基于構件化的FPGA實踐平臺開發應用

劉寧莊　劉華旭

摘要：體驗式FPGA教學是一種有別于傳統教學方式的新的教學理論和教學思想，其主旨是強化在FPGA教學過程中學生的主體地位，充分發揮學生的主觀能動性和創造性，強調互動性和親歷性。針對目前FPGA教學中的主要內容及主要問題，提出了改進的教學方法，并構建了構件化的實踐平臺。通過學生的親身體驗，大大激發了學生的學習興趣，提高了學生面向社會的適應能力。

關鍵詞：體驗式；可編程器件；FPGA；構件化

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）24-0069-03

隨著計算機技術、電子技術及IC技術的高速發展，集成電路的設計正朝著速度快、性能高、容量大、體積小和微功耗的方向發展，這種變化勢必會導致集成電路的設計規模日益增大、復雜程度日益增高。FPGA（Field Programmable Gate Array）是現場可編程器件的重要一員，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上發展起來的產物。FPGA設計及應用是微電子學專業及電子相關類專業學生的一門專業課，也是后續學好SOPC技術及嵌入式系統的基礎，具有很強的實踐性。現在很多高等院校都開設了“FPGA設計及應用”課程。該課程的實踐性較強，在理論教學的同時，應安排足夠的實驗課時，以培養學生的動手能力和創造力。通過對FPGA的學習，應能使學生了解FPGA器件結構、特性，掌握設計方法，最終達到能進行簡單的數字系統設計，并能對所設計的電子系統進行模擬仿真或在實驗開發板上硬件實現。

一、FPGA教學中的主要內容[1]

FPGA教學的主要內容包括理論教學部分和實踐教學環節兩部分。理論部分主要涉及可編程器件的介紹、TOP-DOWN開發流程、硬件描述語言、EDA軟件的學習、FPGA設計中基本問題的分析及解決。

1.可編程器件的學習

在介紹FPGA之前，先介紹簡單低密度器件（SPLD）的三種結構——可編程邏輯陣列（PLA）、可編程陣列邏輯（PAL）、通用陣列邏輯（GAL）的器件結構及編程原理，然后學習復雜可編程器件（CPLD），學習它們之間的結構差異及共同點，最后再學習與CPLD相似，但復雜度遠遠高于SPLD和CPLD的FPGA，學習其基本組成、工作原理、配置技術等。通過該階段的學習，應能使學生了解各類公司FPGA器件的結構、特性及產品性價比，為后續FPGA實踐開發平臺的核心器件的選型做好準備。

2.FPGA通用TOP-DOWN開發流程

FPGA的設計多采用自頂向下的設計方法，屬于現代設計方法。首先要自頂向下生成各設計層次，將設計任務分解為若干不同的功能元件，每個元件具有特定的輸入輸出接口，并具備特定的邏輯或時序功能；接著根據設計任務將各功能元件有機的組成頂層模塊、次頂層模塊，以此類推；最后設計其中的各個元件（COMPONENT）。自頂向下設計的各個層次，其描述方式既可以采用圖形、VHDL語言進行設計描述，也可以采用混合描述方式完成設計任務。

3.硬件描述語言（HDL）[2]

目前國際最流行的已成為IEEE標準的兩種硬件描述語言是VHDL和VERILOG，兩種HDL各具特色。相比較而言，VHDL更加注重設計理念、語法嚴謹、結構復雜，適合軍事、航天等專業領域。VERILOG簡單易懂、結構簡單，接近于C語言。無論選擇哪種硬件描述語言，它們都是高速集成電路的硬件描述語言，即用軟件編程的方式來描述電子系統的邏輯功能、電路結構和連接形式，與傳統描述相比，它更適合大規模系統的設計。在學習中除了要掌握必要的硬件描述語句之外，應重點掌握它與常規的高級語言的區別，是如何描述硬件電路的，區分哪些語句僅僅是用于算法仿真，哪些語言具有可綜合的特性，信號和變量的區別，如何簡化電路結構、優化電路設計等，為后續FPGA平臺的設計打下良好的基礎。

4.EDA軟件的學習

（1）ModelSim功能仿真軟件。ModelSim仿真工具是Mentor公司開發的，支持VERILOG、VHDL以及它們的混合仿真，可以將整個程序分步執行，使設計者直接看到程序下一步要執行的語句，而且在程序執行的任何步驟任何時刻都可以查看任意變量的當前值，可以在Dataflow窗口查看某一單元或模塊的輸入輸出的連續變化等，比Quartus自帶的仿真器功能強大得多，是目前業界最通用的仿真器之一。它可以完全脫離硬件環境完成仿真，是學生學好硬件描述語言必須要掌握的EDA工具。

（2）Quartus集成開發環境。Quartus II是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發軟件，支持原理圖、VHDL、VERILOG以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用腳本完成設計流程外，還提供了完善的用戶圖形界面設計方式，具有運行速度快，界面統一，功能集中，易學易用等特點，是基于Altera器件FPGA開發必備的學習軟件。

5.FPGA設計中基本問題的分析及解決

在FPGA的設計中，時鐘、毛刺、時延等問題是長期困擾電子設計工程師的問題之一，是影響工程師設計效率和數字系統有效性與可靠性的主要因素，而這些基本問題的處理是否得當，直接影響系統的正常運行。在時鐘的設計中，主要處理好全局時鐘、門控時鐘、多時鐘系統及時鐘歪斜問題。在毛刺的問題上，主要解決毛刺的發現和毛刺的消除方法，包括利用冗余項、采樣法及吸收法完成毛刺的處理。大部分FPGA器件都為時鐘、復位、預置等信號提供特殊的全局布線資源。充分利用這些資源，可以減少電路中的毛刺并且大大提高設計電路的性能。

二、目前存在的問題[3]

1.FPGA實踐教學的不足

由于FPGA本身涉及的內容較廣，需要學習的理論知識較多，再加上學校實驗條件以及授課學時的限制，使得理論教學多于實踐，兩者不能很好地結合，學生在學習過程中往往注重理論的學習，而忽視了實踐鍛煉。

2.FPGA教學中存在“重軟輕硬”的現象

目前高校的FPGA實驗設備絕大多數是購買由專業公司開發的FPGA實驗箱。硬件集成度高，功能齊全，因此學生在進行實驗時通常不用進行硬件設計，而是直接進行軟件實驗、連接和調試。這樣的實驗會使學生偏重FPGA的軟件設計和調試，從而造成對FPGA硬件設計的不熟練甚至不重視。

3.FPGA課程實驗功能過于單一

FPGA課程實驗是以進行基本的FPGA驗證性實驗為主。這些實驗對于初學者熟悉和掌握FPGA器件及其設計流程是必要的，但課程實驗設置中綜合性實驗不足，針對FPGA器件和其他處理器綜合應用的實驗更是缺乏。顯然，這樣不利于提高學生FPGA的應用水平。

三、FPGA教學方法改進[4-6]

第一，項目驅動教學。將項目驅動法引入到FPGA實踐教學當中，就是要結合具體課題或項目，把所要講授的各項理論知識和實踐技能按由淺入深、循序漸進的原則分解到一個個實驗任務中，讓學生在規定時間內依次完成項目教學任務，并遵循全國大學生電子設計競賽的形式和設計要求。首先應確定一個總任務，然后根據總任務將其進行具體的分解，在各個任務的順序安排上，必須合理按照教學進度，在理論教學的基礎上，將項目驅動教學方法貫徹在整個教學過程中，使學生有目的的學習。

第二，以基礎實驗為前提，融入綜合實驗。在保證現有FPGA課程基礎性實驗教學的基礎上，適當引入FPGA器件與其他處理器綜合應用的實驗，以夯實學生FPGA的綜合應用能力。

第三，“自制”實踐教學平臺的創建。“自制”實踐教學平臺的創建是以教師為主導、學生參與的方式，讓學生有機會接觸到最新電路組成與設計方面的知識，增強理論知識向工程設計的轉化，側重知識傳授與創新能力的培養。FPGA實踐教學平臺的設計具有超前意識的設計性和綜合性實驗體系，可以讓學生自行設計，并充分發揮學生的潛力，實現體驗式教學。

四、創建實踐教學平臺的基本原則

1.強化自主創新，體現教學特點[7，8]

FPGA創新開發實驗教學平臺設計的核心在于培養學生的自主創新能力，目標是培養掌握自主知識產權系統設計技術及創新設計能力的人才。目前有些項目設計完成后，盡管包含一些前人未曾有過的創新，甚至可以擁有自己的知識產權，但卻沒有完全自主知識產權的項目。因此，創新能力的培養絕不能脫離自主創造設計能力的培養，沒有了自主的創新便不是真正意義上的創新。

2.兼顧工程設計的要求

創新實驗平臺采用工程化設計規范與業界正在使用的開發工具兼容，并追蹤FPGA系統國際流行趨勢。創新實驗平臺除了應滿足FPGA技術課程實驗和課程設計的要求外，還要滿足大學生課外創新活動、畢業設計及全國大學生電子競賽的需求。首先通過軟件編程調試和軟件的前、后功能仿真，讓學生鞏固掌握TOP-DOWN軟件設計方法以及電路設計原理，然后通過FPGA開發板進行實際電路的設計制作，最終使學生掌握基本的FPGA應用技能，培養學生的實踐和創新能力，檢驗課堂教學效果，促進教學質量的提高。

3.構件化的設計

當前電子類教學改革的重點是要擺脫傳統實驗教學的既定驗證模式，擺脫電子設計依賴獨立器件的束縛，讓學生在系統的高度來進行統籌和設計，使其具有較強的軟硬件協同設計能力。構件化的創新實驗平臺各功能模塊相對獨立，不但能適應當前的實驗要求，而且能夠經過不同的功能組件滿足新技術和新實驗的要求，做到既有固定電路可用，又能自行擴展電路，滿足二次開發和升級，達到讓學生親自去體驗、提高學生實際操作能力的目的。

五、構件化教學平臺的基本框架設計[9]

可編程邏輯器件是整個實驗平臺的核心器件，依據目標定位選擇市場上性價比較好的FPGA，最后選中ALTERA公司Cyclone II系列的低成本、低功耗器件作為主芯片，其具體型號為EP2C5T144C8。該FPGA芯片具有4608個邏輯單元，119808BIT RAM，26個9×9 bit嵌入式乘法器、2個PLL和8個全局時鐘，內部資源豐富，可以滿足消費類、工業類、汽車業、計算機和通信類產品及相關應用。整個實驗平臺分為核心板和功能組件擴展板。

1.FPGA最小系統設計

Cyclone II核心芯片采用擴展卡設計，方便升級、更換，也可以作為最小系統使用。包括電源、FPGA主芯片、EPC16配置芯片、128MbitsSDRAM存儲器、JTAG和AS下載接口。具體框架原理見圖1。

2.FPGA功能擴展板的設計

功能擴展板設計的總體法則是滿足教學基本要求、綜合實驗及學生電子競賽的要求。擴展模塊分為三大類：數字部件擴展功能接口、模擬部件擴展接口、通信部件擴展接口。其中在數字部件擴展功能接口中，主要包含16*16點陣電路、交通燈電路、4*4鍵盤電路、4*8數碼管電路、8個LED顯示及撥碼開關，在此功能平臺上可以完成一些基本數字電路的設計，包括一些門電路、編碼器、譯碼器、數據分配器的設計，其具體框架如圖2所示。

模擬部件、通信部件和FPGA核心板組合使用，可以完成一些小型綜合實驗，包括直流電機的控制、步進電機的控制、FLASH芯片存儲的讀寫、溫度傳感器的信號采集等實驗。通信接口擴展口主要完成FPGA和外圍器件的通訊與交換功能，包括單片機、ARM或其他工控設備的連接。此擴展板可以用于一些綜合實驗的完成，比如遠程控制功能的DCS控制系統，其具體框圖如圖3、4所示。

六、構件化的FPGA實踐平臺的實驗功能

在西安科技大學電氣與控制工程學院所開設的FPGA設計應用課程教學中，實驗主要包括穿插在理論教學當中的基礎實驗、課程設計及綜合實驗。

1.基礎課程實驗

基礎課程實驗包括簡單的門電路驗證、組合邏輯電路和時序邏輯電路實驗。其中時序邏輯電路實驗為教學重點，包括技術器，定時器，數控分頻器，觸發器，A/D、D/A時序設計。

2.綜合設計實驗

綜合性實驗是在基礎性實驗的基礎上完成的，主要運用FPGA核心板和外圍的擴展板完成一定的項目功能，其中包括信號發生器的設計、多功能時鐘的設計、LED點陣漢字滾動顯示、RS232通訊控制器的設計、VGA圖像顯示控制器設計、DDS的數字移相信號發生器、通信控制器設計、交通燈控制器、步進電機驅動設計等。

3.工程項目實驗與設計

工程項目實驗是以實際的生產需求為背景，旨在鍛煉學生的工程訓練能力，達到為社會培養實用型人才的目的。這些實驗內容不拘一格，比如一些現場控制器的設計、工業IP核的設計等。通過不同組件開發平臺的綜合使用，針對實際工程要求設計出滿足要求的技術方案。

七、結論

構件化創新實驗平臺目前已完成核心控制板和部分外圍功能板的設計，并已應用于學生的綜合設計及畢業設計當中。實踐證明，該平臺大大激發了學生自主學習的興趣，提高了教學質量和教學效果。該系統能為學生的自主、開放性實驗創造條件，也為更新實驗教學方法、提高實驗教學質量起到了積極的促進作用。同時培養了學生的自主創新能力，增強了學生的社會競爭力。

參考文獻：

[1]馮柳.FPGA 設計課程教學方法的研究[J].中國電力教育，2010，（18）：137-139.

[2]柏俊杰，張小云，吳英.VHDL教學實踐與探索[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2012，（11）.

[3]王革思，劉勉，羿宗琪.FPGA創新開發實驗教學平臺的設計與應用[J].中國電力教育，2009，（10）：145-146.

[4]鄭恭明.FPGA創新實驗平臺的設計與應用[J].實驗技術與管理，2012，（12）：113-114.

[5]馬志強，張德興，孔昭煜.FPGA課程教學改革研究[J].中國校外教育，2009，（8）：248.

[6]朱磊，衛建華，邱春婷.FPGA課程實踐環節教學改革[J].高等工程教育研究，2008，（S1）：134-136.

[7]鮑慧玲，金劍波.基于FPGA的教學平臺設計[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2012，（3）：67-69.

[8]朱海花，郭朝勇，李寶峰，等.體驗式創新教學的研究及教學實踐[J].Third International Conference on Education Technology and Training （ETT），2010.

[9]李志強，楊波，孫濤.一種基于FPGA的面向網絡應用的開發平臺設計[J].山東科學，2010，（10）.

（責任編輯：孫晴）