馬漢達(dá) 朱威漢

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴和實(shí)驗(yàn)室開放的難題，特別是疫情期間計(jì)算機(jī)硬件類實(shí)驗(yàn)無(wú)法開展的情況，作者提出了利用信息技術(shù)構(gòu)建在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法。文章介紹了在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、組成和優(yōu)點(diǎn)，將在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用到數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的深度開放，解決了疫情期間的計(jì)算機(jī)硬件類課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：在線虛擬實(shí)驗(yàn);數(shù)字邏輯;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）24-0084-04

一、引言

《數(shù)字邏輯》是計(jì)算機(jī)類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解和掌握數(shù)字邏輯理論，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力具有舉足輕重的作用[1]。為了提高實(shí)驗(yàn)效率，《數(shù)字邏輯》課程實(shí)驗(yàn)方式大部分高校都從傳統(tǒng)的典型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為FPGA實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)安排的集中性問題，使得部分學(xué)生無(wú)法充分理解實(shí)驗(yàn)的原理和方法，造成部分學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的情況，同時(shí)很多學(xué)生想擴(kuò)展學(xué)習(xí)，雖然實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)約開放，但是學(xué)生認(rèn)為時(shí)間上還不是充分自由，仍然感到不方便。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放和共享一直是教學(xué)實(shí)踐追求的目標(biāo)，開放有利于營(yíng)造自主學(xué)習(xí)環(huán)境，共享有利于提高實(shí)驗(yàn)室資源的利用率[2]。

《數(shù)字邏輯》的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式保留了傳統(tǒng)模式的優(yōu)點(diǎn)，克服傳統(tǒng)模式的不足，通過教育部產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目的研究，使用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建的在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是解決實(shí)驗(yàn)室開放和共享問題最有效的手段。通過開發(fā)在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、進(jìn)行任何種類的實(shí)驗(yàn)（4A：Anyone、Anytime、Anywhere、Anything），突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空約束，踐行“4A”實(shí)驗(yàn)教學(xué)新理念，為學(xué)生提供充分自主的操作空間，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3][4]。

二、在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為硬件數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，其系統(tǒng)架構(gòu)[5-9]如圖1所示。①硬件數(shù)據(jù)層是在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的硬件、軟件等基礎(chǔ)資源，它支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，主要有學(xué)生數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)等內(nèi)容構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫(kù)，以及平臺(tái)中最為關(guān)鍵的STM32控制電路和FPGA實(shí)驗(yàn)板硬件資源。②服務(wù)層主要提供FPGA編程與配置、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息、在線實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)管理等在線實(shí)驗(yàn)服務(wù)功能，起著承上啟下的作用。③應(yīng)用層主要包含兩大部分，一是學(xué)生用戶的在線實(shí)驗(yàn)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)文件的遠(yuǎn)程下載、硬件設(shè)備遠(yuǎn)程操控、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的在線驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的上傳等;二是教師用戶的學(xué)生信息管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、信息的查詢統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理、系統(tǒng)公告管理等功能，應(yīng)用層重點(diǎn)是將這些內(nèi)容數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶進(jìn)行操作，也就是前端頁(yè)面的顯示。

三、在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

本在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由服務(wù)端硬件系統(tǒng)平臺(tái)和軟件系統(tǒng)兩部分組成：硬件包括基于FPGA 的在線開發(fā)的硬件實(shí)驗(yàn)板、STM32控制電路及相關(guān)設(shè)備;軟件系統(tǒng)為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)登錄、連接、實(shí)驗(yàn)列表信息、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳等在線實(shí)驗(yàn)要求的功能構(gòu)成，在線實(shí)驗(yàn)教師端具有為學(xué)生在線虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)布實(shí)驗(yàn)、上傳實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等初始化操作及學(xué)生信息導(dǎo)入、實(shí)驗(yàn)板信息管理及實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理等功能。

1.在線虛擬實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)平臺(tái)

在線實(shí)驗(yàn)服務(wù)端硬件平臺(tái)由服務(wù)器、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、FPGA實(shí)驗(yàn)電路模塊、控制電路模塊等構(gòu)成，如圖2所示。其中控制電路模塊采用一款基于ARM cortex-M4內(nèi)核的32位嵌入式微控制器STM32F407，它是整塊實(shí)驗(yàn)板的核心，主要負(fù)責(zé)服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)板之間進(jìn)行通信，如從網(wǎng)絡(luò)模塊接收服務(wù)器傳來(lái)的控制指令;采集FPGA電路模塊輸出管腳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)模塊返回至服務(wù)器;網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程FPGA實(shí)驗(yàn)板與服務(wù)器之間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊則用于存儲(chǔ)FPGA實(shí)驗(yàn)板的信息及運(yùn)行狀態(tài);服務(wù)器接收到瀏覽器發(fā)送的實(shí)驗(yàn)電路文件配置請(qǐng)求后，服務(wù)器與FPGA實(shí)驗(yàn)板之間以規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，將實(shí)驗(yàn)電路文件發(fā)送至實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行遠(yuǎn)程配置并返回配置進(jìn)度及配置結(jié)果，同時(shí)服務(wù)器也是整個(gè)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)管理機(jī)。

2.在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)提供在線實(shí)驗(yàn)服務(wù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制管理功能，包括在線實(shí)驗(yàn)的管理系統(tǒng)和控制軟件。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，用戶使用瀏覽器輸入在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的域名或IP地址，選擇用戶類型，可分別進(jìn)入學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)頁(yè)面和教師管理頁(yè)面。學(xué)生用戶登錄到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可瀏覽系統(tǒng)的公告信息、選擇課程實(shí)驗(yàn)和開放實(shí)驗(yàn)，可下載實(shí)驗(yàn)課件、進(jìn)行在線虛擬實(shí)驗(yàn)。教師用戶登錄到在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有學(xué)生管理功能，主要是學(xué)生信息的增刪改功能，列出遠(yuǎn)程服務(wù)端設(shè)備列表。學(xué)生使用信息包括登錄信息、操作信息，學(xué)生端的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理功能及實(shí)驗(yàn)課件的上傳，公告信息管理包括公告信息的增、刪、改功能，實(shí)驗(yàn)板卡信息監(jiān)控、學(xué)生實(shí)時(shí)操作監(jiān)控及實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理等功能。

3.在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

通過比較分析線下實(shí)驗(yàn)與線上虛擬實(shí)驗(yàn)的異同，可以得出在線虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的深度開放。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室很難實(shí)現(xiàn)24小時(shí)開放，而在線虛擬實(shí)驗(yàn)只要有網(wǎng)絡(luò)就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空約束。②節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)箱上做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需要一人一臺(tái)，而且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中獨(dú)占設(shè)備，而線上虛擬實(shí)驗(yàn)方式整個(gè)的設(shè)計(jì)過程是在各自的終端上實(shí)現(xiàn)，只有在驗(yàn)證時(shí)才連接遠(yuǎn)程設(shè)備，不用時(shí)即可釋放，可以多人共享實(shí)驗(yàn)設(shè)備;③減少了設(shè)備維護(hù)量。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)上，由于是在線虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者不直接操作儀器，只是通過虛擬實(shí)驗(yàn)面板來(lái)操作實(shí)驗(yàn)儀器，避免了由于不合理操作導(dǎo)致的設(shè)備損壞，有效地保護(hù)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大大減輕了設(shè)備維護(hù)的工作量，提高了儀器設(shè)備的使用壽命[10-13]。

四、在線虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

1.實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)生在客戶端根據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，使用Quartus II開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、綜合、仿真驗(yàn)證功能、管腳分配，生成*.rbf的配置文件;使用瀏覽器輸入服務(wù)端的URL，登錄連接遠(yuǎn)程Web服務(wù)器并將實(shí)驗(yàn)程序通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至服務(wù)端的FPGA硬件設(shè)備上;通過STM32操控服務(wù)端實(shí)驗(yàn)設(shè)備并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過虛擬實(shí)驗(yàn)面板完成實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

《數(shù)字邏輯》是一門理論和實(shí)際緊密結(jié)合的課程，具有很強(qiáng)的工程性與實(shí)踐性。在線虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)根據(jù)《數(shù)字邏輯》課程的教學(xué)要求，開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有基本邏輯門電路實(shí)驗(yàn)、組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)（一位全加器實(shí)驗(yàn)、四位全加器電路、加減運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)、譯碼器電路的設(shè)計(jì)、編碼器電路的設(shè)計(jì)、七人表決器電路設(shè)計(jì)、四人搶答器電路設(shè)計(jì)、多路選擇器電路設(shè)計(jì)、BCD-七段碼顯示譯碼器電路的設(shè)計(jì)）、時(shí)序電路的設(shè)計(jì)（觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、分頻器電路的設(shè)計(jì)、序列檢測(cè)器電路的設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示、簡(jiǎn)易電子鐘的設(shè)計(jì)）等共16個(gè)實(shí)驗(yàn)。此外，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣開發(fā)其他的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)《數(shù)字邏輯》課程的教學(xué)大綱，選擇了7個(gè)實(shí)驗(yàn)作為課程實(shí)驗(yàn)，8個(gè)實(shí)驗(yàn)作為課程的開放實(shí)驗(yàn)。在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，教師先將實(shí)驗(yàn)學(xué)生的信息導(dǎo)入到平臺(tái)，將7個(gè)課程實(shí)驗(yàn)在系統(tǒng)中發(fā)布，在發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，將實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和虛擬實(shí)驗(yàn)面板文件一同上傳，供學(xué)生參加，圖3所示為發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)面板的設(shè)計(jì)

在線虛擬實(shí)驗(yàn)是通過虛擬實(shí)驗(yàn)面板操作遠(yuǎn)端的實(shí)驗(yàn)板，設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便的虛擬面板是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提，在系統(tǒng)中提供了基礎(chǔ)器件、實(shí)物器件及邏輯器件，這些器件包含了常用的輸入輸出單元，如開關(guān)、按鍵、數(shù)碼管、LED等輸入輸出資源，以及可自定義的邏輯單元，供設(shè)計(jì)虛擬面板文件使用。虛擬實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)好后，實(shí)驗(yàn)者對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)面板的操作信息通過瀏覽器發(fā)送給服務(wù)器;服務(wù)器會(huì)根據(jù)接收到的虛擬實(shí)驗(yàn)板生成實(shí)驗(yàn)板操作指令，與實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交互，并將返回的數(shù)據(jù)解析后放于虛擬實(shí)驗(yàn)板返回至瀏覽器;瀏覽器接收到返回的虛擬實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)后，從中提取數(shù)據(jù)顯示在圖形界面上。因此虛擬實(shí)驗(yàn)板是瀏覽器與遠(yuǎn)端硬件層的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交互服務(wù)之間虛擬出來(lái)的一個(gè)中間層。

學(xué)生在進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以直接使用教師設(shè)計(jì)好的虛擬面板文件進(jìn)行驗(yàn)證;在進(jìn)行課外開放實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生需要自己設(shè)計(jì)虛擬面板文件，然后通過虛擬實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。圖4所示為3-8譯碼器實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)面板。

4.在線虛擬實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

在線虛擬實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)的操作基本都是一樣的，但在設(shè)計(jì)綜合、器件編程與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上需要注意以下幾點(diǎn)：第一，在設(shè)計(jì)綜合時(shí)，由于遠(yuǎn)程配置采用PS方式配置，因此需要生成rbf的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式;第二，在器件編程時(shí)，需要在教師發(fā)布的課程實(shí)驗(yàn)中，先選擇實(shí)驗(yàn)，然后系統(tǒng)按照策略分配FPGA實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行FPGA燒寫（下載）;第三，下載完成后運(yùn)行實(shí)驗(yàn)是通過虛擬實(shí)驗(yàn)面板進(jìn)行驗(yàn)證，而不是在硬件實(shí)驗(yàn)板上實(shí)際操作。

五、結(jié)束語(yǔ)

我院實(shí)驗(yàn)中心數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)室配備35套FPGA實(shí)驗(yàn)箱+10套遠(yuǎn)程FPGA實(shí)驗(yàn)板。學(xué)校2018級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)5個(gè)班的《數(shù)字邏輯》課程利用該平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的《數(shù)字邏輯》實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了7個(gè)必做的實(shí)驗(yàn)作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，8個(gè)課外開放實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選做。每個(gè)班每周安排一次固定的時(shí)間進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在課內(nèi)完不成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，可利用在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)補(bǔ)做。課外8個(gè)開放實(shí)驗(yàn)采用線上實(shí)驗(yàn)，不安排統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生可根據(jù)自己的時(shí)間來(lái)完成。通過問卷調(diào)查，學(xué)生普遍反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間更加自由了，課上完不成的任務(wù)，可以回到宿舍繼續(xù)完成，也不需要往實(shí)驗(yàn)室跑，極大地方便了學(xué)生，同時(shí)也解決了實(shí)驗(yàn)室的開放難題。

實(shí)踐表明，利用在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選做開放實(shí)驗(yàn)的學(xué)生更多了，學(xué)生可以開發(fā)更多感興趣的實(shí)驗(yàn)或者更復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新。同時(shí)應(yīng)用在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可很方便地構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效果。今年疫情期間，很多計(jì)算機(jī)硬件類的實(shí)驗(yàn)都無(wú)法正常進(jìn)行，但我校2018級(jí)通信工程專業(yè)3個(gè)班的《數(shù)字電子技術(shù)》利用該平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)，很好地解決了疫情期間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題。

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（編輯：魯利瑞）