面向工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的可編程片上系統(tǒng)實踐教學(xué)探索

摘要：針對電子信息工程專業(yè)開設(shè)“可編程片上系統(tǒng)”課程，提出了以學(xué)習(xí)遷移為主的教學(xué)設(shè)計，在理論講授和實驗指導(dǎo)中促進學(xué)生知識點與技能的正遷移，注重前后知識聯(lián)系的雙向遷移，并以綜合設(shè)計為目標(biāo)完成高級遷移。該教學(xué)方法在實際中取得了良好的教學(xué)效果，是培養(yǎng)工程復(fù)合型創(chuàng)新人才的一種值得推廣的嘗試。

關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng)；學(xué)習(xí)遷移；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0076-02

“可編程片上系統(tǒng)”（Programmable System-on-Chip，簡稱SOPC）課程是電子信息工程專業(yè)學(xué)生選修的一門理論與實踐相結(jié)合的課程，涉及到可編程器件、片上系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和軟件編程等多個領(lǐng)域的知識和技能。它要求學(xué)生掌握可編程片上系統(tǒng)的基本理論、分析方法與設(shè)計流程，[1]具備用VHDL或者Verilog HDL語言進行可編程器件片上系統(tǒng)設(shè)計的能力，[2]以及用C語言進行嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計的能力，重點在于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為今后從事復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計工作打下良好基礎(chǔ)。

作為ALTERA大學(xué)計劃的一部分，筆者所在學(xué)校和ALTERA公司成立了聯(lián)合實驗室，在ALTERA產(chǎn)品選用和技術(shù)指導(dǎo)上具有優(yōu)勢，同時ALTERA推出的NIOS II嵌入式軟核非常適合作為SOPC的CPU，因此選用ALTERA的DE2開發(fā)板作為教學(xué)設(shè)備。該開發(fā)板基于CYCLONE II型FPGA，具有豐富的IO接口和存儲芯片，同時也有開關(guān)、按鍵、數(shù)碼管和LCD等外設(shè)器件，是國內(nèi)眾多電子信息類高校采用的設(shè)備，具有代表性。[3]

SOPC教學(xué)中存在的難點是其相對于一般嵌入式系統(tǒng)和可編程器件設(shè)計類課程來說需要學(xué)生擁有較多的知識基礎(chǔ)，也要掌握更多的設(shè)計工具和編程語言，以及擁有系統(tǒng)設(shè)計的整體觀念和軟硬件聯(lián)合調(diào)試的能力。[4]對于豐富的教學(xué)內(nèi)容和繁多的設(shè)計工具，想要一一講授幾乎是不可能的，即便有時間講授也因為內(nèi)容太多而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難，因此必須培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和分析解決問題的能力，而學(xué)習(xí)遷移理論正好就給這種可能提供了理論指導(dǎo)。本文針對SOPC課程以DE2開發(fā)板為基礎(chǔ)提出一種有效的以學(xué)習(xí)遷移為主的教學(xué)方式，使得學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力大大增強，并且知識點和技能覆蓋較全面，有益于培養(yǎng)工程復(fù)合型創(chuàng)新人才、就業(yè)市場需要的人才。

一、學(xué)習(xí)遷移理論和課程特點

學(xué)習(xí)遷移即一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響，它廣泛地存在于知識、技能、態(tài)度和行為規(guī)范的學(xué)習(xí)中。任何一種學(xué)習(xí)都要受到學(xué)習(xí)者已有知識經(jīng)驗、技能、態(tài)度等的影響，只要有學(xué)習(xí)，就有遷移。遷移是學(xué)習(xí)的繼續(xù)和鞏固，又是提高和深化學(xué)習(xí)的條件，學(xué)習(xí)與遷移不可分割。[5]一般來說，學(xué)習(xí)遷移的主要類型有以下幾種：一是正負零。正遷移：一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)起到積極的促進作用；負遷移：兩種學(xué)習(xí)之間互相干擾、阻礙；零遷移：兩種學(xué)習(xí)間不存在直接的互相影響。二是順逆。順遷移：先前的學(xué)習(xí)對后來學(xué)習(xí)的影響；逆遷移：后來的學(xué)習(xí)對先前學(xué)習(xí)的影響。三是高低。低級遷移：反復(fù)練習(xí)的技能自動化地遷移；高級遷移：有意識地將習(xí)得的抽象知識運用到新的情境中。

理論上來說，增加學(xué)習(xí)的正遷移，減少零遷移和負遷移，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中的雙向（順向、逆向）遷移，并在低級遷移的基礎(chǔ)上努力增加高級遷移，就能達到學(xué)習(xí)的最佳效果。

表1給出了SOPC課程涉及到的知識點和實驗技能，以及它們的學(xué)習(xí)難易度?？梢钥闯稣n程知識點分布廣泛，包括軟硬件網(wǎng)絡(luò)知識，而實驗技能也對編程語言要求較多，還包括2～3種設(shè)計工具。因此教學(xué)如果全靠教師講授和指導(dǎo)，基本不可能面面俱到，學(xué)生會產(chǎn)生厭學(xué)、敷衍的態(tài)度，效果也會大打折扣。

另外，理論課和實驗課時間安排的比例應(yīng)至少4∶6或者更低，但理論課也不能太少，否則學(xué)習(xí)難度較大。實驗課時間較緊張，很多內(nèi)容不能一一完成，只能挑選比較典型的實驗來指導(dǎo)。筆者所在專業(yè)本課程設(shè)置為48學(xué)時，其中理論學(xué)時安排16學(xué)時，剩余32學(xué)時均為實驗學(xué)時。

表1 SOPC課程涉及到的知識點和實驗技能

知識點學(xué)習(xí)難度實驗技能學(xué)習(xí)難度

NIOS II CPU架構(gòu)較大SOPC BUILDER中NIOS II系統(tǒng)搭建和配置較低

AVALON片上總線、外設(shè)的總線接口較大QUARTUS II中VHDL或者Verilog HDL語言的編程一般

外設(shè)HAL硬件抽象層較低QUARTUSII或者MODELSIM中時序分析和約束一般

uCOS II實時操作系統(tǒng)一般NIOS IDE中C語言編程較大

Altera_lwip協(xié)議棧較低編譯下載硬件配置和軟件代碼并進行軟硬件調(diào)試較大

二、以學(xué)習(xí)遷移為主的教學(xué)設(shè)計

根據(jù)上述理論和課程特點，結(jié)合國內(nèi)的相關(guān)研究，[6-8]以學(xué)習(xí)遷移為主，以培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力為目標(biāo)進行教學(xué)設(shè)計。圖2展示了全部教學(xué)內(nèi)容。

1.促進知識點和技能的正遷移

正遷移能夠加快新內(nèi)容的學(xué)習(xí)，是非常利于自學(xué)過程的學(xué)習(xí)影響。SOPC課程和實驗內(nèi)容中有很大一部分都滿足正遷移的特點。將能夠滿足正遷移的知識點安排在一起講授，實驗則安排在一起指導(dǎo)，或者將部分內(nèi)容作為自學(xué)內(nèi)容，但要求實驗考核，這樣就能節(jié)省很多教學(xué)時間，并能提高學(xué)生的自學(xué)能力。如：配置NIOS II中對PIO外設(shè)的學(xué)習(xí)，可以遷移到LED、數(shù)碼管顯示、按鍵輸入等，因此講授PIO的配置就可以將數(shù)碼管和按鍵作為自學(xué)內(nèi)容，需要注意的是輸入的中斷設(shè)置應(yīng)該特別提醒。實驗安排上也把流水燈實驗、數(shù)碼管顯示實驗和按鍵中斷實驗等幾個內(nèi)容安排在一起。另外，字符模式外設(shè)也具有統(tǒng)一的特點，因此教學(xué)時應(yīng)放在一起講，同時統(tǒng)一安排JTAG通信實驗、字符LCD顯示實驗和串口通信實驗。又如：在HAL硬件抽象層中對UART設(shè)備的學(xué)習(xí)，可以遷移到JTAG UART設(shè)備、字符模式（LCD）設(shè)備。而對于文件子系統(tǒng)，可以遷移到Flash設(shè)備、DMA設(shè)備等等。

2.注重前后聯(lián)系的雙向遷移

前后知識點聯(lián)系可以達到加深理解的作用。從上一個知識點遷移到下一個知識點為順向遷移，從下一個知識點遷移到上一個知識點為逆向遷移。將滿足雙向遷移的知識點和實驗提前或者延后安排教學(xué)，可以起到事半功倍的效果。如：先跳過學(xué)習(xí)NIOS II CPU的中斷架構(gòu)和異常觸發(fā)機制，等到講授外設(shè)中斷的ISR中斷服務(wù)函數(shù)時，再來理解中斷架構(gòu)和異常處理機制、設(shè)置參數(shù)等，這種逆向遷移節(jié)省了教學(xué)時間，同時也加深了對知識的理解。又如：跳過NIOS II的復(fù)位概念，等到介紹啟動代碼alt_main（）函數(shù)時才回去重新理解，這是逆向遷移。再如：講授NIOS II的自定義指令時，就提前講授自定義組件外設(shè)，可以更好地理解自定義的含義以及強大的可編程性特點，這是順向遷移。

3.以綜合設(shè)計為目標(biāo)完成高級遷移

為了提高技能，需要花費大量時間做基礎(chǔ)實驗，包括軟件開發(fā)、下載調(diào)試流程等。只有通過大量的低級遷移，學(xué)生才能熟練掌握完整技能。在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生自行分組設(shè)計綜合實驗，可選內(nèi)容包括觸摸屏數(shù)碼相框設(shè)計（搭配觸摸屏子板）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計、MP3播放器設(shè)計、視頻播放器設(shè)計（搭配VGA顯示器）、其他感興趣的綜合實驗等，從而完成局域創(chuàng)新性、綜合性、團隊性的高級遷移。綜合實驗難度較高，為了減輕壓力和工作強度，同時增加團隊合作意識，安排3～4人為一組進行。人數(shù)不宜太少，也不宜太多，太少會讓任務(wù)無法完成，太多則會讓個別同學(xué)偷懶而無所事事。另外，女生最好和男生搭配組隊。

三、總結(jié)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在FPGA上設(shè)計可編程片上系統(tǒng)就成為了片上系統(tǒng)設(shè)計的趨勢，“可編程片上系統(tǒng)”課程因而也在越來越多的高校開設(shè)。作為“嵌入式系統(tǒng)”或者“可編程邏輯器件”等課程的后續(xù)專業(yè)課，該課程涉及到較多的軟硬件知識和技能，從而讓教與學(xué)都具有相當(dāng)?shù)睦щy性。本文提出以學(xué)習(xí)遷移為主的教學(xué)方法，通過促進知識點和實驗技能的正遷移、雙向遷移、高級遷移，大大增強了學(xué)生的自學(xué)能力，從而能夠更好地培養(yǎng)工程復(fù)合型創(chuàng)新人才、就業(yè)市場需要的人才。

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（責(zé)任編輯：孫晴）