“FPGA原理及應(yīng)用”的教學(xué)案例分析

張慶平，郭玉祥

（安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽安慶 246133）

FPGA全稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，是廣泛用于高速通訊和數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域的芯片[1]。該芯片使用硬件描述語(yǔ)言（HDL）進(jìn)行編程，常用編程語(yǔ)言有Verilog和VHDL?！癋PGA原理及應(yīng)用”課程是電子類的專業(yè)課，主要內(nèi)容有[1-3]硬件編程語(yǔ)言介紹和FPGA硬件開(kāi)發(fā)實(shí)操，兩者是循序漸進(jìn)的關(guān)系，前者是后者的基礎(chǔ)。HDL語(yǔ)言的學(xué)習(xí)難度較大，相比于以C語(yǔ)言為代表的軟件編程語(yǔ)言，HDL這類硬件語(yǔ)言無(wú)論從編程思路還是開(kāi)發(fā)流程上都有明顯不同。HDL是學(xué)習(xí)FPGA的基礎(chǔ)，HDL代碼仿真、FPGA開(kāi)發(fā)流程、開(kāi)發(fā)軟件的使用、開(kāi)發(fā)板的調(diào)試，這些實(shí)踐性很強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大量教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生親自走通整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，對(duì)書(shū)本理論的理解更透徹，處理實(shí)際編程中遇到的問(wèn)題也更得心應(yīng)手。針對(duì)課程特點(diǎn)、學(xué)生實(shí)際情況以及現(xiàn)行教法的不足，個(gè)人總結(jié)了幾點(diǎn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)方法。

1 講解知識(shí)點(diǎn)時(shí)，突出“硬件”這一主線

Verilog語(yǔ)言的初衷是描述硬件電路和進(jìn)行電路仿真，所有語(yǔ)法的設(shè)計(jì)均圍繞這一目的展開(kāi)。講解各類語(yǔ)法時(shí)，不僅要介紹其格式，還應(yīng)從硬件特性的角度分析為什么要這樣設(shè)計(jì)。這不僅有助于學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，更能幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)Verilog編程的思想和方法。有了這層鋪墊，“綜合與不可綜合語(yǔ)法的區(qū)分”和“C語(yǔ)言與Verilog語(yǔ)言的異同”這些難點(diǎn)，學(xué)生更易理解和接受。下面舉兩個(gè)教學(xué)案例加以說(shuō)明。

案例1不可綜合語(yǔ)法的總結(jié)歸納

這類語(yǔ)法之所以不可綜合，與硬件電路的特性直接相關(guān)，主要有以下幾種。

1）形如$time、$display、$fopen、$readmemb等任務(wù)。很明顯，熟悉了FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后就能看出，因?yàn)樾酒瑳](méi)有對(duì)應(yīng)的電路支持這些操作，此類語(yǔ)法只用于仿真，用途是輸入仿真數(shù)據(jù)或輸出仿真結(jié)果。

2）時(shí)間延遲。不同于單片機(jī)的時(shí)延函數(shù)，Verilog的時(shí)延只能用于仿真。從硬件角度看，F(xiàn)PGA內(nèi)沒(méi)有現(xiàn)成的計(jì)時(shí)器等電路構(gòu)造，所以不可綜合。同時(shí)提醒學(xué)生，為達(dá)到可綜合的時(shí)延效果，應(yīng)采用變通的方案，如構(gòu)建高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）開(kāi)關(guān)級(jí)MOS管。因FPGA的最小可編程單元的層次在MOS管之上，即Verilog代碼無(wú)法在FPGA內(nèi)配置出基于MOS管所搭建的電路，故無(wú)法綜合。

4）形如wait、forever、repeat、while 等高級(jí)語(yǔ)法。講解時(shí)，著重強(qiáng)調(diào)HDL 是硬件描述語(yǔ)言，而非硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)法難以直接對(duì)應(yīng)硬件電路，綜合工具基本都不支持。

5）initial初始化。這一語(yǔ)法用于仿真時(shí)給參數(shù)賦初值，無(wú)法直接對(duì)應(yīng)實(shí)際電路。課堂上可引導(dǎo)學(xué)生思考如何達(dá)到可綜合的初始化效果，給出兩種解決方法：狀態(tài)機(jī)和在代碼的復(fù)位if語(yǔ)句段內(nèi)給寄存器賦初值。由此提醒學(xué)生，可綜合的電路是通過(guò)變通的辦法實(shí)現(xiàn)寄存器初始化，而非直接使用initial語(yǔ)法。

6）循環(huán)次數(shù)不固定的for循環(huán)。教學(xué)時(shí)需強(qiáng)調(diào)，for循環(huán)是個(gè)特例，循環(huán)次數(shù)固定的for循環(huán)可以被綜合成電路。課堂上結(jié)合硬件特征加以解釋，因?yàn)閒or循環(huán)的綜合，本質(zhì)是將循環(huán)體逐次展開(kāi)成電路，若循環(huán)次數(shù)不固定，自然無(wú)法展開(kāi)成確定的電路。

7）形如always@（posedge clk or negedge clk）的雙沿觸發(fā)。結(jié)合數(shù)字電路課程所學(xué)的DQ 觸發(fā)器的特點(diǎn)，觸發(fā)沿只能是上升沿和下降沿之一，不能同時(shí)觸發(fā)，故不可綜合。

教學(xué)情況表明，加入硬件特性的分析后，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)無(wú)需死記硬背。學(xué)生知其然更知其所以然，教學(xué)效果更佳。學(xué)生初學(xué)語(yǔ)法的第一印象就對(duì)是否可綜合有清晰明確的認(rèn)知，實(shí)際編程時(shí)避免走彎路。

案例2Verilog與C語(yǔ)言執(zhí)行方式的差異

C語(yǔ)言代碼按書(shū)寫(xiě)順序執(zhí)行（goto語(yǔ)句除外），而Verilog本質(zhì)上是并行化的，教學(xué)時(shí)需強(qiáng)調(diào)背后的硬件背景。C 語(yǔ)言編譯得到二進(jìn)制指令碼，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是CPU，硬件特點(diǎn)是逐個(gè)取指令-指令譯碼-執(zhí)行指令。而對(duì)于FPGA，其內(nèi)部不是CPU的構(gòu)造，各Verilog模塊綜合得到的電路，上電后同時(shí)運(yùn)行，與書(shū)寫(xiě)順序無(wú)關(guān)。教學(xué)實(shí)踐表明，不僅要在緒論部分講解這一要點(diǎn)，還要在后續(xù)講解各類語(yǔ)法時(shí)，對(duì)比Verilog和C語(yǔ)言語(yǔ)法的異同。這樣，學(xué)生初學(xué)時(shí)就有“軟件編程與硬件編程只是形式上類似，編程思路上截然不同”的觀念，寫(xiě)代碼時(shí)從硬件電路的原理及工作方式的角度考慮，錯(cuò)誤率會(huì)降低。

2 結(jié)合講授的知識(shí)點(diǎn)，穿插復(fù)習(xí)“數(shù)字電路”課程

數(shù)字電路作為電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課，極為重要，本課程是數(shù)字電路的延伸。教學(xué)中，穿插復(fù)習(xí)數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，既能鞏固前期所學(xué)，查漏補(bǔ)缺，同時(shí)也為介紹Verilog或FPGA的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)做鋪墊。在講解Verilog代碼的同步和異步復(fù)位寫(xiě)法之前，簡(jiǎn)要復(fù)習(xí)數(shù)字電路中的同步復(fù)位和異步復(fù)位概念，這照顧了遺忘相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)生。實(shí)踐表明，引入這一環(huán)節(jié)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更佳。

3 作業(yè)題中引入改錯(cuò)題

如前所述，Verilog語(yǔ)法與C語(yǔ)言的貌合神離，學(xué)生初學(xué)時(shí)容易混淆。除了必要的編程習(xí)題外，另設(shè)計(jì)了改錯(cuò)題。此類題型，主體是一段完整的代碼，劃分為10段，每段為一小題，其中若干段的語(yǔ)法或注釋有誤，答題時(shí)，先判斷每段的對(duì)錯(cuò)，若有誤則改正。這一新題型，不僅鍛煉學(xué)生代碼閱讀和理解能力，也能從側(cè)面提醒學(xué)生留意編程中的易錯(cuò)點(diǎn)。作業(yè)效果顯示較理想。

4 注重知識(shí)點(diǎn)的梳理和系統(tǒng)總結(jié)

Verilog語(yǔ)法較為繁瑣，知識(shí)點(diǎn)都零散分布于各個(gè)章節(jié)之中，需學(xué)生自行總結(jié)。結(jié)合本校學(xué)生情況，為達(dá)到更好的教學(xué)效果，在學(xué)完語(yǔ)法后，將重要的知識(shí)點(diǎn)做系統(tǒng)的歸納整理，幫助學(xué)生快速掌握要點(diǎn)。將學(xué)過(guò)的語(yǔ)法按可綜合與不可綜合分類，板書(shū)和課件中專門列出，學(xué)生一目了然。再如，Verilog語(yǔ)法格式中，哪些和C語(yǔ)言意義近似，哪些又有所區(qū)別，哪些是Verilog為描述硬件而特有的，都可以在學(xué)完語(yǔ)法后，以專題的形式總結(jié)。這對(duì)學(xué)生掌握硬件編程的難點(diǎn)大有幫助。

5 涉及軟硬件操作的理論課時(shí)，建議在機(jī)房授課

傳統(tǒng)課堂大多安排在多媒體教室，通過(guò)投影儀演示軟件操作，但教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明這樣的方式收效不佳。原因是投影儀分辨率有限，軟件菜單文字和工具欄圖標(biāo)較小，學(xué)生不易看清楚。另外，學(xué)生只是走馬觀花地看了一遍操作，而等到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)又隔了一段時(shí)間，課堂所講的操作要點(diǎn)已然淡忘。為此，直接將這類課時(shí)安排到機(jī)房，教師在投影儀上演示，學(xué)生同步上機(jī)跟進(jìn)，邊學(xué)邊練手，效果更佳。

6 結(jié)合學(xué)生實(shí)際，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為提高學(xué)生的技能，拓展就業(yè)面，不僅要開(kāi)設(shè)Verilog仿真類實(shí)驗(yàn)，還需開(kāi)設(shè)開(kāi)發(fā)板調(diào)試的實(shí)驗(yàn)。鑒于各高校學(xué)生的理解和接受能力不一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能照搬外校的內(nèi)容。本校以往的FPGA實(shí)驗(yàn)，大多是上機(jī)做modelsim仿真，學(xué)生很少接觸開(kāi)發(fā)板。新實(shí)驗(yàn)的安排，一方面精簡(jiǎn)仿真類實(shí)驗(yàn)，一方面增設(shè)開(kāi)發(fā)板綜合實(shí)驗(yàn)。本著難易適中、兼顧趣味性和實(shí)驗(yàn)條件的要求，設(shè)計(jì)了頻率計(jì)、簡(jiǎn)易電子琴、奏樂(lè)電路、數(shù)字電壓表、象棋比賽計(jì)時(shí)電路等若干必做的綜合性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)，代碼規(guī)模適度，突出了自頂向下的整體設(shè)計(jì)思路，全面覆蓋了重要的Verilog語(yǔ)法及知識(shí)點(diǎn)，且最終都上開(kāi)發(fā)板調(diào)試，實(shí)驗(yàn)完成后能明顯看出成果。

此外，為貼近實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了“數(shù)字濾波電路”、“matlab的HDL-Coder模塊使用”、“coordic算法求正弦和余弦值”等若干偏算法的選做實(shí)驗(yàn)，供有興趣的學(xué)生完成。將綜合實(shí)驗(yàn)分為必做和選做，更符合因材施教的方針。

7 總結(jié)

針對(duì)FPGA課程的教學(xué)，同仁已總結(jié)出一系列行之有效的教學(xué)方法[4-6]。結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際情況，為進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，有幾點(diǎn)值得改進(jìn)和完善。一，強(qiáng)調(diào)和區(qū)分可綜合與不可綜合語(yǔ)法。根據(jù)編程及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，只有明確區(qū)分了這兩類語(yǔ)法，才能寫(xiě)出合乎要求的、可以綜合出硬件電路的代碼，否則寫(xiě)出的代碼因無(wú)法綜合出電路而被開(kāi)發(fā)軟件忽略，導(dǎo)致較隱蔽的錯(cuò)誤。這類錯(cuò)誤初學(xué)者較難排查，勢(shì)必影響學(xué)習(xí)效率和積極性。二，突出Verilog語(yǔ)言與C語(yǔ)言在語(yǔ)法及理解方式上的異同。