基于SOPC嵌入式系統創新實驗教學方案設計

黎會鵬 黃璞

摘要：SOPC技術是近幾年來迅速發展起來的新技術，逐步成為嵌入式系統體系構架發展的新方向，掌握該技術對電子信息類專業的高校學生極其重要。文章在分析FPGA課程教學特點的基礎上，以理論聯系實際為目的，將實踐教學與CDIOi程教育模式相結合，激發學生學習的自覺性和主動性，提出了符合應用型人才發展現狀的新思路和教學方法。結果表明，能促進學生開展自主性學習，有效提高學生的職業素養和技術應用能力，取得了較好的效果。

關鍵詞：SOPC；嵌入式；FPGA；工程教育；職業素養

EDA/SOPC技術，即電子設計自動化和片上可編程系統是近幾年來迅速發展起來的新技術，特別是可編程邏輯器件與微處理器的結合，極大地推進了電子技術的發展與應用。目前，幾乎所有高校的電類專業都開設了“電子設計自動化”（Electronics Desi～ Automation，EDA）課程，并且為數眾多的學校與FPGA芯片開發和應用企業建立了EDA聯合實驗室。

本課題的研究工作主要是在地方高校向應用技術轉型發展的背景下，結合國內高校EDA/SOPC課程技術改革的方向和片上可編程系統（System-On-a-Programmable-Chip，SOPC）創新大賽的參賽經歷，以SOPC的實驗教學為例，探索了實驗教學的改革，尋找提高實驗教學質量、提高學生創新能力和設計能力的方法。

同時，結合CDIO工程教育理念，CDIO表示構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。

1 當前EDA技術教學模式存在的問題

電子信息學院開設的EDA課程是一門理論性與實踐性都很強的電類專業的專業課，現有的FPGA項目大多是基于硬件描述語言來設計硬件描述語言（Hardware DescriptionLanguage，HDL）語法抽象，模型建立較為復雜，實際教學中存在如下問題。

1.1只注重理論講解，不注重理論聯系實際

授課內容基本不涉及或很少涉及工程概念和實現技術，致使學習者只學到專業基本理論，而沒學握工程概念和專業基本技術。

1.2只注重單元電路講解，不注重系統的講解

學習者學習到的只是孤立的語法和模塊知識，不注重復雜系統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中的地位和運用方法，致使學習者見到復雜一點的功能就無從分析。

1.3課程實驗設置不合理

驗證性實驗偏多，設計性、綜合性以及創新性實驗偏少，學生綜合應用能力和創新能力得不到應有的提高。缺乏綜合性、創新性項目構思、設計、實現、運作訓練環節，致使學習者工程素質和技術應用能力得不到應有的提高。

為此，本文設計了一款基于FPGA嵌入式IP軟核的SOPC實驗方案，解決硬件描述語言控制外圍芯片時序的難點。系統功能采用C語言編程，使學生對嵌入式系統的硬件結構、資源利用、功能特點等方面進行了解。

2 SOPC技術教學實踐方案

基于SOPC的FPGA和嵌入式系統設計是電子信息類和控制工程類專業必修的專業知識，重點講述靈活運用FPGA技術及應用于工程實際。通過本知識點的學習，使學生熟悉SOPC的工作原理及特性，學會根據實用要求進行系統設計。現以該課程為例，對基于CDIO的課程設計思路進行展示。

2.1課程內容

SOPC課程教學內容主要由SOPC系統應用概論，Altera公司的NIOS II軟核處理器結構及運行機制，NIOS II系統的外圍設備，Avalon總線規范，基于FPGA的SOPC軟硬件開發設計由幾個部分組成。

選擇周立功出版的《SOPC嵌入式系統基礎教程》作為實驗教學及課后學習的參考書，并且提供了豐富的芯片應用手冊和網絡共享資源，供學習時查閱。

2.2教學平臺選擇

實驗環境是實踐的保障，實驗平臺軟硬件資源是基于SOPC的實驗設備，作為Altera大學計劃SOPC聯合實驗室合作單位，教學選擇Altera公司和友晶科技提供的DE2-70開發板作為開發平臺。選用Altera公司主推的Cyclone II系列EP2C70F896C6N芯片，Altera DE2-70最新多媒體開發平臺配備了數量高達70 000個邏輯單元的FPGA內核，并完全承襲了Altera DE2多媒體平臺豐富的多媒體、儲存及網絡等應用接口的優點。

2.3教學能力培養劃分

針對本課程人才培養計劃特點，將教學功能進行劃分，教學所具備和所達到的能力培養目標如表l所示。

2.4實驗學習方式

本課程除了基本的驗證性實驗外，還提出了綜合性創造型實驗課題，需要大量的時間進行功能設計和系統調試，正常的實驗室教學計劃模式已經不能滿足教學的需求。為此提出來開放性SOPC實驗計劃。學生自發組成項目組，每組3-5人，研究和設計課題由小組商討提出，來自大學生創新創業項目和教師申請的橫向或科研項目，提供適當的項目經費。有價值性的課題可以直接作為學生的畢業設計進行研究。同時，安排了專業指導教師，指導教師團隊由專業知識熟練的教師組成。實驗教學打破了以往統一時間，統一班級的上課模式，開展預約式開放教學模式，開放實驗室的大部分管理工作和設備維護工作也由高年級學生完成。這種開放性實驗模式充分利用了學生的時間、發揮了學生的創造價值，為學生開展工程教育，促使盡早適應企業研究工作奠定了基礎。

2.5學習交流

為了進一步了解專業領域教學和研究動態，提高學生創新能力，學校每年都會組織相關專業教師和學生參加Altera公司舉辦的大學教師會議，積極備戰FPGA和SoC亞洲創新大賽，觀摩亞洲地區高校的優秀參賽作品，并與參賽高校指導教師和學生交流教學和科研經驗，進行技術探討，提高師資的教學能力和SOPC開發水平。此外，通過參加Altera公司和友晶科技組織的專業競賽，讓學生通過賽事的組織、設計、調試和交流，提高科研能力和團隊合作精神，進一步強化學生對各種EDA技術的掌握。

2.6實踐教學措施

CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面，先進的工程教育理念，為我們解決工程技術人才培養問題指明了方向，標準如表2所示。

（l）建立系統的概念，采取至上而下的方式進行教學內容的組織，包括項目的分解和實施。

（2）增強學生的工程設計概念，不僅要進行理論知識的講解，還要突出工程概念，將科研或工程中經常遇到的工程問題，如信號干擾問題納入講課內容，使學生在學習中接受工程概念的熏陶，尋找實踐操作中的問題解決方案。

（3）為了加深學生對工程技術的理解，提高學生的工程技術應用能力，教學實踐以日常生活所遇到的具體應用為對97象，結合教學項目考核的標準設計了相應的實踐項目。

（4） CDIO工程教學模式的第一個環節就是構思，因此預先提出問題讓學生思考，查找資料，自己解決實驗教學內容。

（5）為了培養學生的工程素養和解決工程實際問題的能力，強調項目教學法，通過實施與課程教學相關的項目來達到教學目標，培養學生創造能力和解決實際問題的綜合能力，其目的是通過項目實施來實現知識到能力的橋梁。開展開放性實驗教學，輔以適當的項目討論，不僅提高了工程技術綜合能力，又提高了學生的團隊交流能力和協作能力。

2.7實踐環節的考核模式

好的實踐項目能夠激發學生的學習興趣，調動學生的自主學習能力和創新能力，加強實踐技能的培養，因此，教學項目的設計是項目式教學法的重點，也是難點。工作開展也應當按照工程人才培養模式進行，項目在開展時，每一步的過程是未來工作崗位中實施工作任務的縮影。設計的成果應該有很強的感官特性，避免演示性的成果。

（1）技術文檔，包括設計方案、論證報告、測試結果、解決方案和總結報告。（2）團隊分工合作情況。（3）設計匯報。（4）作品功能演示。

3 結語

SOPC技術是實踐操作性很強的一門開放性學習課程，該方案能很好地融入信息類專業的本科教學體系，課程最重要的任務是要將其應用到實踐中去，為后續的學習和工作做好鋪墊。通過引入CDIO教育模式，學生可以容易地從基于SOPC技術的軟核嵌入式系統轉移到實際嵌入式系統的開發。在實際教學過程中，能較好調動學生的積極性，學生自主學習、團隊協作、分析解決問題的能力和職業技能都得到了較大的提高。