蔚瑞華, 余有靈, 張　偉, 沈潤(rùn)杰, 徐和根

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海　201804)

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基于模塊化思想的FPGA綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

蔚瑞華, 余有靈, 張偉, 沈潤(rùn)杰, 徐和根

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海201804)

結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐,針對(duì)傳統(tǒng)可編程器件課程教學(xué)中的不足,提出了基于模塊化思想的FPGA綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。該文從項(xiàng)目建設(shè)的總體思路、項(xiàng)目建設(shè)的內(nèi)容等方面進(jìn)行探索,著眼于提高學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新思維能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐證明,該項(xiàng)教學(xué)改革適應(yīng)了當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),提高了學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列; 模塊化設(shè)計(jì); 教學(xué)改革

1　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的目的

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fieldprogrammablegatearray,FPGA)是在可編程邏輯器件(programmablelogicdevice,PLD)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的半定制電路,既解決了定制電路需要反復(fù)驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)的不足,又克服了原有可編程器件門(mén)電路智能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模電路的缺點(diǎn),使得可編程器件的集成度更高、靈活性更強(qiáng)、功能也更豐富[1]。由于可編程器件能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的前提下修改完善甚至重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件功能,使電子系統(tǒng)的硬件具有了“柔性”。以硬件描述語(yǔ)言(Verilog或VHDL)所完成的電路設(shè)計(jì),可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局,快速的燒錄至FPGA上進(jìn)行測(cè)試。FPGA在短短20多年里從電子設(shè)計(jì)的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心,在計(jì)算機(jī)硬件、通信、航空航天和汽車(chē)電子等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2],是現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。學(xué)生通過(guò)應(yīng)用FPGA不僅可以掌握數(shù)字電路的組合邏輯和時(shí)序邏輯電路[3],而且還可以實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)和高級(jí)的應(yīng)用：如實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)[4]和數(shù)字信號(hào)處理器[5]。

隨著大規(guī)模可編程器件在工程上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,社會(huì)對(duì)掌握FPGA技術(shù)的畢業(yè)生需求逐年增加。為滿(mǎn)足社會(huì)需求,電氣信息類(lèi)的各專(zhuān)業(yè)越來(lái)越多地采用可編程邏輯器件作為其教學(xué)和實(shí)踐平臺(tái)[6-9]。目前,同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院有Xilinx公司的Spartan3和Digilent公司的Nexys4(基于Artix7)開(kāi)發(fā)板作為電子科學(xué)系、信通系、自動(dòng)化系本科學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路、微機(jī)原理與仿真技術(shù)、可編程器件、嵌入式系統(tǒng)等課程的硬件仿真平臺(tái)。

項(xiàng)目建設(shè)以同濟(jì)大學(xué)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”為指導(dǎo),旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。項(xiàng)目緊跟技術(shù)發(fā)展的潮流,采用“教師引導(dǎo)、學(xué)生主體”[10]教學(xué)模式,貼合數(shù)字邏輯電路、可編程芯片等課程的重要知識(shí)點(diǎn),通過(guò)精心設(shè)計(jì)一系列針對(duì)性實(shí)驗(yàn),使學(xué)生在熟練掌握軟件應(yīng)用和硬件調(diào)試能力的同時(shí)增加對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)還設(shè)定了綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和具有拓展性及創(chuàng)新性的課程設(shè)計(jì)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。項(xiàng)目基于模塊化的思想,使得學(xué)生在模塊的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行重新組合設(shè)計(jì),增加了理論教學(xué)的趣味性,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究的積極性和主動(dòng)性,提高學(xué)習(xí)的目的性和積極性,為今后有針對(duì)性地進(jìn)一步深入研發(fā)打下基礎(chǔ)。

2　項(xiàng)目建設(shè)總體思路

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、 科研能力、 創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[11],以往的基于FPGA的實(shí)踐教學(xué)旨在讓學(xué)生熟悉FPGA的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)步驟,進(jìn)行一些組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路的分析和硬件仿真。這些對(duì)于學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此,我們?cè)谠械膶?shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)上,進(jìn)行基于模塊化的綜合實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì),旨在構(gòu)建“基礎(chǔ)—提高—應(yīng)用— 創(chuàng)新—研究”和“仿真—設(shè)計(jì)—綜合—工程”的多層次模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[12]。改革這門(mén)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的總體思路是：

(1) 探索理論與實(shí)踐如何更好地結(jié)合,將新的FPGA技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中,使學(xué)生在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,更深入地理解教學(xué)內(nèi)容。這就要求教師在課堂上對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行更進(jìn)一步的梳理,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí),結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地了解、掌握可編程器件的設(shè)計(jì)方法、仿真手段以及可編程器件與外圍接口電路的設(shè)計(jì)。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)級(jí)的觀念以及模塊化思想,對(duì)系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行模塊劃分,確定模塊間的連接關(guān)系,并且對(duì)已有模塊進(jìn)行充分利用。

(3)FPGA提供了創(chuàng)新平臺(tái),教學(xué)應(yīng)充分激發(fā)學(xué)生的想象和創(chuàng)造力。堅(jiān)持以工程創(chuàng)新為主題培養(yǎng)學(xué)生,在現(xiàn)有功能模塊的基礎(chǔ)上,學(xué)生可以充分發(fā)揮想象,基于組合模塊的思想對(duì)所需解決的工程問(wèn)題提出創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案和解決措施。

(4) 制訂新的實(shí)踐環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。改變了以往教學(xué)模式中僅以任務(wù)完成度為考核的評(píng)價(jià)模式,轉(zhuǎn)向以學(xué)生在項(xiàng)目中完成任務(wù)的創(chuàng)新性、任務(wù)復(fù)雜程度以及綜合展示來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在此過(guò)程中,提高了學(xué)生的分析解決問(wèn)題能力,也強(qiáng)化了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及溝通能力。

3　項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容

如表1所示,項(xiàng)目建設(shè)主要圍繞基本技能培養(yǎng)、工程綜合技能培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行,從各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的、設(shè)置實(shí)驗(yàn)的主要類(lèi)別以及實(shí)驗(yàn)形式方面進(jìn)行梳理,以達(dá)到“層層遞進(jìn)、逐步深化”的效果,形成貫穿課程的實(shí)踐教學(xué)體系[13]。

表1　項(xiàng)目建設(shè)的目的和形式

(1) 軟件的基本操作及仿真的一般流程。在此階段,遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的原則,教師進(jìn)行軟硬件仿真流程的演示,強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)概念和模塊劃分。綜合實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)流程和硬件仿真流程分別見(jiàn)圖1和圖2。讓學(xué)生在實(shí)踐之初就樹(shù)立系統(tǒng)的總體意識(shí),以及模塊化的概念,為更加深入的系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖1　模塊化FPGA綜合實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)流程

圖2　模塊化FPGA綜合實(shí)驗(yàn)硬件仿真流程

(2) 各功能模塊應(yīng)用與功能調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊劃分,具體實(shí)現(xiàn)各功能模塊(分頻模塊、七段LED數(shù)碼管顯示模塊、計(jì)數(shù)模塊、按鍵識(shí)別模塊等),并進(jìn)行功能模塊的調(diào)理和測(cè)試。在此階段,著重要求學(xué)生熟練掌握軟硬件仿真的具體操作,并完成各功能模塊的調(diào)試。

(3) 模塊綜合和系統(tǒng)調(diào)試。在各功能模塊調(diào)試的基礎(chǔ)上,進(jìn)行模塊綜合和系統(tǒng)調(diào)試,實(shí)現(xiàn)既定的項(xiàng)目任務(wù)。緊緊圍繞模塊化及系統(tǒng)綜合的理念,要求學(xué)生將所調(diào)試的模塊進(jìn)行收集并整理。比如圖3所示的“數(shù)字計(jì)時(shí)器”實(shí)驗(yàn)的連接示例。

圖3中,包含了諸多功能模塊,學(xué)生需要調(diào)用分頻模塊、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)碼管顯示模塊,從系統(tǒng)功能綜合的角度,還需要考慮各模塊之間的連接關(guān)系,如數(shù)碼管顯示時(shí)掃描的問(wèn)題。

圖3數(shù)字計(jì)時(shí)器模塊化連接示例

此外,FPGA還提供了豐富的IP(intellectualpropertycore)內(nèi)核資源,使得基于模塊化的設(shè)計(jì)理念得到更為深入的應(yīng)用。IP核將一些在電路中常用、但比較復(fù)雜的功能塊,如FIR濾波器、總線傳輸以及微處理單元等設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的模塊,學(xué)生按照示例即可進(jìn)行模塊的調(diào)用,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(4) 案例教學(xué)與綜合實(shí)踐。教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和模塊劃分,并擬定實(shí)現(xiàn)的總體框架,在系統(tǒng)功能劃分的基礎(chǔ)上,確定各功能模塊功能和連接關(guān)系,深化工程設(shè)計(jì)的思想。使學(xué)生在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中,明白系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程及設(shè)計(jì)思路,為系統(tǒng)化思想奠定基礎(chǔ)[14-15]。

該實(shí)踐教學(xué)改革,通過(guò)實(shí)驗(yàn)案例為學(xué)生提供項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的平臺(tái),并且充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新才能,增強(qiáng)學(xué)生的自主探索能力,使培養(yǎng)方案及培養(yǎng)模式具有科學(xué)性和創(chuàng)新性,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,培養(yǎng)具有工程能力和創(chuàng)新能力的卓越人才。

(5) 創(chuàng)新性項(xiàng)目環(huán)節(jié)。在創(chuàng)新性項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中,要求學(xué)生在完成前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,自行擬定綜合性的設(shè)計(jì)題目并組隊(duì)完成,在此環(huán)節(jié)中,著重考察學(xué)生的綜合項(xiàng)目實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作及溝通能力。學(xué)生從最初的功能設(shè)定、方案實(shí)現(xiàn)、模塊調(diào)試和系統(tǒng)綜合都進(jìn)行了全方面的鍛煉。例如,一組學(xué)生創(chuàng)新課題是用3塊FPGA開(kāi)發(fā)板相互通信實(shí)現(xiàn)“打地鼠游戲”,如圖4所示,其中中間開(kāi)發(fā)板用于進(jìn)行計(jì)時(shí)、控制同步、判別勝負(fù),左右兩塊開(kāi)發(fā)板用于接收兩個(gè)選手的游戲并進(jìn)行計(jì)數(shù)。在此創(chuàng)新實(shí)踐中,不僅充分用到了之前的功能模塊(諸如分頻、計(jì)數(shù)、數(shù)碼管顯示等),而且進(jìn)行了外設(shè)的拓展,完成實(shí)現(xiàn)了信息的傳輸和交互,在實(shí)踐過(guò)程中,還會(huì)遇到板間數(shù)據(jù)通信問(wèn)題、按鍵消抖、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)此環(huán)節(jié)的實(shí)踐,總體感覺(jué)雖然難度系數(shù)大,但收獲頗豐,在實(shí)踐中鍛煉了實(shí)踐和創(chuàng)新能力,也加強(qiáng)了對(duì)系統(tǒng)及工程實(shí)踐的整體認(rèn)識(shí)。

圖4　打地鼠游戲演示

4　結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以示范案例為基礎(chǔ),讓學(xué)生在全面掌握FPGA開(kāi)發(fā)的一般流程基礎(chǔ)上,進(jìn)一步以模塊化思想拓展實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中不僅獲得了一般的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程的直觀體驗(yàn),也培養(yǎng)了完整的系統(tǒng)理念,掌握了設(shè)計(jì)、應(yīng)用和調(diào)試方法,而且具有創(chuàng)新性,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

考核方式以綜合評(píng)定的方式給出,依據(jù)學(xué)生的課堂實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)給予評(píng)分,全面反映其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)與最終設(shè)計(jì)結(jié)果,突出考察其動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、綜合運(yùn)用能力和發(fā)散思維能力。

經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)與實(shí)踐,該項(xiàng)目已具有了自己的特色,獲得了教師、學(xué)生的一致認(rèn)可。學(xué)生在此期間,總共完成的自主性設(shè)計(jì)性項(xiàng)目多達(dá)30多項(xiàng),為平臺(tái)建設(shè)提供了寶貴的資源。同時(shí),學(xué)生自身的工程綜合設(shè)計(jì)能力與科技創(chuàng)新研究能力也得到了很大提高。

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DesignofFPGAsyntheticexperimentprojectbasedonideaofmodularization

WeiRuihua,YuYouling,ZhangWei,ShenRunjie,XuHegen

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

ThispaperpresentsthesyntheticexperimentdesignoftheFPGAprojectbasedontheideaofmodularization.Aimingatimprovingthestudents’abilityofpracticeandinnovation,theexplorationhasbeenmadeontheoverallcoursereformprincipleandthedetailedconstructioncontent.Ithasbeenprovedthatthiscoursereformcanadapttothetrendofthedevelopmentofthecurrenttechnology,greatlyimprovingthestudents’engineeringpracticalandinnovativeability.

FPGA(fieldprogrammablegatearray);modularizationdesign;teachingreform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.014

2015- 11- 17修改日期：2016- 01- 08

同濟(jì)大學(xué)校級(jí)第八期精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(0800104190 )

蔚瑞華(1979—)，女，山西交城，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭删幊唐骷?、嵌入式系統(tǒng).

E-mail：weiruihua@#edu.cn

TN47;G641.423

A

1002-4956(2016)5- 0044- 04