SoC系統(tǒng)平臺在EDA技術(shù)教學中的應(yīng)用

侯寧?趙張飛

摘要：針對本科階段SoC系統(tǒng)教學的不足，研發(fā)了SoC系統(tǒng)平臺并成功應(yīng)用于EDA技術(shù)教學中。通過積極探索EDA技術(shù)課程教學，加強實踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)，提升學生對SoC系統(tǒng)的理解，初步建立起軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想。

關(guān)鍵詞：EDA；SoC；教學特色

作者簡介：侯寧（1982-），男，河南鎮(zhèn)平人，河南城建學院電氣與信息工程學院，講師；趙張飛（1984-），男，安徽滁州人，河南城建學院電氣與信息工程學院，助教。（河南 平頂山 467000）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0088-02

集成電路工藝的不斷進步，使得整個嵌入式系統(tǒng)可以集成到單顆芯片中，稱為系統(tǒng)芯片（System-on-a-chip，SoC）。SoC是在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其不再是功能單一的單元電路，而是一種面向某種應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。[1，2]與由分立器件構(gòu)成的板級系統(tǒng)相比，SoC在成本、體積、速度、集成度、功能多樣性等方面均具有極大優(yōu)勢，是各種自動化設(shè)備、汽車電子、家電、消費類電子領(lǐng)域的核心部件。

由于我國在集成電路設(shè)計領(lǐng)域起步較晚，雖然歷經(jīng)十余年的奮起直追，但與國外的差距反而有逐步拉大的趨勢。2012年，國內(nèi)芯片進口總量2197.17億個，總額約1650億美元，已經(jīng)超過石油進口總額的1200億美元。SoC芯片的進口量更是在芯片進口總量中占有極大比重，因此，培養(yǎng)合格的集成電路設(shè)計人才是高校面臨的一項極其迫切的任務(wù)。

一、EDA技術(shù)教學面臨的挑戰(zhàn)

SoC系統(tǒng)設(shè)計包含硬件設(shè)計和嵌入式軟件設(shè)計兩個方面，需要微機原理、數(shù)字電路設(shè)計、模擬/射頻電路設(shè)計、嵌入式軟件等多學科的知識與技能。同時，由于SoC系統(tǒng)需要軟硬件協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)功能，因此設(shè)計者必須在定義SoC功能規(guī)范時，確定SoC系統(tǒng)的軟硬件劃分。隨后，按照軟件工程方法學設(shè)計嵌入式軟件，按照VLSI集成電路設(shè)計方法學設(shè)計硬件。在設(shè)計過程中也需要結(jié)合軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，加快SoC系統(tǒng)的設(shè)計進度。[3，4]

現(xiàn)階段，我國高校中電子類及通訊類專業(yè)均開設(shè)有導(dǎo)論性質(zhì)的SoC系統(tǒng)課程，但是理論性太強，學生缺乏對SoC系統(tǒng)的直觀認識并且出現(xiàn)重嵌入式軟件，輕體系結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計的問題。學生對系統(tǒng)總線、知識產(chǎn)權(quán)核（intellectual Property，IP）、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同設(shè)計等概念不甚了解。

EDA技術(shù)是通訊工程、電子信息工程、電子科學與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是唯一一門講述現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計方法及流程的課程。[5]當前EDA技術(shù)實驗面臨內(nèi)容單一，實驗項目常以驗證型實驗為主，學生的設(shè)計難以突破實驗箱的限制。[6]此外，在該課程教學之前，學生通過微機原理、單片機原理等課程的學習，已經(jīng)對嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、指令集等概念建立起整體認識，但是由于面對的仍然是8051、8259等分立器件，學生還沒有建立系統(tǒng)的概念，特別是軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想。因此，EDA技術(shù)教學中，在學生掌握了基本組合電路、時序電路設(shè)計方法后，利用一個真實的SoC系統(tǒng)平臺進行實踐教學，可以使學生進一步理解SoC系統(tǒng)，通過SoC系統(tǒng)實驗使學生初步建立起軟硬件協(xié)同設(shè)計思想。

二、SoC系統(tǒng)平臺介紹

為了滿足EDA設(shè)計課程教學中SoC系統(tǒng)實驗的需要，筆者開發(fā)了一款嵌入式SoC系統(tǒng)平臺，如圖1所示。

嵌入式SoC系統(tǒng)平臺包括一款兼容ARM指令集[7]的處理核。AHB總線掛接內(nèi)部存儲器，默認從設(shè)備，中斷控制器。處理核通過APB總線橋訪問常用的慢速外設(shè)，包括通用IO、定時器、SPI接口、I2C接口以及UART接口。

嵌入式SoC系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)化設(shè)計，外設(shè)豐富，除了滿足SoC系統(tǒng)實驗要求外，還可以做為EDA課程設(shè)計的基礎(chǔ)平臺開展一些開放性實驗。

筆者開設(shè)的SoC系統(tǒng)實驗課沒有采用Altera公司的SOPC實驗環(huán)境。[8，9]筆者認為對于初步接觸SoC系統(tǒng)的學生而言，該平臺涉及的自動化工具過多，容易將學生學習的注意力轉(zhuǎn)移到工具的使用上，而忽略了對SoC系統(tǒng)本身的學習。

三、SoC系統(tǒng)實驗介紹

已經(jīng)開設(shè)的SoC系統(tǒng)實驗包括系統(tǒng)總線實驗、通用總線接口（General Purpose Input Output，GPIO）設(shè)計實驗和開放性實驗三部分。通過這部分內(nèi)容的學習，要求學生掌握系統(tǒng)總線、IP核的概念，初步建立軟硬件協(xié)同設(shè)計思想并理解軟硬件資源開銷。

1.系統(tǒng)總線實驗

微機原理和單片機課程通常以8051作為授課對象。8051的外部總線是一種板級三態(tài)總線，要求地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，完全不同于強調(diào)流水操作的現(xiàn)代系統(tǒng)總線。AMBA總線是ARM公司定義的一種系統(tǒng)總線規(guī)范，用于ARM處理核與外設(shè)IP間的數(shù)據(jù)通訊，是一種典型的現(xiàn)代系統(tǒng)總線。①由于ARM處理核超高的市場占有率，AMBA總線標準應(yīng)用廣泛。

AMBA總線規(guī)范內(nèi)容較多，實驗僅涉及AHB-LITE總線和APB總線的基本操作。

圖2所示為一個典型的AHB-LITE總線系統(tǒng)，實驗要求學生自己定義各個外設(shè)的總線地址區(qū)間，設(shè)計出總線的譯碼器模塊和多路選擇器模塊。

APB總線橋連接AHB總線與APB總線，這部分內(nèi)容作為開放實驗的一部分，供學有余力的同學學習。實驗中僅要求學生掌握APB總線的基本讀寫時序。

通過系統(tǒng)總線實驗，使學生理解現(xiàn)代系統(tǒng)總線的設(shè)計思路，理解板級總線與片內(nèi)系統(tǒng)總線的區(qū)別。

2.GPIO設(shè)計實驗

GPIO是SoC系統(tǒng)最基本的外設(shè)IP，可以用作各類總線擴展接口，還可以提供額外的控制監(jiān)視功能。本實驗要求學生需要依據(jù)設(shè)計規(guī)范，設(shè)計出一款基于APB總線接口的GPIO外設(shè)IP，特別要求GPIO支持硬件“讀—改—寫”操作。通過該實驗使學生理解IP核的設(shè)計重點，重點建立軟硬件劃分的設(shè)計思想，理解軟硬件資源開銷。

圖3所示為實驗技術(shù)規(guī)范定義的GPIO框圖，主要包括數(shù)據(jù)模塊和中斷模塊。GPIO規(guī)范要求設(shè)計具有如下特征：軟件配置輸入或者輸出；支持硬件“讀-改-寫”功能；可配置作為中斷源；可配置支持上升沿和下降沿中斷。

在實際教學中，要求學生必須完成GPIO的數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計。中斷模塊的設(shè)計可作為開放性實驗。在實驗中，要求學生用軟件實現(xiàn)“讀—改—寫”操作，與硬件的“讀—改—寫”操作比較，深刻理解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的軟硬件開銷問題，對SoC系統(tǒng)的軟硬件劃分思想有初步的認識。

3.開放性實驗

SoC系統(tǒng)的內(nèi)容豐富，由于EDA技術(shù)學時有限，筆者將一些課程教學無法涉及的內(nèi)容放在EDA課程設(shè)計的開放性實驗環(huán)節(jié)。學生可以在利用SoC系統(tǒng)平臺開發(fā)外設(shè)IP，豐富平臺功能。

開放性實驗提供的可選實驗包括：PWM電機控制實驗，要求學生根據(jù)規(guī)范要求設(shè)計PWM IP并控制電機運轉(zhuǎn)；UART通用串口實驗，要求學生根據(jù)規(guī)范設(shè)計UART IP并與PC 調(diào)試助手通訊；SPI FLASH編程實驗，要求學生根據(jù)規(guī)范設(shè)計SPI IP并完成SPI FLASH編程；I2C接口液晶控制實驗，要求學生根據(jù)規(guī)范設(shè)計I2C IP并控制液晶模塊；RTC實驗，要求學生根據(jù)規(guī)范設(shè)計RTC IP并編程支持實時時鐘；未來開放性實驗還將提供SD Card IP，USB IP，Ethernet IP等實驗。

集成電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展迅猛，SoC系統(tǒng)平臺的擴展和豐富需要教師不斷學習，以確保學生在校期間能接觸到最先進的集成電路設(shè)計知識，快速適應(yīng)未來工作。

四、 結(jié)束語

針對當前本科教育階段SoC系統(tǒng)教學中重理論，輕實踐，重軟件，輕硬件設(shè)計的問題，筆者利用自己研發(fā)的SoC系統(tǒng)實驗平臺，積極探索EDA技術(shù)課程教學，加強實踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)，提升學生對SoC系統(tǒng)的理解，使學生初步建立起軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想。利用EDA課程設(shè)計的開放性實驗環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學有余力的學生獨立設(shè)計一些簡單的外設(shè)IP，培養(yǎng)學生興趣，進一步增強學生就業(yè)競爭力。

注釋：

①參見www.arm.com的內(nèi)容。

參考文獻：

[1]郭煒， 郭箏，謝憬.SoC設(shè)計方法與實現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社，

2007.

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[3]趙川，徐濤，孫曉光.高性能處理系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計研究[J].計算機工程與科學，2009，31（1）：20-23.

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[8]潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)使用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[9]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/ CPLD 設(shè)計指南[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責任編輯：王意琴）