黎會鵬 黃璞

摘要：SOPC技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，逐步成為嵌入式系統(tǒng)體系構(gòu)架發(fā)展的新方向，掌握該技術(shù)對電子信息類專業(yè)的高校學生極其重要。文章在分析FPGA課程教學特點的基礎(chǔ)上，以理論聯(lián)系實際為目的，將實踐教學與CDIOi程教育模式相結(jié)合，激發(fā)學生學習的自覺性和主動性，提出了符合應(yīng)用型人才發(fā)展現(xiàn)狀的新思路和教學方法。結(jié)果表明，能促進學生開展自主性學習，有效提高學生的職業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)應(yīng)用能力，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：SOPC；嵌入式；FPGA；工程教育；職業(yè)素養(yǎng)

EDA/SOPC技術(shù)，即電子設(shè)計自動化和片上可編程系統(tǒng)是近幾年來迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，特別是可編程邏輯器件與微處理器的結(jié)合，極大地推進了電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，幾乎所有高校的電類專業(yè)都開設(shè)了“電子設(shè)計自動化”（Electronics Desi～ Automation，EDA）課程，并且為數(shù)眾多的學校與FPGA芯片開發(fā)和應(yīng)用企業(yè)建立了EDA聯(lián)合實驗室。

本課題的研究工作主要是在地方高校向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的背景下，結(jié)合國內(nèi)高校EDA/SOPC課程技術(shù)改革的方向和片上可編程系統(tǒng)（System-On-a-Programmable-Chip，SOPC）創(chuàng)新大賽的參賽經(jīng)歷，以SOPC的實驗教學為例，探索了實驗教學的改革，尋找提高實驗教學質(zhì)量、提高學生創(chuàng)新能力和設(shè)計能力的方法。

同時，結(jié)合CDIO工程教育理念，CDIO表示構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。

1 當前EDA技術(shù)教學模式存在的問題

電子信息學院開設(shè)的EDA課程是一門理論性與實踐性都很強的電類專業(yè)的專業(yè)課，現(xiàn)有的FPGA項目大多是基于硬件描述語言來設(shè)計硬件描述語言（Hardware DescriptionLanguage，HDL）語法抽象，模型建立較為復雜，實際教學中存在如下問題。

1.1只注重理論講解，不注重理論聯(lián)系實際

授課內(nèi)容基本不涉及或很少涉及工程概念和實現(xiàn)技術(shù)，致使學習者只學到專業(yè)基本理論，而沒學握工程概念和專業(yè)基本技術(shù)。

1.2只注重單元電路講解，不注重系統(tǒng)的講解

學習者學習到的只是孤立的語法和模塊知識，不注重復雜系統(tǒng)到單元模塊功能的劃分，而不清楚這些單元模塊在信息編碼和控制系統(tǒng)中的地位和運用方法，致使學習者見到復雜一點的功能就無從分析。

1.3課程實驗設(shè)置不合理

驗證性實驗偏多，設(shè)計性、綜合性以及創(chuàng)新性實驗偏少，學生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力得不到應(yīng)有的提高。缺乏綜合性、創(chuàng)新性項目構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作訓練環(huán)節(jié)，致使學習者工程素質(zhì)和技術(shù)應(yīng)用能力得不到應(yīng)有的提高。

為此，本文設(shè)計了一款基于FPGA嵌入式IP軟核的SOPC實驗方案，解決硬件描述語言控制外圍芯片時序的難點。系統(tǒng)功能采用C語言編程，使學生對嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、資源利用、功能特點等方面進行了解。

2 SOPC技術(shù)教學實踐方案

基于SOPC的FPGA和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是電子信息類和控制工程類專業(yè)必修的專業(yè)知識，重點講述靈活運用FPGA技術(shù)及應(yīng)用于工程實際。通過本知識點的學習，使學生熟悉SOPC的工作原理及特性，學會根據(jù)實用要求進行系統(tǒng)設(shè)計?，F(xiàn)以該課程為例，對基于CDIO的課程設(shè)計思路進行展示。

2.1課程內(nèi)容

SOPC課程教學內(nèi)容主要由SOPC系統(tǒng)應(yīng)用概論，Altera公司的NIOS II軟核處理器結(jié)構(gòu)及運行機制，NIOS II系統(tǒng)的外圍設(shè)備，Avalon總線規(guī)范，基于FPGA的SOPC軟硬件開發(fā)設(shè)計由幾個部分組成。

選擇周立功出版的《SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》作為實驗教學及課后學習的參考書，并且提供了豐富的芯片應(yīng)用手冊和網(wǎng)絡(luò)共享資源，供學習時查閱。

2.2教學平臺選擇

實驗環(huán)境是實踐的保障，實驗平臺軟硬件資源是基于SOPC的實驗設(shè)備，作為Altera大學計劃SOPC聯(lián)合實驗室合作單位，教學選擇Altera公司和友晶科技提供的DE2-70開發(fā)板作為開發(fā)平臺。選用Altera公司主推的Cyclone II系列EP2C70F896C6N芯片，Altera DE2-70最新多媒體開發(fā)平臺配備了數(shù)量高達70 000個邏輯單元的FPGA內(nèi)核，并完全承襲了Altera DE2多媒體平臺豐富的多媒體、儲存及網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用接口的優(yōu)點。

2.3教學能力培養(yǎng)劃分

針對本課程人才培養(yǎng)計劃特點，將教學功能進行劃分，教學所具備和所達到的能力培養(yǎng)目標如表l所示。

2.4實驗學習方式

本課程除了基本的驗證性實驗外，還提出了綜合性創(chuàng)造型實驗課題，需要大量的時間進行功能設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，正常的實驗室教學計劃模式已經(jīng)不能滿足教學的需求。為此提出來開放性SOPC實驗計劃。學生自發(fā)組成項目組，每組3-5人，研究和設(shè)計課題由小組商討提出，來自大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師申請的橫向或科研項目，提供適當?shù)捻椖拷?jīng)費。有價值性的課題可以直接作為學生的畢業(yè)設(shè)計進行研究。同時，安排了專業(yè)指導教師，指導教師團隊由專業(yè)知識熟練的教師組成。實驗教學打破了以往統(tǒng)一時間，統(tǒng)一班級的上課模式，開展預約式開放教學模式，開放實驗室的大部分管理工作和設(shè)備維護工作也由高年級學生完成。這種開放性實驗模式充分利用了學生的時間、發(fā)揮了學生的創(chuàng)造價值，為學生開展工程教育，促使盡早適應(yīng)企業(yè)研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2.5學習交流

為了進一步了解專業(yè)領(lǐng)域教學和研究動態(tài)，提高學生創(chuàng)新能力，學校每年都會組織相關(guān)專業(yè)教師和學生參加Altera公司舉辦的大學教師會議，積極備戰(zhàn)FPGA和SoC亞洲創(chuàng)新大賽，觀摩亞洲地區(qū)高校的優(yōu)秀參賽作品，并與參賽高校指導教師和學生交流教學和科研經(jīng)驗，進行技術(shù)探討，提高師資的教學能力和SOPC開發(fā)水平。此外，通過參加Altera公司和友晶科技組織的專業(yè)競賽，讓學生通過賽事的組織、設(shè)計、調(diào)試和交流，提高科研能力和團隊合作精神，進一步強化學生對各種EDA技術(shù)的掌握。

2.6實踐教學措施

CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力4個層面，先進的工程教育理念，為我們解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)問題指明了方向，標準如表2所示。

（l）建立系統(tǒng)的概念，采取至上而下的方式進行教學內(nèi)容的組織，包括項目的分解和實施。

（2）增強學生的工程設(shè)計概念，不僅要進行理論知識的講解，還要突出工程概念，將科研或工程中經(jīng)常遇到的工程問題，如信號干擾問題納入講課內(nèi)容，使學生在學習中接受工程概念的熏陶，尋找實踐操作中的問題解決方案。

（3）為了加深學生對工程技術(shù)的理解，提高學生的工程技術(shù)應(yīng)用能力，教學實踐以日常生活所遇到的具體應(yīng)用為對97象，結(jié)合教學項目考核的標準設(shè)計了相應(yīng)的實踐項目。

（4） CDIO工程教學模式的第一個環(huán)節(jié)就是構(gòu)思，因此預先提出問題讓學生思考，查找資料，自己解決實驗教學內(nèi)容。

（5）為了培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和解決工程實際問題的能力，強調(diào)項目教學法，通過實施與課程教學相關(guān)的項目來達到教學目標，培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力和解決實際問題的綜合能力，其目的是通過項目實施來實現(xiàn)知識到能力的橋梁。開展開放性實驗教學，輔以適當?shù)捻椖坑懻?，不僅提高了工程技術(shù)綜合能力，又提高了學生的團隊交流能力和協(xié)作能力。

2.7實踐環(huán)節(jié)的考核模式

好的實踐項目能夠激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力，加強實踐技能的培養(yǎng)，因此，教學項目的設(shè)計是項目式教學法的重點，也是難點。工作開展也應(yīng)當按照工程人才培養(yǎng)模式進行，項目在開展時，每一步的過程是未來工作崗位中實施工作任務(wù)的縮影。設(shè)計的成果應(yīng)該有很強的感官特性，避免演示性的成果。

（1）技術(shù)文檔，包括設(shè)計方案、論證報告、測試結(jié)果、解決方案和總結(jié)報告。（2）團隊分工合作情況。（3）設(shè)計匯報。（4）作品功能演示。

3 結(jié)語

SOPC技術(shù)是實踐操作性很強的一門開放性學習課程，該方案能很好地融入信息類專業(yè)的本科教學體系，課程最重要的任務(wù)是要將其應(yīng)用到實踐中去，為后續(xù)的學習和工作做好鋪墊。通過引入CDIO教育模式，學生可以容易地從基于SOPC技術(shù)的軟核嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到實際嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。在實際教學過程中，能較好調(diào)動學生的積極性，學生自主學習、團隊協(xié)作、分析解決問題的能力和職業(yè)技能都得到了較大的提高。