如何開展ARM與FPGA綜合設計的教學探索

集美大學信息工程學院 吳一亮 潘金艷 袁占生

如何開展ARM與FPGA綜合設計的教學探索

集美大學信息工程學院 吳一亮 潘金艷 袁占生

ARM和FPGA聯(lián)合開發(fā)是目前最符合技術(shù)趨勢的開發(fā)模式，利用ARM作為主CPU來處理一些流程復雜的應用，而FPGA作為協(xié)處理器來處理一些運算量較大的運算。 本文從開展ARM和FPGA聯(lián)合開發(fā)相關(guān)課程的現(xiàn)實意義出發(fā)，闡述了開展ARM和FPGA聯(lián)合開發(fā)相關(guān)課程的教學改革目標，并提出了相應的課程教學改革策略，旨在提高集成電路專業(yè)學生的綜合競爭力。

ARM；FPGA；聯(lián)合開發(fā)；教學探索

這十年來，ARM和FPGA的發(fā)展速度已經(jīng)遠遠超過了DSP。在ARM方面，其A9雙核、A15四核在嵌入式市場已經(jīng)以摧枯拉朽之勢占領(lǐng)了主導地位。FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，是1985年美國Xilinx 公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件，其規(guī)模大、集成高、靈活性強，實現(xiàn)邏輯功能廣。FPGA適用于處理實時性要求高，處理數(shù)據(jù)量大的場合，目前用FPGA作為自定義協(xié)處理器的方案正在大行其道。從之前Intel對Altera的收購就可以看出，處理器與FPGA的融合設計已成為業(yè)界共識。[1]

近年來，社會對熟練掌握ARM和FPGA 技術(shù)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐年增加。國內(nèi)外知名企業(yè)每年都會到高校高薪招聘相關(guān)驗證工程師、數(shù)字設計工程師和SOPC 設計工程師。為滿足社會需求，各高校相關(guān)專業(yè)開設了包含ARM和FPGA 技術(shù)內(nèi)容的課程，如集美大學電子科學與技術(shù)專業(yè)，從2011 年開始開設了“FPGA原理與應用”“嵌入式系統(tǒng)設計”和“SOPC 設計技術(shù)”等相關(guān)課程。但是，由于學生基礎(chǔ)課程掌握不牢，同時受實驗條件及師資的限制，在相關(guān)課程教學中偏重講授理論知識，而在應用方面涉及較少，直接導致學生的實踐技能較差，就業(yè)時難以滿足企業(yè)需求。面臨就業(yè)壓力，為了就業(yè)，一部分學生花費金錢和時間自費到社會培訓機構(gòu)進行APP開發(fā)技術(shù)方面的學習。一方面企業(yè)在高薪聘請具有復雜嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力的員工，另一方面在校學生因認識不到本專業(yè)的優(yōu)勢而去學習andriod等APP開發(fā)技術(shù)。因此，開展相關(guān)課程教學改革研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 目前ARM與FPGA聯(lián)合設計課程存在的問題

目前我們在SOPC設計這門選修課程里開始給學生介紹ARM和FPGA的聯(lián)合設計，但學生普遍反映課程較難，涉及到的綜合知識太多。我們從學生角度分析后歸納出以下原因：

1.1 學生的水平不足

學生水平不足，源于從大一開始就認識不足。ARM和FPGA的聯(lián)合設計對于初學者來說，要學的知識點很多。學生必須從大一開始學習好C語言，之后需要學習邏輯電路設計、硬件描述語言和操作系統(tǒng)相關(guān)知識才能順利的進行ARM和FPGA的聯(lián)合開發(fā)。但目前普通高校開設的相關(guān)實驗課程大多數(shù)都有相應的課堂教學，其主要內(nèi)容都是涉及教師在課堂上所要求的重點內(nèi)容，無法從系統(tǒng)的整體設計上進行考慮。學生因為要幾年后才能知道學習的內(nèi)容用在哪里，常常感到非常迷茫。造成最后知道用在哪里后，卻因為能力不足而無法上手做一些項目。

1.2 學生的熱情不高

學生熱情不高主要原因在于不知道學的能干什么。很多課程項目深度不夠，學生學了之后沒法用到實際項目中去，而學校由于實驗設備的時間場地等條件限制，無法開出很多有深度的項目。

2 教學目標

畢竟課堂教學有一定的局限性，鼓勵學生養(yǎng)成課外積極收集學習相關(guān)專業(yè)知識的興趣；將所學知識靈活應用于實踐。這樣教學才能由老師個人在課堂上演“獨角戲”的場面轉(zhuǎn)變?yōu)檠杏憰?，學生也一定會竭盡全力由被動學習向主動學習轉(zhuǎn)變。學生才能逐漸形成創(chuàng)新性思維，具有較高的工程素質(zhì)和實踐能力。

3 采取的措施

3.1 嵌入式實踐教學體系的建立

首先，開發(fā)層次化教學包，教學包中包括FPGA和ARM嵌入式技術(shù)實訓課程教學大綱、實驗指導書、電子教案、實訓指導、FPGA/ARM嵌入式實驗箱、實驗箱的使用說明、教學資源庫及實驗環(huán)節(jié)考核系統(tǒng)等，以適應電類及相關(guān)專業(yè)的學生進行FPGA和ARM嵌入式技術(shù)課程實訓，提高教學質(zhì)量和教學效果。[2]

其次，將教學內(nèi)容分為基礎(chǔ)篇和提高篇，基礎(chǔ)篇可以滿足大一、大二學生工程訓練的要求，讓低年級學生獲得嵌入式技術(shù)全方位的系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓練。提高篇面向三、四年級的創(chuàng)新班和在嵌入式方面有一些進入大三階段則需要有選擇地重點學習嵌入式操作系統(tǒng)原理與編程、嵌入式系統(tǒng)與FPGA的混合系統(tǒng)設計或者全力以赴鉆研FPGA應用技術(shù)等技術(shù)方向，開發(fā)，培養(yǎng)學生軟硬件開發(fā)的能力。

3.2 實驗教學的改革

目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技術(shù)實訓課所使用的實驗平臺都是獨立平臺，大多是買市場上成品的嵌入式實驗箱或FPGA實驗箱等，功能單一。從這次集成電路設計大賽上我們用到京微雅格公司的CME-M7芯片，其上集成了ARM Cortex-M3內(nèi)核和高性能FPGA，非常適合用于我們自研FPGA/ARM聯(lián)合開發(fā)實驗板，作為實驗平臺完全能夠滿足嵌入式實驗的教學要求。

基于ARM與FPGA的聯(lián)合設計還是個比較新的方向，本文針對前階段我們的嘗試做了提出了一些新思路，期待在以后的大賽中檢驗成效。

[1]鄭偉“． 嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)”課程模式轉(zhuǎn)變及教改研究[J]．電氣電子教學學報,2009(S1):47-49．

[2]黨元一．嵌入式課程中項目教學法的應用研究與實踐[J]．中國電力教育,2011(2):86-87．

吳一亮（1979-），廈門市集美大學信息工程學院，講師，博士。