如何开展ARM与FPGA综合设计的教学探索

集美大学信息工程学院 吴一亮 潘金艳 袁占生

如何开展ARM与FPGA综合设计的教学探索

集美大学信息工程学院 吴一亮 潘金艳 袁占生

ARM和FPGA联合开发是目前最符合技术趋势的开发模式，利用ARM作为主CPU来处理一些流程复杂的应用，而FPGA作为协处理器来处理一些运算量较大的运算。 本文从开展ARM和FPGA联合开发相关课程的现实意义出发，阐述了开展ARM和FPGA联合开发相关课程的教学改革目标，并提出了相应的课程教学改革策略，旨在提高集成电路专业学生的综合竞争力。

ARM；FPGA；联合开发；教学探索

这十年来，ARM和FPGA的发展速度已经远远超过了DSP。在ARM方面，其A9双核、A15四核在嵌入式市场已经以摧枯拉朽之势占领了主导地位。FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，是1985年美国Xilinx 公司率先推出的一种新型的可编程逻辑器件，其规模大、集成高、灵活性强，实现逻辑功能广。FPGA适用于处理实时性要求高，处理数据量大的场合，目前用FPGA作为自定义协处理器的方案正在大行其道。从之前Intel对Altera的收购就可以看出，处理器与FPGA的融合设计已成为业界共识。[1]

近年来，社会对熟练掌握ARM和FPGA 技术的高素质高校毕业生的需求逐年增加。国内外知名企业每年都会到高校高薪招聘相关验证工程师、数字设计工程师和SOPC 设计工程师。为满足社会需求，各高校相关专业开设了包含ARM和FPGA 技术内容的课程，如集美大学电子科学与技术专业，从2011 年开始开设了“FPGA原理与应用”“嵌入式系统设计”和“SOPC 设计技术”等相关课程。但是，由于学生基础课程掌握不牢，同时受实验条件及师资的限制，在相关课程教学中偏重讲授理论知识，而在应用方面涉及较少，直接导致学生的实践技能较差，就业时难以满足企业需求。面临就业压力，为了就业，一部分学生花费金钱和时间自费到社会培训机构进行APP开发技术方面的学习。一方面企业在高薪聘请具有复杂嵌入式系统开发能力的员工，另一方面在校学生因认识不到本专业的优势而去学习andriod等APP开发技术。因此，开展相关课程教学改革研究具有重要的现实意义。

1 目前ARM与FPGA联合设计课程存在的问题

目前我们在SOPC设计这门选修课程里开始给学生介绍ARM和FPGA的联合设计，但学生普遍反映课程较难，涉及到的综合知识太多。我们从学生角度分析后归纳出以下原因：

1.1 学生的水平不足

学生水平不足，源于从大一开始就认识不足。ARM和FPGA的联合设计对于初学者来说，要学的知识点很多。学生必须从大一开始学习好C语言，之后需要学习逻辑电路设计、硬件描述语言和操作系统相关知识才能顺利的进行ARM和FPGA的联合开发。但目前普通高校开设的相关实验课程大多数都有相应的课堂教学，其主要内容都是涉及教师在课堂上所要求的重点内容，无法从系统的整体设计上进行考虑。学生因为要几年后才能知道学习的内容用在哪里，常常感到非常迷茫。造成最后知道用在哪里后，却因为能力不足而无法上手做一些项目。

1.2 学生的热情不高

学生热情不高主要原因在于不知道学的能干什么。很多课程项目深度不够，学生学了之后没法用到实际项目中去，而学校由于实验设备的时间场地等条件限制，无法开出很多有深度的项目。

2 教学目标

毕竟课堂教学有一定的局限性，鼓励学生养成课外积极收集学习相关专业知识的兴趣；将所学知识灵活应用于实践。这样教学才能由老师个人在课堂上演“独角戏”的场面转变为研讨会，学生也一定会竭尽全力由被动学习向主动学习转变。学生才能逐渐形成创新性思维，具有较高的工程素质和实践能力。

3 采取的措施

3.1 嵌入式实践教学体系的建立

首先，开发层次化教学包，教学包中包括FPGA和ARM嵌入式技术实训课程教学大纲、实验指导书、电子教案、实训指导、FPGA/ARM嵌入式实验箱、实验箱的使用说明、教学资源库及实验环节考核系统等，以适应电类及相关专业的学生进行FPGA和ARM嵌入式技术课程实训，提高教学质量和教学效果。[2]

其次，将教学内容分为基础篇和提高篇，基础篇可以满足大一、大二学生工程训练的要求，让低年级学生获得嵌入式技术全方位的系统化的基础工程训练。提高篇面向三、四年级的创新班和在嵌入式方面有一些进入大三阶段则需要有选择地重点学习嵌入式操作系统原理与编程、嵌入式系统与FPGA的混合系统设计或者全力以赴钻研FPGA应用技术等技术方向，开发，培养学生软硬件开发的能力。

3.2 实验教学的改革

目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技术实训课所使用的实验平台都是独立平台，大多是买市场上成品的嵌入式实验箱或FPGA实验箱等，功能单一。从这次集成电路设计大赛上我们用到京微雅格公司的CME-M7芯片，其上集成了ARM Cortex-M3内核和高性能FPGA，非常适合用于我们自研FPGA/ARM联合开发实验板，作为实验平台完全能够满足嵌入式实验的教学要求。

基于ARM与FPGA的联合设计还是个比较新的方向，本文针对前阶段我们的尝试做了提出了一些新思路，期待在以后的大赛中检验成效。

[1]郑伟“． 嵌入式系统设计技术”课程模式转变及教改研究[J]．电气电子教学学报,2009(S1):47-49．

[2]党元一．嵌入式课程中项目教学法的应用研究与实践[J]．中国电力教育,2011(2):86-87．

吴一亮（1979-），厦门市集美大学信息工程学院，讲师，博士。