葉朝輝, 華成英, 張利偉, 楊知樂(lè), 田 珊

(清華大學(xué) 自動(dòng)化系, 北京 100084)

1 FPGA SOPC實(shí)驗(yàn)相關(guān)課程開(kāi)設(shè)現(xiàn)狀

SOPC(system on programmable chip,可編程片上系統(tǒng)),即用可編程邏輯技術(shù)將整個(gè)系統(tǒng)集成到一塊芯片上。SOPC通常是指基于FPGA(field-programmable gate array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的帶1個(gè)或多個(gè)軟核或者硬核微處理器以及一些外圍設(shè)備的片上系統(tǒng)SoC(system on chip)。SOPC也是一種特殊的嵌入式系統(tǒng),既具有微處理器處理能力強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),又具有FPGA設(shè)計(jì)方式靈活和在系統(tǒng)可編程的優(yōu)勢(shì),因此利用SOPC設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多,例如文獻(xiàn)[1]介紹了其在通信領(lǐng)域的應(yīng)用,文獻(xiàn)[2]介紹了在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用,文獻(xiàn)[3]介紹了在能源領(lǐng)域的應(yīng)用,文獻(xiàn)[4]介紹了在圖形圖像處理中的應(yīng)用。基于此,在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)中引入SOPC技術(shù)的內(nèi)容就成了必然趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)設(shè)的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程大致分為2大類。第一類是嵌入式系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)課程,基于FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)微處理器系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng),側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微處理器結(jié)構(gòu)或計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及外設(shè)的認(rèn)識(shí)和理解,如參考文獻(xiàn)[5]—[9]。第二類是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程,基于FPGA平臺(tái),利用已有的軟核或硬核微處理器和總線設(shè)計(jì)IP核,組成系統(tǒng),培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)SOPC系統(tǒng)的能力,如參考文獻(xiàn)[10]—[14]。以上這些課程所用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有的是自己研制的,有的則是直接應(yīng)用了Altera或者Xilinx提供的教育版實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

我校自動(dòng)化系從2010年開(kāi)始在本科生二年級(jí)暑期的“現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中開(kāi)設(shè)了基于FPGA的SOPC電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容,并從相關(guān)課程知識(shí)的融合和銜接、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)最有利的方法、SOPC電子系統(tǒng)最適合的實(shí)際應(yīng)用、自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)等4個(gè)方面研究教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,幾年中不斷改進(jìn)內(nèi)容體系、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié),形成了一門獨(dú)具特色和富有創(chuàng)新性的課程。

2 相關(guān)課程體系介紹

“現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程在大二暑期開(kāi)設(shè),學(xué)生已經(jīng)具備了微處理器及外設(shè)、數(shù)字和模擬電子技術(shù)、C和C++語(yǔ)言等技術(shù)基礎(chǔ)和一定的實(shí)驗(yàn)技能,綜合這些知識(shí)設(shè)置課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。因此“現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程首要的教學(xué)指導(dǎo)思想是采用先進(jìn)的集微處理器和外圍設(shè)備的SoC作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心芯片。

本課程最初選擇了PSoC作為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件,之后逐步增加了FPGA-SOPC和ARM CortexM4的內(nèi)容。基于FPGA的SOPC系統(tǒng)通常帶有軟核或硬核微處理器,由于軟核微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便靈活,因此本課程選擇了基于Altera FPGA的軟核NIOSII的SOPC系統(tǒng),同時(shí)選擇Altera 提供的DE2教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)被很多國(guó)內(nèi)外大學(xué)課程采用。

3 FPGA-SOPC實(shí)驗(yàn)方法研究

3.1 相關(guān)課程知識(shí)的融合和銜接

由于SOPC集數(shù)字可編程邏輯陣列FPGA及微處理器和部分外設(shè)于一體,因此可以運(yùn)用“計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與程序設(shè)計(jì)”“計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”3門課程知識(shí)綜合進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另外,當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信時(shí),實(shí)驗(yàn)室提供計(jì)算機(jī)通信接口程序,如UART、USB等,而應(yīng)用程序則需要學(xué)生自己編寫,可以運(yùn)用“計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與程序設(shè)計(jì)”和“C++程序設(shè)計(jì)與訓(xùn)練”2門課程知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了融合模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的知識(shí),實(shí)驗(yàn)室提供了各種各樣的傳感器和執(zhí)行器以及現(xiàn)代模擬器件,可以設(shè)計(jì)SOPC的外圍傳感和執(zhí)行電路。從傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后直接通過(guò)電壓比較器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再輸入SOPC,而SOPC輸出的數(shù)字信號(hào)則通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),之后再經(jīng)過(guò)功率放大或直接輸出給執(zhí)行器。以上教學(xué)設(shè)計(jì)思想可以將之前的5門課程知識(shí)融合在1門課程的FPGA-SOPC教學(xué)內(nèi)容中。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)最有利的方法

由于SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容需要綜合運(yùn)用多門課程知識(shí),對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大,因此開(kāi)課之初的2年主要考慮如何將實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)起來(lái)并積累經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)從3個(gè)方面研究了進(jìn)行SOPC設(shè)計(jì)最有利的方法。

(1) 編寫符合認(rèn)識(shí)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,使學(xué)生容易理解什么是SOPC、SOPC有何特點(diǎn)、如何設(shè)計(jì)查找合適的參考資料等。

(2) 確定循序漸進(jìn)2個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程,讓學(xué)生一步一步完成實(shí)驗(yàn),減少難度。2個(gè)層次實(shí)驗(yàn)為基本實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn),使絕大多數(shù)學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn)。

(3) 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；緦?shí)驗(yàn)難度較小,有詳細(xì)的指導(dǎo)手冊(cè)。之后設(shè)計(jì)了幾個(gè)有一定難度的提高實(shí)驗(yàn),同時(shí)將提高實(shí)驗(yàn)拆分為幾個(gè)步驟,減少了學(xué)生綜合的困難。通過(guò)2年的實(shí)踐,學(xué)生不僅能夠完成實(shí)驗(yàn),而且非常感興趣。在此基礎(chǔ)上,又將實(shí)驗(yàn)改為3個(gè)層次,增加了綜合實(shí)驗(yàn)。同樣,為了降低難度,除了將綜合實(shí)驗(yàn)拆分為幾個(gè)步驟外,還對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題給出適當(dāng)?shù)奶崾尽?/p>

最近幾年,隨著教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累和SOPC設(shè)計(jì)方法的更新,不但多次修改了基本實(shí)驗(yàn)、提高實(shí)驗(yàn),還增加了綜合實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和種類,并且鼓勵(lì)學(xué)生研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),不斷提高教學(xué)質(zhì)量和課程的挑戰(zhàn)性,使學(xué)生能夠完成從電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到硬件實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程,提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

3.3 SOPC電子系統(tǒng)最適合的實(shí)際應(yīng)用

SOPC既具有微處理器處理能力強(qiáng)的特點(diǎn),又具有FPGA設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)。微處理器適合處理復(fù)雜的順序執(zhí)行的任務(wù),而FPGA適合處理并行的或時(shí)序復(fù)雜的任務(wù),因此SOPC最適合處理既有復(fù)雜的順序執(zhí)行的任務(wù),又具有并行的或時(shí)序復(fù)雜的任務(wù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于嵌入式系統(tǒng),時(shí)序復(fù)雜的任務(wù)通常包括串行通信、液晶顯示控制、ADC數(shù)據(jù)采集和DAC數(shù)據(jù)輸出等,而并行任務(wù)通常包括多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理任務(wù)。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以考慮以上應(yīng)用。

3.4 自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)

自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)主要是利用自動(dòng)化理論和技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng),用于各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和控制等,以提高效率和質(zhì)量,創(chuàng)造社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化人才的培養(yǎng)目標(biāo)就是要面對(duì)實(shí)際問(wèn)題,能夠自主地探索解決問(wèn)題的方法,完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模型建立、仿真、硬件實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試。課程內(nèi)容設(shè)置一方面要考慮自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)。由于自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括硬件和軟件2部分,硬件部分除了計(jì)算機(jī)外,絕大多數(shù)都是由嵌入式系統(tǒng)組成,而嵌入式自動(dòng)化系統(tǒng)最具代表性的就是工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等,這些系統(tǒng)中大都會(huì)用到數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、通信等子系統(tǒng)功能,因此設(shè)計(jì)SOPC實(shí)驗(yàn)時(shí)需要考慮自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)。另一方面要考慮自動(dòng)化人才的培養(yǎng)目標(biāo),重點(diǎn)體現(xiàn)在課程中培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、硬件實(shí)現(xiàn)等實(shí)踐能力。

4 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式

教學(xué)模式上力求做到激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)習(xí)效果、增強(qiáng)實(shí)踐研究和創(chuàng)新能力。為達(dá)到這些目標(biāo),教學(xué)內(nèi)容分為講課、自學(xué)、交流討論、實(shí)驗(yàn)4部分,講課、自學(xué)、實(shí)驗(yàn)3部分內(nèi)容循序漸進(jìn)、因材施教,著重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。

4.1 講課

主要講授內(nèi)容包括:

(1) 實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)器材等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Altera公司的DE2教學(xué)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)器材包括常用電子元器件、各種各樣的傳感器和執(zhí)行器模塊等。

(2) SOPC結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。這是教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)難點(diǎn),需要融合數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)容,以及嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)。

(3) 基于NiosII的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)樣例。設(shè)計(jì)軟件包括QuartusII和Eclipse,分別用于硬件和軟件設(shè)計(jì)?；贜iosII的SOPC系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件復(fù)合系統(tǒng),軟件和硬件需根據(jù)需求靈活劃分,系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的新方法,因此也是教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)難點(diǎn)。由于設(shè)計(jì)靈活,非常適合于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),培養(yǎng)軟硬件創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

(4) Verilog設(shè)計(jì)硬件設(shè)備的要點(diǎn)。主要對(duì)比C語(yǔ)言設(shè)計(jì)方法的相似點(diǎn)和不同點(diǎn),其次強(qiáng)調(diào)用Modelsim仿真軟件協(xié)助設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法。SOPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是定制設(shè)計(jì)合適的微處理器和外設(shè)。微處理器采用NiosII,需要設(shè)置許多特性；外設(shè)通常通過(guò)Avalon總線與微處理器交換信息,需要使用Verilog或VHDL來(lái)自行設(shè)計(jì)基于Avalon總線的IP核。因此SOPC系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)是教學(xué)內(nèi)容的又一個(gè)難點(diǎn)。

4.2 自學(xué)

由于之前學(xué)習(xí)的一些課程內(nèi)容會(huì)隨著時(shí)間的推移淡忘,因此要求學(xué)生復(fù)習(xí)FPGA及Verilog語(yǔ)言、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)原理,同時(shí)閱讀嵌入式系統(tǒng)、NIOSII SOPC、Avalon總線結(jié)構(gòu)、QuartusII和Modelsim仿真軟件、DE2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)手冊(cè)等相關(guān)資料,這些自學(xué)任務(wù)從課程開(kāi)始前的假期就布置了,學(xué)生可以根據(jù)自己的基礎(chǔ)有選擇性地自學(xué)。

4.3 交流討論

由于SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到硬件和軟件2部分,而且硬件和軟件又都多種多樣,需要學(xué)生綜合起來(lái)協(xié)同設(shè)計(jì)和調(diào)試,對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)困難較大。為了促進(jìn)學(xué)習(xí)、激發(fā)興趣,鼓勵(lì)交流討論。首先給學(xué)生提供常見(jiàn)問(wèn)題及解決辦法,學(xué)生遇到無(wú)法解決的問(wèn)題可以參看；其次要求每位學(xué)生每天將自己遇到的問(wèn)題和解決辦法發(fā)布

在網(wǎng)絡(luò)課堂的討論欄與其他學(xué)生交流討論；另外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生自己組成團(tuán)隊(duì)交流討論；最后實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行交流討論。通過(guò)多種方式的交流討論,有效地促進(jìn)了學(xué)習(xí)效果,增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

4.4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容循序漸進(jìn),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐研究能力和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括4個(gè)層次:基本實(shí)驗(yàn)、提高實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

(1) 基本實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生盡快了解SOPC的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為簡(jiǎn)單的帶NIOSII軟核微處理器的SOPC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有設(shè)計(jì)IP核。

(2) 提高實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握利用SOPC實(shí)現(xiàn)帶Avalon總線IP核功能的方法,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇了適合于SOPC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化系統(tǒng)硬件常見(jiàn)的液晶顯示、輸入設(shè)備和串行通信,利用DE2自帶的遙控器和液晶顯示器實(shí)現(xiàn)信息輸入和信息顯示,遙控器與DE2平臺(tái)之間通過(guò)I2C通信輸入信息,要求基于NIOSII處理器和Avalon總線IP核實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)有較高難度,因此提供了液晶顯示器和遙控器IP核實(shí)現(xiàn)的提示,以降低難度。

(3) 綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握用SOPC設(shè)計(jì)適合于SOPC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化實(shí)用電子系統(tǒng)的方法,設(shè)計(jì)了多個(gè)信號(hào)采集及顯示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),例如多路溫度采集、溫濕度測(cè)量、脈搏測(cè)量、超聲波測(cè)距、光強(qiáng)測(cè)量等,以及一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)碼相框圖片顯示實(shí)驗(yàn)。

(4) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕亲寣W(xué)生自由選題、團(tuán)隊(duì)合作完成1個(gè)具有創(chuàng)新性的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則結(jié)合自動(dòng)化實(shí)用系統(tǒng),給學(xué)生提供創(chuàng)意之星機(jī)器人套件、四旋翼飛行器套件等,學(xué)生還可根據(jù)自己興趣利用其他設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),也有些學(xué)生利用FPGA并行處理能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)快速智能算法IP核,組成信號(hào)處理SOPC系統(tǒng)。

通過(guò)4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn),逐步培養(yǎng)學(xué)生綜合、設(shè)計(jì)、研究、創(chuàng)新及合作的能力。

5 教學(xué)效果

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容包括PSoC、ARM CortexM4、FPGA-SOPC 3部分SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì),其中基于FPGA的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然難度大,但是學(xué)生學(xué)習(xí)熱情很高,反映在課程中收獲很大,提高了對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

圖1—4分別是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作品。圖1為提高實(shí)驗(yàn)完成結(jié)果,圖2—圖3為綜合實(shí)驗(yàn)完成結(jié)果,圖4為利用FPGA-SOPC、PSoC完成的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 FPGA-SOPC遙控器輸入和液晶顯示提高實(shí)驗(yàn)

圖2 FPGA-SOPC超聲波測(cè)距和溫濕度測(cè)量綜合實(shí)驗(yàn)

圖3 FPGA-SOPC簡(jiǎn)易數(shù)碼相框綜合實(shí)驗(yàn)

圖4 利用FPGA-SOPC、PSoC完成的游戲創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)語(yǔ)

本文將基于FPGA-SOPC的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入相關(guān)課程教學(xué),從4個(gè)方面研究了適合的實(shí)驗(yàn)方法,教學(xué)模式上力求做到激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和促進(jìn)學(xué)習(xí)效果。講課、自學(xué)、實(shí)驗(yàn)3部分內(nèi)容循序漸進(jìn)、因材施教,著重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)設(shè)幾年來(lái)一直受到學(xué)生的歡迎,達(dá)到了課程開(kāi)設(shè)的目標(biāo)。

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