OPENHEC远程硬件实验中心.PDF

OPENHEC 远程硬件实验中心 在人工智能的时代，应用成为驱动芯片设计的主要动力，为算法定制硬件将是常态。 FPGA （现场可编程门阵列）可以理解为一种可编程的空白芯片，可以供用户定制自己的硬 件结构，所以FPGA 是现在高校进行硬件教学和系统能力培养的最佳方式。 OpenHEC 建立一个7*24 小时在线硬件实验室，通过共享的方式在校园网内提供FPGA 资源供师生们使用。同时采用精心研发的软件，将实验所需的 IO 充分扩展，通过WEB 页 面提供的接口，实时控制FPGA。满足从数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构、操 作系统、并行计算应用设计、神经网络加速计算等贯通的实验。 OpenHEC 选择最大FPGA 芯片厂商xilinx 的一款SOC 芯片作为实验核心芯片 ，芯片 型号是ZYNQ 7030。它包含双核ARM 和FPGA 资源 ，能够满足课程教学、学生创新以及 软硬件协同设计的需求。 一、 软件核心功能 虚拟机 随着 FPGA 的开发工具越来越大，软件对计算机性能以及开发环境维护的要求越来越 高。OpenHEC 提供通过服务器来提供计算能力和开发环境的集中维护，基于Docker 的开 发环境，可以通过增减硬件来扩展计算能力，减少PC 机换代压力。虚拟机中包含所有实验 的开发工具和实验文档资料等。 图 1 虚拟机 实验面板 FPGA 实验面板所有信号都是FPGA 芯片中真实信号，包含IO 如下表所示： 开关 灯 按钮 8 位寄 16 位 32 位 SRAM RAM0 RAM1 存器 寄 存 寄 存 器 器 输入 32 个 1 个 8 个 8 个 8 个 16MB 64MB 64MB 输出 32 个 8 个 8 个 8 个 在开发完成之后，将生成的FPGA 比特流文件配置到远程的FPGA 芯片中，FPGA 就 开始工作，实验面板将展示整个实验过程。同时，实验面板上IO 的变化过程都会记录下来， 供开发调试者分析实验结果。验证完毕退出即可释放FPGA。 图2 实验面板 云观测 在实验中，每一个FPGA 都配有一块教学的IO 板，含有七段码、液晶屏幕、LED 点阵 灯、超声波传感器、温湿度传感器等器件。在进入 FPGA 实验面板后，可以通过视频直播 观看到教学板的变化。视频采用高分辨率低帧频的方式来满足教学需求。 图3 云观测 linux 终端 OpenHEC 采用的FPGA 芯片是SOC 的方案，其中包含双核ARM 和FPGA 资源。在 ARM 双核上，运行嵌入式的 linux 系统。在实验面板中，可以世界可以打开linux 的shell 终端，控制linux 系统。此功能在FPGA 软硬件协同开发和嵌入式实验中将会使用。 图4 linux WEB shell 二、 FPGA 专用服务器 Zynq®-7000 All Programmable （全可编程）SoC 重新定义 了嵌入式系统的可能性，为系统架构师和软件开发人员推出新的解 决方案提供了一个灵活的平台，同时为传统 ASIC 和 SoC 用户提 供了一个全可编程的备选方案。 双核 ARM®Cortex ™ -A9 处理器与业界领先的、具有高性能功耗比的 28nm 可编程 逻辑巧妙集成，实现的功耗和性能等级远超分立处理器和 FPGA 系统。Zynq-7000 SoC 是 业界首款 All Programmable SoC ，也是同类产品市场的先锋。 FPGA 是标准的2U 机架式设备，整套系统（包含系统服务器）都将部署在机柜中 ，通 过校园网络向校园内提供7*24 服务。一台FPG