随着互联网技术、网络技术和计算机控制技术的快速发展,在线教学已经成为一种重要的教育方式。传统的实验方式受时间、空间的限制,已经不能很好地满足当下实验的需要,更无法满足在线教育的需要。论文研究并设计的FPGA(Field Programmable Gate Array)在线实验系统可以较好的解决基于FPGA平台的各类实验的在线开展问题。现有的远程实验系统大都采用以嵌入式系统为主,具有体积小、成本低等优点,但存在处理能力弱、部署难度高、不能同时为多个用户服务等缺陷。而且现有的远程FPGA实验系统通常需要在用户计算机安装庞大而且昂贵的EDA软件,在本地完成设计、综合、仿真等,最后配置到远程硬件平台,进行硬件测试。这种方式对用户的硬件和系统平台都有较高要求。针对上述问题,本文研究的FPGA在线实验系统采用了B/S模型,根据FPGA实验的特点,借鉴微服务器思想,设计了基于独立的编译服务器集群和实验服务器集群的网络架构。编译服务器集群为用户提供在线编辑、逻辑综合、约束建立、结构综合和时序分析等服务。实验服务器集群为用户提供FPGA远程配置、实验设备的遥信、遥测和遥控,以及实验现象的视频观察等。该系统结构具有部署便捷、易于开发、可扩展性强、支持高并发,跨平台等优点。针对远程实验设备的控制需求,论文设计了远程实验设备的通用硬件控制模块。该模块以单片机和FPGA为核心,可以提供多达40路的开关控制或继电控制。实现了基于DDS的高分辨率任意时钟源,数控电压源,数控电位器;实现了等精度频率、脉宽和占空比测量、高精度模拟电压测量等;实现了串口和网络通信。利用通用硬件控制模块可以对实验设备进行开关控制、信号发生、采集测量等,并通过实验服务器与用户进行远程交互。FPGA在线实验的另一个关键是FPGA的远程配置问题。论文研究了FPGA的远程配置方案,利用实验服务器以命令行直接调用Intel官方提供的quartus_pgm编程工具的方式实现了对FPGA的远程配置。实验现象的观察则采用了网络摄像头实现,简单方便。论文利用SSH(Struts2、Hibernate4、Spring4)框架搭建了编译服务器,并结合了FCKeditor编辑器,实现了FPGA实验的在线设计输入、在线综合、约束建立、适配、时序分析等。同样,利用SSH框架搭建了实验服务器,实现了FPGA的远程配置,并通过硬件控制模块实现了对实验设备的远程测控,使用户在浏览器上就能够完成对FPGA实验平台的实验操作。为了优化编译服务器集群和实验服务器集群,系统设计了编译调度服务系统和实验平台调度服务系统。为了最大限度提升系统效率,论文利用排队论对这两个子系统分别进行了数学建模。在编译调度服务系统中,针对FPGA在线编译的特点,对最小连接数、加权轮询算法进行了改进,使得编译服务器集群的运行效率更高。在实验平台调度服务系统中,利用排队论的M/M/n/m模型设定了实验平台调度服务系统中的关键参数,结合任务请求参数,研究了任务请求与实验服务器利用率之间的最优关系,为系统的大规模部署奠定了基础。