專業需求為導向、分階段設計FPGA實踐環節

龍惠民　劉桂華　徐峰

摘要：通過對多個專業的學生前修課程知識點和學生培養方案的分析，本文提出FPGA技術教學可分為三個階段，按步驟、有目標地進行。合理設計各階段的設計課題，明確各個課題應該達到的教學目的，由淺入深，由小模塊設計到較大系統設計的逐步推進，力圖保持學生的學習興趣，為學生的后續專業課學習打下良好基礎。

關鍵詞：FPGA；分階段；實踐環節設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0150-02

隨著微電子技術的發展，FPGA芯片的可編程邏輯資源更加豐富，性價比得到極大提升，FPGA成為實現數字電路系統的重要平臺[1]。FPGA技術也成為《數字電子技術》等基礎課程的內容，是電子類相關專業的重要基礎課[2]。由于課程在大二、大三的時候開設，學生的專業素養不夠深厚，學生較難理解這門課在培養方案，職業發展中的位置、作用。

FPGA技術是實踐性很強的課程[3]，在實踐環節的設計上，既要能引導學生順利過渡到FPGA的學習，也要培養工程設計基本功，為后續專業課程打下良好基礎。根據學生專業基礎和專業方向的不同，可分為三個階段進行工程訓練。

1 第一階段

任務：前修課程過渡到FPGA；熟悉EDA軟件；理解FPGA實現基本原理。

FPGA教學中采用門級建模，HDL描述的方式引導學生以FPGA為平臺，設計在《數字電子技術》實驗中用分離元器件搭建的電路，讓學生體會到FPGA設計的簡便、可靠、集成化。

為熟練操作EDA軟件，教師以課堂演示、帶領學生設計的方式，以課堂練習、課后設計作業的形式進行教學。設計題目見表1。

學生容易理解語句順序執行的概念，但Verilog HDL作為硬件描述語言，其執行帶有并行特性，分析FPGA芯片的主要組成單元：查找表（LUT），可編程連線，可編程端口的具體電路，幫助學生理解這一概念。

2 第二階段

是FPGA進階設計訓練階段，根據各個專業共同理論基礎，設計課題。

學生具有初步的HDL語法知識和設計經歷，但對采用“自頂向下”設計方法，進行較復雜任務的分析，還經常停留在“無從下手”的階段，編程能力，編程風格也還需培養。

以一周一個設計題目的形式布置設計題，設計參考題目見表2。

以序列檢測模塊設計為例，說明本階段設計的訓練目標。

設計要求：給定一個8比特數據，當串行數據與給定數據一致，flag輸出置1，否則置0。題目分析要點：

（1）題目背景：串行傳輸序列的同步字節是傳輸協議中定位數據的重要標識。（2）有限狀態圖的繪制：面對各種可能的串行輸入數據，按給定數據繪制狀態轉換圖。（3）硬件測試方案設計。系統圖如圖1。

數據讀出模塊：例化ROM IPCore，為后續模塊提供串行數據。串行檢測模塊：實現有限狀態轉移圖。數碼管顯示模塊根據檢測模塊輸出的結果，驅動數碼管顯示。

這個實驗讓學生經歷較復雜系統的完整設計流程，使設計能力更上新臺階。

3 第三階段

根據不同專業的需求，建設有專業特點的FPGA課程設計體系，使FPGA技術與專業學習有效的結合。設計參考題目見表3。

以基于DVB-S的信道編碼技術實現為例，闡述本階段的訓練目標。

設計要求：用FPGA實現DVB-S標準的信道編碼。即：實現擾碼，RS編碼，卷積交織，卷積編碼級聯的系統。

設計步驟：理解四種編碼技術；在matlab環境里進行算法實現，確認對算法理解的正確性，為FPGA設計提供仿真數據；學生四人一組，分別完成四種編碼模塊的設計；例化子模塊，構成系統，用matlab提供的輸入、輸出數據，驗證設計的正確性。

通過這個實驗，通信專業的學生可以更好理解《通信原理》中的信道編碼理論，熟悉用matlab進行通信系統仿真，深入理解FPGA對通信系統實現的支持，鍛煉FPGA設計能力與團隊合作工作能力。

4 結語

按照以上三個階段的分解，在《FPGA技術》課程上進行第一，第二階段的學習，在課程設計環節進行第三階段的訓練。這種結合學生實際學習情況的教學設計，能有效引導學生過渡到FPGA學習中，幫助他們保持良好的學習興趣；促進他們自己編寫、調試代碼，逐步掌握FPGA技術，為后續專業課的學習打下良好的基礎。

參考文獻

[1]劉桂華，羅亮.基于FPGA 的現代數字系統設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[2]潘松，黃繼業，潘明.EDA 技術實用教程（ Verilog HDL 版）[M].北京：科學出版社，2013.

[3]薛禮妮，崔維新. 基于FPGA的通信系統設計性實踐教學[J].電氣電子教學學報，2009：86-87.