基于SOPC嵌入式系统创新实验教学方案设计

黎会鹏 黄璞

摘要：SOPC技术是近几年来迅速发展起来的新技术，逐步成为嵌入式系统体系构架发展的新方向，掌握该技术对电子信息类专业的高校学生极其重要。文章在分析FPGA课程教学特点的基础上，以理论联系实际为目的，将实践教学与CDIOi程教育模式相结合，激发学生学习的自觉性和主动性，提出了符合应用型人才发展现状的新思路和教学方法。结果表明，能促进学生开展自主性学习，有效提高学生的职业素养和技术应用能力，取得了较好的效果。

关键词：SOPC；嵌入式；FPGA；工程教育；职业素养

EDA/SOPC技术，即电子设计自动化和片上可编程系统是近几年来迅速发展起来的新技术，特别是可编程逻辑器件与微处理器的结合，极大地推进了电子技术的发展与应用。目前，几乎所有高校的电类专业都开设了“电子设计自动化”（Electronics Desi～ Automation，EDA）课程，并且为数众多的学校与FPGA芯片开发和应用企业建立了EDA联合实验室。

本课题的研究工作主要是在地方高校向应用技术转型发展的背景下，结合国内高校EDA/SOPC课程技术改革的方向和片上可编程系统（System-On-a-Programmable-Chip，SOPC）创新大赛的参赛经历，以SOPC的实验教学为例，探索了实验教学的改革，寻找提高实验教学质量、提高学生创新能力和设计能力的方法。

同时，结合CDIO工程教育理念，CDIO表示构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。

1 当前EDA技术教学模式存在的问题

电子信息学院开设的EDA课程是一门理论性与实践性都很强的电类专业的专业课，现有的FPGA项目大多是基于硬件描述语言来设计硬件描述语言（Hardware DescriptionLanguage，HDL）语法抽象，模型建立较为复杂，实际教学中存在如下问题。

1.1只注重理论讲解，不注重理论联系实际

授课内容基本不涉及或很少涉及工程概念和实现技术，致使学习者只学到专业基本理论，而没学握工程概念和专业基本技术。

1.2只注重单元电路讲解，不注重系统的讲解

学习者学习到的只是孤立的语法和模块知识，不注重复杂系统到单元模块功能的划分，而不清楚这些单元模块在信息编码和控制系统中的地位和运用方法，致使学习者见到复杂一点的功能就无从分析。

1.3课程实验设置不合理

验证性实验偏多，设计性、综合性以及创新性实验偏少，学生综合应用能力和创新能力得不到应有的提高。缺乏综合性、创新性项目构思、设计、实现、运作训练环节，致使学习者工程素质和技术应用能力得不到应有的提高。

为此，本文设计了一款基于FPGA嵌入式IP软核的SOPC实验方案，解决硬件描述语言控制外围芯片时序的难点。系统功能采用C语言编程，使学生对嵌入式系统的硬件结构、资源利用、功能特点等方面进行了解。

2 SOPC技术教学实践方案

基于SOPC的FPGA和嵌入式系统设计是电子信息类和控制工程类专业必修的专业知识，重点讲述灵活运用FPGA技术及应用于工程实际。通过本知识点的学习，使学生熟悉SOPC的工作原理及特性，学会根据实用要求进行系统设计。现以该课程为例，对基于CDIO的课程设计思路进行展示。

2.1课程内容

SOPC课程教学内容主要由SOPC系统应用概论，Altera公司的NIOS II软核处理器结构及运行机制，NIOS II系统的外围设备，Avalon总线规范，基于FPGA的SOPC软硬件开发设计由几个部分组成。

选择周立功出版的《SOPC嵌入式系统基础教程》作为实验教学及课后学习的参考书，并且提供了丰富的芯片应用手册和网络共享资源，供学习时查阅。

2.2教学平台选择

实验环境是实践的保障，实验平台软硬件资源是基于SOPC的实验设备，作为Altera大学计划SOPC联合实验室合作单位，教学选择Altera公司和友晶科技提供的DE2-70开发板作为开发平台。选用Altera公司主推的Cyclone II系列EP2C70F896C6N芯片，Altera DE2-70最新多媒体开发平台配备了数量高达70 000个逻辑单元的FPGA内核，并完全承袭了Altera DE2多媒体平台丰富的多媒体、储存及网络等应用接口的优点。

2.3教学能力培养划分

针对本课程人才培养计划特点，将教学功能进行划分，教学所具备和所达到的能力培养目标如表l所示。

2.4实验学习方式

本课程除了基本的验证性实验外，还提出了综合性创造型实验课题，需要大量的时间进行功能设计和系统调试，正常的實验室教学计划模式已经不能满足教学的需求。为此提出来开放性SOPC实验计划。学生自发组成项目组，每组3-5人，研究和设计课题由小组商讨提出，来自大学生创新创业项目和教师申请的横向或科研项目，提供适当的项目经费。有价值性的课题可以直接作为学生的毕业设计进行研究。同时，安排了专业指导教师，指导教师团队由专业知识熟练的教师组成。实验教学打破了以往统一时间，统一班级的上课模式，开展预约式开放教学模式，开放实验室的大部分管理工作和设备维护工作也由高年级学生完成。这种开放性实验模式充分利用了学生的时间、发挥了学生的创造价值，为学生开展工程教育，促使尽早适应企业研究工作奠定了基础。

2.5学习交流

为了进一步了解专业领域教学和研究动态，提高学生创新能力，学校每年都会组织相关专业教师和学生参加Altera公司举办的大学教师会议，积极备战FPGA和SoC亚洲创新大赛，观摩亚洲地区高校的优秀参赛作品，并与参赛高校指导教师和学生交流教学和科研经验，进行技术探讨，提高师资的教学能力和SOPC开发水平。此外，通过参加Altera公司和友晶科技组织的专业竞赛，让学生通过赛事的组织、设计、调试和交流，提高科研能力和团队合作精神，进一步强化学生对各种EDA技术的掌握。

2.6实践教学措施

CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，先进的工程教育理念，为我们解决工程技术人才培养问题指明了方向，标准如表2所示。

（l）建立系统的概念，采取至上而下的方式进行教学内容的组织，包括项目的分解和实施。

（2）增強学生的工程设计概念，不仅要进行理论知识的讲解，还要突出工程概念，将科研或工程中经常遇到的工程问题，如信号干扰问题纳入讲课内容，使学生在学习中接受工程概念的熏陶，寻找实践操作中的问题解决方案。

（3）为了加深学生对工程技术的理解，提高学生的工程技术应用能力，教学实践以日常生活所遇到的具体应用为对97象，结合教学项目考核的标准设计了相应的实践项目。

（4） CDIO工程教学模式的第一个环节就是构思，因此预先提出问题让学生思考，查找资料，自己解决实验教学内容。

（5）为了培养学生的工程素养和解决工程实际问题的能力，强调项目教学法，通过实施与课程教学相关的项目来达到教学目标，培养学生创造能力和解决实际问题的综合能力，其目的是通过项目实施来实现知识到能力的桥梁。开展开放性实验教学，辅以适当的项目讨论，不仅提高了工程技术综合能力，又提高了学生的团队交流能力和协作能力。

2.7实践环节的考核模式

好的实践项目能够激发学生的学习兴趣，调动学生的自主学习能力和创新能力，加强实践技能的培养，因此，教学项目的设计是项目式教学法的重点，也是难点。工作开展也应当按照工程人才培养模式进行，项目在开展时，每一步的过程是未来工作岗位中实施工作任务的缩影。设计的成果应该有很强的感官特性，避免演示性的成果。

（1）技术文档，包括设计方案、论证报告、测试结果、解决方案和总结报告。（2）团队分工合作情况。（3）设计汇报。（4）作品功能演示。

3 结语

SOPC技术是实践操作性很强的一门开放性学习课程，该方案能很好地融入信息类专业的本科教学体系，课程最重要的任务是要将其应用到实践中去，为后续的学习和工作做好铺垫。通过引入CDIO教育模式，学生可以容易地从基于SOPC技术的软核嵌入式系统转移到实际嵌入式系统的开发。在实际教学过程中，能较好调动学生的积极性，学生自主学习、团队协作、分析解决问题的能力和职业技能都得到了较大的提高。