(fā)那樣，用戶都是基于裸機直接進行，以最大程度利用硬件資源，而發(fā)展到資源豐富的ARM等嵌入式系統(tǒng)之后，用戶就需要操作系統(tǒng)來管理資源和加速開發(fā)了。

如圖1所示，本文在SoC的FPGA端采用邏輯方式實現(xiàn)了內(nèi)存管理、總線管理、I/O管理等功能的FPGA操作系統(tǒng)。通過限制用戶任意訪問物理資源、提供安全模塊，使得FPGA更加可控、可信和安全。

圖1 FPGA操作系統(tǒng)駐留位置及功能示意圖

更重要的是，如圖2所示，避免了用戶在底層細節(jié)上的瑣碎的重復(fù)性工作，降低了系統(tǒng)出錯概率，極大地提升了FPGA系統(tǒng)的易用性。

圖2 有無FPGA操作系統(tǒng)的Vivado開發(fā)流程對比

通過FPGA操作系統(tǒng)，用戶邏輯實現(xiàn)了在FPGA中的用戶分區(qū)，從而使得在用戶邏輯改變時不影響系統(tǒng)部分，系統(tǒng)部分與CPU的連接以及CPU與網(wǎng)絡(luò)的連接可以得到保持，最終使得遠程實驗室成為可能。

2.2 基于FPGA的機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機

如前所述，遠程實驗室的硬件平臺最好能夠以較為通用和標準的方式提供，以減少硬件上的修改，方便遠程使用。圖3是一種面向機器人和視覺物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的FPGA平臺，它提供了CMOS雙目攝像頭接口及CameraLink工業(yè)相機接口，同時還提供了千兆網(wǎng)口、VGA、GPIO等接口，可滿足大多數(shù)情況下的需要。

圖3 一種基于FPGA的機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機

圖4是上述機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機的層次架構(gòu)，之所以該FPGA開發(fā)板被稱作計算機而非開發(fā)板，是因為其配置了Linux操作系統(tǒng)及FPGA操作系統(tǒng)，并支持機器人操作系統(tǒng)FROS，使得用戶可以在較高的層次上進行應(yīng)用程序的開發(fā)，而不再像普通的FPGA開發(fā)板一樣，需要用戶承擔(dān)從應(yīng)用層到系統(tǒng)層的所有工作。

圖4 機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機層次架構(gòu)

2.3 FPGA云平臺

機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機由于具備了接入互聯(lián)網(wǎng)并在用戶邏輯更新時可保持系統(tǒng)層功能的特點，具備了作為節(jié)點構(gòu)成FPGA云的能力。圖5是機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室的示意圖。雖然目前在云端只支持一種FPGA平臺，但多種不同的平臺都可以連接到該系統(tǒng)中。圖5的右半部分說明將有更多的FPGA平臺可以連接到云端，隨著更多平臺的接入，遠程實驗室就可以更好地滿足用戶的需求。圖5的左半部分說明該遠程實驗室可以滿足不同用戶的使用需求，如人工智能算法的研究人員(或MOOC的教師)可以在該平臺上發(fā)布課題需求，算法的FPGA實現(xiàn)人員(或MOOC的學(xué)生)則可以在該平臺上根據(jù)算法需求進行FPGA的實現(xiàn)。二者的交互不需要見面，而以互聯(lián)網(wǎng)的方式在統(tǒng)一的平臺上進行。此外，該平臺的優(yōu)點還在于可以讓其他的硬件開發(fā)人員參與進來，共同提供更豐富的硬件開發(fā)平臺，并接入云端進行方便的合作，從而使該平臺日益趨于完善和強大。

圖5 構(gòu)成FPGA遠程實驗室的FPGA云

3 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室實現(xiàn)結(jié)果

3.1 遠程實驗室的用戶界面

本文采用JSP+Struts1+Spring的架構(gòu)將機器人/物聯(lián)網(wǎng)計算機接入互聯(lián)網(wǎng)。圖 6是本文實現(xiàn)的遠程實驗室的訪問界面，用戶通過訪問developer.iopenhec.com網(wǎng)址可以進入該界面，全部的FPGA平臺都會羅列出來，空閑狀態(tài)的平臺可供用戶選擇。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室使用界面

用戶選擇處于空閑狀態(tài)的FPGA遠程實驗平臺后將進入如圖7所示的使用界面。左半部分是操作終端界面，用戶可以用和本地一樣的終端命令方式進行操作。右半部分是通過視頻方式傳送的處于云端的FPGA開發(fā)板的情況。簡單地說，遠程實驗室就是用網(wǎng)絡(luò)的方式拉近了用戶與FPGA平臺的距離，通過網(wǎng)絡(luò)將命令傳送過去，并通過網(wǎng)絡(luò)視頻使得用戶可以看見遠端的平臺。如果用戶下載了相應(yīng)的應(yīng)用程序，則運行結(jié)構(gòu)可在右半部分的窗口中顯示出來。

圖8是雙擊后放大的顯示窗口，可以清楚地觀察到遠端FPGA開發(fā)板輸出的結(jié)果，并可用于觀察開發(fā)板的LED亮滅等其他情況，基本上與現(xiàn)場使用FPGA開發(fā)板一樣。

3.2 遠程實驗室的開發(fā)流程

本文的物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室的FPGA平臺是基于Xilinx Zynq系列SoC的，開發(fā)環(huán)境與Xilinx Vivado進行了集成。用戶只需要在本地利用Vivado進行FPGA邏輯及軟件部分的設(shè)計，最后將仿真調(diào)試好的用戶程序通過網(wǎng)絡(luò)下載到遠端的FPGA平臺，即可完成實驗。由于用戶只需要提供可執(zhí)行文件，可最大限度地保護源代碼不會輕易被傳播，鼓勵了用戶使用該遠程實驗平臺進行實驗。與采用本地的FPGA開發(fā)板進行開發(fā)的區(qū)別僅僅在最后下載和運行階段，可執(zhí)行程序是通過網(wǎng)絡(luò)下載到遠端并通過網(wǎng)絡(luò)進行運行結(jié)果的觀察。

結(jié) 語

MOOC教學(xué)方式的流行使得更多的學(xué)習(xí)者希望通過網(wǎng)絡(luò)的方式進行知識的學(xué)習(xí)，但與硬件相關(guān)的實踐類課程進行MOOC教學(xué)還存在一定困難，因為實驗設(shè)備無法像內(nèi)容一樣方便地通過網(wǎng)絡(luò)進行傳播和共享。如果能解決該問題，對于推動硬件類實驗實踐課程的MOOC化具有十分重要的意義。

本文基于FPGA SoC實現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)遠程實驗室，可以提供數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、計算機組成、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理等多門硬件類課程的遠程實驗。突破的關(guān)鍵技術(shù)主要是通過FPGA操作系統(tǒng)使得FPGA芯片可觀可控，便于用戶邏輯隨時更新。

圖8 執(zhí)行用戶程序后遠程平臺的結(jié)果展示形式

下一步的工作計劃是，除了增加更多FPGA節(jié)點滿足更多用戶的需求外，還將基于該平臺提供一門課程的具體實驗，為更多MOOC課程基于該平臺開展實驗提供參考。

關(guān)于作者

任小媛(實驗師)，研究方向為交互式設(shè)計。柴志雷，2006年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)計算機系，獲理學(xué)博士學(xué)位；2010～2011年在美國賓夕法尼亞大學(xué)機器人實驗室從事博士后研究；現(xiàn)為江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副教授、研究生導(dǎo)師，擔(dān)任計算機系主任。柴志雷是中國計算機學(xué)會體系結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會委員、嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會委員、中國計算機學(xué)會無錫分部委員、ACM會員；擔(dān)任多個國際學(xué)術(shù)期刊和會議的審稿人；發(fā)表研究論文50篇左右；獲得中國商業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)進步一等獎1項；申請國家發(fā)明專利8項，已授權(quán)2項。他的研究方向為面向智能機器人的新型計算機系統(tǒng)，所研究的機器人計算機已在多個單位得到實際應(yīng)用。

士然

2015-07-14)