基于CDIO模式下的FPGA在實踐教學中的應用初探

李海++黃鉉

摘要：實踐教學理念的更新、課程改革已經迫在眉睫，將FPGA仿真技術融入到課程教學中，有助于實踐教學質量的提高，并且FPGA仿真技術的引入，在培養學生創新能力和動手能力等方面起著重要的作用，為傳統的教學指明了方向。本文主要對FPGA在實踐教學中的應用進行分析探討。

關鍵詞：FPGA；實踐教學；應用

中圖分類號：TN791-4

一、目前FPGA人才需求情況

隨著電子信息產業和集成電路技術的發展，FPGA設計技術已經成為電子信息產業最熱門的技術之一，應用范圍遍及通訊設備、廣播電視設備、汽車電子設備、工業生產、電子消費品等多個領域。并隨著集成電路工藝的進步和技術的發展，越來越多的集成電路設計也開始以ASIC轉向FPGA，FP-GA產品將擴展到更多、更廣泛的應用領域。

1、對人才學歷層次的需求

現在的企業面臨著日趨白熱化的殘酷競爭，為了減員增效，提高人才的利用率，不愿意承擔培訓人才的任務，即企業不養“閑人”，所以企業就千方百計地尋找可以直接上崗的人才，為了提高企業的資質等級，對人才的學歷要求也越來越高，各企業都需要具有一定動手能力的大中專畢業生。

2、對人才能力的需求

FPGA應用行業需要的是掌握了一定專業知識、動手能力強的技能型人才，特別對技能型人才要求比較高，在企業內很多人都承擔了不同的工作角色，打破了原有的“一個蘿卜一個坑”的用人模式，倡導“一個蘿卜幾個坑”，從而提高工作效率。幾乎所有企業都喜歡既懂技能又懂管理、專業知識面廣、一專多能、具有一定社交能力和組織協調能力的專業人才。

二、獨立學院學生現狀

如今，電子類專業的學生畢業生總量很大，但目前工資水平一般較低，很難達到學生預計值。實際上，附加值較高的電子產品都離不開FPGA，從事FPGA技術的人員薪水也是相當可觀的，尤其是有一定工作年限和技術之后。通過對企業調研，將FPGA相應的實踐課程的開設與學生今后的就業工作崗位相聯系，使學生基本具有以下能力：熟悉FPGA開發流程，能進行編程、仿真與測試及下載；熟悉Veriog或VHDL編程語言；熟悉使用XILINX/ALTERA的FPGA或CPLD。制定實施該體系的教學方法和教學手段。同時，FPGA編程和調試的過程比較繁瑣，正好也鍛煉了學生吃苦耐勞的精神。

三、FPGA實踐教學方案的實施

根據企業的要求去確定FPGA模塊化的教學方案是學校推進實踐教學改革的重要方向。企業要求學生掌握從系統構思到編程，再到約束條件的編寫，最后進行程序下載這一系列完整的FPGA設計流程。因此，在模塊教學設計時都有一個共同特點：每個模塊都是相對獨立的，都能使學生體會到從系統構思到用Veriog HDL語言編程，最后到程序下載的一系列完整的程序設計過程。并且要求學生以組為單位進行查找資料設計，設計完作品后每組進行總結發言，培養他們的團隊合作精神、溝通協調能力和自我學習的能力。每次設計要求以文檔形式進行提交，提高他們的文檔閱讀和編寫能力。

企業要求學生掌握流水燈設計和狀態機設計，所以在FPGA的模塊化教學中把這兩部分也考慮了進去。根據市場需要，現在流行的大屏顯示系統用到了16×16顯示原理，戶外的LED燈顯示如今也應用比較廣泛。LED燈具有抗震耐沖擊、光響應速度快、省電和壽命長等特點，廣泛應用于各種戶外顯示屏系統中。戶外顯示屏分為全色、三色和單色顯示屏，全國共有100多家單位在開發生產。交通燈正在逐步更新換代，采用超高亮度紅、綠、黃色LED，這些都用到了LED燈的顯示原理。如今越來越多的數字產品開始使用液晶作為顯示終端，但基于VGA標準的顯示器仍是目前普及率最高的顯示器。若驅動此類顯示器，需要很高的掃描頻率，以及極短的處理時間，正是由于這些特點，所以可以用FP-GA來實現對VGA顯示器的驅動。所以，基于企業和市場的需要，將流水燈設計、狀態機設計、16×16點陣設計、LED燈顯示設計和VGA設計都融入到模塊化設計中。

按照企業在招聘時對Veriog HDL語言學習要求，學生需掌握Veriog HDL語言的順序語句，并發描述語句及狀態機的學習。其中，順序語句包括IF語句、CASE語句和LOOP循環語句。并發描述語句包括進程描述語句，并行信號賦值語句，條件信號賦值語句和并行過程調用語句。為了讓學生在學習FPGA技術時形成一個由Veriog HDL語言編程，最后到程序下載的一系列完整的程序設計過程。把教科書中放在后續章節講授的設計綜合和仿真，設計實現和時序約束放到每個模塊中講授，讓學生先熟悉Quartus II軟件環境，并會用Quartus II軟件進行Verilog HDL語言編程、檢驗、仿真和設計實現。設計實現是將綜合輸出的邏輯網表翻譯成所選器件的底層模塊與硬件原語，將設計映射到器件結構上，進行布局布線，達到在選定器件上實現設計的過程。

最后一步是下載程序到Altera硬件平臺，硬件平臺上有很多功能塊，其中，有的功能塊有固定的引腳，如8位LED燈顯示模塊、4位滑動開關輸入模塊、12位按鍵輸入模塊，這類模塊的設計，實驗箱一般都配有約束條件的描述，學生在設計上一般稍加改動就可以了。有的功能塊在硬件平臺上是通過擴展口連接上去的，如8位8字型數碼管顯示模塊、VGA接口模塊、16×16點陣模塊、128×32字符圖形液晶顯示模塊，這類模塊需要根據學生實際在擴展口接線的情況來編寫約束條件。約束條件的學習是FPGA學習的又一難點，課題研究將FPGA的學習分成七個模塊學習，每次只講要使用的模塊的約束條件的編寫，分步進行，學生更容易消化一些。而且，設計時先講固定引腳的約束條件，再講擴展接口的約束條件的編寫，學生會更容易接受些。

四、結語

通過FPGA實踐教學的改革，使學生通過七個模塊的學習基本掌握用人單位對FPGA人才招聘的基本要求，模塊的設計環環相扣，涵蓋FPGA應用的基本知識點，學生學習時效果明顯，通過學習基本能獨立編程下載完成FPGA設計的整個流程。

參考文獻

[1]劉寧莊.實踐教學方法在FPGA課程教學中的應用[J].高校實驗室工作研究，2013，01：22-23.

[2]蔣小燕，李俊生，朱昌平.FPGA在“數字信號處理”課程實驗教學中的應用[J].常州工學院學報，2013，01：80-82.

[3]余麗霞.模擬教學法在《證券投資學》實踐教學中的應用初探[J].四川省干部函授學院學報，2011，02：80-83.