基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革研究

摘要：本文針對信息與通信工程相關(guān)應(yīng)用技術(shù)課程，分析其中軟硬件部分間的耦合關(guān)系，對軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了研究，并提出了基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)方案，探討了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法在數(shù)字通信系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用，目的是培養(yǎng)學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)、研究創(chuàng)新以及解決通信及信號處理中相關(guān)工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：信息與通信工程；軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)；課程設(shè)置

中圖分類號G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）11-0050-02

信息與通信工程專業(yè)中應(yīng)用技術(shù)系列課程包括FPGA系統(tǒng)及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用、DSP原理與應(yīng)用、軟件無線電。這幾門課程是學(xué)生深刻理解通信原理，并提高動(dòng)手能力和認(rèn)知能力的重要應(yīng)用基礎(chǔ)課程。隨著軟件無線電等技術(shù)的發(fā)展，軟硬件開發(fā)的一體化模式日益顯現(xiàn)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為發(fā)展趨勢。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是指針對一定的設(shè)計(jì)需求，綜合考慮軟硬件特點(diǎn)及耦合關(guān)系，對系統(tǒng)中的軟硬件部分使用統(tǒng)一的描述和工具進(jìn)行集成開發(fā)，進(jìn)而完成全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證并跨越軟硬件界面進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，可以提供更加高效的信號處理能力，并且可以顯著提高系統(tǒng)資源的利用率。通過軟硬件協(xié)同化的課程設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)學(xué)生對于開發(fā)完整系統(tǒng)的認(rèn)知能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維，提高軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)能力。另一方面，各種企事業(yè)單位對于兼具軟硬件開發(fā)能力的復(fù)合型人才需求日益迫切，因此，開設(shè)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)課程可以為學(xué)生今后從事信息與通信工程相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)。

一、應(yīng)用類課程中軟硬件耦合關(guān)系分析

目前的應(yīng)用技術(shù)課程中都涉及了軟件開發(fā)部分和硬件架構(gòu)等兩大部分，其中軟硬件有如下結(jié)合點(diǎn)。

1.基于底層硬件的軟件設(shè)計(jì)。主要包括各類設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)的移植、基于底層硬件的軟件體系架構(gòu)等技術(shù)[1]。例如在嵌入式課程中涉及基于ARM、MIPS、PowerPC等嵌入式處理器與WinCE、嵌入式Linux及VxWorks等常見嵌入式操作系統(tǒng)下的各類外設(shè)/接口的驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)[2]，以及嵌入式軟件編程、交叉編譯等軟硬件協(xié)同開發(fā)的內(nèi)容。

2.可編程軟硬件設(shè)計(jì)。在EDA課程中，涉及基于CPLD/FPGA等器件的可編程軟硬件設(shè)計(jì)，通過這類課程的學(xué)習(xí)，可以指導(dǎo)學(xué)生利用VHDL/Verilog等硬件描述語言實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)、可擴(kuò)展、高度集成的硬件實(shí)現(xiàn)方案。在軟件無線電課程中，涉及各種通信模塊（調(diào)制解調(diào)、編譯碼等）的軟件化實(shí)現(xiàn)[3]。

二、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)理論

首先，為了實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，需要由一種系統(tǒng)級描述語言實(shí)現(xiàn)軟硬件功能描述與劃分，這種系統(tǒng)級描述語言應(yīng)該兼具C語言的邏輯意義可讀性及HDL語言的硬件架構(gòu)可描述性，是系統(tǒng)級的描述方法。其次，這種全新的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法應(yīng)該綜合考慮各類優(yōu)化原則。一方面要考慮與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)的速度、面積等硬件優(yōu)化指標(biāo)。另一方面，還應(yīng)考慮與軟件相關(guān)的指標(biāo)。第三，功耗問題。近年來，隨著嵌入式設(shè)備功能的日益豐富，功耗問題成為產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。另一方面，節(jié)能減排，綠色通信等概念也成為未來的發(fā)展趨勢，然而軟件運(yùn)行引起的動(dòng)態(tài)功耗則只能通過軟硬件的聯(lián)合運(yùn)行才能知道，因此，需要將軟硬件結(jié)合起來考慮整體功耗的控制問題。最后，還需要考慮對于這樣的一個(gè)包含軟件和硬件的系統(tǒng)功能進(jìn)行有效驗(yàn)證。

三、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)流程

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程包括以下四個(gè)步驟：第一步，需求分析及產(chǎn)品定義。利用HDL語言和C語言進(jìn)行系統(tǒng)功能描述并進(jìn)行模擬仿真和系統(tǒng)功能驗(yàn)證；第二步，按照需求，對軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行功能劃分，分別用系統(tǒng)級描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)并將其綜合起來進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能預(yù)測等仿真確認(rèn)（協(xié)調(diào)模擬仿真）[4]；第三步，進(jìn)行軟件和硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)；第四步，進(jìn)行系統(tǒng)測試。從開發(fā)過程的生命周期上看，一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，如圖1所示：

為了提高工作效率，在系統(tǒng)總體框架、軟硬件劃分、處理器、操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境選定后，軟硬件的開發(fā)過程通常采用并行的工作模式。如圖2所示：

四、基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的課程設(shè)置

信息與通信工程的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是研究基于軟件無線電架構(gòu)的信息與通信工程設(shè)計(jì)的一門學(xué)科，涉及到軟件無線電、數(shù)字信號處理等眾多學(xué)科領(lǐng)域及開發(fā)方法。在日益復(fù)雜的數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，可以提供更加高效的信號處理能力，靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，并且可以顯著提高系統(tǒng)資源的利用率[5]。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)課程以數(shù)字通信系統(tǒng)為應(yīng)用開發(fā)對象，著重介紹基于軟件無線電架構(gòu)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，課程內(nèi)容主要包括軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)理論、軟件無線電中的前端設(shè)計(jì)方法、基帶處理方法、可重構(gòu)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法、軟件無線電中的軟件工程、軟硬件協(xié)同優(yōu)化等方面。探討軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法在信息與通信工程系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用，介紹本學(xué)科領(lǐng)域近年來取得的一些新成果和新技術(shù)，培養(yǎng)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究創(chuàng)新能力，具備解決通信及信號處理中的相關(guān)工程問題的能力。結(jié)合軟硬件開發(fā)流程及特點(diǎn)，研究重構(gòu)基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的課程體系。在課程的內(nèi)容上，應(yīng)以基本原理為主，將分層設(shè)計(jì)及模塊設(shè)計(jì)相結(jié)合。具體可以按如下方式劃分課程內(nèi)容：①軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想。主要內(nèi)容包括：軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義；軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)理論；軟硬件功能劃分。②前端設(shè)計(jì)技術(shù)。主要包括：軟件無線電中的射頻變換；多模式SDR RF前端設(shè)計(jì)；數(shù)字前端設(shè)計(jì)。③軟件無線電的基帶處理。主要包括：基帶結(jié)構(gòu)；基帶關(guān)鍵技術(shù)及處理方法；參數(shù)化法設(shè)計(jì)技術(shù)。④可重構(gòu)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。主要包括：基于聯(lián)合處理的硬件可重構(gòu)SDR平臺；FPGA及動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在軟件無線電中的應(yīng)用。⑤軟件無線電中的軟件工程。主要包括：通用處理器的軟件設(shè)計(jì)；軟件無線電的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)問題；軟件工程的典型應(yīng)用。⑥軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化。主要包括：面積優(yōu)化；速度優(yōu)化；代碼量優(yōu)化；資源利用率優(yōu)化。

本文針對信息與通信工程相關(guān)應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，論述了該類課程中軟硬件間的耦合關(guān)系，分析研究了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)理論。在此基礎(chǔ)上，提出了基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)方案，探討了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法在數(shù)字通信系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用。

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