基于SoC的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程創(chuàng)新研究

葉朝輝，周永明，林 博，張 燕

（清華大學(xué)自動化系，北京 100084）

基于SoC的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程創(chuàng)新研究

葉朝輝，周永明，林 博，張 燕

（清華大學(xué)自動化系，北京 100084）

隨著SoC（System on Chip）應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)代電子系統(tǒng)大多以SoC為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先調(diào)研目前的SoC電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，在此基礎(chǔ)上介紹了內(nèi)容上和教學(xué)模式上具有一定創(chuàng)新的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)課程，并詳細(xì)介紹了課程的教學(xué)指導(dǎo)思想、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式及課程開設(shè)的效果。

SoC；電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；課程

1 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的現(xiàn)狀

現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，尤其在消費(fèi)、工業(yè)、航空航天、海洋、交通、汽車、電力及能源、生物醫(yī)療、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等各方面的測量、監(jiān)測與控制應(yīng)用中，都離不開現(xiàn)代電子系統(tǒng)。而現(xiàn)代電子系統(tǒng)大多以SoC為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)中引入SoC技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容就成了必然趨勢。

SoC將需要多個(gè)集成電路芯片完成的功能集成在一塊芯片上，使其集成度、穩(wěn)定性和可靠性高以及功耗低，因此其應(yīng)用越來越廣泛。最初的SoC采用ASIC技術(shù)將多種功能制作成固定的芯片，稱為ASIC SoC。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，又出現(xiàn)了功能可通過軟件修改定制的可編程SoC（Programmable SoC或者System on Programmable Chip，簡稱PSoC或者SOPC），例如帶模擬和數(shù)字可編程模塊的PSoC，以及基于FPGA設(shè)計(jì)的SOPC系統(tǒng)等。另外，SoC越來越多地與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，將32位微處理器也集成到PSoC或SOPC系統(tǒng)中。同時(shí)基于SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也逐漸發(fā)展成為軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的新方法，使得設(shè)計(jì)靈活方便，非常適合于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

目前國內(nèi)外開設(shè)的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程大致分為4類，第一類是基于FPGA平臺，培養(yǎng)學(xué)生從底層開始設(shè)計(jì)數(shù)字SOPC系統(tǒng)的能力，包括微處理器、總線、存儲器等單元［1－4］；第二類是基于FPGA平臺，利用已有的微處理器和總線IP核，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)SOPC系統(tǒng)的能力［5－7］；第三類是基于PSoC平臺，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)模數(shù)混合SoC系統(tǒng)的能力［8－9］；第四類是基于ASIC SoC的嵌入式系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的能力［10－12］。

以上這些課程都是應(yīng)用單一的某種SoC技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，側(cè)重于基于某種系統(tǒng)平臺的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，或者針對某類問題培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)SoC系統(tǒng)的創(chuàng)新能力，取得了較好的教學(xué)效果。然而，為了讓學(xué)生更全面地理解SoC技術(shù)的發(fā)展以及不同類型SoC的特點(diǎn)，給學(xué)生更多的研究創(chuàng)新的空間，并且使學(xué)生將來在實(shí)際應(yīng)用中能夠更加靈活、合理地選擇最合適的SoC系統(tǒng)，作者將在內(nèi)容上和教學(xué)模式上具有一定創(chuàng)新的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入本科生“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”和研究生“電子技術(shù)專題”2門課程。在課程中將ASIC SoC以及PSoC、SOPC均引入教學(xué)，首先讓學(xué)生了解SoC技術(shù)的發(fā)展、分類和特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法等，然后利用不同的SoC實(shí)驗(yàn)平臺完成基本實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上選擇最合適的SoC系統(tǒng)完成具有實(shí)用性的綜合實(shí)驗(yàn)，最后自由選題、自選實(shí)驗(yàn)平臺完成一個(gè)具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。通過這種教學(xué)模式不僅讓學(xué)生深入理解SoC的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法、能根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的SoC系統(tǒng)，還能最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。

2 課程教學(xué)指導(dǎo)思想

課程教學(xué)指導(dǎo)思想主要包括4個(gè)方面：及時(shí)引入新技術(shù)；教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實(shí)際應(yīng)用；教學(xué)過程循序漸進(jìn)、因材施教；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新研究能力及合作精神。

2.1 及時(shí)引入新技術(shù)

時(shí)刻關(guān)注前沿技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)將新技術(shù)引入相關(guān)課程。2007年在國際國內(nèi)較早地將模數(shù)混合可編程的PSoC芯片引入本科生“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”和研究生“電子技術(shù)專題”課程，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)，編寫了教材，發(fā)表了教學(xué)論文，申請了發(fā)明專利，并與課外科技活動相結(jié)合，獲得多項(xiàng)校級挑戰(zhàn)杯競賽獎(jiǎng)。

隨著SoC技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的可編程SOPC技術(shù)逐漸興起，2010年開始又在課程中開設(shè)了基于軟核NIOS的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。同時(shí)，原有的ASIC SoC，例如基于32位ARM微處理器的嵌入式SoC也開始設(shè)計(jì)出先進(jìn)的帶模數(shù)混合可編程GPIO功能的ARM CortexM系列芯片。為了讓學(xué)生及時(shí)了解和掌握新技術(shù)，2011年開始又將基于ARM CortexM的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入教學(xué)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實(shí)際應(yīng)用

在講授系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和給學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將教學(xué)與科研相結(jié)合，將科研中設(shè)計(jì)過的實(shí)用系統(tǒng)作為樣例講授設(shè)計(jì)方法，或者將實(shí)用系統(tǒng)簡化后作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。學(xué)生在教學(xué)過程中接觸到實(shí)用系統(tǒng)，有利于學(xué)以致用，避免紙上談兵。

2.3 教學(xué)過程循序漸進(jìn)、因材施教

教學(xué)過程包括講授和實(shí)驗(yàn)2個(gè)環(huán)節(jié)。課程先講授SoC和現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識，然后講授實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括循序漸進(jìn)的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)?；緦?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生盡快了解3種SoC的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生掌握利用3種SoC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的方法，綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生掌握選擇最合適的SoC設(shè)計(jì)實(shí)用電子系統(tǒng)的方法，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的則主要是讓學(xué)生合作自由選題、自選實(shí)驗(yàn)平臺完成一個(gè)具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。通過4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，逐步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立綜合、設(shè)計(jì)、研究、創(chuàng)新及合作的能力。

以上4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)并不要求所有學(xué)生全部完成，學(xué)生可根據(jù)自己的能力和興趣選擇，做到因材施教?；緦?shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)為必做實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生可根據(jù)自己的興趣選擇幾個(gè)基本實(shí)驗(yàn)和一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)完成。其他2個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生可根據(jù)自己的能力選做，例如能力較強(qiáng)的學(xué)生可以跳過提高環(huán)節(jié)直接做綜合實(shí)驗(yàn)，并選做創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，而能力較弱的學(xué)生則可以選擇做前3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，還有的學(xué)生則4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)都能完成。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以自由組成團(tuán)隊(duì)，合理分工，自由選題、自選實(shí)驗(yàn)平臺完成一個(gè)具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器件可以選擇實(shí)驗(yàn)室提供的，也可以自己購買。有的學(xué)生采用2個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)了難度較大的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，有的學(xué)生則自行購買所需器件，自己焊接電路實(shí)現(xiàn)有創(chuàng)意的系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性并激發(fā)了他們的創(chuàng)造性，同時(shí)通過團(tuán)隊(duì)合作培養(yǎng)了他們的合作精神。

3 教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容主要包括講課和實(shí)驗(yàn)2部分內(nèi)容。講課內(nèi)容主要講授現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，包括SoC發(fā)展及應(yīng)用概況，以及現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，SoC的特點(diǎn)及分類、設(shè)計(jì)方法，實(shí)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)樣例等。之后圍繞ARM CortexM微處理器、PSoC、FPGA－SOPC介紹3種器件的特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)環(huán)境及開發(fā)方法、實(shí)驗(yàn)平臺及各種傳感器和執(zhí)行器模塊等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括4個(gè)層次，即基本實(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)部分主要包含3種器件的基本功能實(shí)驗(yàn)，例如，針對ARM CortexM4微處理器LM4F232設(shè)計(jì)的模擬比較器、ADC、PWM、UART、SSI、I2C、CAN、USB OTG等基本功能實(shí)驗(yàn)，針對PSoC3設(shè)計(jì)的PGA、比較器、ADC、DAC、PWM、Timer、USB、SPI、UART、LCD顯示等基本功能實(shí)驗(yàn)，針對Altera CycloneIV FPGA設(shè)計(jì)的基于NIOSII軟核微處理器的雙直流電機(jī)驅(qū)動、LCD顯示等基本實(shí)驗(yàn)。

（2）提高實(shí)驗(yàn)分別利用3種SoC實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能，例如，針對ARM CortexM4微處理器LM4F232設(shè)計(jì)的uC－OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植、直流電機(jī)速率控制與測量、SD卡文件操作及音頻播放器、基于無線WiFi的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)等，針對PSoC3設(shè)計(jì)的波形數(shù)據(jù)采集存儲及顯示、彩色LED陣列驅(qū)動、直流電機(jī)速率控制與測量等，針對Altera CycloneIV FPGA設(shè)計(jì)的基于NIOSII軟核微處理器的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、簡單數(shù)字濾波、UART通信等。

（3）綜合實(shí)驗(yàn)基于實(shí)際應(yīng)用背景設(shè)計(jì)了多個(gè)帶傳感器或執(zhí)行器的系統(tǒng)，包括針對ARM CortexM4微處理器LM4F232和PSoC3設(shè)計(jì)的迷你車載冰箱溫控系統(tǒng)、安防短信報(bào)警系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng)等，針對Altera CycloneIV FPGA設(shè)計(jì)的基于NIOSII軟核微處理器的數(shù)字溫度采集、存儲、顯示及傳輸?shù)取?/p>

（4）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是開放式的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自由選題、自選實(shí)驗(yàn)平臺、自選外圍設(shè)備模塊，2人或多人合作完成一個(gè)具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)?？梢圆捎?個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)，可以利用實(shí)驗(yàn)室提供的外圍設(shè)備模塊，也可以自己購買。

4 教學(xué)模式

采用了有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)模式。教師除了講授基本知識外，還要組織學(xué)生討論、答辯并對學(xué)生進(jìn)行一定的輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生有意識地培養(yǎng)自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及表述問題和結(jié)果的能力。而學(xué)生則在自學(xué)、設(shè)計(jì)、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)自己的實(shí)踐動手能力、研究問題并解決問題的能力以及創(chuàng)新能力等。

采用多元化考核，教師全過程觀察記錄學(xué)生的自學(xué)、儀器和設(shè)備操作、設(shè)計(jì)、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)、答辯等環(huán)節(jié)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收。從這些環(huán)節(jié)中評價(jià)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、自學(xué)能力、研究能力、解決問題能力、動手能力、表達(dá)能力、創(chuàng)新精神和合作精神等。

管理采用開放式，器材開放、場地和設(shè)備開放，實(shí)驗(yàn)時(shí)間除白天外，晚上可以預(yù)約。這種管理模式有利于學(xué)生合理安排學(xué)習(xí)，最大限度地發(fā)揮他們的潛力。

5 教學(xué)效果

基于SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)課程自2007年開課以來一直受到學(xué)生的歡迎，選課人數(shù)總是超過課程容量。學(xué)生反映在課程中有很多收獲，不僅學(xué)到了新知識、掌握了新技術(shù)，還激發(fā)了他們實(shí)驗(yàn)的熱情，提高了解決問題的能力和創(chuàng)新能力。許多學(xué)生課后還參加了課外科技活動，利用這些實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)自己創(chuàng)作的作品。

圖1、圖2分別是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)作品。圖1為利用PSoC3和ARM CortexM4兩個(gè)平臺搭建的游戲系統(tǒng)，其中利用了PSoC3平臺的電容感應(yīng)觸摸按鍵和滑條作為輸入設(shè)備，利用了ARM CortexM4平臺的彩色OLED顯示屏作為輸出設(shè)備。圖2為利用Altera CycloneIV FPGA平臺實(shí)現(xiàn)的數(shù)字溫度采集系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

本文將基于SoC的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入相關(guān)課程教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)手段上力求做到跟蹤前沿，及時(shí)引入新技術(shù)和新方法，循序漸進(jìn)、因材施教，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新研究能力以及合作精神。課程開設(shè)幾年來一直受到學(xué)生的歡迎，同時(shí)學(xué)生也提出建議和意見使課程建設(shè)得越來越好。

圖1 利用PSoC3和ARM CortexM4兩個(gè)平臺搭建的游戲系統(tǒng)

圖2 利用Altera CycloneIV FPGA平臺實(shí)現(xiàn)的數(shù)字溫度采集系統(tǒng)

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Research on innovation of Modern Electronic System Design course based on SoC

Ye Zhaohui，Zhou Yongming，Lin Bo，Zhang Yan
（Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Modern electronic systems are usually designed with SoC，because SoC is used more and more widely.This paper first studies the Modern Electronic System Design course in the world，and introduces the courses related with the Modern Electronic System Design with innovative content and teaching method.This paper introduces the course ideology，content，teaching mode，and course effects in detail.

SoC；electronic system design；course

G642.0

A

1002－4956（2014）1－0166－03

2013－05－24 修改日期：2013－07－05

葉朝輝（1968—），女，湖南望城，博士，副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用.

E－mail：yezhaohui＠tsinghua.edu.cn