一个可以从网络访问的分布式的VHDL编译器和模拟器
Minas Dasygenis
信息与通信工程系，
西马其顿大学，
Kozani，50100，希腊，
电子邮件：mdasyg@ieee.org
摘要 - 在过去的几年中，基于网络的应用程序已经成为提高员工办公效率的有效范例。 有时，公司开发其商业产品的网络版本，并免费或根据计费计划提供。 尽管我们生活在网络革命（或网络解决方案）中，但电子设计自动化工具却不在这一领域。 在本文中，我们介绍基于Web的VHDL编译器和模拟器的设计和开发，即使是手机或平板电脑，也可以免费提供给每个互联网用户。 据我们所知，我们的工作是第一个可从互联网上获得的非商业VHDL编译器和模拟器，并作为开源软件下载，为基于Web的EDA开发铺平了道路。
引言
我们生活在新的和激动人心的时代，科技正在飞速发展。 出于这个原因，许多人相信我们生活（并引导）网络（网络解决方案）的硬件和软件革命并不奇怪。 这个网络解决方案的结果之一就是人们履行职责的方式，尤其是在没有任何限制的情况下，即使在移动中也能够通过因特网运行标准Web浏览器的每个互连客户端设备的灵活性。 这种灵活性来自使用Web应用程序，这些应用程序有时被命名为云计算。
这种类别的网络应用被认为是一个强有力的竞争者，特别是在低延迟和高带宽网络（比如互联网和移动设备的普及）更广泛的可用性方面，与传统的在个人计算机上工作的方式相反。 Web应用程序比同一台计算机上的有限制工作显示出许多优点，因为它们有助于工作场所的移动;在Web应用程序中，用户可以在他的桌面上启动他的工作，暂停并恢复在他的移动电话或他的平板电脑上工作，而没有任何生产力损失或浪费时间。此外，维护成本最低（不需要安装或升级软件），客户端系统的最低系统要求保持了微不足道的硬件成本，而软件和客户端硬件之间的联系断开使工作具有更好的灵活性力。它还可以保证业务的连续性，防止发生不利条件（如犯罪，恐怖分子，风暴等）。在这项工作中，我们将使用术语Web应用程序来指代将软件用作服务的场景（SaaS
[12]），其中一个软件安装在网络服务器上，可以通过互联网访问，通过HTML标准，使其可用于每个典型的浏览器。
978-1-4799-5412-4/14/$31.00 copy;2014 IEEE
在过去几年中，一些公司开始关注软件革命，并将他们的应用程序套件转移到云端。 销售办公产品或业务管理工具的厂商，如微软，Adobe，甲骨文和其他一些公司已经创建了他们的桌面应用程序套件的Web版本，几乎具有相同的功能。 尽管许多应用系列都具有网络存在和使用，但电子设计自动化（EDA）公司在云计算方面并没有很强的影响力。 此外，关于开源社区，没有工具可以通过网络提供EDA的最基本的操作，这些操作是编译和模拟。 具体而言，我们查询了互联网的主要搜索引擎，并探索了拥有1,000万个开源代码库的github.com开源归档，并且我们没有发现任何可用作Web EDA工具来执行编译和模拟的东西。
我们对这种完全缺乏开源Web EDA工具感兴趣，并决定通过设计和编码一个开源项目来采取行动，以用于VHDL的硬件设计语言（HDL）。我们称之为#39;HDL Everywhere#39;，它具有创建，编辑，编译和模拟VHDL文件的所有基本功能。该工具使用可编写脚本的开源命令行编译器和模拟器。在我们的设置中，我们使用的是ghdl工具，但我们的参数化工具可以配置为使用任何脚本化的命令行编译器。
我们的项目已安装在公共Web服务器上，任何人都可以使用它来测试其功能。我们的网络EDA工具由几千行PHP，Javascript，CSS，HTML和shell脚本组成，并且经过了一段时间的广泛测试。我们认为，我们的工作成果是一个有趣的话题，因为EDA工具是少数尚未利用分布式实现，云开放源代码堆栈等的一些工具，就像其他办公工具一样。
这个工具的想法被两个不同的场合所强化，我们认为这在学术界是很常见的：首先，当我们在一些实验室课程中教VHDL时，我们想通过编译学生的代码来快速评估工作监控每个学生的进度，并通过在线编辑帮助他们纠正错误。其次，由于我们正在开发另一个在线工具，给定一组约束条件以创建具有特定功能的HDL描述，并且我们希望验证从网络生成的代码的正确性。通过投入时间和精力创建这样一个工具，我们解决了这两方面的需求，因此我们向所有需要使用或定制相似要求的人员提供此工具。
我们对这项工作的主要贡献是：（a）提供一个网络EDA编译器和模拟器工具，供每个设计人员使用，他甚至可以从他的手机上评估或创建VHDL设计，而无需在他的终端上安装任何软件，（b）创建一个参数化工具，设计团队可以在其中一台服务器上下载并安装，以保护其项目的机密性;（c）提供一个开源Web HDL项目，该项目将从EDA社区的志愿者那里收集通过加入我们的开发团队来改善这一现状，以便在开源EDA领域创造出独一无二的软件;（d）调查和讨论我们在创建此工具时所采用的架构决策，激励其他开发人员创建类似的工具。
关于我们网络EDA工具的目标群体，我们主要关注以下内容：首先，互联网的匿名设计者想快速执行VHDL编译和验证;其次，在企业环境中的设计团队可以从我们的网站下载该工具并在内部进行部署，以便其成员在安全和未披露的情况下使用该工具，以及第三，正在使用该工具的学生HDL为他们的实验任务设计课程，在教授的监督下进行。尽管该工具利用免费提供的ghdl工具进行下载和本地安装，但我们提供了更好的体系结构，因为我们大大增强了EDA工具并将其迁移到分布式云体系结构，提供了比本地安装更好的功能，如第II。
我们工具的主要特点是：（a）通过浏览器创建，编辑，修改，删除文件，（b）创建参数化作业文件，（c）编译和模拟作业文件，（c）处理作业文件单一或分布式情况。就我们所知，没有像我们这样的免费网络工具，它支持分布式编译和模拟工具，可以通过浏览器访问，并且可以作为开源软件在Apache 2.0许可下使用。
在本文中，我们将介绍我们的Web EDA工具的动机，设计，体系结构，实施和未来工作问题，并详细介绍其内部结构，跳出它将引起EDA供应商的注意，将其工具流迁移到云，或收集志愿者进一步发展我们的工作。出于这个原因，本文作为实施论文，并没有任何理论背景。尽管很少有读者可能看起来很奇怪，但网络工具设计工具对设计和实现过程中所做的决定进行了大量研究，这可能会使类似的方法受益。
本文的其余部分的结构如下。在第二节中，我们提出了一些指示性参考书目，而在第三节中，我们分析了我们工具的结构和所有模块。在第四节中，我们描述了该工具的功能和安全性，最后提出了未来的增强（第五节）和最后的评论（第六节）
相关工作
尽管在过去几年中，许多应用程序和工作流程已转移到云端，但EDA应用程序存在巨大差距。研究人员从10年前就已经注意到这一点[7]，并指出了基于网络的工具的好处。目前，来自主要EDA公司的Synopsis提供了用于验证的Web VCS工具。其他研究团队已经提出了用于高层次综合的网络工具[2]，或者用于优化功率和能量优化[8]，或者使用JAVA输入来创建VHDL代码[11]，或者用于模拟设计[6]目的[9]。
EDA设计过程需要大量资源进行设计，编译和仿真。使用具有与面向桌面的工具相同功能的网络可访问工具（或云工具），可以使他们的硬件预算保持在较低水平，从而增加收入。一些作者已经指出了在EDA行业使用云计算的好处，并解决了在其设计方法中进行范式转变的好处。由Synopsis工程计算副总裁Hasmukh Ranjan支持：“针对EDA的云计算最适合满足需求，因为它提供了巨大的可扩展性，Ondemand可用性，灵活性和弹性。”他总结了他的论文，指出将EDA应用程序转移到云计算的步骤之一是“技术准备”，意思是创建Web工具和脚本以支持可从Web访问的EDA工具。我们的网络工具是第一个增强传统桌面编译器和模拟器功能的开放源代码工具，可以将它们用作Web应用程序。
电气和电子工程师协会工具从云中缺席已经被电气和电子工程师联合会（IEEE）的Leon Stok [10]发现，他的结论是“现在是设计和EDA行业拥抱云计算的时候了”。在他的论文中，他提出的解决方案将使EDA工具处于计算的前沿，并在云环境中拥有强大的影响力。我们同意他的看法，为此，我们开发了我们的网络工具，这是第一个开放源代码的工具，免费提供，让每个人都可以使用它或修改它。
我们的分布式开源Web工具与英特尔的EDA计算基础架构有一定的相似性[4]，因为它可以分为前端和后端部分，分布式调度器通过像NFS这样的通用文件系统。英特尔的EDA软件基础设施是封闭的源代码，没有通用参数化，也没有公开。此外，他们的基础设施具有不同的范围，因为它还支持用于图形用户界面工具，检查点设置，资源监视等的VNC显示。与英特尔的共同点是，两种方法都将云用于EDA应用程序。其中一个区别是我们的工具可以免费供所有人使用，贡献和增强其功能。
与我们自己的工具相似的工具是DesignSoft的TINACloud [1]。使用此工具，工程师可以在线设计和分析VHDL，后端基于商用软件TINA电路仿真器。这是一个商业工具，需要购买使用许可证。尽管这个例子表明EDA可以通过云来使用，并加强了我们的初始动机，但与我们的工具相比，它是商业和封闭源。
另一种在线和免费的EDA工具是PSHDL在线编译器[3]。简单和简单的硬件描述语言（PSHDL）是一种新的HDL，与传统的VHDL和Verilog相比，有点简化。 PSHDL的作者在线提供了一个类似于我们的工具的编辑器，编译器和模拟器，但它们只支持PSHDL语言。我们的工具提供了相同的功能，但我们的目标是标准化的VHDL。
尽管在线EDA工具很少，但工程师通过使用远程连接工具（如Microsoft远程桌面或虚拟网络计算）来连接到具有本地安装所需EDA工具的服务器，并找到了解决此缺陷的方法，以及通过互联网工作。这些解决方案具有以下缺点，这些缺点使浏览器EDA工具更加有利：（i）用户必须已经安装了远程连接客户端（如果其可用于他的平台），这对于我们的Web EDA工具不是必需的;（ii）在商业操作系统的情况下，连接到服务器的用户数量受到获得的“席位”的限制，这对于开源浏览器EDA工具来说不再是障碍;（iii）同时EDA任务的数量受限于服务器的硬件资源
（内存和CPU），由于分布式体系结构（第III节），它不适用于我们的浏览器EDA工具，（iv）VHDL代码的协作和共享非常困难，因为每个用户都经过身份验证，并且通常只有一个用户登录与我们的工具相比，许多人可以同时在同一个项目上工作，（v）异步教学不能用中央架构轻松执行，因为必须在服务器上创建大量学生帐户，耗时的过程，这促使我们开始创建这样的工具，（vi）中央服务器需要管理员在第一次使用之前设置，操作系统和所有工具和实用程序，禁止有人开始使用它，直到它完成了;我们的网络EDA工具可随时随地提供基础设施，使其成为测试设计所需的VHDL工具的情况下的理想选择，并且无需任何先前的安排和基础设施就绪。最后，（vii）当需要短期课程或研讨会时，让参与者访问在线浏览器环境比让他们完全访问服务器可能被恶意用户利用可以更安全。我们解决方案的唯一缺点是它需要一个网络（或互联网），但这并不是一个缺点，因为这是基础，并且在每个研究环境中都存在。
正如我们已经讨论的那样，没有任何其他开源软件能够提供从典型浏览器编辑，编译和模拟VHDL文件的完整功能，与我们的工具类似。 我们相信，通过我们的应用，我们将为在云中转移EDA工具和工作流程做出贡献，我们认为这是我们学科下一次重大转变。
系统架构
在本节中，我们将描述Web编译器的实现架构，解释开发过程中所做的各种决策。为了简化可移植性并帮助快速部署我们的工具，我们决定不包括任何数据库连接，而是以一种聪明的方式使用文件系统存储，如稍后讨论的。因此，我们的工具的安装可以在几秒钟内完成，通过提取.tar.gz存档并仅编辑四个配置变量，涉及存储文件的基本目录，调度器的临时工作目录，状态调度程序的目录，以及一个安全设置，以允许或不支持makefile。即使该工具不使用关系数据库，会话信息和状态也会保存在文件系统的文件中，这意味着用户可以暂停工作并稍后恢复。此外，用户可以安排一些汇编，关闭浏览器，并在一段时间后返回，以调查汇编的结果。在我们的工具中，设计人员可以创建，上传，编辑，编译和模拟他的文件，使其成为一个完整的EDA网络工具。
正如引言中提到的那样，该工具是参数化的。关于参数化，shell脚本和PHP脚本在开始时携带了一个变量块，涉及后端编译器的位置，模拟器，公共任务目录的绝对路径以及本地临时目录和通知区域。每个用户都很容易下载我们工具的tar-ball来根据他的环境修改这些变量并且毫无麻烦地使用它。该工具不需要管理权限，也可以由普通用户安装在本地Web服务器上。
关于该工具的架构，它可以分为三个不同的部门：（a）网络前端，（b）网络后端，以及（c）调度器（或分布式调度器）。
第一个组件是web前端，它已经在PHP5中开发，并使用AJAX，CSS和XHTML 1.1。
本部分负责向用户显示所有必要的信息和通知，并提供用户可以自定义和提交的各种表单，以便使用我们的工具。它由异步和同步元素组成，其中前者在没有用户交互的情况下更新网页，而后者则响应每个用户输入。在这里，我们使用异步AJAX流程来更新状态窗口，通知用户所有调度程序的操作，如处理特定作业，队列中的作业数量，空闲或运行状态等。
关于同步元素，会话管理表单会显示在其中，用户可以在其中创建新的会话标识号，恢复现有会话或删除现有会话。我们必须注意到，我们决定使用一个会话标识号码，而不是用户名/密码，这将需要一个数据库，以便简化我们的工具的安装。此外，会话标识号用密码安全的随机函数创
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A distributed VHDL compiler and simulator accessible from the web
Minas Dasygenis
Department of Informatics and Telecommunications Engineering,
University of Western Macedonia,
Kozani, 50100, Greece,
Email: mdasyg@ieee.org
Abstract—During the previous years, web based applications have gained prominence as an effective paradigm for an increase in workerrsquo;s office productivity. Occasionally, companies develop the web versions of their commercial products and provide them either free or under a billing plan. Even though we live in the web revolution (or webolution), the electronic design automation tools are absent from this landscape. In this paper, we present the design and development of a web based VHDL compiler and simulator, that is freely available to every Internet user, even from a mobile phone or a tablet. To the best of our knowledge, our work is the first non-commercial VHDL compiler and simulator accessible from the Internet, and downloaded as open source software, paving the road towards the web based EDA development.
INTRODUCTION
We live in new and exciting times, where technology is advancing with giant leaps. For this reason, it is not strange that many people believe that we live (and guide) the hardware and software revolution of the web (webolution). One of the outcomes of this webolution is the way that people perform their duties, and specifically the flexibility of being able to work from every interconnected client device carrying a standard web browser over the Internet, even on the move, without any constraint. This flexibility results from the usage of web applications, which some times are named cloud computing.
The class of web applications has been recognized as a strong contender especially with the wider availability of low latency and high bandwidth networks, such as the Internet and the proliferation of mobile devices, as opposed to the legacy way of working on a personal computer. Web applications illustrate many advantages over the somewhat constraining work on the same computer, because they facilitate the mobility of the workplace; within a web application the user can initiate his work on his desktop, pause and resume working on his mobile phone or his tablet, without any loss of productivity or time waste. Furthermore, the maintenance costs are minimum (no software needs to be installed or upgraded), the minimum system requirements of the client system keep a minuscule hardware cost, while the breaking of the bond between software and client hardware gives a better flexibility on the work force. It also enables the business continuity, in case adverse conditions do happen (like crime, terrorists, storms and so on). In this work, we will use the term web application to refer to the scenario of using the software as a service (SaaS
[12]), where a software is installed in a web server and it is
978-1-4799-5412-4/14/$31.00 copy;2014 IEEE
accessible from the Internet, over the HTML standards, making it available to every typical browser.
During the previous years some companies followed the software revolution and transferred their application suites to the cloud. Vendors that sell office products or business management tools, like Microsoft, Adobe, Oracle and other are some of the companies that have created web versions of their desktop application suites, bearing almost the same functionality. Even though many application families have a web presence and usage, electronic design automation (EDA) companies do not have a strong presence on the cloud computing. Furthermore, concerning the open source community, there is no tool to provide the most fundamental operations of EDA, which are compilation and simulation, over the web. Specifically, we queried major search engines of the Internet and explored the github.com open source archive, which hosts 10 million open source repositories, and we did not find anything that could be used as a web EDA tool to perform compilation and simulation.
We were intrigued by this total lack of open source web EDA tools, and decided to act, by designing and coding an open source project, to be used for the hardware design language (HDL) of VHDL. We call it lsquo;HDL Everywherersquo; and carries all the basic functions of creating, editing, compiling and simulating VHDL files. This tool utilizes an open source command line compiler amp; simulator that can be scripted. In our setup, we are using the ghdl[1] tool, but our parametrized tool can be painless configured to use any scripted command line compiler.
Our project has been installed on a public web server and is available to anyone to test its functionality[2]. Our web EDA tool consists of some thousands of lines of PHP, Javascript, CSS, HTML and shell scripts and has been under extensive testing for some time. We believe that our workrsquo;s outcome is an interesting topic since EDA tools are some of the few that have not taken advantage of distributed implementations, clouds open source stacks etc., like other office tools.
The idea for this tool, was reinforced by two different occasions, which we believe are common in academics: First, as we were teaching the VHDL in a number of laboratory courses and we wanted a quick way to evaluate the work by compiling the studentrsquo;s code, to monitor the progress of each student and to help them via the online editor to correct their mistakes. Second, as we were developing another online tool that given a set of constrains created HDL descriptions with specific functionality, and we wanted to verify the correctness of the generated codes from the web. By devoting time and energy to create such a tool, we solved both of these needs and as a result we provide this tool available to everyone with similar re
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