基于SOPC嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

黎會(huì)鵬 黃璞

摘要：SOPC技術(shù)是近幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，逐步成為嵌入式系統(tǒng)體系構(gòu)架發(fā)展的新方向，掌握該技術(shù)對(duì)電子信息類專業(yè)的高校學(xué)生極其重要。文章在分析FPGA課程教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以理論聯(lián)系實(shí)際為目的，將實(shí)踐教學(xué)與CDIOi程教育模式相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和主動(dòng)性，提出了符合應(yīng)用型人才發(fā)展現(xiàn)狀的新思路和教學(xué)方法。結(jié)果表明，能促進(jìn)學(xué)生開展自主性學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)應(yīng)用能力，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：SOPC；嵌入式；FPGA；工程教育；職業(yè)素養(yǎng)

EDA/SOPC技術(shù)，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和片上可編程系統(tǒng)是近幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，特別是可編程邏輯器件與微處理器的結(jié)合，極大地推進(jìn)了電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，幾乎所有高校的電類專業(yè)都開設(shè)了“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化”（Electronics Desi～ Automation，EDA）課程，并且為數(shù)眾多的學(xué)校與FPGA芯片開發(fā)和應(yīng)用企業(yè)建立了EDA聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

本課題的研究工作主要是在地方高校向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的背景下，結(jié)合國(guó)內(nèi)高校EDA/SOPC課程技術(shù)改革的方向和片上可編程系統(tǒng)（System-On-a-Programmable-Chip，SOPC）創(chuàng)新大賽的參賽經(jīng)歷，以SOPC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，探索了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，尋找提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)能力的方法。

同時(shí)，結(jié)合CDIO工程教育理念，CDIO表示構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。

1 當(dāng)前EDA技術(shù)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

電子信息學(xué)院開設(shè)的EDA課程是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的電類專業(yè)的專業(yè)課，現(xiàn)有的FPGA項(xiàng)目大多是基于硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)硬件描述語(yǔ)言（Hardware DescriptionLanguage，HDL）語(yǔ)法抽象，模型建立較為復(fù)雜，實(shí)際教學(xué)中存在如下問(wèn)題。

1.1只注重理論講解，不注重理論聯(lián)系實(shí)際

授課內(nèi)容基本不涉及或很少涉及工程概念和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，致使學(xué)習(xí)者只學(xué)到專業(yè)基本理論，而沒學(xué)握工程概念和專業(yè)基本技術(shù)。

1.2只注重單元電路講解，不注重系統(tǒng)的講解

學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到的只是孤立的語(yǔ)法和模塊知識(shí)，不注重復(fù)雜系統(tǒng)到單元模塊功能的劃分，而不清楚這些單元模塊在信息編碼和控制系統(tǒng)中的地位和運(yùn)用方法，致使學(xué)習(xí)者見到復(fù)雜一點(diǎn)的功能就無(wú)從分析。

1.3課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置不合理

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，設(shè)計(jì)性、綜合性以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)偏少，學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力得不到應(yīng)有的提高。缺乏綜合性、創(chuàng)新性項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作訓(xùn)練環(huán)節(jié)，致使學(xué)習(xí)者工程素質(zhì)和技術(shù)應(yīng)用能力得不到應(yīng)有的提高。

為此，本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA嵌入式IP軟核的SOPC實(shí)驗(yàn)方案，解決硬件描述語(yǔ)言控制外圍芯片時(shí)序的難點(diǎn)。系統(tǒng)功能采用C語(yǔ)言編程，使學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、資源利用、功能特點(diǎn)等方面進(jìn)行了解。

2 SOPC技術(shù)教學(xué)實(shí)踐方案

基于SOPC的FPGA和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電子信息類和控制工程類專業(yè)必修的專業(yè)知識(shí)，重點(diǎn)講述靈活運(yùn)用FPGA技術(shù)及應(yīng)用于工程實(shí)際。通過(guò)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉SOPC的工作原理及特性，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)用要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)以該課程為例，對(duì)基于CDIO的課程設(shè)計(jì)思路進(jìn)行展示。

2.1課程內(nèi)容

SOPC課程教學(xué)內(nèi)容主要由SOPC系統(tǒng)應(yīng)用概論，Altera公司的NIOS II軟核處理器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制，NIOS II系統(tǒng)的外圍設(shè)備，Avalon總線規(guī)范，基于FPGA的SOPC軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)由幾個(gè)部分組成。

選擇周立功出版的《SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課后學(xué)習(xí)的參考書，并且提供了豐富的芯片應(yīng)用手冊(cè)和網(wǎng)絡(luò)共享資源，供學(xué)習(xí)時(shí)查閱。

2.2教學(xué)平臺(tái)選擇

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是實(shí)踐的保障，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬件資源是基于SOPC的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，作為Altera大學(xué)計(jì)劃SOPC聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室合作單位，教學(xué)選擇Altera公司和友晶科技提供的DE2-70開發(fā)板作為開發(fā)平臺(tái)。選用Altera公司主推的Cyclone II系列EP2C70F896C6N芯片，Altera DE2-70最新多媒體開發(fā)平臺(tái)配備了數(shù)量高達(dá)70 000個(gè)邏輯單元的FPGA內(nèi)核，并完全承襲了Altera DE2多媒體平臺(tái)豐富的多媒體、儲(chǔ)存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口的優(yōu)點(diǎn)。

2.3教學(xué)能力培養(yǎng)劃分

針對(duì)本課程人才培養(yǎng)計(jì)劃特點(diǎn)，將教學(xué)功能進(jìn)行劃分，教學(xué)所具備和所達(dá)到的能力培養(yǎng)目標(biāo)如表l所示。

2.4實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方式

本課程除了基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，還提出了綜合性創(chuàng)造型實(shí)驗(yàn)課題，需要大量的時(shí)間進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，正常的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)計(jì)劃模式已經(jīng)不能滿足教學(xué)的需求。為此提出來(lái)開放性SOPC實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。學(xué)生自發(fā)組成項(xiàng)目組，每組3-5人，研究和設(shè)計(jì)課題由小組商討提出，來(lái)自大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和教師申請(qǐng)的橫向或科研項(xiàng)目，提供適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目經(jīng)費(fèi)。有價(jià)值性的課題可以直接作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。同時(shí)，安排了專業(yè)指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)由專業(yè)知識(shí)熟練的教師組成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了以往統(tǒng)一時(shí)間，統(tǒng)一班級(jí)的上課模式，開展預(yù)約式開放教學(xué)模式，開放實(shí)驗(yàn)室的大部分管理工作和設(shè)備維護(hù)工作也由高年級(jí)學(xué)生完成。這種開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ匠浞掷昧藢W(xué)生的時(shí)間、發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造價(jià)值，為學(xué)生開展工程教育，促使盡早適應(yīng)企業(yè)研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2.5學(xué)習(xí)交流

為了進(jìn)一步了解專業(yè)領(lǐng)域教學(xué)和研究動(dòng)態(tài)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，學(xué)校每年都會(huì)組織相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生參加Altera公司舉辦的大學(xué)教師會(huì)議，積極備戰(zhàn)FPGA和SoC亞洲創(chuàng)新大賽，觀摩亞洲地區(qū)高校的優(yōu)秀參賽作品，并與參賽高校指導(dǎo)教師和學(xué)生交流教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行技術(shù)探討，提高師資的教學(xué)能力和SOPC開發(fā)水平。此外，通過(guò)參加Altera公司和友晶科技組織的專業(yè)競(jìng)賽，讓學(xué)生通過(guò)賽事的組織、設(shè)計(jì)、調(diào)試和交流，提高科研能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種EDA技術(shù)的掌握。

2.6實(shí)踐教學(xué)措施

CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，先進(jìn)的工程教育理念，為我們解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)問(wèn)題指明了方向，標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

（l）建立系統(tǒng)的概念，采取至上而下的方式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的組織，包括項(xiàng)目的分解和實(shí)施。

（2）增強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)概念，不僅要進(jìn)行理論知識(shí)的講解，還要突出工程概念，將科研或工程中經(jīng)常遇到的工程問(wèn)題，如信號(hào)干擾問(wèn)題納入講課內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中接受工程概念的熏陶，尋找實(shí)踐操作中的問(wèn)題解決方案。

（3）為了加深學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的理解，提高學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力，教學(xué)實(shí)踐以日常生活所遇到的具體應(yīng)用為對(duì)97象，結(jié)合教學(xué)項(xiàng)目考核的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)踐項(xiàng)目。

（4） CDIO工程教學(xué)模式的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是構(gòu)思，因此預(yù)先提出問(wèn)題讓學(xué)生思考，查找資料，自己解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

（5）為了培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目教學(xué)法，通過(guò)實(shí)施與課程教學(xué)相關(guān)的項(xiàng)目來(lái)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，其目的是通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)到能力的橋梁。開展開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，輔以適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目討論，不僅提高了工程技術(shù)綜合能力，又提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)交流能力和協(xié)作能力。

2.7實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核模式

好的實(shí)踐項(xiàng)目能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)實(shí)踐技能的培養(yǎng)，因此，教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目式教學(xué)法的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。工作開展也應(yīng)當(dāng)按照工程人才培養(yǎng)模式進(jìn)行，項(xiàng)目在開展時(shí)，每一步的過(guò)程是未來(lái)工作崗位中實(shí)施工作任務(wù)的縮影。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)該有很強(qiáng)的感官特性，避免演示性的成果。

（1）技術(shù)文檔，包括設(shè)計(jì)方案、論證報(bào)告、測(cè)試結(jié)果、解決方案和總結(jié)報(bào)告。（2）團(tuán)隊(duì)分工合作情況。（3）設(shè)計(jì)匯報(bào)。（4）作品功能演示。

3 結(jié)語(yǔ)

SOPC技術(shù)是實(shí)踐操作性很強(qiáng)的一門開放性學(xué)習(xí)課程，該方案能很好地融入信息類專業(yè)的本科教學(xué)體系，課程最重要的任務(wù)是要將其應(yīng)用到實(shí)踐中去，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和工作做好鋪墊。通過(guò)引入CDIO教育模式，學(xué)生可以容易地從基于SOPC技術(shù)的軟核嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到實(shí)際嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，能較好調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、分析解決問(wèn)題的能力和職業(yè)技能都得到了較大的提高。