Laboratorio virtual para la programación de FPGAs

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1 Laboratorio virtual para la programación de FPGAs Joaquín Olivares, Alfonso Merino, José M. Palomares y Miguel A. Montijano Escuela Politécnica Superior, Universidad de Córdoba, España olivares@uco.es 1 Resumen Uno de los problemas que presenta la docencia de prácticas en laboratorios con equipamiento específico es que el trabajo en casa y la preparación de las prácticas que el alumno puede hacer desde casa se ve limitado al número de horas que el laboratorio puede estar abierto. Esta trabajo se presenta como herramienta de apoyo para la asignatura de Sistemas Electrónicos Digitales de la titulación de Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial. Se ha desarrollado una aplicación Web autónoma que permite al alumno la realización completa de las prácticas desde su casa a través de Internet y sin necesidad de estar sujeto a un horario. Esta herramienta se engloba dentro de lo que se denomina docencia virtual y permite al profesor llevar un control sobre los usuarios y las prácticas, la herramienta desarrollada es compatible con diferentes kit de desarrollo para FPGAs. Palabras Clave Docencia Virtual, FPGA, ISE Xilinx, Laboratorio Virtual, Prácticas, VHDL, Web-CAM, XSTOOLS INTRODUCCIÓN En la actualidad la formación práctica ocupa un lugar relevante dentro de las exigencias docentes, sin embargo la metodología actual necesita la presencia física del alumno en el laboratorio y por ello la complejidad de las prácticas y el número de sesiones de prácticas libres está limitado por el tiempo de estancia en el laboratorio. En la asignatura de Sistemas Electrónicos Digitales de los estudios de segundo ciclo de Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial de la Universidad de Córdoba, las prácticas consisten en programar la FPGA que se encuentra en el kit de desarrollo denominado XSA-50, tal y como se muestra en la Figura 1. Este kit de desarrollo incorpora entre otros componentes una FPGA Xilinx XC2S50, una memoria SDRAM de 8Mbyte en la que el alumno puede tanto leer como escribir, una salida para un conector VGA DB-9 de 6 bits que permite al alumno mostrar información a través de un monitor VGA, un display de 7 segmentos en el cual el alumno puede visualizar fácilmente números y letras en función de sus acciones, y un conector DB-25 que se encuentra conectado al puerto paralelo del ordenador y que el alumno puede dedicar a configurar pines para propósito general, actuando estos como interfaz de entrada con la tarjeta de test. FIGURA 1 TARJETA XSA-50. Para programar la FPGA presente en el kit de desarrollo es necesario comenzar partiendo de un fichero descrito en el lenguaje VHDL, y generar en el laboratorio el fichero de programación usando para ello la aplicación ISE de Xilinx bajo licencia, después este fichero será necesario descargarlo en la FPGA del kit usando las herramientas XSTOOLs que proporciona el fabricante del kit. Según lo expuesto, es necesario que el alumno esté físicamente en el laboratorio, tanto para generar el fichero de programación y programar la FPGA, como para comunicarse con ella y ver los resultados en el display de 7 segmentos, del contenido de la memoria o a través del monitor VGA, esto es, interactuar con el kit de desarrollo. Si bien en el curso actual no se ha contemplado programar otros dispositivos, la aplicación que se presenta en este trabajo permite interactuar con otras tarjetas de test que contengan otros tipos de FPGA. OBJETIVOS El objetivo del proyecto con respecto al alumno, es que pueda realizar las acciones antes mencionadas desde su casa, necesitando únicamente una conexión a Internet y el fichero fuente que deberá estar escrito en VHDL, para ello el alumno puede utilizar cualquier editor de textos y guardar el fichero en formato texto y con extensión ".vhd".

2 2 II. El diseño interno del sistema INTERNET FIGURA 2 LA COMUNICACIÓN VIRTUAL. Como se observa en la Figura 2 el alumno se conecta a Internet, accede al servidor donde puede compilar las prácticas como si estuviera en el laboratorio y las carga en la FPGA del kit de desarrollo. Los resultados visuales los obtendrá gracias a las imágenes ofrecidas por una webcam situada a tal efecto, mientras que la lectura de la memoria la realizará en modo texto en formato hexadecimal a través de la interfaz gráfica de la aplicación desarrollada. El objetivo con respecto al profesor es que la aplicación debe permitirle crear, borrar y modificar usuarios; también tendrá la posibilidad de indicarle al alumno las prácticas a realizar; así mismo podrá controlar los accesos de los alumnos al laboratorio y las prácticas desarrolladas por los mismos, facilitando así, el seguimiento del proceso de aprendizaje de los alumnos. I. Base de Datos DESCRIPCIÓN FUNCIONAL La aplicación usa como gestor de base de datos MySQL y en la base de datos se guarda información relativa a: Datos personales y académicos de los alumnos y del profesor, la confidencialidad de los mismos está garantizada. Información sobre las prácticas indicadas por el profesor. Información sobre las prácticas realizadas por los alumnos. Información sobre el modelo de dispositivo conectado al ordenador. Control del tiempo de acceso de los usuarios para evitar accesos simultáneos al kit de desarrollo, evitando así, que se puedan ocasionar conflictos. FIGURA 3 ESTRUCTURA INTERNA DE LA APLICACIÓN. En la Figura 3 se muestran las diferentes partes que componen la aplicación: PHP.- como lenguaje del lado del servidor. Servidor de Base de Datos.- para guardar la información vista en el apartado anterior. Servidor de correo.- para enviarle un mensaje al alumno con su contraseña si fuera necesario. Active WebCam.- Programa que se encarga de la comunicación con la WebCam, suministra las imágenes a nuestra aplicación. ISE de XILINX.- Programa con licencia que genera el fichero de programación. La comunicación se efectúa mediante línea de comandos. XSTOOLs.- Programa que permite la comunicación con el kit de desarrollo de la familia XSA, gracias a este programa se realiza la carga del fichero de programación, las ordenes a través del puerto paralelo y la lectura o escritura de la memoria. La comunicación con esta aplicación se realiza también mediante línea de comandos. Todo lo anterior compone el software del servidor y la aplicación desarrollada trata que el alumno no llegue a percibir cada una de las partes sino que la vea como un todo

3 III. La interfaz con el usuario 3 La interfaz se compone de diferentes ventanas entre las que cabe destacar: Ventana de acceso FIGURA 5 COMPILACIÓN DE LOS FICHEROS EN VHDL. FIGURA 4 VENTANA DE ACCESO. La ventana de acceso, ver Figura 4, presenta un menú izquierdo que nos permite abrir enlaces hacia la página de la Universidad, del Departamento y del propio profesor, así mismo, existe un cuarto enlace opcional que podrá o no aparecer a criterio del profesor, y que se dedica a otros enlaces de interés. También aparece el correo electrónico del profesor para poder ponerse en contacto con él. La parte central de la ventana se ha reservado para que el usuario introduzca su nombre de usuario y su contraseña. Además se proporciona una ventana donde en modo texto se ofrecen los reportes más interesantes que proporciona la aplicación de Xilinx, informando al final en castellano si el proceso ha terminado satisfactoriamente o no. Los reportes generados por la aplicación de Xilinx se pueden abrir completamente pulsando sobre el símbolo interrogante. Ventana de interfaz con el kit de desarrollo Ventana de programación Para programar el dispositivo se requiere de un fichero previamente compilado, dado que la herramienta de compilación utilizada en prácticas es la ISE Foundation de Xilinx, y que requiere licencia, se permite al alumno compilar los ficheros de programación a partir de ficheros escritos en el lenguaje de programación VHDL. El alumno puede escribir sus programas en cualquier editor de textos y realizar los principales procesos de compilación pinchando sencillamente unos botones, como se puede ver en la Figura 5, los procesos que puede realizar son los de síntesis, implementación y generación del fichero de programación de la FPGA. FIGURA 6 INTERFAZ CON EL KIT DE DESARROLLO. Esta ventana mostrada en la Figura 6, se presenta una vez que el alumno ha completado el proceso de generación del fichero de programación. Cabe destacar entre su funcionalidad: La ventana situada en la parte superior izquierda, ver Figura 7, permite el manejo de 7 entradas de 1bit de propósito general, implementándose también la posibilidad de utilizar un contador ascendente o descendente.

4 4 FIGURA7 ENTRADAS DE PROPÓSITO GENERAL. La ventana que se encuentra debajo de la anterior, ver Figura 8, nos permite leer la memoria, así como cargar un fichero con formato ".hex" de Intel. FIGURA 9 WEBCAM PARA MOSTRAR INSTRUMENTAL DEL LABORATORIO. Ventanas del profesor FIGURA 8 ACCESO A LA MEMORIA. La ventana inferior es un editor de texto que permite ver y modificar el contenido de la memoria y también descargar su contenido en un archivo. Las ventanas que son accedidas por el profesor le permiten realizar las siguientes acciones: Llevar un control sobre las prácticas que realizan los alumnos, ver Figura 10. La ventana superior derecha, ver Figura 9, nos ofrece la imagen de la webcam donde podemos ver en este caso el display de 7 segmentos. La webcam puede ser orientada para mostrar otras tarjetas de expansión u otros periféricos, como puede ser un monitor. Además ofrece la posibilidad de modificar el tiempo de refresco de la imagen y por tanto ajustar este tiempo en segundos a la velocidad que permita la conexión del alumno. FIGURA 10 CONTROL DE LAS PRÁCTICAS REALIZADAS POR UN ALUMNO. Crear nuevas prácticas o dar de baja a las mismas, adjuntando un fichero con información sobre las prácticas, como se observa en la Figura 11.

5 5 FIGURA 11 INTERFAZ PARA LA GESTIÓN DE LAS PRÁCTICAS. Dar de alta, baja, modificar a los usuarios, también se permite realizar anotaciones sobre cada uno de ellos, ver Figura 12. FIGURA 13 CONFIGURACIÓN DEL FICHERO DE RESTRICCIONES. Modificar los parámetros principales de la interfaz, tanto parámetros generales como de diseño, permite al profesor modificar los enlaces a las diferentes páginas que aparecen en la ventana de acceso. También permite seleccionar que dispositivo de la familia XSA de la empresa XESS, se va a usar en las prácticas. Ver Figura 14. FIGURA 12 CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA. Modificar las restricciones, lo cual permite al profesor determinar que pines de la tarjeta de test van a poder usar los alumnos y cuales no, ver Figura 13. FIGURA 14 CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA. ACCESO SIMULTÁNEO DE DIFERENTES ALUMNOS El sistema permite el acceso simultáneo a varios usuarios, pudiendo descargar prácticas, subir y compilar sus archivos, sin embargo, solo uno de ellos puede acceder al kit de desarrollo. Para conseguir esto cada vez que algún usuario trata de realizar alguna operación con el kit de desarrollo, el sistema consulta en la base de datos sobre el usuario y el

6 tiempo UNIX en que se realizó el último acceso. Si el nombre de usuario coincide puede continuar, pero si el nombre de usuario no coincide, el sistema calculará la diferencia entre el tiempo UNIX actual y el tiempo UNIX que aparece en la tabla. Caben dos posibilidades: Si el resultado es menor de 300 segundos (5 minutos) nos indica que hace menos de 5 minutos que el último usuario ha realizado una operación y por tanto se considera que aun es un usuario activo y se le deniega el acceso al nuevo usuario que realiza la petición. Si el resultado supera el valor de 300 segundos, nos indica que hace al menos 5 minutos que el último usuario activo realizó alguna operación y por tanto el nuevo usuario activo será el que realice la petición, apropiándose del uso del dispositivo e insertando como nuevo tiempo UNIX el tiempo UNIX actual III. Alta integración de la aplicación Si bien el sistema está compuesto por varios programas y realiza llamadas a diferentes aplicaciones, el sistema expuesto funciona como un todo, de forma transparente al usuario, que interactua con el sistema sin notar que está formado por diversas aplicaciones. IV. Aplicación en sintonía con las lineas marcadas en el acuerdo de Bolonia Esta aplicación facilita la implantación de los nuevos créditos ECTS al facilitar, tal y como se describe en este documento, el acceso al laboratorio y dar una mayor libertad al alumno, posibilitando que el pueda experimentar con el instrumental cuanto desee. Así se potencia el desarrollo de habilidades del alumno, de la capacidad de aprendizaje autónomo dirigido y de la gestión y planificación de su tiempo; características deseables en el espacio europeo para la educación superior. 6 CONCLUSIONES I. Alta Interactividad con el alumno La herramienta que se ha desarrollado está ideada para que el alumno sienta una sensación parecida a encontrarse en el laboratorio, aunque trabaje desde su casa. Para ello el alumno podrá: Ejecutar y ver los resultados de cada uno de los pasos necesarios de la herramienta ISE de Xilinx para generar el fichero de programación. Ver a través de webcam los resultados de sus acciones en tiempo real, para ello podrá interactuar con los periféricos de la tarjeta de test. Leer y escribir en la memoria SDRAM. La aplicación permite al alumno realizar completamente las prácticas. II. Laboratorios abiertos 24 horas, 365 días. REFERENCIAS [1] McBride, " Manual práctico: JavaScript, WML y WMLScript ", Belenguer Grupo Editorial, [2] " Manual de PHP ", [3] " Manual de JavaScript ", [4] Empresa XILINX, [5] Empresa XESS, [6] Olivares, J.; " Guía Docente de Sistemas Electrónicos Digitales ", Documento Interno de la Universidad de Córdoba, [7] Parnell, K; Nick, M. Programmable Logic Design Quick Start Hand Book. Xilinx p. [8] Xilinx; ISE 5 In-Depth Tutorial; Xilinx p. [9] Xilinx; Xilinx Synthesis Technology (XST) User Guide; Xilinx p. [10] XESS Corporation; XSTOOLs Source Documentation 4.0; XESS p. La aplicación permite el manejo remoto del kit de desarrollo a través de Internet, manteniendo un control sobre los usuarios y sus acciones. Por tanto serán muchos los alumnos que se beneficien gracias a la libertad de horarios que esta permite, el laboratorio puede permanecer abierto las 24 horas del día todos los días del año.