基于SoC的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程創(chuàng)新研究

葉朝輝，周永明，林 博，張 燕

（清華大學自動化系，北京 100084）

基于SoC的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程創(chuàng)新研究

葉朝輝，周永明，林 博，張 燕

（清華大學自動化系，北京 100084）

隨著SoC（System on Chip）應用越來越廣泛，現(xiàn)代電子系統(tǒng)大多以SoC為基礎進行設計。首先調(diào)研目前的SoC電子系統(tǒng)設計課程，在此基礎上介紹了內(nèi)容上和教學模式上具有一定創(chuàng)新的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計相關課程，并詳細介紹了課程的教學指導思想、教學內(nèi)容和教學模式及課程開設的效果。

SoC；電子系統(tǒng)設計；課程

1 電子系統(tǒng)設計課程的現(xiàn)狀

現(xiàn)代電子技術應用非常廣泛，尤其在消費、工業(yè)、航空航天、海洋、交通、汽車、電力及能源、生物醫(yī)療、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等各方面的測量、監(jiān)測與控制應用中，都離不開現(xiàn)代電子系統(tǒng)。而現(xiàn)代電子系統(tǒng)大多以SoC為基礎進行設計，因此在電子系統(tǒng)設計教學中引入SoC技術的相關內(nèi)容就成了必然趨勢。

SoC將需要多個集成電路芯片完成的功能集成在一塊芯片上，使其集成度、穩(wěn)定性和可靠性高以及功耗低，因此其應用越來越廣泛。最初的SoC采用ASIC技術將多種功能制作成固定的芯片，稱為ASIC SoC。隨著應用需求的發(fā)展，又出現(xiàn)了功能可通過軟件修改定制的可編程SoC（Programmable SoC或者System on Programmable Chip，簡稱PSoC或者SOPC），例如帶模擬和數(shù)字可編程模塊的PSoC，以及基于FPGA設計的SOPC系統(tǒng)等。另外，SoC越來越多地與嵌入式技術相結合，將32位微處理器也集成到PSoC或SOPC系統(tǒng)中。同時基于SoC的系統(tǒng)設計方法也逐漸發(fā)展成為軟硬件協(xié)同設計的新方法，使得設計靈活方便，非常適合于學生進行創(chuàng)新設計，培養(yǎng)學生軟硬件創(chuàng)新設計能力。

目前國內(nèi)外開設的SoC系統(tǒng)設計課程大致分為4類，第一類是基于FPGA平臺，培養(yǎng)學生從底層開始設計數(shù)字SOPC系統(tǒng)的能力，包括微處理器、總線、存儲器等單元［1－4］；第二類是基于FPGA平臺，利用已有的微處理器和總線IP核，培養(yǎng)學生設計SOPC系統(tǒng)的能力［5－7］；第三類是基于PSoC平臺，培養(yǎng)學生設計模數(shù)混合SoC系統(tǒng)的能力［8－9］；第四類是基于ASIC SoC的嵌入式系統(tǒng)，培養(yǎng)學生設計嵌入式系統(tǒng)的能力［10－12］。

以上這些課程都是應用單一的某種SoC技術進行教學，側(cè)重于基于某種系統(tǒng)平臺的SoC系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng)，或者針對某類問題培養(yǎng)學生設計SoC系統(tǒng)的創(chuàng)新能力，取得了較好的教學效果。然而，為了讓學生更全面地理解SoC技術的發(fā)展以及不同類型SoC的特點，給學生更多的研究創(chuàng)新的空間，并且使學生將來在實際應用中能夠更加靈活、合理地選擇最合適的SoC系統(tǒng)，作者將在內(nèi)容上和教學模式上具有一定創(chuàng)新的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計引入本科生“電子技術課程設計”和研究生“電子技術專題”2門課程。在課程中將ASIC SoC以及PSoC、SOPC均引入教學，首先讓學生了解SoC技術的發(fā)展、分類和特點、設計方法等，然后利用不同的SoC實驗平臺完成基本實驗和提高實驗，在此基礎上選擇最合適的SoC系統(tǒng)完成具有實用性的綜合實驗，最后自由選題、自選實驗平臺完成一個具有創(chuàng)新性的實驗。通過這種教學模式不僅讓學生深入理解SoC的特點和設計方法、能根據(jù)應用需求選擇合適的SoC系統(tǒng)，還能最大限度地發(fā)揮學生的創(chuàng)造性。

2 課程教學指導思想

課程教學指導思想主要包括4個方面：及時引入新技術；教學內(nèi)容結合實際應用；教學過程循序漸進、因材施教；培養(yǎng)學生的創(chuàng)新研究能力及合作精神。

2.1 及時引入新技術

時刻關注前沿技術的發(fā)展，及時將新技術引入相關課程。2007年在國際國內(nèi)較早地將模數(shù)混合可編程的PSoC芯片引入本科生“電子技術課程設計”和研究生“電子技術專題”課程，設計了實驗平臺和實驗，編寫了教材，發(fā)表了教學論文，申請了發(fā)明專利，并與課外科技活動相結合，獲得多項校級挑戰(zhàn)杯競賽獎。

隨著SoC技術的發(fā)展，基于FPGA的可編程SOPC技術逐漸興起，2010年開始又在課程中開設了基于軟核NIOS的SOPC系統(tǒng)設計內(nèi)容。同時，原有的ASIC SoC，例如基于32位ARM微處理器的嵌入式SoC也開始設計出先進的帶模數(shù)混合可編程GPIO功能的ARM CortexM系列芯片。為了讓學生及時了解和掌握新技術，2011年開始又將基于ARM CortexM的SoC系統(tǒng)設計引入教學。

2.2 教學內(nèi)容結合實際應用

在講授系統(tǒng)設計方法和給學生設計實驗時，將教學與科研相結合，將科研中設計過的實用系統(tǒng)作為樣例講授設計方法，或者將實用系統(tǒng)簡化后作為實驗設計項目。學生在教學過程中接觸到實用系統(tǒng)，有利于學以致用，避免紙上談兵。

2.3 教學過程循序漸進、因材施教

教學過程包括講授和實驗2個環(huán)節(jié)。課程先講授SoC和現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的基本知識，然后講授實驗相關內(nèi)容。

實驗內(nèi)容包括循序漸進的4個層次：基本實驗、提高實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗?；緦嶒炘O計目的是讓學生盡快了解3種SoC的特點及設計方法，提高實驗設計目的是讓學生掌握利用3種SoC實現(xiàn)復雜功能的方法，綜合實驗設計目的是讓學生掌握選擇最合適的SoC設計實用電子系統(tǒng)的方法，創(chuàng)新實驗設計目的則主要是讓學生合作自由選題、自選實驗平臺完成一個具有創(chuàng)新性的實驗。通過4個層次的實驗，逐步培養(yǎng)學生獨立綜合、設計、研究、創(chuàng)新及合作的能力。

以上4個層次的實驗并不要求所有學生全部完成，學生可根據(jù)自己的能力和興趣選擇，做到因材施教?；緦嶒灪途C合實驗為必做實驗，但學生可根據(jù)自己的興趣選擇幾個基本實驗和一個綜合實驗完成。其他2個環(huán)節(jié)學生可根據(jù)自己的能力選做，例如能力較強的學生可以跳過提高環(huán)節(jié)直接做綜合實驗，并選做創(chuàng)新實驗，而能力較弱的學生則可以選擇做前3個層次的實驗，還有的學生則4個層次的實驗都能完成。

2.4 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神

為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神，設計了創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)，學生可以自由組成團隊，合理分工，自由選題、自選實驗平臺完成一個具有創(chuàng)新性的實驗。實驗器件可以選擇實驗室提供的，也可以自己購買。有的學生采用2個實驗平臺設計了難度較大的創(chuàng)新實驗，有的學生則自行購買所需器件，自己焊接電路實現(xiàn)有創(chuàng)意的系統(tǒng)。該實驗環(huán)節(jié)極大地調(diào)動了學生的積極性并激發(fā)了他們的創(chuàng)造性，同時通過團隊合作培養(yǎng)了他們的合作精神。

3 教學內(nèi)容

教學內(nèi)容主要包括講課和實驗2部分內(nèi)容。講課內(nèi)容主要講授現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，包括SoC發(fā)展及應用概況，以及現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成、特點及設計方法，SoC的特點及分類、設計方法，實用電子系統(tǒng)設計樣例等。之后圍繞ARM CortexM微處理器、PSoC、FPGA－SOPC介紹3種器件的特點、應用領域、開發(fā)環(huán)境及開發(fā)方法、實驗平臺及各種傳感器和執(zhí)行器模塊等。實驗內(nèi)容主要包括4個層次，即基本實驗、提高實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗：

（1）基本實驗部分主要包含3種器件的基本功能實驗，例如，針對ARM CortexM4微處理器LM4F232設計的模擬比較器、ADC、PWM、UART、SSI、I2C、CAN、USB OTG等基本功能實驗，針對PSoC3設計的PGA、比較器、ADC、DAC、PWM、Timer、USB、SPI、UART、LCD顯示等基本功能實驗，針對Altera CycloneIV FPGA設計的基于NIOSII軟核微處理器的雙直流電機驅(qū)動、LCD顯示等基本實驗。

（2）提高實驗分別利用3種SoC實現(xiàn)較復雜的系統(tǒng)功能，例如，針對ARM CortexM4微處理器LM4F232設計的uC－OSII實時操作系統(tǒng)移植、直流電機速率控制與測量、SD卡文件操作及音頻播放器、基于無線WiFi的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)獲取實驗等，針對PSoC3設計的波形數(shù)據(jù)采集存儲及顯示、彩色LED陣列驅(qū)動、直流電機速率控制與測量等，針對Altera CycloneIV FPGA設計的基于NIOSII軟核微處理器的浮點數(shù)運算、簡單數(shù)字濾波、UART通信等。

（3）綜合實驗基于實際應用背景設計了多個帶傳感器或執(zhí)行器的系統(tǒng)，包括針對ARM CortexM4微處理器LM4F232和PSoC3設計的迷你車載冰箱溫控系統(tǒng)、安防短信報警系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng)等，針對Altera CycloneIV FPGA設計的基于NIOSII軟核微處理器的數(shù)字溫度采集、存儲、顯示及傳輸?shù)取?/p>

（4）創(chuàng)新實驗是開放式的實驗，學生可以自由選題、自選實驗平臺、自選外圍設備模塊，2人或多人合作完成一個具有創(chuàng)新性的實驗?？梢圆捎?個或多個實驗平臺設計，可以利用實驗室提供的外圍設備模塊，也可以自己購買。

4 教學模式

采用了有利于培養(yǎng)學生實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的教學模式。教師除了講授基本知識外，還要組織學生討論、答辯并對學生進行一定的輔導，引導學生有意識地培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及表述問題和結果的能力。而學生則在自學、設計、調(diào)試、實現(xiàn)等環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)自己的實踐動手能力、研究問題并解決問題的能力以及創(chuàng)新能力等。

采用多元化考核，教師全過程觀察記錄學生的自學、儀器和設備操作、設計、調(diào)試、實現(xiàn)、答辯等環(huán)節(jié)，并對實驗結果進行驗收。從這些環(huán)節(jié)中評價學生的科學作風、自學能力、研究能力、解決問題能力、動手能力、表達能力、創(chuàng)新精神和合作精神等。

管理采用開放式，器材開放、場地和設備開放，實驗時間除白天外，晚上可以預約。這種管理模式有利于學生合理安排學習，最大限度地發(fā)揮他們的潛力。

5 教學效果

基于SoC系統(tǒng)設計的相關課程自2007年開課以來一直受到學生的歡迎，選課人數(shù)總是超過課程容量。學生反映在課程中有很多收獲，不僅學到了新知識、掌握了新技術，還激發(fā)了他們實驗的熱情，提高了解決問題的能力和創(chuàng)新能力。許多學生課后還參加了課外科技活動，利用這些實驗平臺設計自己創(chuàng)作的作品。

圖1、圖2分別是學生的實驗作品。圖1為利用PSoC3和ARM CortexM4兩個平臺搭建的游戲系統(tǒng)，其中利用了PSoC3平臺的電容感應觸摸按鍵和滑條作為輸入設備，利用了ARM CortexM4平臺的彩色OLED顯示屏作為輸出設備。圖2為利用Altera CycloneIV FPGA平臺實現(xiàn)的數(shù)字溫度采集系統(tǒng)。

6 結束語

本文將基于SoC的電子系統(tǒng)設計引入相關課程教學，從教學內(nèi)容、教學模式和教學手段上力求做到跟蹤前沿，及時引入新技術和新方法，循序漸進、因材施教，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神。課程開設幾年來一直受到學生的歡迎，同時學生也提出建議和意見使課程建設得越來越好。

圖1 利用PSoC3和ARM CortexM4兩個平臺搭建的游戲系統(tǒng)

圖2 利用Altera CycloneIV FPGA平臺實現(xiàn)的數(shù)字溫度采集系統(tǒng)

（References）

［1］Ying Tang，Head L M，Ramachandran R P，et al.Vertical Integration of System－on－Chip Concepts in the Digital Design Curriculum［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2009：85－88.

［2］Hamblen J O.Using an FPGA－based SOC Approach for Senior Design Projects［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2003：18－19.

［3］Lynch J D，Hammerstrom D，Kravitz R.A Cohesive FPGA－Based System－on－Chip Design Curriculum［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2005.

［4］Laffely A，Burleson W.Using System－on－a－Chip as a vehicle for VLSI design education［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2003.

［5］何志敏.SOPC課程教學研究與實踐［C］.第一屆計算機實驗與實踐教學研討會，2011.

［6］Omar Hammami Muhammad Omer Cheema.Graduate Education to Fight System Level Design Productivity Gap in SOC Design［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2007.

［7］Barros A，Lima P，Xavier J，et al.Teaching SoC Design in a Project－Oriented Course based on Robotics［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2005.

［8］Cypress Press Releases.University of New Hampshire Offers New PSoC Class［EB/OL］.（2010－09－03）.http：//www.cypress.com/？rID＝45860.

［9］Cypress Press Releases.University of New Hampshire Offers Com－puter Architecture Course Focusing on Cypress’s PSoC Programmable System on Chip［EB/OL］.（2011－05－20）.http：//www.cypress.com/？rID＝48280

［10］田?？?SoC單片機在電子系統(tǒng)設計課程實驗的應用［J］.電氣電子教學學報，2006（6）：74－75.

［11］Hamblen J O.Using a low－cost SoC Computer and a Commercial RTOS in an Embedded Systems Design Course［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2007.

［12］Park S，Chae Soo－Ik.A Two－week Program for an Platform－based SoC Design［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2005.

Research on innovation of Modern Electronic System Design course based on SoC

Ye Zhaohui，Zhou Yongming，Lin Bo，Zhang Yan
（Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Modern electronic systems are usually designed with SoC，because SoC is used more and more widely.This paper first studies the Modern Electronic System Design course in the world，and introduces the courses related with the Modern Electronic System Design with innovative content and teaching method.This paper introduces the course ideology，content，teaching mode，and course effects in detail.

SoC；electronic system design；course

G642.0

A

1002－4956（2014）1－0166－03

2013－05－24 修改日期：2013－07－05

葉朝輝（1968—），女，湖南望城，博士，副教授，研究方向為現(xiàn)代電子技術應用.

E－mail：yezhaohui＠tsinghua.edu.cn