基于FPGA的課程群一體化實踐教學體系與平臺

王 潔, 侯 剛, 周寬久, 賴曉晨, 遲宗正, 林 馳

(大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連 116620)

基于FPGA的課程群一體化實踐教學體系與平臺

王 潔, 侯 剛, 周寬久, 賴曉晨, 遲宗正, 林 馳

(大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連 116620)

嵌入式課程群建設中實踐教學環節相對薄弱,課程體系中各門課程實驗環節未能有效銜接,分離實驗平臺建設成本高且難以集成。建立基于FPGA的嵌入式課程群一體化實驗教學平臺,并以此為基礎構建貫穿整個本科生教學周期的嵌入式課程群實踐教學體系。嵌入式各門課程提供針對統一平臺的實驗教學案例,達到“層層遞進、逐步深化”的實驗效果,為掌握系統級設計技術方法奠定基礎。

實踐教學； 嵌入式課程群； 一體化實驗平臺； FPGA

1 研究意義

目前,嵌入式課程群建設中實踐教學相對薄弱,實踐教學設計重“軟”輕“硬”[1],學生對軟硬件協同設計[2]也缺乏足夠認識。IT 產業大規模集成器件和新型應用類型器件的高速發展,也使學生普遍感覺“學習的知識在實踐中用不上,實踐中需要的知識沒學過”,無法迅速將所學知識運用到嵌入式系統設計和開發的實踐中去。針對上述問題,迫切需要構建嵌入式課程群的一體化綜合教學體系[3],整合教學資源,合理規劃各門課程的教學內容與實踐教學環節,注重整體性和延續性,貫穿嵌入式專業教學各個階段,充分培養和鍛煉學生動手能力和系統級設計能力[4]。FPGA(field programmable gate arrays,現場可編程門陣列)已經具備全系統平臺特性,可以利用FPGA實現嵌入式系統[5],有利于構建更完整的多層次嵌入式實踐教學平臺[6]。

2 嵌入式課程群建設現狀分析

目前,國內眾多高校都實施了基于FPGA的實驗教學改革。很多學校直接把FPGA教學融于到電類的數字電路教學中,在FPGA 實驗教學中安排了不少基礎性和綜合設計性實驗內容[7],或投入大量資金建設FPGA實驗室,提高學生利用FPGA 器件進行應用和開發的熟練程度和實踐能力[8]。此外,將FPGA 創新開發實驗教學平臺融入現代電子技術、通信技術、計算機技術、EDA 技術及硬件描述語言,在教學體系上提供一個理論與實踐結合的實驗平臺[9]。但目前多數教學改革方案是針對單一課程實驗和實踐教學平臺建設和實驗設計,缺乏對課程體系建設的支撐,難以實現預期的動手能力培養目標。

針對以上問題,國內部分重點院校已經展開相關課程群和集成化實驗平臺建設。浙江大學計算機科學與技術學院采用2套FPGA實驗教學平臺,整合10門課程的實踐教學,采用軟硬件課程融會貫通的方法,建立層次化、循序遞進、開放式課程群課程體系和實踐體系[10]。清華大學基于SoC的現代電子技術課程,2010年就引入了基于FPGA軟核的SoC(system on chip,片上系統)設計[11]。北京工業大學軟件學院也開展了FPGA特色實驗平臺建設。此外,中國電子學會所發起的開源硬件設計大賽影響力日益增強,此項大賽以FPGA平臺為基礎,綜合考察學生嵌入式系統設計的理論水平和實踐能力。同時,基于開源硬件的實踐教學也引起了國內外高校的廣泛關注[12]。

綜上所述,基于FPGA平臺的嵌入式課程群一體化實踐教學體系建設，既是課程群教學的自身要求,也是掌握嵌入式系統設計技術的實踐途徑,更是切實提高高校實踐型、創新型人才培養目標的重要手段。

3 實施方案

3.1 構建貫穿整個本科生教學周期的嵌入式課程群實踐教學體系

針對目前嵌入式相關課程中存在的問題設計課程群知識路線圖,指導更新各門課程教學內容,特別是整合實踐教學內容的相互銜接。

(1) 第一學期:嵌入式技術專題講座。通過教師介紹、視頻展示等幫助學生建立感性認識,激發學生學習熱情。

(2) 第二學期:“模擬與數字電路”。增加Verilog HDL語言入門內容。通過對本課程學習的基本門電路、組合邏輯電路、時序電路進行建模,增加學生對電路的感性認識,也為后繼課程學習奠定編程語言基礎。

(3) 第三學期:“計算機組織與結構”。增加基于Verilog HDL的FPGA驗證內容。通過將算術邏輯單元(ALU)、控制單元(CU)等部件設計和驗證移植到FPGA實驗平臺上,使學生初步了解芯片級設計與驗證基本方法。

(4) 第四學期:“單片機原理與應用設計”。增加FPGA移植8051單片機內核的實驗內容,使學生體驗處理器級設計與驗證。

(5) 第五學期:“嵌入式程序設計”,增加Xilinx FPGA嵌入式處理器MicroBlaze定制和嵌入式C程序設計,拓展學生視野,實現對定制嵌入式處理器和嵌入式程序設計的直接驗證。

(6) 第六學期:“微型計算機應用”。增加基于FPGA的接口控制器設計與模擬等內容,使學生深入理解微處理器設計和接口設計技術。

(7) 第六、七學期:“FPGA設計與應用”。深入系統學習硬件描述語言Verilog HDL,學習硬件系統級設計方法,應用Xilinx FPGA實驗平臺,掌握實際應用開發技巧。

(8) 三年級小學期:“嵌入式課程設計”。增加FPGA開發板原理圖和PCB的設計環節,強化FPGA仿真、綜合和在線調試技能。

(9) 第八學期:為學生畢業設計提供FPGA集成開發平臺,完成更為復雜的系統級設計和算法硬件實現的邏輯驗證。

(10) 此外,還要為創新競賽、創新實驗班提供較為完善嵌入式SoC實踐學習環境和參考設計案例。

3.2 建立嵌入式SoC課程群公共實驗平臺

充分利用現有的Xilinx FPGA全球聯合實驗室資源,整合嵌入式課程群實驗教學,建立統一的實驗教學平臺。各門課程提供針對統一平臺的實驗教學方案,注重先行課程及后繼課程之間的技術關聯,達到“層層遞進、逐步深化”的實驗效果。一體化實驗教學平臺的教學內容如圖1所示,覆蓋了本科生一年級至三年級7門核心專業課程和4門實訓課程,同時也可以為創新競賽、創新實驗班、本科生畢業設計提供較為完善嵌入式系統硬件實踐學習平臺。圖2為一體化實驗平臺實驗箱,核心FPGA芯片為Xilinx Virtex4系列的XC4VSX25 ff668 -10。

3.3 建立基于FPGA一體化實驗平臺的嵌入式課程群實驗案例

7門核心課程每一門課程不少于40%的實驗案例移植到一體化實驗教學平臺,并且具有緊密的承接性,使學生在這一平臺上設計和驗證每個學習階段的實驗,最終掌握系統級設計能力。表1為一體化實驗平臺的實驗案例庫設計內容。

4 教學效果

本方案實施前,各門課程實驗都單獨教學,每門課程都采用專用實驗平臺。學生在上課時,每次都需要熟悉實驗平臺,能力稍差的學生有可能整個課程結束了還不熟悉實驗平臺。基于FPGA的嵌入式一體化實驗平臺貫穿整個嵌入式實驗教學課程,學生可以使用一體化實驗平臺實驗案例庫,循序漸進地進行實驗。圖3中展示了從傳統分離式平臺到一體化實驗平臺的轉化實施過程,達到層層遞進,逐步深化的教學效果,最終提升學生自身的能力。圖4是本方案實施后,學生對新的課程體系和一體化實驗平臺的教學反饋調查情況,從實際效果來看基本實現了本方案的預期。

圖1 嵌入式課程群一體化實驗教學平臺教學內容

圖2 嵌入式課程群一體化實驗平臺實驗箱

課程名稱案例庫主要優點模擬與數字電路(1)基本門電路的仿真(2)三八譯碼器的仿真(3)全加器的仿真(4)數據選擇器的仿真(5)三人表決器的仿真與原實驗相比,更加注重培養學生對電路原理的理解,不僅能夠充分發揮軟件工程學生編程能力強特點,還能夠直觀觀察電路設計底層實現原理圖,充分調動學習興趣

表1(續)

表1(續)

5 結束語

隨著對高等教育質量的不斷重視,實驗與實踐在教學環節的地位越來越高。打通嵌入式課程群實驗教學、建立以FPGA為技術支撐的嵌入式課程群一體化實驗教學平臺、有效銜接各門課程的理論與實踐教學、貫穿本科生教學周期的整個過程,為真正實現自主嵌入式系統設計奠定技術基礎。

圖3 一體化實驗平臺實施過程

圖4 學生反饋評價

References)

[1] 王艷玲.計算機專業硬件類課程教學改革探討[J].計算機教育,2009(20):90-92.

[2] 趙川,徐濤,孫曉光.軟硬件協同設計方法的研究[J].計算機工程與設計,2003,24(7):7-9.

[3] 李建霞,鄭兆兆,張瑩.構建綜合一體化電工電子實驗教學體系[J].教學研究,2014,37(1):95-97.

[4] 李永,俞輝,紀友芳,等.新型嵌入式軟件專業人才培養模式[J].計算機教育,2009(15):3-6.

[5] 孟憲元. FPGA實現嵌入式SoC系統[J].測控技術,2006,25(增刊l):16-19.

[6] 崔宏巍,朱方來.多層次協同式實踐教學平臺構建與研究[J].實驗技術與管理,2014,31(3):143-146.

[7] 覃洪英. FPGA 實驗教學方法改進探討[J].實驗室科學,2012,15(4):79-82.

[8] 朱磊,衛建華,邱春婷.FPGA 課程實踐環節教學改革[J].高等工程教育研究,2008(增刊l):134-136.

[9] 王革思,劉勉,羿宗琪.FPGA 創新開發實驗教學平臺的設計與應用[J].中國電力教育,2009 (10):145-146.

[10] 陳文智,陳越,莊越挺.面向系統設計能力培養的教學改革探索[J].計算機教育,2013(20):70-76.

[11] 葉朝輝,周永明,林博,等.基于SoC的現代電子系統設計課程創新研究[J].實驗技術與管理,2014,31(1):166-168.

[12] 趙廣元,王文慶,蔡秀梅.開源硬件在自動化專業教學中的應用模式初探[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):355-357.

Integrated practical teaching system and platform for curriculum group based on FPGA

Wang Jie, Hou Gang, Zhou Kuanjiu, Lai Xiaochen, Chi Zongzheng, Lin Chi

(School of Software Technology,Dalian University of Technology, Dalian 116620, China)

Practical teaching of embedded curriculum construction is relatively weak with experimental procedures in each course failed to effectively link and separated experiment platforms are expensive and difficult to integrate. A practical teaching system for embedded curriculum group is established throughout the undergraduate teaching life cycle and an integration experimental teaching platform is built based on FPGA. Each course provides experimental teaching cases for the unified platform to achieve the results of progressive layers and gradual deepening,and to lay the foundation for system-level design techniques and methods.

practical teaching; embedded curriculum group; integrated experimental platform; FPGA

2015- 01- 22 修改日期：2015- 03- 11

國家自然科學基金項目“面向芯片級的多核處理器故障恢復方法研究”(61472100)；大連理工大學教育教學改革基金項目重點項目“基于FPGA平臺的嵌入式SoC課程群一體化實踐教學體系建設”(ZD201304)

王潔(1979—),男,遼寧大連,博士,講師,主要研究方向為計算機系統結構、并行計算、FPGA應用設計等研究

E-mail：wangjie1003@163.com

侯剛(1982—),男,遼寧沈陽,碩士,講師,主要研究方向為嵌入式系統、可信軟件.

E-mail：hg.dut@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0208- 04